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1、第七章 原核生物基因表达调控模式,内容提要： 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,原核生物在长期进化过程中演化出来的适应性和高度的应变能力，是它们赖以生存繁衍的根本。原核生物的生长与周围环境密切相关，它们必须不断调节各种不同的基因表达以适应营养条件和对付周围不利的物理化学因素。原核生物必须能迅速合成自身需要的蛋白质（酶）、核酸和其他生物大分子，而同时又能迅速地停止合成和降解那些不再需要的成分。原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着举足轻重的影响。,第一节 基因表达调控的基本概念,一、基因表达的概念 gene expressi
2、on ：从DNA到蛋白质或功能RNA分子的过程。即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（组成）型表达(constitutive expression) 适应型（调节型）表达(adaptive expression） 1、永久型表达： 指不受环境变化或代谢状态影响的一类基因表达。 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)。,二、基因表达的方式,2、适应型表达 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因的表达。 应环境条件变化基因
3、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)。,在个体生长全过程
4、，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 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 regulation）,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
5、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，这样的调控称正转录调控。,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，这样的调控称负转录调控。,可诱导调节：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
6、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：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。 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
7、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，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
8、 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。,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,第三节 乳糖操纵子(lac operon),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
9、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,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（P），不能单独起动合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位
10、点。,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mRNA的合成。,RNA聚合酶结合部位,阻遏物结合部位,操纵位点的回文序列,组成型突变： lacOc,组成型突变： lacI-,不可诱导突变（超阻遏）：,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，后者的合成有需要诱导。 解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入
11、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：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,乳糖,诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响,3、阻
12、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lac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（CAP）/环腺苷酸受体蛋白（CRP） 由Crp基因编码，能与cAMP形成复合物。 cAMPCAP复合物是激活
13、lac的重要组成部分。,cAMPCAP复合物,ATP,腺苷酸环化酶,cAMP（环腺苷酸）,大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高； 有葡萄糖，cAMP浓度低,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,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用,如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。 cAMPCAP复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。,协调调节,葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢物阻遏(catabolic repression)。,单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同
14、存在时，细菌首先利用葡萄糖。,The Lac Operon: When Glucose Is Present But Not Lactose,RNA Pol.,Come on, let me through,No way Jose!,The Lac Operon: When Lactose Is Present But Not Glucose,Lac,This lactose has bent me out of shape,Bind to me Polymerase,RNA Pol.,Yipee!,The Lac Operon: When Neither Lactose Nor Glucos
15、e Is Present,Bind to me Polymerase,RNA Pol.,STOP Right there Polymerase,Come on, let me through!,五、lac操纵子中的其他问题,1、A基因及其生理功能,半乳糖苷分子,-半乳糖苷酶,分解产物（体内积累）,-半乳糖苷乙酰基转移酶,半乳糖苷分子,乙酰基,2、lac基因产物数量上的比较 -半乳糖苷酶：透过酶：乙酰基转移酶=1：0.5：0.2 翻译水平上受到调节： （1）lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译； （2）在 lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作
16、用发生降解。,3、操纵子的融合与基因工程,P,O,Z,Y,A,tsx,P,O,pur结构基因,缺失,lac operon,pur operon,一、色氨酸操纵子的结构 调控序列 结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸 的酶,trpR,trp,第四节 色氨酸操纵子（trp operon）,特点: (1) trpR和trpABCDE不连锁； (2) 操纵基因在启动子内 (3) 有衰减子(attenuator)/弱化子 (4) 启动子和结构基因不直接相连，二者被 前导序列(Leader)所隔开,二、trp 操纵子的阻遏系统,低Trp时： 阻遏物不结合操纵基因； 高Trp时： 阻遏物+Trp 结合操纵基因,三、trp 操纵子的弱化机制,衰减子（attenuator）/弱化子 前导序列（lea
