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1、第六章 基因的表达与调控（上） 原核基因表达调控模式 目的与要求 掌握基因表达的概念。 掌握原核基因表达调控的基本原则及乳糖操纵 子。 掌握Trp操纵子的工作原理。 熟悉转录后调控的种类及原理。 了解半乳糖操纵子的作用机制、了解阿拉伯糖 操纵子的作用机制。 第一节 基因表达调控概述 基因表达（gene expression） 概念：通过转录和翻译，使遗传信息转变成 各种功能性蛋白质的过程。 D NA 蛋 白质 翻 译 R NA 转 录 基因表达的时间性及空间性 （一）时间特异性 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(temporal speci
2、ficity)。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶 段特异性(stage specificity)。 （二）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)。 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 空间特异性(spatial specificity)。 在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部 组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基 因，这类基因表达被视为组成性基因表达 (constitutive gene expr
3、ession)。 基因表达的方式 按对刺激的反应性，基因表达的方式分为： （一）组成性表达 管家基因(housekeeping gene)。 某些在一个个体的几乎所有细胞中持续表 达的基因。 管家基因 （二）诱导和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，相应的基因被激 活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导 基因。 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程 ，称为诱导(induction)。 DNA损伤 修复酶基因激活 1.可诱导基因与诱导 2.可阻遏基因与阻遏 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基 因是可阻遏基因。 可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻 遏(repression)。 在一定机制控制
4、下，功能上相关的一组基 因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、 共同表达，即为协调表达(coordinate expression) 。 基因的协调表达 基因表达的调控 概念： （gene regulation or gene control） 对基因表达过程的调节。 一般规律： 机体需要基因表达开始（on） 机体不需要基因表达停止 （off） 可能有本底水平的基因表达：每个细胞只合成 1或2 个mRNA分子和极少量的蛋白质分子。 基因表达调控的分类 （1）转录水平上的调控 （2）转录后水平上的调控 mRNA加工成熟水平上的调 控 翻译水平上的调控 原核与真核生物转录及翻译的总特点 扫描图片
5、 二、原核基因表达调控机制的 类型与特点 原核基因表达调控主要发生在转录水平上。 负 转录调 控 正转 录调控 调节基因的产物是 阻遏蛋白 调节基因的产物是激 活蛋白 调节物结合到 DNA上 正调节负调节 是开启关闭 否关闭开启 编码序列 调节序列 启动序列 (promoter) 操纵序列 (operator) 激活蛋白 阻遏蛋白 阻遏蛋白与激活蛋白 阻遏蛋白 负 转 录 调 控 正 转 录 调 控 正控 阻遏 正控 诱导 负控 阻遏 负控 诱导阻 遏蛋白 + 诱 导 无活阻 遏蛋白+ 阻 遏 无活激 活蛋白+ 诱 导 激 活蛋白 + 效 应 物 效 应 物 效 应 物 效 应 物 诱 导因
6、子 诱 导因 子 共 阻遏 物 共 阻遏 物 阻 遏 负 转 录 调 控 正 转 录 调 控 正控 阻遏 正控 诱导 负控 阻遏 负控 诱导阻 遏蛋白 + 诱 导 无活阻 遏蛋白+ 阻 遏 无活激 活蛋白+ 诱 导 激 活蛋白 + 效 应 物 效 应 物 效 应 物 效 应 物 诱 导因 子 诱 导因 子 共 阻遏 物 共 阻遏 物 阻 遏 Lac O I 阻遏物 阻遏 诱导 失活的阻遏物 负控 诱导 mRNA Trp O 无活的阻遏蛋白 辅-阻遏物 阻遏 基因表达 负控 阻遏 正 控 诱 导 活化的激活蛋白 失活的活性蛋白 诱导物 基因不表达基因表达 活化的激活蛋白 辅-阻遏物 基因表达 阻
7、遏 正控 阻遏 第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统 一、原核基因表达的操纵子模型 操纵子（operon）的概念： 功能相关的基因成簇地串连、密集于染色 体上，共同组成的转录单位。 操纵子的组成： 编码序列 调控区 1个启动序列（promoter，P） 二、乳糖操纵子调节机制 （一）乳糖操纵子的结构(lac operon) 调控区 CAP结合位点 启动序列 （promotor） 操纵序列 （operator） 结构基因 Z： -半乳糖苷酶 Y： 透酶 A：乙酰基转移酶 ZYAOP DNA mRNA 阻遏蛋白 I DNA ZYAOP po l 没有乳糖存在时 （二）阻遏蛋白的负性调节 阻遏基因 mR
8、NA 阻遏蛋白 只有乳糖存在时 I DNA ZYAOP pol 启动转录 mRNA 乳糖异构乳糖 -半乳糖苷酶 无葡萄糖，cAMP浓度高时 有葡萄糖，cAMP浓度低时 （三）CAP（catabolite gene activation protein） 的正性调节 ZYAOPDNA CAP CAP + + + + 转录 CAP CAP CAP CAP结合位点 cAMP CAP 葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏 （一）操纵子（operon） 概念：功能相关的基因成簇地串连、密集 于染色体上，共同组成的转录单位。 二、乳糖操纵子调节机制 （一）乳糖操纵子的结构(lac operon
9、) 调控区 CAP结合位点 启动序列 （promotor） 操纵序列 （operator） 结构基因 Z： -半乳糖苷酶 Y： 透酶 A：乙酰基转移酶 ZYAOP DNA I 阻遏蛋白 二、乳糖操纵子调节机制 ZYAOP DNA I mRNA 阻遏蛋白 1.阻遏蛋白的负性调节 RNA-Pol 没有乳糖存在时 有乳糖存在时 -半乳糖苷酶 异构乳糖 转录 ZYAOP DNA 无葡萄糖，cAMP浓度高时 有葡萄糖，cAMP浓度低时 （三）CAP（catabolite gene activation protein） 的正性调节 CAP CAP CAP CAP CAP CAP结合位点 CAP RNA-
10、Pol 转录 内容回顾 操纵子的概念： 乳糖操纵子的结构 乳糖操纵子的表达调控 阻遏蛋白的负 性调控 CAP的负性调 控 CAP P O TTTACA -35区 TATGTT -10区 CAP结合位点 5-ATTAAT GTGAGTTAGCTCACTCATTAGG-3 CAP中央对称序列 CAP Binding Bends DNA promotor CAP Binding site （四）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。 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
11、，细 菌首先利用葡萄糖。 低半乳糖时 高半乳糖时 葡萄糖低 葡萄糖高 OO A D A B C D mRNA RNA-pol O C O B 1.A基因及其生理功能 2.lac基因产物数量上的比较 3.操纵子的融合与基因工程 lac操纵子中的其他问题 1.A基因及其生理功能 -半 乳糖苷 - 半乳糖苷 衍生物 生 长抑 制 乙酰酰-半乳糖苷 -半乳糖苷乙酰基转移 酶 乙 酰酰 CoA CoA -半乳 糖苷酶 A基因 2.lac基因产物数量上的比较 ZYAOPDNA 1： 0.5： 0.2 (1) Lac mRNA 与翻译过程中的核糖体脱 离 (2) Lac mRNA A基因更容易受到内切酶的
12、作用发生降解 第三节 色氨酸操纵子与负阻遏系统 色氨酸操纵子（tryptophan operon）的 代谢特点： 1.参与 trp 的生物合成而不是降解。 2.环境中有充足的 trp 时，不（低）表达。 3.环境中缺乏 trp 时，高表达。 4.它不受葡萄糖 c-AMPCRP调控。 5.（辅）阻遏蛋白的负调控调控。 6.弱化子的负调控调控。 邻氨基苯甲酸合酶 邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶 磷酸核糖邻氨基苯甲酸异构酶 吲哚甘油磷酸合酶 色氨酸合酶 Trp E Trp D TrpC Trp A Trp B trpR ABCDEopLa trpR trpPtrpO trpE trpD trpC trp
13、B trpA E. coli 色氨酸操纵子模型 Trp合成途径还存在色氨酸操纵子中衰减子所引起的衰 减调节。 前导区mRNA 前导肽（ 14AA） 衰减子 123 4 4 2 3 1 mRNA Trp codons 终止密码 UUUUU UUUUU 弱化子调控的意义 在大量外源色氨酸存在时，及时快速阻止先 导mRNA的链的合成，使避免物质与能量的浪费 。 备用 四、半乳糖操纵子(galactose operon) 大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)包括3个结构 基因 异构酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)， 半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(ga
14、lactose transferase, galT) ， 半乳糖激酶(galactose kinase, galk)。 这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。可以作为 唯一碳源供细胞生长。 GalR与galE、T、K及操纵区O等离得 很远，而galR产物对galO的作用与lacI- lacO的作用相同。 Lac Z 操纵子 细胞壁合 成的前体 GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很 远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的 作用相同。 它有两个启动子，其mRNA可从两个不 同的起始点开始转录； 它有两个O区，一个在P区上游-67-53， 另一个在结构基因galE内
15、部。 A2 mRNA：组成型表达。 cAMP-CAP抑制RNA聚合酶与S2的结合。 A1 mRNA生成：半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP。 差向异构酶 葡萄糖UDP- 葡萄糖UDP- 半乳糖细胞壁 -76 -47 gal R O2CAP PO1gal Egal Tgal K A1 A2 阿拉伯糖操纵子 （arabinose operon） araD araA AraC 具有正、负调节因子双重功能。 有葡糖，有或无阿拉伯糖 无葡糖，阿拉伯糖 1、翻译起始的调控 2、稀有密码子对翻译的影响 3、重叠基因对翻译的影响 4、翻译的阻遏 5、魔斑核苷酸水平对翻译的影响 转录后水平上的调控翻译水平上 的
16、调控 1.翻译起始的调控 含义： 通过SD序列的结构及其与起始密码 AUG之间的距离调节蛋白质翻译的水平。 AUG 53 mRNA 410为佳， 9个最佳 SD序列 AGG GAGG GGAGG AGGAG UCCUCCA 16S rRNA 53 U A G A U C 2.稀有密码子对翻译的影响 稀有密码子：是在一般的编码中利用频率很低的密 码子。 稀有密码子对翻译的影响 稀有密码 AUA UAU UAG UAA OrpsU dnaGrpoD 核糖体小亚 基S21蛋白 引物酶RNA聚合酶 因子 rpsU 操纵子中3个基因产物的拷贝数的差异 4万/细胞50/细胞 2，800/细胞 1% 032
17、% 1%AUA 重叠基因对翻译的影响 5、翻译的阻遏 例：大肠杆菌RNA噬菌体Q（+RNA） 的蛋白质合 成。 大肠杆菌RNA噬菌体Q基因图 含义：蛋白质抑制翻译的 现象。 成熟蛋白（A）外壳 蛋白 RNA复制酶 1 62 1322 134517442353 41204220 53 成熟蛋白SD 外壳蛋白SD RNA复制酶SD 5 3 （+）RNA RNA复制酶 RNA复制酶 3 5 5 （）RNA 成熟蛋白 魔斑核苷酸水平对翻译的影响 魔斑： 当细菌演技生长过程中，遇到氨基酸全面 缺乏时，细菌将会产生一个应急反应，停止全部 基因的表达。这种现象称作严紧控制（rel+，编码 RelA蛋白-严紧因子）。 松散控制（rel-）:蛋白质合成下降，但RNA合 成并不下降。 产生这严紧控制反应的信号是鸟苷四 磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸（pppGpp）。 魔斑核苷酸的作用 1.影响RNA聚合酶与启动子的结合，阻止转录 开始。 2.使转录中的RNA聚合酶停顿，转录终止。 魔斑核苷酸的生成 L11 无活RelA蛋白 活性RelA蛋白 ATP-GTP-3-焦磷酸转移酶 ATP+GTP pppGpp+AMP ppGpp