基因表达调控

解乳糖所需的三种酶。
代谢物阻遏效应
4、cAMP与代谢物激活蛋白
ATP 腺苷酸环化酶
cAMP（环腺苷酸）
大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高； 有葡萄糖，cAMP浓度低 代谢物激活蛋白（CAP）/环腺苷酸受体蛋白（CRP）
调控区
DNA
结构基因
P
O
操纵序列
Z
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶
Y： 透酶
A：乙酰基转移酶
结构基因
调节基因
操纵基因
酶合成的 诱导操纵子模型
可诱导调节。
编码糖和氨基酸 分解代谢蛋白的 基因
阻遏蛋白
结构基因 调节基因 操纵基因
诱导物
如果某种物质能够促 使细菌产生酶来分解 它，这种物质就是诱 导物。
阻遏蛋白 mRNA
诱导物
酶蛋白
酶合成的阻遏操纵子模型
结构基因 调节基因 操纵基因
可阻遏调节： 合成代谢过程中的 小分子物质
lacY
lacA
DNA
mRNA Protein
PlacI
Plac Olac
Transacetylase β -Galactosidase Permease
The LAC operon
（二）乳糖操纵子调控模型
主要内容：
① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA
分子所编码
② 这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位
——时间性和空间性
1、时间特异性（temporal specificity） 按功能需要，某一特定基因的表达严格按 特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间 特异性。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶 段特异性(stage specificity)。
2、空间特异性(spatial specificity) 在个体生长全过程，某种基因产物在个体 按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的
Hey man, I’m constitutive Bind to me Polymerase Alright, I’m off to the races . . . Come on, let me through!
The CAP-cAMP dimer binds to its activator site on the DNA, and the α-CTD interacts with a specific site on the CAP protein This strengthens binding between polymerase and promoter.,
酶的诱导——lac体系受调控的证据
• 安慰诱导物：
如果某种物质能够促使细菌产生 酶而本身又不被分解，这种物质 被称为安慰诱导物，如IPTG（异 丙基-β -D-硫代半乳糖苷）。
（一）乳糖操纵子的结构
Regulatory gene Cis-acting elements
lacI lacZ
Structural Ge百度文库es
第六章 基因表达的调控
Contents
基因表达调控的基本概念 原核基因调控机制 乳糖操纵子 色氨酸操纵子 转录后水平上的调控
第一节 基因表达调控的基本概念
一、基因表达的概念
gene expression ：
从DNA到蛋白质或功能RNA的过程。
对这个过程的调节就称为gene regulation 。
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二、原核生物基因表达调控的4种模式
• 原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机 制的不同可分为负转录调控和正转录调控。 ▫ 在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白 (repressor)。根据其作用特征又可分为负控诱导系统和负 控阻遏系统二大类。 ▫ 在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白 (activator)。也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导 系统和正控阻遏系统。
cAMP—CAP
存在于多种基因表达调控体系中
Lac operon expression Repressor cAMP
( Negative-inducible ) ( Positive-inducible )
The Lac Operon: When Glucose Is Present But Not Lactose
启动序列
CAP结合位点 cAMP—CAP复合物
CAP的正调控
+ + + + 转录 DNA
CAP
P
O
Z
Y
A
CAP CAP CAP CAP
无葡萄糖，cAMP浓度高时
促进转录
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
不促进转录
Hypothesis for CAP-cAMP activation of lac
Busby, S. and R.H. Ebright Cell 79:742, 1994
空间特异性。
基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分 布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的， 所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。
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四、基因表达调控环节
基因表达调控层次主要表现在以下二方面： ▫ 转录水平上的调控; ▫ 转录后水平上的调控; ▫ 翻译水平调控; ▫ 翻译后水平调控 不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。
RNA Promoter Operator Pol.
CAP
cAMP
Repressor mRNA
Repressor
X
Repressor
CAP
cAMP
Repressor
This lactose has bent me out of shape
cAMP
CAP
The Lac Operon: When Neither Lactose Nor Glucose Is Present
基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。
二、基因表达的方式
组成型表达(constitutive expression) 指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基 因(housekeeping gene)。
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。
基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组
成。操纵基因受调节基因产物的控制。
结构基因（除调节基因以外的所有基因），编码那些在某一特 定的生物合成途径中起作用的、其表达被协同调控的酶。 操纵基因是指被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列。 调节基因，其产物能够识别操纵基因，例如阻遏物，可以结合 并调控操纵基因序列。
CAP
The Lac Operon: When Lactose Is Present But Not Glucose
Hey man, I’m constitutive Bind to me Polymerase
Yipee…! LacZ LacY RNA LacA Pol.
Repressor
CAP
Binding
解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？
一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？√
②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在
β -半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，
需要有β -半乳糖苷酶的预先存在。
解释：
本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的
lac mRNA合成。
2、阻遏物lac I基因产物及功能
• 在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存
在使激活蛋白处于非活性状态。
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三、原核基因调控的主要特点：
• 原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可诱导 和可阻遏两大类: ▫ 可诱导调节。是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的 作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些 物质的诱导下使基因活化。这类基因中最突出的例子是 大肠杆菌的乳糖操纵子。 ▫ 可阻遏调节。这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白 质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的 积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌中 的色氨酸操纵子。
于I与O之间的启动子区（P），不能单独起动
合成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。
③ 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），
是阻遏物的结合位点。
RNA聚合酶结合部位 阻遏物结合部位
操纵位点的回文序列
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起
始受到抑制。
⑤诱导物通过与阻遏物结合，
改变它的三维构象，使之
不能与操纵基因结合，从
而激发lac mRNA的合成。
当有诱导物存在时，操纵
基因区没有被阻遏物占据
所以启动子能够顺利起始 mRNA的合成。
三、影响因子
1、lac操纵子的本底水平表达
有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：
①诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运
诱导物需要透过酶，后者的合成有需要诱导。
操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵 基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组 成。操纵基因受调节基因产物的控制。
（一）乳糖操纵子的结构
Presence of lactose 大肠杆菌乳糖操纵子
Lac I p O Lac Z Lac Y Lac A
Repressor β-半乳糖苷酶 β-透过酶 β-乙酰基转移酶
• 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)。
三、基因表达的规律
在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白
（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。 根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏： • 在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物） 结合时，结构基因转录； 结合时，结构基因不转录。
• 在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）
在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白 （activator）。 根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏 • 在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在 使激活蛋白处于活性状态；
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The LAC operon
CAP binds as a dimer
a CTD
协调调节
当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用
如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，
操纵子仍无转录活性。 cAMP—CAP复合物与启动
子区的结合是转录起始所必需的。
具有广泛生理效应的正控制系统
Hey man, I’m constitutive Come on, let me through
Repressor
CAP
Binding
RNA Promoter Operator Pol.
Repressor
LacZ
No way Jose!
LacY
LacA
Repressor mRNA
Repressor
▫ 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。 ▫ 在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，
第二节 原核基因调控机制
内容提要： 原核基因调控机制的类型与特点 转录水平上调控的其他形式
一、原核生物基因表达调控模型 操纵子模型
操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵
阻遏蛋白 转录激活 转录抑制 负控诱导 负控阻遏 激活蛋白 正控诱导 正控阻遏
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白 正转录调控
阻遏蛋白
负转录调控
正转录调控
如果在没有调节蛋白质 存在时基因是关闭的， 加入这种调节蛋白质后 基因活性就被开启，这 样的调控正转录调控。
负转录调控
在没有调节蛋白质存在 时基因是表达的，加入 这种调节蛋白质后基因 表达活性便被关闭，这 样的调控负转录调控。
结构基因
调节基因
操纵基因
mRNA 酶蛋白
辅阻遏物
辅阻遏物 如果某种物质能够阻止细菌产生合成这 种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。
第三节
乳糖操纵子(lac
operon)
1、操纵子模型的提出
1961年，Monod和Jacob提出
获1965年诺贝尔生理学和医学奖
Jacob and Monod
2、操纵子的定义
Lac 操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组 成型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。 当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不 可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac 操纵子在这些突变体中就不可诱导。
3、葡萄糖对lac操纵子的影响 如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中， lac 操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽 外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分