原核生物基因表达调控
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• 正转录调控 • 负转录调控
乳糖操纵子
➢ 1951年，Monod与Jacob合作。发现两对基因：
Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关；
I基因：决定细胞对诱导物的反应。
➢ Jacob：结构基因旁有开关基因（即操纵基因）， 阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表 达。
➢ 1969年，J. R. Beckwith 从大肠杆菌的DNA中分离 出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。
乳糖操纵子是典型的诱导型调控
（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构
阻遏基因
调控区
结构基因
DNA I
P OZ YA
操纵序列 启动序列 CAP结合位点
Z： β-半乳糖苷酶： Y： 透酶： A：乙酰基转移酶
1.乳糖操纵子受阻遏蛋白的负性调节 阻遏基因
DNA
I
pPol O Z Y A
mRNA
阻遏蛋白
INSTITUT PASTEUR
莫洛和雅各布获1965年诺贝尔生理学和医学奖， 是整个分子生物学发展史上划时代的一个成就。
所谓的操纵子便是基因表达协同单位。原核生 物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现，操 纵子是原核基因转录调控的基本单位。
启动子 (promoter)
结构基因
调节基因
操纵元件
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。
分解代谢阻遏(catabolic repression)：
诱导物排除机制
正调控机制
环腺苷酸受体蛋白
➢ CAP：catabolite gene activation protein 分解（代谢）物激活蛋白
➢ CAP以同源二聚物的形式与 cAMP 结合，这个复 合物结合在 CAP结合位点上，结合位点在 -60 处。
启动序列：
➢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(consensus sequence) 。
-10区 TATAAT （Pribnow盒） 共有序列
-35区 TTGACA ➢共有序列决定启动序列的转录活性大小。
RNA聚合酶结合到的启动子上启动转录
发现：细菌在含葡萄糖和乳 糖的培养基上生长时，细菌 的生长会出现停顿，之后再 次生长，产生“二次生长曲 线”。
➢细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳 糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。 ➢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。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解 代谢阻遏(catabolic repression)。
调节基因（regulatory gene）编码能够与操 纵序列结合的调控蛋白，可以分为三类：特异 因子、阻遏蛋白和激活蛋白。
调控蛋白的作用分别是
① 特异因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动 序列的特异性识别和结合能力；σ因子
② 阻遏蛋白可以识别、结合特异DNA序列──操 纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负 调节。普遍存在；
➢ 二者相辅相成，互相协调、互相制约 ➢ 乳糖操纵子的协调调控方式保证了葡萄糖是原
核生物体系优先利用的碳源，并只有在葡萄糖 完全耗尽后，原核生物才利用乳糖作为碳源。
谢谢！
③ 激活蛋白可结合启动序列邻近的DNA序Fra Baidu bibliotek， 提高RNA聚合酶与启动序列的结合能力，从而 增强RNA聚合酶的转录活性，是一种正调控。
➢ 分解（代谢）物激活蛋白（CAP）
➢ 有些基因在没有激活蛋白 存在时，RNA聚合酶很少 或完全不能结合启动序列。
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：
➢ 外环境中葡萄糖的减少可以增加cAMP 合成。 CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节
乳糖操纵子的意义
➢ 阻遏蛋白的抑制作用和CAP介导的正调控共同 担负着原核生物体系内糖源的协调利用。
原核基因表达调控
Regulation of Gene Expression in Prokaryote
基
因
反式作用因子
表
蛋白质因子
达
调
顺式作用元件
控
特异性DNA序列
1961年 ， 法 国 科 学家 莫 洛 （ J·L·Monod ） 与 雅各布 （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。
没有乳糖存在时
DNA
I
mRNA
pPol O Z Y A
启动转录
mRNA
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶
异乳糖
乳糖
有乳糖存在时
lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节
第一个诱导物如何进入细胞？ 第一个β-半乳糖苷酶如何产生？ 解释： 本底水平表达
Discovery of Lac Operon
1940 年 ， 莫 洛 （ Monod ）
操纵序列并非是结构基因，而是一段能够被特异 的调节蛋白所识别和结合的DNA序列。
操纵序列（介导负性调节） ——阻遏蛋白(repressor)的结合位点 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍 RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合 酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。
启动po序l 列 操阻纵遏序蛋白列 编码序列
乳糖操纵子
➢ 1951年，Monod与Jacob合作。发现两对基因：
Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关；
I基因：决定细胞对诱导物的反应。
➢ Jacob：结构基因旁有开关基因（即操纵基因）， 阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表 达。
➢ 1969年，J. R. Beckwith 从大肠杆菌的DNA中分离 出乳糖操纵子，证实了乳糖操纵子的模型。
乳糖操纵子是典型的诱导型调控
（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构
阻遏基因
调控区
结构基因
DNA I
P OZ YA
操纵序列 启动序列 CAP结合位点
Z： β-半乳糖苷酶： Y： 透酶： A：乙酰基转移酶
1.乳糖操纵子受阻遏蛋白的负性调节 阻遏基因
DNA
I
pPol O Z Y A
mRNA
阻遏蛋白
INSTITUT PASTEUR
莫洛和雅各布获1965年诺贝尔生理学和医学奖， 是整个分子生物学发展史上划时代的一个成就。
所谓的操纵子便是基因表达协同单位。原核生 物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现，操 纵子是原核基因转录调控的基本单位。
启动子 (promoter)
结构基因
调节基因
操纵元件
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。
分解代谢阻遏(catabolic repression)：
诱导物排除机制
正调控机制
环腺苷酸受体蛋白
➢ CAP：catabolite gene activation protein 分解（代谢）物激活蛋白
➢ CAP以同源二聚物的形式与 cAMP 结合，这个复 合物结合在 CAP结合位点上，结合位点在 -60 处。
启动序列：
➢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(consensus sequence) 。
-10区 TATAAT （Pribnow盒） 共有序列
-35区 TTGACA ➢共有序列决定启动序列的转录活性大小。
RNA聚合酶结合到的启动子上启动转录
发现：细菌在含葡萄糖和乳 糖的培养基上生长时，细菌 的生长会出现停顿，之后再 次生长，产生“二次生长曲 线”。
➢细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳 糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。 ➢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。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解 代谢阻遏(catabolic repression)。
调节基因（regulatory gene）编码能够与操 纵序列结合的调控蛋白，可以分为三类：特异 因子、阻遏蛋白和激活蛋白。
调控蛋白的作用分别是
① 特异因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动 序列的特异性识别和结合能力；σ因子
② 阻遏蛋白可以识别、结合特异DNA序列──操 纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负 调节。普遍存在；
➢ 二者相辅相成，互相协调、互相制约 ➢ 乳糖操纵子的协调调控方式保证了葡萄糖是原
核生物体系优先利用的碳源，并只有在葡萄糖 完全耗尽后，原核生物才利用乳糖作为碳源。
谢谢！
③ 激活蛋白可结合启动序列邻近的DNA序Fra Baidu bibliotek， 提高RNA聚合酶与启动序列的结合能力，从而 增强RNA聚合酶的转录活性，是一种正调控。
➢ 分解（代谢）物激活蛋白（CAP）
➢ 有些基因在没有激活蛋白 存在时，RNA聚合酶很少 或完全不能结合启动序列。
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：
➢ 外环境中葡萄糖的减少可以增加cAMP 合成。 CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节
乳糖操纵子的意义
➢ 阻遏蛋白的抑制作用和CAP介导的正调控共同 担负着原核生物体系内糖源的协调利用。
原核基因表达调控
Regulation of Gene Expression in Prokaryote
基
因
反式作用因子
表
蛋白质因子
达
调
顺式作用元件
控
特异性DNA序列
1961年 ， 法 国 科 学家 莫 洛 （ J·L·Monod ） 与 雅各布 （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。
没有乳糖存在时
DNA
I
mRNA
pPol O Z Y A
启动转录
mRNA
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶
异乳糖
乳糖
有乳糖存在时
lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节
第一个诱导物如何进入细胞？ 第一个β-半乳糖苷酶如何产生？ 解释： 本底水平表达
Discovery of Lac Operon
1940 年 ， 莫 洛 （ Monod ）
操纵序列并非是结构基因，而是一段能够被特异 的调节蛋白所识别和结合的DNA序列。
操纵序列（介导负性调节） ——阻遏蛋白(repressor)的结合位点 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍 RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合 酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。
启动po序l 列 操阻纵遏序蛋白列 编码序列