第六章基因的表达调控RegulationofGeneExpression本章主要内容n n基本概念和原理n n原核生物基因表达调控n n真核生物基因表达调控第一节基本概念和原理一.基因表达和调控的基本概念1.1.基因表达（基因表达（geneexpressiongeneexpression）：）：指基因所携带的遗传信息，经转录合成指基因所携带的遗传信息，经转录合成指基因所携带的遗传信息，经转录合成指基因所携带的遗传信息，经转录合成RNARNA和经翻译和经翻译和经翻译和经翻译合成特定蛋白质的过程。基因表达的产物为合成特定蛋白质的过程。基因表达的产物为合成特定蛋白质的过程。基因表达的产物为合成特定蛋白质的过程。基因表达的产物为RNA RNA (tRNA(tRNA、mRNAmRNA、rRNArRNA和和和和miRNAmiRNA等等等等) )和蛋白质或多肽。和蛋白质或多肽。和蛋白质或多肽。和蛋白质或多肽。 DNA RNA Protein转录转录翻译翻译transcriptiontranslation基本概念和原理n n2. 基因表达调控 (regulationofgeneexpression)：指基因表达在不同阶段指基因表达在不同阶段或不同组织受到严格调控的过程。或不同组织受到严格调控的过程。DNA RNA Protein转录转录翻译翻译transcriptiontranslation基因表达调控转录水平基因表达调控翻译水平 原核生物基因表达调控 简单简单 清楚清楚 真核生物基因表达调控 复杂复杂 部分清楚、部分有待研究部分清楚、部分有待研究二.基因表达的规律与方式时间特异性指按功能需要，某一特定基因的表达严格按指按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，又称阶段特异性。特定的时间顺序发生，又称阶段特异性。空间特异性指在个体生长发育过程中，某种基因产物按指在个体生长发育过程中，某种基因产物按不同的组织空间顺序出现，又称为细胞特异不同的组织空间顺序出现，又称为细胞特异性或组织特异性。性或组织特异性。1.基因表达的时空特异性基因表达的时空特异性基因表达的时空特异性鱼骨纹虎斑猫鱼骨纹虎斑猫 古典虎斑猫古典虎斑猫体节体节 （segments）的形成）的形成Embryonic structures called SOMITES2.基因表达的方式（1）组成型表达（constitutive expression）基因表达较少受环境因素的影响，在个体发育基因表达较少受环境因素的影响，在个体发育的任意阶段都能在大多数细胞中持续稳定表达。的任意阶段都能在大多数细胞中持续稳定表达。具有组成型表达方式的基因称作具有组成型表达方式的基因称作看家基因（housekeepinggene）。一般是组成细胞。一般是组成细胞的结构蛋白基因和维持细胞基本代谢的酶基因的结构蛋白基因和维持细胞基本代谢的酶基因等。等。（2）诱导和阻遏型表达诱导型表达（inductive expression）在特定环境信号刺激下，基因表达表现为开放或在特定环境信号刺激下，基因表达表现为开放或在特定环境信号刺激下，基因表达表现为开放或在特定环境信号刺激下，基因表达表现为开放或增强，使表达产物增加。增强，使表达产物增加。增强，使表达产物增加。增强，使表达产物增加。阻遏型表达（repressive expression）在特定环境信号刺激下，基因表达表现为关闭或在特定环境信号刺激下，基因表达表现为关闭或在特定环境信号刺激下，基因表达表现为关闭或在特定环境信号刺激下，基因表达表现为关闭或抑制，使表达产物减少。抑制，使表达产物减少。抑制，使表达产物减少。抑制，使表达产物减少。只在特定的时间或组织才表达，与生物发育、细只在特定的时间或组织才表达，与生物发育、细只在特定的时间或组织才表达，与生物发育、细只在特定的时间或组织才表达，与生物发育、细胞分化等过程紧密相关的一类基因，称作胞分化等过程紧密相关的一类基因，称作胞分化等过程紧密相关的一类基因，称作胞分化等过程紧密相关的一类基因，称作奢侈基因。如参与其他基因表达调控的如参与其他基因表达调控的如参与其他基因表达调控的如参与其他基因表达调控的RNARNA或蛋白或蛋白或蛋白或蛋白质的编码基因。质的编码基因。质的编码基因。质的编码基因。三.基因表达调控的基本原理1.基因表达的多级调控转录水平，转录后水平，翻译水平和翻译后水平转录水平，转录后水平，翻译水平和翻译后水平上的调控，包括基因结构活化、上的调控，包括基因结构活化、转录起始转录起始、转录、转录后加工、翻译起始及翻译后的加工后加工、翻译起始及翻译后的加工DNA RNA Protein转录转录翻译翻译transcriptiontranslation基因表达调控转录水平基因表达调控翻译水平三.基因表达调控的基本原理2.基因转录激活的调控体系特异特异DNA序列（顺式作用元件，序列（顺式作用元件， cis-acting element）与调控蛋白（反式作用因子，）与调控蛋白（反式作用因子， trans-acting factor）的相互作用）的相互作用（1）特异DNA序列（顺式作用元件）指基因组中可以调控自身基因表达活性的特指基因组中可以调控自身基因表达活性的特异异DNA序列。序列。顺式作用元件通常不编码蛋白质，但能够被顺式作用元件通常不编码蛋白质，但能够被转录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基转录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基因表达的活性。如启动子、增强子、沉默子、因表达的活性。如启动子、增强子、沉默子、衰减子和绝缘子等。衰减子和绝缘子等。顺式作用元件只在原位发挥顺式作用元件只在原位发挥DNA序列的作用，序列的作用，仅影响与其物理相连的仅影响与其物理相连的DNA序列的活性，这序列的活性，这种作用方式称作种作用方式称作顺式作用。n n启动子（启动子（promoterpromoter） RNA RNA聚合酶识别、结合，启动基因转录的一段聚合酶识别、结合，启动基因转录的一段聚合酶识别、结合，启动基因转录的一段聚合酶识别、结合，启动基因转录的一段DNADNA序列。序列。序列。序列。n n增强子增强子(enhancer)(enhancer) 能与转录激活蛋白结合，增强转录活性的能与转录激活蛋白结合，增强转录活性的能与转录激活蛋白结合，增强转录活性的能与转录激活蛋白结合，增强转录活性的DNADNA序列。序列。序列。序列。n n沉默子沉默子(silencer)(silencer) 能与转录抑制蛋白结合，抑制转录活性的能与转录抑制蛋白结合，抑制转录活性的能与转录抑制蛋白结合，抑制转录活性的能与转录抑制蛋白结合，抑制转录活性的DNADNA序列。序列。序列。序列。n n绝缘子绝缘子(insulator)(insulator) 长约数百个核苷酸，通常位于启动子和增强子或启长约数百个核苷酸，通常位于启动子和增强子或启长约数百个核苷酸，通常位于启动子和增强子或启长约数百个核苷酸，通常位于启动子和增强子或启动子与沉默子之间，阻断增强子或沉默子的作用。动子与沉默子之间，阻断增强子或沉默子的作用。动子与沉默子之间，阻断增强子或沉默子的作用。动子与沉默子之间，阻断增强子或沉默子的作用。启动子（启动子（promoterpromoter） RNA RNA聚合酶识别、结合，启动基因转录的一段聚合酶识别、结合，启动基因转录的一段聚合酶识别、结合，启动基因转录的一段聚合酶识别、结合，启动基因转录的一段DNADNA序列序列序列序列启动子增强子增强子(enhancer)(enhancer) 能与转录激活蛋白结合，增强转录活性的能与转录激活蛋白结合，增强转录活性的能与转录激活蛋白结合，增强转录活性的能与转录激活蛋白结合，增强转录活性的DNADNA序列序列序列序列增强子增强子增强子增强子增强子增强子沉默子沉默子(silencer)(silencer) 能与转录抑制蛋白结合，抑制转录活性的能与转录抑制蛋白结合，抑制转录活性的能与转录抑制蛋白结合，抑制转录活性的能与转录抑制蛋白结合，抑制转录活性的DNADNA序列序列序列序列沉默子绝缘子绝缘子(insulator)(insulator) 长约数百个核苷酸，通常位于启动子和增强子或启动子与沉默子长约数百个核苷酸，通常位于启动子和增强子或启动子与沉默子长约数百个核苷酸，通常位于启动子和增强子或启动子与沉默子长约数百个核苷酸，通常位于启动子和增强子或启动子与沉默子之间，阻断增强子或沉默子的作用之间，阻断增强子或沉默子的作用之间，阻断增强子或沉默子的作用之间，阻断增强子或沉默子的作用绝缘子（2）调节蛋白（反式作用因子）结合顺式作用元件调结合顺式作用元件调控基因表达的游离基控基因表达的游离基因产物。因产物。是基因表达的产物，包括蛋是基因表达的产物，包括蛋是基因表达的产物，包括蛋是基因表达的产物，包括蛋白质和白质和白质和白质和RNARNA。能直接或间。能直接或间。能直接或间。能直接或间接与顺式作用元件相互作用，接与顺式作用元件相互作用，接与顺式作用元件相互作用，接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因表达。进而调控基因表达。进而调控基因表达。进而调控基因表达。反式作用因子从合成的场所反式作用因子从合成的场所反式作用因子从合成的场所反式作用因子从合成的场所扩散到目标场所而发挥作用，扩散到目标场所而发挥作用，扩散到目标场所而发挥作用，扩散到目标场所而发挥作用，这种作用方式称作这种作用方式称作这种作用方式称作这种作用方式称作反式作用反式作用。反式作用因子原核生物的调节蛋白特异因子决定决定决定决定RNARNA聚合酶对启动子的特异识别和结合能力。聚合酶对启动子的特异识别和结合能力。聚合酶对启动子的特异识别和结合能力。聚合酶对启动子的特异识别和结合能力。如如如如RNARNA聚合酶的聚合酶的聚合酶的聚合酶的 因子。因子。因子。因子。阻遏蛋白由调节基因表达的蛋白，通过与操纵序列结合，阻由调节基因表达的蛋白，通过与操纵序列结合，阻由调节基因表达的蛋白，通过与操纵序列结合，阻由调节基因表达的蛋白，通过与操纵序列结合，阻遏基因转录。遏基因转录。遏基因转录。遏基因转录。激活蛋白由调节基因表达的蛋白，与启动子上游由调节基因表达的蛋白，与启动子上游由调节基因表达的蛋白，与启动子上游由调节基因表达的蛋白，与启动子上游DNADNA序列结序列结序列结序列结合，促进合，促进合，促进合，促进RNARNA聚合酶与启动子结合，促进基因转录。聚合酶与启动子结合，促进基因转录。聚合酶与启动子结合，促进基因转录。聚合酶与启动子结合，促进基因转录。真核生物的调节蛋白基本转录因子是指能够直接或间接与启动子核心序列及是指能够直接或间接与启动子核心序列及是指能够直接或间接与启动子核心序列及是指能够直接或间接与启动子核心序列及RNARNA聚聚聚聚合酶特异结合，并启动基因转录的一类调节蛋白。合酶特异结合，并启动基因转录的一类调节蛋白。合酶特异结合，并启动基因转录的一类调节蛋白。合酶特异结合，并启动基因转录的一类调节蛋白。是构成基础转录装置所需的一类通用转录因子。是构成基础转录装置所需的一类通用转录因子。是构成基础转录装置所需的一类通用转录因子。是构成基础转录装置所需的一类通用转录因子。转录调节因子能识别并结合启动子上游的调节序列和远端的增能识别并结合启动子上游的调节序列和远端的增能识别并结合启动子上游的调节序列和远端的增能识别并结合启动子上游的调节序列和远端的增强子或沉默子元件，通过强子或沉默子元件，通过强子或沉默子元件，通过强子或沉默子元件，通过DNA-DNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用蛋白质相互作用蛋白质相互作用而调节基因转录活性。包括转录激活因子而调节基因转录活性。包括转录激活因子而调节基因转录活性。包括转录激活因子而调节基因转录活性。包括转录激活因子（activatoractivator）和转录抑制因子）和转录抑制因子）和转录抑制因子）和转录抑制因子(repressor)(repressor)共调节因子：是指通过与转录基本因子或转录调节因子是指通过与转录基本因子或转录调节因子发生蛋白发生蛋白-蛋白相互作用，影响他们的分子蛋白相互作用，影响他们的分子构象，进而调节基因转录活性的一类蛋白构象，进而调节基因转录活性的一类蛋白质。质。小结：基因表达调控1.基因表达的多级调控转录水平，转录后水平，翻译水平和翻译转录水平，转录后水平，翻译水平和翻译后水平上的调控，包括基因结构活化、后水平上的调控，包括基因结构活化、转转录起始录起始、转录后加工、翻译起始及翻译后、转录后加工、翻译起始及翻译后的加工的加工2.基因转录激活的调控体系特异特异DNA序列序列（顺式作用元件，（顺式作用元件， cis-acting element）与）与调控蛋白调控蛋白（反式作用因子，（反式作用因子， trans-acting factor）的相互作用）的相互作用第二节原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控的方式及特点方式方式特点特点调控机制调控机制 - -操纵子操纵子操纵子操纵子n n正调控正调控正调控正调控 （开启基因表达）（开启基因表达）（开启基因表达）（开启基因表达）n n负调控负调控负调控负调控 （关闭基因表达）（关闭基因表达）（关闭基因表达）（关闭基因表达）n n转录翻译偶联转录翻译偶联转录翻译偶联转录翻译偶联n n快速快速快速快速n n乳糖操纵子乳糖操纵子乳糖操纵子乳糖操纵子 -负、正调控负、正调控负、正调控负、正调控 转录起始的调控转录起始的调控转录起始的调控转录起始的调控 n n色氨酸操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子-负调控负调控负调控负调控 转录起始、终止的调控转录起始、终止的调控转录起始、终止的调控转录起始、终止的调控一.操纵子（operon）学说操纵子（操纵元）指原核生物染色体上一组连续排列、协调表达、指原核生物染色体上一组连续排列、协调表达、功能相关的基因，是基因表达和调控的一个完功能相关的基因，是基因表达和调控的一个完整单元，包括调节基因，启动子，操纵序列和整单元，包括调节基因，启动子，操纵序列和结构基因。结构基因。调节基因（调节基因（R）结构基因结构基因操纵序列操纵序列（O）启动子（启动子（P）乳糖操纵子乳糖操纵子 （lac operon）操纵子的基本结构调节基因（调节基因（R）结构基因结构基因操纵序列操纵序列（O）启动子（启动子（P）调节蛋白调节蛋白表达表达调控蛋白调控蛋白结合部位结合部位RNA聚聚合酶结合合酶结合部位部位多顺反子多顺反子mRNA转录转录结构基因：编码几个功能相关的蛋白质：编码几个功能相关的蛋白质,常是在一个代谢途常是在一个代谢途径中催化不同反应步骤的酶。径中催化不同反应步骤的酶。多顺反子：由多个结构基因串联在一起，受同一个启动子：由多个结构基因串联在一起，受同一个启动子调控，转录生产一条调控，转录生产一条mRNA, 翻译生成多个蛋白质。翻译生成多个蛋白质。n n启动子启动子(promoter)(promoter) 是结构基因的是结构基因的是结构基因的是结构基因的RNARNA聚合酶识别和结合的位点。聚合酶识别和结合的位点。聚合酶识别和结合的位点。聚合酶识别和结合的位点。n n操纵子（操纵子（operatoroperator） 是与启动子相邻的顺式作用元件，能与调控蛋白特是与启动子相邻的顺式作用元件，能与调控蛋白特是与启动子相邻的顺式作用元件，能与调控蛋白特是与启动子相邻的顺式作用元件，能与调控蛋白特异结合，影响基因转录的异结合，影响基因转录的异结合，影响基因转录的异结合，影响基因转录的DNADNA序列。序列。序列。序列。n n调节基因调节基因（regulatorregulator） 编码能与操纵基因结合的调控蛋白，包括编码能与操纵基因结合的调控蛋白，包括编码能与操纵基因结合的调控蛋白，包括编码能与操纵基因结合的调控蛋白，包括激活蛋白激活蛋白激活蛋白激活蛋白和和和和阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白，有独立的启动子。，有独立的启动子。，有独立的启动子。，有独立的启动子。 二.操纵子调控系统的类型（一）依据操纵子对调节蛋白的响应来划分（一）依据操纵子对调节蛋白的响应来划分 正控制系统 （positive control）负控制系统 （negative control）调节基因调节基因 操纵序列操纵序列正控制系统（positivecontrol）在无调节蛋白存在时基因关闭，加入调节蛋白后基因在无调节蛋白存在时基因关闭，加入调节蛋白后基因表达被开启。表达被开启。调节蛋白称为无辅基诱导蛋白（调节蛋白称为无辅基诱导蛋白（apoinducer），也叫，也叫激活蛋白激活蛋白（activator protein, AP）。）。 负控制系统（negativecontrol）在无调节蛋白存在时基因表达，加入调节蛋白后基因在无调节蛋白存在时基因表达，加入调节蛋白后基因表达被关闭。表达被关闭。调节蛋白称为调节蛋白称为阻遏蛋白阻遏蛋白（repressor）。Note: “关闭关闭”并不是绝对的，是指基因表达量很低，但还并不是绝对的，是指基因表达量很低，但还残留着本底水平的表达；残留着本底水平的表达；“负控制负控制”在生物体中普遍存在，提供了在生物体中普遍存在，提供了“万一万一”保安机制。保安机制。 阻遏蛋白：活性和无活性的阻遏蛋白：活性和无活性的 激活蛋白：活性和无活性激活蛋白：活性和无活性尾长鸡尾长鸡(日本日本)（二）根据操纵子对调控蛋白及小分子调节物的应答反应性质，划分为：可诱导的操纵子（inducibleoperon）可阻遏的操纵子（repressibleoperon）基因转录被开启的过程称为诱导（基因转录被开启的过程称为诱导（induction）。）。小分子调节物：小分子调节物：诱导物诱导物（Inducer） 基因转录被关闭的过程称为阻遏（基因转录被关闭的过程称为阻遏（repression）。）。 小分子调节物：小分子调节物：辅阻遏物辅阻遏物（Corepressor）一: 可诱导的操纵元抑制抑制诱导诱导转录转录翻译翻译在在负调控系统中，调节基因的中，调节基因的产物是产物是阻遏蛋白(repressor) 。其作用部位是操纵区，与操纵其作用部位是操纵区，与操纵区结合后抑制结构基因转录。区结合后抑制结构基因转录。负控诱导系统系统活性阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋不与诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因白与操纵区相结合，结构基因不转录；阻遏蛋白结合诱导物不转录；阻遏蛋白结合诱导物后，与操纵区分离，结构基因后，与操纵区分离，结构基因开始转录。开始转录。转录转录: 关关 开开负控诱导系统调节基因调节基因 操纵序列操纵序列正控诱导系统在在正调控系统中，调节基中，调节基因的产物是因的产物是激活蛋白(activator)。激活蛋白与。激活蛋白与DNA的启动子及的启动子及RNA聚合聚合酶结合后，结构基因转录酶结合后，结构基因转录才会进行才会进行。在在正控诱导系统中，诱导系统中，诱导物的存在使物的存在使失活的激活蛋白变为活性状态，结构基变为活性状态，结构基因转录进行。因转录进行。负控诱导系统正控诱导系统结构基因转录结构基因转录: 关关 开开二:可阻遏的操纵子（repressibleoperon） 基因转录被关闭的过程称为阻遏（基因转录被关闭的过程称为阻遏（repression）。）。 小分子调节物：辅阻遏物（小分子调节物：辅阻遏物（Corepressor）正控阻遏系统在在正调控系统中，调中，调节基因的产物是节基因的产物是激活蛋白(activator)。激。激活蛋白与启动子及活蛋白与启动子及RNA聚合酶结合后，聚合酶结合后，结构基因转录才会进结构基因转录才会进行行。在在正控阻遏系统中，系统中，效应物（辅阻遏物）效应物（辅阻遏物）的存在使的存在使活性激活蛋白变为非活性状态，变为非活性状态，结构基因转录受抑制。结构基因转录受抑制。负控阻遏系统在在负调控系统中，调节基因的产物中，调节基因的产物是是阻遏蛋白(repressor) 。其作用部。其作用部位是操纵区，与操纵区结合后抑制位是操纵区，与操纵区结合后抑制结构基因转录。结构基因转录。负控阻遏系统系统失活的阻遏蛋白不与效应物（辅阻遏物）结合时，不与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因转录；当与效应物结合后，结构基因转录；当与效应物结合后，变成有活性的阻遏蛋白，与操纵区变成有活性的阻遏蛋白，与操纵区结合，结构基因不能转录。结合，结构基因不能转录。CorepressorCorepressor负控阻遏系统正控阻遏系统基因转录基因转录: 开开 关关（三）细菌中的转录调控系统n在在负调控系统中，调节基因的产物是中，调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor) 。其作用部位是操纵区，与操纵区结合后。其作用部位是操纵区，与操纵区结合后抑制结构基因转录。抑制结构基因转录。n负控诱导系统系统活性阻遏蛋白不与诱导物结合时，不与诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录；阻遏蛋阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录；阻遏蛋白结合诱导物后，与操纵区分离，结构基因开始转录。白结合诱导物后，与操纵区分离，结构基因开始转录。n负控阻遏系统系统失活的阻遏蛋白不与效应物（辅阻不与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因转录；当与效应物结合后，遏物）结合时，结构基因转录；当与效应物结合后，变成有活性的阻遏蛋白，与操纵区结合，结构基因不变成有活性的阻遏蛋白，与操纵区结合，结构基因不能转录。能转录。细菌中的转录调控系统n在在正调控系统中，调节基因的产物是中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)。激活蛋白与。激活蛋白与DNA的启动子及的启动子及RNA聚合酶结合后，结构基因转录才会进行聚合酶结合后，结构基因转录才会进行。n在在正控诱导系统中，诱导物的存在使系统中，诱导物的存在使失活的激活蛋白变为活性状态，结构基因转录进行。变为活性状态，结构基因转录进行。n在在正控阻遏系统中，效应物（辅阻遏物）的存系统中，效应物（辅阻遏物）的存在使在使活性激活蛋白变为非活性状态，结构基因变为非活性状态，结构基因转录受抑制。转录受抑制。基因表达调控的四种基本模式阻遏阻遏图图 1图图 2图图 3图图 4三.乳糖操纵子（lactoseoperon）现象:大肠杆菌培养皿中只有葡萄糖时，乳糖分解酶很少产生，大肠杆菌培养皿中只有葡萄糖时，乳糖分解酶很少产生，加入乳糖后，乳糖分解酶大量产生；加入乳糖后，乳糖分解酶大量产生；撤去乳糖后，乳糖撤去乳糖后，乳糖分解酶迅速消失。分解酶迅速消失。即即分解底物的酶只有在底物存在时才出现。分解底物的酶只有在底物存在时才出现。问题：乳糖与乳糖分解酶的关系？乳糖与乳糖分解酶的关系？乳糖的角色？乳糖的角色？Glucose +Other sugar葡萄糖和其他糖类葡萄糖和其他糖类葡萄糖和其他糖类葡萄糖和其他糖类同时存在时，细菌同时存在时，细菌同时存在时，细菌同时存在时，细菌优先利用葡萄糖。优先利用葡萄糖。优先利用葡萄糖。优先利用葡萄糖。与葡萄糖代谢相关的酶基因与葡萄糖代谢相关的酶基因与葡萄糖代谢相关的酶基因与葡萄糖代谢相关的酶基因表达；表达；表达；表达；与其他糖代谢相关的酶基因与其他糖代谢相关的酶基因与其他糖代谢相关的酶基因与其他糖代谢相关的酶基因关闭。关闭。关闭。关闭。n n乳糖操纵子有两套控制系统：乳糖操纵子有两套控制系统：乳糖操纵子有两套控制系统：乳糖操纵子有两套控制系统：正控制系统和负控制系统。正控制系统和负控制系统。正控制系统和负控制系统。正控制系统和负控制系统。n n与乳糖代谢有关的酶基因与乳糖代谢有关的酶基因与乳糖代谢有关的酶基因与乳糖代谢有关的酶基因表达；表达；表达；表达； 与葡萄糖代谢有关的酶基因与葡萄糖代谢有关的酶基因与葡萄糖代谢有关的酶基因与葡萄糖代谢有关的酶基因关闭。关闭。关闭。关闭。n nGlucose Glucose n nLactose +Lactose +n n葡萄糖消耗尽，乳糖葡萄糖消耗尽，乳糖葡萄糖消耗尽，乳糖葡萄糖消耗尽，乳糖存在时，细菌可利用存在时，细菌可利用存在时，细菌可利用存在时，细菌可利用乳糖。乳糖。乳糖。乳糖。n n乳糖操纵子有两套控制系统：乳糖操纵子有两套控制系统：乳糖操纵子有两套控制系统：乳糖操纵子有两套控制系统：n n正控制系统和负控制系统。正控制系统和负控制系统。正控制系统和负控制系统。正控制系统和负控制系统。IPOZYA调控基因调控基因调控基因调控基因 调节区调节区调节区调节区 结构基因结构基因结构基因结构基因 (Lac)(Lac)(Lac)(Lac)阻阻阻阻遏遏遏遏蛋蛋蛋蛋白白白白启启启启动动动动序序序序列列列列cAMP-CAPcAMP-CAPcAMP-CAPcAMP-CAP结合位点结合位点结合位点结合位点操操操操纵纵纵纵序序序序列列列列 半半半半乳乳乳乳糖糖糖糖苷苷苷苷酶酶酶酶通通通通透透透透酶酶酶酶乙乙乙乙酰酰酰酰基基基基转转转转移移移移酶酶酶酶乳糖操纵子的结构CAP常形成二聚体，能被常形成二聚体，能被cAMP激活，结合于激活，结合于启动子区，激活下游结构基因的转录启动子区，激活下游结构基因的转录1.CAP的正调控作用n nCAP（cataboliteactivatorprotein，分解代谢物激活蛋白）：是乳糖操纵子的是乳糖操纵子的激活激活蛋白。蛋白。n n CRP（cAMPreceptorprotein，cAMP受体蛋白）：是是CAP的非活性形式。的非活性形式。n n cAMP（环化腺苷酸）：能够将能够将CRP转化为转化为CAP。大肠杆菌细胞在有葡萄糖存在时，优先使用葡萄糖，而大肠杆菌细胞在有葡萄糖存在时，优先使用葡萄糖，而不使用其他糖类，这种选择作用由葡萄糖的分解代谢物不使用其他糖类，这种选择作用由葡萄糖的分解代谢物（ catabolite ）控制，因而把这种控制方式称为）控制，因而把这种控制方式称为分解代谢分解代谢物阻遏作用。物阻遏作用。分解代谢物阻遏作用（cataboliterepression）激活激活缺少葡萄糖时，缺少葡萄糖时，cAMP 浓度增高，使活化的浓度增高，使活化的CAP浓浓度增高，度增高，CAP-cAMP复合物与启动子区复合物与启动子区CAP位点结位点结合，开放聚合酶通道，促进结构基因的大量转录。合，开放聚合酶通道，促进结构基因的大量转录。葡萄糖存在时，葡萄糖的分解代谢物抑制葡萄糖存在时，葡萄糖的分解代谢物抑制cAMP的形的形成，从而成，从而使使CAP浓度不能有效增高，阻遏了浓度不能有效增高，阻遏了CAP的的正调控作用，从而抑制结构基因的转录。正调控作用，从而抑制结构基因的转录。促进转录ZYAOPDNACAP无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高，浓度高，与与CAP结合，促进转录结合，促进转录CAPCAPCAPCAP有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低，浓度低，不能激活不能激活CAP，不促进转录，不促进转录CAPCAP对乳糖操纵子的正调控作用2.阻遏蛋白的负调控作用没有没有乳糖时，调节基因产生的阻遏蛋白结合在乳糖时，调节基因产生的阻遏蛋白结合在操纵子操纵子O上，阻止结合在启动基因上，阻止结合在启动基因P上的上的RNA聚合酶的作用，关闭结构基因的表达。聚合酶的作用，关闭结构基因的表达。 当培养基中存在乳糖时，当培养基中存在乳糖时， 乳糖与阻遏蛋白结合，乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白构象改变，不能结合到使阻遏蛋白构象改变，不能结合到O上，打开操纵上，打开操纵子开关，结构基因得以转录。子开关，结构基因得以转录。 乳糖的诱导作用乳糖操纵子对乳糖操纵子对葡萄糖葡萄糖的利用是的利用是可阻可阻遏的正控制系统；遏的正控制系统；对对乳糖乳糖的利用是的利用是可诱导的负控制系统！可诱导的负控制系统！小结有葡萄糖存在时，细菌优先选择葡萄糖供应能量。葡萄糖有葡萄糖存在时，细菌优先选择葡萄糖供应能量。葡萄糖通过降低通过降低 cAMP浓度，阻碍浓度，阻碍cAMP与与CAP结合而抑制乳糖操结合而抑制乳糖操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。在没有葡萄糖而只有乳糖的条件下，乳糖作为诱导物，使在没有葡萄糖而只有乳糖的条件下，乳糖作为诱导物，使阻遏蛋白与阻遏蛋白与 O序列解聚，同时细胞内序列解聚，同时细胞内cAMP浓度升高，使浓度升高，使CAP结合结合cAMP后与乳糖操纵子的后与乳糖操纵子的CAP位点结合，激活转录，位点结合，激活转录，使细菌能够利用乳糖。使细菌能够利用乳糖。 由于由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使lac操操纵子转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有纵子转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。 四.色氨酸操纵子（trpoperon）现象:大肠杆菌培养基中无色氨酸时，色氨酸合成酶出现大肠杆菌培养基中无色氨酸时，色氨酸合成酶出现 加入色氨酸时，色氨酸合成迅速停止加入色氨酸时，色氨酸合成迅速停止问题: 色氨酸与色氨酸合成酶的关系？色氨酸与色氨酸合成酶的关系？色氨酸的角色？色氨酸的角色？合成底物的酶只有在底物缺少时才出现合成底物的酶只有在底物缺少时才出现色氨酸操纵子的结构调控基因：调控基因：trp R，编码阻遏蛋白（无活性），编码阻遏蛋白（无活性）调调 控控 区：区：trpP, trpO, trpL（前导序列）（前导序列）结构基因：结构基因：trpE, trpD, trpC, trpB, trpA（编码一（编码一系列合成色氨酸的酶）系列合成色氨酸的酶）缺乏色氨酸时，阻遏蛋白无活性，不能结合于操纵缺乏色氨酸时，阻遏蛋白无活性，不能结合于操纵区，结构基因可转录。区，结构基因可转录。1. 可阻遏的负控制系统存在色氨酸时，色氨酸充当辅阻遏物，阻遏蛋白与其存在色氨酸时，色氨酸充当辅阻遏物，阻遏蛋白与其结合，变为有活性的阻遏蛋白，抑止操纵子结构基因结合，变为有活性的阻遏蛋白，抑止操纵子结构基因的转录。的转录。2.衰减子系统更为精细的调控系统更为精细的调控系统现象：乳糖操纵子中，阻遏状态下结构基因的合乳糖操纵子中，阻遏状态下结构基因的合成为诱导状态下的成为诱导状态下的1/1000；色氨酸操纵子中，阻；色氨酸操纵子中，阻遏状态下合成为去阻遏状态下的遏状态下合成为去阻遏状态下的1/700。说明：色氨酸操纵子阻遏效率低，需要另一个控制系统色氨酸操纵子阻遏效率低，需要另一个控制系统（衰减子）来辅助完成。（衰减子）来辅助完成。衰减子一个受到翻译控制的转录终止子结构。一个受到翻译控制的转录终止子结构。特征色氨酸操纵子色氨酸操纵子mRNA前导（前导（leader）序列中有一个编码）序列中有一个编码14个氨个氨基酸的开放阅读框架，其中存在两个连续的色氨酸密码子；基酸的开放阅读框架，其中存在两个连续的色氨酸密码子；在下游相隔在下游相隔42个碱基处，存在一个不依赖个碱基处，存在一个不依赖 因子的终止子结因子的终止子结构（衰减子序列）。构（衰减子序列）。作用提前终止转录，调节基因表达提前终止转录，调节基因表达14AA-42bp-衰减子的结构 结构基因转录起始点前，存在前导序列结构基因转录起始点前，存在前导序列衰减子的结构n n高高高高TrpTrpTrpTrp时：时：时：时： Trp-tRNATrp-tRNATrp-tRNATrp-tRNATrp Trp Trp Trp 存在存在存在存在 核糖体通过片段核糖体通过片段核糖体通过片段核糖体通过片段1(21(21(21(2个个个个TrpTrpTrpTrp密码子密码子密码子密码子) ) ) ) 封闭片段封闭片段封闭片段封闭片段2 2 2 2 片段片段片段片段3 3 3 3，4 4 4 4形成发夹结构形成发夹结构形成发夹结构形成发夹结构 类似于不依赖类似于不依赖类似于不依赖类似于不依赖因子的转录终止序列因子的转录终止序列因子的转录终止序列因子的转录终止序列 RNARNARNARNA聚合酶停止转录聚合酶停止转录聚合酶停止转录聚合酶停止转录, , , ,产生衰减子转录产物产生衰减子转录产物产生衰减子转录产物产生衰减子转录产物转录、翻译偶联转录、翻译偶联转录、翻译偶联转录、翻译偶联, , , ,只产生前导肽只产生前导肽只产生前导肽只产生前导肽n n低低低低TrpTrpTrpTrp时：时：时：时： Trp-tRNATrp-tRNATrp-tRNATrp-tRNATrp Trp Trp Trp 没有供应没有供应没有供应没有供应 核糖体停止在片段核糖体停止在片段核糖体停止在片段核糖体停止在片段1 1 1 1 （2 2 2 2个个个个TrpTrpTrpTrp密码子）密码子）密码子）密码子） 片段片段片段片段2 2 2 2，3 3 3 3 形成发夹结构形成发夹结构形成发夹结构形成发夹结构 片段片段片段片段3 3 3 3，4 4 4 4不能形成终止子结构，不能形成终止子结构，不能形成终止子结构，不能形成终止子结构， 转录不终止转录不终止转录不终止转录不终止 RNARNARNARNA聚合酶继续转录，结构基因表达聚合酶继续转录，结构基因表达聚合酶继续转录，结构基因表达聚合酶继续转录，结构基因表达色氨酸短缺，阻遏蛋白没有活性，结构基因转录；色氨酸短缺，阻遏蛋白没有活性，结构基因转录；色氨酸过剩，一方面色氨酸与阻遏蛋白结合，抑制基因转录，另色氨酸过剩，一方面色氨酸与阻遏蛋白结合，抑制基因转录，另一方面色氨酸的衰减子充当一方面色氨酸的衰减子充当“第二道防线第二道防线”，抑制结构基因转录。，抑制结构基因转录。小结n原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控 操纵子学说操纵子学说 乳糖操纵子乳糖操纵子 、色氨酸操纵子、色氨酸操纵子本章重点内容