第7章 原核基因表达调控上

第七章

基因的表达与调控(上)

——原核基因表达调控模式基因表达=基因转录+翻译基因表达的调控:

生物体随时调整不同基因的表达状态,以适应环境、维持生长和发育需要。本章内容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基因的表达调控包括基因水平的调控转录水平的调控转录产物加工的调控mRNA从细胞核向胞质转运过程的调控翻译水平的调控以及翻译后的加工等环境改变，mRNA和蛋白质的量也会发生变化。原核生物-----营养和环境真核生物-----激素水平和发育阶段

细菌的调控机制，体系在需要时打开，不需要时关闭，这种开-关活性是通过调节转录来建立的，即mRNA的合成可被调节。第一节基因表达调控的基本概念一、基因表达的概念

基因转录及翻译的过程，从DNA到蛋白质或功能RNA的过程称为基因表达，对这个过程的调节就称为表达调控。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。

组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达(adaptiveexpression）二、基因表达的方式1、组成性表达：

指不大受环境变动而变化的一类基因表达。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(housekeepinggene)。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。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(repressiblegene)。

三、基因表达的规律

——时间性和空间性1、时间特异性按功能需要，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。

胚胎期胎儿期成人期2、空间特异性

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。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）了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学功能。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

基因表达的调控方式

阻遏负调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达

(相应蛋白质降低)

促进正调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达

(相应蛋白质增加)原核生物基因表达的调控方式特点调控机制

--操纵子正调控负调控转录翻译偶联快速乳糖操纵子--负、正调控

转录起始的调控

色氨酸操纵子--负调控

转录终止的调控

一个操纵子=编码序列（2-6）+启动序列+操纵序列+(其他调节序列)

操纵子：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位。启动子操纵序列多个结构基因终止子5’3’调控区结合RNA聚合酶和调节蛋白编码功能相关的蛋白质介导转录终止转录出多顺反子mRNA，翻译后得到多种蛋白质操纵子的基本结构一、原核基因表达调控环节1、转录水平上的调控

2、转录后水平上的调控

①

mRNA加工成熟水平上的调控②

翻译水平上的调控

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

二、原核基因调控机制的类型与特点调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白激活蛋白正转录调控负转录调控负转录调控

没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，为负转录调控。

正转录调控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，为正转录调控。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：调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白诱导物mRNA酶蛋白酶合成的诱导操纵子模型诱导物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辐阻遏物：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、负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白，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.正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白。根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；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、σ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σ因子比较σ因子编码基因主要功能σ70rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控σ54rpoN参与多数氮源利用基因的调控σ38rpoH分裂间期特异基因的表达调控σ32rpoS热休克基因的表达调控σ28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控σ24rpoE过度热休克基因的表达调控温度较高,诱导产生各种热休克蛋白由σ32参与构成的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σ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、弱化子对基因活性的影响3、降解物对基因活性的调节又称葡萄糖阻遏或分解代谢产生阻遏作用。葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代谢产物阻遏某些诱导酶体系编码的基因转录的现象。

在含葡萄糖和乳糖的培养基上，在葡萄糖没有被利用完之前，乳糖操纵子就一直被阻遏，乳糖不能被利用；直到葡萄糖被利用完后，乳糖操纵子才进行转录，形成利用乳糖的酶。五、细菌的应急反应信号：鸟苷四磷酸ppGpp,ppGpp，会关闭很多基因。第三节乳糖操纵子

内容提要：乳糖操纵子的结构酶的诱导——lac体系受调控的证据乳糖操纵子调控模型影响因子Lac操纵子中的其他问题一、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。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。Lac操纵子主要组分分析mRNA多肽蛋白质功能二、乳糖操纵子的结构Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-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β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。二、酶的诱导——lac体系受调控的证据加入乳糖

去掉乳糖安慰诱导物：

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-β-D-硫代半乳糖苷）。β-半乳糖苷酶结合lac阻遏物三、乳糖操纵子调控模型主要内容：①Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码

Protein②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β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。③操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。Lac操纵子的起点处的抑制子和RNA聚合酶位点重合RNA聚合酶结合部位阻遏物结合部位

④当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。

⑤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lacmRNA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。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不能解释的：①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细胞？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？√②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-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lacmRNA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β-半乳糖苷酶和β-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β-半乳糖苷酶异构乳糖诱导物诱导lacmRNA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lacmRNA的影响3、阻遏物lacI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）/环腺甘酸受体蛋白（CRP）

cAMP在真核生物的激素调节中起作用。ATP腺甘酸环化酶cAMP（环腺甘酸）

大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；

有葡萄糖，cAMP浓度低。ZYAOPDNA调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶cAMP—CAP复合物++++

转录无葡萄糖，cAMP浓度高时促进转录有葡萄糖，cAMP浓度低时不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP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。cAMP—CAP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阻遏。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/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。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（IPTG）β-半乳糖甘酶分解产物（体内积累）β-半乳糖苷乙酰基转移酶乙酰化半乳糖苷分子（IPTG）乙酰基2、lac基因产物数量上的比较β-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）lacmRNA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lacmRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。3、操纵子的融合与基因工程POZYAtsxPOpur结构基因缺失乳糖lacoperon负责嘌呤合成puroperonLac启动子是强启动子，可以用于增加蛋白表达量。第四节色氨酸操纵子（trpoperon）内容提要：色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的弱化机制一、色氨酸操纵子的结构

调控基因结构基因

催化分枝酸转变为色氨酸的酶

trpRtrp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

P：起动子；O：操纵子；l：前导序列；a：衰减子二、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/弱化子前导序列（leadersequence）123~1501、弱化子：

DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150区）。

研究引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。

Trp弱化子mRNA终止区2、前导序列：在trpmRNA5’端trpE基因的起始密码前

一个长162bp的mRNA片段。

trp操纵子控制区由启动子、操纵基因、前导顺序和衰减子构成。前导区编码14个氨基酸，其中有2个是色氨酸。

3、弱化机制

前导肽转录终止结构阻遏作用使转录降低70倍弱化作用使转录降低600倍弱化子存在的意义？阻遏物：无活性→有活性，速度慢

弱化子通过抗终止子的方法增加trp基因的表达，可迅速提高内源色氨酸浓度。

细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。弱化子存在的意义阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少,通过前导肽的翻译来控制转录进行。

在细菌细胞内这两种作用相辅相成。第五节其他操纵子一、半乳糖操纵子

异构酶(galE)乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)

半乳糖激酶(galk)半乳糖葡萄糖-1-磷酸gal操纵子的特点：①有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；②有两个O区，一个在P区上游，另一个在结构基因galE内部。培养基中无葡萄糖，有cAMP-CRP，S1转录开始；培养基中有葡萄糖，无cAMP-CRP，S2转录开始；

体现必要性和经济性二、阿拉伯糖操纵子araB基因、araA基因和araD,形成一个基因簇，简写为araBAD三个基因的表达受到ara操纵子中araC基因产物AraC蛋白的调控。

ara操纵子的调控有两个特点：1.araC表达受到AraC的自身调控。2.AraC既是ara操纵子的正调节蛋白（需cAMP-CRP的共同参与，起始转录），又是其负调节蛋白，这种双重功能是通过AraC蛋白的两种异构体来实现的（Pi和Pr)。有葡萄糖，但阿拉伯糖水平低时：Pr阻遏发生，负调控有阿拉伯糖，无葡萄糖时：Pi转录进行，可以利用阿拉伯糖三、阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答

细菌DNA受破坏时，SOS应答启动诱导型DNA修复系统。SOS反应的机理：由RecA蛋白和LexA阻遏物的相互作用引起的。LexA阻遏物：是SOSDNA修复系统所有基因的阻遏物RecA蛋白：是SOS反应的最初的发动因子。在单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解LexA阻遏物。

当RecA水解LexA阻遏物后，导致SOS体系（包括recA基因）高效表达，DNA得到修复。四、多启动子调控的操纵子1.rRNA操纵子P1P2rrnE饥饿状态下ppGpp浓度增加，P1被关闭，P2仍可以启动。2.DnaQ蛋白操纵子DnaQ蛋白校正DNA复制。P1P2dnaQRNA聚合酶活性低时，弱启动子P2控制DnaQ合成；RNA聚合酶活性高时，强启动子P1被激活。五、固氮基因调控

生物固氮（将氮气还原为氨）是农业生态系统重要的氮源之一，也是地球化学中氮素循环的一个重要的环节，以豆科植物和根瘤菌的共生固氮为主，可占生物固氮量的1/2。大气中的N2尿素及动植物遗体NO3-土壤中的微生物NH3NO3-氮素化肥氮循环

生物固氮农业生态系统重要的氮源之一，也是地球化学中氮素循环的一个重要的环节；以豆科植物和根瘤菌的共生固氮为主，可占生物固氮量的1/2，每年固定2-5亿吨的氮。由于多数农作物缺乏共生固氮作用和大多数土壤缺乏氮素，因而氮肥往往成为农业增产的限制因素。20世纪40年代以来，氮肥工业合成的发展使农田单产迅速大幅度提高。

1970年代以来，人工合成氮素化肥的能源耗费和环境污染问题开始显露出来，各先进国家近年来正力图减少氮肥的使用，于是生物固氮研究更加受到世界各国的重视，成为一个全球性的战略课题，它对环境、粮食、人口等问题有着重要意义。生物固氮研究基因酶细胞生态系水平研究生物固氮的途径和机理最终目的提高现有固氮生物的固氮能力；提供高效优质的微生物肥料，为农业开发肥源；用分子生物学等方法促使不固氮作物固氮；人工模拟固氮酶在常温常压下还原分子氮，使氨的工业合成有一个历史性突破。

生物固氮的调控生物固氮只限于原核类微生物(细菌和放线菌)；所有不同种类的固氮微生物都由共同的固氮基因(nif)控制着固氮特性遗传，nif

基因和固氮酶只存在于固氮菌体中；具有共生固氮特性的高等植物仅提供宿主条件，以便固氮菌的固氮效能得到充分表达。

1、克氏肺炎杆菌的固氮基因

克氏肺炎杆菌中存在着17～18个nif基因，这些基因都位于其染色体上:固氮酶结构基因nifKDH;调节基因nifAL;固氮酶合成后的加工基因nifB;其它与电子传递相关的基因。2、根瘤菌的固氮基因根瘤菌中的nif基因和结瘤基因都被定位在质粒上。在根瘤菌的质粒中除了固氮基