第18章 船长系列：原核基因表达调控

第二节 原核基因表达调控
二 乳糖操纵子 诱导
第二节 原核基因表达调控
G
-
adenylate cyclase
思考
一个CAP正性调节 一个阻遏蛋白的负性 调节两者一起如何调 节？
第二节 原核基因表达调控
协同调节
二 乳糖操纵子 诱导
当阻遏蛋白封闭转录时， CAP 对该系统不 能发挥作用； 如无 CAP 存在，即使没有阻遏蛋白与操纵 序列结合，操纵子仍无转录活性。 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖 / 乳糖共同存在时， 细菌首先利用葡萄糖。
02
03
04
05 共有序列决定启动序列的转录活性大小。
第二节 原核基因表达调控
第二节 原核基因表达调控
第二节 原核基因表达调控
根据操纵子对调节蛋白的应答，可将原 核细胞基因调控分为， 正转录调控 (positive regulation) 和 负转录调控 (negative regulation)。
第二节 原核基因表达调控
二 乳糖操纵子 诱导
（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构 弱启动子 调控区 DNA 结构基因
I
I基因
P
O
操纵序列
Z
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶
启动序列
Y： β-半乳糖苷酶透性酶
A：β-半乳糖苷酶乙酰转移酶
CAP结合位点
第二节 原核基因表达调控
二 乳糖操纵子 诱导型 （一）乳糖操纵子(lac operon)的结构
关于色氨酸操纵子
停则不停 不停则停
如果使用定点突变的手段将 CHECK YOUR 大肠杆菌色氨酸操纵子前导 UNDERSTANDING 肽的起始密码子突变成UGA ，那么色氨酸操纵子将
讨论题.大肠杆菌色氨酸操纵 子中如果出现了下列突变，请 CHECK YOUR 分析一下大肠杆菌对色氨酸浓 UNDERSTANDING度的敏感性将如何变化。
第一节 基本概念和原理
正调控和负调控
第一节 基本概念和原理
正调控和负调控
第一节 基本概念和原理
如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加 入这种调节蛋白质后基因活性就被增强或开启， 这样的调控称为 正转录调控。介导正调控的调节 蛋白称为 激活蛋白(activating protein)。
如果在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加 入这种调节蛋白质后基因表达活性降低或被关闭 ，这样的调控为 负转录调控。介导负调控的调节 蛋白称为 阻遏蛋白(repressive protein)
第 十八 章
基因表达调控
Regulation of Gene Expression
大肠杆菌 环境
有葡萄糖 有葡萄糖有乳糖
结果
用葡萄糖 用葡萄糖
有乳糖无葡萄糖
有色氨酸 无色氨酸 无色氨酸也无其他氨基酸
用乳糖
不生成色氨酸 生成色氨酸 不生成色氨酸
第二节
原核基因表达调控 Regulation of Gene Expression in Prokaryote
色氨酸操纵子前导序列
第二节 原核基因表达调控
色氨酸操纵子前导序列
第二节 原核基因表达调控
色氨酸操纵子前导序列
第二节 原核基因表达调控
前导序列
第二节 原核基因表达调控
Trp 前导mRNA最稳定的二级结构。衰减作用 依赖于12， 34的配对发夹结构。34配对是终止信号
第二节 原核基因表达调控
第二节 原核基因表达调控
操纵元件 (operator)
蛋白质因子
特异DNA序列
原核基因组中，由几个功能相关的结构基因及其 调控区组成一个基因表达单位，称为操纵子
第二节 原核基因表达调控
操纵子，基因表达的协调单位。它由 启动子、操纵基 因、结构基因以及能够调控其活性的调控基因组成
操纵基因 operator，是指能被调控蛋白特异性 结合的一段 DNA 序列，常与启动子邻近或与 启动子序列重叠
阻遏操纵子：即阻遏基因，一般情况下处于表达 状态，但当其产物大量出现时即关闭，合成氨基 酸的操纵子属于这一类型。
第一节 基本概念和原理
负 调 控
正 调 控
结合调控蛋白和效应物的作用， 可以将转录调控分为4类
第一节 基本概念和原理
顺式作用元件和反式作用因子共同调节 一般说来，调节序列与被调控的编码序列位于 同 一 条 DNA 链 上 ， 称 为 顺 式 作 用 元 件 (cis acting element)。 调节序列远离被调控的编码序列，实际上是其 他分子的编码基因，只能通过其表达产物来发 挥作用，这些蛋白质或 RNA 分子称为反式作用 因子(trans-acting factor)。
β-半乳糖苷酶
透性酶 乙酰 转移酶
第二节 原核基因表达调控
第二节 原核基因表达调控
思考
细菌对潜在的碳源有 偏好，当存在葡萄糖 时，其他糖类将不被 利用。那乳糖操纵子 平时是开还是关呢（ 假设大肠杆菌平时环 境中葡萄糖更多）
第二节 原核基因表达调控
结构基因簇受到其上游操纵基因lac O的调控，而 lac O与结构基因启动 子具有部分重叠
葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分 解代谢阻遏(catabolic repression)。
第二节 原核基因表达调控
二 乳糖操纵子 诱导 高乳糖时
低乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
+
I O
+
RNA-pol
+
O
mRNA I
葡萄糖高 cAMP浓度低
-
I O
wenku.baidu.com
I
mRNA
+
O
第二节 原核基因表达调控
第二节 原核基因表达调控
第二节 原核基因表达调控
五、转录翻译偶联调节 衰减子
衰减是转录-翻译的偶联调控 色氨酸操纵子（trp operon）除了产物阻遏 负调控外，还有转录衰减（attenuation）调控方 式。
第二节 原核基因表达调控
转录-翻译的偶联调控
第二节 原核基因表达调控
色氨酸操纵子示意图
广义衰减区
第二节 原核基因表达调控
第二节 原核基因表达调控
一、原核基因转录调节特点
——调节的主要环节在转录起始
（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 (强启动子） （二）操纵子模型的普遍性 （三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性
第二节 原核基因表达调控
操纵子是原核基因转录调控的基本单位
启动子 (promoter) 其他调节基因 编码序列
有乳糖存在时
思考
基因若
想表达
转录开始
诱导剂
半乳糖苷酶 基因得表达
思考
没有乳糖时，ZYA只有 几分子，但当出现乳糖 时，几分钟内ZYA可以 上千倍增多，可占蛋白 质的10%。为什么不取 个中间值？
思考
三个基因成蔟排列， A是做什么的呢？
思考
是不是有乳糖且进入细胞就可以 使乳糖操纵子开放了呢？ RNA 聚合酶的发动仍需要一个正 调控信号才能激活转录。这个蛋 白称为正调控蛋白。对所有葡萄 糖敏感的操纵子而言， 这一正调 控是CAP 因子
第二节 原核基因表达调控
第二节 原核基因表达调控
衰减子作用
第二节 原核基因表达调控
前导序列发挥了随色氨酸浓度升高而降低转 录的作用，这段序列称衰减子 色氨酸浓度决定了核糖体经过前导区继续转 录的能力 核糖体在 mRNA 上的位置决定前导序列中 终止发夹结构的生成，从而决定 RNA 聚合 酶通过衰减子的能力
图18-3
CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节
第二节 原核基因表达调控
有一种突变株大肠杆菌在既 含有葡萄糖也含有乳糖的培 CHECK YOUR UNDERSTANDING 养基中生长时，乳糖操纵子 呈现较高水平的表达。此突 变株最有可能
思考
作为合成蛋白质的氨 基酸之一，细菌平时 把合成色氨酸的相关 基因开还是关好呢？
第二节 原核基因表达调控
思考
而当其他氨基酸短缺 或所有的氨基酸都不 足时，细菌是打开色 氨酸操纵子呢还是关 闭呢？
第二节 原核基因表达调控
核糖体翻译移动的速度更慢，甚至不能占据 1 区的序列，结果有利于 1 和 2 发夹结构的形成 ，于是 RNA聚合酶停止转录，等于告诉细菌： “整个氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能 合成蛋白质，不如不合成以节省能量”。
第二节 原核基因表达调控
三色氨酸操纵子 阻遏
结构基因
色氨酸过量时： 调节区
trpR
P
RNA聚合酶
O
Trp
色氨酸操纵子
第二节 原核基因表达调控
三色氨酸操纵子 阻遏
结构基因
色氨酸缺乏或不足时：
调节区
trpR
RNA聚合酶 P O
mRNA
色氨酸操纵子
第二节 原核基因表达调控
第二节 原核基因表达调控
转录终止阶段调节
第二节 原核基因表达调控
原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子
原核生物基因组结构特点
1 基因组中很少有重复序列； 2编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单 拷贝基因，但编码 rRNA 的基因仍然是多拷贝 基因； 3 结构基因在基因组中所占的比例（约占50%） 远远大于真核基因组； 4许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列 5转录翻译同空间进行，且时间几乎无差
调控的正与负，指的是结合到基因调节 区域(操纵区)的蛋白质的作用
第一节 基本概念和原理
有一些效应物，它们能够与调控蛋白 相结合改变调控蛋白的空间构象从而 改变其对基因转录的影响。
第二节 原核基因表达调控
操纵子有两种类型
诱导操纵子：即诱导基因，这些基因因环境中 某些物质的出现而被活化。许多负责糖代谢的基 因属于这种类型。
（一）不依赖Rho因子的转录终止
终止子结构特点： 两段富含GC的反向重复序列，中间间隔 若干核苷酸； 下游含一系列T序列。
（二）依赖Rho因子的转录终止
常见于噬菌体中，结构特点不清楚。
思考
实验观察表明：当存在充足的 色氨酸时，终止作用是有效的 。但当色氨酸达到一定浓度， 却还没有高到能够活化阻遏蛋 白使其起阻遏作用的程度时， 产生色氨酸合成酶类的量已经 明显降低，而且产生的酶量与 色氨酸浓度呈负相关。这又 是怎么回事呢？
第一节 基本概念和原理
基因是编码可扩散产物的DNA序列，这种产物可以是 蛋白质（大多数），也可以是RNA。编码产物将从合 成地点扩散到其他场所起作用。基因产物自由扩散至 其作用靶位的过程称反式作用（trans-acting）。 顺式作用（cis-acting）：不转变为其他任何形式（ RNA或蛋白质）只以DNA形式在原来位置起作用的 DNA序列，只影响与其临近的DNA序列。
第二节 原核基因表达调控
阻遏蛋白的负性调节 阻遏基因 DNA
二 乳糖操纵子 诱导型
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
思考
环境中没有葡萄 糖，只有乳糖， 细菌该怎么办呢
第二节 原核基因表达调控
二 乳糖操纵子 诱导型 pol P
DNA
I
O
Z
Y
A
mRNA
mRNA
启动转录
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶 异乳糖 乳糖
第一节 基本概念和原理
调节基因 （regulator gene）转录生成 mRNA 并翻译出 调节蛋白（ regulator protein） ， 该蛋白就是反式作用因子，这一蛋白能够结合到 DNA链上一段目标区域（target site）从而调控目标区域下游结构基因的 表达。这个目标区域的 DNA 就是顺式作用元件
Trp大量时，核糖体移动顺利通过12，34发夹形成 。核糖体顺利通过1翻译完前导肽，在终止密码停顿 。这样34发夹形成，转录终止，释放RNApol
第二节 原核基因表达调控
第二节 原核基因表达调控
Trp少的时候，因为被tRNA 携带的Trp减少，会导致核糖 体在1处停留，其停留导致12 发夹不能形成，23发夹结构 （衰减结构）形成，而23的 形成导致34不能形成，故 RNA聚合酶可以一直转录下 去ABCDE
第二节 原核基因表达调控
操纵子模型的普遍性
01
多顺反子(polycistron)：mRNA分子携带 了几个多肽链的编码信息 启动子是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部 位，是决定基因表达效率的关键元件 各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点 上游-10及-35区域存在一些相似序列，称为共有序列 E.coli 及 一 些 细 菌 启 动 序 列 的 共 有 序 列 在 -10 区 域 是 TATAAT，在-35区域为TTGACA
第二节 原核基因表达调控
CAP的正性调节
二 乳糖操纵子 诱导
+ + + + 转录
DNA
CAP
P
O
Z
Y
A
CAP CAP CAP CAP
无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
CAP: （catabolite gene activator protein）分解代谢基因活化蛋白
CRP cAMP receptor protein