原核基因表达调控

第一节 基因表达调控的基本原理
Basic principles for regulation of gene expression
内容提要 一、基因表达的概念 二、基因表达的方式 三、基因表达的规律 四、基因表达调控的生物学意义
一、基因表达的几个基本概念
* 基因组(genome)
一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。
CDRP
吲哚甘油-磷酸 色氨酸
邻氨基苯甲酸合成酶
吲哚甘油硼 酸合成酶
色氨酸合成酶
60 000 60 000
45 000
50 000 29 000
P O L a trpE trpD
P
trpC trpB trpA
t
t’
P：启动子；O：操纵序列；L：前导序列；a：衰减子；t, t’：终止子
色氨酸操纵子的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应
第三节 原核生物翻译水平的基
因表达调控
Regulation of translational gene expression in Prokaryotes
一、衰减是转录－翻译的偶联调控
色氨酸操纵子（trp operon）除了负控阻 遏 系 统 外 ， 还 有 转 录 衰 减 （ attenuation ） 调 控方式。
调控序列
结构基因
trpR
a
催化分枝酸转变为色氨酸的酶
色氨酸操纵子特点: (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.
分枝酸
邻氨基苯甲酸
磷酸核糖基邻 氨基苯甲酸
TATAAT 共有序列
乳糖操纵子的启动序列
• 乳糖操纵子是弱启动子，被RNA-pol结合后，还 需cAMP-CAP（分解代谢物基因活化蛋白）活化。
DNA
CAP结合位点
P OZ YA
CAP + + + + 转录
CCAACCPPAAPP CACPAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
*基因表达(gene expression)
储存在DNA上的遗传信息经转录合成各种RNA，以 mRNA为模板，翻译出执行生命活动功能的蛋白质，这一从 DNA到蛋白质的遗传信息传递过程称为基因表达。 rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。
二、基因表达的方式
组成性表达(constitutive expression) 适应性表达(adaptive expression）
第十八章 原核生物基因表达调控
Regulation n-chang Cao, PHD, caoychang@ Department of Biochemistry and Molecular Biology, University of South China, Hengyang 421001, Hunan Province, P.R.China.
①只有一种RNA聚合酶； ②转录和翻译是偶联进行的，以转录起始为主要调控点； ③操纵子是大多数基因簇的调控方式，主要以代谢酶类作为
受调控对象； ④以负调控居主要优势，由诱导物解除阻遏； ⑤多顺反子mRNA 只在原核生物出现； ⑥相当多基因属于组成型表达(constitutive expression)，即在
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）
第二节 原核基因表达调控机制
内容提要： 一、原核生物基因表达调控的特点 二、原核基因表达调控环节 三、操纵子学说 四、原核基因调控机制的类型与特点 五、转录水平上调控的其他形式
一、原核生物基因表达调控的特点：
正转录调控
负转录调控
正调控
如果在没有调节蛋白存在时基因是关闭的，加入这种调节 蛋白后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白 阻遏蛋白
正转录调控
负转录调控
负调控
在没有调节蛋白存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白 后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。
2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答， 可分为:
启动p序ol 列 操阻纵遏序蛋白列 编码序列
乳糖操纵子（lac operon）
一、乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭(负调控)和被诱导 物开放(可诱导调节).
调控区
结构基因
DNA
P
O
Z
Y
A
I基因 CAP结合位点
操纵序列
启动序列
Z： β-半乳糖苷酶 Y： 通透酶 A：乙酰基转移酶
乳糖操纵子的结构
乳糖操纵子的结构基因编码的蛋白
诱导物: 如果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。
TrpR被Trp激活后可阻遏Trp操纵子的转录
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。
在负调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白 （repressor），起着阻止结构基因转录的作用。
整个生活过程中以恒定而适当的速率表达。这些基因在 真核生物也称为管家基因(housekeeping gene)。
二、原核基因表达调控环节
原核生物mRNA生成后，甚至就在转录的同时即 可作翻译模板，没有真核生物由初级转录产物加工 修饰而成熟，以及成熟RNA从核内向胞浆输送的过程， 故调控集中在转录起始（transcriptional initiation）。
三、协调调节(正调控与负调控协调)
※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或转录活性很低。
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。
葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢 阻遏(catabolic repression)。
-10区
RNA转录起始
TTAACT N7
A
TATGAT N7
A
TTTACA N17 TATGTT N6
A
TTGATA N16 TATAAT N7
A
CTGACG N16 TACTGT N6
A
TTGACA
TATAAT
-35区共有序列
Pribnow盒
操纵序列是阻遏蛋白的结合位点。
当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合 酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前 移动，阻碍转录。
有序地发生，称为基因表达时间特异性。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特 异性(stage specificity)。
2、空间特异性(spatial specificity)
在个体发育全过程，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。
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)。
1、组成性表达：
指基因表达水平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(housekeeping gene)。
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 (inducible gene)；
色氨酸操纵子的作用原理
调节区
trpR RNA聚P合酶O
RNA聚合酶
Trp 低时
结构基因
mRNA
Trp 一增多,但不足以诱导阻 遏蛋白结合操纵序列
Trp
调节区
trpR
PO
前导序列
前导mRNA
1
2
结构基因
衰减子区域
3
4
UUUU……
trp 密码子 终止密码子
第14a1a0前、导11密肽码编子码UU为区Ut:rUp包…密含…U码序U子U列U1……衰减子结构 UUUU……
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。
乳糖操纵子中别乳糖使阻遏蛋白失活诱 导操纵子转录
Trp 操纵子中Trp对 TrpR激活后阻遏 Trp操纵子的转录
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。
乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭(负调控) 阻遏基因
DNA
I
Ppol O z y a
mRNA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
乳糖操纵子被诱导物开放（可诱导调节）
DNA
I
pPol O z y a
mRNA
启动转录
mRNA
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶
半乳糖
乳糖 有乳糖存在时
二、乳糖操纵子由cAMP-CAP系统进行正调控.
lac TTTACA N17 TATGTT N6
A
TTGACA
可诱导调节 可阻遏调节
可诱导调节：指一些基因在平时是关闭的，在特 殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态 转变为活性状态，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中半乳糖对它的诱 导。