第5章 原核基因表达调控

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4.细菌的应急反应 氨基酸全面缺乏---大量空载tRNA— -激活焦磷酸转移酶---ppGpp(应急反应信 号物质）大量合成---关闭许多基因---同 时打开合成氨基酸的基因来应急。
ppGpp会与RNA聚合酶结合，提高基因 转录效率。
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三、乳糖(lac)操纵子与负控诱导系统
（一）操纵子理论的提出 大肠杆菌可以利用葡萄 糖、乳糖、麦芽糖、阿拉 伯糖等作为碳源而生长繁 殖。 当培养基中有葡萄糖和 乳糖时，细菌优先使用葡 萄糖，当葡萄糖耗尽，细 菌停止生长，经过短时间 的适应，就能利用乳糖， 细菌继续呈指数式繁殖增 长。
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生物基因组的遗传信息并不是同时全部都 表达出来的，即使极简单的生物(如最简单 的病毒)，其基因组所含的全部基因也不是 以同样的强度/同时表达的。 大肠杆菌基因组（约4000个基因)，一般 情况下只有5－10%在高水平转录状态，其 它基因有的处于较低水平的表达，或者暂 时不表达。 基因表达具有组织特异性： 基因表达具有阶段特异性：
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（二）乳糖操纵子的调节机制
1、阻遏蛋白的负性调节
调节基因
DNA
mRNA
I
pol P
O
Z
Y
A
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
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DNA
I
pol POZ源自YAmRNA
mRNA
启动转录
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶 半乳糖 乳糖
有乳糖存在时
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阻遏蛋白的负性调节：-- 可诱导调控 1) 无乳糖存在时，阻遏物（阻遏蛋白） 可以结合在操纵基因上 → 阻止转录过 程 → 基因关闭； 2）有乳糖存在时，乳糖→半乳糖→与阻 遏物结合→阻遏物变构 → 阻遏物不能 结合操纵基因 → 转录进行 → 基因开 放。
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顺式作用和顺式作用元件 顺式作用：基因表达受到与基因处于同一条染色 体上的DNA序列的调控，称为顺式作用. 顺式作用元件（cis-acting element）：影响自 身基因表达活性的非编码DNA序列。
DNA
转录起始点
B
A
编码序列
启动子、操纵子和终止子就属于顺式作用元件。
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反式作用与反式作用元件 由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过 与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用， 调节其表达。这种调节作用称为反式作用。编 码产生反式作用因子的调节基因称为反式作用 元件。 DNA
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乳糖操纵子控制模型的主要内容： ⑴Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的 mRNA分子所编码； ⑵启动区P位于调节基因I与操纵区O之间； ⑶操纵区是DNA上的一小段序列，是阻遏蛋白 结合的位点； ⑷当阻遏蛋白与操纵区结合时，mRNA的转录起 始受到抑制； ⑸诱导物（乳糖）通过与阻遏蛋白结合，改变 其三维构象，使之不能与操纵区结合，使 lac mRNA能够合成。
相应功能蛋白质的种类和数量，从而改变自身
的代谢、活动等以适应环境。生物体内的基因
表达各不相同，按对刺激的反应性，基因表达
的方式分为以下两类：
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① 组成性表达：它是指不易受环境变动而 变化的一类基因表达。其中某些基因表达 产物是细胞或生物体整个生命过程中都持 续需要而必不可少的，这类基因可称为管
家基因。
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基因表达? 是指储存遗传信息的基因经过转录、翻译 等步骤产生具有特异生物学功能的蛋白质分 子的过程。 基因表达的组织特异性? 不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相 同，而且基因表达的强度和种类也各不相同。
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组成性表达? 它是指不易受环境变动而变化的一类 基因表达。 管（看）家基因? 某些基因表达产物是细胞或生物体整个 生命过程中都持续需要而必不可少的，这 类基因可称为管家基因。
I：调节基因 P：启动序列 O：操纵序列
Z：β-半乳糖苷酶基因
Y：乳糖透过酶基因
A：乙酰基转移酶基因
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乳糖操纵子含有Z、Y和A三个结构基因。Z基因编 码β-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为半乳糖和葡 萄糖； Y基因编码β-半乳糖苷透过酶，促使环 境中的乳糖进入细菌；A基因编码乙酰基转移酶， 以二聚体活性形式催化半乳糖的乙酰化。
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CAP的结 合位点：
有时CAP结 合位点位于启 动子内，如gal 操纵子 有时CAP结 合位点与启动 子相邻如lac操 纵子
有时CAP结 合位点位于启 动子上游，如 ara操纵子
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CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶 的转录活性，使转录提高50倍。相反，当 有葡萄糖可供分解利用时，cAMP浓度降低， CRP不能被活化，lac操纵子的结构基因表 达下降。 cAMP 和CAP是合成lac mRNA所必需的，其 转录必需有CAP结合在DNA的启动区域。
阻遏蛋白 pol 启动序列 操纵序列 编码序列
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激活蛋白(activating protein)：与操纵子 结合后能增强或起动结构基因转录的调控蛋 白称为激活蛋白，所介导的调控方式称为正 转录调控(positive regulation)。 激活蛋白可结合启动序列邻近的DNA序列，促 进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚 合酶活性。
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1）有葡萄糖存在，cAMP↓→CAP↓，不能结合 CAP位点上，→正调控作用↓→基因不能表达。
2）无葡萄糖存在，cAMP↑ →CAP↑ →正调控作
用↑ → 基因表达。
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CAP的结合对DNA构型的影响：
cAMP-CRP复合物(CAP)与启动子区的结合，可使 DNA呈弯曲状态，从利于形成稳定的开放型启动子RNA聚合酶结构（复合物与RNA聚合酶接触）。
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基因表达的组织特异性：指不同组织细胞中不 仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强 度和种类也各不相同。 基因表达的阶段特异性：细胞分化发育的不同 时期，基因表达的情况是不相同的。
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（二）基因表达要适应环境的变化 生物只有适应环境才能生存。当周围的营
养、温度、湿度、酸度等条件变化时，生物体
就要改变自身基因表达状况，以调整体内执行
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负转录调控? 阻遏蛋白介导的调控方式称为负转录调 控。 基因表达调控主要表现在那两个方面？ （1）转录水平上的调控 （2）转录后的调控 mRNA加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控
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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，由原来的关闭的状态转变为工作状 态，即基因得到活化。典型的例子为大肠杆 菌乳糖操纵子。 可阻遏调节？
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，由原来的关闭的状态转变为 工作状态，即基因得到活化。典型的例子为大 肠杆菌乳糖操纵子。 可阻遏调节：此类基因平时是开启的，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。如色氨酸操纵子。
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2.弱化子对基因活性的影响 在色氨酸操纵子中讲 3.葡萄糖效应或降解物抑制作用 当葡萄糖作为能源时，它能比其他糖优先 被利用。 当大肠杆菌在培养基中发现葡萄糖和乳糖 时，它分解利用葡萄糖，而阻抑乳糖的利 用，是通过阻止乳糖子操纵子的表达来实 现的。
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操纵子学说
针对大肠杆菌利用乳糖 的适应现象，法国的雅 各布（F．Jacob）和莫 诺德（J．Monod）等人 做了一系列遗传学和生 物化学研究实验，于 1961年提出乳糖操纵子 (lac operon)学说，如 P237 图7-6 所示。 获1965年诺贝尔生理学 和医学奖
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操纵子
操纵子（operon）调控模式:是原核生物中
存在的一种主要的调控模式，该模式也见于 低等真核生物中。 在原核生物中，若干结构基因可串联在 一起，其表达受到同一调控系统的调控，这 种基因的组织形式称为操纵子（operon） ， 是基因表达的协调单位。
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操纵子的组成：由调节基因、启动子（启动序 列）、操纵基因（操纵序列）及其所控制的一组功 能上相关的结构基因所组成。 乳糖操纵子的结构
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（三）乳糖操纵子的影响因子
安慰性诱导物（gratuitous inducer）：
一些化学合成的乳糖类似物，不受β－半乳糖苷 酶的催化分解，却也能与阻遏蛋白特异性结合， 使阻遏蛋白构象变化，诱导lac操纵子的开放。 例如：异丙基巯基半乳糖苷(IPTG)就是很强 的诱导剂，不被细胞代谢而十分稳定。 TMG：巯甲基半乳糖苷 ONPG：O-硝基半乳糖苷
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② 适应性表达：它是指环境的变化容易使 其表达水平变动的一类基因表达。 例如与适宜温度下生活相比较，在冷 或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成 的蛋白质图谱就有明显的不同；长期摄取 不同的食物，体内合成代谢酶类的情况也 会有所不同。所以，基因表达调控是生物 适应环境生存的必需。
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随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(inducible gene)； 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)。
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基因表达调控的生物学意义
1.适应环境、维持生长和增殖（原核、真 核） 2.维持个体发育与分化（真核）
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（三）相关概念 结构基因和调节基因 结构基因（structural gene）：是编码蛋 白质及RNA的任何基因。如能编码结构蛋 白、酶、调节蛋白等的基因。 调节基因（regulator gene）：是能编码参 与其他基因表达调控的RNA和蛋白质的基 因。
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1、原核基因调控机制的类型与特点
正调控系统 调节基因的产物是激活蛋白（activator） 根据激活蛋白的作用性质，又可分为可诱导 的正调控和可阻遏的正调控。
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负调控系统 调节基因的产物是阻遏蛋白。 根据其作用特征又可分为可诱导的负调控和 可阻遏的负调控。