基因的表达调控GeneRegulation

1、基基 因因 的的 表表 达达 调调 控控 Gene Regulation主要内容主要内容引言引言-基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念第一节第一节 原核生物基因表达调控总论原核生物基因表达调控总论第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子第四节第四节 转录后水平上的调控转录后水平上的调控 第六章第六章 原核生物基因的表达调控原核生物基因的表达调控 引言引言-基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念一、基因表达与基因表达调控概念一、基因表达与基因表达调控概念二、基因表达的规律二、基因表达的规律三、基因表达的方式三、基因表达的方式四、基因表达调控的生物学意

2、义四、基因表达调控的生物学意义一、基因表达与基因表达调控概念一、基因表达与基因表达调控概念基因表达（基因表达（gene expression）：是指储存在：是指储存在DNA上的上的遗传信息，经过一系列步骤表现出其生物学功能的整个遗传信息，经过一系列步骤表现出其生物学功能的整个过程。过程。基因表达调控（基因表达调控（gene regulation）：围绕基因表达过：围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都通称为基因表达调控。程中发生的各种各样的调节方式都通称为基因表达调控。基因表达包括基因表达包括： mRNA经转录、翻译产生有生物学活性蛋白质的过程。经转录、翻译产生有生物学活性蛋白质的过程。

3、 rRNA和和tRNA的基因经转录和加工产生成熟的的基因经转录和加工产生成熟的rRNA和和tRNA的过程。的过程。二、基因表达的规律二、基因表达的规律 -时间性和空间性时间性和空间性1、时间特异性（、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按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时时间顺序间顺序发生，称之为基因表达的发生，称之为基因表达的时间特异性时间特异性。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性阶段特异性（Stage specificity）。 血红蛋白血红蛋白是所有动物体内输送分子氧的主要

4、载体，是所有动物体内输送分子氧的主要载体，每一血红蛋白分子由一分子珠蛋白加四分子亚铁血红素每一血红蛋白分子由一分子珠蛋白加四分子亚铁血红素组成，珠蛋白约占组成，珠蛋白约占96，血红素占，血红素占4。珠蛋白部分由。珠蛋白部分由两个两个珠蛋白和两个珠蛋白和两个珠蛋白亚基组成的四聚体珠蛋白亚基组成的四聚体(22 )，在生物个体发育的不同阶段出现几种不同形式的亚基组在生物个体发育的不同阶段出现几种不同形式的亚基组成。成。例如：例如： 人人珠蛋白珠蛋白基因簇位于基因簇位于16号染色体短臂上，号染色体短臂上，为胚胎期基因，为胚胎期基因，胎儿和成人期为胎儿和成人期为1。 人人珠蛋白珠蛋白基因簇位于基因簇位于

5、11号染色体短臂上，其中号染色体短臂上，其中为胚胎期为胚胎期基因，基因，G和和A为胎儿型基因，为胎儿型基因，和和为成人期基因。为成人期基因。2、空间特异性（、空间特异性（Spatial specificity） 是指多细胞生物个体是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达情况在不同的细胞或组织器官不同，同一基因的表达情况在不同的细胞或组织器官不同，这一现象称之为基因表达的这一现象称之为基因表达的空间特异性空间特异性。这种差异，。这种差异，实际上是由细胞的类型决定的，所以空间特异性又称实际上是由细胞的类型决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性（细胞或组织特

6、异性（cell or tissue specificity）。例如：例如：胰岛胰岛细胞合成胰岛素；甲状腺滤泡旁细胞（细胞合成胰岛素；甲状腺滤泡旁细胞（C细胞）专一分泌降血钙素；肝细胞中涉及编码鸟氨酸细胞）专一分泌降血钙素；肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其它组织细胞。循环酶类的基因表达水平高于其它组织细胞。三、基因表达的方式三、基因表达的方式基因表达的方式分为基因表达的方式分为组成性表达组成性表达及及适应性表达适应性表达。1、组成性表达（、组成性表达（Constitutive expression） 是指某些基因在个体发育的是指某些基因在个体发育的任一阶段任一阶段都能在都能在大

7、多大多数细胞或组织数细胞或组织中持续进行表达且其表达水平恒定，这中持续进行表达且其表达水平恒定，这类类稳定的稳定的、几乎不用调节的几乎不用调节的表达方式称为表达方式称为组成性表达组成性表达或或基本性表达（基本性表达（constitute expression）。其基因表达产。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不易受环物通常是对生命过程必需的或必不可少的且不易受环境 因 素 的 影 响 ，境 因 素 的 影 响 ， 这 类 基 因 通 常 被 称 为 管 家 基 因这 类 基 因 通 常 被 称 为 管 家 基 因（housekeeping gene）。 2、适应性表达（、适应性

8、表达（adaptive expression） 指指环境的变化容易使其表达水平变动环境的变化容易使其表达水平变动的一类基的一类基因表达。因表达。 应环境条件变化应环境条件变化基因表达水平增高基因表达水平增高的现象称为的现象称为诱诱导（导（induction），），这类基因被称为这类基因被称为可诱导的基因可诱导的基因（inducible gene）； 相反，随环境条件变化而相反，随环境条件变化而基因表达水平降低基因表达水平降低的现的现象称为象称为阻遏（阻遏（repression），），相应的基因被称为相应的基因被称为可阻可阻遏的基因（遏的基因（repressible gene）。四、基因表达调控

9、的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义u 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）适应环境、维持生长和增殖（原核、真核） 生物只有适应环境才能生存。当生物只有适应环境才能生存。当环境条件变化环境条件变化时，生时，生物体就要物体就要改变自身基因表达状况改变自身基因表达状况，以调整体内执行相应功，以调整体内执行相应功能蛋白质的种类和数量，从而改变自身的代谢、活动等以能蛋白质的种类和数量，从而改变自身的代谢、活动等以适应环境适应环境。u 维持个体发育与分化（真核）维持个体发育与分化（真核） 多细胞个体生长、发育的不同阶段，细胞中蛋白质分多细胞个体生长、发育的不同阶段，细胞中蛋白质分子的种类和含量差异

10、很大；在同一生长发育阶段，不同组子的种类和含量差异很大；在同一生长发育阶段，不同组织器官内蛋白质分子分布也存在很大差异；这些差异是维织器官内蛋白质分子分布也存在很大差异；这些差异是维持个体正常发育和细胞分化所必需的。持个体正常发育和细胞分化所必需的。为了维持这种差异，为了维持这种差异，生物体也要通过各种调节措施改变自身基因表达状况生物体也要通过各种调节措施改变自身基因表达状况。 生物的基因表达是受着严密、精确调控的。生物的基因表达是受着严密、精确调控的。 尽管现在对调控机理的奥妙所知还不多，但我尽管现在对调控机理的奥妙所知还不多，但我们应该认识到，不仅们应该认识到，不仅生命的遗传信息是生物生存

11、所生命的遗传信息是生物生存所必需的必需的，而且，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所遗传信息的表达调控也是生命本质所在在。 第六章第六章 原核生物基因的原核生物基因的表达调控表达调控 第一节第一节 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控总论总论一、基因表达调控层次一、基因表达调控层次 基因表达调控可以通过对基因表达过程的任何基因表达调控可以通过对基因表达过程的任何一个阶段的调控而实现。因此，基因表达调控的层一个阶段的调控而实现。因此，基因表达调控的层次包括：次包括：1、转录水平上的调控（、转录水平上的调控（Transcriptional Regulation）2、转录后水平上的调控（、转录后

12、水平上的调控（Post-transcriptional Regulation） RNA加工成熟水平上的调控加工成熟水平上的调控 Differential processing of RNA transcript 翻译水平上的调控翻译水平上的调控 Differential translation of mRNA转录水平调控：转录水平调控：是生物最经济是生物最经济的调控方式的调控方式 -（即（即“不需要，不需要，何必转录何必转录”） 。转录后水平：转录后水平：是对转录调控的是对转录调控的补充补充-微调微调 。从调控水平来看从调控水平来看，主调在转录水平，转录后水平次之。，主调在转录水平，转录后水平

13、次之。二、基因表达调控的信号二、基因表达调控的信号原核生物原核生物: :营养状况（营养状况（nutritional status）环境因素（环境因素（environmental factor）真核生物真核生物: :激素水平（激素水平（hormone level）发育水平（发育水平（developmental stage）三、结构基因与调节基因三、结构基因与调节基因结构基因（结构基因（structural gene） 编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和RNA的基因。的基因。调节基因（调节基因（regulator gene） 编码蛋白质或编码蛋白质或RNA来调

14、节其他基因表达的基因。来调节其他基因表达的基因。四、基因转录调控的基本要素四、基因转录调控的基本要素 -顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件和反式作用因子1. 反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor） 基因表达的产物（基因表达的产物（蛋白质或蛋白质或RNA）从合成的场所）从合成的场所扩散到目标场所而发挥作用的过程称为扩散到目标场所而发挥作用的过程称为反式作用反式作用（trans-acting），基因表达产物被称为，基因表达产物被称为反式作用因子反式作用因子 。 反式作用因子多为反式作用因子多为蛋白质蛋白质（调节蛋白调节蛋白），其编码基），其编码基因为因为调节基因调

15、节基因。通过扩散从合成地到目标场所发挥作。通过扩散从合成地到目标场所发挥作用。用。调节蛋白（调节蛋白（Regulator protein）：）： 调节蛋白通常都是调节蛋白通常都是DNA结合蛋白结合蛋白，它们识别，它们识别受其控制的基因上或基因附近的特异位点。受其控制的基因上或基因附近的特异位点。阻遏蛋白（阻遏蛋白（Repressor）：阻遏阻遏或或降低降低相应基因转录。相应基因转录。激活蛋白（激活蛋白（Activator）：激活激活或或增强增强相应基因的转录。相应基因的转录。根据其功能可分为根据其功能可分为2类：类： 指对基因表达有调节活性的指对基因表达有调节活性的DNA序列序列，其活，其活性

16、只影响与其自身同处在一个性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因。分子上的基因。如如启动子、终止子启动子、终止子。2. 顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element）顺式作用元件本身顺式作用元件本身不编码任何蛋白质不编码任何蛋白质, 仅仅提供一仅仅提供一个作用位点个作用位点, 要与反式作用因子相互作用而起作用。要与反式作用因子相互作用而起作用。 基因的表达调控主要通过基因的表达调控主要通过反式作用因子（通常是蛋反式作用因子（通常是蛋白质）白质）和和顺式作用元件（通常在顺式作用元件（通常在DNA上）上）相互作相互作用而实现。用而实现。操纵子（操纵子（operon） ：是基

17、因表达的协调单位，由是基因表达的协调单位，由启动子启动子、操纵子区（操纵基因，操纵子区（操纵基因，operator）及其所控制的一组功能及其所控制的一组功能上相关的上相关的结构基因结构基因所组成。操纵子区受所组成。操纵子区受调节基因调节基因产物的识产物的识别。别。Jacob and Monodu1961年，法国两位科学家年，法国两位科学家Monod和和Jacob提出提出u 获获1965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖五、操纵子模型五、操纵子模型操纵子操纵子信息区：结构基因（信息区：结构基因（Structural gene） 控制区控制区 启动子（启动子（Promoter，P）：启动

18、转录的部位）：启动转录的部位 操纵子区（操纵子区（Operator，O）：结构基因转录的开关）：结构基因转录的开关 调节基因（调节基因（Regulator gene）:参与其他基因表达调控的参与其他基因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。和蛋白质的编码基因。从调控方式来看从调控方式来看，原核生物调控最重要的特点是操纵子模，原核生物调控最重要的特点是操纵子模式。式。六、原核基因转录调控的类型六、原核基因转录调控的类型u 负转录调控负转录调控（Negative transcription regulation) u 正转录调控正转录调控（Positive transcription regulat

19、ion)1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）、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：的应答，可分为：正转录调控：正转录调控： 没有调节蛋白没有调节蛋白（激活蛋白）时操纵子内结构基（激活蛋白）时操纵子内结构基因是因是关闭关闭的，而的，而加入调节蛋白加入调节蛋白后结构基因活性被后结构基因活性被开开启启，这样的调控称正转录调控。，这样的调控称正转录调控。OFF to ON负转录调控：负转录调控： 没有调节蛋白没有调节蛋白（阻遏蛋白）时操纵子内结构基（阻遏蛋白）时操纵子内结构基因是因是表达表达的，而的，而加入调节蛋白加入调节蛋白后结构基因的表达被后结构基因的表达被关闭关

20、闭，这样的调控称负转录调控。，这样的调控称负转录调控。OFF to ON2、根据调节蛋白对某些能调节它们的、根据调节蛋白对某些能调节它们的效应物效应物（effector）的应答及因此而产生的对基因转的应答及因此而产生的对基因转录的影响，可分为录的影响，可分为可诱导调节可诱导调节和和可阻遏调节可阻遏调节两大类。两大类。效应物（效应物（effector）：）： 能与调节蛋白结合，使调节蛋白的空间构像发生能与调节蛋白结合，使调节蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录影响的特定的物质（小变化，从而改变其对基因转录影响的特定的物质（小分子物质）。分子物质）。 v 诱导物（诱导物（inducer）：

21、能使激活蛋白活化或失活阻遏蛋：能使激活蛋白活化或失活阻遏蛋 白的效应物。白的效应物。v 辅阻遏物（辅阻遏物（Corepressor）：能使阻遏蛋白活化或失活：能使阻遏蛋白活化或失活 激活蛋白的效应物。激活蛋白的效应物。可诱导调节可诱导调节：通过小分子：通过小分子诱导物诱导物参与，使激活蛋参与，使激活蛋白活化或失活阻遏蛋白，使基因由原来白活化或失活阻遏蛋白，使基因由原来关闭关闭的状态的状态转变为转变为开启开启状态，即在效应物的作用下使基因活化。状态，即在效应物的作用下使基因活化。可阻遏调节可阻遏调节：通过小分子通过小分子辅阻遏物辅阻遏物参与，使阻遏参与，使阻遏蛋白活化或失活激活蛋白，使蛋白活化或

22、失活激活蛋白，使原来原来开启开启的基因被的基因被关闭关闭，即在效应物的作用下基因的表达被阻遏了。即在效应物的作用下基因的表达被阻遏了。3、在、在正转录调控系统正转录调控系统中，调节基因的产物是中，调节基因的产物是激活蛋激活蛋白白（activator），起着增强结构基因转录的作用。，起着增强结构基因转录的作用。根据激活蛋白与效应物的作用结果分为根据激活蛋白与效应物的作用结果分为正控诱导正控诱导和和正控阻遏正控阻遏。u在在正控诱导正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态使激活蛋白处于活性状态，结构基因起始转录；，结构基因起始转录；u在在正控

23、阻遏正控阻遏系统中，效应物分子（系统中，效应物分子（辅阻遏物）辅阻遏物）的存的存在使激活蛋白处于非活性状态，在使激活蛋白处于非活性状态，结构基因不转录。结构基因不转录。正控诱导正控诱导正控阻遏正控阻遏正转录调控系统正转录调控系统4、在、在负转录调控系统负转录调控系统中，调节基因的产物是中，调节基因的产物是阻遏蛋阻遏蛋白白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。），起着阻止结构基因转录的作用。 根据阻遏蛋白与效应物的作用结果又可分为根据阻遏蛋白与效应物的作用结果又可分为负控负控诱导诱导和和负控阻遏负控阻遏。u在在负控诱导负控诱导系统中，系统中，效应物分子（诱导物）的存效应物分子（诱导

24、物）的存在使在使阻遏蛋白失阻遏蛋白失活活，结构基因起始转录；，结构基因起始转录；u在在负控阻遏负控阻遏系统中，系统中，效应物分子效应物分子（辅阻遏物）（辅阻遏物）的的存在使存在使阻遏蛋白阻遏蛋白活化活化，结构基因不转录。，结构基因不转录。负控诱导负控诱导负控阻遏负控阻遏负转录调控系统负转录调控系统七、转录水平上调控的其他形式七、转录水平上调控的其他形式1、因子的更换因子的更换2、组蛋白类似蛋白的调节作用、组蛋白类似蛋白的调节作用3、转录调控因子的作用、转录调控因子的作用4、抗终止因子的调节作用、抗终止因子的调节作用因子的更换因子的更换 因子对识别因子对识别DNA链上的转录信号是不可缺少链上的转

25、录信号是不可缺少的，它是核心酶和启动子之间的的，它是核心酶和启动子之间的桥梁桥梁。目前，在大。目前，在大肠杆菌中发现了至少发现了肠杆菌中发现了至少发现了6种种因子。因子。不同的不同的因因子可以识别不同基因的启动子子可以识别不同基因的启动子。大肠杆菌中的各种大肠杆菌中的各种因子比较因子比较因子因子编码基因编码基因主要功能主要功能70rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控54rpoN参与多数氮源利用基因的调控38rpoH分裂间期特异基因的表达调控32rpoS热休克基因的表达调控28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控24rpoE过度热休克基因的表达调控 在细胞发育的特定阶段或环境条件改变

26、时在细胞发育的特定阶段或环境条件改变时，细菌会利用，细菌会利用不同的不同的因子来指导因子来指导RNA聚合酶结合到不同的启动子序列上，聚合酶结合到不同的启动子序列上，来实现了对不同类型基因的特异性转录。来实现了对不同类型基因的特异性转录。 由由32参与构成的参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启聚合酶与热休克应答基因启动子结合，诱导产生大量的动子结合，诱导产生大量的热休克蛋白热休克蛋白，适应环境需要。，适应环境需要。例如：例如：温度升高温度升高对于原核生物基因表达的调控：对于原核生物基因表达的调控：从调控水平来看从调控水平来看，主调在转录水平，翻译水平次之。，主调在转录水平，翻译水平次之。从调

27、控方式来看从调控方式来看，原核生物调控最重要的特点是操，原核生物调控最重要的特点是操纵子模式。纵子模式。小小 结结第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子一、乳糖操纵子的结构一、乳糖操纵子的结构uZ编码编码-半乳糖苷酶：不仅可以半乳糖苷酶：不仅可以将乳糖水解成葡将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还可以将乳糖异构化为异构乳糖。萄糖和半乳糖，还可以将乳糖异构化为异构乳糖。结构基因产物及功能结构基因产物及功能uY编码编码-半乳糖苷透过酶半乳糖苷透过酶：使外界的：使外界的-半乳糖苷半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。细胞内。uA编码编码-半乳糖苷

28、乙酰基转移酶半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶：乙酰辅酶A上的乙上的乙酰基转到酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。调节基因产物及功能调节基因产物及功能ulacI的表达产物称为乳糖操纵子阻遏蛋白（的表达产物称为乳糖操纵子阻遏蛋白（lac repressor）：它的功能是阻止）：它的功能是阻止lac结构基因的表达。结构基因的表达。u以同源四聚体形式存在时具有活性。以同源四聚体形式存在时具有活性。u有诱导物存在时，失活。有诱导物存在时，失活。二、二、lac体系受调控的证据体系受调控的证据-酶的诱导酶的诱导安慰诱导物（安慰诱导物（gratuitous inducer）：）：

29、如果某种诱导物能够促使酶合成而本身又不如果某种诱导物能够促使酶合成而本身又不被酶分解，这种物质被称为安慰诱导物。如被酶分解，这种物质被称为安慰诱导物。如IPTG（异丙基（异丙基-D-硫代半乳糖苷）。硫代半乳糖苷）。三、乳糖操纵子模型的主要内容三、乳糖操纵子模型的主要内容 结构基因结构基因lacZ、lacY、lacA的产物由同一条多顺的产物由同一条多顺反子的反子的mRNA分子所编码。分子所编码。 结构基因结构基因启动子区（启动子区（P）位于位于lac I与与操纵子区操纵子区（O）之间，紧接着之间，紧接着O区，单独不能起动合成区，单独不能起动合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。半乳糖苷酶和透过酶的

30、生理过程。 操纵子区（操纵子区（O）是）是DNA上的一小段序列，是阻遏上的一小段序列，是阻遏蛋白的结合位点。蛋白的结合位点。无诱导物时无诱导物时，阻遏蛋白与操纵子区结合，阻遏蛋白与操纵子区结合，lac mRNA的的 转录起始受到抑制。转录起始受到抑制。Lac IPromoterLacYLacALacZOperatorRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!当有诱导物存在时当有诱导物存在时，诱导物通过与阻遏蛋白结合，诱导物通过与阻遏蛋白结合，改

31、变它的三维构象，使之不能与操纵子区结合。改变它的三维构象，使之不能与操纵子区结合。由于操纵子区没有被阻遏蛋白占据，所以启动由于操纵子区没有被阻遏蛋白占据，所以启动子能够顺利起始子能够顺利起始mRNA的合成。的合成。Lac IPromoterLacYLacALacZOperatorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeRNAPol.RNAPol.Yipee!四、四、lac操纵子模型的操纵子模型的补充解释补充解释/影响因子影响

32、因子1、lac操纵子的本底水平表达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：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，后者的合成需要诱导。运诱导物需要透过酶，后者的合成需要诱导。可能性：可能性：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？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？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？矛盾一：矛盾一：研究发现，研究发现，真正的诱导物是异构乳糖真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，而非乳糖，前者是在前者是在-半乳糖苷酶的催化

33、下由乳糖形成的，半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此也需要有因此也需要有-半乳糖苷酶的预先存在。半乳糖苷酶的预先存在。-半乳糖苷酶催化的水半乳糖苷酶催化的水解和异构化反应解和异构化反应解释：解释：在非诱导状态下（在非诱导状态下（off），也有少量），也有少量（1-5个个mRNA分子）的分子）的lac mRNA合成合成-本底水平的组成型合成本底水平的组成型合成矛盾二：矛盾二：2、大肠杆菌对乳糖的反应、大肠杆菌对乳糖的反应培养基：甘油培养基：甘油按照按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的个分子的-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷

34、透过酶；培养基：加入乳糖培养基：加入乳糖诱导物的加入和诱导物的加入和去除对去除对lac mRNA合成和合成和-半乳糖苷半乳糖苷酶活性的影响酶活性的影响3、调节基因、调节基因lac I的产物的产物 lac 操纵子阻遏物操纵子阻遏物mRNA是由是由弱启动子弱启动子控制下控制下组组成型合成成型合成的，每个细胞中有的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。个阻遏物分子。 当当lac I基因由弱启动子基因由弱启动子突变成强启动子突变成强启动子，细胞内，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个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操纵子在这些突变体中就不可诱导不可诱

35、导。4、葡萄糖对、葡萄糖对lac操纵子的影响操纵子的影响如果将葡萄糖和乳糖同如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠时加入培养基中，大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖杆菌在耗尽外源葡萄糖葡萄糖之前不会诱发葡萄糖之前不会诱发lac操纵子操纵子-葡萄糖效应葡萄糖效应。葡萄糖的存在，抑制了葡萄糖的存在，抑制了lac mRNA的合成！的合成！葡萄糖耗尽点葡萄糖耗尽点 研究发现，存在一种大肠杆菌突变体，它不能研究发现，存在一种大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步代谢中间物，该细磷酸转化为下一步代谢中间物，该细菌的菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导合成。基因能在葡萄糖存在时被诱导合成。 不

36、是葡萄糖本身，而是它的某些降解产物抑制不是葡萄糖本身，而是它的某些降解产物抑制lac mRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称之为的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称之为代谢物阻遏效应（代谢物阻遏效应（catabolite repression）。为什么诱导物不起作用？为什么诱导物不起作用？5、cAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白cAMP（cycle AMP） 环腺苷酸，是在环腺苷酸，是在腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶的作用下由的作用下由ATP转变而来的。转变而来的。ATP腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶cAMP（环腺苷酸）（环腺苷酸） 大肠杆菌中：大肠杆菌中：无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高；浓度高

37、； 有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低。浓度低。真核生物中：真核生物中：在激素调节过程中起着十分重要的作用。在激素调节过程中起着十分重要的作用。代谢物激活蛋白（代谢物激活蛋白（Catabolite Activator Protein） 大肠杆菌中的代谢物激活蛋白由大肠杆菌中的代谢物激活蛋白由Crp基因编码，产基因编码，产物为物为环腺苷酸（环腺苷酸（cAMP）受体蛋白）受体蛋白 （cAMP receptor protein ，CRP）。）。CRP能与能与cAMP结合形成复合物，此结合形成复合物，此复合物可与复合物可与DNA分子相结合。分子相结合。cAMP-CRP在在DNA分子上的结合位点分子上的

38、结合位点cAMP-CRP与与lac mRNA合成的关系合成的关系实验：实验：突变的阻遏蛋白失去与操纵子区（突变的阻遏蛋白失去与操纵子区（O）的结合能力，）的结合能力，持续转录持续转录。操纵子区失去与正常阻遏蛋白结合的能力，操纵子区失去与正常阻遏蛋白结合的能力，持续转录持续转录。lacI-：O-：Crp-lacI-cya- +低水平的低水平的lac mRNAO-+Crp-cya- 低水平的低水平的lac mRNAlac I：调节基因调节基因O：操纵子区操纵子区Crp：CRP基因基因cya ：腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶如无如无cAMP-CRP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序

39、列结合，操纵子转录活性不高。序列结合，操纵子转录活性不高。 cAMP-CAP复复合物与启动子区的结合是促进转录高效起始所必合物与启动子区的结合是促进转录高效起始所必需的。需的。cAMP-CRP是一个不同于阻遏物的正调控因子。是一个不同于阻遏物的正调控因子。现象现象1：cAMP-CRP的调控作用的调控作用+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时促进转录促进转录有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时不促进转录不促进转录ZYAOPDNACRPCRPCRPCRPCRPCRP 细胞内细胞内cAMP与与CRP形成的复合物是启动结构形成的复合物是启动结构基因

40、高效转录的必要条件。葡萄糖的存在降低了细基因高效转录的必要条件。葡萄糖的存在降低了细胞内胞内cAMP的含量，所以葡萄糖存在时，不能形成的含量，所以葡萄糖存在时，不能形成cAMP-CRP复合物，从而抑制糖类代谢操纵子的表复合物，从而抑制糖类代谢操纵子的表达。如果葡萄糖不存在或量极少时，达。如果葡萄糖不存在或量极少时，cAMP合成增合成增加，加，cAMP与与CRP形成复合物启动操纵子的表达。形成复合物启动操纵子的表达。葡萄糖抑制糖类代谢操纵子表达的原因：葡萄糖抑制糖类代谢操纵子表达的原因： 当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，cAMP-CRP对该系统对该系统不能发挥作用。不能发挥作用。现象

41、现象2：lac操纵子的功能是在这两个相对独立的调控操纵子的功能是在这两个相对独立的调控体系共同作用下实现的。体系共同作用下实现的。协调调节（协调调节（coordinate regulation）体系）体系-负调节与正调节协调合作负调节与正调节协调合作lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖。葡萄糖。u阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，cAMP-CRP不发挥作用不发挥作用u没有没有cAMP-CRP加强转录，即使无阻遏蛋白，加强转录，即使无阻遏蛋白， 转录效率也不高转录效率也不高The Lac Operon:1. When Glucose Is P

42、resent But Not LactoseLac IPromoterLacYLacALacZOperatorCRPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CRPThe Lac Operon:2. When Lactose Is Present But Not GlucoseLac IPromoterLacYLacALacZOperatorCRPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im

43、constitutiveCRPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCRPcAMPCRPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!The Lac Operon:3.When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentLac IPromoterLacYLacALacZOperatorCRPBindingCRPcAMPCRPcAMPCRPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepresso

44、r mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through! The Lac Operon:4. When Glucose And Lactose Are PresentLac IPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCRPLacRepressorRepressorXRNAPol.R

45、NAPol.Great, I can transcribe!Some transcription occurs, but at a slow rateThis lactose has bent me out of shape五、五、lac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题1、A基因及其生理功能基因及其生理功能A基因虽然不在乳糖降解中起作用，但是它抑制了基因虽然不在乳糖降解中起作用，但是它抑制了-半乳半乳糖甘酶产物的有害衍生物在细胞中的积累，在生物进化糖甘酶产物的有害衍生物在细胞中的积累，在生物进化中是有意义的。中是有意义的。2、lac基因产物数量上的比较基因产物数量上的比较u-半乳糖苷酶：透

46、过酶：乙酰基转移酶半乳糖苷酶：透过酶：乙酰基转移酶1：0.5：0.2u 酶在数量上的差异是由于在酶在数量上的差异是由于在翻译水平上受到调节翻译水平上受到调节所致所致 lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终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。因此，存在着从止蛋白质链的翻译。因此，存在着从mRNA的的5末端到末端到3末端的蛋白质合成梯度。末端的蛋白质合成梯度。在在lac mRNA分子内部，分子内部，A基因比基因比Z基因更易受内切酶作基因更易受内切酶作用发生降解，因此，在任何时候用发生降解，因此，在任何时候Z基因的完整拷贝数要基因的完整拷贝数要比比A基因多。基因多

47、。3、操纵子的融合与基因工程、操纵子的融合与基因工程操纵子在自然条件下是可以发生融合的。操纵子在自然条件下是可以发生融合的。例子例子：lac操纵子与操纵子与pur操纵子融合操纵子融合P OZY AtsxPOpur结构基因缺失lac启动子是个强启动子，通过基因融合增强转录，启动子是个强启动子，通过基因融合增强转录，从而增加蛋白质的合成量。从而增加蛋白质的合成量。第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子 色氨酸是构成蛋白质的组分色氨酸是构成蛋白质的组分。一般的环境难以给。一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨

48、酸。但是一旦环境能够提供己经过许多步骤合成色氨酸。但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。细菌所以能做停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。细菌所以能做到这点是因为有到这点是因为有色氨酸操纵子色氨酸操纵子(trp operon)的调控。的调控。一、色氨酸操纵子的结构一、色氨酸操纵子的结构 在大肠杆菌中，色氨酸的合成需经过多个步骤。在大肠杆菌中，色氨酸的合成需经过多个步骤。每个环节都需要相关的每个环节都需要相关的酶酶，编码这些酶的，编码这些酶的5个结构基个结构基因因紧密连锁紧密连锁在一起，被转录

49、在一条多顺反子在一起，被转录在一条多顺反子mRNA上。上。u 结构基因结构基因：分别以：分别以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA表示，表示，分别编码从分支酸起始合成色氨酸途径的酶或酶亚基。分别编码从分支酸起始合成色氨酸途径的酶或酶亚基。v启动子、操纵子区不直接和结构基因毗邻；启动子、操纵子区不直接和结构基因毗邻；v操纵子区在启动子区域内操纵子区在启动子区域内；u 调控区调控区：启动子（启动子（P）和操纵子区（）和操纵子区（O）u 调节基因调节基因： trpR基因，该基因距基因，该基因距trp基因簇很远。基因簇很远。vtrpR基因产物为阻遏蛋白，本身无阻遏活性，不能直接基因产物为阻

50、遏蛋白，本身无阻遏活性，不能直接与操纵子区结合；与操纵子区结合；v与与辅阻遏物辅阻遏物-色氨酸色氨酸相结合，才具有阻遏活性。相结合，才具有阻遏活性。二、二、trp 操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统 阻遏系统的阻遏系统的效应物分子是色氨酸效应物分子是色氨酸，它是，它是trp操纵子操纵子所编码的生物合成途径的所编码的生物合成途径的末端终产物末端终产物。 当培养基中当培养基中色氨酸含量较高时色氨酸含量较高时，它与游离的阻遏，它与游离的阻遏蛋白相结合，并使之与操纵区蛋白相结合，并使之与操纵区DNA紧密结合；当培养紧密结合；当培养基中基中色氨酸供应不足时色氨酸供应不足时，阻遏蛋白失去色氨酸并从操，阻遏蛋

51、白失去色氨酸并从操纵区上解离，纵区上解离，trp操纵子去阻遏。操纵子去阻遏。Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 trp 操纵子的阻遏系统调控过程操纵子的阻遏系统调控过程研究发现：研究发现： 当当mRNA合成起始以后，如果再向培养基中加入合成起始以后，如果再向培养基中加入色氨酸，转录总是在前导区终止，产生一个仅有色氨酸，转录总是在前导区终止，产生一个仅有140 nt 左右的前导左右的前导RNA分子。分子。暗示暗示：trp操纵子中对应于色氨酸生物合成的操纵子中对应于色氨酸生物合成的

52、还有另一个调控系统。还有另一个调控系统。u阻遏系统阻遏系统对对trp操纵子来说是一个一级开关，操纵子来说是一个一级开关，主主管转录是否启动管转录是否启动，相当于，相当于粗调开关粗调开关。utrp操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个系统系统-弱化作用弱化作用进行进行细调控细调控，指导已经启动指导已经启动的转录是否继续下去的转录是否继续下去。并通过转录达到第一个结。并通过转录达到第一个结构基因构基因(trpE)之前的之前的终止转录终止转录来实现细调控。这来实现细调控。这个细微调控也是由个细微调控也是由色氨酸的浓度色氨酸的浓度来调节这种过早来调节这种过早终

53、止的频率。终止的频率。研究表明研究表明：三、三、trp 操纵子的弱化机制操纵子的弱化机制1、弱化子（、弱化子（attenuator）u测序发现，在第一个结构基因（测序发现，在第一个结构基因（trpE）的）的5 -端有端有一个长一个长160 bp的前导序列（的前导序列（leader sequence），），定名为定名为trp L。前导序列前导序列 调节区调节区 结构基因结构基因 trpROPtrpE弱化子：弱化子：DNA中可导致转录过早终止的一段核苷中可导致转录过早终止的一段核苷酸序列。酸序列。u若前导序列当中若前导序列当中123150位碱基序列缺失，位碱基序列缺失，trp基基因表达可提高因表达

54、可提高610倍；同时发现这个区域与转倍；同时发现这个区域与转录的提前终止有关，因此这个区域被称为弱化子，录的提前终止有关，因此这个区域被称为弱化子，定名为定名为trp a 。弱化子弱化子调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 trpEu研究弱化子序列，发现该区研究弱化子序列，发现该区mRNA通过自我配对可通过自我配对可形成形成茎茎-环环结构，有结构，有典型的终止子典型的终止子特点。特点。2、前导序列（、前导序列（Leader Sequence）uTrp前导序列含有起始密码子前导序列含有起始密码子AUG和终止密码子和终止密码子UGA，编，编码了一个码了一个14个氨基酸的多肽

55、个氨基酸的多肽-前导肽前导肽。该多肽有一个特征，。该多肽有一个特征，其其第第10位和位和11位有相邻的两个色氨酸密码子位有相邻的两个色氨酸密码子。uTrp前导序列的前导序列的内部碱基序列分为内部碱基序列分为4个片段个片段，分别以序列，分别以序列1、2、3和和4表示。表示。序列序列3和和4属于弱化子属于弱化子。u序列序列1、2、3和和4能以不同的方式进行碱基配对，形成不同能以不同的方式进行碱基配对，形成不同的茎环结构的茎环结构。茎。茎-环结构由强到弱依次为序列环结构由强到弱依次为序列1/2序列序列2/3序列序列3/4 UUUUUUUU前导序列前导序列 弱化子弱化子UUUU前导前导mRNA1234

56、弱化子结构弱化子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区: 包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROPtrpE3、弱化机制、弱化机制色氨酸的浓度很低时色氨酸的浓度很低时: 负载有负载有色氨酸的色氨酸的tRNA也就少也就少，这样翻译通过两，这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当度就会很慢，当4区被转区被转录完

57、成时，核糖体才进行录完成时，核糖体才进行到到1区，这时的前导区结区，这时的前导区结构构是是2-3配对配对，所以转录可，所以转录可继续进行。继续进行。UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时: : Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能不能形成弱化子结构形成弱化子结构 色氨酸浓度较高时色氨酸浓度较高时: 负载有负载有色氨酸的色氨酸的tRNA相对较多相对较多，核糖体可顺利，核糖体可顺利通过两个相邻的

58、色氨酸密通过两个相邻的色氨酸密码码子，在子，在4区被转录之前就区被转录之前就到达到达2区，区，使使2-3区不能配区不能配对对，3-4区自由配对形成一区自由配对形成一发夹发夹终止子结构终止子结构，转录被，转录被终止终止，trp操纵子被关闭。操纵子被关闭。UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA125 trp 密码子密码子 弱化子结构弱化子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 : :u空间：前导序列空间：前导序列mRNA的结构的结构4、弱化子对转录调控的关键、弱化子

59、对转录调控的关键u时间：时间： v 二级结构：二级结构：形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/2序列序列2/3序列序列3/4 v 一级结构：一级结构：第第10位和位和11位有相邻的两个色氨酸密码子位有相邻的两个色氨酸密码子v 核糖体在核糖体在2个个Trp 密码子上的停顿密码子上的停顿 细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足。因为阻细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足。因为阻遏作用只能使遏作用只能使转录不起始转录不起始，对于已经起始的转录，只，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号阻遏作用的信号是是细胞内色氨酸的多少细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号弱化作用的信号则是则是细胞内载细胞内载有色氨酸的有色氨酸的tRNA的多少的多少。它通过前导肽的翻译来控。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的