第七章

原核基因表達調控主講人：徐飛武漢生物工程學院生命科學與技術學院當前第1頁\共有69頁\編于星期三\8點本章內容原核基因表達調控的總論乳糖操縱子與負控誘導系統色氨酸操縱子與負控阻遏系統其他操縱子固氮基因調控轉錄水平上的其他調控方式轉錄后調控重點重點當前第2頁\共有69頁\編于星期三\8點基因表達=基因轉錄+翻譯基因表達的調控:

生物體隨時調整不同基因的表達狀態,以適應環境、維持生長和發育需要。什么是基因表達與調控？7.1基因表達調控總論當前第3頁\共有69頁\編于星期三\8點面對惡劣環境，

適者生存。當前第4頁\共有69頁\編于星期三\8點

基因表達調控的生物學意義

適應環境、維持生長和增殖（原核、真核）維持個體發育與分化（真核）了解生物生長發育規律、形態結構特征和生物學功能。當前第5頁\共有69頁\編于星期三\8點基因轉錄及翻譯的過程，從DNA到蛋白質或功能RNA的過程稱為基因表達，對這個過程的調節就稱為表達調控。注意：rRNA、tRNA編碼基因轉錄合成RNA的過程也屬于基因表達。（1）基因表達調控的概念當前第6頁\共有69頁\編于星期三\8點同一細胞內，有的基因表達高，有的表達量低，甚至不表達。不同的組織器官，基因表達數目及表達量不同。同一基因在不同組織器官中表達量也不相同。僅少部分基因在不同細胞類型及生長發育時期表達相同，這類基因被稱為組成性表達基因，或被稱為管家基因。與細胞分化，組織、器官及生物體適應環境所需而表達的基因，被稱為適應性表達基因，或被稱為奢侈基因。（2）基因表達模式當前第7頁\共有69頁\編于星期三\8點基因水平的調控轉錄水平的調控轉錄產物加工的調控翻譯水平的調控以及翻譯后的加工等轉錄水平調控轉錄后水平調控（3）基因的表達調控方式當前第8頁\共有69頁\編于星期三\8點原核生物與真核生物轉錄及翻譯調控的總體特征原核生物-----營養和環境真核生物-----激素水平和發育階段當前第9頁\共有69頁\編于星期三\8點根據調控機制：原核基因表達調控分類負轉錄調控正轉錄調控調節基因編碼阻遏蛋白，阻止結構基因轉錄。調節基因編碼激活蛋白，促進結構基因轉錄。正控誘導正控阻遏負控誘導負控阻遏當前第10頁\共有69頁\編于星期三\8點幾個重要概念結構基因與調節基因阻遏物、操縱基因與操縱子正調控與負調控誘導與阻遏順式作用元件與反式作用因子啟動子操縱序列多個結構基因終止子調節基因當前第11頁\共有69頁\編于星期三\8點

結構基因（structuralgene）

編碼各類具有不同結構和功能的蛋白質和RNA的基因。1.結構基因與調節基因啟動子操縱序列多個結構基因終止子調節基因RNAPro當前第12頁\共有69頁\編于星期三\8點調節基因（regulatorgene）

編碼蛋白質或RNA來調節其他基因表達的基因。1.結構基因與調節基因啟動子操縱序列多個結構基因終止子調節基因當前第13頁\共有69頁\編于星期三\8點阻遏物（repressor）:阻止基因表達的蛋白質，可與操縱基因結合來阻止轉錄或結合RNA來阻止蛋白質的翻譯。操縱基因（operator）:DNA上的一個位點，阻遏物能與之結合抑制相鄰啟動子起始轉錄。操縱子（operon）:細菌基因表達和調控的單位，包括結構基因和能被調控基因產物識別的DNA控制元件。2.阻遏物、操縱基因與操縱子當前第14頁\共有69頁\編于星期三\8點

正調控（positivecontrol）:

調節基因編碼的激活因子通過與啟動子元件結合來促進基因的表達。負調控（negativecontrol）:調節基因編碼阻抑因子與操縱基因結合來阻止基因的表達。3.正調控與負調控當前第15頁\共有69頁\編于星期三\8點誘導(induction)：

通過小分子誘導物參與,使阻抑物失活或活化激活劑來實現對基因或操縱子表達的調控。阻遏(repression):

通過小分子輔阻遏物參與，使激活劑失活或活化阻抑物來實現基因或操縱子不表達的調控。4.誘導與阻遏當前第16頁\共有69頁\編于星期三\8點

順式作用元件（cis-actingelement）:

指與結構基因串聯的特定DNA序列，包括啟動子、增強子、調控序列和可誘導元件等；順式作用元件要與反式作用因子相互作用而起作用。反式作用因子（trans-actingfactor）:

指能直接或間接地識別或結合在各類順式作用元件核心序列上，參與調控靶基因轉錄效率的蛋白質（有時為RNA）。也稱轉錄因子。5.順式作用元件與反式作用因子當前第17頁\共有69頁\編于星期三\8點基因表達的調控方式

阻遏負調控:調控蛋白+DNA序列基因的表達

(相應蛋白質降低)

促進正調控:調控蛋白+DNA序列基因的表達

(相應蛋白質增加)阻遏蛋白激活蛋白當前第18頁\共有69頁\編于星期三\8點負轉錄調控

沒有調節蛋白質存在時基因是的，加入調節蛋白質后基因表達活性便被，為負轉錄調控。

正轉錄調控沒有調節蛋白質存在時基因是（關閉/開啟）的，加入這種調節蛋白質后基因活性就被（關閉/開啟），為正轉錄調控。開啟關閉當前第19頁\共有69頁\編于星期三\8點負轉錄調控分類:負控誘導負控阻礙阻遏蛋白阻止基因轉錄，與效應物結合后基因表達阻遏蛋白無活性，與效應物結合后阻止基因轉錄正轉錄調控分類:正控誘導正控阻礙激活蛋白與效應物結合后激活基因轉錄激活蛋白與效應物結合后阻遏基因轉錄當前第20頁\共有69頁\編于星期三\8點基因表達調控4種模型負控誘導正控誘導負控阻遏正控阻遏當前第21頁\共有69頁\編于星期三\8點原核生物表達調控的主要特點1、可誘導調節2、可阻遏調節當前第22頁\共有69頁\編于星期三\8點定義：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關閉的狀態轉變為工作狀態，即在某些物質的誘導下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子分解代謝蛋白的基因可誘導調節當前第23頁\共有69頁\編于星期三\8點定義：基因平時是開啟的，處在產生蛋白質或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關閉，阻遏了基因的表達。例：色氨酸操縱子合成代謝蛋白的基因可阻遏調節當前第24頁\共有69頁\編于星期三\8點弱化子對基因活性的影響大腸桿菌的色氨酸操縱子和苯丙氨酸操縱子具有這種調節方式。當前第25頁\共有69頁\編于星期三\8點

在含葡萄糖和乳糖的培養基上，在葡萄糖沒有被利用完之前，乳糖操縱子就一直被阻遏，乳糖不能被利用；直到葡萄糖被利用完后，乳糖操縱子才進行轉錄，形成利用乳糖的酶。降解物對基因活性的調節例如：葡萄糖阻遏或分解代謝產生阻遏作用。葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代謝產物阻遏某些誘導酶體系編碼的基因轉錄的現象。

乳糖操縱子具有這種調節方式。基本原理當前第26頁\共有69頁\編于星期三\8點細菌的應急反應信號：

鳥苷四磷酸ppGpp,會關閉很多基因，同時也會激活一些應急基因。當前第27頁\共有69頁\編于星期三\8點小結原核基因表達調控的特點原核基因表達調控的分類幾個重要概念作業：簡述基因表達調控的幾種方式？當前第28頁\共有69頁\編于星期三\8點7.2乳糖操縱子與負控誘導

內容提要：乳糖操縱子的結構酶的誘導——lac體系受調控的證據乳糖操縱子調控模型及其影響因子Lac操縱子中的其他問題當前第29頁\共有69頁\編于星期三\8點

操縱子：

是原核生物基因表達調控的一種重要組織形式。

原核生物中幾個功能相關的結構基因成簇串聯排列組成的一個基因表達的協同單位。操縱子調控模型當前第30頁\共有69頁\編于星期三\8點1961年，Monod和Jacob提出了操縱子模型學說。獲1965年諾貝爾生理學和醫學獎Monodand

Jacob操縱子調控模型的提出當前第31頁\共有69頁\編于星期三\8點乳糖操縱子的結構3個結構基因啟動子操縱區調節基因阻遏物當前第32頁\共有69頁\編于星期三\8點Z基因：編碼β-半乳糖苷酶。將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。Y基因：編碼β-半乳糖苷透過酶。使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細胞壁和原生質膜進入細胞內。A基因：編碼β-半乳糖苷乙酰基轉移酶。乙酰輔酶A上的乙酰基轉到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。結構基因的功能當前第33頁\共有69頁\編于星期三\8點酶的誘導——lac體系受調控的證據加入乳糖

去掉乳糖當前第34頁\共有69頁\編于星期三\8點小知識1、添加乳糖后，lacmRNA含量快速上升。相反，去掉乳糖后，lacmRNA含量快速下降到幾乎無法檢測到的水平，表明乳糖能激發lacmRNA的合成。2、在有葡萄糖和乳糖同時存在時，細菌優先利用葡萄糖。當前第35頁\共有69頁\編于星期三\8點安慰誘導物：事實上，研究誘導作用很少直接使用乳糖。如果某種物質能夠促使細菌產生酶而本身又不被分解，這種物質被稱為安慰誘導物，如：IPTG（異丙基-β-D-硫代半乳糖苷）。當前第36頁\共有69頁\編于星期三\8點β-半乳糖苷酶結合lac阻遏物別乳糖IPTG不是半乳糖苷酶可切割的底物IPTG當前第37頁\共有69頁\編于星期三\8點PIOPLacILacZLacYLacAConstitutiveexpressmRNAGene:OFFNomRNAproductsrepressorLacoperon#3乳糖操縱子調控模型當前第38頁\共有69頁\編于星期三\8點NegativeregulationoflacoperonPIOPLacILacZLacYLacAConstitutiveexpressmRNAGene:ONmRNAproductβ-GalactosidasePermeaseTransacetylaseIso-lactoseRNApolymeraseIso-lactose當前第39頁\共有69頁\編于星期三\8點乳糖操縱子調控模型特點主要內容：①Z、Y、A基因的產物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼。

當前第40頁\共有69頁\編于星期三\8點②mRNA分子的啟動子緊接著O區，而位于I與O之間的啟動子區（P），不能單獨起動合成β-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。當前第41頁\共有69頁\編于星期三\8點③操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結合位點。當前第42頁\共有69頁\編于星期三\8點Lac操縱子的起點處的抑制子和RNA聚合酶位點重合RNA聚合酶結合部位阻遏物結合部位當前第43頁\共有69頁\編于星期三\8點

④當阻遏物與操縱基因結合時，lacmRNA的轉錄起始受到抑制。

當前第44頁\共有69頁\編于星期三\8點⑤誘導物通過與阻遏物結合，改變它的三維構象，使之不能與操縱基因結合，從而激發lacmRNA的合成。

當有誘導物存在時，操縱基因區沒有被阻遏物占據，所以啟動子能夠順利起始mRNA的合成。當前第45頁\共有69頁\編于星期三\8點當前第46頁\共有69頁\編于星期三\8點lac操縱子影響因子1、lac操縱子的本底水平表達有兩個矛盾是操縱子理論不能解釋的：①阻遏物在細胞內，誘導物在細胞外。因此，誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結合，而轉運誘導物需要透過酶的存在（Y基因編碼）。Lac當前第47頁\共有69頁\編于星期三\8點lac操縱子影響因子1、lac操縱子的本底水平表達第二個矛盾：②真正的誘導物是異構乳糖（也稱別乳糖）而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶（Z基因編碼）的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的預先存在。Lac別乳糖當前第48頁\共有69頁\編于星期三\8點吸收進入細胞培養基中的乳糖在胞內：轉化為異構乳糖透過性酶β-半乳糖苷酶雞-蛋矛盾乳糖操縱子活化，基因表達當前第49頁\共有69頁\編于星期三\8點解釋：PIOPLacILacZLacYLacA泄露表達（LeakyExpression）：沒有乳糖存在時，阻遏蛋白偶然脫落，使下游結構基因保持本底表達。所以，細胞內含有極少量的基因表達產物。這些產物足以運送少量的外源乳糖進入細胞。

當乳糖成為唯一碳源時，起初本底表達的產物使少量的乳糖進入細胞，并被轉化成異構乳糖，獲得真正的誘導物。

異構乳糖誘導下游結構基因高效表達，使基因產物大量合成；導致運送大量的乳糖進入細胞，一方面分解產能，另一方面轉化為異構乳糖維持基因的持續表達。當前第50頁\共有69頁\編于星期三\8點RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPLacRepressorRepressorRNAPol.RNAPol.Great,Icantranscribe!Sometranscriptionoccurs,butataslowrateThislactosehasbentmeoutofshapeLac操縱子阻遏物泄漏表達當前第51頁\共有69頁\編于星期三\8點3、阻遏物lacI基因產物及功能

研究表明，LacI操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的，每個細胞中有5-10個阻遏物分子。

當I

基因由弱啟動子突變成強啟動子，細胞內就不可能產生足夠的誘導物來克服阻遏狀態，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導。當前第52頁\共有69頁\編于星期三\8點Lac阻抑物的結構特征當前第53頁\共有69頁\編于星期三\8點NendCend當前第54頁\共有69頁\編于星期三\8點Repressormaintainsthelacoperonintheinactiveconditionbybindingtotheoperator.Theshapeoftherepressorisrepresentedasaseriesofconnecteddomainsasrevealedbyitscrystalstructure當前第55頁\共有69頁\編于星期三\8點4、葡萄糖對lac操縱子的影響

如果將葡萄糖和乳糖同時加入培養基中，lac操縱子處于阻遏狀態，不能被誘導；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會誘導lac操縱子表達分解乳糖所需的三種酶。

代謝物阻遏效應當前第56頁\共有69頁\編于星期三\8點葡萄糖存在，乳糖不存在的情況RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAPLac操縱子當前第57頁\共有69頁\編于星期三\8點RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPLacRepressorRepressorThislactosehasbentmeoutofshapeRNAPol.Lac操縱子葡萄糖和乳糖都存在的情況Great,Icantranscribe!當前第58頁\共有69頁\編于星期三\8點RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!乳糖存在但是葡萄糖不存在的情況Lac操縱子當前第59頁\共有69頁\編于星期三\8點RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!葡萄糖和乳糖都不存在的情況Lac操縱子當前第60頁\共有69頁\編于星期三\8點乳糖操縱子的正調控──

CAP-cAMP當前第61頁\共有69頁\