原核生物的基因表达调控

在有Hg2+的条件下，MerR激活抗汞基因表达的机制
MerR-Hg2+与操纵基因结合以后造成的DNA扭曲
大肠杆菌的色氨酸操纵子
的色氨酸操纵子是一种阻遏型的操纵子，它控
制5种参与色氨酸合成酶基因的表达。色氨酸 作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合而阻止色氨酸操 纵子的表达。 除了色氨酸操纵子是阻遏型以外，其它与合成 代谢有关的操纵子，如组氨酸操纵子，也都属 于阻遏型操纵子。一般说来，控制分解代谢的 操纵子为诱导型，控制合成代谢的操纵子属于 阻遏型。操纵子发生这样的分化使得细胞能够 迅速对环境或细胞内部的代谢变化做出反应。
CAP的正调控作用
CRP的结构与功能
CRP也称为分解代谢物激活蛋白（CAP），它也是很多其它与分
解代谢有关的操纵子的激活蛋白，包括乳糖操纵子、阿拉伯糖操 纵子、半乳糖操纵子和麦芽糖操纵子等近100个以上的启动子受到 它的激活。这种由同一种调控蛋白调节多个操纵子基因表达活性 的调控方式被称为调谐子。在这些操纵子的附近，都含有CAP结 合位点。以乳糖操纵子为例，它的CAP结合位点位于Plac上游。序 列分析表明，CAP位点序列与操纵基因的序列一样，含有两段反 向重复序列（GTGAG），而每一段即是CAP的半个结合位点。这 样的性质特别适合二聚体的CAP-cAMP与其结合，因为一个单体 与其中的一段反向重复序列结合。与阻遏蛋白一样，CAP也是通 过螺旋-转角-螺旋这种DNA结合模体在大沟与结合位点结合。 CAP-cAMP同DNA结合后，可以引起DNA的弯曲，增强RNA pol 与DNA的结合能力，并协助DNA双螺旋的解链，使RNA pol的转 录活性提高20~50倍。在CAP未与cAMP结合时，它是没有活性的。 当cAMP浓度升高时，CAP与cAMP结合并发生构象的变化而被活 化，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。相反，当有葡萄 糖可供分解利用时，cAMP浓度降低，CAP不能被活化，乳糖操 纵子的结构基因表达下降。
正调控与负调控模式的比较
在DNA水平的调控


启动子序列对基因表达的调控 DNA重组对DNA表达的调控 DNA重组可以改变控制基因表达的 元件与受控基因之间的距离和方向， 因而可以成为控制基因表达的一种 手段。
不同类型启动子与基因表达之间的关系 组成型启动子 弱启动子 强启动子
一般与一致序列相同或相 缺乏一个或多个一致序列元 与一致序列相同或接近 近 件
基因表达调控的两种方式
基因的表达模式都可根据控制的效果分为正调控和负
调控。如果是在转录水平的调控，这两种调控模式一 般都涉及到特定的调节蛋白与DNA特定序列之间的相 互作用。一般将与调节蛋白结合的特定DNA序列称为 顺式作用元件，而对于原核生物来说，这样的顺式作 用元件经常被称为操纵基因。 如果是负调控，则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活 的情况下，基因正常表达。一旦存在调节蛋白或者调 节蛋白被激活，基因则不能表达。因此，负调控中的 调节蛋白被称为阻遏蛋白； 如果是正调控，则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活 的情况下，基因不表达或者表达量不足。一旦有调节 蛋白或者调节蛋白被激活，基因才能表达或者大量表 达。因此，正调控中的调节蛋白被称为激活蛋白。
阿拉伯糖操纵子结构
阿拉伯糖操纵子的阻遏和激活
麦芽糖操纵子
麦芽糖操纵子控制几个与麦芽糖吸收和分解有关的酶
基因的表达。受到调控的结构基因一个是malP——编 码麦芽糊精磷酸化酶促进麦芽糖运输到细胞内，另一 个是malQ——编码麦芽糖酶，将进入细胞的麦芽糖水 解成葡萄糖。 与乳糖操纵子相似的是，它也属于诱导型操纵子，也 受到CAP-cAMP的激活。但与乳糖操纵子不同的是， 作为诱导物的麦芽糖不是与阻遏蛋白结合，导致阻遏 蛋白的失活，而是与激活蛋白——MalT结合，激活 MalT。在没有葡萄糖的条件下，被激活的MalT与CAPcAMP一道打开麦芽糖操纵子，使malP和malQ得以表 达。
大肠杆菌乳糖操纵子的结构
1个调节基因（lacI）——位于Plac附近，有其自身的
启动子和终止子，转录方向和结构基因的转录方向相 反，呈低水平的组成型表达，编码阻遏蛋白 1个操纵基因（lacO）—— 位于Plac和lacZ基因之间， 为阻遏蛋白结合的位点 1个启动子（Plac） 3个结构基因（lacZ、lacY和lacA）组成。lacZ编码β-半 乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖异构化为别乳糖，绝 大多数乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY基因编码半 乳糖透过酶，其功能是使环境中的β-半乳糖苷能透过 细胞壁和细胞膜进入细胞内；lacA基因编码转乙酰基 酶。转录时，RNA聚合酶首先与Plac结合，通过lacO向 右，按lacZ→lacY→lacA方向进行转录，每次转录出来 的一条mRNA上都带有这3个基因。
σ因子的选择性使用与热激基因的表达调控
σ因子的级联与SPO1噬菌体不同时期基因表达之间的关系
操纵子模型
第一个被阐明的基因表达调控系统是由法国巴斯德研
究所的Francois Jacob和Jacques Monod于1962年提出来 的大肠杆菌基因表达的操纵子模型。事实证明，大多 数原核生物的基因表达调控都采取这种方式，尽管真 核细胞没有操纵子的结构，但模型中的一些基本原理 也适用于真核生物。 操纵子模型认为：一些功能相关的结构基因成簇存在， 构成所谓的多顺反子，它们的表达作为一个整体受到 控制元件的调节。控制元件由启动子、操纵基因）和 调节基因组成。调节基因编码调节蛋白，与操作子结 合而调节结构基因的表达。
大肠杆菌半乳糖操纵子模型
乳糖操纵子三个阻遏蛋白结合位点的结构特征及其作用
乳糖操纵子的正调控
葡萄糖效应——在有葡萄糖存在时，细菌优先利用环
境中的葡萄糖，即使有诱导物乳糖的存在，乳糖操纵 子也处于被抑制的状态，直到葡萄糖被消耗完后才能 解除抑制，这时细菌才开始利用乳糖进行生长。这说 明乳糖的存在仅仅是乳糖操纵子开放的必要条件，但 还不是充要条件。 同时有乳糖和葡萄糖的情况下，乳糖操纵子也不能正 常开放呢的原因是乳糖操纵子的开放还需要一种称为 cAMP受体蛋白（CRP）的激活蛋白的正调控。只有在 负调控不起作用、正调控起作用的条件下，乳糖操纵 子才能开放。
E. coli的麦芽糖操纵子
抗汞离子操纵子
存在于Tn501之中的mer操纵子的结构基因包括merT、merP、
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merA和merD，其中merT和merP编码运输蛋白，merA编码汞离子 还原酶，将Hg2+还原成低毒、易挥发的Hg，merD编码一种调节蛋 白；操纵基因位于启动子内部，在－35区和－10区之间；调节基 因为merR，编码调节蛋白MerR。。 如果存在Hg2+，单个汞离子与MerR的结合就足以激活它，使其作 为激活蛋白强烈诱导抗汞离子的基因表达；如果没有Hg2+，MerR 就作为阻遏蛋白阻止抗汞离子基因的表达。 MerR激活抗汞基因表达的机制非常特别，它作为激活蛋白与操纵 基因结合以后，能够改变启动子的构象，对启动子DNA施加别构 效应，使其更容易被RNA pol识别、结合。这所以需要以这样的 方式激活，是因为mer操纵子的启动子结构比较特别：其－35区 和－10区之间的间隔序列不是通常的17±1bp，而是19bp，比正常 的间隔序列长，这样的结构使得RNA pol识别的两个元件（－35 区和－10区）位于DNA双螺旋两边，很难被聚合酶识别和结合。 而一旦MerR-Hg2+与操纵基因结合，就扭曲－35区和－10区之间 的间隔序列，使－35区和－10区处于合适的位置，容易被RNA pol能够识别、结合，从而启动mer启动子的转录。
分解代谢操纵子和合成代谢操纵子比较
乳糖操纵子的操纵基因和CAP-cAMP结合位点序列
CAP-cAMP在CAP位点上与RNA pol的相互作用
CAP-cAMP与其结合位点结合以后导致DNA发生的弯曲
为什么乳糖操纵子既要受到 负调控，又要受到正调控？
一是使细胞能够优先利用葡萄糖，而优先利用葡萄糖
对细胞来说是有益的，因为参与葡萄糖分解的基因均 是管家基因，这样葡萄糖可以迅速地被分解，为细胞 提供能量； 二是lac启动子序列与启动子的一致序列相差较大，是 一个弱启动子，而CAP-cAMP的激活就弥补了其启动 子活性的“先天不足”。
恒定的转录速率
可能不受其它形式的调控
低转录速率
经常需要激活蛋白
高转录速率
经常受到阻遏
鼠伤寒沙门氏菌相变的分子机制
在转录水平的调控
转录起始阶段的调控 （1）不同σ因子的选择性使用 （2）操纵子调控模型 （3）几种重要的操纵子 转录终止阶段的调控 （1）抗终止作用 （2）弱化

不同σ因子的选择性使用
大肠杆菌的阿拉伯糖操纵子
阿拉伯糖操纵子编码3个与阿拉伯糖代谢有关的酶：阿
拉伯糖异构酶，催化阿拉伯糖异构成核酮糖，由araA基 因编码；核酮糖激酶，催化核酮糖的磷酸化，由araB基 因编码；核酮糖-5-磷酸差向异构酶，由araD基因编码， 催化核酮糖-5-磷酸异构成木酮糖-5-磷酸，使之进入磷 酸戊糖途径进行代谢。这3个结构基因按照araB、araA 和araD的顺序排列，简称为araBAD，共同受araC基因 的产物AraC蛋白和CAP-cAMP控制。 与乳糖操纵子不同的是，阿拉伯糖操纵子的调节蛋白既 是一种激活蛋白，又是一种阻遏蛋白。
原核生物识别启动子序列的是σ因子。不同的σ
因子可识别不同的启动子序列，E. coli主要使 用σ70。在特殊的条件下，其它类型的σ因子被 表达或被激活。这些新的σ因子识别的是其它 类型的启动子，其一致序列不同于σ70所识别的 启动子，从而指导RNA pol启动一些新基因的 表达。这样的调控系统使有机体能够对在特定 条件下需要表达的多个基因进行统一的调控。
乳糖操纵子
乳糖操纵子属于诱导型操纵子，其天然
的诱导物是乳糖的异构体——别乳糖， 它既受到负调控，又受到正调控。 乳糖操纵子的负调控 乳糖操纵子的正调控
β-半乳糖苷酶催化的水解和异构化反应
葡萄糖效应和乳糖诱导
乳糖对乳糖代谢酶的诱导
如果供大肠杆菌生长的培养基中没有乳糖，那么细胞
内参与乳糖分解代谢的三种酶，即β-半乳糖苷酶、乳 糖透过酶和巯基半乳糖苷转乙酰酶很少，如每个细胞 的β-半乳糖苷酶的平均含量只有0.5个～5个。可是一旦 在培养基中加入乳糖或某些乳糖的类似物，则在几分 钟内，每个细胞中的β-半乳糖苷酶分子数量骤增，可 高达5 000个，有时甚至可占细菌可溶性蛋白的 5％～ 10％。与此同时，其它两种酶的分子数也迅速提高。 由此可见，新合成的β-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰化 酶由底物乳糖或其类似物直接诱导产生，乳糖及其相 关类似物被称为诱导物。
原核生物的基因表达调控
基因表达调控的重要性和形式
每一种生物的基因组都含有一定数目的基因，但这些基因在一个
细胞里并不都会表达，那些表达的基因表达的强度也不一定相同。 以E. coli为例，其基因组总共能编码几千种蛋白质，但在正常的 生长条件下，一个细胞仅合成600~800种不同的蛋白质。显然， 多数基因并没有表达。之所以出现这样的情形，是因为细胞内的 基因表达受到严格的调控。实际上，生物体内的基因根据表达的 状况可分为两类，一类是管家基因，另一类是奢侈基因。管家基 因始终表达，表达的量也相对恒定，因此又称为组成型基因，奢 侈基因只是在特定的时段里或者在需要的时候才表达。不管是管 家基因还是奢侈基因，表达都受到调控，只是调控的方式不一样。 理论上，一种基因表达的调控可以在多种水平上展开，包括DNA 水平、转录水平、转录后加工水平、翻译水平、翻译后加工水平 等。但在所有调控方式中，从节省能量的角度来看，对基因表达 关闭的越早越好，这样不至于将能量浪费在mRNA和蛋白质的合 成上。就这一点而言，转录的起始阶段是最佳调控位点。 原核生物是单细胞生物，一般生活在多变的环境中，需要随时根 据环境条件的变化调整自身基因的表达，以使代谢过程能够适应 环境的变化，从而更好地生存和繁衍。