原核基因表达调控的特点
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。
普通遗传学第十四章 基因表达的调控
第一节 原核生物的基因调控
一、转录水平的调控
→原核生物基因表达的调控主要发生在 转录水平。
→当需要某一特定基因产物时，合成这 种mRNA。当不需要这种产物时， mRNA转录受到抑制。
1、乳糖操纵元模型
大肠杆菌的乳糖降解代谢途径： Monod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳 糖的培养基上时，乳糖代谢酶浓度急剧增 加；当培养基中没有乳糖时，乳糖代谢酶 基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。 为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖 操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表 达的调控机制
转录效率更高
→在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp， 也就没有操纵元的正调控因子cAmp-CAP 复合物，因此基因不表达。
乳糖操纵元的正调控
2、色氨酸操纵元
大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中 基因调控的典型例子。
◆trp操纵元由5个结构基因trpE、trpD、trpC、
trpB和trpA组成一个多顺反子的基因簇。 5′端是启动子、操纵子、前导顺序（trpL）和 衰减子（attenuator）。
❖ 负调控：存在细胞中的阻遏物阻止转录过程的 调控。
❖ 正调控：调节蛋白和DNA以及RNA聚合酶相 互作用来帮助起始。诱导物通常与另一蛋白质结 合形成一种激活子复合物，与基因启动子DNA序 列结合，激活基因起始转录。
原核生物中基因表达以负调控为主, 真核生物中 则主要是正调控机制。
图 14-1 正调控和负调控
2、反义RNA调控
反义RNA可与目的基因的5’UTR（ untranslated region ）互补配对，配对的区域 通常也包括启动子的SD序列，使mRNA不能与 核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。
反义RNA基因已被导入真核细胞，控制真核生 物基因表达。例如，将乙烯形成酶基因的反义 RNA导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期。
原核、真核生物基因及表达调控
原核、真核生物基因及表达调控引言现代生物学中“基因”一词甚为流行，细胞学、遗传学、生物化学等，以及各种生物学课本中，都涉及到“基因”一词。
甚至象典型的宏观生物学科——生态学，也把一片森林称为一个“基因库”[1]。
现代生物学已经完全证明，DNA 分子是由称为核普酸的有机分子线性聚合而成。
基因就是核普酸按一定顺序排列而成的DNA分子片段，它携带着遗传信息。
基因表达(gene expression)是指细胞在生命过程中，把储存在DNA顺序中遗传信息经过转录和翻译，转变成具有生物活性的蛋白质分子。
其实质就是遗传信息的转录和翻译。
在个体生长发育过程中，生物遗传信息的表达按一定的时序发生变化（时序调节），并随着内外环境的变化而不断加以修正（环境调控）[2]。
原核生物和真核生物的基因及表达过程有着差异。
随着世界分子生物学研究不断深入，基因表达技术有了很大的提高。
迄今为止，人们已经研究开发出多种原核和真核表达系统用以生产重组蛋白[3]。
一．原核、真核生物基因结构原核生物基因分为编码区与非编码区，所谓的编码区就是能转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合成，非编码区位于编码区的上游及下游。
[4]在调控遗传信息表达的核苷酸序列中最重要的是位于编码区上游的RNA聚合酶结合位点。
RNA聚合酶是催化DNA转录为RNA，能识别调控序列中的结合位点，并与其结合。
真核生物基因结构见图1：图1 真核生物基因结构二．原核、真核生物基因结构的区别最主要的在于真核基因是不连续的,而原核基因是连续的。
所谓真核基因的不连续，即一个基因的编码序列也叫外显子，被一个或多个非编码序列，又叫内含子所间隔。
[5]这些内含子和外显子同属一个转录单位，转录形成前体。
经过转录的加工，即切去内含子，重新连按外显子，从而得到成熟。
而绝大多数的原核基因是连续的，没有内含子的间隔，转录产生成熟。
不仅如此，而且凡在代谢途径上功能有关的多个基因可能紧密相联，与它们的调控基因一起组成一个操纵子，转录到一条链。
原核生物的基因调控
• 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。
调控（节）蛋白
操纵子
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
正调节蛋白+操作子
• 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）。
promoter operator 启动基因 操纵基因
structural genes 结构基因
操纵子(operon)模型
R
PO
structural genes
＋ 正调控（positive regulation) － 负调控 (negative regulation)
DNA RNA
Protein
• 概念：基因表达的极性现象：在某些情况下同一
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)
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)。
分子生物学复习7-9
第七章基因的表达与调控（上）——原核基因表达调控模式（一）基本概念1．基因表达：细胞在生命过程中，把蕴藏在DNA中的遗传信息经过转录和翻译，转变成为蛋白质或功能RNA分子的过程称为基因表达。
2．基因表达调控：围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都统称为基因表达调控。
rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA 的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。
3．组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
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表达。
管家基因：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。
管家基因无论表达水平高低，较少受到环境因素的影响。
在基因表达研究中，常作为对照基因适应型表达：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或从无到有的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低或变为不表达的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。
4．结构基因：编码蛋白质或功能性RNA的任何基因。
所编码的蛋白质主要是组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、具有催化活性的酶和调节蛋白等。
原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。
结构基因簇由单一启动子共同调控。
调节基因：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。
①调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。
②调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式（启动或增强基因表达活性调节靶基因，也能以负调控的方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。
操纵子：由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录受操纵基因的控制。
（二）原核基因调控的分类和主要特点一、原核生物的基因调控特点：（1）基因调控主要发生在转录水平上，形式主要是操纵子调控.（2）有时也从DNA水平对基因表达进行调控，实质是基因重排。
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。
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原核基因表达调控的特点
原核基因表达调控的特点
生物的遗传物质是核酸、蛋白质以及碳水化合物，而基因表达调控是指从这些
遗传物质中获取,利用“转录”与“翻译”等机制，将基因上的信息进行转换，使
之在特定情况下作出适应性反应，从而实现对基因表达的调控的概念。
原核基因表达调控主要体现在以下几个方面：
一、原核基因表达调控的复杂性
由于原核生物的遗传机制与真核生物有很大差异，因此原核基因表达调控也比真核基因表达调控非常复杂，其中包括基因定位、激动子结构、转录因子、调控元件、RNA修饰等等，这些因素都会影响原核基因表达调控。
二、转录调控
原核细胞的基因表达调控主要依靠转录调控，首先，当由DNA引发的化学反应激活转录因子时，转录因子会结合激动子，形成转录复合物，紧接着RNA合成酶介导转录；其次，转录因子通常不仅与特定的激动子结合，还会受到其他调控因子的调制，所以原核基因表达调控的动态性非常强。
三、翻译调控
除了转录调控外，原核基因表达调控还包括翻译调控，它是通过增加或减少转录生成的mRNA分子的翻译效率，来调整细胞状态。
例如，当转录因子作用时抑制或促
进mRNA翻译，也会影响细胞内蛋白质合成，以及细胞生长和增殖等，因此翻译上
的调控是一种重要机制。
四、基因组上的多种信号系统
原核基因表达调控的另一个特点是基因组上存在多个信号系统，通过这些信号系统，细胞能够及时地做出对外部条件的变化作出反应，从而调节基因表达，使细胞适应环境。
总之，原核基因表达调控是非常复杂的过程，包括转录调控、翻译调控以及基
因组上的多种信号系统，这些因素联合起来，影响着有机体的基因表达及其状态，是生物多样性形成的基础。