原核生物基因表达调控

达，有的就暂时不表达。
基因的全能性及基因表达的空间性和时间性

不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表 达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的组织特异 性(tissue specificity) –也称空间特异性。

例如肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其它组织
细胞，合成的某些酶(如精氨酸酶)为肝脏所特有；胰岛β细胞合成胰 岛素；甲状腺滤泡旁细胞(C细胞)专一分泌降血钙素等。
Regulation can be negative or positive
In negative control, a transacting repressor binds to the cisacting operator to turn off transcription.
In positive control, trans-acting factors must bind to cisacting sites in order for RNA polymerase to initiate transcription at the promoter.
1.调控蛋白通过结合在启动子上进行转录调控
In the absence of regulatory proteins, RNA is often expressed at a low , basal level. 本底水平表达 Basal level
组成型表达
Constitutive expression
糖苷酶诱导合成的机理，使我们得以从分子水平认识基因表达的调控，
是一个划时代的突破，因此他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。
乳糖(lac)操纵子的结构
Repressor
启动子
操纵基因 调控基因
promoter（Plac）
operator（Olac），与阻遏蛋白repressor结合 regulatory gene (lac I ) ，编码阻遏蛋白
2.调控蛋白通过变构作用进行转录调控
Activators that stimulate this kind of promoter work by
triggering a conformational change in either RNA polymerase
or DNA.
Allosteric activation of RNA polymerase. (a) Binding of RNA polymerase to the promoter in a stable closed complex, (b) The activator interacts with polymerase to trigger transition to the open complex and high levels of transcription.
基因的表达与调控（上） 原核基因表达调控
主要内容
1. 原核基因表达调控总论
2. 乳糖操纵子 3. 色氨酸操纵子
概念

如果将从DNA到蛋白质的过程称为基因表达，那对这个 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。
基因的全能性及基因表达的空间性和时间性

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。

但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的， 大肠杆菌基因组含有约4000个基因，一般情况下只有5－ 10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表
基因表达的方式

根据基因表达的变化情况，可以大致把基因表达分成 两类：
①组成性表达(constitutive expression)指不大受环境变 动而变化的一类基因表达。
其中某些基因表达产物是细胞或生物体整ห้องสมุดไป่ตู้生命过程中都持续需要而
必不可少的，是细胞基本的基因表达，这类基因可称为看家基因
(housekeeping gene)。如编码组蛋白基因、编码核糖体蛋白基因、线粒 体蛋白基因、糖酵解酶的基因等。
A protein that bends DNA binds to a site between the activator binding site and the promoter. This brings the two sites closer together in space and thereby helps the interaction between the activator and polymerase.
结构基因
lacZ, lacY, lacA
乳糖操纵子的结构基因及编码产物
lacZ codes for the enzyme b-galactosidase (β-半乳糖苷酶 ), lactose
is cleaved into glucose and galactose (which are then further metabolized). lactose into the cell.
基因表达的方式
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)；

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)。
Interactions between proteins bound to DNA. (a) Cooperative binding of proteins to adjacent sites (b) Cooperative binding of proteins to separated sites.
正调控和负调控
在没有调节蛋白质与目标序列结合时，基因表达；当调节蛋白质与目标 序列结合时，基因表达被关闭，这种控制系统叫做负调控(negative regulation )。负调控中的调节蛋白质称为阻遏蛋白（repressor）。 在没有调节蛋白质与目标序列结合时，基因是关闭的；当调节蛋白质与 目标序列结合时，基因就被开启，这种控制系统叫做正调控(positive regulation )。正调控中的调节蛋白质称为激活子（activator）。
二、乳糖lac操纵子
Francois Jacob (1920~2013 )
Jacques Lucien Monod (1910~1976)
An operon is a unit of bacterial gene expression and regulation, including structural genes and control elements in DNA recognized by regulator gene product(s).
一、原核基因表达调控总论
1．转录水平上的调控
① RNA聚合酶和启动子的互作: σ因子 ②操纵子: lac operon, trp operon ③基因转录的翻译调控-衰减子系统: trp operon
2．转录后水平上的调控：包括：
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
基因表达由调控蛋白控制
基因的全能性及基因表达的空间性和时间性

细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的， 这就是基因表达的阶段特异性 (stagespecificity) –也称时
间特异性。

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)，显示出基因表达调 控在空间和时间上极高的有序性。
Activation by recruitment of RNA polymerase. (a) In the absence of both activator and repressor, RNA polymerase occasionally binds the promoter spontaneously and initiates a low level (basal level) of transcription, (b) Binding of the repressor to the operator sequence blocks binding of RNA polymerase and so inhibits transcription, (c) Recruitment of RNA polymerase by the activator gives high levels of transcription. RNA polymerase is shown recruited in the closed complex. It then spontaneously isomerizes to the open complex and initiates transcription. If both the repressor and activator are present and functional, the action of the repressor typically overcomes that of the activator.
基因表达的方式

改变基因表达的情况以适应环境，在原核生物、单细胞生物 中尤其显得突出和重要。

例如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不
必更多去合成利用其它糖类的酶类，当外界没有葡萄糖时，细菌就要适
应环境中存在的其它糖类(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)，如大肠杆菌细 胞中一般只有15个β-半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基
中，每细胞中这个酶的量可高达几万个分子。
基因表达调控的意义

综上所述：生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严 密、精确调控的，不仅生命的遗传信息是生物生存所必需 的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。


原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着举足轻重的影响。
真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和发育阶段是基因表达调 控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。
结构基因和调控基因
A structural gene codes for any RNA or protein product other than a regulator.
A regulator gene codes for a product (typically protein) that controls the expression of other genes (usually at the level of transcription).
Action at a Distance and DNA Looping
DNA-binding proteins that interact with each other often bind to adjacent sites. But some proteins interact with each other even when bound to sites well separated on the DNA. To accommodate this interaction, the DNA between the sites loops out, bringing the sites into proximity with one another.
操纵子学说的提出
酶的诱导现象: 分解底物的酶只有在底物存在时才出现：没有乳糖时， 与其分解代谢有关的β–半乳糖苷酶只有约5个分子/细胞；有乳糖时， 在2-3 分钟内开始出现β–半乳糖苷酶，很快达到5000个分子/细胞。 如撤除底物，合成迅速停止，就象当初加入底物时迅速合成一样。

1960年Francois Jacob与 Jacques Monod在法国科学院院报上发 表了一篇论文，提出乳糖操纵子模型。该模型成功地解释了β –半乳