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1、第九章 原核生物的基因表达调控,第一节 基因表达调控概述第二节 乳糖操纵子第三节 色氨酸操纵子第四节 其他操纵子,第一节 基因表达调控的概念,基因组(genome) 一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。它也是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。,基因表达(gene expression)是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。 典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。,生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的大肠杆菌基因组（约4000个基因)，一般情况下只有510%在高水平转录状态，其它基因处于
2、较低水平的表达，或者暂时不表达。人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约1万个，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，也只有不超过20%的基因处于表达状态。,基因表达的时间性及空间性 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 specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。空间特异性: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
3、特异性(spatial specificity)。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)。,基因表达的方式 按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：组成性表达:无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而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，或变化很小的表达，这类基因表达被视为组成性表达(constitutive gene expression)。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)。基
4、本的基因表达只受到启动序列或者启动子与RNA聚合酶相互作用的影响.组成性基因表达也是相对的，而不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。,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。改变基因表达的情况以适应环境，例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同；长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的情况也会有所不同。所以，基因表达调控是生物适应环境生存的必需。,诱导性表达:（induction）是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基因的表达产物增加。如:DNA发生损伤时，
5、修复酶的诱导激活。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。,阻遏:(repression)可阻遏 基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。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。如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭。,协调表达:(coordinate expression)在一定机制控制下，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，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,基因表达 基因表达的时间
6、性及空间性 基因表达的方式组成性表达适应性表达诱导性表达阻遏协调表达,基因激活,转录起始 转录后加工 mRNA降解,转录水平的基因表达调控最重要,基因表达的多级调控,基因表达调控的生物学意义 （一）适应环境、维持生长和增殖 （二）维持个体发育与分化,原核生物基因表达调控的特点主要是适应性调节主要是转录水平的调节以操纵子为单位，有正、负调控两种机制因细菌细胞对营养的适应分解代谢：碳源首先是葡萄糖，其它碳源必须先分解为葡萄糖，才能利用。合成代谢：当培养基中含某种氨基酸时，有关这种氨基酸生物合成的酶类几乎完全缺失。,F雅各布（Francois Jacob 1920）法国生物化学家、分子生物学家,JL
7、莫诺（Jacques L. Monod 19101976）法国生物学家,操纵子(operon) 机制,大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间所以适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。,结构基因（structural gene, SG）：编码蛋白质多肽链和功能RNA的基因。细菌基因组中，编码功能相关的结构基因通常成簇排列在一起，共转录到一条mRNA分子上，由同一个控制元件和启动子驱动. 调节基因（regulatory gene）：编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。调节
8、蛋白与DNA上特定位点结合控制转录,操纵子：在代谢途径中功能密切相关的一组蛋白质编码的结构基因区域加上其调控区域组成的控制单元。,调节基因,结构基因,操纵序列,操纵序列阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。,其他调节序列、调节蛋白 如激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。,有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。,图 转录水平的负调控与正调控,操纵子调控系统的基本类型, 乳
9、糖操纵子的结构乳糖操纵子的负调节机制乳糖操纵子的正调节机制,第二节 乳糖操纵子,乳糖操纵子的结构,没有乳糖存在时,乳糖操纵子(lac)的负调节机制,有乳糖存在时,别乳糖是lac操纵子(乳糖操纵子)转录的活性诱导物，人们发现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能被-半乳糖苷酶水解的异丙基-D硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）起着lac操纵子的一个诱导物的作用，所以IPTG常用于诱导含有使用了lac启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。,lac 操纵子受LacI阻遏蛋白调控。在没有诱导剂（乳糖或IPTG）存在时，LacI阻遏蛋白与lac 操纵子DNA序列
10、结合非常紧密，使lac 基因不能转录。当IPTG 存在时，IPTG与LacI阻遏蛋白相互作用，形成LacI阻遏蛋白IPTG复合物，体外研究，该复合物对lac 操纵基因的亲和性为单独LacI阻遏蛋白的千分之一。所以IPTG可作为lac基因表达的诱导剂，具转录去阻遏作用。RNA聚合酶的结合部位（lac操纵基因）也是LacI阻遏蛋白的结合部位，实验表明RNA聚合酶和LacI阻遏蛋白对操纵基因序列的结合是相互排斥。,阻遏蛋白有2个结合位点：一个是操纵基因结合位点，另一个是诱导物结合位点。当诱导物在相应位点结合时，它改变了阻遏蛋白的构象，干扰了另一位点的活性。这种类型的调控叫变构调控。阻遏蛋白的结构：N
11、端159aa头部片段，与操纵序列DNA的大沟结合；核心区：有6个折叠，诱导物就结合在两个核心区之间的裂缝中；C端为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。,DNA结合区,诱导物结合区,lac操纵子可诱导的负调控,乳糖操纵子的正调节机制细菌优先利用葡萄糖作为碳源，抑制其他糖类代谢的操纵子表达，如果有葡萄糖存在，即使有乳糖等其它诱导物碳源的存在，也优先利于葡萄糖。,CAP(活性蛋白)的正性调节:CAP是一个同二聚体，具有DNA结合域和cAMP结合位点。当没有葡萄糖存在时，消耗ATP,cAMP浓度升高，这时cAMP与CAP蛋白结合形成cAMP CAP复合物。此复合物可结合lac启动基因上游附近的CAP位点上，从
12、而可增强转录达50倍之多。葡萄糖分解代谢降低cAMP水平，使得其他分解代谢受阻。,非活性蛋白,活性蛋白,没有葡萄糖,加快乳糖相关酶的转录,无葡萄糖时,cAMP浓度高时,cAMP,CAP,cAMP CAP复合物,mRNA,有葡萄糖时,cAMP浓度低时,当培养基中有葡萄糖存在时，cAMP浓度较低，cAMP与CAP蛋白不能形成复合物，也就不能结合到CAP位点，lac基因的转录水平较低。由此可见，对lac操纵子来说CAP是正性调节因素，lac阻遏蛋白是负性调节因素。,CAP对RNA聚合酶的作用 直接作用于RNA聚合酶， 作用于DNA，改变其结构，以协助RNA聚合酶结合 与DNA结合后引起DNA呈程90
13、度弯曲使CAP能与启动子上的RNA接触,乳糖操纵子调控方式的比较,与变构物结合 无活性 有活性,不与变构物结合 有活性 无活性,只有在无glu而有诱导物存在时，cAMPCAP正调控和可诱导的lac负调控同时起作用，细菌才利用lac,葡萄糖和乳糖都有的话?,协调调节(coordinate regulation)负性调节与正性调节协调合作 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转录结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖,无乳糖,有乳糖
14、,无葡萄糖时,cAMP浓度高时,有葡萄糖时,cAMP浓度低时, trp操纵子的结构启动子调控阻遏系统弱化子（衰减子）调控,第三节 色氨酸操纵子, trp操纵子的结构,操纵区,前导区,启动子区,结构基因（E、D、C、B、A）分别编码从分支氨酸起始合成色氨酸途径的酶或酶亚基 调控区域，包括启动子区（P）、操纵区（O）、前导肽编码区（L）和弱化子区（a） 在trpA之后有两个终止信号t和t，其中t为因子所识别，因此因子也参与了调控。 Trp操纵子的调节基因（trpR）产生辅阻遏蛋白，远离trp操纵子。,trp操纵子的结构特点:阻遏物基因trpR（89）和结构基因 trpEDCBA） 不紧密连锁；操纵
15、基因在启动子区域内启动子、操纵基因不直接和结构基因毗邻，而和前导顺序直接相联有衰减子结构，在合成代谢的操纵子的前导内，可以辅助阻遏作用进行转录调控,启动子调控阻遏系统,色氨酸阻遏蛋白（TrpR）两个亚基的二聚体，一个中心区域（18个碱基回文序列），两个DNA解读头部（梭基端形成）,色氨酸,构象变化 结合DNA,中心区域,色氨酸操纵子的可阻遏调控,TrpR单独是不能与操纵基因结合的，只有与色氨酸结合后，构象发生改变，或为具有活性的阻遏物与操纵基因结合，使RNA Pol不能和启动子结合而抑制了转录。色氨酸就称为辅阻遏物（corepressor）,色氨酸操纵子的两种调控方式 粗调：可阻遏的负调控，即
16、由辅阻遏物（色氨酸）和阻遏蛋白R构成的活性阻遏复合物结合到操纵基因上，由于操纵基因和启动子的重叠，造成RNA聚合酶受阻，操纵子不能转录，控制了转录的起始。 细调：衰减系统，通过核糖体对mRNA前导序列的结合，是否形成终止子结构对转录终止进行调控，控制转录是否进行下去。,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,?,色氨酸操纵子,可阻遏的负调控,弱化子（衰减子）调控测序发现，在第一个结构基因（trpE）的5-端有一个长160bp的前导序列（leader sequence）。当此序列缺失130160bp时，mRNA总是最高水平的。而当Trp存在时，mRNA的表达水平降低。前导序列能编码出一个内含两个并连的Trp的14肽，由于这两个Trp的合成速度能控制核糖体在mRNA上的移动，使得前导序列的转录产物mRNA可形成特殊的结构，类似转录终止信号，因此编码该结构区域的基因被称为弱化子（衰减子）。,
