微生物的基因表达调控
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40
三）双组分调控系统
机制：双（多）组分调控的信号转导 传感蛋白 响应调节蛋白
P RNAP
调控蛋白？ 调控蛋白？
表现：环境信号不直接传递到调控蛋白
ATP P
P 磷酸化酶催化
如：大肠杆菌同化磷酸盐，根瘤菌固氮等
41
• 有些响应调节蛋白调节基因转录 • 有些调节鞭毛转动
42
四）SOS调控系统
大范围的DNA损伤引起细胞许多功能的变化 如 细胞突变，温和噬菌体启动裂解循环 机制：DNA损伤→RecA蛋白活化→降解LexA阻遏 蛋白→启动多个基因的表达
12
二. 酶的阻遏
阻遏（repression） 多见于合成代谢 当培养基或环境中存在某种营养物质时，催化 该物质合成的酶类不合成。 如精氨酸合成酶，精氨酸为辅阻遏物
13
三. 效应物
诱导物、辅阻遏物
总蛋白 细胞数 β-半乳糖苷酶 细胞数
总蛋白
精氨酸合成酶 添加精氨酸 添加乳糖 或 IPTG
14
第三节 微生物基因表达调控的 基本方式
Allosteric inhibitor
7
酶的变构调节
8
同工酶（isozyme）
催化相同的反应 不仅各受一种产物调控，而且受多种产物的共同 作用，都过量时酶活才降为零。
9
二. 共价修饰（covalent modification）
在修饰酶的催化下，小分子有机物向某种酶的添 加或解离过程。 如糖原合成酶的（去）磷酸化，可调节酶的活性
15
原核生物的操纵子（ 原核生物的操纵子（operon）： ）
在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其 表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织 形式称为操纵子。
调控基因 (regulatory gene) ：编码能与操纵序列结 合的调控蛋白的基因。
16
乳糖操纵子（ 如：乳糖操纵子（lactose operon） ）
转录 因子1 因子1 增强子
转录 因子2 因子2 启动子
47
二. 酵母菌半乳糖代谢酶类的调控
半乳糖→葡萄糖-1-磷酸 代谢酶：GAL1，GAL7，GAL10 基因：紧密连锁(2)，但单独转录，诱导型 (2)
GAL7 GAL10 GAL1
48
组成型和非诱导型突变
基因
GAL80 (8) GAL4 (16)
控基因
I
控制位点
P O
结构Leabharlann Baidu因
Z Y A DNA
阻 遏 蛋 白
启 动 子
操 纵 区
半 乳 糖 苷 酶
透 过 酶
乙 酰 基 转 移 酶
β β
17
乳糖操纵子的结构
18
转录从哪里开始？ Promoter ！
19
转录在哪里终止？ terminator ！
20
基因表达的主要调控方式
阻遏 负调控:调控蛋白+DNA序列 负调控:调控蛋白+DNA序列 → 基因表达 (相应蛋白质减少) 相应蛋白质减少) 促进 正调控:调控蛋白+DNA序列 正调控:调控蛋白+DNA序列 → 基因表达 (相应蛋白质增加) 相应蛋白质增加)
33
衰减子
弱化作用 的机制
34
四. σ因子的更替（σfactors alternation）
细菌的RNA聚合酶 α1、 α2、β、β’→核心酶 σ因子：帮助核心酶识别启动子区 更替？ 不同的σ因子识别不同基因的启动子，使RNA聚合 酶转录不同的基因
35
一）大肠杆菌的热激反应 Heat shock 细胞质型： σ70→ σ32 → 新的基因产物 →适应热变化 二）枯草芽孢杆菌芽孢发育 σ因子的更替→抑制营养生长，促使芽孢发育 三）其他
43
44
第四节 酵母菌基因表达的调控
45
一. 真核生物基因表达调控的特点 1. 表达调控的环节多 2. 转录与翻译不偶联 3. 基因的转录与染色质的结构变化相关 4. 表达以正调控为主
46
真核生物转录水平的调控 顺式作用元件、反式作用因子 顺式作用元件 反式作用因子
RNA聚合 RNA聚合 酶II 结构基因 终止子 沉默子 mRNA
GAL81 (16)
49
小
• 基因表达调控背景 • 微生物酶活性的调节
结
• 基因表达的诱导和阻遏* • 微生物基因表达调控的基本方式*＃ • 酵母菌基因表达的调控
50
思考题
1. 微生物基因表达调控的基本方式有哪些？
51
4
第一节 微生物酶活性的调节
5
一. 反馈抑制（Feedback inhibition ）
终产物将抑制反应途径的第一个酶 氨基酸、嘧啶等的合成
A --------> B -------> C -------> D -------> E | \/ F | \/ G
6
反馈抑制的机制： 酶的变构性（allostery）
39
二）群体感应
Quorum sensing
调控蛋白？ 调控蛋白？
表现：细胞到达一定密度时，才表现某种行为 机制：由信号分子调控的自身诱导 产生足够的信号分子和群体依赖蛋白
HSLS R R DNA HSLS合成酶 群体依赖蛋白 R mRNA G-细菌的群体感应
如：生物发光，抗生素产生，芽孢形成的刺激等
26
二. 转录的正调控(positive regulation)
——由活化蛋白参与的基因转录调控作用
如乳糖操纵子CAP的正调控 (catabolite gene activator protein) CAP + cAMP → lac operon的活化区 诱导DNA弯曲，启动子与RNA聚合酶结合，转录速 率提高20倍
21
原核生物基因表达的调控
方式 特点 负调控 正调控 转录翻译偶联 快速 乳糖操纵子 --负、正调控 --负 转录起始 起始的调控 转录起始的调控 色氨酸操纵子---负调控 色氨酸操纵子--负调控 转录终止 终止的调控 转录终止的调控
22
调控机制 --操纵子 --操纵子
一. 转录的负调控(negative regulation)
36
E.coli的不同σ因子识别不同的顺序
因子 σ70 σ32 σ60 基因 rpoD rpoH rpoN 功用 正常状态 热休克 氮的利用 -35顺序 TTGACA CNCTTGAA CTGGNA 间隔距离 16-18bp 13-15bp 6bp -10顺序 TATAAT CCCCATNT TTCGA
10
第二节 微生物酶合成的调节
11
一. 酶的诱导
诱导（induction） 底物存在时才合成，多见于分解代谢 诱导型酶（inducible enzyme）： 当底物存在时才合成的酶类。 如分解乳糖的β-半乳糖苷酶 组成型酶（constitutive enzyme）： 在所有生长条件下都以相同量表达的酶类。
——由阻遏蛋白参与的基因转录调控作用 阻遏蛋白 (repressive protein)：与操纵位点结合后 protein) 能减弱或阻止所调控基因转录的调控蛋白。 如：乳糖操纵子阻遏蛋白的负调控
23
24
1. 乳糖不存在时，阻遏蛋白I 结合在O上，阻碍转录起始
25
2. 乳糖存在时，阻遏蛋白I 从 O解离，转录起始
第十一章 微生物基因表达调控 （Regulation of Gene Expression in Microbes）
1
内
• 基因表达调控背景 • 微生物酶活性的调节
容
• 基因表达的诱导和阻遏* • 微生物基因表达调控的基本方式*＃ • 酵母菌基因表达的调控
2
基因表达调控背景
3
• 基因表达：遗传信息从遗传物质向蛋白质传递的 过程。 • 基因表达=基因转录+翻译 基因表达=基因转录+ • 基因表达的调控: 基因表达的调控: 生物体随时调整不同基因的表达状态, 生物体随时调整不同基因的表达状态,以适应 环境、 环境、维持生长和发育需要 • 基因表达调控的两种机制： 控制酶的活性（翻译后） 控制酶的合成（转录、翻译）
27
28
活化蛋白与DNA和RNA聚合酶的相互作用
1. 邻近时，活化蛋白直接与RNA聚合酶作用
P APRNApol DNA
2. 相隔数百个bp时，活化蛋白通过DNA looping， 使RNA聚合酶易于与DNA正确结合
P RNApol AP
29
DNA
三. 弱化作用（attenuation）
一个完整转录物的数目在减少，即使起始 阶段的转录物数目相同。 RNA合成 起始后、终止前的调控
产物
阻遏蛋白 正调控蛋白 Gal4一部分 一部分
杂合子
gal80 / gal80 gal80 / GAL80 gal4 / gal4 gal4 / GAL4 GAL81c /GAL81
GAL1, GAL7, GAL10 的合成 组成型 诱导型 非诱导型 诱导型 组成型
Gal表型 Gal表型
+ + + +
37
五. 全局调控（Global regulation）
微生物对环境变化的反应，常需要同时调控 许多不同基因的表达，这种控制机制是在 较为广泛的基础上起作用的，所以称为全 局调控。 涉及的基因： 调节子（regulon） 刺激子（stimulon）
38
一）降解物阻遏
Catabolite repression 表现：微生物的二次生长 机制：转录控制 CAP + cAMP → lac operon的活化区 有葡萄糖，抑制cAMP 的合成，并促进其向胞外运 输，使胞内cAMP 浓度低，难以激活转录 问： lac operon表达需满足哪些条件？
30
如：色氨酸操纵子 结构基因E 、 D 、 C 、 B 、 A 前导区 控制位点（操纵区O 、启动子P）
P
O
前导区
E
D
C
B
A
P
R
31
前导区的结构和功能 162nt，富含GC，前端编码14aa的前导肽 色氨酸水平→前导肽是否翻译完→前导区的二级结 构→下游基因是否转录
32
前导区可能的两种二级结构
三）双组分调控系统
机制：双（多）组分调控的信号转导 传感蛋白 响应调节蛋白
P RNAP
调控蛋白？ 调控蛋白？
表现：环境信号不直接传递到调控蛋白
ATP P
P 磷酸化酶催化
如：大肠杆菌同化磷酸盐，根瘤菌固氮等
41
• 有些响应调节蛋白调节基因转录 • 有些调节鞭毛转动
42
四）SOS调控系统
大范围的DNA损伤引起细胞许多功能的变化 如 细胞突变，温和噬菌体启动裂解循环 机制：DNA损伤→RecA蛋白活化→降解LexA阻遏 蛋白→启动多个基因的表达
12
二. 酶的阻遏
阻遏（repression） 多见于合成代谢 当培养基或环境中存在某种营养物质时，催化 该物质合成的酶类不合成。 如精氨酸合成酶，精氨酸为辅阻遏物
13
三. 效应物
诱导物、辅阻遏物
总蛋白 细胞数 β-半乳糖苷酶 细胞数
总蛋白
精氨酸合成酶 添加精氨酸 添加乳糖 或 IPTG
14
第三节 微生物基因表达调控的 基本方式
Allosteric inhibitor
7
酶的变构调节
8
同工酶（isozyme）
催化相同的反应 不仅各受一种产物调控，而且受多种产物的共同 作用，都过量时酶活才降为零。
9
二. 共价修饰（covalent modification）
在修饰酶的催化下，小分子有机物向某种酶的添 加或解离过程。 如糖原合成酶的（去）磷酸化，可调节酶的活性
15
原核生物的操纵子（ 原核生物的操纵子（operon）： ）
在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其 表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织 形式称为操纵子。
调控基因 (regulatory gene) ：编码能与操纵序列结 合的调控蛋白的基因。
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乳糖操纵子（ 如：乳糖操纵子（lactose operon） ）
转录 因子1 因子1 增强子
转录 因子2 因子2 启动子
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二. 酵母菌半乳糖代谢酶类的调控
半乳糖→葡萄糖-1-磷酸 代谢酶：GAL1，GAL7，GAL10 基因：紧密连锁(2)，但单独转录，诱导型 (2)
GAL7 GAL10 GAL1
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组成型和非诱导型突变
基因
GAL80 (8) GAL4 (16)
控基因
I
控制位点
P O
结构Leabharlann Baidu因
Z Y A DNA
阻 遏 蛋 白
启 动 子
操 纵 区
半 乳 糖 苷 酶
透 过 酶
乙 酰 基 转 移 酶
β β
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乳糖操纵子的结构
18
转录从哪里开始？ Promoter ！
19
转录在哪里终止？ terminator ！
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基因表达的主要调控方式
阻遏 负调控:调控蛋白+DNA序列 负调控:调控蛋白+DNA序列 → 基因表达 (相应蛋白质减少) 相应蛋白质减少) 促进 正调控:调控蛋白+DNA序列 正调控:调控蛋白+DNA序列 → 基因表达 (相应蛋白质增加) 相应蛋白质增加)
33
衰减子
弱化作用 的机制
34
四. σ因子的更替（σfactors alternation）
细菌的RNA聚合酶 α1、 α2、β、β’→核心酶 σ因子：帮助核心酶识别启动子区 更替？ 不同的σ因子识别不同基因的启动子，使RNA聚合 酶转录不同的基因
35
一）大肠杆菌的热激反应 Heat shock 细胞质型： σ70→ σ32 → 新的基因产物 →适应热变化 二）枯草芽孢杆菌芽孢发育 σ因子的更替→抑制营养生长，促使芽孢发育 三）其他
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第四节 酵母菌基因表达的调控
45
一. 真核生物基因表达调控的特点 1. 表达调控的环节多 2. 转录与翻译不偶联 3. 基因的转录与染色质的结构变化相关 4. 表达以正调控为主
46
真核生物转录水平的调控 顺式作用元件、反式作用因子 顺式作用元件 反式作用因子
RNA聚合 RNA聚合 酶II 结构基因 终止子 沉默子 mRNA
GAL81 (16)
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小
• 基因表达调控背景 • 微生物酶活性的调节
结
• 基因表达的诱导和阻遏* • 微生物基因表达调控的基本方式*＃ • 酵母菌基因表达的调控
50
思考题
1. 微生物基因表达调控的基本方式有哪些？
51
4
第一节 微生物酶活性的调节
5
一. 反馈抑制（Feedback inhibition ）
终产物将抑制反应途径的第一个酶 氨基酸、嘧啶等的合成
A --------> B -------> C -------> D -------> E | \/ F | \/ G
6
反馈抑制的机制： 酶的变构性（allostery）
39
二）群体感应
Quorum sensing
调控蛋白？ 调控蛋白？
表现：细胞到达一定密度时，才表现某种行为 机制：由信号分子调控的自身诱导 产生足够的信号分子和群体依赖蛋白
HSLS R R DNA HSLS合成酶 群体依赖蛋白 R mRNA G-细菌的群体感应
如：生物发光，抗生素产生，芽孢形成的刺激等
26
二. 转录的正调控(positive regulation)
——由活化蛋白参与的基因转录调控作用
如乳糖操纵子CAP的正调控 (catabolite gene activator protein) CAP + cAMP → lac operon的活化区 诱导DNA弯曲，启动子与RNA聚合酶结合，转录速 率提高20倍
21
原核生物基因表达的调控
方式 特点 负调控 正调控 转录翻译偶联 快速 乳糖操纵子 --负、正调控 --负 转录起始 起始的调控 转录起始的调控 色氨酸操纵子---负调控 色氨酸操纵子--负调控 转录终止 终止的调控 转录终止的调控
22
调控机制 --操纵子 --操纵子
一. 转录的负调控(negative regulation)
36
E.coli的不同σ因子识别不同的顺序
因子 σ70 σ32 σ60 基因 rpoD rpoH rpoN 功用 正常状态 热休克 氮的利用 -35顺序 TTGACA CNCTTGAA CTGGNA 间隔距离 16-18bp 13-15bp 6bp -10顺序 TATAAT CCCCATNT TTCGA
10
第二节 微生物酶合成的调节
11
一. 酶的诱导
诱导（induction） 底物存在时才合成，多见于分解代谢 诱导型酶（inducible enzyme）： 当底物存在时才合成的酶类。 如分解乳糖的β-半乳糖苷酶 组成型酶（constitutive enzyme）： 在所有生长条件下都以相同量表达的酶类。
——由阻遏蛋白参与的基因转录调控作用 阻遏蛋白 (repressive protein)：与操纵位点结合后 protein) 能减弱或阻止所调控基因转录的调控蛋白。 如：乳糖操纵子阻遏蛋白的负调控
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1. 乳糖不存在时，阻遏蛋白I 结合在O上，阻碍转录起始
25
2. 乳糖存在时，阻遏蛋白I 从 O解离，转录起始
第十一章 微生物基因表达调控 （Regulation of Gene Expression in Microbes）
1
内
• 基因表达调控背景 • 微生物酶活性的调节
容
• 基因表达的诱导和阻遏* • 微生物基因表达调控的基本方式*＃ • 酵母菌基因表达的调控
2
基因表达调控背景
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• 基因表达：遗传信息从遗传物质向蛋白质传递的 过程。 • 基因表达=基因转录+翻译 基因表达=基因转录+ • 基因表达的调控: 基因表达的调控: 生物体随时调整不同基因的表达状态, 生物体随时调整不同基因的表达状态,以适应 环境、 环境、维持生长和发育需要 • 基因表达调控的两种机制： 控制酶的活性（翻译后） 控制酶的合成（转录、翻译）
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活化蛋白与DNA和RNA聚合酶的相互作用
1. 邻近时，活化蛋白直接与RNA聚合酶作用
P APRNApol DNA
2. 相隔数百个bp时，活化蛋白通过DNA looping， 使RNA聚合酶易于与DNA正确结合
P RNApol AP
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DNA
三. 弱化作用（attenuation）
一个完整转录物的数目在减少，即使起始 阶段的转录物数目相同。 RNA合成 起始后、终止前的调控
产物
阻遏蛋白 正调控蛋白 Gal4一部分 一部分
杂合子
gal80 / gal80 gal80 / GAL80 gal4 / gal4 gal4 / GAL4 GAL81c /GAL81
GAL1, GAL7, GAL10 的合成 组成型 诱导型 非诱导型 诱导型 组成型
Gal表型 Gal表型
+ + + +
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五. 全局调控（Global regulation）
微生物对环境变化的反应，常需要同时调控 许多不同基因的表达，这种控制机制是在 较为广泛的基础上起作用的，所以称为全 局调控。 涉及的基因： 调节子（regulon） 刺激子（stimulon）
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一）降解物阻遏
Catabolite repression 表现：微生物的二次生长 机制：转录控制 CAP + cAMP → lac operon的活化区 有葡萄糖，抑制cAMP 的合成，并促进其向胞外运 输，使胞内cAMP 浓度低，难以激活转录 问： lac operon表达需满足哪些条件？
30
如：色氨酸操纵子 结构基因E 、 D 、 C 、 B 、 A 前导区 控制位点（操纵区O 、启动子P）
P
O
前导区
E
D
C
B
A
P
R
31
前导区的结构和功能 162nt，富含GC，前端编码14aa的前导肽 色氨酸水平→前导肽是否翻译完→前导区的二级结 构→下游基因是否转录
32
前导区可能的两种二级结构