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1、第七章 基因的表达与调控(上) 原核基因表达调控模式,Contents,基因表达调控的基本概念 原核基因调控机制 乳糖操纵子 色氨酸操纵子 其他操纵子 转录后水平上的调控,第一节 基因表达调控的基本概念,一、基因表达的概念 gene expression ：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为gene regulation 。,rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达,永久型性表达(constitutive expression)适应型表达(adaptive expression）,二、基因表达的方式,1、永久型表达：,指不大受环境变动而变化的一类基因表达。,某些基
2、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)。,2、适应性表达 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。,三、基因表达的规律 时间性和空间性,1、时间特异性（temporal specificity）,2、空间特异性(spatial specificity),基因表达伴
3、随空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。,四、基因表达调控的生物学意义,适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）维持个体发育与分化（真核）,第二节 原核基因调控机制,内容提要： 原核基因表达调控环节 操纵子学说 原核基因调控机制的类型与特点 转录水平上调控的其他形式,一、基因表达调控环节,1、转录水平上的调控 （transcriptional regulation） 2、转录后水平上的调控
4、 （post-transcriptional regulation） mRNA加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控,二、操纵子学说 1、操纵子模型的提出 1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖,Jacob and Monod,2、操纵子的定义,操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。,1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答，可分为：正转录调控负转录调控,三、原核基因调控机制的类型与特点,激活蛋白,正转录调控,负转录调控,正转录调控,如果在没有调节蛋白质存在时基因
5、是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。,激活蛋白,正转录调控,负转录调控,负转录调控,在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。,可诱导调节（P235）：指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。例：大肠杆菌的乳糖操纵子分解代谢蛋白的基因,2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：,酶合成的诱导操纵子模型,诱导物,如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。,可阻遏调节（P235）：基因
6、平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。例：色氨酸操纵子合成代谢蛋白的基因,酶合成的阻遏操纵子模型,调节基因,操纵基因,结构基因,mRNA,酶蛋白,调节基因,操纵基因,结构基因,辅阻遏物,辅阻遏物,如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。,3、在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏： 在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录； 在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时
7、，结构基因不转录。,4、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏 在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态； 在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在使激活蛋白处于非活性状态。,四、转录水平上调控的其他形式,1、因子的更换在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。,大肠杆菌中的各种因子比较,温度较高,诱导产生各种热休克蛋白由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要,枯草芽
8、孢杆菌芽孢形成有序的因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达, 70与 54的比较（P234）,与DNA结合区域不同 70 -35区和-10区 54 -24区和-12区 与启动子结合顺序不同 70 在核心酶结合到DNA链上后才能与启动子结合 54 可在无核心酶的情况下独立结合到启动子上，类似于真核TATA区结合蛋白。,2、弱化子对基因活性的影响 起信号作用的是：有特殊负载的氨酰-tRNA的浓度 例：大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子；沙门菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等 弱化子：当操纵子被阻遏
9、，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。属于转录调节中的微调整。,3、降解物对基因活性的调节,降解物抑制作用的调节：提高基因的转录水平，使它由原来的低水平表达变成高水平表达。 葡萄糖效应（降解物抑制作用）：有葡萄糖存在时，即使加入乳糖、半乳糖或其他的诱导物，与其相应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象就称。Why?P236 降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，是一种积极的调节方式。,4、细菌的应急反应,应急反应的信号是：鸟苷四磷酸和鸟苷五磷酸。 产生这两种物质的诱导物是：空载tRNA 当AA饥饿时，空载tRNA大量存在，激活焦磷酸转
10、移酶，使鸟苷四磷酸大量合成，而鸟苷四磷酸的出现会关闭许多基因，也会打开一些合成AA的基因，以应付这种紧急状况。 鸟苷四磷酸作用原理有待深入研究 影响一大批操纵了，属于超级调控因子。,Contents,基因表达调控的基本概念 原核基因调控机制 乳糖操纵子 色氨酸操纵子 其他操纵子 转录后水平上的调控,一、乳糖操纵子的结构,Z 编码-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。 Y 编码-半乳糖苷透过酶：使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 A 编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,二、酶的诱导lac体系受调控的证据,科学
11、家把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸但没有任何半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代。 再将这些带有放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培养基中，随着培养基中诱导物的加入，-半乳糖苷酶便开始合成。 分离-半乳糖苷酶，发现这种酶无35S标记。说明酶的合成不是由前体转化而来的，而是加入诱导物后新合成的。,安慰诱导物：如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基- D-硫代半乳糖苷）。,三、乳糖操纵子调控模型,主要内容： Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码, 这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区
12、（P），不能单独起动合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 lac P：从I基因结束到mRNA转录起始位点止，共长82bp（-82+1）, 操纵基因O是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。位于P区后半部分和转录起始区。 实验表明，阻遏物与O区的结合影响了RNA聚合酶与启动子结合形成转录起始复合物的效率。,RNA聚合酶结合部位,阻遏物结合部位,当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。,诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRN
13、A的合成。,永久型突变： lacOc 改变“锁头”,永久型突变： lacI-丢失“钥匙”,不可诱导突变（超阻遏）改善钥匙,四、影响因子,1、lac操纵子的本底水平表达 有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的： 诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成又需要诱导。 解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？,真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有-半乳糖甘酶的预先存在。 解释： 本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lac mRNA合成。,2、大肠杆菌对乳糖的反应,培养基：
14、甘油按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的-半乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶； 培养基：加入乳糖 少量乳糖,透过酶,进入细胞,-半乳糖苷酶,异构乳糖,诱导物,诱导lac mRNA的生物合成,大量乳糖进入细胞,多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）,异构乳糖（诱导物）,乳糖,诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响,3、阻遏物lac I基因产物及功能,Lac 操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。,4、葡萄糖对l
15、ac操纵子的影响,如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中， lac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。代谢物阻遏效应,5、cAMP与代谢物激活蛋白,代谢物激活蛋白CRP由Crp基因编码，它可与cAMP形成复合物（ cAMP -CRP），此复合物是激活lac的重要组成部分，细菌对它的需要是独立的，与阻遏体系无关，转录必需有cAMP CRP复合物结合在启动子区域上。 cAMP-CRP复合物是一个不同于阻遏物的正调控因子。 Lac操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下实现的。,cAMPCRP复合物,P244图7-15,cAMP-C
16、AP不但能与DNA相结合，造成双螺旋弯曲，易于形成三元转录起始复合物，它还能直接影响RNA聚合酶的活性。,ATP,腺甘酸环化酶,cAMP（环腺甘酸）,大肠杆菌中，cAMP的浓度受到葡萄糖代谢的调节：缺乏碳源， cAMP浓度高 有葡萄糖，cAMP浓度低 只有甘油或乳糖等不进行糖酵解途径的碳源，cAMP浓度高； 推测糖酵解途径中位于葡糖-6-磷酸与甘油之间的某些代谢产物是腺苷酸环化酶活性的抑制剂。,无葡萄糖，cAMP浓度高时 促进转录,有葡萄糖，cAMP浓度低时 不促进转录,CAP的正调控,The Lac Operon: When Glucose Is Present But Not Lactose,
