原核生物基因表达调控
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
原核生物基因表达调控的特点
01
原核生物基因表达调控通常由特 定的转录因子、RNA聚合酶以及 其他调控蛋白介导，通过与DNA 的结合或解离来调节基因转录。
02
原核生物基因表达调控具有快速 响应环境变化的特点，能够在短 时间内调整基因表达模式，以适 应外界刺激和压力。
翻译后加工的调控
翻译后加工的调控
在翻译后加工阶段，新合成的蛋白质经过一系列修饰和加工，最终成为具有生物学活性的蛋白质。原 核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性来调控翻译后加工过程。此外，原核生物还可以通过控制 蛋白质的稳定性来影响其功能和表达水平。
总结
翻译后加工是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性，以及蛋白质 的稳定性来精细调控基因表达。
翻译延伸的调控
翻译延伸的调控
在翻译延伸阶段，核糖体沿着mRNA移动，将氨基酸组装成蛋白质。原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活 性，以及核糖体的合成和组装来调控翻译延伸。此外，原核生物还可以通过控制mRNA的结构和稳定性来影响翻 译延伸。
总结
翻译延伸是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活性，以及核糖体的合成和组装， 以及mRNA的结构和稳定性来精细调控基因表达。
翻译起始的调控
原核生物通过控制翻译起始来调控基因表达。在翻译起始阶段， mRNA与核糖体结合，招募翻译所需的起始因子和其他成分。原 核生物通过控制起始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的 结合来调控翻译起始。
总结
翻译起始是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译起 始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的结合来精细调控基 因表达。
第七章原核生物的基因调控
第七讲原核生物的基因调控科学家把这个从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。
要了解动、植物发展发育的规律、形态布局特征和生物学功能，就必需弄清楚基因表达调控的时间和空间概念，掌握了基因表达调控的奥秘，我们手中就有了一把揭示生物学微妙的金钥匙。
基因表达调控主要暗示在以下几个方面：①转录程度上的调控(transcriptional regulation)；②mRNA加工成熟程度上的调控(differential processing of RNAtranscript)；③翻译程度上的调控(differential translation of mRNA).原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)和环境因素(environmental factor)对基因表达起着举足轻重的影响。
在真核生物尤其是高等真核生物中，激素程度(hormone level)和发育阶段(developmental stage)是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。
二、基因表达调控的底子道理〔一〕基因表达的多级调控基因的布局活化、转录起始、转录后加工及转运、mRNA降解、翻译及翻译后加工及蛋白质降解等均为基因表达调控的控制点。
可见，基因表达调控是在多级程度长进行的复杂事件。
此中转录起始是基因表达的底子控制点。
四个底子的调控点：〔1〕基因布局的活化。
DNA表露碱基后RNA聚合酶才能有效结合。
活化状态的基因暗示为：1.对核酸酶敏感；2.结合有非组蛋白及修饰的组蛋白；3.低甲基化。
〔2〕转录起始。
最有效的调节环节，通过DNA元件与调控蛋白彼此作用来调控基因表达。
〔3〕转录后加工及转运。
RNA编纂、剪接、转运。
〔4〕翻译及翻译后加工。
翻译程度可通过特异的蛋白因子阻断mRNA 翻译翻译后对蛋白的加工、修饰也是底子调控环节。
《原核生物基因表达调控》练习题及答案
《原核生物基因表达调控》练习题及答案一、名词解释1.基因表达调控答案：所有生物的信息，都是以基因的形式储存在细胞内的DNA（或RNA）分子中，随着个体的发育，DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统，转变成蛋白质或功能RNA分子，执行各种生理生物化学功能。
这个从DNA到蛋白质或功能RNA的过程被称之为基因表达，对这个过程的调节称之为基因表达调控。
2.组成性基因表达答案：是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。
其基因表达产物通常是对生命过程必须的或必不可少的，一般只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，且较少受环境因素的影响及其他机制调节，也称为基本的基因表达。
3.管家基因答案：某些基因产物对生命全过程都是必须的获必不可少的。
这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中均表达，被称为管家基因。
4.诱导表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。
5.阻遏表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。
6.反式作用因子答案：又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。
它们由某一基因表达后通过与特异的顺式作用元件相互作用，反式激活另一基因的转录。
7.操纵子答案：是指原核生物中由一个或多个相关基因以及转录翻译调控元件组成的基因表达单元。
8.SD序列答案：存在于原核生物起始密码子AUG上游7~12个核苷酸处的一种4~7个核苷酸的保守片段，它与16S rRNA 3’端反向互补，所以可将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用。
根据首次识别其功能意义的科学家命名。
9.阻遏蛋白答案：是一类在转录水平对基因表达产生负控作用的蛋白质，在一定条件下与DNA结合，一般具有诱导和阻遏两种类型。
在诱导类型中，信号分子（诱导物）使阻遏蛋白从DNA释放下来；在阻遏类型中，信号分子使阻遏蛋白结合DNA，不管是哪一种情况，只要阻遏蛋白与DNA结合，基因的转录均将被抑制。
第14章 原核生物基因表达调控
第14章原核生物基因的表达调控重点：操纵子的结构特点和功能；乳糖操纵子的正负调控；色氨酸操纵子的衰减作用。
难点：色氨酸操纵子的衰减作用。
第一节基因调控的基本定律一、基因调控水平二、基因和调控元件三、DNA结合蛋白一、基因调控水平基因表达的调控可以发生在DNA到蛋白质的任意节点上，如基因结构、转录、mRNA 加工、RNA的稳定性、翻译和翻译后修饰。
二、基因和调控元件基因：是指能转录成RNA的DNA序列。
结构基因：编码代谢、生物合成和细胞结构的蛋白质。
调节基因：产物是RNA或蛋白质，控制结构基因的表达。
其产物通常是DNA结合蛋白。
调控元件：不能转录但是能够调控基因表达的DNA序列。
三、DNA结合蛋白调控蛋白通常含有与DNA结合的结构域，一般由60-90个氨基酸组成。
在一个结构域中，只有少数氨基酸与DNA接触。
这些氨基酸（包括天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、赖氨酸和精氨酸）常与碱基形成氢键，或者与磷酸核糖骨架结合。
根据DNA结合结构域内的模体，可以将DNA结合分成几种类型（图16.2）。
第二节大肠杆菌的乳糖操纵子一、操纵子结构二、正负调控三、乳糖操纵子四、lac突变五、正控制一、操纵子结构原核和真核生物基因调控的主要差异在于功能相关的基因的组成。
细菌的功能相关的基因常常排列在一起，并且由同一启动子控制。
一群一起转录的细菌的结构基因（包括其启动子和控制转录的额外序列）称为操纵子。
二、正负调控转录水平上的调控主要有两种类型：负调控：gene ON 阻遏蛋白 OFF正调控：gene OFF 激活蛋白 ON诱导：活性阻遏蛋白 失活诱导因子＋非活性激活蛋白 活性阻遏：失活阻遏蛋白 活性共阻遏蛋白＋活性激活蛋白 失活三、乳糖操纵子乳糖操纵子是诱导型操纵子，当诱导物不存在时，阻遏蛋白结合到操纵序列上并阻止转录；当诱导物存在时，阻遏蛋白与诱导物结合后失去活性，转录才得以进行。
四、lac突变为了鉴定乳糖操纵子各个成分的功能，Jacob和Monod做了细菌的接合实验，其中供体菌的F’因子上也带有乳糖操纵子。
原核生物基因表达调控
Repressor
cAMP
CAP
葡萄糖不存在，乳糖存在，阻遏蛋白失活，cAMP+CAP与CAP位点结合结合，促进基因转录
The Lac Operon: III. 葡萄糖和乳糖都存在
Repressor
RNA Pol.
CAP Bindin
g
Promoter
Operator X
LacZ
Repressor负调节与正调节协调合作
• 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 • 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从操作基因上解聚仍无转录活性
3）正调控和负调控
正调控(positive control)
在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白后基因活性就被开启，这样的调控为正转录 调控。
调节基因
操纵基因
结构基因
调节蛋白
mRNA 酶蛋白
负调控（negative control)
在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调 控负转录调控。
2）结构基因和调节基因
➢ 组成基因/管家基因（constitutive gene, housekeeping gene）是指不大受环境变动而持 续表达的一类基因。如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的基因 。 ➢调节基因（regulated gene）指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因。如：不同生 长发育时期表达的一些基因。
• 别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物 • 异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）结构上类似于别乳糖，是乳糖操纵
子非常有效的诱导物。可诱导lac操纵子表达，但不能被β-半乳糖苷酶水解。 • 这种能诱导酶合成，但不能被酶分解的分子称为安慰诱导物（gratuitous inducer）。安慰诱导
第九章：原核生物基因表达调控
抗σ因子与抗抗σ因子
9.1.1.3 双组分调节系统
双 组 分 调 节 系 统 的 组 成
感应激酶 应答调节子
周质结构 域、 胞质结构 域
PhoR和PhoB构成的双组分调节系统
天冬氨酸残基
9.1.2 转录终止阶段的调控
9.1.2.1 弱化子
研究表明色氨酸操纵子两种机制的调控。如果trp操纵子只受 trpR编码的阻遏物调控，那么在缺乏或存在色氨酸时，trpR 突变使trp操纵子表达的酶量应该是相同的。可是，在trpR缺
❖热激蛋白的表达调控主要发生在转录水平上。热激蛋白基 因的启动子被σ32而不是通常的σ70识别。σ32也不能识别σ70启 动子，因为这两种σ因子识别的启动子序列不一样
❖HSP的诱导合成是由于细胞内的σ32合成发 生在翻译水平。 ▪另一方面，在热激条件下σ32的稳定性也增加了。
严谨反应的分子机制
（p）ppGpp与RNA聚合酶β亚基结合，改变了RNA聚合酶对 一系列启动子的亲和力，导致细胞基因表达的整体变化，使细 胞适应新的环境。这些变化包括rRNA和tRNA的合成被抑制， 一系列参与氨基酸合成与运转的基因被激活。
人们在对大肠杆菌relA突变体进行研究时认识到是（p） ppGpp的积累引发了严紧反应。relA突变体即使在氨基酸饥饿
Fur能够感应细胞 内铁的水平。当 细胞内有充足的 铁时，Fur关闭反 义bfr基因，细胞 产生细菌铁蛋白。 在低铁条件下， 反义bfr基因被转 录，产生反义 RNA，阻止细菌 铁蛋白的合成。
分子生物学 第十一章 原核基因表达的调控
被cAMP激活 结合位点～22bp I -70 ~ -50
II -50 ~ -40
结合位点序列保守 不同基因受cAMP激活的水平不同
3 CAP的结合对DNA构型的影响
DNA弯曲 弯曲点位于CAP结合位点二重对称的中心 弯曲使CAP能与启动子上的RNA pol 接触
Summary
CA
B A: RNA polymerase B: lac repressor C: CRP-cAMP
Summary of lac operon regulation
Glucose High High Low Low
cAMP Low Low High High
Lactose Absent Present Absent Present
• 加入CAP，转录
• lac UV-5突变， -10区 TATGTT → TATAAT 在无CAP时，转录
• DNA topI 突变，降低起始转录对CAP的依赖
cAMP-CAP复合物的结合，使位点II附近的富含GC 区域双螺旋结构稳定性降低，因而-10区的熔解温度降 低，促进开放型启动子复合物的形成
9 原核生物基因表达的调控
9.1 基因表达概述 9.2 操纵元控制理论 9.3 基因转录的时序调控 9.4 转录后加工的调控 9.5 翻译水平的调控
孙朱乃玉恩贤
9.1 基因表达概述
9.1.1 生物遗传信息
9.1.1.1 C值矛盾 C value paradox
Genome DNA
10%; 结构基因的编码序列
triplet codon 90%; 重复，间隔，调节序列…
基因选择性表达指令 重要的遗传信息
.9.1.1.2 遗传信息的两大类别
生物学原核生物基因表达的调控
第二节
原核生物基因表达的 转录水平调控
Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level
目录
一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋 白质结构为基础
（一）特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础
在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列，与结 构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别 和结合，这些特定的DNA序列称为顺式作用元件（cisacting elements），亦称为顺式调控元件。在原核生物 中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合 位点、增强子等。
transcription
RNA 5'-AGGUCCACG········-3'
启动子及其与转录的关系 ···
目录
（二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起 始进行负调控
阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负 调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启 动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与 DNA结合后，RNA聚合酶仍有可能与启动子结合， 但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种 作用称为阻遏（repression），特定的信号分子与阻 遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA 上脱落下来， 称为去阻遏，或脱阻遏（derepression）。
usually binds to CAAT box
目录
二、特定蛋白质与DNA结合后控制 转录起始
（一）σ因子和启动子决定转录是否能够起始
-35
-10
+1
5'-TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG············-·3·'
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• 阻遏蛋白结构具有对称性，是相同亚基构成 的四聚体。
Active repressor
cannot bind to
O c mutant operantor
lacI O c operantor
Operon is transcribed and translated
β-半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶 图 16-7 操纵基因发生组成型突变，操纵子组成型表达
第八章 原核生物基因表达调控概述
第一节原核生物基因表达调控概述
• 一、基因表达调控的意义
• 在一定调节机制控制下，基因通过转录和翻译而 产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产 物，如tRNA、rRNA等的过程 。
• 大多数基因的表达产物是蛋白质,部分基因如 tRNA和rRNA基因表达产物是RNA。
转录水平上的调控 转录后水平上的调控
• 操纵子学说
1961年，法国巴斯德研究院的Francois Jacob （雅各布）与Jacques Monod（莫洛）提出， 获1965年诺贝尔生理学和医学奖。
操纵子(operon)
启动子 (promoter)
结构基因
调节基因
阻抑蛋白
操纵基因 (operator)
（1）Lac阻遏物的作用---负调控
阻遏基因
DNA
I
pPol O Z Y A
mRNA
阻遏蛋白
2020/4/18
没有乳糖存在时
40
有乳糖存在时
DNA
I
mRNA
pPol O Z Y A
启动转录
mRNA
阻遏蛋白
异乳糖
乳糖
• 2020/4/18 乳糖操纵子为一个可诱导的负控制系统 42
（2）CAP的正性调节
CAP
RNA聚合酶结合
0
-35
-10
O
[ cAMP
无葡萄糖: cAMP (促进转录) 有葡萄糖: cAMP (不促进转录)
•代谢物阻遏效应
•研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制lac mRNA 的合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应。
葡 萄 糖 效 应
有葡萄糖，cAMP 浓度低时
CAP
I
RNPA pol O Z Y A
三、原核生物基因表达调控的几个重要概念
• 结构基因：编码细胞结构和基本代谢活动所必要 的RNA和蛋白质的基因。
• 调节基因：编码合成那些参与基因表达调控的 RNA和蛋白质的特异DNA序列。调节基因编码的 调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录是 调控的关键。
• 顺式作用元件（cis-acting elements）:调节基因表 达的DNA序列。
• 反式作用因子（trans-acting factors）：调节基因 表达的蛋白质因子，可直接或间接结合顺式作用 元件。
• 正调控和负调控
正调控(positive control)
• 在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某 种调节蛋白后基因活性就被开启，这样的调控为 正转录调控。
调节基因
操纵基因
RNA聚合酶 结构基因
5’
前导肽
23
核1 糖体
2 43
4
UUUU…U…UUU……
trp 密码子 序列3、4不能形成衰减子结构
2.当色氨酸浓度低时
3 降解物对基因活性的调节
• 葡萄糖效应（降解物抑制作用） 是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌
的碳源时葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的 存在阻止了其它糖类的利用的现象。
• 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，称之为基因表达的 空间特异性(spatial specificity)。
• 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(cell or tissue specificity)。
阻遏基因
DNA
I
mRNA
阻遏蛋白
pPol O Z Y A
弱启动子控制的 组成型合成
Helix-turn-helix Core domain1 Core domain2
1
51
80
360
DNA binding Hinge
Inducer binding Oligomerization
图 16- 阻遏蛋白单体的结构和功能
结构基因
调节蛋白
mRNA 酶蛋白
负调控（negative control)
• 在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这 种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的 调控负转录调控。
调节基因
操纵基因
Байду номын сангаас结构基因
阻遏蛋白
不转录，基因封闭
• 正调控（positive regulation）
• 与缺乏调控因子时比较，若调控因子使靶基因的 表达水平上升。调控因子称激活蛋白（activator）
HO
O
H
O
OH H
H
HH
H
OH
H OH
OH H H
H
＋ H2O
O OH
CH2OH
CH2OH
HO
O
H
OH H
H
H OH
H HO
OH H H
OH H
H
O OH
O CH2
别乳糖
CH2OH
H
O OH
H
OH H
＋
HO
H
H
OH
葡萄糖
CH2OH
HO
O OH
H
OH H
H
H
H OH
半乳糖
图 16- 乳糖分解的不同产物
• 正调控可分为：
• 可诱导的正调控系统
调节因子在诱导物的作用下，能与启动子结合开启 结构基因的转录。
• 可阻遏的正调控系统
调节因子可与启动子结合，促进结构基因的转录。 但当其与辅阻遏物结合后，不能启动结构基因的转 录。
2020/4/18
14
2020/4/18
15
• 负调控（negative regulation）
CAP
I
RNPA pol O Z Y A
Primary structure of lac operon regulation region
Catabolite gene
activation protein site
5’ CACTCGATTGAGTGTAATTA
T
C
A
T
T
A G
RNA polymerase binding region or promoter region
与缺乏调控因子时比较，若调控因子使基因的表
达水平下降，甚至关闭，调控因子称阻遏蛋白 （repressor）
• 负调控可分为：
• 可诱导的负调控系统
• 阻遏蛋白与操纵基因结合，可阻止结构基因的转 录，但有诱导物时，它与阻遏蛋白结合从而解除 对结构基因转录的抑制。
• 可阻遏的负调控系统
• 阻遏蛋白不影响结构基因的转录，但它与辅阻遏
结构基因
衰减子区域
3
4
UUUU……
trp 密码子 终止密码子
第141a0a、前1导1密肽码编子码UU为区Ut:Ur包…p密含…U码序U子U列U1……衰减子结构 UUUU……
形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4
(a) 正常
12
5’ trp mRNA trpL
(b) 高 [Trp]
调控区
结构基因
DNA
I P OZ YA
控制基因 启动子 阻遏基因
Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶 A：乙酰基转移酶
Lac操纵子P、O区的重叠
乳糖操纵子模型
• Z、Y、A基因的产物为一条多顺反子mRNA
lacZ：编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为 半乳糖和葡萄糖； lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透 过细菌的细胞壁； lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖 代谢。
G
CACCCCAGGCTTTACACTTTATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTGAGCGGA
-35 site
-10 site
5’ TATAAT 3’ Pribnow box
T
Operon region A
A
20bp
C
A
A
T
T
T
C
A
C
A
C 3’
（3）协调调节
• 当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥 作用；
Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关；
I基因：决定细胞对诱导物的反应。
• 1961年, F. Jacob & J.Monod提出乳糖操纵子学 说， 此后不断完善。1965年获诺贝尔生理学和医 学奖。
Jacques Monod
Francis Jacob
2020/4/18
32
一、乳糖操纵子（lac operon）的结构与 组成
第二节 乳糖操纵子
• Discovery of Operon
Jacques Monod
• 1940年， Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基 上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳 糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二 次生长曲线”。
31
• 1951年，Monod与Jacob合作，发现两基因：
1
2
(C) 低[Trp]
34
trpE
寡聚U区
34
转录终止
23
4
1
转录延伸