基因的表达与调控(上)

第七章 基因的表达与调控(上)

——原核基因表达调控模式

主要内容

1.原核基因表达调控总论 2. 乳糖操纵子与负控诱导系统 3. 色氨酸操纵子与负控阻遏系统 4. 转录水平的其他调控方式 5. 转录后调控

7.1 原核基因表达调控总论□基因表达(gene expression):从DNA到蛋白质或功能RNA的过程 □基因表达调控(gene regulation或gene control) 对基因表达过程的调节

□基因表达调控主要表现在两个方面：1. 转录水平的调控(transcriptional regulation) 2. 转录后水平的调控(past-transcriptional regulation) 1)mRNA加工成熟水平上的调控(differential processing of RNA trscript) 2)翻译水平上的调控 □原核生物中，营养状况(nutritional status)和环境因素(enviromental factor)对基因表达起着举足轻重的影响；在真核生物中特别是高等真核生物 激素水平(hormone level)和发育阶段(developmental stage)是基因 表达调控的最主要的手段。

7.1.1 原核基因调控分类□负转录调控(negative transcription regulation) 调解基因的产物是阻遏蛋白(repressor),起着阻止结构基因转录的作

用根据其特征又分为： 1)负控诱导：阻遏蛋白(活性)不与效应物(诱导物)结合时，

结构基因不转录。2)负控阻遏：阻遏蛋白(非活性)与效应物结合时 (阻遏蛋白转变为活性状态)结构基因不转录。 □正转录调控(positive transcription regulation) 调解基因的产物是激活蛋白(activator) 1)正控诱导系统：诱导物的存在使激活蛋白处于活化状态 2)正控阻遏系统：效应物的存在使激活蛋白处于非活化状态

负 控 诱 导 系 统

正 控 诱 导 系 统

负 控 阻 遏 系 统

正 控 阻 遏 系 统

7.1.2 原核基因调控的主要特点1. 可诱导调节 指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态 转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。 例子：大肠杆菌的lac操纵子 可诱导基因；可诱导酶；酶的诱导合成 2. 可阻遏调节 这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中， 由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例子：大肠杆菌的Trp操纵子

可阻遏基因；可阻遏酶；可阻遏现象；阻遏物□一般规律：可诱导的操纵子总是一些编码糖和AA分解代谢蛋白的基因， 这些操纵子常常是关闭的；可阻遏基因正好相反，他们是一些合成各种 细胞代谢过程中所必需的小分子物质的基因，这些基因常常是打开的。

7.1.3 弱化子对基因活性的影响 在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的AA-tRNA的浓度，

是转录调节中的微调整。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时

,起终止转录信号作用的那一段 核苷酸被称为弱化子。 例子：Trp操纵子的弱化作用 7.1.4 降解物对基因活性的调节 在葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖等诱导 物，与其对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶，这种现象 称为葡萄糖效应或降解物抑制效应。 降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的。 7.1.5 细菌的应急反应

应急反应的信号：ppGpp和pppGpp。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。

7.2 乳糖操纵子与负控诱导系统□操纵子模型操纵子：基因表达的协同单位。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。 操纵子学说：关于原核基因结构及其表达调控的学说 □法国巴斯德研究所Jacob和Monod在1961年提出 □操纵子的组成

1)结构基因2)调节基因(I) 3)控制部位：可接受调节基因产物的调节。 包括启动子(P区)和操纵基因(O区)。

调节基因

控制部位

结构基因

7.2.1 乳糖操纵子模型 1)Z、Y、A基因的产物由同一条多顺贩子的mRNA分子所编码

Z基因：编码β-半乳糖苷酶Y基因：编码β-半乳糖苷透过酶 A 基因：编码β-半乳糖乙酰基转移酶 2)该mRNA分子的启动区(P)位于阻遏基因(I)与操纵区(O)之间，不能 单独起始半乳糖苷酶和透过酶的高效表达 3)操纵区(O)是DNA上的一小段序列(仅为26bp),是阻遏物的结合位点。 4)当阻遏物与操纵区结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。 5)诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区结合，从 而 激发lac mRNA的合成

□这一模型仅解释了lac体系的负控系统，在lac操纵子同样存在正调控！

β-半乳糖苷酶

透过酶

乙酰基转移酶

7.2.2 lac操纵子的影响因子1. lac操纵子的本底水平表达 □问题： 1)诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶， 透过酶的合成又需要诱导。 第一个诱导物是如何到达细胞的？ 2)乳糖(G-1,4-gal)并不与阻遏物结合，真正的诱导物是异乳糖( G-1,6-gal ) 而异乳糖是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。 乳糖诱导β-半乳糖苷酶的合成需要β-半乳糖苷酶的预先存在！ □对这一现象的解释：

在非诱导状态下有少量的lac mRNA合成(大约每个世代中有1-5个mRNA 分子)这种合成被称为本底水平的永久型合成

□研究诱导作用时很少适用乳糖，而用乳糖类似物 1)异丙基巯基半乳糖苷(IPTG)

2)巯甲基半乳糖苷(TMG)3)在酶活性分析中，常用显色底物O-硝基半乳糖苷(ONPG) □他们都是高效诱导物，但不是半乳糖苷酶的底物，因此称为安慰性

诱导物

2. 大肠杆菌对乳糖的反应本底水平表达(几个分子的β- 半乳糖苷酶和透过酶)

↓乳糖在透过酶作用下，lac进入细胞，又在β半乳糖苷酶作用下乳糖转变为

异乳糖 ↓异乳糖与结合在操纵区上的阻遏物结合 导致

阻遏物失活 ↓ lac mRNA开始合成

3. 阻遏物 lacI 基因产物及功能□ lacI 基因产物为阻遏蛋白，由4个相同亚基，每个亚基均含有 347AA,并能与1分子IPTG结合。 □lac阻遏物 mRNA是在弱启动子控制下永久合成的。 □当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内不能产生足够的 诱导物来克服阻遏状态，整个 lac 操纵子在这些突变体中不可诱导。

4. 葡萄糖对lac操纵子的影响β- 半乳糖苷酶

lac——————→G + gal

gal操纵子

G

G耗尽

□将G和lac同时加入培养基，大肠杆菌 在耗尽外源G之前不会诱发lac操纵子

□ G对lac操纵子表达的抑制是间接的证据：一个大肠杆菌突变株，他在EMP途径 中不能将G-6-P转化为下一步代谢中间物， 这些细菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导

合成。□代谢物阻遏效应(葡萄糖效应) 葡萄糖的某些降解产物(不是葡萄糖) 抑制lac mRNA合成的现象 (或：有葡萄糖存在时，不论诱导物存在与否，操纵子都没有转录活性，结构基因都不表达)

5. cAMP与代谢物激活蛋白(lac操纵子的正调节) □在大肠杆菌中， cAMP的浓度受G代谢的调节 1)将细菌放在缺乏碳源的培养基中，细胞内cAMP浓度就高； 2)如果在含G培养基中，细胞内cAMP浓度就低； 3)如果培养基中只有甘油或乳糖等不进行EMP途径(甘油其实可进入EMP途径)

的碳源，细胞内cAMP浓度也会很高。

说明：在EMP途径中位于G-6-P与甘油之间的某些代谢产物是cAMP酶的抑制剂□大肠杆菌中的代谢物激活蛋白(CAP),或称为cAMP-受体蛋白(CRP), 由Crp基因编码，能与cAMP形成复合物cAMP- CRP。 □ Crp和cAMP酶基因突变的细菌都不能合成lac mRNA CRP和cAMP(两者单独不起作用)都是合成lac mRNA所必需的！

□G会降低细胞内cAMP的水平。当G缺乏时，大肠杆菌细胞内cAMP上升， CRP结合到cAMP上。 CRP- cAMP结合到紧邻RNA Pol 结合位点上游的

lac操纵子Plac上。CRP的结合引起DNA链发生90度弯曲，这增强RNA Pol与启动子的结合，使转录效率提高50倍。 □ 细菌对于cAMP- CRP复合物的需要 是独立的，与阻遏体系无关，转录 必须有cAMP- CRP复合物结合在 DNA的启动子上，是lac操纵子的 正调控因子 □ lac操纵子是在负调控和正调控两个 独立的调控体系下完成的。

正调控位点

负调控位点

lac操纵子必须同时在CRP结合位点结合cAMP- CRP和去阻遏状态下

才能高效表达

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