第7章基因表达调控原核图文精.docx

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第7章基因表达调控原核图文精

7原核生物基因表达调控

7.1基因表达的调控

7.2转录水平的调控

7.3翻译水平的调控

7.1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到蛋白质或RNA的过程，叫做基因表达（geneexpression，对这个过程的调节就称为基因表达调控（generegulation或genecontrol。

基因表达包括：

①基因经转录、翻译产生有生物活性的蛋白质的过程。

②rRNA或tRNA的基因经转录和加工产生成熟的rRNA或tRNA的过程。

原核生物基因表达调控的层次DNA水平的调控：

通过DNA重排等机制来调节基因表达。

转录水平的调控：

调控DNA模板上转录特异mRNA的速度，这是生物在进化过程中选择的最经济的调控方式。

翻译水平的调控：

mRNA合成后，通过控制多肽链的形成速度调控。

原核中，操纵子是调控表达的基本单位，调控主要在转录水平。

7.1.1基因表达适应环境的变化生物只有适应环境才能生存，当环境条件变化时，生物体就要改变自身基因表达状况，以调整体内执行相应功能蛋白质的种类和数量，从而改变自身的代谢、活动等以适应环境。

细胞中有些蛋白质的数量几乎不受环境变化影响，称为组成性蛋白，如糖酵解中的酶。

随环境变化而变化的蛋白为适应性蛋白，这

是由基因表达调控的。

①组成性表达（constitutiveexpression指不随环境变化而变化的基因表达。

组成性表达的产物为组成性蛋白，是细胞或生物体整个生命过程中必不可少的，这类基因可称为看家基因（housekeepinggene。

基因表达几乎不受环境影响的原因可能是由于操纵子或调节基因突变造成的：

即形成的有活性的阻遏蛋白不能与操纵子结合，或不能形成有活性的阻遏蛋白。

这类基因中大多数是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的，是细胞基本的基因表达，这是生物在进化过程中形成的遗传特性。

②适应性表达（adaptiveexpression指随环境的变化，其表达水平改变的基因表达。

因环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导（induction，这类基因称为可诱导的基因（induciblegene；

随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏（repression，这类基因称为可阻遏的基因（repressiblegene。

在原核和单细胞生物中，通过改变基因表达来适应环境，对于细胞的生存非常重要。

如有充足的葡萄糖，细菌就可利用葡萄糖作能源和碳源，当没有葡萄糖时，细菌就要适应环境中存在的其它糖类（如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等），打开能利用这些糖的酶类基因，以满足生长的需要。

7.2转录水平的调控

7.2.1操纵子学说

7.2.2乳糖操纵子

7.2.3色氨酸操纵子

7.2.1操纵子（operon学说

7.2.1.1操纵子学说的提出

细菌能随环境的变化，迅速改变某些基因表达的状态。

E.coli可利用葡萄糖、乳糖和麦芽糖等作为碳源。

通常细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，经过短时间的适应，细菌就能利用乳糖呈指数式繁殖增长。

大肠杆菌二阶段生长现象

在无乳糖或其它β-半乳糖苷时，E.coli合成β-半乳糖苷酶量极少，加入乳糖2~3min后，细菌大量合成β-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上。

大肠杆菌利用乳糖时需乳糖透过酶（lactosepermease和β-半乳糖苷酶（β-

galactosidase参与。

在以乳糖作为唯一碳源时，菌体内的β-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的3%

。

Jacob和Monod等人对E.coli利用乳糖的适应现象进行研究，1961年提出乳糖操纵子（lacoperon

学说。

Z、Y和A是E.coli编码利用乳糖所需酶类的基因，p是转录z、y、a所需要的启动子，调控基因i编码合成的调控蛋白R可与o结合而阻碍从p开始的转录，o就是调节基因转录的

操纵基因。

乳糖能改变R的结构使其不能与o结合，因而乳糖浓度增高时基因就开放，转录合成所编码的酶类基因，这样E.coli就能适应外界乳糖供应的变化而改变利用乳糖的状况。

7.2.1.1操纵子的组成元件操纵子是调控原核生物基因表达的功能单位，操纵子的基本组成元件（elements包括：

结构基因、启动子、终止子、调控基因和由调控基因产物所识别的调控序列（操纵基因）等。

原核生物的多数基因以操纵子的形式组成基因表达调控的单元，共同开启或关闭，转录出多顺反子（polycistron的mRNA。

①结构基因群

一个操纵子中一般含有2个以上的结构基因（structuralgene,SG，每个结构基因是一个连续的开放读框（openreadingframe，各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构

基因群。

在第一个结构基因5’侧具有核糖体结合位点（ribosomebindingsite,RBS，当这段含多个结构基因的DNA被转录成多顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并起始翻译。

②启动子

操纵子至少有一个启动子，控制整个结构基因群的转录。

不同启动子因序列差异而与RNA聚合酶的亲和力不同，启动转录的频率有高有低，即起动基因转录的强度不同。

③操纵基因

操纵基因（operator,O是一段能被调控蛋白特异性结合的DNA序列。

操纵基因常与启动子邻近或重叠，当调控蛋白结合在操纵基因上，会影响其下游基因转录的强弱。

乳糖操纵子中的操纵基因（o序列位于启动子（p与被调控的基因之间，部分序列与启动子序列重叠。

结构。

许多操纵子都具有类似的对称性序列，可能

与特定蛋白质的结合相关。

操纵基因序列具有回文（palindrome

阻遏蛋白与操纵基因结合，可妨碍RNA聚合酶与启动子的结合及其后基因的转录起始，从而阻遏了基因的表达。

能与调控蛋白特异性结合、从而影响基因转录强弱的序列，不论其对基因转录的作用是减弱、增强、阻止或开放，都称为操纵基因。

④调控基因

调控基因（regulatory

gene是编码能与操纵

基因结合的调控蛋白的基因。

与操纵基因结合后能减弱或阻止其所调控基

因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白（repressiveprotein，其介导的调控方式称为负性调控（negativeregulation。

与操纵基因结合后能增强或起动调控基因转

录的调控蛋白称为激活蛋白（activatingprotein，所介导的调控方式称为正性调控（positiveregulation。

某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋

白的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录的影响，这些物质称为效应物（effector。

能引起诱导发生的分子称为诱导剂（inducer；

能导致阻遏发生的分子称为阻遏剂或辅助阻遏

剂（corepressor。

⑤终止子

终止子（terminator

T是给予RNA聚合酶转录

终止信号的DNA序列。

操纵子结构基因群最后一个基因的末端存在

一个终止子。

终止子按其作用可分为不依赖rho因子的强终止子和依赖rho因子的弱终止子。

强终止子能完全停止转录；弱终止子只是部分终止转录，一部分RNA聚合酶能越过这类终止序列继续沿DNA移动并转录。

根据操纵子的作用方式可分为

①调节分解代谢的操纵子，它们都是属于诱导型，并受cAMP-CAP的调节，分解代谢的底物常为诱导物。

②调节合成代谢的操纵子，它们都属于阻遏型，不受cAMP-CAP影响，其中一些操纵子等具有弱化子（例如，Trp、His的操纵子），一般而言，终产物为阻遏物。

7.2.2乳糖操纵子（lactoseoperon

7.2.2.1乳糖操纵子的结构

E.coli乳糖操纵子包括：

调节基因、启动子、终止子，操纵基因和3个结构基因（Z、Y和

A

）等。

Z编码β-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为异乳糖（allolactose，再分解为半乳糖和葡萄糖；Y编码半乳糖透过酶，促使环境中的乳糖进入细菌；

A编码转乙酰基转移酶，催化半乳糖苷乙酰化，在乳糖利用中并非必需，可能参与不能分解的β-

半乳糖苷的乙酰化而解毒和排出细胞。

转录时，RNA聚合酶与启动子结合，通过操纵子，按Z→Y→A方向进行转录。

转录出的

mRNA上都有Z、Y和A基

因。

Z基因5’侧

有SD序

列，当Lac

operon开

放时，转录

启动，核糖

体结合在转

录所得的

mRNA上,

依次翻译基

因群所编码

的所有蛋白

质。

7.2.2.2阻遏蛋白的负性调控无乳糖时，Lac操纵

子处于阻遏状态。

lacI基因在其自身的

启动子Pi控制下，低

水平、组成性表达阻

遏蛋白，每个细胞中

仅维持约10个分子的

阻遏蛋白。

阻遏蛋白的头部是由1～59位残基形成的DNA结合结构域，剩下的核心部分具有聚集成四聚体以及和诱导物结合的能力。

四亚基寡聚化

阻遏蛋白以四聚体形

式与操纵基因作用。

四聚体中二聚体的DNA结合结构域与Lac操纵子的O1区（中心位于+11

）紧密结合。

另一个二聚体

的DNA结合结

构域与O2（+412bp处）

或O3（-82bp

处）疏松结

合，将DNA拉

成环状。

乳糖操纵子即使在阻遏蛋白的阻遏状态下，也有本底水平的基因表达，由于R与O也偶尔解离，使细胞中有极低水平的β-半乳糖苷酶及透过酶生成。

在诱导物的作用下，阻遏蛋白构象改变而失去与操纵基因（O1）的结合

能力。

有乳糖时，乳糖受β-半乳糖苷酶的催化转变为异乳糖，与R结合使R构象变化，R四聚体解聚而与O解

离。

基因转录开放，

β-半乳糖苷酶

在细胞内的含量

可增加1000

倍。

乳糖（异乳

糖作为诱导

剂，与R结合起

到去阻遏作用，

诱导了利用乳糖

的酶类基因转录

开放。

7.2.2.3CRP（CAP）的正性调控大肠杆菌优先利用葡萄糖作为碳源，葡萄糖的存在可阻止大肠杆菌从培养基中吸收其它碳源。

当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时，lac启动子表达受阻，没有β-半乳糖苷酶活性。

PEP:

单糖磷酸转移酶系统（phosphoenolpyruvate:

glucosePhosphotransferasesystem，PTS是一种细菌质膜内的蛋白复合物，它被磷酸化并将糖类转

移到细胞内。

Glc复合物中的ⅡA蛋

白（crr编码）由于葡萄糖转运而失去磷酸化，它可结合乳糖透过酶而阻止乳糖进

入细胞。