关于原核生物的基因表达与操作
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
原核生物基因表达调控的特点
01
原核生物基因表达调控通常由特 定的转录因子、RNA聚合酶以及 其他调控蛋白介导，通过与DNA 的结合或解离来调节基因转录。
02
原核生物基因表达调控具有快速 响应环境变化的特点，能够在短 时间内调整基因表达模式，以适 应外界刺激和压力。
翻译后加工的调控
翻译后加工的调控
在翻译后加工阶段，新合成的蛋白质经过一系列修饰和加工，最终成为具有生物学活性的蛋白质。原 核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性来调控翻译后加工过程。此外，原核生物还可以通过控制 蛋白质的稳定性来影响其功能和表达水平。
总结
翻译后加工是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性，以及蛋白质 的稳定性来精细调控基因表达。
翻译延伸的调控
翻译延伸的调控
在翻译延伸阶段，核糖体沿着mRNA移动，将氨基酸组装成蛋白质。原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活 性，以及核糖体的合成和组装来调控翻译延伸。此外，原核生物还可以通过控制mRNA的结构和稳定性来影响翻 译延伸。
总结
翻译延伸是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活性，以及核糖体的合成和组装， 以及mRNA的结构和稳定性来精细调控基因表达。
翻译起始的调控
原核生物通过控制翻译起始来调控基因表达。在翻译起始阶段， mRNA与核糖体结合，招募翻译所需的起始因子和其他成分。原 核生物通过控制起始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的 结合来调控翻译起始。
总结
翻译起始是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译起 始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的结合来精细调控基 因表达。
3原核生物基因表达与调控
另一个螺旋(由7~9个氨基酸组成),没有碱基特异性, 与DNA磷酸戊糖链骨架接触。在与DNA特异结合时, 靠蛋白质的氨基酸侧链与特异碱基对之间形成氢键、 疏水键和发生静电相互作用 。
二、lac操纵子的分解代谢产物阻遏
β-半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者 分解成葡萄糖及半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖 同时加入培养基中，大肠杆菌在耗尽外源葡萄 糖之前不会诱发lac操纵子，这种现象称为葡萄 糖效应（glucose effect）。
原因：是葡萄糖的某些降解产物抑制了lac
mRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效应 称之为分解代谢产物阻遏效应（catabolite repression）。
基因表达调控(gene regulation or gene
control):任何影响基因转录过程和翻译过程 的开启、关闭和这两个过程速率的较为直接 的因素及其作用。
第一节 细菌的转录调控
一、细菌操纵子
操纵子学说———关于原核生物基因结构及其表达 调控的学说。
操纵子（operon）: 细菌基因表达和调控的单位， 包括共转录到一条mRNA上的多个结构基因和这些基 因转录所需的顺式作用元件，这些元件包括启动子、 操作子和转录调控有关的序列。
能从合成地点扩散到其它场所对其他基因的表达起 调控作用的蛋白质因子（有时为RNA）。起作用的过 程称反式作用。
二、阻遏物和激活物
阻遏物（repressor）: 阻止基因表达的蛋白质，可与操 作子结合来阻止转录，为负调控蛋白。
激活物（activator）:促进基因转录的蛋白质 ，为正调控 蛋白。
原核生物基因表达调控分析
Co-repressor
（共阻遏物）
原核生物基因表达调控方式：
负控诱导调节
负控转录调 控系统
调节基因的产物是 阻遏蛋白 （repressor）， 阻止了结构基因的 转录。
阻遏蛋白与效应物（诱 导物）结合，使阻遏蛋 白失活，结构基因转录； 阻遏蛋白与效应物（辅阻 遏物）结合，使阻遏蛋白 产生活性，结构基因不转 录。
operon on operon off operon off operon on
Neg.
i- or 不加入I基因产物 I+ or 加入I基因产物
（激活蛋白）
Pos.
●
Repressor binding on O site 阻遏蛋白 阻止转录启动
Expressor binding front p site
安慰诱导物：
如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶而本身又不
被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异
丙基- β –D-硫代半乳糖苷）。 相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象 称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基 因(repressible gene)。 如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶， 这种物质就是辅阻遏物。（合成代谢）
第一讲 原核生物基因表达 调控
主要内容
一、基因表达调控的基本概念： 二、 基因表达调控的理论与模式；
一、基因表达调控的基本概念：
1、基因表达调控的意义： 原核生物对环境的适应、对营养条件改变适应的 相关应答，都是基因表达的结果；
真核生物的细胞分化, 组织特化 , 个体发育以及 环境对个体表型的影响都是通过基因表达实现的。
组成型突变： lacOc
iC mut. (iC O+P+) constitutive mut. (组成型)
原核生物基因表达
转录的起始有关，与链的延伸无关，一旦转录开始，σ 因子就被释放，而链
的延伸则由核心酶催化。所以，σ 因子的作用是识别转录的起始位置，并使
RNA聚合酶结合在启动子部位。
在此添加小标题
原核生物基因表达过程
基因表达Biblioteka 转录翻译模板识别 转录起始 氨基酸活化 翻译的起始
转录延伸 转录终止 肽链的延伸 肽链的终止
转录终止
RNA 链延伸到转录终止位点时，RNA 聚合酶不再形成新的磷酸二酯键 RNA--DNA 杂合物分离，DNA 恢复成双链状态，而 RNA 聚合酶和 RNA 链从模板上释放出来，原 核生物转录终止有两种模式：
1
2
依赖Rho因子的转录终止：
Rho 因子具有 RNADNA 杂合链的解螺旋酶， 可引发转录复合物与模板 解离而转录终止。
原核生物的基因表达
基因和基因表达
• 基因：产生一条多肽链或功能 RNA 所需的全部核苷酸序列。它包括编 码区和其上下游区域，以及在编码 片段（外显子）的间断切割序列 （内含子）。
• 基因表达：基因经过转录、 翻译，产生具有特异生物学 功能的蛋白质分子或 RNA 的 过程。
目 前 研 究 发 现 有 13 种 RNA ， 在 转 录 时 ， 信 使 RNA(mRNA) 、 转 运 RNA(tRNA)、核糖体 RNA(rRNA)和一些小 RNA(sRNA)等发挥作用。
对真核生物）； 参与基因的调控，与生物生长发育密切相关，在某些病毒中RNA可作为遗传
物质。
在此添加小标题
三种 RNA 示意图
• RNA 聚合酶全酶：大多数原核生物的 RNA 聚合酶是相同的，由5种（α、β、
β'、σ、ω ） 不同的多肽组成，β 亚基含有核苷三磷酸的结合位点；β' 亚基含
第14章 原核生物基因表达调控
第14章原核生物基因的表达调控重点：操纵子的结构特点和功能；乳糖操纵子的正负调控；色氨酸操纵子的衰减作用。
难点：色氨酸操纵子的衰减作用。
第一节基因调控的基本定律一、基因调控水平二、基因和调控元件三、DNA结合蛋白一、基因调控水平基因表达的调控可以发生在DNA到蛋白质的任意节点上，如基因结构、转录、mRNA 加工、RNA的稳定性、翻译和翻译后修饰。
二、基因和调控元件基因：是指能转录成RNA的DNA序列。
结构基因：编码代谢、生物合成和细胞结构的蛋白质。
调节基因：产物是RNA或蛋白质，控制结构基因的表达。
其产物通常是DNA结合蛋白。
调控元件：不能转录但是能够调控基因表达的DNA序列。
三、DNA结合蛋白调控蛋白通常含有与DNA结合的结构域，一般由60-90个氨基酸组成。
在一个结构域中，只有少数氨基酸与DNA接触。
这些氨基酸（包括天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、赖氨酸和精氨酸）常与碱基形成氢键，或者与磷酸核糖骨架结合。
根据DNA结合结构域内的模体，可以将DNA结合分成几种类型（图16.2）。
第二节大肠杆菌的乳糖操纵子一、操纵子结构二、正负调控三、乳糖操纵子四、lac突变五、正控制一、操纵子结构原核和真核生物基因调控的主要差异在于功能相关的基因的组成。
细菌的功能相关的基因常常排列在一起，并且由同一启动子控制。
一群一起转录的细菌的结构基因（包括其启动子和控制转录的额外序列）称为操纵子。
二、正负调控转录水平上的调控主要有两种类型：负调控：gene ON 阻遏蛋白 OFF正调控：gene OFF 激活蛋白 ON诱导：活性阻遏蛋白 失活诱导因子＋非活性激活蛋白 活性阻遏：失活阻遏蛋白 活性共阻遏蛋白＋活性激活蛋白 失活三、乳糖操纵子乳糖操纵子是诱导型操纵子，当诱导物不存在时，阻遏蛋白结合到操纵序列上并阻止转录；当诱导物存在时，阻遏蛋白与诱导物结合后失去活性，转录才得以进行。
四、lac突变为了鉴定乳糖操纵子各个成分的功能，Jacob和Monod做了细菌的接合实验，其中供体菌的F’因子上也带有乳糖操纵子。
原核生物基因表达的调控
操纵子学说的基本内容
1961年，法国科学家莫诺（J·L·Monod，1910-1976）与雅可布 （F·Jacob）发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学 说，开创了基因调控的研究。四年后的1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝 尔生理学与医学奖。
莫诺与雅可布最初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。这是一个十分巧妙的 自动控制系统，这个自动控制系统负责调控大肠杆菌的乳糖代谢。 乳糖可作为培养大肠杆菌的能源。大肠杆菌能产生一种酶（叫做“半乳糖 苷酶”），能够催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，以便作进一步的代谢利 用。编码半乳糖苷酶的基因（简称z）是一个结构基因（structural gene）。这个结构基因与操纵基因共同组成操纵子。操纵基因受一种叫作 阻遏蛋白的蛋白质的调控。当阻遏蛋白结合到操纵基因之上时，乳糖会起 诱导作用，它与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵 基因开启，相邻的结构基因也表现活性，细菌就能分解并利用乳糖了，这 样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的诱导物。
原核生物基因表达的调控
基因调控
生物体内的每个细胞都有全套的基因，但细胞中的基因并不是同 时表达的。因细胞的类型和执行的功能不同，细胞中有的基因开 启，有的基因关闭，如血红蛋白基因只在红细胞中表达，消化酶 只在消化腺细胞中表达。这其中存在着复杂的基因调控。 某些基因不断地进行转录和翻译，产生出各种蛋白质，通常称之 为基因表达。每个细胞都有一套完整的基因调控系统，使各种蛋 白质只有在需要时才被合成，这样就能使生物适应多变的环境， 防止生命活动中的浪费现象和有害后果的发生，保持体内代谢过 程的正常状态。但是，原核细胞和真核细胞的基因调控有着明显 的区别。 原核细胞表达的基因调控，比真核细胞要相对简单，这里以大肠 杆菌乳糖操纵子为例来说明。
原核生物的基因表达与调控
非编码RN的作用
参与基因表达调 控：非编码RN 可以调控基因的 表达影响蛋白质 的合成
参与转录后调控： 非编码RN可以 参与转录后的调 控影响mRN的 稳定性和翻译效 率
参与翻译调控： 非编码RN可以 参与翻译调控影 响蛋白质的合成 和翻译后修饰
参与表观遗传调 控：非编码RN 可以参与表观遗 传调控影响基因 的表达和功能
别
翻译起始调控： 包括正调控和 负调控影响翻
译效率
正调控：包括 启动子、增强 子等促进翻译
起始
负调控：包括 沉默子、终止 子等抑制翻译
起始
翻译延伸的调控
核糖体：蛋白质合成的场 所
起始密码子：蛋白质合成 的起始点
终止密码子：蛋白质合成 的终止点
延伸因子：参与蛋白质合 成的延伸过程
释放因子：参与蛋白质合 成的释放过程
时序调控机制的研究进展
发现基因表达调控的时序性
研究基因表达调控的调控网络
研究基因表达调控的机制 发现基因表达调控的调控因子
研究基因表达调控的调控机制在原核生物 中的作用
研究基因表达调控的调控机制在原核生物 中的调控机制
07
原核生物基因表达调控的应用前景
基因工程与合成生物学中的应用
基因工程：通过基因重组 技术将外源基因导入原核 生物实现基因表达调控
合成生物学：通过设计、 构建和优化基因回路实现 原核生物的基因表达调控
生物制药：利用原核生物 基因表达调控技术生产药 物、疫苗等
生物能源：利用原核生物 基因表达调控技术生产生 物燃料如乙醇、生物柴油 等
环境保护：利用原核生物 基因表达调控技术降解污 染物实现环境修复
农业：利用原核生物基因 表达调控技术改良作物品 种提高作物抗病、抗虫、 抗逆能力
第6章原核生物的基因表达调控
一、操纵子(operon)
细菌能随环境的变化，迅速改变某 些基因表达的状态，这就是很好的基因 表达调控的实验模型。人们就是从研究 这种现象开始，打开认识基因表达调控 分子机理的窗口的。
既然从DNA到蛋白质的过程称为基因表达，对这个过程
的调节就称为基因表达调控（gene regulation或gene control）。基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中
心课题。
6.1.1基因表达调控的意义
基因组(genome) 是指含有一个生物体生存、发育、活动和 繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。
一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息，在个 体发育分化的各个阶段，各种基因极为有序地表达，一般 在胚胎时期基因开放的数量最多，随着分化发展，细胞中 某些基因关闭(turn off)、某些基因转向开放(turn on)， 胚胎发育不同阶段、不同部位的细胞中开放的基因及其开 放的程度不一样，合成蛋白质的种类和数量都不相同，显 示出基因表达调控在空间和时间上极高的有序性，从而逐 步生成形态与功能各不相同、极为协调、巧妙有序的组织 脏器。
组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。
②适应性表达(adaptive expression)指环境的变化容易使其表达 水平变动的一类基因表达。
应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)， 这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)；
原核生物基因表达的机理及其调控
原核生物基因表达的机理及其调控原核生物是一类单细胞生物，其基因组包括细胞质内的DNA和可能存在于外部的质粒DNA。
基因是生命的基本单位，通过基因表达来实现细胞内各种生物活动的调节、协调和控制。
这里将重点介绍原核生物基因表达的机理及其调控。
基因表达的三个步骤基因表达分为三个主要步骤：转录、翻译和调节。
转录是指将DNA序列转换成RNA序列的过程；翻译是指RNA序列被翻译成氨基酸序列的过程，进而合成蛋白质；调节是指生物体在不同状态下对基因表达的调整和控制。
转录的机理和调控转录是从DNA合成RNA的过程。
在细胞内，RNA聚合酶是起主导作用的酶，可以将位于DNA模板链上的核苷酸与其形成互补配对的核苷酸连接起来，从而合成RNA，这个过程是由DNA模板指导的。
在原核生物中，转录过程相对简单。
细菌细胞中，只有一个RNA聚合酶可以完成所有RNA的合成，并且细菌细胞中的大多数基因都是成串排列的，构成的连续片段被称为“操纵子”。
细菌的一个操纵子通常包含3个区域，启动子、结构基因和终止子。
其中，启动子包含一段特别的DNA序列，被RNA聚合酶认识为转录起点，使得RNA聚合酶可以将核苷酸序列转录为RNA。
结构基因由串联的核苷酸序列组成，决定了合成的RNA分子序列构建。
终止子是一些DNA序列，确定RNA聚合酶在终止转录时的位置。
转录过程中的调控非常重要。
原核生物常常通过启动子区域的开放或关闭调控基因的转录。
这可以通过转录因子的作用来实现。
例如，细菌的“cap结构”和“UTR”可以帮助细胞发现起始位置。
激活蛋白可以缠绕到基因区域，启动转录酶的工作进程。
还有其他的转录因子，他们的作用是为转录酶提供指导信号。
翻译的机理和调控翻译是在RNA模板的指导下，由核糖体将合成的氨基酸序列合成成蛋白质的过程。
在原核生物中，翻译是通过紧密联系的核糖体和RNA复合物实现的。
核糖体由大大小小两个亚基组成，并特异地识别不同氨基酸。
它通过扫描RNA序列来寻找指定的起始区域（起始密码子），并始终按照特定的氨基酸序列连接合成蛋白质。
第7章原核生物基因表达的调控
Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。
Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆
菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。
A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷
上，形成乙酰半乳糖。
gene
正调控
调控蛋白
负调控
结构基因表达
▪ 负调控：抑制基因表达的调控方式 ▪ 正调控：促进基因表达的调控方式
B、特殊代谢物的调控
诱导(induction)
阻遏(repression)
inducer
gene
repressor
gene
特殊代谢物
诱导 阻遏
结构基因表达
诱导物、可诱导基因 阻遏物、可阻遏基因
无葡萄糖、 有乳糖-----cAMP水平高 （2）cAMP与CRP结合形成有活性的
CRP- cAMP 复合物 （3）CRP-cAMP 与Plac结合 （4）增强了RNA聚合酶与启动子的结合
（5）lacZ， lacY 、 lacA高表达
105
40
105
41
乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、 基因开放与关闭情况如下：
CRP
Binding
RNA
Promoter
Operator
CRP
Pol. Repressor
cAMP
LacZ
LacY
LacA
Repressor mRNA
STOP
Right there
CRP
Polymerase
cAMP
Repressor
cAMP
CRP
第七章：原核生物基因表达调控
负转录调控
• 负控诱导 阻遏蛋白不与效应物
结合时基因不转录。
• 负控阻遏 阻遏蛋白与效应物 结合时，基因不转录。
正转录调控
• 正控诱导 有效应物时，激活蛋白 处于活性状态基因转录。
• 正控阻遏 有效应物时，激活蛋 白处于无活性状态基 因不转录。
负控诱导
正控诱导
负控阻遏
正控阻遏
1、原核生物基因调控机制的类型
6、色氨酸操纵子（元）调节过程涉及 D
(A) 转录水平调节 (B) 转录激活调节
(C) 翻译水平调节
(D) 转录／翻译调节
(A) Lac阻遏蛋白 (B) RNA聚合酶
(C) 环一磷酸腺苷
(D) CRP-cAMP 7、与O序列结合
A
8、与P序列结合 B 9、 与CRP结合 C 10、与CAP位点结合 D
境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后而活化，
能够与O结合，阻遏结构基因的转录，开 关。
(二) 弱化子及其作用
当色氨酸达到一定浓度，但还没有高到能够活化 R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。这种调控现象与色氨酸操纵子特
殊的结构有关。
乳糖存在诱导基因转录
乳糖(lac)操纵子的表达调控
1、阻遏蛋白的负性调控
没有乳糖时，1ac操纵子处于阻遏状态。i 基因在自身的 启动子Pi 控制下，产生阻遏蛋白R。R以四聚体形式与 操纵子o结合，阻碍RNA聚合酶与启动子P的结合。
当有乳糖存在时，乳糖与R结合，使R四聚体解聚成
单体，失去与o的亲和力，与o解离，基因转录开放。
(D) 在生物个体的某一生长阶段持续表达
2、一个操纵子（元）通常含有
原核生物的基因表达调控
经常需要激活蛋白
经常受到阻遏
鼠伤寒沙门氏菌相变的分子机制
在转录水平的调控
转录起始阶段的调控 （1）不同σ因子的选择性使用 （2）操纵子调控模型 （3）几种重要的操纵子
转录终止阶段的调控 （1）抗终止作用 （2）弱化
不同σ因子的选择性使用
原核生物识别启动子序列的是σ因子。不同的σ 因子可识别不同的启动子序列，E. coli主要使 用σ70。在特殊的条件下，其它类型的σ因子被 表达或被激活。这些新的σ因子识别的是其它 类型的启动子，其一致序列不同于σ70所识别的 启动子，从而指导RNA pol启动一些新基因的 表达。这样的调控系统使有机体能够对在特定 条件下需要表达的多个基因进行统一的调控。
大肠杆菌半乳糖操纵子模型
乳糖操纵子三个阻遏蛋白结合位点的结构特征及其作用
乳糖操纵子的正调控
葡萄糖效应——在有葡萄糖存在时，细菌优先利用环 境中的葡萄糖，即使有诱导物乳糖的存在，乳糖操纵 子也处于被抑制的状态，直到葡萄糖被消耗完后才能 解除抑制，这时细菌才开始利用乳糖进行生长。这说 明乳糖的存在仅仅是乳糖操纵子开放的必要条件，但 还不是充要条件。
乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖异构化为别乳糖，绝 大多数乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY基因编码半 乳糖透过酶，其功能是使环境中的β-半乳糖苷能透过 细胞壁和细胞膜进入细胞内；lacA基因编码转乙酰基 酶右。，转按录lac时Z→，lRacNYA→聚la合cA酶方首向先进与行P转lac录结，合每，次通转过录lac出O来向 的一条mRNA上都带有这3个基因。
乳糖操纵子的负调控 乳糖操纵子的正调控
β-半乳糖苷酶催化的水解和异构化反应
葡萄糖效应和乳糖诱导
乳糖对乳糖代谢酶的诱导
如果供大肠杆菌生长的培养基中没有乳糖，那么细胞 内参与乳糖分解代谢的三种酶，即β-半乳糖苷酶、乳 糖透过酶和巯基半乳糖苷转乙酰酶很少，如每个细胞 的β-半乳糖苷酶的平均含量只有0.5个～5个。可是一旦 在培养基中加入乳糖或某些乳糖的类似物，则在几分 钟内，每个细胞中的β-半乳糖苷酶分子数量骤增，可 高达5 000个，有时甚至可占细菌可溶性蛋白的 5％～ 10％。与此同时，其它两种酶的分子数也迅速提高。 由此可见，新合成的β-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰化 酶由底物乳糖或其类似物直接诱导产生，乳糖及其相 关类似物被称为诱导物。
原核生物基因表达调控的基本结构单元
原核生物基因表达调控的基本结构单元介绍
原核生物是一类单细胞生物，其基因表达调控的基本结构单元通常包括以下几个主要组成部分：
1. 启动子（Promoter）：启动子是基因的调控区域之一，位于基因的上游区域，通常包含一个TATA盒等核酸序列。
启动子的作用是吸引RNA聚合酶，这是一个关键的酶，用于合成RNA 的新链。
RNA聚合酶结合到启动子后，开始转录过程。
2. 运算子（Operator）：运算子是原核生物中的一段DNA序列，通常位于启动子和基因之间。
它是一种特定的序列，可以与调控蛋白质（如诱导子或抑制子）结合，以控制基因的转录。
当运算子结合到调控蛋白质时，可以影响RNA聚合酶的能力。
3. 基因（Gene）：基因包含了编码蛋白质的DNA序列，其转录和翻译会产生蛋白质。
基因的启动子和终止子之间的DNA序列被转录为RNA，然后通过翻译产生蛋白质。
4. 调控蛋白质：原核生物中，调控蛋白质是一类能够与运算子结合的蛋白质，可以在基因表达调控过程中起到关键作用。
有诱导子（inducers）和抑制子（repressors）两种类型的调控蛋白质。
诱导子能够激活基因的转录，而抑制子能够阻止或减慢基因的转录。
5. RNA聚合酶：RNA聚合酶是一种酶，它负责合成RNA链的新链。
RNA聚合酶在启动子的帮助下结合到DNA，并开始转录过程。
它在原核生物的基因表达调控中起到关键作用，因为它决定了是否会合成特定基因的RNA。
这些基本结构单元共同协同工作，以确保原核生物的基因表达调控能够适应环境的变化，使细胞能够在不同条件下产生所需的蛋白质。
这一过程是原核生物的适应性和生存的关键。
原核生物基因表达调控概述
原核⽣物基因表达调控概述原核⽣物基因表达调控概述基因表达调控是⽣物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。
1.基因表达调控意义在⽣命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋⽩质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，⽽与⽣物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭⽽不来表达。
2.原核基因表达调控特点原核⽣物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终⽌的每⼀步骤中。
这种调控多以操纵⼦为单位进⾏，将功能相关的基因组织在⼀起，同时开启或关闭基因表达即经济⼜有效，保证其⽣命活动的需要。
调控主要发⽣在转录⽔平，有正、负调控两种机制在转录⽔平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋⽩质因⼦及其他⼩分⼦配基的相互作⽤。
细菌的转录和翻译过程⼏乎在同⼀时间内相互偶联。
细胞要控制各种蛋⽩质在不同时期的表达⽔平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是⼀条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋⽩质的⼩分⼦物质消耗，这是⽣物长期进化过程中⾃然选择的结果，这种控制称为转录⽔平调控。
（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括⼀些与翻译有关的酶及其复合体分⼦缔合的装配速度等过程。
这种蛋⽩质合成及其基因表达的控制称为翻译⽔平的调控。
⼆.原核⽣物表达调控的概念（1）细菌细胞对营养的适应细菌必须能够⼴泛适应变化的环境条件。
这些条件包括营养、⽔分、溶液浓度、温度，pH等。
⽽这些条件须通过细胞内的各种⽣化反应途径，为细胞⽣长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的⼩分⼦化合物。
（2）顺式作⽤元件和反式作⽤元件基因活性的调节主要通过反式作⽤因⼦与顺式作⽤元件的相互作⽤⽽实现。
反式作⽤因⼦的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同⼀个DNA分⼦上。
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大肠杆菌的Lac启动子
➢ 来自大肠杆菌的乳糖操纵子 ➢ 由阻遏蛋白基因(LacI)、启动基因(P)、操纵基因(O)
和编码3个与乳糖利用有关的酶的结构基因所组成 ➢ 受活化蛋白和cAMP 的正调控，阻遏蛋白的负调控 ➢ 受IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）、TMG（硫甲基半乳
阻遏蛋白的结合，提高转录活性。
Tac启动子
➢ 是一组由Lac和trp启动子人工构建的杂合启动 子，其启动能力比Lac和trp都强；
➢ 受Lac阻遏蛋白的负调节，受IPTG（异丙基硫代 半乳糖苷）的诱导 。
λ噬菌体的左向启动子PL
➢ 来自λ噬菌体早期左向转录启动子，活性比Trp启 动子高约11倍；
➢ 受控于温度敏感的阻遏蛋白cI 。在低温(28-30℃) 时，cIts857阻遏蛋白可阻遏PL启动子转录。在高 温(42℃)时，cIts857蛋白失活，阻遏解除，促使 PL启动子转录。
常用大肠杆菌表达载体
1. 非融合型表达载体 pKK223-3 载体 1）强启动子: tac（trp-lac） trp的-35区
➢ 融合蛋白表达系统的构建的三个原则：
➢重组基因在原核细胞中表达具备条件
1.通过表达载体将外源基因导入宿主菌，并指导 宿主菌的酶系统合成外源蛋白。
2.外源基因不能带有间隔顺序(内含子)，因而必 须用cDNA或全化学合成基因，而不能用基因组DNA。
3.必须利用原核细胞的强启动子和SD序列等调控 元件控制外源基因的表达。
4.外源基因与表达载体连接后，必须形成正确的 开放阅读框架(ORF)。
➢ 3. 许多克隆的真核基因都可以在大肠杆菌细胞中 实现有效、高水平的表达；
➢ 4. 大肠杆菌培养方便、操作简单、成本低廉，易 用于批量生产。
大肠杆菌中表达体系的不足：
➢ 1. 真核基因，在结构上同原核基因之间存在着很 大的差别。
➢ 2. 真核基因的转录信号同原核的不同。细菌的 RNA聚合酶不能识别真核的启动子；外源基因 可能含有具大肠杆菌转录终止信号功能的核苷 酸序列。
➢ 3. 真核基因mRNA的分子结构同细菌的有所差异， 影响真核基因mRNA稳定性。
➢ 4. 许多真核基因的蛋白质产物，都要经过 转译后的加工修饰（正确折叠和组装）， 而大多数的这类修饰作用在细菌细胞中 并不存在；
➢ 5. 细菌的蛋白酶，能够识别外来的真核基 因所表达的蛋白质分子，并把它们降解掉。
非融合蛋白特点：
➢ 表达时要求高：SD序列与ATG的距离要 合适。即使改变2-3个碱基，表达效率也 会大受影响。
➢ 优点：能够较好地保持原来蛋白的活性。 ➢ 缺点：在宿主细胞内容易被蛋白酶降
解，蛋白产量低；分离纯化费时费力， 成本较高。
2. 分泌型表达载体 载体表达出的外源蛋白质与细菌的分泌信号肽连在一
关于原核生物的基 因表达与操作
基因克隆的技术路线
目的基因
载体
体外重组
重组子（杂合DNA）
转化
受体细胞
筛选阳性克隆
大量扩增，获得子代DNA
重组基因表达的目的
1. 蛋白质功能研究 2. 生物制药和疫苗生产 3. 疾病的基因治疗 4. 食品、化工用酶制剂 5. 抗虫、抗逆植物改良 6. 细胞代谢产物的富集
lacUV5的-10区
2）操纵基因：乳糖操纵子系统
lac操纵基因
3）表达诱导物：IPTG（乳糖的类似物，不会被降解）
条件： 必须选择一个有
lacI的宿主菌。
非融合蛋白：指所表达的外源蛋白的N端或C端不含任 何其他氨基酸。
所表达的蛋白质以真核蛋白的mRNA的AUG为起 始，在其氨基端不含细菌多肽序列。
起，可被宿主菌分泌到细胞周质中。
pIN III-comA1, pIN III-comA2, pIN III-comA3,
1）强启动子：Ipp（脂蛋白基因启动子）和lacUV5启动子。
2）调节基因：lac I 。
3）S-D序列和起始密码ATG。 4）分泌信号肽：大肠杆菌外膜蛋白基因ompa。 5）插入位点区（多克隆位点）。
3.融合蛋白表达载体系统
表达出的外源基因产物蛋白是与质粒载体上的菌体蛋 白连接在一起的。 如：pGEX、pET系列
优点：便于融合蛋白的分离和纯化。
组成结构： 1）启动子：tac 2）操纵基因：lacP 3）调节基因：lacI 4）S-D序列 5）ori：pBR322 ori 6）融合肽：GST(谷胱甘肽巯基转移酶）
重组基因表达体系
➢大肠杆菌 ➢枯草杆菌
1. 原核体系 ➢乳酸菌
➢沙门氏杆菌 ➢苏云金杆菌
➢酵母细胞
2. 真核体系 ➢昆虫细胞
➢植物细胞、组织 ➢动物细胞、组织
大肠杆菌表达体系
大肠杆菌表达体系优越性：
➢ 1. 对大肠杆菌的背景知识，特别是基因表达调控 的分子机理有深刻的了解；
➢ 2. 是一种安全的基因工程实验体系，拥有各类适 用的寄主菌株和不同类型的载体；
5.利用宿主菌的调控系统，调节外源基因的表达， 防止外源基因的表达产物对宿主菌的毒害。
➢ 原核生物基因表达载体的组成特征
启动子 核糖体结合位点(SD序列) 终止子 选择标记基因 复制子
大肠杆菌表达载体
核糖体结合位点
启动子
转录终止子
➢ 报告基因（reporter gene）：特指那些编 码产物可以被快速测定的功能核苷酸编码单 元（半乳糖苷酶基因、碱性磷酸酶基因、萤 光素酶基因、半乳糖激酶基因以及氯霉素乙 酰转移酶基因等）。
糖苷）、ONPG（邻硝基苯基半乳糖苷）的诱导 ➢ LacUV5启动子：Lac启动子的衍生物
大肠杆菌的trp启动子
➢ 来自大肠杆菌的色氨酸操纵子 ➢ 由启动子、衰减子、操纵基因及trpE的部分结构
基因组成 ➢ 受阻遏蛋白和衰减子的调控，阻遏蛋白前体必须
与色氨酸结合才有活性 ➢ 3-β-吲哚丙烯酸（IAA）可竞争性抑制色氨酸与
➢ 追踪某种特定的DNA结构（重组质粒）是否 已经导入寄主细胞、抑或是器官和组织；也 可用来同任何一调控启动子
➢ Lac(乳糖启动子) ➢ Trp(色氨酸启动子) ➢ Tac(乳糖和色氨酸的杂合启动子) ➢ PL (λ噬菌体的左向启动子) ➢ T7噬菌体启动子