关于原核基因表达调控
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原核基因表达调控ppt课件
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34
------ 操纵子(operon)
启动子 (promoter)
结构基因
调节基因
阻遏蛋白
操纵基因 (operator)
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35
一、乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成
第七章
原核基因表达调控
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1
内容提要
一、概 述 二、原核生物基因表达的调控
（一）原核生物基因表达的特点 （二）原核生物基因表达的调控机制
(1) 转录起始的调控 (2) 转录终止的调控 (3) 翻译水平的调控
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2
概述
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3
概述
基因表达(gene expression)
是基因转录及翻译的过程，也是基 因所携带的遗传信息表现为表型的过程， 包括基因转录成互补的RNA序列，对于蛋 白质编码基因，mRNA继而翻译成多肽链， 并装配加工成最终的蛋白质产物。
何被表达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什
么组织表达，什么时候表达，表达多少等。
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基因表达的方式
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
•组成性基因表达 •适应性表达（诱导和阻遏表达）
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1、组成性基因表达
某些基因在一个生物个体的几乎所 有细胞中持续表达，通常被称为管家基因 (house-keeping gene)。
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常用的管家基因
中文名称
beta－肌动蛋白 甘油醛3-磷酸脱氢酶 TATA Box结合蛋白 18s 核糖体核糖核酸 微管蛋白α
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英文缩写
β-actin GAPDH TBP 18s rRNA α-tubulin
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
基因表达调控对于生物体的正常生长、发育、代谢和应激反应等 过程至关重要，是生物体适应环境变化和维持内环境稳态的重要 机制。
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。
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。
原核生物基因表达调控分析
Co-repressor
（共阻遏物）
原核生物基因表达调控方式：
负控诱导调节
负控转录调 控系统
调节基因的产物是 阻遏蛋白 （repressor）， 阻止了结构基因的 转录。
阻遏蛋白与效应物（诱 导物）结合，使阻遏蛋 白失活，结构基因转录； 阻遏蛋白与效应物（辅阻 遏物）结合，使阻遏蛋白 产生活性，结构基因不转 录。
operon on operon off operon off operon on
Neg.
i- or 不加入I基因产物 I+ or 加入I基因产物
（激活蛋白）
Pos.
●
Repressor binding on O site 阻遏蛋白 阻止转录启动
Expressor binding front p site
安慰诱导物：
如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶而本身又不
被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异
丙基- β –D-硫代半乳糖苷）。 相反，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)。 如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶， 这种物质就是辅阻遏物。（合成代谢）
第一讲 原核生物基因表达 调控
主要内容
一、基因表达调控的基本概念： 二、 基因表达调控的理论与模式；
一、基因表达调控的基本概念：
1、基因表达调控的意义： 原核生物对环境的适应、对营养条件改变适应的 相关应答，都是基因表达的结果；
真核生物的细胞分化, 组织特化 , 个体发育以及 环境对个体表型的影响都是通过基因表达实现的。
组成型突变： lacOc
iC mut. (iC O+P+) constitutive mut. (组成型)
《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
原核生物基因表达的调控
操纵子学说的基本内容
1961年，法国科学家莫诺（J·L·Monod，1910-1976）与雅可布 （F·Jacob）发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学 说，开创了基因调控的研究。四年后的1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝 尔生理学与医学奖。
莫诺与雅可布最初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。这是一个十分巧妙的 自动控制系统，这个自动控制系统负责调控大肠杆菌的乳糖代谢。 乳糖可作为培养大肠杆菌的能源。大肠杆菌能产生一种酶（叫做“半乳糖 苷酶”），能够催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，以便作进一步的代谢利 用。编码半乳糖苷酶的基因（简称z）是一个结构基因（structural gene）。这个结构基因与操纵基因共同组成操纵子。操纵基因受一种叫作 阻遏蛋白的蛋白质的调控。当阻遏蛋白结合到操纵基因之上时，乳糖会起 诱导作用，它与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵 基因开启，相邻的结构基因也表现活性，细菌就能分解并利用乳糖了，这 样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的诱导物。
原核生物基因表达的调控
基因调控
生物体内的每个细胞都有全套的基因，但细胞中的基因并不是同 时表达的。因细胞的类型和执行的功能不同，细胞中有的基因开 启，有的基因关闭，如血红蛋白基因只在红细胞中表达，消化酶 只在消化腺细胞中表达。这其中存在着复杂的基因调控。 某些基因不断地进行转录和翻译，产生出各种蛋白质，通常称之 为基因表达。每个细胞都有一套完整的基因调控系统，使各种蛋 白质只有在需要时才被合成，这样就能使生物适应多变的环境， 防止生命活动中的浪费现象和有害后果的发生，保持体内代谢过 程的正常状态。但是，原核细胞和真核细胞的基因调控有着明显 的区别。 原核细胞表达的基因调控，比真核细胞要相对简单，这里以大肠 杆菌乳糖操纵子为例来说明。
生物学原核生物基因表达的调控
目录
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·'
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
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+1
5'-TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG············-·3·'
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这一模式是否存在于其它操纵元系统中？
6.1.5 lac operon的正调 控
- glucose
Units of -galactosidase
1 代谢物阻遏效应 实验，在lac＋Glu培养基上 E.coli只利用G，只有G 耗尽时，才会利用lac
Glucose added
+ glucose
Time (hr)
乳糖能激发β-gal mRNA的合成
• 乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶 合成？ 培养基（35S-aa, 无乳糖）→ E.coli繁殖→ 培养基（无35S -aa, 加入乳糖） → β-gal(无35S)
分解底物的酶只有在底物存在时才出现！
6.1.3 调控机理
1 调控区结构 • lacI, 1045bp，独立Pi • P, 82bp，－82～＋1 • O, 35bp，－7～＋28 • lacZYA
gratuitous inducer 安慰诱导物 义务诱导物
• 可诱导半乳糖苷酶产生， 但不是其底物
• IPTG，异丙基半乳糖苷 • TMG ，巯甲基半乳糖苷 • ONPG, O-硝基半乳糖苷
在研究诱导作用时，很少使用乳糖
6.1.4 阻遏蛋白的作用机制
1 阻遏蛋白结构
• 38KD，4 聚体， 一个亚基结合一个IPTG分子 • lacI 组成型转录
关于原核基因表达 调控
引言
• 一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这 种“开-关”（on-off）活性是通过调节转录来建 立的，也就是说mRNA的合成是可以被调节的。 当我们说一个系统处于“off”状态时，也有本底水 平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成1或 2个mRNA分子。所谓“关”实际的意思是基因表 达量特别低，很难甚至无法检测。
• 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、植物生长发育的规律、形态结构特征 和生物学功能，就必须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秘密，我 们手中就有了一把揭示生物学奥妙的金钥匙。
• 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， 激素水平(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。
+ lactose
• 葡萄糖抑制lac mRNA的转录： 可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应 仅去掉阻遏物并不能启动lac基因表达,有其它因 素参与
• 文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶 • 1947年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化中的意
义”
• 1951年，Monod与Jacob合作，发现两对基因：
– 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。
• Szilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在 时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉 该阻遏物。
• 基因表达调控主要表现在以下几个方面： ① 转录水平上的调控(transcriptional regulation)； ② mRNA加工成熟水平上的调控(differential processing of RNA transcript)； ③ 翻译水平上的调控(differential translation of mRNA).
2. 阻遏状态
体外结合竞争实验: 阻遏物＋RNA pol, off RNA pol＋阻遏物， on
3 诱导状态
诱导物
诱导作用：在可诱导的操纵元中， 加入对基因表达有调节作用的小分 子后，开启基因的转录活性
乳糖代谢
4 诱导物 不是乳糖
生成lac诱导物
细胞内β-半乳糖苷酶来源?
Allolctose 异构乳糖 别乳糖
6.1 乳糖操纵元
6.1.1 Discovery of Operon
Francis Jacob Jacques Monod
• 1961年, F. Jacob & J.Monod提出, 此后不断完善。获 1965年诺贝尔生理学和医学奖
• 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”。
• 结构基因：产生mRNA,合成蛋白质 • 操纵位点 promotor,operator：启动子结合位点 • 调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）
→结构基因不转录 诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合
→结构基因转录
6.1.2 酶的诱导现象
β-ell 加入乳糖时，5000个 再去掉乳糖，β-gal mRNA下降
3 阻遏蛋白对RNA pol功能的影响
• 阻遏蛋白和RNA pol可同时与DNA结合 RNA pol 与启动子结合的平衡常数 1.9X107
有阻遏蛋白时, 2.5X109 • 结合着的RNA pol不能转录. 但加入诱导物后, 释
放出阻遏蛋白, 变为开放型启动子复合物. • 阻遏蛋白实际上使RNA pol贮存在启动子上。
• Jacob：结构基因旁有开关基因（操纵基因）， 阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的 表达。
乳糖操纵元结构
调节基因
操作位点
ß -半乳糖苷酶 半乳糖苷透性酶 乙酰基转移酶
Control element Structural genes
• 操纵元是一种完整的具有特定功能的细菌基因表 达和调节的单位，包括调节基因，操纵位点，结 构基因，组成一个控制单元
Pi 弱启动子， 5－10个／cell • 具有二重性 阻止转录（与lacO结合） 开始转录（与诱导物结合）
阻遏蛋白的 结构域
头段，-NH2端，lacO结 合区
绞链区 核心段，-COOH，
诱导物结合区
4个亚基的核心片段接触形成四聚体
2. 阻遏蛋白的结合位点－－lacO的结构
对称轴，+11 对称序列，6bp
6.1.5 lac operon的正调 控
- glucose
Units of -galactosidase
1 代谢物阻遏效应 实验，在lac＋Glu培养基上 E.coli只利用G，只有G 耗尽时，才会利用lac
Glucose added
+ glucose
Time (hr)
乳糖能激发β-gal mRNA的合成
• 乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶 合成？ 培养基（35S-aa, 无乳糖）→ E.coli繁殖→ 培养基（无35S -aa, 加入乳糖） → β-gal(无35S)
分解底物的酶只有在底物存在时才出现！
6.1.3 调控机理
1 调控区结构 • lacI, 1045bp，独立Pi • P, 82bp，－82～＋1 • O, 35bp，－7～＋28 • lacZYA
gratuitous inducer 安慰诱导物 义务诱导物
• 可诱导半乳糖苷酶产生， 但不是其底物
• IPTG，异丙基半乳糖苷 • TMG ，巯甲基半乳糖苷 • ONPG, O-硝基半乳糖苷
在研究诱导作用时，很少使用乳糖
6.1.4 阻遏蛋白的作用机制
1 阻遏蛋白结构
• 38KD，4 聚体， 一个亚基结合一个IPTG分子 • lacI 组成型转录
关于原核基因表达 调控
引言
• 一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这 种“开-关”（on-off）活性是通过调节转录来建 立的，也就是说mRNA的合成是可以被调节的。 当我们说一个系统处于“off”状态时，也有本底水 平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成1或 2个mRNA分子。所谓“关”实际的意思是基因表 达量特别低，很难甚至无法检测。
• 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、植物生长发育的规律、形态结构特征 和生物学功能，就必须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秘密，我 们手中就有了一把揭示生物学奥妙的金钥匙。
• 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， 激素水平(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。
+ lactose
• 葡萄糖抑制lac mRNA的转录： 可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应 仅去掉阻遏物并不能启动lac基因表达,有其它因 素参与
• 文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶 • 1947年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化中的意
义”
• 1951年，Monod与Jacob合作，发现两对基因：
– 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。
• Szilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在 时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉 该阻遏物。
• 基因表达调控主要表现在以下几个方面： ① 转录水平上的调控(transcriptional regulation)； ② mRNA加工成熟水平上的调控(differential processing of RNA transcript)； ③ 翻译水平上的调控(differential translation of mRNA).
2. 阻遏状态
体外结合竞争实验: 阻遏物＋RNA pol, off RNA pol＋阻遏物， on
3 诱导状态
诱导物
诱导作用：在可诱导的操纵元中， 加入对基因表达有调节作用的小分 子后，开启基因的转录活性
乳糖代谢
4 诱导物 不是乳糖
生成lac诱导物
细胞内β-半乳糖苷酶来源?
Allolctose 异构乳糖 别乳糖
6.1 乳糖操纵元
6.1.1 Discovery of Operon
Francis Jacob Jacques Monod
• 1961年, F. Jacob & J.Monod提出, 此后不断完善。获 1965年诺贝尔生理学和医学奖
• 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”。
• 结构基因：产生mRNA,合成蛋白质 • 操纵位点 promotor,operator：启动子结合位点 • 调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）
→结构基因不转录 诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合
→结构基因转录
6.1.2 酶的诱导现象
β-ell 加入乳糖时，5000个 再去掉乳糖，β-gal mRNA下降
3 阻遏蛋白对RNA pol功能的影响
• 阻遏蛋白和RNA pol可同时与DNA结合 RNA pol 与启动子结合的平衡常数 1.9X107
有阻遏蛋白时, 2.5X109 • 结合着的RNA pol不能转录. 但加入诱导物后, 释
放出阻遏蛋白, 变为开放型启动子复合物. • 阻遏蛋白实际上使RNA pol贮存在启动子上。
• Jacob：结构基因旁有开关基因（操纵基因）， 阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的 表达。
乳糖操纵元结构
调节基因
操作位点
ß -半乳糖苷酶 半乳糖苷透性酶 乙酰基转移酶
Control element Structural genes
• 操纵元是一种完整的具有特定功能的细菌基因表 达和调节的单位，包括调节基因，操纵位点，结 构基因，组成一个控制单元
Pi 弱启动子， 5－10个／cell • 具有二重性 阻止转录（与lacO结合） 开始转录（与诱导物结合）
阻遏蛋白的 结构域
头段，-NH2端，lacO结 合区
绞链区 核心段，-COOH，
诱导物结合区
4个亚基的核心片段接触形成四聚体
2. 阻遏蛋白的结合位点－－lacO的结构
对称轴，+11 对称序列，6bp