第二十一章原核生物基因的表达及其调控

• 概念：基因表达的极性现象：在某些情况
下同一转录单位里，由于一个基因的无义突变，
阻碍了其后续基因表达的效应．就称为基因表
达的极性现象。
• 除了无义突变可以导致极性现象外，插入序列
IS1、IS2等DNA片段插入到操纵子的基因中也
会发生极性现象。
• ρ因子也可发生突变，其效应的基本性质是使 终止作用出现故障。突变常可抑制极性效应，
• 抗终止作用最有代表性的例子见于λ噬菌体的 时序控制。λ噬菌体基因在裂解过程中的表达
分前早期、晚早期和晚期3个阶段进行，其早
期基因与晚期基因以终止子相隔。λ噬菌体侵
入敏感细胞，首先借助宿主的RNA聚合酶转录
前早期基因，由此获得的表达产物N蛋白是一
种抗终止因子，它与RNA聚合酶作用使后者越
过左右两个终止子继续转录，实现晚早期基因 表达。
promoter operator 启动基因 操纵基因
structural genes 结构基因
操纵子(operon)模型
R
P
O
structural genes
＋ 正调控（positive regulation)
DNA RNA
－ 负调控 (negative regulation)
Protein
调控（节）蛋白 操纵子
• 在细菌中受核糖体保护的起始序列约35～40个 碱基长，其中包含起始密码子AUG。在起始密
码子上游约4～7个核苷酸之前还有一段富含嘌
吟的5′…AGGAGG…3′短小序列，它可以与 16S rRNA3′端的 3′…UCCUCC…5′区段完全 互补。mRNA上的这段序列称为 Shine Dalgarno 序列（简称SD序列）。
基因失活，结构基因不表达 （正控制/正调节 ）
负调节蛋白+操作子
结构基因转录、表达
基因失活，结构基因组成型表达 （负控制/负调节 ）
根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分： 隐性的组成型表达——负控制系统 结构基因处于不可诱导状态——正控制系统
根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分： 开启调控系统中结构基因的转录活性 ——诱导 关闭调控系统中结构基因的转录活性 ——阻遏
由于β亚基与RNA的前体核昔三磷酸具有很高
亲和力，推测它可能参与底物的结合，以及催
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化磷酸二酯键的形成。
• β’亚基作用：可使聚合酶结合到模板DNA上。
• α亚基作用：游离状态，常以二聚体的形式
存在，参与全酶同启动子的牢固结合。
RNA聚合酶体积很大，横跨近60个碱基， 而解旋的DNA区域可能不到17个碱基。
• 三、原核生物RNA的加工 • 四、SD序列与翻译效率
• 核糖体结合保护降解法：测定mRNA 上核糖体 起始蛋白质合成的部位。在抑制多肽链伸长的
条件下，当翻译起始时，核糖体与mRNA的结
合位点已形成稳定的复合体，于是加入核酸酶
使未与核糖体结合的 mRNA的区段降解，而有
核糖体结合区域则受到保护。
D. 调节基因突变(I-O+Z+Y+A+), 无乳糖时，基因组成型表达； E. 操纵基因突变型(I＋OcZ+Y+A+), 无乳糖时，基因组成型表达。
有σ’亚基的称为全酶Ⅱ。二者的不同在于：全
酶Ⅱ可以利用双链DNA为模板合成po1y〔A)。 • σ亚基作用：参与启动子的识别和结合以及转 录起始复合物的异构化。细胞内哪条DNA链被 转录、转录方向与转录起点的选择都与σ亚基
有关。
• 离体实验表明：全酶所转录的RNA和细胞内
所转录出的RNA，其起始点相同，序列相同， 若仅用核心酶进行转录，则模扳链和起始点的 选择都有很大的随意性，而且往往同一段DNA 的两条链都被转录。
• 三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调控(可诱导) • 乳糖操纵子的组成：1个启动子(promoter)、2
个操作子(operator)、3个结构基因
• 诱导因子： （异乳糖、ß -半乳糖苷、异丙基硫
代半乳糖苷IPDG）
• 乳糖操纵子突变类型：无诱导因子，组成型表
达，突变位点位于调节基因和操作子上。
乳糖操纵元表达受阻状态（缺乏诱导物）
这是因为其突变很可能减弱了ρ对无义密码子
后面的中间终止子的作用，这样翻译的终止并
不会使转录也停顿，且远离无义突变的DNA区
段还可以被重新覆盖的核糖体继续翻译
• (四)抗终止作用 • ρ因子的作用可以被抗终止因子所抵消， 这样，RNA聚合酶便可通过终止子(依赖 于ρ因子的)继续转录后面的基因。这种 现象称为抗终止作用(anti一termination)。
的信号。
• 依赖子ρ因子的终止子其回文序列中GC对含量 较少，回文序列下方没有固定结构，其AU对
含量也较低，因而是弱终止子，必需有ρ因子
存在时才发生终止作用；这也就是说依赖于ρ 因子的终止子由于其茎环结构常较短，在没有 ρ因子时这种茎环结构不稳定。即如果没有ρ因 子存在．RNA聚合酶会继续转录下去，这就称
• 由此可见：σ亚基对识别DNA链上的转录信
号是不可缺少的，它是核心酶和启动子之间的 桥梁。 σ因子的取代在细胞发育和对环境应答 的反应中起主导作用。如在枯草杆菌中就有不 同相对分子质量的σ因子(P227表9—1)
• 核心酶的β亚基作用：对RNA聚合酶的功能
至关重要，参与RNA合成、终止信号的识别。
当聚合酶按5′→3′方向延伸RNA链时，解
旋的DNA区域也随之移动。靠近3′端的
DNA不断解旋。同时在5′端重新形成
DNA双链，不断将RNA-DNA杂合链中
的RNA链挤出。
• （二）启动子 (promoter)：
• 转录的起始是基因表达的关键阶段，启动子就
是连接在基因3’端上游的DNA序列，其长度从 100 bp到200 bp不等，是转录起始时RNA聚合
调控蛋白的作用机制
注：R：Regulator P：Promoter O：Operator 正调控系统中的正调控蛋白又被称为无辅基诱导蛋白（apoinducer) 负调控系统中的负调控蛋白又被称为阻遏蛋白（repressor)
• 二、正调控与负调控
• 调节基因 RNA 调节蛋白
结构基因转录、表达
正调节蛋白+操作子
第二十一章 原核生物基因的表达 及其调控
生物体的每个活细胞都含有相同的一整 套基因。 基因表达具有高度的时空专一化：如肌 红蛋白基因（肌细胞） 基因表达的调控：生物有机体对其基因 表达的时空程序、表达速率等所进行的 调节和控制。 本底水平表达：调控处于关闭状态，只 翻译极少量的蛋白质
第一节 原核生物基因的转录和翻译
• （一）RNA聚合酶(RNA polymerase)：
大肠杆的的RNA聚合酶：由5个亚基组成，即
α2ββ’σ，有时还有2个ω 亚基。以α2ββ’σ组成的
酶称全酶。 σ亚基与其他亚基结合较松弛，易 从全酶上解离；其余部分α2ββ’称为核心酶 (core enzyme)。
• 在大肠杆菌中还发现一种新的σ因子，称为σ’ 因子，因此将含有σ亚基的全酶称为全酶I，含
酶识别、结合的特定部位，但其本身并不被转
录。
• 在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常 将mRNA开始的一个核苷酸定为o点(即+1)．由
此向右常称为下游(downstream)，其核苷酸依
次编为正序号；起始点左例称为上游
(upstream)．其核苷酸则依次以负号表示．紧
接起始点左侧的核昔酸为-1。
的合成。
• 如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加: • ①. β -半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡 萄糖 • ②. 渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和 半乳糖 • ③. 转乙酰酶：β -半乳糖转变成乙酰半乳糖 • 大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加， 几分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比 例地增加. • 乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止.
The lactose operon in the repressed state (in the absence of an inducer)
• A：乳糖操纵子组成部分；
• B：野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),
无乳糖时，基因不表达；
C. 野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),
有乳糖时，基因表达；
• • • •
基因调控主要在三个水平上进行: ①. DNA水平 ②. 转录水平 ③. 翻译水平
• 一、转录的起始
转录是原核生物基因表达的主要调控点， 主要涉及两个方面：1、RNA合成的酶系； 2、RNA合成起始和终止信号，即DNA 分子上的特定序列。 通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的 相互作用实现转录调控，改变细胞的表 型，从而实现细胞生理状态和环境的变 化。
操纵子调控系统的基本类型
可诱导负控制系统
可诱导正控制系统
可阻遏负控制系统
可阻遏正控制系统
• 正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而
是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调
控又有负调控； 原核生物以负调控为主，真核生物以正调 控为主； 降解代谢途径中既有正调控又有负调控；
合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身
• 一、操纵子与操纵子模型
• 操纵子学说/操纵子模型： F.Jacob J.Mond （1960）E.coli lac operon( 1965诺贝尔医学生 理学奖) • 操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本 单元，由结构基因、操作子（O）和启动子（P） 组成。
转录、翻译、合成蛋白 结合调节蛋白 结合RNA聚合酶
SD序列与16S rRNA序列互补的程度以及 从起始密码子AUG到嘌呤片段的距离也 都强烈地影响翻译起始的效率。不同基 因的mRNA有不同的SD序列，它们与 16S rRNA的结合能力也不同，从而控制 着单位时间内翻译过程中起始复合物形 成的数目，最终控制着翻译的速度。
第二节 大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控
原核生物的DNA：
单个裸露的DNA 不编码占5% 转录和翻译同一时间，地点进行 转录水平调控(主) ，兼有翻译水平调控

根据基因表达产物可划分：
组成型蛋白：基因表达不受时期、部位、环境 影响——组成型表达。
调节型蛋白/适应型蛋白：基因表达受时期、部 位、环境影响——非组成型表达。 一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字 典,该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什 么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该 发挥作用的时间才能呈现活化状态? 结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。
原核生物启动子结构含有同源序列。整个 启动子包括两个部分：其上游部分是 CAP-cAMP结合位点，下游部分是RNA聚 合酶的进入位点。
• 二、转录的终止 • （一）终止子及其结构： • 1、概念： DNA上提供转录停止信号的一段
序列称为终止子(terminator)，是一个基因的 末端或是一个操纵子的末端的一段特定序列。 • 2、类型：强终止子和弱终止子 • 强终止子：不依赖于Rho蛋白质辅助因子而能 实现终止作用，这类终止子属于强终止子； • 弱终止子：依赖于Rho蛋白糖助因子才能实现 终止作用，这类终止子属于弱终止子。蛋白质 辅助因子称为释放因子，通常称为ρ因子。
• 所有原核生物的终止子共同的序列特征：
即在转录终止点之前有一段回文结构，因而所
产生的mRNA可形成茎环状的发夹结构，它可
使RNA聚合酶的移动停止或减缓。回文结构中 富含GC对，在回文序列的下游常有6—8个AU 对，因此这段终止子转录后形成的RNA具有与 A相对应的寡聚U，是使RNA聚合酶脱离模板
为通读(read through)，当ρ因子存在时，转录
才能终止。 •
• 在强终止子中，由于其DNA模板上富含GC而 使转录出的RNA上富含C和G，于是RNA与模
板之间可以形成较强的氢键，成为DNA—
RNA杂合分子，从而阻碍DNA聚合酶的前进 而有利于终止。 • （二） ρ因子辅助终止作用的机理
• (三)基因表达的极性现象 • 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，核糖体不再进入到 mRNA上无义密码子以后的位置上。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。