第五章 原核生物基因表达调控

两种含硫的乳糖类似物： 异丙基巯基半乳糖苷 （IPTG） 巯甲基半乳糖苷（TMG） E. coli 在不含乳糖的培养基生 长时，β-半乳糖苷酶含量极 低；当加入乳糖或半乳糖后， 则迅速升高。
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诱导物（inducer）：如果某物质能促使细胞产生 一特定的酶，该物质就叫做诱导物； 辅阻遏物（corepressor）如果某物质能阻止细胞产
阻遏物
β-半乳糖苷酶
透过酶
转乙酰酶
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
阻遏蛋白基因（I）
启动区（P） lac 操纵子的结构 操纵区（O） 三个结构基因
Z Y A
CAP-cAMP 结合部位

阻遏蛋白基因（I）属于组成型合成的。因此，
lac操纵子通常是处于关闭状态的。
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一、酶的诱导 ——
lac 体系受调控的证据
在非诱导的状态下仍有少量的 lac mRNA合成，
这种合成被称为本底水平的组成型合成
（background level constitutive synthesis)。
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（二）、大肠杆菌对乳糖的反应
乳糖 本底水平透过酶 进入细菌细胞 本底水平β-半乳糖苷酶 葡萄糖-1,6-半乳糖 诱导物
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前导区的转录
无色氨酸时，转 录可持续进行
有色氨酸存在时， 转录在弱化子区域 终止
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3、降解物对基因活性的调节
葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在 葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等
诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现
象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。 葡萄糖 抑制 腺苷酸环化酶的活 性 复合物 导致 环腺苷酸的合成 减少
lac operon的功能是在正负两个调控体系 的协调作用下实现的。阻遏蛋白封闭转录时， CAP不发挥作用（葡萄糖和乳糖都不存在）； 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从 operator上解聚仍无转录活性（葡萄糖和乳 糖同时存在的情况下）；
CAP组成型合成，所以cAMP－CAP复 合物取决于cAMP含量;
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基因表达调控主要表现在以下几个方面： 1、转录水平上的调控（transcriptional regulation); 2、mRNA加工成熟水平上的调控（differential processing of RNA transcription); 3、翻译水平上的调控（differential translation of mRNA)
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关闭一些基因 打开一些基因
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小
结
1、原核基因调控机制的类型与特点 正转录调控 负转录调控 诱导 阻遏
2、原核基因调节的主要特点
a 、特殊代谢物对基因表达的调节
b、弱化子对基因活性的调节 c、降解物对基因活性的调节 d、细菌的应急反应
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第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统
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调节基因产物与效应物结合 调节基因产物
基因表达
阻遏蛋白 激活蛋白 负控诱导系统 正控诱导系统
基因不表达
负控阻遏系统 正控阻遏系统
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二、原核基因调节的主要特点
1 、 特殊代谢物对基因活性的调节
可诱导调节：是指一些基因在某些代谢物的诱导
下使其活化，由原来的关闭状态转变为开放状态。
成型合成的，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚
基均含347个氨基酸残基。 lacI 基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获 得较多的阻遏蛋白；
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阻遏物
β-半乳糖苷酶
透过酶 转乙酰酶 33
调节基因 lacI 的突变也可导致乳糖操 纵子基因的组成型表达。
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操纵区 lacO 的突变（lacO c）可导致乳 糖操纵子基因的组成型表达。
启动区
结构基因转录成 mRNA并合成蛋白质 乳糖操纵子中诱导物的作用机理：
诱导物作用的对象是阻遏蛋白。
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（一）、lac 操纵子的本底水平表达 诱导物作用需要跨膜，跨膜需要透过酶的存在；
透过酶的产生又需要诱导物的存在；
诱导物的形成需要有β-半乳糖苷酶的存在；
β-半乳糖苷酶的产生又需要诱导物的存在；
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基因调控的指挥系统：
营养水平（nutritional status) 原核生物 环境因素( environmental factors) 激素水平（hormone level) 真核生物 发育阶段（developmental stage)
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一、原核基因调控机制的类型与特点
环腺苷酸 代谢物激活蛋白
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复合物结合在启动子区域是乳 糖、半乳糖等糖类mRNA转录
所必需的。
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4、细菌的应急反应 是指细菌在供给物全面匮乏的情况下，难以找 到代用物，所作出的一种反应，帮助细菌渡过难关。 应急反应的机理： 激活 空载的 tRNA
焦磷酸转移酶
鸟苷四磷酸 ppGpp 鸟苷五磷酸 pppGpp
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3. lac基因产物数量， 1：0.5：0.2
不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上
的调节。 方式有二:
核糖体脱离: 多顺反子的差别性翻译;
内切酶作用: 在lac mRNA分子内部，a基
因比z基因更易受内切酶作用.
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第三节
色氨酸操纵子与负控阻遏系统
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第一节 原核生物基因表达调控的概述
基因表达（gene expression)：是指DNA分子所承
载的遗传信息，通过密码子 — 反密码子系统，转变
成蛋白质或功能RNA分子的过程，称为基因表达。 基因表达调控（gene regulation or gene control): 是指对基因表达过程的调节。
阻遏蛋白
结合
阻遏蛋白失活， β -半乳糖苷酶和透过酶表达
细胞吸收大量乳糖 去向 葡萄糖 半乳糖 异构乳糖
结合
阻遏蛋白
当阻遏蛋白的浓度超过异构乳糖的浓度，细胞重新建
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立阻遏状态，导致 lac mRNA 的合成被抑制。
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（三）、阻遏物 lac I 基因产物及功能 Lac 操纵子阻遏物 mRNA 是由弱启动子控制下组
葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 甘油 某些代谢产物抑制活性 腺苷酸环化酶 ATP cAMP Crp基因 编码 代谢物激活蛋白 CAP
cAMP-CAP
葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对 cAMP的抑制完成的。
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代谢物活化蛋白：
CAP（ Catabolite gene
activator protein ；
cAMP receptor
protein ）是一些启动 子起始转录必需的正调
控因子。 CAP 只有与 cAMP 结合后才能与 其结合区域结合。
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CAP的结合部位
半乳糖操纵子
CAP结合部位
不太固定，方向也 可以不同。
阿拉伯糖操纵子 乳糖操纵子
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三、lac operon 的其它问题
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（四）、葡萄糖对 lac 操纵子的影响 在葡萄糖存在时，E. coli 优先利用葡萄糖；此 时即使培养基中含有乳糖，乳糖操纵子蛋白仍然含
量很低。
这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种 效应称为降解物抑制（catabolite repression）。
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（五）、cAMP与代谢物激活蛋白
第五章
原核基因表达调控模式
蛋白质合成的类型：
永久型：是指蛋白质的合成不受环境变化或代
谢状态的影响，始终维持在恒定水平。 适应型或调节型：是指蛋白质的合成速度明显
地受环境的影响。
第一节 原核生物基因表达调控的概述 第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统 第三节 色氨酸操纵子与负控阻遏系统 第四节 其它操纵子 第五节 转录后的调控
根据调控机制的不同：
正转录调控（positive transcription regulation）：
调节基因的产物是激活蛋白（activator），起着提高
结构基因转录水平的作用。 负转录调控（negative transcription regulation）： 调节基因的产物是阻遏蛋白（reppressor），起着 阻止结构基因转录的作用。
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色氨酸含量和核糖体位置对弱化子结构的影响
当色氨酸充足时，前导序
列的合成正常进行，核糖
体占据 1 区和部分2 区，
2、3 不能有效配对；
3、4 配对形成终止子的 发卡结构，转录终止。 Trp+
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转录终止
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当缺乏色氨酸时， 翻译
在双色氨酸密码子处中
止；核糖体仅占据 1 区， 2、3 区配对； 3、4 区不能形成发卡结 构，转录继续。 Trp转录继续
必须的小分子物质。
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2、弱化子对基因活性的调节 弱化子(attenuator)：是指起转录终止信号的一段核
苷酸序列。 trp 操纵子mRNA 前导序列结构
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调节机理：
细胞中某一氨基酸的浓度发生改变 氨酰 – tRNA的浓度变化 核糖体在转录产物RNA上的结合位置不 同，使得RNA形成特定的二级结构 由RNA的二级结构判断基因能否继续转录
阻遏物
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β-半乳糖苷酶
透过酶
转乙酰酶
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操纵区位于启动子与结构基因之间，与启 动子部分重叠，阻遏物结合于操作区时，即阻 止RNA 聚合酶起始转录。
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乳糖操纵子控制模型的主要内容：
①一条多顺反子mRNA编码Z、Y、A基因； ②操纵区位于启动子与结构基因之间，不能单独起始 结构基因的表达； ③操纵区是一小段DNA序列，是阻遏物结合位点；
生物细胞中的氨基酸合成， 也受操纵元的调节。
细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时
基因关闭，达到经济的原则。
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trp操纵子的组成
邻氨基苯甲酸 合成酶
邻氨基苯甲酸磷 酸核糖转移酶
吲哚甘油磷 酸合成酶
色氨酸合成酶
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一、 trp操纵子的结构 trpR, 阻遏蛋白 P，-40~+18 O, -21~+1 L, +1~+162 结构基因
生一特定的酶，该物质就叫做辅阻遏物。
安慰诱导物（gratuitous inducers）：可诱导酶的合 成，但不被所诱导的酶降解的物质称为安慰诱导物。
IPTG（异丙基巯基半乳糖苷）是lac 基因的安慰诱
导物。
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二、乳糖操纵子的模型及其影响因子 操纵子模型： 一个或几个结构基因与一个调 节基因、一个操纵区组成一个操纵单元。这个单 元称为操纵子（operon）。
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腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄
糖运输的酶有关，因此cAMP－CAP调控乳
糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶; 降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在， 这些操纵元就不表达。
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2. A基因及其生理功能
编码β -半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖 苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！ 生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖 苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能 进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷 乙酰化后，即无毒。所以lacA虽不在乳糖降解 中起作用，但可抑制有害物质的积累。
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根据作用特征： 诱导（induction）：调节因子与效应物结合后，开
启基因的转录活性称为 诱导（induction）；
阻遏（repression）：调节因子与效应物结合后，
关闭基因的转录活性称为 阻遏（repression）。
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④操纵区与启动子部分重叠，当阻遏物与操纵区结合时， 即阻止RNA 聚合酶起始转录； ⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之 不能与操纵区结合，从而激发mRNA的合成。
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乳糖操纵子中调节基因的作用过程： 调节基因
产生
阻遏蛋白
结合
操纵区
相邻
RNA聚合酶与启动子区的正常结合 抑制 阻碍
如：大肠杆菌的乳糖操纵子 可阻遏调节：是指一些基因由于某些代谢物的积 累，而使其由原来的开放状态转变为关闭状态。 如：色氨酸操纵子
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可诱导的操纵子：是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白
的基因；
无诱导物时， 基因关闭
诱导物开启 基因
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可阻遏的操纵子：是一些合成各种细胞代谢过程中所