第七章原核基因表达调控6

1、第七章第七章 原核基因表达调控原核基因表达调控原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论操纵子调控操纵子调控转录水平上的其他调控转录水平上的其他调控转录后的调控转录后的调控第一节 原核基因表达调控总论 遗传信息有序地传递到蛋白质或功能遗传信息有序地传递到蛋白质或功能rna分子的过程称为基因表达。对该过程的调分子的过程称为基因表达。对该过程的调节就称为基因表达调控。节就称为基因表达调控。 基因表达调控主要表现在基因表达调控主要表现在转录水平转录水平上和上和转转录后水平录后水平上的调控。原核生物中，上的调控。原核生物中，营养状营养状况况和和环境因素环境因素对基因的表达有重要影响对基因的表达有重要影响

2、。如某些如某些代谢物（降解物）代谢物（降解物）的出现、应急条的出现、应急条件下细菌件下细菌鸟苷四磷酸和鸟苷五磷酸鸟苷四磷酸和鸟苷五磷酸的产生的产生等均会导致基因表达受到调节。等均会导致基因表达受到调节。一、原核基因表达调控分类一、原核基因表达调控分类u在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)。根据其作用特征又可分为正控诱导系统和正控阻遏系统。 在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor)。也可分为负控诱导系统和负控阻遏系统二大类。阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白转录激活转录激活负控诱导负控诱导正控诱导正控诱导转录抑制转录抑制负控阻遏负控阻遏正控阻

3、遏正控阻遏二、原核基因表达调控主要特点二、原核基因表达调控主要特点这种表达的调节主要是通过体内这种表达的调节主要是通过体内dna区段区段与相应与相应蛋白及其他因子蛋白及其他因子相互作用相互作用来实现的来实现的原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可诱原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可诱导和可阻遏两大类导和可阻遏两大类:1.可诱导调节。是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用可诱导调节。是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。这类基因中最突出的例子是大肠杆菌的

4、乳导下使基因活化。这类基因中最突出的例子是大肠杆菌的乳糖操纵子（糖操纵子（分解代谢相关基因分解代谢相关基因）。）。2.可阻遏调节。这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白质或可阻遏调节。这类基因平时都是开启的，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。比如大肠杆菌中的色氨酸操纵其关闭，阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌中的色氨酸操纵子（子（合成代谢相关基因合成代谢相关基因）。）。三、与基因表达调控相关的名词三、与基因表达调控相关的名词1.看家基因（看家基因（housekeeping genes）:

5、呈呈组成型表达组成型表达 ,使细胞复制和生长所必需的基使细胞复制和生长所必需的基本过程能够正常进行。本过程能够正常进行。2.诱导性基因（诱导性基因（inducible genes）: 在诱在诱导因子或细胞因子的诱导下才活化表达的基导因子或细胞因子的诱导下才活化表达的基因。因。3. 顺式作用元件顺式作用元件和和反式作用因子反式作用因子 cis-acting element：是指具有调节功能的特定：是指具有调节功能的特定dna序列或影响序列或影响自身基因自身基因表达活性的表达活性的dna序列，在序列，在基因的同一条基因的同一条dna分子上；如启动子。分子上；如启动子。 trans-acting f

6、actor （转录因子（转录因子tf）：）：由调节基因由调节基因编码，调节基因是一种特殊的结构基因，其编码产物编码，调节基因是一种特殊的结构基因，其编码产物（rna或蛋白质）可以扩散，控制其他基因的表达。或蛋白质）可以扩散，控制其他基因的表达。 基因表达的调节控制基本上是反式作用因子与顺式作用基因表达的调节控制基本上是反式作用因子与顺式作用元件的相互作用。反式作用因子只识别元件的相互作用。反式作用因子只识别dna上非常短的一段上非常短的一段序列（顺式元件）。序列（顺式元件）。cis-elementtrans-acting factorregulator rna polymarase反式作用因子

7、（转录因子）含有两种不同的反式作用因子（转录因子）含有两种不同的结构域结构域：a、dna结合结构域（结合结构域（domaim ） （1）、螺旋）、螺旋-反转反转-螺旋（螺旋（helix-turn-helix） （2）、锌指（）、锌指（znic finger） （3）、）、basic domains (helix-loop-helix, and leucine zipper). 基域通常以二聚体形式结合于基域通常以二聚体形式结合于 dna上上. b、转录激活结构域（功能域）、转录激活结构域（功能域） （1）、酸性激活域）、酸性激活域 （2）、谷酰胺丰富域）、谷酰胺丰富域 （3）、脯氨酸丰富域）、

8、脯氨酸丰富域阻遏域（阻遏域（repressor domain）：专一性的直接阻遏的结构域）：专一性的直接阻遏的结构域三种三种dna结合结构域模式：结合结构域模式： zinc-finger蛋白结构特征蛋白结构特征zinc-finger蛋白结构特征hlhhlh结构特征结构特征hlh的结构特征leucine-zipper的结构特征的结构特征lwucine-zipper结构特征转录激活结构域主要有如下三个特征：转录激活结构域主要有如下三个特征： （1 1）、酸性激活域）、酸性激活域 （2 2）、谷酰胺丰富域）、谷酰胺丰富域 （3 3）、脯氨酸丰富域）、脯氨酸丰富域阻遏域阻遏域（repressor do

9、mainrepressor domain） 是专一性的直接阻遏的结构域，也是一种功能结是专一性的直接阻遏的结构域，也是一种功能结构域。构域。是原核生物基因表是原核生物基因表达和调控的基本单元，一个典型的操纵子包达和调控的基本单元，一个典型的操纵子包括括: 1. 结构基因：是指参与特异性生物合成途结构基因：是指参与特异性生物合成途径酶的基因，这些基因共同被调控。径酶的基因，这些基因共同被调控。 2. 控制元件：如操纵基因控制元件：如操纵基因 3. 调节基因：其产物识别控制元件调节基因：其产物识别控制元件可以是另一个操纵子所编码的基因可以是另一个操纵子所编码的基因原核生物的基因往往原核生物的基因往

10、往成套成套的诱导表达的诱导表达一、 the lac operon （乳糖操纵子乳糖操纵子）二、 the trp operon （色氨酸操纵子色氨酸操纵子）三、 其他操纵子其他操纵子调节调节第二节第二节 操纵子调控操纵子调控乳糖作为碳源起作用所需要的酶只有乳糖作为碳源起作用所需要的酶只有在乳糖作为唯一碳源时才能合成。在乳糖作为唯一碳源时才能合成。e. coli 能够利用乳糖作为碳源能够利用乳糖作为碳源.ioperonregulatory genepozyadnam-rna-galactosidasepermeasetransacetylaseprotein一个乳糖操纵子由三个结构基因组成一个乳糖

11、操纵子由三个结构基因组成laczcontrol elements编码编码 -半乳糖半乳糖苷酶苷酶, 用于裂用于裂解乳糖产生半解乳糖产生半乳糖和葡萄糖乳糖和葡萄糖-5 +21repressorlacy编码半乳糖编码半乳糖苷透过酶用苷透过酶用于乳糖透过于乳糖透过细胞壁细胞壁laca 编码硫代半编码硫代半乳糖苷转乙乳糖苷转乙酰酶，用于酰酶，用于乳糖代谢乳糖代谢lac 操纵子lac repressor 阻遏物转录阻滞 诱导剂诱导剂活化 plac 转录crp + camp (glucose repressed) 高水平转录(lactose)lac repressorlaclac 阻遏物阻遏物由由 lac

12、i编码编码, 其活化形式是由相同的亚其活化形式是由相同的亚单位构成的四聚体单位构成的四聚体. 其占据操纵子结合位点其占据操纵子结合位点 （olac , 28bp) ，在缺乏诱导物（如乳糖）的情况下，几乎阻，在缺乏诱导物（如乳糖）的情况下，几乎阻止整个止整个laczya的转录的转录plac-5+21 rna 聚合酶和阻遏物能够同时结合到聚合酶和阻遏物能够同时结合到 lac 启动子和操纵基因（启动子和操纵基因（ operator）上，）上， lac 阻遏物增加了阻遏物增加了rna聚合酶对聚合酶对 lac 的的结合能力，约为结合能力，约为2倍以上。这样倍以上。这样rna聚合聚合酶紧密结合酶紧密结合

13、p placlac ，但由于有阻遏物的结，但由于有阻遏物的结合并不引起转录的进行。合并不引起转录的进行。ipozyano lac mrnaabsence of lactoseactiveipozya-galactosidasepermease transacetylasepresence of lactoseinactive诱导物缺乏时诱导物缺乏时 : 阻遏物阻阻遏物阻止止lac转录，但此时有转录，但此时有 laczya 的低水平转录的低水平转录.当乳糖存在时当乳糖存在时 , 基础转录基础转录水平的透过酶（水平的透过酶（ permease） 允许乳糖被吸收允许乳糖被吸收 , 而且而且-半乳糖苷

14、酶催化乳糖分解半乳糖苷酶催化乳糖分解成半乳糖成半乳糖.异乳糖（异乳糖（allolactose）作）作为诱导物为诱导物, 结合到结合到 lac 阻阻遏物上并使其灭活遏物上并使其灭活. allolactose (异乳糖异乳糖) 能引起阻遏物四聚体形成能引起阻遏物四聚体形成中发生变化中发生变化 ，降低其对乳糖操纵基因的亲和性，降低其对乳糖操纵基因的亲和性，从而使四聚体从从而使四聚体从lac 操纵基因上被移除，并使聚操纵基因上被移除，并使聚合酶迅速开始合酶迅速开始 laczya的转录的转录.lactose/allolactose （乳糖（乳糖/异乳糖）是异乳糖）是lac 发生转录释放发生转录释放rna

15、的一个天然诱导的一个天然诱导剂。剂。iptg (isopropyl- -d-thiogalacto-pyranoside异丙基硫代半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷), 是一是一个合成的诱导剂个合成的诱导剂, 能迅速刺激能迅速刺激 lac 操纵操纵子结构基因的转录子结构基因的转录. iptg 被用于许被用于许多含有多含有lac启动子的启动子的载体中诱导克隆基载体中诱导克隆基因的表达因的表达, 如如 puc18.back amproripuc18(3 kb)mcs (multiple cloning sites,多克隆位点）多克隆位点） gene xlac promoterlaczno iptg, li

16、ttle protein xwith iptg, a lot of protein x诱导: camp receptor protein (crp)（camp acceptor protein or catabolite activator protein, cap）the plac 不是强启动子不是强启动子plac 不含有不含有 35 序序列和列和 10 保守序列保守序列.camp receptor protein (crp) 能增强转录水平能增强转录水平. 只有在与只有在与 camp 结合时才有活性结合时才有活性, 而而 camp 又受又受 glucose的控制。的控制。v 当葡萄糖存在时

17、当葡萄糖存在时细胞中细胞中 camp的水平很低的水平很低, 而且而且 cap 以二聚体的以二聚体的形式存在，因此不能结合形式存在，因此不能结合 dna 以调节转录以调节转录. v 当葡萄糖缺乏时当葡萄糖缺乏时 camp 水平升高，水平升高， cap 结合结合 camp. cap-camp 复合物结合到复合物结合到plac 与与 rna 聚合酶结合位点的上游聚合酶结合位点的上游. 诱导诱导 dna 发生发生90的弯曲，增强了的弯曲，增强了 rna 聚合聚合酶结合启动子的能力酶结合启动子的能力 ，使转录增强，使转录增强50倍倍. back c absummarya: rna polymeraseb

18、: lac repressor c: cap-camp二、二、 trp trp 操纵子操纵子色氨酸操纵子编码用于色氨酸合成中的色氨酸操纵子编码用于色氨酸合成中的5个结构基因，个结构基因，这这5个结构基因构成在个结构基因构成在ptrp 和和 otrp下游的一个单一转下游的一个单一转录单元录单元.当细胞内色氨酸缺乏时，这些基因同时进行表达。当细胞内色氨酸缺乏时，这些基因同时进行表达。a bc162trp trp 阻遏物（阻遏物（repressor) repressor) 由一个独立的由一个独立的 trpr编码编码, 特异性作用于特异性作用于 otrp, 一个一个 18 bp的回文序列的回文序列,

19、覆盖在覆盖在 ptrp 序列的序列的 21 到到 +3区域区域阻遏物与阻遏物与trp形成复合物时只结合在形成复合物时只结合在 otrp 。因此因此, trp 是一个附阻遏物是一个附阻遏物 ，通过抑制末端产，通过抑制末端产物的合成而抑制其自身的合成。物的合成而抑制其自身的合成。 (大约下调大约下调70 倍倍)阻遏物是由两个亚单位构成的二聚体。整个结构阻遏物是由两个亚单位构成的二聚体。整个结构包括一个中心区和两个包括一个中心区和两个dna阅读区阅读区 (carboxyl-terminal of each subunit 每个亚单位的羧基末端每个亚单位的羧基末端)the attenuator the

20、 attenuator 弱化子弱化子 (10 x down)1. 位于位于162 nt的转录前导序列末端，在的转录前导序列末端，在trpe 起始密码之前起始密码之前. 2. 缺失时缺失时, 无论是基础水平还是在活化状态的转无论是基础水平还是在活化状态的转录均增强录均增强. 3.弱化子是一个弱化子是一个 因子非依赖性终止位点因子非依赖性终止位点 (富含富含gc回文结构回文结构), 后接后接8个连续的个连续的 u残基残基. 4. 当在当在rna转录中形成发夹结构时，弱化子作转录中形成发夹结构时，弱化子作为一个高效的转录终止子只产生为一个高效的转录终止子只产生140bp的转录的转录物。物。前导前导

21、rna 的结构的结构 complementary 3:4 termination of transcription complementary 2:3 elongation of transcription 前导序列包括前导序列包括4个有互补序列的区域个有互补序列的区域(sequence 1,2,3,4) ，可形成不同的结构。，可形成不同的结构。14个氨基酸个氨基酸 （由前导（由前导rna 中中第第27-68 bp的碱基编码）的碱基编码）第十和第十一密码第十和第十一密码 编码编码trp残基残基(rare aa) 有一个有效的核糖体结合位点有一个有效的核糖体结合位点 前导肽决定所获得的色氨酸的多

22、少并调节着转前导肽决定所获得的色氨酸的多少并调节着转录的终止录的终止在低在低 trp条件下核糖体暂停在此处 弱化作用弱化作用(attenuation):依赖于转录和翻译的高度配合依赖于转录和翻译的高度配合rna 聚合酶暂停在序列聚合酶暂停在序列 2的末端，直到一个核糖体的末端，直到一个核糖体开始翻译前导肽开始翻译前导肽 。high trp high trp ( (弱化作用弱化作用) ) lack of trp lack of trp ( (前进通过前进通过整个转录整个转录 ) ) trp trp 操纵子的转录操纵子的转录high trphigh trp trp trp 被插入被插入 trp t

23、rp 密码部位密码部位翻译前导链的末端翻译前导链的末端 核糖体封闭序列核糖体封闭序列 2 23:43:4处转录发生终止处转录发生终止figure lacklack ofof trp trp 氨酰氨酰 trnatrna缺乏缺乏 核糖体暂停在核糖体暂停在trptrp密码处密码处 , , 封闭着序列封闭着序列 1 1形成形成 2:3 2:3 发夹发夹(anti-terminator )(anti-terminator )转录物进入转录物进入 trpe trpe 并越过此处并越过此处 figure low trphigh trp弱化作用的调节在氨基酸合成中是普遍的弱化作用的调节在氨基酸合成中是普遍的

24、(6 operons), 例如例如 his 操纵子有一个前导序列，操纵子有一个前导序列，其编码含有其编码含有7个连续的组氨酸的多肽个连续的组氨酸的多肽. (his 操操纵子不含有阻遏物纵子不含有阻遏物-操纵基因调节操纵基因调节).三、其他操纵子其调节基因galr远离操纵基因（o）和编码基因（etk）；galr-和galoc突变体中，etk永久表达；诱导物为半乳糖。gal操纵子还有两个特点：有两个启动子，mrna可从两个不同的起始点转录；有两个o区，一个在p区上游-73-67，另一个在结构基因gale内部。 rna聚合酶识别两个起始位点s1和s2，camp-crp复合物对s1和s2起始有不同作用

25、，抑制从s2部位转录，促进从s1转录。 体内有葡萄糖时，不能形成camp-crp复合物，则s2部位转录，产生本底水平表达合成半乳糖差向异构酶（gale的产物），促使尿苷二磷酸（udp）-葡萄糖转变成udp-半乳糖（大肠杆菌细胞壁合成前体），供细菌生理所需。 当体内有半乳糖（无葡萄糖）时， camp-crp复合物抑制从s2部位转录，促进从s1转录。产生大量的相关酶，以利用半乳糖合成葡萄糖-1-磷酸供机体利用。 gal操纵子的双启动子功能，既保证了细胞壁合成所需的本底表达，又可在半乳糖存在时，利用其做碳源，充分体现了其经济型。2、u结构基因：结构基因：arab基因编码核酮糖激酶，基因编码核酮糖激酶

26、，araa编码编码l-阿拉伯糖异构酶，阿拉伯糖异构酶，arad编码编码l-核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸-4-差向异构酶。它们是一个基因簇，简写为差向异构酶。它们是一个基因簇，简写为arabad。 arae和和araf负责将阿拉伯糖运入细胞负责将阿拉伯糖运入细胞内，它们位于远离这个基因簇的地方，分别编码内，它们位于远离这个基因簇的地方，分别编码一个膜蛋白和一个位于细胞壁与细胞膜之间的阿一个膜蛋白和一个位于细胞壁与细胞膜之间的阿拉伯糖结合蛋白。拉伯糖结合蛋白。u调节基因：调节基因：arac基因编码基因编码arac蛋白；蛋白；u调控元件：调控元件：pc：arac基因的启动子；基因的启动子；pbad：结

27、：结构基因的启动子；构基因的启动子；camp-crp结合位点；结合位点；3个个arac蛋白结合位点：蛋白结合位点：arai、arao1和和arao2。 ara-operon操纵子如何操纵子如何调节调节3 当细菌dna遭到破坏时，细胞内会启动一个被称为sos的诱导型dna修复系统。参与sos dna修复系统的基因都受lexa阻遏蛋白的抑制，sos体系的诱导表达过程中lexa阻遏蛋白被移开。 一般情况下，约有1000个reca蛋白单体分散在每个细胞中。当dna严重受损时，单链dna缺口数量增加，reca与这些缺口处单链dna相结合，被激活成为蛋白酶，将lexa蛋白切割成没有阻遏和操纵区dna结合活

28、性的两个片段，导致sos体系（包括reca基因）高效表达，dna得到修复。4. 二组分调控系统和信号转导二组分调控系统和信号转导 最简单的细胞信号系统称为二组分系统（two-component systems），由二种不同的蛋白质组成：即位于细胞质膜上的传感蛋白（sensor protein）及位于细胞质中的应答调节蛋白（response regulator protein）。 传感激酶常在与膜外环境的信号反应过程中被磷酸化，再将其磷酰基团转移到应答调节蛋白上，磷酸化的应答调节蛋白即成为阻遏或诱导蛋白，通过对操纵子的阻遏或激活作用调控下游基因表达。5. 多启动子调控的操纵子多启动子调控的操纵子

29、（1）rrna操纵子操纵子 大肠杆菌大肠杆菌rrna操纵子（操纵子（rrne）上有两个）上有两个启启 动子动子p1和和p2。在对数生长期，。在对数生长期，p1起始起始的转录产物比的转录产物比p2起始的产物多起始的产物多35倍。当倍。当细菌处于紧急状态，细胞中细菌处于紧急状态，细胞中ppgpp浓度增浓度增加，加，p1的作用被抑制。因为的作用被抑制。因为rrna是细胞是细胞中蛋白质合成机器核糖体的重要组成部分，中蛋白质合成机器核糖体的重要组成部分，不能完全停止供应，由不能完全停止供应，由p2起始起始rrne基因转基因转录。录。6.固氮基因调控固氮基因调控 地球上仅有几类用原核生物能够直接利用氮气，

30、包括根瘤菌属的固氮菌（1）根瘤的产生：根瘤菌属的小种在根毛部位通过细菌细胞壁与植物血凝素相互作用来专一性结合特定的植物（2）固氮酶：固氮作用的发挥是通过固氮酶来进行的。（3）与固氮有关的基因及其调控。a.nifal基因座控制固氮酶系统基因的表达和活性。nifa基因产物（蛋白）起激活或增强固氮酶活性。nifl蛋白则为除其自身（nifal）操纵子外的负调控因子。b.ntra、ntrb及ntrc共同调控nifa基因活性ntra基因产物在ntrc基因产物的帮助下激活nif基因，ntrc活性又受nh3影响，nh3浓度高时ntrc几乎无活性细胞中nh3浓度较高时，ntrb产物+glnbntrc产物去磷酸化

31、nifal不转录细胞中nh3浓度较低时， glnb被尿苷化并与 ntrb产物脱离ntrc产物磷酸化激活nifal转录c. 豆血红蛋白（leghemoglobin，lb）及根瘤素基因的调控植物基因组中由根瘤菌诱导表达的20余种蛋白统称为根瘤素。第一类第一类 根瘤结构蛋白根瘤结构蛋白第二类第二类 氮素同化及转移酶系统氮素同化及转移酶系统第三类第三类 菌体功能维持蛋白，如菌体功能维持蛋白，如lb。固氮酶只能在固氮酶只能在几十纳摩尔几十纳摩尔o2下发挥活性，而细胞中下发挥活性，而细胞中o2却有数百却有数百微摩尔。微摩尔。lb对自由的对自由的o2高度结合，从而降低了自高度结合，从而降低了自由由o2的浓度

32、，又可将分子氧直接输送到呼吸链。的浓度，又可将分子氧直接输送到呼吸链。（2）核糖体蛋白）核糖体蛋白s1操纵子操纵子 核糖体蛋白核糖体蛋白s1操纵子（操纵子（rpsa）也受应急反应调节。）也受应急反应调节。rpsa有有4个启动子，个启动子，p1、p2是强启动子，平时主是强启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表达，合成要依靠它们来启动基因的表达，合成s1蛋白。蛋白。p3、p4是弱启动子，只有在紧急情况下，是弱启动子，只有在紧急情况下，p1、p2启启动子受动子受ppgpp的抑制，由的抑制，由p3、p4起始合成的起始合成的s1蛋白维持了生命的最低需要。蛋白维持了生命的最低需要。（3）dnaq蛋白操纵子

33、蛋白操纵子 dnaq蛋白是蛋白是dna聚合酶全酶的亚基，这一操纵聚合酶全酶的亚基，这一操纵子受子受rna聚合酶活性的调节。在细胞中聚合酶活性的调节。在细胞中rna聚合聚合酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子p2控制；控制；而而rna聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子p1。也就是说，在细胞生命活动比较缓慢时，。也就是说，在细胞生命活动比较缓慢时，dnaq蛋白的合成靠弱启动子蛋白的合成靠弱启动子p2来维持。当细胞来维持。当细胞增殖速度加快，增殖速度加快，rna聚合酶活性升高时，聚合酶活性升高时，p1就被就被激活。激活。一、选

34、择性选择性因子的转录调节因子的转录调节第三节第三节 转录水平上的其他调控转录水平上的其他调控 因子作为一个双功能蛋白，识别特异性启动子，与核心因子作为一个双功能蛋白，识别特异性启动子，与核心酶（酶（ 2）结合，其释放是转录延伸的标志。）结合，其释放是转录延伸的标志。promoter recognition不同的不同的因子因子 结合到同一结合到同一 rna 聚合酶上聚合酶上 此复合物则具有识别不同的启动子的能力此复合物则具有识别不同的启动子的能力 70 因子是大肠杆菌在正常的生长条件下最因子是大肠杆菌在正常的生长条件下最普遍的一个普遍的一个因子因子许多细菌能产生不同类型的 factorsfact

35、ors 以满以满足在正常情况下和非正常条件下转录调节所足在正常情况下和非正常条件下转录调节所需需e. coli: 热休克热休克sporulation in bacillus subtilis（枯草杆菌的出芽调节）（枯草杆菌的出芽调节）噬菌体 factorsfactorsheat shock 当环境温度超过当环境温度超过 37c时，在时，在e. coli中大中大约可有约可有17种蛋白发生特异性表达种蛋白发生特异性表达.这些蛋白通过这些蛋白通过 rna聚合酶利用一个选择性聚合酶利用一个选择性的的 因子因子由由rhoh 基因编码的基因编码的 32来来转录而得到表达转录而得到表达. 32 有其自身的特

36、异性有其自身的特异性启动子序列启动子序列.热休克蛋白热休克蛋白 32 和标准和标准 70 所对应启动子的比较所对应启动子的比较 consensus promoter 35 sequence 10 sequence standard 70heat shock 32 -ttgaca-1618bp-tataatt-c-c-cttgaa-1315bp-ccccat-theat shock 暂时性表达暂时性表达 17 种热种热休克蛋白休克蛋白温度进一步增加温度进一步增加 (至至50c) 在在 e. coli 中只生产中只生产热休克蛋白以维持其热休克蛋白以维持其生存生存从从37c 到到 42c back

37、枯草杆菌枯草杆菌 (bacillus subtilis ）芽孢的形成芽孢的形成在非最佳环境条件下，枯草杆菌在非最佳环境条件下，枯草杆菌通过一个基本的细通过一个基本的细胞分化过程（包括细胞分割成母细胞和前芽孢）胞分化过程（包括细胞分割成母细胞和前芽孢）形成芽孢形成芽孢 。芽孢的形成过程包括芽孢的形成过程包括 细菌细胞不对称的细菌细胞不对称的分割成两部分分割成两部分, 前孢子（最终形成芽孢）前孢子（最终形成芽孢）和母细胞（最终被丢弃）和母细胞（最终被丢弃）. 植物性的植物性的 b. subtilis 细胞含有不同套的细胞含有不同套的 因子因子 芽孢的形成是通过另一套芽孢的形成是通过另一套 因子调节

38、形成的因子调节形成的在细胞分割发生前不同的在细胞分割发生前不同的 因子被特异因子被特异性活化性活化, 在前芽孢和母细胞中交叉调节在前芽孢和母细胞中交叉调节转录转录. 这种组分分区的交叉调节使得前芽孢和这种组分分区的交叉调节使得前芽孢和母细胞在整个分化过程中紧密的协作。母细胞在整个分化过程中紧密的协作。噬菌体噬菌体 因子因子许多噬菌体合成其自身的许多噬菌体合成其自身的 因子以应对因子以应对于替代宿主细胞自身的转录机器于替代宿主细胞自身的转录机器 （通（通过替代正常细胞的过替代正常细胞的 因子和改变因子和改变rna 聚合酶识别启动子的特异性），从而聚合酶识别启动子的特异性），从而合成噬菌体自身的基

39、因合成噬菌体自身的基因.b. subtilis spo1 噬菌体表达一系列噬菌体表达一系列 因子，从而调节不同的噬菌体基因表达因子，从而调节不同的噬菌体基因表达特定特定的序列的序列.正常的细菌全酶正常的细菌全酶 表达早期基因表达早期基因 编码用于后期基因转录的编码用于后期基因转录的factor编码编码28 表达中期基因表达中期基因 (基因基因34 和和33 ) 二、其他因子的调节作用二、其他因子的调节作用组蛋白类似蛋白的调节作用组蛋白类似蛋白的调节作用 细菌中的一些非特异性dna结合蛋白，可以抑制某些基因的转录。h-ns蛋白转录调控因子的作用转录调控因子的作用 能够与基因启动子结合，对基因转录

40、起激活或抑制作用的dna结合蛋白，有300多个抗终止因子的调节作用抗终止因子的调节作用 与rna聚合酶结合，使其对终止信号不敏感。大肠杆菌的nus蛋白。第四节第四节 转录后的调控转录后的调控 基因表达的转录调控是生物最经济的调控方式。但基因表达的转录调控是生物最经济的调控方式。但转录生成转录生成mrna以后，会在翻译或翻译后水平进行以后，会在翻译或翻译后水平进行“微调微调”，是对转录调控的补充，它使基因表达的，是对转录调控的补充，它使基因表达的调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化。调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化。调控方式有：调控方式有：mrna自身结构元件对翻译起始的调控自身

41、结构元件对翻译起始的调控mrna稳定性对转录水平的影响稳定性对转录水平的影响调节蛋白的调控作用调节蛋白的调控作用反义反义rna的调节作用的调节作用稀有密码子对翻译的影响稀有密码子对翻译的影响重叠基因对翻译的影响重叠基因对翻译的影响翻译的阻遏翻译的阻遏魔斑核苷酸水平对翻译的影响魔斑核苷酸水平对翻译的影响1. 翻译起始的调控 遗传信息的翻译起始于遗传信息的翻译起始于mrnamrna上的核糖体结合位点上的核糖体结合位点（rbsrbs）起始密子起始密子augaug上游的一段非翻译区。在上游的一段非翻译区。在rbsrbs中中有有sdsd序列，与核糖体序列，与核糖体16s rrna16s rrna的的33

42、端互补配对，促使核端互补配对，促使核糖体与糖体与mrnamrna相结合。相结合。 rbsrbs的结合强度取决于的结合强度取决于sdsd序列的结构及与序列的结构及与augaug的距离。的距离。sdsd与与augaug相距一般以相距一般以4 41010核苷酸为佳，核苷酸为佳，9 9核苷酸最佳。核苷酸最佳。 sdsd序列的微小变化，往往会导致表达效率成百上千倍的差序列的微小变化，往往会导致表达效率成百上千倍的差异，这是由于核苷酸的变化改变了形成异，这是由于核苷酸的变化改变了形成mrna 5mrna 5端二级结端二级结构的自由能，影响了构的自由能，影响了30s30s亚基与亚基与mrnamrna的结合，

43、从而造成了的结合，从而造成了蛋白质合成效率上的差异。蛋白质合成效率上的差异。2.mrna稳定性对转录水平的影响 所有细胞都有一系列核酸酶，用来清除无用的所有细胞都有一系列核酸酶，用来清除无用的mrna。一个典型的。一个典型的mrna半衰期为半衰期为2-3min。mrna分子被降解的可能性取决于其二级结构。分子被降解的可能性取决于其二级结构。3. 调节蛋白的调控作用调节蛋白的调控作用 细菌中有些细菌中有些mrna结合蛋白可激活靶基因的翻译。结合蛋白可激活靶基因的翻译。相反，相反，mrna特异性抑制蛋白则通过与核糖体竞特异性抑制蛋白则通过与核糖体竞争性结合争性结合mrna分子来抑制翻译的起始。大肠

44、杆分子来抑制翻译的起始。大肠杆菌中的核糖体蛋白就存在翻译抑制现象。菌中的核糖体蛋白就存在翻译抑制现象。 碱基序列正好与有意义的碱基序列正好与有意义的mrna互补的互补的rna称为称为反反义义rna。 rna调节是原核基因表达调节是原核基因表达转录转录后调节的另一种重要后调节的另一种重要机制。细菌相应环境压力机制。细菌相应环境压力的改变，会产生一些非编的改变，会产生一些非编码小码小rnarna分子，能与分子，能与mrnamrna中的特定序列配对并改变中的特定序列配对并改变其构象，导致翻译过程的其构象，导致翻译过程的开启或关闭等作用。开启或关闭等作用。4. 4. 反义反义rnarna的调节作用的调

45、节作用5. 稀有密码子对翻译的影响 dnag、rpod及及rpsu属于大肠杆菌基因组上的同一个属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子，而这操纵子，而这3个基因产物在数量上却大不相同，每个基因产物在数量上却大不相同，每个细胞内个细胞内50个拷贝的个拷贝的dnag蛋白，蛋白，2800个拷贝的个拷贝的rpod蛋白；蛋白；40000个拷贝的个拷贝的rpsu蛋白。基因转录出来的三蛋白。基因转录出来的三个蛋白相应的个蛋白相应的mrna拷贝数大体相同，由于翻译的调拷贝数大体相同，由于翻译的调控使得蛋白的拷贝数发生了很大的变化。控使得蛋白的拷贝数发生了很大的变化。 研究研究dnag序列发现其中含有不少稀有密码子。

46、分别序列发现其中含有不少稀有密码子。分别计算大肠杆菌中计算大肠杆菌中25种结构蛋白和种结构蛋白和dnac、rpod序列中序列中64种密码子的利用频率，可以看出种密码子的利用频率，可以看出dnag与其他两类与其他两类有明显不同。有明显不同。 很明显，稀有密码子很明显，稀有密码子aua在高效表达的结构蛋白及在高效表达的结构蛋白及因子因子中均极少使用，而在表达要求较低的中均极少使用，而在表达要求较低的dnag蛋白中使用频蛋白中使用频率就相当高。率就相当高。 许多与许多与dnag一样含量少的蛋白，由于细胞内对应于稀有一样含量少的蛋白，由于细胞内对应于稀有密码子的密码子的trna较少，高频率使用这些密码

47、子的基因翻译较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。6. 6. 重叠基因对翻译的影响重叠基因对翻译的影响 正常情况下，正常情况下，trp操纵子中操纵子中5个基因产物是等量的，但个基因产物是等量的，但trpe突变后，其邻近的突变后，其邻近的trpd产量比下游产量比下游trpba产量要低产量要低得多。研究得多。研究trpe和和trpd以及以及trpb和和trpa两对基因中核两对基因中核苷酸序列与翻译的关系，发现苷酸序列与翻译的关系，发现trpe基因的终止密码子基因的终止密码子和和trpd基因的起始密码子共用核苷酸。基因的起始密

48、码子共用核苷酸。trpe苏氨酸苏氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸终止终止 acuuuc-ugauggcu auggcu 甲硫氨酸甲硫氨酸丙氨酸丙氨酸 trpd 由于由于trpe的终止密码子与的终止密码子与trpd的起始密码重叠，的起始密码重叠，trpe翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。翻译的机制。 trpb和和trpa基因也存在着翻译耦联现象。实验证明，基因也存在着翻译耦联现象。实验证明，耦联翻译可能是保证两个基因产物在数量上相等的耦联翻译可能是保证两个基因产物

49、在数量上相等的重要手段。重要手段。 大肠杆菌大肠杆菌gal操纵子中也存在基因重叠现象。操纵子中也存在基因重叠现象。7. 7. 翻译的阻遏：翻译的阻遏：某些噬菌体某些噬菌体8. 8. 魔斑核苷酸水平对翻译的影响魔斑核苷酸水平对翻译的影响 鸟苷四磷酸（ppgpp）和鸟苷五磷酸（pppgpp）是在色谱上检出的斑点，当时称魔斑（magic spot）。 科学上，把培养基中营养缺乏，蛋白质合成停止后，科学上，把培养基中营养缺乏，蛋白质合成停止后，rnarna合成也趋于停止这种现象称为严紧控制（合成也趋于停止这种现象称为严紧控制（relrel+ +）；）；反之则称为松散控制（反之则称为松散控制（relre

50、l- -）。研究发现，在氨基酸）。研究发现，在氨基酸缺乏时，缺乏时，relrel+ +菌株能合成鸟苷四磷酸（菌株能合成鸟苷四磷酸（ppgppppgpp）和五磷）和五磷酸（酸（pppgpppppgpp），而），而relrel- -菌则不能。菌则不能。 ppgppppgpp的主要作用是影的主要作用是影响响rnarna聚合酶与启动子结聚合酶与启动子结合的专一性。当细胞缺乏合的专一性。当细胞缺乏氨基酸时产生氨基酸时产生ppgppppgpp，可，可在很大范围内做出应急反在很大范围内做出应急反应，如抑制核糖体和其他应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些大分子的合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，氨

51、基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。转运系统，活化蛋白水解酶等。 复习题一、选择题：1、关于管家基因叙述错误的是、关于管家基因叙述错误的是 (a) 在生物个体的几乎各生长阶段持续表达在生物个体的几乎各生长阶段持续表达 (b) 在生物个体的几乎所有细胞中持续表达在生物个体的几乎所有细胞中持续表达 (c) 在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中表达在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中表达 (d) 在生物个体的某一生长阶段持续表达在生物个体的某一生长阶段持续表达 (e) 在一个物种的几乎所有个体中持续表达在一个物种的几乎所有个体中持续表达2、一

52、个操纵子通常含有、一个操纵子通常含有 (a) 数个启动序列和一个编码基因数个启动序列和一个编码基因 (b) 一个启动序列和数个编码基因一个启动序列和数个编码基因 (c) 一个启动序列和一个编码基因一个启动序列和一个编码基因 (d) 两个启动序列和数个编码基因两个启动序列和数个编码基因 (e) 数个启动序列和数个编码基因数个启动序列和数个编码基因3 3、下列情况不属于基因表达阶段特异性的是，一个基因在、下列情况不属于基因表达阶段特异性的是，一个基因在 (a) (a) 分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的心肌细胞不表达分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的心肌细胞不表达 (b) (b) 胚胎发育过程不表达，

53、出生后表达胚胎发育过程不表达，出生后表达 (c) (c) 胚胎发育过程表达，在出生后不表达胚胎发育过程表达，在出生后不表达 (d) (d) 分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的骨骼肌细胞不表达分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的骨骼肌细胞不表达 (e) (e) 分化的骨骼肌细胞不表达，在未分化的骨骼肌细胞表达分化的骨骼肌细胞不表达，在未分化的骨骼肌细胞表达 4 4、乳糖操纵子的直接诱导剂是、乳糖操纵子的直接诱导剂是 (a) (a) 葡萄糖葡萄糖 (b) (b) 乳糖乳糖 (c) (c) 一半乳糖苷酶一半乳糖苷酶 (d) (d) 透过酶透过酶(e)(e)异构乳糖异构乳糖5 5、laclac阻遏蛋白结合乳

54、糖操纵子的阻遏蛋白结合乳糖操纵子的 (a) cap(a) cap结合位点结合位点 (b) o(b) o序列序列 (c) p(c) p序列序列 (d) z(d) z基因基因 (e) i(e) i基因基因6 6、campcamp与与capcap结合、结合、capcap介导正性调节发生在介导正性调节发生在 (a) (a) 葡萄糖及葡萄糖及campcamp浓度极高时浓度极高时 (b) (b) 没有葡萄糖及没有葡萄糖及campcamp较低时较低时 (c) (c) 没有葡萄糖及没有葡萄糖及campcamp较高时较高时 (d) (d) 有葡萄糖及有葡萄糖及campcamp较低时较低时 (e) (e) 有葡萄

55、糖及有葡萄糖及campcamp较高时较高时7 7、laclac阻遏蛋白由阻遏蛋白由 (a) z(a) z基因编码基因编码 (b) y(b) y基因编码基因编码 (c) a(c) a基因编码基因编码 (d) i(d) i基因编码基因编码 (e) (e) 以上都不是以上都不是8 8、色氨酸操纵子调节过程涉及、色氨酸操纵子调节过程涉及 (a) (a) 转录水平调节转录水平调节 (b) (b) 转录延长调节转录延长调节 (c) (c) 转录激活调节转录激活调节 (d) (d) 翻译水平调节翻译水平调节 (e) (e) 转录翻译调节转录翻译调节9、与与o序列结合（序列结合（ ），与），与p序列结合（序列

56、结合（ ），与），与crp结合（结合（ ），），与与crp位点结合（位点结合（ ）。）。 (a) lac阻遏蛋白阻遏蛋白 (b) rna聚合酶聚合酶 (c) 环一磷酸腺苷环一磷酸腺苷 (d) cap-camp (e) 异构乳糖异构乳糖1010、乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物质在基因表达调控中作、乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物质在基因表达调控中作用的共同特点是用的共同特点是a a与启动子结合与启动子结合b b与与dnadna结合影响模板活性结合影响模板活性c c与与rnarna聚合酶结合影响其活性聚合酶结合影响其活性d d与蛋白质结合影响该蛋白质结合与蛋白质结合影响该蛋白质结合dna dna

57、 e e与操纵基因结合与操纵基因结合a ab bc cd d11、dna损伤修复的sos系统 a是一种保真性很高的复制过程 blexa蛋白是一系列操纵子的阻遏物 creca蛋白是一系列操纵子的阻遏物 d它只能修复嘧啶二聚体12关于“基因表达”的概念叙述错误的是a其过程总是经历基因转录及翻译的过程 b某些基因表达经历基因转录及翻译等过程c某些基因表达产物是蛋白质分子d某些基因表达产物不是蛋白质分子e某些基因表达产物是rna分子1313当培养基内色氨酸浓度较大时，色氨酸操纵子处于当培养基内色氨酸浓度较大时，色氨酸操纵子处于a a诱导表达诱导表达 b b阻遏表达阻遏表达 c c基本表达基本表达 d

58、d组成表达组成表达 e e协调表达协调表达 1414色氨酸操纵子的调控作用是受两种相互独立的系统控制的，色氨酸操纵子的调控作用是受两种相互独立的系统控制的，其中一个需要前导肽的翻译。下面哪一种调控这个系统？（）其中一个需要前导肽的翻译。下面哪一种调控这个系统？（） a a色氨酸色氨酸 b b色氨酰色氨酰trnatrnatrptrp c ctrna trna d dcamp ecamp e以上都不是以上都不是1515为什么葡萄糖可参与乳糖操纵子的代谢阻遏？（）为什么葡萄糖可参与乳糖操纵子的代谢阻遏？（）a a与乳糖操纵子的调控毫无关联与乳糖操纵子的调控毫无关联b b乳糖分解生成葡萄糖，因此葡萄糖

59、的存在可成为细胞内具有乳糖分解生成葡萄糖，因此葡萄糖的存在可成为细胞内具有正常乳糖水平的信号正常乳糖水平的信号 c c因为葡萄糖也是因为葡萄糖也是半乳糖苷酶的底物半乳糖苷酶的底物d d葡萄糖的存在增加了细胞内乳糖阻抑物的含量葡萄糖的存在增加了细胞内乳糖阻抑物的含量1616在大肠杆菌的热激反应中，某些蛋白质表达的开启和关闭在大肠杆菌的热激反应中，某些蛋白质表达的开启和关闭的机制是（）。的机制是（）。a a温度升高使特定阻抑蛋白失活温度升高使特定阻抑蛋白失活b b编码热敏感蛋白的基因的启动子区域在较高温度下发生变编码热敏感蛋白的基因的启动子区域在较高温度下发生变性性c c在高温时成新的在高温时成新

60、的因子，调节热激基因的表达因子，调节热激基因的表达 d d高温时，已存在的聚合酶高温时，已存在的聚合酶因子与启动子的结合能力增强因子与启动子的结合能力增强 1717在色氨酸操纵子中，衰减作用通过前导序列中两个色氨酸在色氨酸操纵子中，衰减作用通过前导序列中两个色氨酸密码子的识别而进行，如果这两个密码子突变为终止密码密码子的识别而进行，如果这两个密码子突变为终止密码子，会有什么结果？（）子，会有什么结果？（）a a该操纵子将失去对色氨酸衰减调节的应答功能该操纵子将失去对色氨酸衰减调节的应答功能b b突变为组成型基因，不受色氨酸存在与否的调节突变为组成型基因，不受色氨酸存在与否的调节c c将合成色氨