原核生物基因表达的调控启动子教学提纲
分子生物学基础第六章原核生物基因表达调控 第二节原核基因表达的调控
第六章 原核生物基因表达调控
第二节 原核基因表达的调控
一、转录水平的调控 原核生物转录水平调控的经典模型是操纵子模型，该模型提出一 个调控区域控制连锁在一起的多个基因的转录。 细菌基因组中，相关基因串联在一起，形成一个基因簇，编码同 一代谢途径中不同的酶，它们是一个多顺反子，共同转录、共同调控， 构成表达、调控的单元，称为操纵子（operon），由启动子、转录控 制区、结构基因（structural gene）组成的一个转录单位（图6-5）。 基因组中存在的基因根据其产物功能不同可以分为两种类型，编码细 胞结构、基本代谢所需的蛋白或RNA的称为结构基因，编码可以控制 其它基因表达的蛋白或RNA的基因则称为调控基因。操纵子模型中， 由转录控制区应答调控基因所表达的调控因子的作用，决定下游的结 构基因是否表达。
成一个独立的转录单位，色氨酸操纵子（图6-3）。 另一独立转录单位，trpR基因编码结合trpO的阻遏蛋白TrpR。正
常情况下，该蛋白无活性，不与trpO结合，因此trpO下游的结构基因 trpEDCBA常规表达。培养基中加入Trp，Trp可激活TrpR的活性， TrpR结合于trpO，阻遏下游基因表达。其中，Trp是辅阻遏物。即若 环境中Trp供应充足，菌体将关闭色氨酸从头合成的一系列酶基因的 转录过程（图6-10）。
trpB(UGA处翻译终止) -UGA -GAA-AUC- UGA-UGG-AA
trpA(AUG处翻译起始)
A UG-G AA-
第二节 原核基因表达的调控
3．稀有密码子对翻译的影响 DNA复制时，引物酶催化一段RNA引物的合成，引物酶 由dnaG编码。rpsU-dnaG-rpoD组成一个转录单位，产生多 顺反子转录物。细胞内三个基因的终产物的浓度相差却很 大，rpsU产物浓度为4×104个/细胞，dnaG产物50个/细胞， rpoD产物2800个/细胞。菌体通过使用稀有密码子，使转 录为一条mRNA链的三个基因的表达产物量可以有很大差异。
第十章原核生物基因表达的调控
表 16-4 E.coliσ 因子识别不同保守序列的启动子 基因 分子量 70KD 32KD 24KD 54KD 28KD 功能 普遍 热休克 热休克 氮饥饿 产生鞭毛 -35 序列 TTGACA CCCTTGAA ？ CTGGNA CTAAA 间隔(bp) 16～18 13～15 ？ 6 15 -10 序列 TATAAT CCCGATNT ？ TTGCA GCCGATAA
基本概念
1.操纵子（operon）
很多功能上相关的结构基因在染色体上串连排列，由 一个共同的控制区来操纵这些基因的转录。包含这些结构 基因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子(operon)。
一个完整的操纵子主要包括启动子、操纵基因、结构 基因和终止子。
2. 阻遏物和激活物（reperssor and activator）
2. 基因表达的极性效应
•在正常情况下原核基因表达时，其转录出来的mRNA随 即进行翻译，这时整个mRNA都覆盖着核糖体， ρ因子 无法接近mRNA，而RNA聚合酶早已越过前面的基因的 依赖ρ因子的终止子，所以转录实际上并不停止，而是继 续转录后续基因。如果在某一基因的依赖于ρ的终止子之 前发生无义突变，核糖体便从无义密码子上解离下来，翻 译停止，于是ρ就可以自由进入RNA并移动，直到赶上停 留在终止子上的RNA聚合酶，结果使RNA聚合酶释放， 不能再转录下游基因。
第十章 原核生物基因 表达的调控
生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细 胞内的DNA(或RNA)分子中的。随着个体 的发育，DNA有序地将遗传信息，通过转 录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种 生理生化功能，完成生命的全过程。从 DNA到蛋白质的过程，叫做基因表达 (gene expression)，对这个过程的调节 就称为基因表达调控(gene regulation或 gene control)。
原核生物基因表达调控
第六章基因的调控1：原核生物基因表达调控第一节概述机体能在基因表达过程的任何阶段进行调控，如调控可在转录阶段、转录后加工阶段和翻译阶段进行。
转录的调控主要发生在起始阶段，这样可避免浪费能量合成不必要的转录产物。
通常不在转录延伸阶段进行调控，但可在终止阶段进行调控，终止可以防止越过终止子而进行下一个基因的转录。
RNA的初级转录产物本身是一个受调控的靶分子，转录物作为一个整体其有效性可以受到调控，例如，它的稳定性可以决定它是否保存下来用于翻译。
此外，初级转录产物转变为成熟分子的加工能力可决定最后mRNA分子的组成和功能。
在真核细胞中，还可对RNA从核到胞浆中的转运进行调控。
但是在细菌中，mRNA只要一合成，就可用于翻译。
翻译也像转录一样，在起始阶段和终止阶段进行调控。
DNA转录的起始和RNA翻译的起始路线也很相似。
在原核生物和真核生物最常见的调控是转录过程的调控。
因此本章先讨论转录调控，然后，再介绍翻译水平的调控。
为了便于理解，在介绍具体的调控过程之前，先介绍一些基本概念。
1．顺式作用组件和反式作用因子基因活性的调控主要通过反式作用因子(通常是蛋白质)与顺式作用组件(通常在DNA上)相互作用而实现。
基因是编码可扩散产物的DNA序列，基因所编码的产物可以是蛋白质(大多数基因都编码蛋白质)，也可以是RNA(tRNA和rRNA)。
其最重要的特点是基因产物将从合成的场所扩散到其发挥作用的其他场所。
游离基因产物扩散至其目标场所的过程称为反式作用trans-acting)。
因此反式作用因子(trans-actingfactor)的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上。
顺式作用(cis-acting)的概念用于任一不转变为任何其他形式的DNA序列，它只在原位发挥DNA 序列的作用，它仅影响与其在物理上相连的DNA。
有时顺式调节序列最终发挥作用的分子不是DNA，而是RNA。
因此，顺式作用组件(cis-actingelement)是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。
基因的表达与调控上原核生物的基因调控
核心启动子包含转录因子结合位点，是转录因子结合和转录起始的主要区域。
增强子
增强子是启动子附近的DNA序列，能够与调控蛋白相互作用，显著影响基因表达的水平。
原核生物中的调控网络
在原核生物中，基因调控形成复杂的网络，不同的转录因子相互作用，通过正向和负向调控形成调节回路，确 保基因表达的准确调节。
1
转录因子交互作用
转录因子与其他转录因子相互作用，构
正向和负向调控环路
2
建复杂的调控网络。
正向和负向调控环路通过转录因子之间
的相互作用，在基因表达调控中起到重
要作用。
3
调控网络的稳定性
调控网络的稳定性可确保基因表达对环 境和发育的适应性。
未来研究方向和挑战
虽然我们已经取得了对原核生物基因调控机制的许多了解，但仍面临着许多 挑战。未来的研究应重点关注调控网络的复杂性、新型调控因子பைடு நூலகம்发现以及 调控机制的进一步解析。
基因的表达与调控上原核 生物的基因调控
本演示将介绍基因表达与调控的概念，原核生物基因调控的基本机制，正向 调控和负向调控，启动子的结构和功能，转录因子及其作用，原核生物中的 调控网络，以及未来研究方向和挑战。
基因调控的基本机制
在原核生物中，基因调控通过转录因子与启动子相互作用，调整基因的转录水平。转录因子与DNA结合后激活 或抑制转录过程。
转录因子的作用
转录因子能够识别与结合启动子上的特定序列，直 接影响基因的表达。
正向调控和负向调控
转录因子的激活和抑制作用分别对应基因的正向调 控和负向调控。
启动子的结构和功能
启动子是基因调控的关键元件，通常包括核心启动子和增强子。核心启动子位于转录起始点附近，而增强子则 能够进一步调控基因的表达。
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。
第十三章基因表达的调节基因表达调节的基本概念及原理原核
组成性基因表达也是相对的，而不是一成不变 的，其表达强弱也是受一定机制调控的。
（2）诱导和阻遏表达
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。
改变基因表达的情况以适应环境，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
激活蛋白
启p动o序列 操纵序列 编码序列 l
真核基因的调节蛋白--反式作用因子（转录因子）
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。
DNA
a
mRNA
蛋白质A
A
反式调节
A
B
转录调节因子结构
DNA结合域
转录激活域
酸性激活域 谷氨酰胺富含域 脯氨酸富含域
四、基因表达调控的基本原理
1、基因表达的多级调控
基因 激活
转录水平的基因表达调控最重要
转录起始 转录后加工 mRNA降解
蛋白质翻译
翻译后加工修饰
蛋白质降解等
2、特异DNA序列对基因转录激活的调节
基因转录激活调节基本要素
基因表达的调节与基因的结构、性质， 生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细 胞内所存在的转录调节蛋白有关。
4）有乳糖，无葡萄糖时：
RNA-pol
细胞内cAMP含量高， cAMP与CAP结合成复合
O
物，与DNA结合，并推动 RNA-pol向前移动，促进
mRNA
转录。
乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与
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。
原核生物的基因表达调控调控
第九章原核生物的基因表达调控调控第一节转录起始调控一、乳糖操纵子1961年Jacob和Monod，提出了操纵子模型。
操纵子是原核生物基因表达和调控的单元。
典型的操纵子包括一组结构基因和调节结构基因转录所需的顺式作用序列，这些序列包括启动子（promoter）、操纵基因（operator）以及其他与转录调控有关的序列。
一个操纵子的所有结构基因均由同一启动子起始转录并受到相同调控元件的调节，所以从结构上可以把它们看作一个整体。
操纵子的结构基因编码在某一特定代谢途径中起作用的酶，它们被转录成一条多顺反子mRNA，这是原核生物的典型特征。
1、乳糖操纵子的结构乳糖操纵子具有三个结构基因：lacZ编码β－半乳糖苷酶，它可将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY编码乳糖转移酶，该蛋白插入细胞膜中，将乳糖转运到细胞内；lacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，该酶的作用是消除同时被乳糖转移酶转运到细胞内的硫代半乳糖苷对细胞造成的毒性。
2、乳糖操纵子的阻遏与诱导lacI编码的阻遏蛋白以四聚体的形式与操纵基因结合，关闭三个结构基因的表达。
由于阻遏蛋白偶尔会脱离操纵子基因，所以操纵子的转录并非完全关闭，仍会有本底水平的表达，细胞内会有几个分子的β－半乳糖苷酶和透性酶。
当培养基中加入乳糖后，细胞中所含的少量的透性酶，使细胞能够吸收乳糖，β－半乳糖苷酶则催化一些乳糖转化为异乳糖。
异乳糖可作为诱导物结合到阻遏蛋白上，从而引起阻遏物四聚体构象的变化，降低了阻遏蛋白与操纵基因的亲和力，导致阻遏蛋白从操纵序列上脱离下来。
RNA聚合酶迅速开始lacZYA基因的转录。
3、葡萄糖对lac操纵子表达的影响葡萄糖是细菌优先利用的糖类。
当葡萄糖和其他糖类（比如乳糖）同时存在时，细菌只利用葡萄糖而不代谢别的糖类。
因此，乳糖操纵子只有在乳糖存在，同时葡萄糖缺乏时才会高水平表达。
原因是乳糖操纵子除了受阻遏蛋白的调节，还要受到分解代谢活化子蛋白（catabolic activator protein，CAP）的调节。
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第二节 外源基因在原核细胞中的表达
大肠杆菌作为表达外源基因受体菌的特征 大肠杆菌表达外源基因的优势
全基因组测序，共有4405个开放型阅读框架 基因克隆表达系统成熟完善 繁殖迅速、培养简单、操作方便、遗传稳定 被美国FDA批准为安全的基因工程受体生物
第二节 外源基因在原核细胞中的表达
第二节 外源基因在原核细胞中的表达
二、外源基因在原核细胞中表达具备条件
1.通过表达载体将外源基因导入宿主菌，并指导宿主菌的酶系统合 成外源蛋白。
2.外源基因不能带有间隔顺序(内含子)，因而必须用cDNA或全化 学合成基因，而不能用基因组DNA。
3.必须利用原核细胞的强启动子和SD序列等调控元件控制外源基 因的表达。
对基因产物直接控制要慢。
第二节 外源基因在原核细胞中的表达
一、原核生物细胞表达的特点 6.在大肠杆菌mRNA的核糖体结合位点上，含有一个
翻译起始密码子及同16S RNA 3’末端碱基互补的序列，即 SD序列。
Shine-Dalgarno（S-D）sequence:含有一个启始密码子 和一段同核糖体16SRNA3’末端碱基互补的序列，叫ShineDalgarno（S-D）序列。
第二节 外源基因在原核细胞中的表达
大肠杆菌表达载体的基本成分
第二节 外源基因在原核细胞中的表达
三、原核生物基因表达的调控 1. 启动子 是DNA上的能与RNA聚合酶结合并能起始mRNA合成
的序列。 （1）启动子序列 大肠杆菌的所有启动子中都有两段一致顺序
（consensus sequence）。
子，催化所有RNA的合成。
2.原核生物的表达是以操纵子为单位的。
Z编码-半乳糖苷酶；Y编码-半乳糖苷透过酶；A编码-半乳糖苷乙酰 基转移酶。
第二节 外源基因在原核细胞中的表达
一、原核生物细胞表达的特点 3.原核生物的转录与翻译是偶联的，也是连续进行的。 4.原核细胞中缺乏真核细胞的转录后加工系统。 5.原核生物基因的控制主要在转录水平，这种控制要比
5’ TTGACA
17bp
TATAAT
转录起始位点
核糖体结合位点
第二节 外源基因在原核细胞中的表达
三、原核生物基因表达的调控 1. 启动子 （1）启动子序列
原核启动子共有序列的功能
第一节 影响外源基因表达的因素
一、阅读框架对转化基因的影响 什么是阅读框架(open reading frame, ORF)?
二、顺式作用元件对基因表达的影响 1.对基因转录起始的调控 1)启动子 2)增强子 3)沉默子
第一节 影响外源基因表达的因素
二、顺式作用元件对基因表达的影响 2.对基因转录终止的调控 1)终止子 2)衰减子 3.对DNA结构的影响 1)核基质结合区：一段与核基质特异结合的DNA序列。 2)绝缘子：对一侧有作用，对另一侧没有。 3)基因座控制区：通过改变染色质结构导致基因转录。
-35 Box 和 -10 Box
第二节 外源基因在原核细胞中的表达
不同启动子的consensus sequences
第二节 外源基因在原核细胞中的表达
三、原核生物基因表达的调控 1. 启动子 （1）启动子序列 -35 box：RNA聚合酶 亚基的识别位点 。 5’-TTGACA-3’ -10 box（Pribnow Box）：5’-TATAAT-3’
第一节 影响外源基因表达的因素
基因表达是指结构基因在生物体中的转录、翻译以及所 有加工过程。
基因工程中基因高效表达研究是指外源基因在某种细胞 中的表达活动，即剪切下外源基因片段，拼接到另一个基 因表达体系中，使其能获得原生物活性又可高产的表达产 物。
第一节 影响外源基因表达的因素
基因表达 遗传信息从DNA到蛋白质的
传递过程——中心法则（central dogma）。
第一节 影响外源基因表达体
重组载体
提取蛋白
导入宿主细胞
在宿主细胞中 表达出蛋白质
宿主细胞： 原核细胞或真核细胞
第一节 影响外源基因表达的因素
影响外源基因表达的因素主要有： 阅读框架 顺式作用元件 翻译过程 表达体系
第七章 外源基因的表达及其优化策略
第一节 影响外源基因表达的因素 第二节 外源基因在原核细胞中的表达 第三节 外源基因在真核细胞中的表达
第一节 影响外源基因表达的因素
基因表达： 从DNA分子有序地将其所承载的遗传信息,通过密码子
和反密码子系统,转变由特定氨基酸顺序构成的多肽或蛋白 质分子过程，从而决定生物有机体遗传表型。
第一节 影响外源基因表达的因素
三、翻译过程对表达的影响 1.翻译起始对基因表达的影响 2.密码子偏爱性对基因表达的影响 3.翻译终止对基因表达的影响
四、表达系统对表达产物的影响
第二节 外源基因在原核细胞中的表达
外源基因表达系统由基因表达载体和相应的受体细胞 两部分组成。
宿主细胞分为两大类： 第一类为原核细胞：
4.外源基因与表达载体连接后，必须形成正确的开放阅读框架 (ORF)。
5.利用宿主菌的调控系统，调节外源基因的表达，防止外源基因的 表达产物对宿主菌的毒害。
第二节 外源基因在原核细胞中的表达
原核生物基因表达载体的组成特征 启动子 核糖体结合位点(SD序列) 终止子 选择标记基因 复制子
原核生物基因表达的受体系统 大肠杆菌受体系统、芽孢杆菌受体系统 链霉菌受体系统、蓝藻受体系统
大肠杆菌、枯草芽胞杆菌、链霉菌等； 第二类为真核细胞：
酵母、丝状真菌、哺乳动物细胞等。
目前使用最广泛的宿主菌是大肠杆菌和酿酒酵母，已建立了许多适合它 们的克隆载体和DNA导入方法。许多外源基因已获得成功表达。
第二节 外源基因在原核细胞中的表达
用原核生物作宿主。 原核或噬菌体启动子 SD序列 MCS 终止子
大肠杆菌作为表达外源基因受体菌的特征 大肠杆菌表达外源基因的劣势
缺乏对真核生物蛋白质的复性功能 缺乏对真核生物蛋白质的修饰加工系统 内源性蛋白酶降解空间构象不正确的异源蛋白
真核与原核生物结构上存在差别
第二节 外源基因在原核细胞中的表达
一、原核生物细胞表达的特点 1.原核生物只有一种RNA聚合酶识别原核细胞的启动