第七章 原核基因表达调控总结

空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。
基因表达的一般规律： 在需要时表达——开 (turn on)，
不需要时不表达——关(turn off)。
“关”：基因的表达量特别低
生物的基因表达受着严密和精确的调控， 基因表达调控是生命本质所在，是生物适 应环境生存的必然结果。
二、乳糖操纵子(lac operon)
乳糖操纵子的结构 酶的诱导——lac体系受调控的证据 乳糖操纵子调控模型 影响因子 Lac操纵子中的其他问题
乳糖操纵子模型的建立(Jacob and Monod, 1961)
Jacquces Monod
Francois Jacob
（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成 调控区 DNA
对基因表达过程的调节称为基因表达调控 （gene regulation或gene control）。
基因表达的方式
组成性表达 (constitutive expression) 适应性表达 (adaptive expression）
组成性表达：
指不大受环境变动而变化的一类基因表达。 某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达， 通常被称为看家基因(housekeeping gene)。 组成性基因表达不是一成不变的，其表达强弱也 受一定机制调控。
rpoD rpoN rpoH rpoS rpoF rpoE
所有σ因子都含有4个保守区，其中第2个
和第4个保守区参与结合启动区DNA，第 2个保守区的另一部分还参与双链DNA解 开成单链的过程。 不同σ因子结合DNA的序列及结合顺序不 完全相同。
2、原核基因调控的主要特点
通过特殊代谢物调节基因的活性主要有可诱导和 可阻遏两大类
lacZ：编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和 葡萄糖； lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的
细胞壁；
lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。
2、P区位于I与O之间，O为阻遏物结合位点
启 动 子
调节基因
CAP结合位点
RNA聚合酶结合位点 操纵基因 阻遏蛋白结合位点
（1）可诱导调节： （2）可阻遏调节： 规律：可诱导基因总是一些编码糖和氨基酸分解代 谢蛋白的基因。而可阻遏基因是一些合成各种细胞
代谢过程中所必须的小分子物质（如氨基酸、嘌呤
和嘧啶等）的基因。
3、弱化子对基因活性的影响
属于这种调节方式的有大肠杆菌色氨酸操纵子、苯丙 氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子等。 起信号作用的是有特殊负载的氨基酰-tRNA的浓度， 在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。 当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信 号作用的一段核苷酸被称为弱化子。
时间特异性 (temporal specificity) 某些基因的表达严格按特定的时间顺序 生，称之为基因表达的时间特异性。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称 阶段特异性(stage specificity)。
卵黄囊
肝脏
脾
骨髓
骨髓
空间特异性(spatial specificity)
在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同 组织空间顺序出现
子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶；
培养基：加入乳糖 少量乳糖 透过酶
进入细胞 β-半乳糖苷酶
异构乳糖
诱导物
诱导lac mRNA的生物合成
大量乳糖进入细胞
多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源） 异构乳糖
乳糖对lac操纵子的影响
诱导物的加入和去除对 半乳糖苷酶的影响
诱导物的加入和去除对 lac mRNA的影响
原 核 生 物 中 ， 营 养 状 况 （ nutritional status）和环境因素（environmental factor）对基因表达起着举足轻重的影响。 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 因子及其他小分子配基的相互作用。
转录水平上的调控机制：操纵子学说
（1）根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激
活蛋白）的应答机制不同，可分为：
正转录调控 负转录调控
结构基因 调节基因 操纵基因
激活蛋白 正转录调控 正转录调控：调节蛋白是激活蛋白 在没有调节蛋白存在时结构基因是关闭的，加入 调节蛋白质后基因转录被开启，称为正转录调控。
结构基因
调节基因 操纵基因
基因表达调控的生物学意义
适应环境、维持生长和增殖
维持个体发育与分化
基因表达调控的环节：
源自文库
基因活化、转录、转录后加工、翻译、 翻译后加工
真核与原核生物转录及翻译调控的总体特征比较
一、原核基因表达调控总论
(1) 转录水平上的调控;
(2) 转录后水平上的调控;
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
例：色氨酸操纵子
结构基因
调节基因 可阻遏调节
操纵基因
无活性阻遏蛋白 调节基因 操纵基因
结构基因
阻遏蛋白 辅阻遏物
mRNA 酶蛋白
（3）在负转录调控系统中，调节基因产物是阻 遏蛋白，起着阻止结构基因转录的作用。根据 其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：

在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导 物）结合时，结构基因转录； 在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻 遏物）结合时，结构基因不转录。

(4)σ 因子参与大肠杆菌基因表达调控 存 在6种σ因子，其中σ70是调控最基本的生
理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录
所必须的。 除参与氮代谢的σ54外，其它
5 种 σ 因子在结构上具有同源性，所以统
称σ70家族。
大肠杆菌中的各种σ 因子比较
σ因子 σ70 σ54 σ38 σ32 σ28 σ24 编码基因 主要功能 参与对数生长期和大多数碳代谢过程基 因的调控 参与多数氮源利用基因的调控 分裂间期特异基因的表达调控 热休克基因的表达调控 鞭毛趋化相关基因的表达调控 过度热休克基因的表达调控
阻遏蛋白 负转录调控 负转录调控：调节蛋白是阻遏蛋白 在没有调节蛋白存在时结构基因是表达的，加入 调节蛋白质后基因表达被关闭，称为负转录调控。
结构基因的表达还受某些小分子物质（效应物）的调控。
（2）根据操纵子对效应物应答机制的不同，分为可 诱导调节和可阻遏调节两大类：p250
可诱导调节：结构基因在特殊代谢物或化合 物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作 状态。例如：大肠杆菌乳糖操纵子
1961年， Monod和 Jacob提出
获1965年诺贝尔生理学和医学奖
操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵
基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组
成。操纵基因受调节基因产物的控制。
操纵区 多个结构基因
乳糖操纵子结构
调节基因 操纵位点
ß -半乳糖苷酶 半乳糖苷透性酶 乙酰基转移酶
1、原核基因调控分类
O
葡萄糖高 cAMP浓度低
O
mRNA
O
O
乳糖操纵子的影响因子
1、lac操纵子的本底水平表达
乳 糖
lac操纵子的本底水平表达
有两个矛盾是操纵元理论所不能解释的：
①诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运
诱导物需要透过酶，后者的合成又需要诱导物诱导。 解释：
一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？ 一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？
√
lac操纵子的本底水平表达
②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在 β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此， 需要有β-半乳糖甘酶的预先存在。
解释： 本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的 lac mRNA合成。
2、大肠杆菌对乳糖的反应
乳糖
碳源为甘油 的培养基
培养基：甘油 按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分
5、 协调调节
• 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。
低半乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
高半乳糖时
RNA-pol
Z基因
3. Lac操纵子P、O区的重叠
4、 CAP的正性调节
CAP RNA 聚 合 酶 结 合
-35 cAMP
-10
0
[
O
( 促进转录)
无葡萄糖: cAMP
有葡萄糖: cAMP ( 不促进转录)
有葡萄糖， cAMP 浓度低时
CAP
I
RNA P pol
O
Z
Y
A
CAP
I
RNA P pol
O
Z
Y
A
氨基酸饥饿时，细胞中存在大量不带氨基酸的 tRNA， 这种空载 tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合 成。 ppGpp 会关闭许多基因，同时也会打开一些合成 氨基酸的基因，以应付紧急状况。
ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，不只影响一个 或几个操纵子，影响一大批操纵子，是超级调控因子。
适应性表达
指环境变化容易使表达水平变动的一类基因表达。 适应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱 导，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)； 随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻 遏，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。
基因表达的规律——时间性及空间性
结构基因
I
P
O
控制基因
Z
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透过酶
启动子 阻遏基因
A：乙酰基转移酶
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：将乙酰辅酶A上的 乙酰基转到β -半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
3、阻遏物lacI基因产物及功能
阻遏基因
DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA
弱启动子控制的 组成型合成
阻遏蛋白
4、葡萄糖对lac操纵子的影响
•代谢物阻遏效应
•研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制lac mRNA的 合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应.
（四）lac操纵子中的其他问题
结构基因
调节基因 可诱导调节 阻遏蛋白
操纵基因
结构基因 某种物质能够 促使细菌产生 酶来分解它， 这种物质就是 诱导物。
调节基因
操纵基因
阻遏蛋白 诱导物
mRNA 酶蛋白
可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产
生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特
殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻
遏了基因的表达。
4、降解物对基因活性的调节
有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳 糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对 应的操纵子也不会启动，产生出代谢这些糖的酶来， 这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。
5、细菌的应急反应
细菌在紧急状况，如氨基酸全面匮乏时。会 产生应急反应，包括生产各种 RNA 、糖、 脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应 过程均被停止。实施这一应急反应的信号是 鸟 苷 四 磷 酸 （ ppGpp ） 和 鸟 苷 五 磷 酸 （ pppGpp ）。产生这两种物质的诱导物 是空载tRNA。
如果某种物质能够诱导细菌产生酶而本身又不被分解，这 种物质被称为安慰诱导物
基因工程的蓝白斑筛选
lacZ' ori pUC18 Apr
Ap + X-gal 重组子（Apr + lacZ-）
蓝白显色筛选法
（三） lac操纵子模型及其影响因子
Lac操纵子模型
控制区 信息区
乳糖操纵子模型
1、Z、Y、A基因的产物为一条多顺反子mRNA
第七章 原核基因表达调控
一、原核基因表达调控总论
二、乳糖操纵子与负控诱导系统
三、色氨酸操纵子与负控阻遏系统
四、其他操纵子
五、固氮基因调控
六、转录水平上的其他调控方式
七、转录后调控
概 述
基因表达调控
转录 复制 DNA 逆转录 R NA 复制
RNA
翻译
蛋白质
基因表达——基因转录及翻译的过程。rRNA、 tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因 表达
（二）酶的诱导-lac体系受调控的证据
实验证据
在不含乳糖及β-半乳糖苷的培养基中，lac+基因型每个大
肠杆菌细胞内大约只有1～2个酶分子。
如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋 白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个酶分子。
安慰诱导物 •乳糖 •IPTG(异丙基巯基半乳糖苷) •TMG(巯甲基半乳糖苷) •ONPG(O-硝基半乳糖苷)