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1、基因表达的调控基因表达的调控1l l基因表达基因表达是指贮存在DNA序列中的遗传信息经过一 系列步骤表现出其生物学功能的过程永久型和调节型表达2l l基因表达基因表达= =基因转录基因转录+ +翻译翻译3基因表达调控（regulation of gene expression） ：对基因表达过程各层次的调节转录水平（transcriptional level）转录后水平（post-transcriptional level ）翻译水平（translation level）翻译后水平（post-translation level）4主要是主要是转录水平的调控转录水平的调控1.DNA1.DNA序列
2、序列 2.2.调控蛋白调控蛋白 3.DNA-3.DNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用RNARNA聚合酶活性聚合酶活性5l l基因表达的调控方式基因表达的调控方式: :阻遏阻遏负调控负调控: :调控蛋白调控蛋白+DNA+DNA序列序列 基因的表达基因的表达 ( (相应蛋白质相应蛋白质降低降低) )促进促进正调控正调控: :调控蛋白调控蛋白+DNA+DNA序列序列 基因的表达基因的表达( (相应蛋白质相应蛋白质增加增加) )6第一节 原核生物基因表达的调控78一、乳糖操纵子(lactose operon)l l操纵子（操纵子（operonoperon）：原核生物原核生物中几个功能相关的结构基因成簇
3、中几个功能相关的结构基因成簇 串联排列组成的一个基因表达的协同单位串联排列组成的一个基因表达的协同单位 （DNADNA序列）序列）. .一个操纵子一个操纵子= =编码序列（编码序列（2-62-6）+ +启动序列启动序列+ +操纵序列操纵序列+(+(其他调节序列其他调节序列) )9l l乳糖操纵子的发现：乳糖操纵子的发现：细菌以细菌以葡萄糖葡萄糖为能量来源为能量来源葡萄糖充分时：葡萄糖充分时：与与葡萄糖代谢葡萄糖代谢有关的酶基因有关的酶基因-表达表达与与其他糖代谢其他糖代谢有关的酶基因有关的酶基因-关闭关闭葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）：葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）：与与乳糖代谢乳糖代谢有
4、关的酶基因有关的酶基因 -表达表达与与葡萄糖代谢葡萄糖代谢有关的酶基因有关的酶基因-关闭关闭10l l细菌对乳糖的利用及其相关的细菌对乳糖的利用及其相关的酶酶: :乳糖乳糖 ( (在透过酶作用下进入细菌）在透过酶作用下进入细菌） 半乳糖苷酶半乳糖苷酶（细菌中少量存在）（细菌中少量存在）异构乳糖异构乳糖 半乳糖苷酶半乳糖苷酶（细菌中少量存在）（细菌中少量存在）葡萄糖葡萄糖+ +半乳糖半乳糖 半乳糖苷酶半乳糖苷酶 （细菌中少量存在）（细菌中少量存在）转转乙酰基酶乙酰基酶11IPOZYa控制位点控制位点 结构基因结构基因DNADNA阻遏蛋白阻遏蛋白启动序列启动序列操纵序列操纵序列 半乳糖苷酶半乳糖苷
5、酶 半乳糖苷透过酶半乳糖苷透过酶乙酰基转移酶乙酰基转移酶（一）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子（lactose lactose opronopron） 结构结构RNARNA聚合酶聚合酶 结合位点结合位点调控基因调控基因12（二）Lac阻遏物的作用-负调控l lLacLac阻遏物阻遏物l l结构特点结构特点l l调控机制调控机制（负调控）（负调控）l l由由基因基因I I编码生成的编码生成的蛋白质蛋白质l l具有四级结构的蛋白质具有四级结构的蛋白质l l具有具有4 4个相同亚基个相同亚基l l每个亚基中都有一与诱导剂结合的每个亚基中都有一与诱导剂结合的 位点位点l lLacLac阻遏物与阻遏物与O O
6、基因结合基因结合：结构基因结构基因关闭关闭l lLacLac阻遏物与阻遏物与诱导剂诱导剂结合：结合：不与不与O O基因结合，结构基因基因结合，结构基因开放开放RNARNA聚合酶结合，转录开始聚合酶结合，转录开始13l l生理性诱导剂生理性诱导剂l l实验常用诱导剂实验常用诱导剂l l别位乳糖别位乳糖l l异丙基硫代半乳糖（异丙基硫代半乳糖（ IPTGIPTG）l lLacLac操纵子诱导剂操纵子诱导剂14IOO诱导剂乳糖操纵子的负调控图15-415可诱导调节l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16（三）CAP-cAMP复合
7、物在乳糖操纵子表达中的作用-乳糖操纵子的正调控低葡萄糖、高乳糖、高cAMP时： v Lac 阻遏蛋白不封闭转录, v CAP+ cAMP 加强转录。17l l葡萄糖存在时：葡萄糖存在时：优先利用葡萄糖作为能源优先利用葡萄糖作为能源 。与与阻遏蛋白阻遏蛋白的存在有关的存在有关-乳糖操纵子的负调控乳糖操纵子的负调控与与cAMPcAMP有关：有关：葡萄糖葡萄糖 cAMPcAMP Lac Lac操纵子（操纵子（- -）l l只有乳糖存在时：只有乳糖存在时：只能利用乳糖只能利用乳糖解除解除阻遏蛋白阻遏蛋白的作用的作用CAP-CAP-cAMPcAMP复合物的激活作用复合物的激活作用CAP+cAMPCAP+
8、cAMP乳糖操纵子乳糖操纵子导致结构基因转录导致结构基因转录( (正调控正调控) )vvcAMPcAMP 在在原核生物中的作用原核生物中的作用（饥饿信号）（饥饿信号）vvCAP(CAP(分解物基因激活物蛋白分解物基因激活物蛋白):): 有二个相同亚基的蛋白质有二个相同亚基的蛋白质 一个与一个与DNADNA结合的结合的domaindomain一个与一个与cAMPcAMP结合的结合的domain domain 18IPOZYa调控基因调控基因 控制位点控制位点 结构基因结构基因DNADNA阻遏蛋白阻遏蛋白启动序列启动序列cAMPcAMP-CAP-CAP 结合位点结合位点操纵序列操纵序列 半乳糖苷酶
9、半乳糖苷酶通透酶通透酶乙酰基转移酶乙酰基转移酶乳糖操纵子（乳糖操纵子（lactose lactose opronopron） 结构结构RNARNA聚合酶聚合酶 结合位点结合位点19 CAP- cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用-正调控条件2:低乳糖条件3:低乳糖条件4: 高葡萄糖 低cAMP 高乳糖Lac 阻遏蛋白封闭转录时,CAP对该系统不发挥作用条件1: 低葡萄糖 高cAMP 高乳糖Lac 阻遏蛋白不封闭转录时, 没有CAP存在,也无高效转录活性。Lac 阻遏蛋白不封闭转录,CAP+ cAMP 加强转录。OOOOO图15-520m原核生物基因表达的一般情况（乳糖操纵子）l l环境条件的
10、变化是相关环境条件的变化是相关 基因表达的外界信号基因表达的外界信号l l基因表达基因表达 的的负调控负调控l l基因表达基因表达 的的正调控正调控l l正、负调控协同表达正、负调控协同表达葡萄糖、乳糖浓度的葡萄糖、乳糖浓度的 变化变化LacLac阻遏物阻遏物与操纵基因与操纵基因cAMP+CAPcAMP+CAP与相应的与相应的DNADNA 序列序列21二、色氨酸操纵子 1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控调控基因 结构基因催化分支酸转变为色氨酸的酶trpRtrp22l l阻遏物对色氨酸操纵子的负调控阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 阻遏物阻遏物 + + TrpTrp 结合操纵基因结合操纵基因相同二个相
11、同二个 共阻遏物共阻遏物亚基组成亚基组成 的蛋白质的蛋白质高高TrpTrp时：阻遏物时：阻遏物+ +TrpTrp 结合操纵基因结合操纵基因低低TrpTrp时：阻遏物时：阻遏物 不结合操纵基因不结合操纵基因232.2.衰减作用对色氨酸操纵子的调控衰减作用对色氨酸操纵子的调控衰减子衰减子 （attenuatorattenuator）-DNADNAvv位于位于L L基因中基因中, ,离离E E基因基因55端约端约30-60bp30-60bp。vv通过通过衰减子（转录终止结构）衰减子（转录终止结构）使转录终止。使转录终止。vv高高TrpTrp 时：衰减子起作用，终止转录。时：衰减子起作用，终止转录。产
12、生产生“衰减子转录产物衰减子转录产物”（mRNA) mRNA) ，转录、翻译偶联，同时产生转录、翻译偶联，同时产生“前导肽前导肽”。24前导肽转录终止结构图15-625The leader RNA and leader peptide of the trp operon26Low TrpHigh TrpComplementary 2:3 Elongation of transcription Complementary 3:4 termination of transcription27l l高高TrpTrp时：时： Trp-tRNATrp-tRNATrpTrp 存在存在核糖体通过片段核糖体通
13、过片段1 1(2(2个个TrpTrp密码子密码子) ) 封闭片段封闭片段2 2片段片段3 3，4 4形成形成发夹结构发夹结构类似于不依赖类似于不依赖因子的转录终止序列因子的转录终止序列RNARNA聚合酶停止转录聚合酶停止转录, ,产生衰减子转录产物产生衰减子转录产物转录、翻译偶联转录、翻译偶联, ,产生前导肽产生前导肽28l l低低TrpTrp时：时： Trp-tRNATrp-tRNATrpTrp 没有供应没有供应核糖体翻译停止在片段核糖体翻译停止在片段1 1（2 2个个TrpTrp密码子）密码子）片段片段2 2，3 3形成形成发夹结构发夹结构转录不终止转录不终止RNARNA聚合酶继续转录聚合
14、酶继续转录29三、 其他操纵子的调控机制1 半乳糖操纵子l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(galactose 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。 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。3031gal操纵子的特点： 它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起 始点开始转录
15、； 它有两个O区，一个在P区上游-67-53，另一 个在结构基因galE内部。32l分析gal操纵子P-O区的DNA序列发现，该操 纵子确实存在两个相距仅5bp的启动子，可以 分别起始mRNA的合成。每个启动子拥有各 自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。l 从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时 ，才能顺利进行，RNA聚合酶与S1的结合需 要半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP。从S2起 始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的 cAMP-CAP能抑制由这个启动子起始的转录 。当有cAMP-CAP时，转录从S1开始，当无 cAMP-CAP时，转录从S2开始。332 阿拉伯糖操纵子l 阿拉伯糖(arabinose)是另一个可以为代谢提供碳源 的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基 因：araB、araA和araD，分别编码3个酶：araB基因 编码核酮糖激酶(ribulokinase)，araA编码L-阿拉伯糖 异构酶(L-arabinose isomerase)，araD编码L-核酮糖-5 -磷酸-4-差向异构酶(L-ribulose-5phosphate- 4epimerase)。与araBAD相邻的是一个复合的启动子 区
