第7章 原核基因表达调控

第七章原核基因表达调控黄红辉honghuih@126.com一、基因表达的概念基因组(genome)全部遗传信息或整套基因。基因表达(geneexpression)基因产生蛋白质分子或RNA分子的过程。基因表达调控(generegulation,orregulationofgeneexpression)二、基因表达的方式（一）组成性表达(constitutiveexpression)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)。（二）适应型表达(adaptiveexpression)在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因(inducible

genes)，如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因(repressiblegenes)。正转录调控（positivetranscriptionregulation），调节基因的产物是激活蛋白（activator）。负转录调控（negativetranscriptionregulation），调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor）。负控诱导负控阻遏正控诱导正控阻遏原核生物：营养状况（nutritionalstatus）环境因素（environmentalfactor）高等真核生物：激素水平（hormonelevel）

发育阶段（developmentalstage）法国巴斯德研究所Jacob和Monod等人1961年提出(lacoperon)学说，1965年获诺贝尔医学与生理学奖JacobMonod三、乳糖操纵子营养条件：无葡萄糖且存在乳糖时启动（一）阻遏蛋白的负调控（负控诱导）操纵子（operon）：核酸分子上调控基因转录活性的基本单元，由结构基因（structuralgenes）（编码蛋白）、操纵区（Operator）（结合调节蛋白）和启动子（Promoter）（结合RNA聚合酶）组成。promoterstructuralgenesoperator启动子操纵区结构基因结构基因：操纵子中被调控的编

码蛋白质的基因一个操纵子中含有2个以上的结构基因，每个结构基因是一个连续的开放阅读框，各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。转录成多顺反子mRNA，核糖体在合成完第一个编码的多肽后不脱离mRNA而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多肽。乳糖操纵子的组成lacZ：编码

-半乳糖苷酶（

-galactosidase）分解乳糖。lacY：编码

-半乳糖苷透性酶（permeasae）将半乳糖转运到细胞中。lacA：编码

-半乳糖苷乙酰转移酶（transacetylase），把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到β-半乳糖苷上。乳糖操纵子的组成启动子(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。它们一般长40-60bp，含A-T较多，某些段落很相似的，有保守性，称为共有性序列(consensussequences)。在-10bp附近有TATAAT一组共有序列，在-35bp处又有TTGACA一组共有序列。操纵区（operator，O）：是指能被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。乳糖操纵子中的操纵区具有回文（palindrome）样的对称性一级结构（-7~+28位，对称轴在+11位），能形成十字形的茎环（stemloop）构造。不少操纵区都具有类似的对称性序列。乳糖操纵子的负调控（I）在没有乳糖时，lac操纵子处于阻遏状态。此时ｉ基因在其自身的启动子Pi控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白单体R。R以同源四聚体形式与操纵区ｏ结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子Plac的结合，阻止了基因的转录起始。乳糖操纵子的负调控（II）有乳糖时，乳糖受

－半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，与阻遏物结合，使阻遏物构象变化，阻遏物四聚体解聚成单体，失去与ｏ的亲和力，与ｏ解离，基因转录开放。1，Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。2，该mRNA分子的启动子（P）位于阻遏基因（I）与操纵区（O）之间，不能单独起始β-半乳糖苷酶和透过酶的高效表达。

3，操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。

4，当阻遏物与操纵区结合时，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，使之不能与操纵区结合，从而激发lac

mRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的转录。乳糖操纵子负调控的主要内容

lac操纵子的本底水平表达阻遏物的结合：异构乳糖IPTG透过酶及

-半乳糖苷酶是乳糖操纵子负控诱导所必需的葡萄糖对lac操纵子的影响1，代谢物抑制效应（cataboliterepression）2，cAMP与CRP（

cAMPreceptorprotein）

CAP（Catabolitegeneactivationprotein）代谢分解物基因激活蛋白的正调控

（二）CAP的正调控CAP以二聚体形式与DNA结合，使DNA弯曲90度CAP在不同操纵子中的DNA结合位点operatorCBSpromotor结构基因半乳糖操纵子阿拉伯糖

操纵子结构基因operatorCBSpromotor乳糖操纵子operatorpromotorCBS结构基因CBS：CAPbinding

sitecAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖供给能量时，cAMP含量降低；无葡萄糖时，cAMP含量升高。cAMP与cAMP受体蛋白CRP（cAMPreceptorprotein）结合后所形成的复合物CAP，并以二聚体的方式与特定的DNA序列结合，使转录效率提高50倍。CAP通过改变启动子的构象以及与RNA聚合酶的相互作用,帮助酶分子正确定向,以便与-10区结合，起到取代-35区功能的作用。使转录效率提高50倍Plac是弱启动子，单纯去阻遏使lac操纵子转录开放还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转录活性。CAP的正调控四、色氨酸操纵子营养条件：环境低色氨酸时启动，环境高色氨酸时关闭。色氨酸操纵子的组成：

结构基因：trpE、D、C、B、A

调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子

阻遏物trpR基因：与操纵子相距较远（一）阻遏蛋白的负调控（负控阻遏）（二）弱化子的调控前导序列（leadersequence）：在第一个结构基因trpE与操纵区trpO之间有一段162bp的DNA，编码14氨基酸的前导肽，第10位和第11位相邻的色氨酸密码子。前导序列的转录物内部有4个配对区，彼此都能配对:1区2区配对、3区4区配对，能形成两个茎环结构。第二个茎环后紧接寡聚U。茎环结构（hairpinstructure）3-4区配对终止转录弱化作用自习：半乳糖操纵子，阿拉伯糖操纵子（p255-263）1，转录水平上的调控（transcriptionalregulation）

（1）转录的起始--转录水平调控的主要部位通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的相互

作用实现转录调控。

（2）转录的终止2，转录后水平上的调控（post-transcriptionalregulation）四、基因表达调控的层面转录单元Mostbacterialpromotershave–35and–10elements（consensussequences）SomehaveUPelementSomelack–35element,buthaveextended–10region-35element-10element(Pribnowbox)UPelementpre–10element+1Transcriptionstart+1转录的起始—启动子(Promoter)转录的起始—RNA聚合酶(RNApolymerase)

基因作用

全酶α2ββ’σ

催化rRNA、tRNA和mRNA的合成的起始

核心酶α2ββ’

延伸α

rpoA酶的组装，解旋与再螺旋β

rpoB酶催化中心β’

rpoC酶催化中心σ

rpoD识别特异启动子大肠杆的的RNA聚合酶：由5个亚基组成，即α2ββ’σ，有时还有2个ω亚基。以α2ββ’σ组成的酶称全酶。σ亚基与其他亚基结合较松弛，易从全酶（holoenzyme）上解离；其余部分α2ββ’称为核心酶(coreenzyme)大肠杆菌RNA聚合酶原核生物转录起始s

因子

功能：识别启动子、起始转录

E.coli

中存在多种

s

因子

大部分基因的表达需要s70

特定条件下需要不同的s

因子