第十章 原核生物的基因表达与调控

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1、第十章 原核生物的基因 表达与调控基因储存着生物体的遗传信息，通过 DNA复制，遗传信息准确地传递给后代， 以维持生物体的稳定。通过基因转录和翻 译，决定细胞的表型和生物性状。一个特 定基因如何开启或关闭，机体又是通过何 种机制调节和控制特定基因的表达，这是 一个有关生命活动本质的重大课题。教学内容 原核生物基因表达调控概述 乳糖操纵子 色氨酸操纵子 阿拉伯糖操纵子第一节 原核生物基因 表达调控概述基因表达调控的概念及意义 原核生物基因表达调控的特点与方式原核生物基因表达调控的几个重要概念操纵子学说 原核基因表达调控有自己的特点：普遍存在操纵子调控模式；通过特异的 阻遏蛋白或激活蛋白调节基因的

2、转录；转录与翻译的偶联，使基因调控成为快 速有效的调控方式。一、基因表达调控的概念和意义 基因及基因表达：基因代表一个遗传单位，化学 上是一段可表达的DNA序列。基因 组则包含了一个单倍体细胞或病毒 颗粒的全套基因，不同生物基因组 所含基因数目不同。在不同的细胞 及个体发育时期内，有些基因表达 ，而有些基因关闭。一般而言，在 某一特定时期，高等生物仅有15 的基因得以表达，表达的产物是 RNA和蛋白质。基因表达是指基因的转录和翻译 过程。所包含的遗传信息通过转录 生成RNA，再经过翻译生成蛋白质 的过程，这其中也包括以RNA为终 产物的表达，如：生成tRNA和rRNA 的过程。 基因表达调控的

3、概念：基因表达有其特定的规律，并受到机体各种因素的调节和控制，即所谓基 因表达调控。基因表达调控的生物学意义 ：对基因的表达实施精确地调控，使细胞适应不同阶段、不同环境条件下的 生长与发育需要这对维持正常生命活动极为重要。基因表达的规律：在生物界，从低等的原核细胞到高等动植物，基因表达具有严格的规律性 ，表现为基因表达的时间特异性和空间特异性。适应环境、维持生长和增殖 ；维持个体发育与分化。 时间特异性是指某一基因的表达遵循特定的时间顺序，按功能需要表达 ，如：多细胞生物从受精卵开始，生长、分化及发育过程中，相应基因按 一定时间顺序开启或关闭，与其发育阶段相适应； 空间特异性是指特定基因表达产

4、物在同一个体的不同组织细胞中的分布 特点，也称为细胞特异性或组织特异性。二、原核生物基因表达调控 的特点与方式 原核生物为单细胞生物，没有核膜，极易受外界环境的影响，需要不断地 调控基因的表达，以适应外界环境的营养条件和克服不利因素，完成生长发育 和繁殖的过程。原核生物基因的表达调控的特点：原核生物基因的表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步 骤中。调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启 和关闭基因表达，即经济有效，又保证其生命活动的需要。 调控主要发生在转录水平，有正负调控两种机制。在转录水平上对基因 表达的调控决定于DNA的结构，RNA聚合酶的功能、蛋白

5、质因子及其他小 分子配基的相互作用。原核生物基因的表达调控的方式：细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：转录水平的调控：细胞中控制从其DNA模板上转录特异的 mRNA的速度，这是一条经济的途径，可以减少从mRNA合成 蛋白质的小分子物质消耗，这是生物在长期进化过程中自然选 择的结果。翻译水平的调控：此途径是在mRNA合成之后，控制从 mRNA翻译成多肽链的速度，包括一些与翻译有关的酶及其复 合物分子(如核糖体)缔合的装配速度等过程。三、原核基因表达调控 的几个重要概念 细菌细胞对营养的适应为了生存，细菌必须能够适应广泛变化的环境条件。这些环境条件包括营 养、水分、溶液浓度、温度

6、、pH等。而这些条件又必须通过细胞内的各种生 化反应途径，为细胞的生长繁殖提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物 。一般细菌(如大肠杆菌)所需的碳源首先是葡萄糖，利用葡萄糖发酵获得能 量，维持生存。在缺乏葡萄糖时细菌也可以利用其他糖类如乳糖作为碳源维持 生活。大肠杆菌基因组可以编码30004000种蛋白质，而生长在以葡萄糖为惟 一碳源的细菌中的酶类至少有600 800种，在这些酶中特别是第一步降解葡 萄糖的酶、产生ATP所需的酶、与合成氨基酸与核苷酸有关的酶以及用于构建 细胞壁、细胞膜以及核糖体的各种结构蛋白，都以相当大的数量存在。与此相 反，其他制造少量辅酶的酶类则只是微量存在。 顺式作用

7、元件和反式作用因子基因活性的调控主要通过反式作用因子(一般为蛋白质)和顺式作用元件( 在DNA分子上)相互作用而实现的。基因所编码的产物主要是蛋白质和各种RNA分子，一般是从合成的场所扩 散至发挥作用的地方。反式作用因子的编码基因与其所识别或结合的靶核苷 酸序列不在同一个DNA分子上。RNA聚合酶就是典型的反式作用因子。顺式作用元件是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与 其自身同处在一个DNA分子上的基因。这种DNA序列通常不编码蛋白质，多 位于基因旁侧或内含子中。位于转录单位开始和结束位置的启动子和终止子 就是典型的顺式作用元件。结构基因与调节基因结构基因是编码蛋白质或RNA的

8、基因。细菌结构基因一般成簇排列， 多个结构基因受单一启动子共同控制，使整套基因或都表达或都不表达。结 构基因编码大量的功能各异的蛋白质，其中有组成细胞和组织器官基本成分 的结构蛋白、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。调节基因是编码那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异DNA序列 。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关 键。调节物与DNA特定位点的相互作用使基因的表达活性开启或增强，称为 正调控；调节物与DNA特定位点的相互作用使基因的表达活性下降或关闭， 称为负调控。 操纵基因和阻遏蛋白： 操纵基因是操纵子中的控制基因，在操纵子上一般与启动子相邻，通 常处于开放

9、状态，使RNA聚合酶通过并作用于启动子启动转录。但它与调 节基因所编码的阻遏蛋白结合时，就从开放状态逐渐转变为关闭状态，使 转录过程不能发生。阻遏蛋白是调控系统中由调节基因编码的调节蛋白，它本身或与辅阻 遏物一起结合于操纵基因，阻遏操纵子结构基因的转录。阻遏蛋白可被诱 导物变构失活，从而导致不可阻遏或去阻遏。组成蛋白和调节蛋白：细胞内有很多蛋白质的含量几乎不受外界环境的影响，这些蛋白称组成 性蛋白。如大肠杆菌中的组成性蛋白，它们的合成速度是遗传上规定的。主 要有几个方面的影响： 启动子的天然效率； 核糖体阅读信使的速度； mRNA的稳定性。调节蛋白是一类特殊的蛋白质，它们可以影响一个或多个蛋白

10、质的表达 。有两种类型的调节蛋白：即正调节蛋白和负调节蛋白，前者称激活蛋白， 而后都属于阻遏蛋白。四、操纵子学说 操纵子的提出细菌基因调控的许多原理是在研究E.coli乳 糖代谢调节时发现的。法国巴斯德研究院的 Francois Jacob(雅格布) 和Jacques Monod(莫诺) 于1961年在法国科学院院报上发表一篇论文， 提出了乳糖代谢中的两个基因被一靠近它的遗 传因子所调节。这两个基因为-半乳糖苷酶和 半乳糖苷透过酶，前者能水解乳糖生成半乳糖 和葡萄糖，后者将乳糖运输到细胞之中。在论文中，他们首先提出了操纵子和操纵 基因的概念，他们的操纵子学说使我们从分子 水平认识基因表达的调控

11、,这是一个划时代的突 破，因此他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学 奖。JacobMonod操纵子的基本结构与调控方式在细菌中常常会发现编码在一个代谢途径中功能相关的蛋白质基因(结构 基因)在DNA中往往是串联排列的，它们是一个多顺反子，共同表达，共同调 控，构成表达和调控的一个单元，这个单元就称为操纵子。操纵子是原核生物基因表达和调控的基本形式。它包括一个上游的调控序 列和一个以上的结构基因。调控序列在不同的操纵子中有特征性差异，一般包 含启动子和操纵基因。结构基因编码多肽链其表达受操纵基因控制，而操纵 基因又受操纵子以外的调控基因的产物调控因子控制。通过操纵基因与调 控因子的相互作用，严格

12、控制操纵子的转录活性和表达水平，最终控制细胞内 各种蛋白质的数量和决定细菌细胞内各种代谢的活性水平。E.coli的乳糖操纵子(lac operon)长约5kb，是目前研究的最为清楚的一个操 纵子。第二节 E.coli的乳糖操纵子E.coli的乳糖操纵子的调节机制 小分子效应物的作用 降解物对基因活性的调节 阻遏蛋白的作用机制一、乳糖操纵子的调控机制 E.coli的乳糖操纵子的基本结构：E.coli的乳糖操纵子含Z、Y及A三个结构基因，Z编码半乳糖苷酶，功能 是将乳糖水解成半乳糖和葡萄糖，是相对分子质量为500KB的四聚体；Y编码 半乳糖苷通透酶， 是一种相对分子质量为30KD的膜结合蛋白，促进

13、半乳糖 苷进入细胞；A编码半乳糖苷乙酰基转移酶，催化乙酰基由乙酰CoA转移到半 乳糖苷分子上。在乳糖操纵子中这三个基因成簇排列，以利于上游调控元件的 调控。在结构基因的上游是操纵子的调控序列，包含有一个操纵基因(O)和一个启 动子(P)，在启动子(P)上游还有一个cAMP结合蛋白或称代谢物激活蛋白(CAP) 结合位点。调节基因I不属于乳糖操纵子，它位于Lac操纵子上游。LacI是一个独立的 转录单位，有自己的结构基因和调控区，编码阻遏蛋白，它可与O序列结合， 阻止基因转录。乳糖操纵子是一种诱导酶系统E.coli乳糖操纵子是一种诱导酶系统。 当培养基中存在葡萄糖时，E.coli优先利用 葡萄糖，

14、此时，乳糖分解代谢(利用)有关的 乳糖操纵子被关闭，该操纵子内3个酶的水 平非常低。当E.coli细胞没有其他碳源，只 有乳糖可利用时，乳糖操纵子即活动起来 ，操纵子开始进人转录状态，产生多顺反 子的mRNA，最后翻译产生3种酶。半乳糖苷酶是一种 诱导酶，催化天然底物乳 糖和其他半乳糖苷化合 物的水解。小分子物质乳 糖的加入，使细胞内半 乳糖苷酶的活性上升的现 象称为诱导，小分子物质 乳糖称为诱导物。 底物诱导物和非底物诱导物：在对半乳糖苷酶诱导物的研究 中发现，在此系统中诱导物并非乳糖本身，而是乳糖的同分异构体，称为 异乳糖。乳糖在通透酶的作用下进入E.coli细胞，被转化成异乳糖，异乳糖

15、与阻遏蛋白结合后可引起阻遏蛋白构象的改变。有些结构上与异乳糖相似的半乳糖苷也是半乳糖苷酶的诱导物。但 并非是它的底物。异丙基硫代半乳糖苷(IPDG)，巯甲基硫代半乳糖苷 (TMG)，以及在酶的活性分析中经常使用的生色底物O-硝基半乳糖苷都是 特别有效的的诱导物，目前在基因表达的研究中常常使用。这种能诱导酶 基因的表达但不是半乳糖苷酶底物的分子称为义务诱导物。 乳糖操纵子的负调控机制：对诱导物作出应答的是lac阻遏蛋白。阻遏 蛋白的活性决定了1ac操纵子内结构基因的开启或关闭。在缺乏诱导物时，阻遏 蛋白以活性状态结合于lac操纵子内的操作基因(lacO)。当存在诱导物时，诱导物 与阻遏蛋白结合，

16、使阻遏蛋白失活，离开操纵基因，起始结构基因的转录，lacZ 、lacY和lacA得以表达。阻遏蛋白是操纵子的调控因子，而其活性又受诱导物的控制。 lacI基因与阻遏蛋白： lacZYA基因的转录受lacI编码的调控蛋白的控制 ， lacI基因的表达产物就是乳糖操纵子的阻遏蛋白，这的功能是与乳糖操纵子 的操纵基因结合，阻止结构基因ZYA的表达，为反式作用调节因子。lacI基因位于操纵子上游，虽与其后的结构基因相邻，但分属于不同的转录 单位。 lacI基因有自己的启动子和终止序列，能独立进行转录，形成单顺反子 的mRNA，翻译成一条由347aa组成的多肽分子(分子量为38kd )，组成四聚体阻 遏蛋白分子。每个E.coli细胞内大约有10个阻遏蛋白分子。阻遏蛋白上有两个结合位点：一个是操纵子结合位点，另一个是诱导物质 结合位点。当诱导物质与其给位点结合后，改变了阻遏蛋白的构型，从而影响 了与操纵基因的结合活性。二、小分子效应物的作用原核生物操纵子通过调节蛋白与小分子物质相互作用达到诱导状态或阻遏 状态。这些