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1、第八章 原核基因表达的调控,第一节 基因表达调控的基本概念 第二节 原核基因调控机制 第三节 乳糖操纵元 第四节 色氨酸操纵元 第五节 其他操纵元,第一节 基因表达调控的基本概念,一、基因表达的概念 基因表达(gene expression) ：是指储存遗传信息的基因经过转录、翻译合成特定蛋白质，进而发挥其生物功能的整个过程。也即基因转录及翻译的过程。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。 基因表达调控（gene expression regulation ）:对基因表达过程的调节就称为。,(一)组成性表达(constitutive expression) (二)适应性
2、表达(adaptive expression）,二、基因表达的方式,1、概念：又称组成性基因表达(constitutive gene expression), 是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因（housekeeping gene）。,（一）组成性表达,2.特点不易受环境变化影响,表达产物是整个生命过程中都持续需要的,是细胞存活所必须的。 表达水平较恒定。 3. 意义 维持生命,1.概念指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。包括：,（二）适应性表达,诱导随环
3、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)；阻遏-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)。,2.特点易受环境变化影响 3.意义 适应环境,三、基因表达的时间性和空间性,1、时间特异性（temporal specificity） 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。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。,是指多细胞生物个
4、体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。故又称为细胞特异性或组织特异性(cell or tissue specificity)。,2、空间特异性(spatial specificity),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）,五、基因表达调控的基本原理 （一）基因表达的多级调控,基因表达调控可见于从基因、转录到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为：DNA水平 转录水平（基因激活及转录起始） 转录后水平（加工及转运） 翻译水平 翻译后水平 以转录
5、水平的基因表达调控最重要。,（二）基因转录激活调节基本要素 顺式作用元件和反式作用因子,在基因转录水平上的调控都是特定的蛋白质分子和特定的DNA序列两个因素相互作用的结果。起调控作用的DNA序列称为顺式作用元件或顺式调控元件。与这些DNA序列相互作用的蛋白质称为反式作用因子。,1顺式作用元件（cis-acting element）：又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。,在原核生物中，大多数基因表达通过操纵元模型进行调控，其顺式作用元件主要由启动子、操纵子和调节基因组成。 在真核生物中，与基因表达调控有关的顺式作用元件主要有启动子（promoter）、增强
6、子（enhancer）和沉默子（silencer） 沉默子（silencer）：可降低基因启动子转录活性的一段DNA顺式元件。与增强子作用相反。,基因的组织结构及顺式作用元件,Transcription region,2反式作用因子（trans-acting factor）,又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。 反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。,原核生物中的反式作用因子主要分为特异因子、激活蛋白和阻遏蛋白； 而真核生物中的反式作用因子通常称为转录因子。 反式作用因子也是基因产物。,3顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用,
7、大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。,第一节 基因表达调控的基本概念 第二节 原核基因调控机制 第三节 乳糖操纵元 第四节 色氨酸操纵元 第五节 其他操纵元,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 操纵元学说 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、原核基因表达调控环节,1、转录水平上的调控 （transcriptional regulation） 2、转录后水平上的调控 （post-transcriptional regu
8、lation） mRNA加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控,二、操纵元学说,1、操纵元模型的提出 操纵子/元（operon ）学说是关于原核生物基因结构及其表达调控的学说。 1961年，由法国巴斯德研究所著名科学家Monod和Jacob首先提出。 获1965年诺贝尔生理学和医学奖。,Jacob and Monod,调控区 : I-调节基因，Repressor； P-启动子 , Promotor； O-操纵基因,Operator（OP有一定的重叠）；CAP结合位点。 结构基因：Z-半乳糖苷酶基因（ -galactosidase）； Y-半乳糖苷透酶（乳糖透酶） （ -galotoside p
9、orinerase）；A-硫代半乳糖转乙酰基酶（transacetylase）。,I,Repressor,lacZ 半乳糖苷酶，将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖 lacY 半乳糖渗透酶，帮助细菌从培养基中摄取乳糖； lacA 半乳糖苷转乙酰酶,乳糖操纵元,2、操纵元（operon ）的基本组成,乳糖操纵元模型被以后的许多研究实验所证实，对其有了更深入的认识，并且发现其他原核生物基因调控也有类似的操纵元组织。 操纵元是原核基因表达调控的一种重要的组织形式，大肠杆菌的基因多数以操纵元的形式组成基因表达调控的单元。,启动 操纵调节基因 基因 基因 结构基因,控制区,操纵元,信息区,操纵元模型的一般结构,启
10、动子,操纵子,终止子,（1）结构基因群,操纵元中被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因(structural gene, SG)。 一个操纵元中含有2个以上的结构基因，多的可达十几个。 每个结构基因是一个连续的开放读框(open reading frame)，5端有翻译起始码(DNA存储链上是ATG，转录成mRNA就是AUG)，3端有翻译终止码(DNA存储链上是TAA、TGA或TAG，转录成mRNA就是UAA、UGA或UAG)。,（2）启动子,启动子(promoter，P)是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。操纵元至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5侧上游，控制整
11、个结构基因群的转录。 比较已经研究过的上百种原核生物的启动子的序列，发现有一些共同的规律，它们一般长4060bp，含AT碱基对较多，某些段落是很相似的，这些相似的保守性段落称为共有性序列(consensus sequences)，如-10，-35序列。,Sextama Box,Pribnow Box,(3)操纵子(operator),操纵子(operator)是指能与调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。 操纵子也称为操纵基因(operator gene)。正如启动序列称为启动子一样，操纵序列可称为操纵子
12、。 以前将operon译为操纵子则可改译为操纵元，即基因表达操纵的单元之意。,Operator,（4）调控基因,调控基因(regulatory gene)是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。 分为： 阻遏蛋白：与操纵子结合后能减弱或阻止所调控基因转录的调节蛋白称为阻遏蛋白(repressive protein)。 激活蛋白：与操纵子结合后能增强或起动调控基因转录的调节蛋白称为激活蛋白(activating pro-tein)。,（5）终止子,终止子(terminator，T)是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA/RNA序列。 在一个操纵元中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。
13、,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：由激活蛋白所介导的调控方式称为正性调控(positive regulation)。 负转录调控：由阻遏蛋白所介导的调控方式称为负性调控(negative regulation)。,三、原核基因调控机制的类型与特点,2、根据操纵子对效应物的应答，分为可诱导调控和可阻遏调控两大类：,效应物：是通过调控蛋白而促使操纵子达到诱导状态或阻遏状态的小分子物质（代谢途径的底物或产物）。 诱导物 辅阻遏物,可诱导调控：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
14、杆菌的乳糖操纵元结构基因编码分解代谢蛋白,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。,酶合成的诱导操纵元模型,可阻遏调节：基因平时是开启的，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。即在某些物质的阻遏下使基因关闭。例：色氨酸操纵元结构基因编码合成代谢蛋白,酶合成的阻遏操纵元模型,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该物质的酶，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
15、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，阻遏蛋白与诱导物结合时，结构基因转录； 在负控阻遏系统中，阻遏蛋白辅阻遏物结合时，结构基因不转录。,负控诱导,在负控诱导系统中，阻遏蛋白与诱导物结合时，结构基因转录；,负控诱导,在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与辅阻遏物结合时，结构基因不转录。,负控阻遏,负控阻遏,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，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，辅阻遏物的存在使激活蛋白处于非活性状态。,在正控诱导系统中，
16、效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状态；,正控诱导,正控诱导,在正控阻遏系统中，辅阻遏物的存在使激活蛋白处于非活性状态。,正控阻遏,正控阻遏,负转录调控系统 正转录调控系统,四、转录水平上调控的其他形式,1、因子的更换 2、降解物对基因活性的调节 3、弱化子对基因活性的影响 4、细菌的应急反应,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,
