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1、第七章 原核生物基因的表达调控,主讲：陈兆贵,生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞内的DNA(或RNA)分子中的。随着个体的发育，DNA有序地将遗传信息，通过转录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。从DNA到蛋白质的过程，叫做基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。,基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念,基因表达调控在两个水平上体现,(1)转录水平上的调控(tra
2、nscriptional regulation); (2)转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation)，包括mRNA加工成熟水平上的调控(differential processing of RNA transcript);翻译水平上的调控(differential translation of mRNA)。,对于原核生物，以营养状况(nutritional status)和环境因素(environmental factor)为主要的基因表达影响因素。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormone level)和发育阶段(development
3、al stage)是基因表达调控的最主要手段，而营养和环境因素的影响力大为下降。 在转录水平上对基因表达调控取决于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。,第一节 大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控,一、操纵子与操纵子模型 原核生物基因表达调控主要发生在转录水平，转录调控的基本单元是操纵子。 1、操纵子的概念：根据操纵子学说，很多功能上相关的结构基因在染色体上串连排列，由一个共同的控制区来操纵这些基因的转录。包含这些结构基因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子（operon）。,2、操纵子结构 由启动子（P）、操纵基因（O）、调节基因、结构基因所组成。,1、在正转录调控
4、系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)，激活蛋白结合与DNA的启动子及RNA聚合酶后，转录才会进行。 （1）在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行。 （2）在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。,二、正调控与负调控,2、在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋白(repressor)阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。 （1）负控诱导系统阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏蛋白结合上诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。,（2）负控阻遏系统阻遏蛋白与
5、效应物结合时，结构基因不转录。,调控模式 1、可诱导负调控 2、可诱导正调控 3、可阻遏负调控 4、可阻遏正调控,三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调控,（一）大肠杆菌的乳糖利用系统 大肠杆菌的乳糖代谢需要有-半乳糖苷酶（-galactosidase）的催化 。这种酶能把乳糖水解为半乳糖和葡萄糖 .另外有半乳糖苷透性酶 和巯基半乳糖苷转乙酰酶。三种酶协同作用，使得乳糖得以分解和利用。,乳糖操纵子的结构和功能,（二）乳糖操纵子的调控机制 1、没有乳糖时，具有活性的阻遏物和操纵基因结合，转录不能进行。 2、有乳糖时，乳糖与阻遏物结合，使阻遏物发生构象变化而失活，不能与操纵子结合，结构基因正常转录，进而再翻
6、译出蛋白质。,原核生物基因表达的调控,乳糖代谢基因表达调控图解：(没有乳糖时),lacZ,lacY,lacA,调节基因,启动子,操纵基因,结构基因,RNA聚合酶,信使RNA,转录,翻译,阻抑物与 操纵基因 结合，结 构基因转 录受阻,阻抑物,原核生物基因表达的调控,乳糖代谢基因表达调控图解：(有乳糖时),lacZ,lacY,lacA,调节基因,启动子,操纵基因,结构基因,RNA聚合酶,信使RNA,转录,翻译,阻抑物与乳糖结合后构象发生了改变， 因而不能与操纵基因结合，使得结构 基因进行转录。,阻抑物,乳糖,转录,半乳糖苷酶,酶,酶,乳糖分解代 谢调控过程 是一个自我 调控过程,四、大肠杆菌乳糖
7、操纵子的正调控 1、葡萄糖敏感操纵子 有一些控制某一种糖如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖和麦芽糖等分解代谢的操纵子，当培养基含有葡萄糖时，会阻止这些操纵子的功能，称为葡萄糖敏感操纵子。 例如：当大肠杆菌生长的培养基中既有葡萄糖又有乳糖的条件，只利用葡萄糖，而不利用乳糖。 换句话说，只要在培养基中有葡萄糖存在，便可抑制了利用其他各种酶的产生，称为分解物阻遏。,2、CAP-cAMP调控 另外一种起调节作用的诱导物为cAMP（环化腺苷酸） 分析一组实验几种情况： （1）当培养基中含用大量葡萄糖时，cAMP水平明显下降。 （2）当以乳糖为唯一碳源时， -半乳糖苷酶的合成增加。,（3）当有乳糖和葡萄糖为碳源时，
8、如果加入cAMP ， -半乳糖苷酶的合成速率大大提高。 结论：？ cAMP 浓度能影响到-半乳糖苷酶的合成速率。主要是cAMP能激活CAP（分解物基因激活蛋白），起转录因子的作用。,3、lac操纵子的正调控机制 （1） cAMP-CAP复合物与DNA结合，改变DNA结构，促进了RNA聚合酶结合区的解链，从而促进RNA聚合酶和启动子结合，使转录能力增强。 （2） cAMP-CAP复合物的形成取决于AMP的浓度，当以葡萄糖为能源时，由于其抑制腺苷酸环化酶的活性，ATP不能转化为cAMP， cAMP浓度下降，不能形成cAMP-CAP复合物，乳糖结构基因不能被转录。因为细胞中有葡萄糖作为能源，就没有必要需要对乳糖利用的几种酶了。,