基因的表达与调控（上）原核生物的基因调控

分子生物学课程组分子生物学课程组 1

基因的表达与调控（上）

原核生物的基因调控


一、绪论

原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的环境中，食物供应毫无保障，只有能根据环境条件的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。


假如在大肠杆菌内，平均一个基因 100

0bp ，一个细胞中约有 2500-3000 个基因。正常情况下，可带有 107个蛋白质，平均每个基因产生 3

000 多个蛋白质分子。但实验却表明，每细胞中有些蛋白质少之 10 个分子，而有一些却多达 500000 个分子。


一个大肠杆菌中只有 15 个分子的 β －半乳糖苷酶，若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每细胞中酶量可高达几万个分子，其合成的速度和总量随环境的变化而改变。

表明基因的表达受到调控。


细菌在进行调控时：一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种“开 - 关”（ on-off ）活性是通过调节转录来建立的，也就是说 mRNA 的合成是可以被调节的。


1 、基因表达及基因表达调控是指生物体基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录及翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定生物学功能的全过程 ,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 ）。


基因表达调控主要表现在以下几个方面： ① 转录水平上的调控 (transcriptional regul

ation) ； ② mRNA 加工成熟水平上的调控 (differen

tial processing of RNA transcript) ； ③ 翻译水平上的调控 (differential translati

on of mRNA) 。


2 、基因表达的调控方式负调控（ negative transcription regulation ） :

调控蛋白 +DNA 序列基因表达 ( 相应蛋白质降低 )

正调控（ positive transcription regulation ） :

调控蛋白 +DNA 序列基因表达 ( 相应蛋白质增加 )


负调控根据作用特征根据作用特征

负控诱导

负控阻遏

正调控根据作用特征根据作用特征

正控诱导

正控阻遏


正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；　　原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；　　降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。


主要环节在转录，起始 σ 因子决定 RNA 聚合酶识别特异性。

◆ 操纵子（操纵子（ operonoperon ）：）：原核生物中几个原核生物中几个功能相关功能相关的结构基因的结构基因成簇串成簇串联联排列组成的一个基因表达的排列组成的一个基因表达的协同单位协同单位（（ DNADNA 序列）。序列）。一个操纵子一个操纵子＝＝编码序列（编码序列（ 2-62-6 ）） ++ 启动序列启动序列 ++ 操纵序列操纵序列 +(+( 其他其他调节序列调节序列 ))

二、原核基因调节特点


1、乳糖操纵子的发现：葡萄糖充分时：葡萄糖代谢有关的酶基因 ---表达其他糖代谢有关的酶基因 ---关闭葡萄糖耗尽时 ,乳糖存在：乳糖代谢有关的酶基因 ---表达葡萄糖代谢有关的酶基因 ---关闭说明酶可以诱导

一）乳糖操纵子 (lactose operon)


乳糖在透过酶及半乳糖苷酶作用下分解，为大肠杆菌提供碳源

分子生物学课程组分子生物学课程组 15乳糖确实可诱导 Lac mRNA 的合成

能以乳糖作为唯一碳源和能源生长的定为 lac+；相反，称之为 lac-。

分子生物学课程组分子生物学课程组 16安慰诱导物（ gratuitous inducer ）

分子生物学课程组分子生物学课程组 18 诱导物的加入和去除对 lac mRNA 的影响


2 、结构基因顺序乳糖操纵子包括三个结构基因： Z 、 Y 、 A

P Y Z A O

转录方向转录方向


A 模型的提出• 1940年， Monod 发现细菌“二次生长曲线”；• 1950年， Monod 和 Tacob 发现两对基因 Z 和 I ；• Szilard 发现 I 基因决定阻遏物的合成；• Jocob提出结构基因旁边还有开关基因，即操纵基因。


J.Lederberg 1948

不同 Lac-突变型

细菌结合转移和转导试验

证明三基因紧密连锁

B 实验验证 1 ）结构基因


Lac Z-Y+A+ ： β- 半乳糖苷酶基因突变


在这些突变体中，有一类突变体，它体内的半乳糖苷酶的形成不依赖于诱导物的存在，即没有乳糖或别的半乳糖苷存在时也能合成 β- 半乳糖苷酶，这种突变体称为组成型突变。分为两类： I型和 O型。

I型：野生型为 I+，突变型为 I-； O型：野生型为 O+，突变型为 Oc。

2）调节基因


I+→I-或 O+ →Oc后， Z 、 Y 、 A 结构基因均表现为永久表达，所以 I 基因被称为调节基因 (regul

atory gene) 。 I 基因是一个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系关闭。 I-突变体由于不能产生阻遏物，使细胞成为 lac永久表达型。 I-/I+局部二倍体由于带有一个正常阻遏物，使细胞中的 lac仍然被抑制。


Inactive re pressor lacI－ gene sythesizes defe ctive re pressor that does not bind to DNA Ope ron is transcribe d and translate d lacI－ Ope rantor β -半乳糖苷酶透性酶乙酰转移酶图 16- lac I 发生突变，操纵子组成型表达


说明： ◆ I+合成特异的阻遏物，无诱导物时可阻止 Z 基因表达 ◆ 诱导物可作为阻遏物的拮抗物，使阻遏物失活， Z 基因表达 ◆ I-不产生无活性阻遏物，因而无需诱导物， Z 基因就可表达，阻遏物起负调控作用


Lac 阻遏物结构特点

调控机制（负调控）

由基因 I 编码生成的蛋白质具有四级结构的蛋白质具有 4 个相同亚基，每个亚基中都有一与诱导剂和 O 基因结合的位点Lac 阻遏物与 O 基因结合：结构基因关闭Lac 阻遏物与诱导剂结合：不与 O 基因结合，结构基因开放 RNA 聚合酶结合，转录开始

▲ Lac 阻遏物


I O

O

ρ

诱导剂

乳糖操纵子的负调控


O+Z+ - ＋ OcZ+ ＋＋ OcZ+/O+Z+ ＋＋OcZ － /O ＋ Z+ －＋ OcZ+/O ＋ Z －＋＋

基因型组成表达诱导表达

3）操纵基因② O 基因组成型突变

说明： Oc 对 O+显性，但只对其临近的基因才有作用，称为顺式显性。

顺式显性（ cis-dominant)：显性效应只对处于同一染色体上它所调控的结构基因

才起作用的现象


Active repressor cannot bind to O c mutant operantor

Operon is transcribed and translated lacI O c operantor

β -半乳糖苷酶透性酶乙酰转移酶图 16-7 操纵基因发生组成型突变，操纵子组成型表达


遗传学图谱分析指出， Oc突变位于 I 与Z 之间，所以， lac 体系的 4 个基因的序列为 IOZ

Y 。通过这些观察， Jacob 和 Monod推断 Oc突变代表 DNA链上的一个位点或一个非编码区域，而不是一个基因，因为可编码的基因具有互补性，而 Oc没有这一特性。

O 决定相邻 Z 基因的产物是诱导型合成还是组成型合成， O区域称为操纵基因。

操纵基因的结构


I P O Z Y A

调控基因控制位点结构基因调控基因控制位点结构基因DNADNA

阻遏蛋白

阻遏蛋白

启动序列

启动序列

cAMP-CAPcAMP-CAP结合位点结合位点

操纵序列

操纵序列ββ

半乳糖苷酶

半乳糖苷酶

通透酶

通透酶

乙酰基转移酶

乙酰基转移酶

33 、乳糖操纵子（、乳糖操纵子（ lactose opronlactose opron ）结构）结构

RNARNA聚合酶聚合酶结合位点结合位点

（－ 67~ － 59 ）

（－ 7~＋ 28 ）


General organization of the lac operon of wild-type E. coli.

Order of controlling elements and genes:

lacI: promoter-lacI-terminator

operon: promoter-operator-lacZ-lacY-lacA-terminator


-54 —-58 -65 —-69

-47 — -8 -3 — +21

AUG ： +39 — +41

-47 — -84


1 ） P-O区 Promotor: -84---+ 1

Operator: -7---+28

两者有 7bp重叠，使这段序列可能无法同时结合 RNA 聚合酶和阻遏蛋白，也可能虽然可以同时结合，但无法形成开放的转录起始复合物


2 ） Lac 阻遏物的作用 --- 负调控


mRNA

阻遏蛋白

IDNA Z Y AOPpol

没有乳糖存在时

阻遏基因

Lac阻遏物的作用 ---负调控


mRNA

阻遏蛋白

有乳糖存在时

IDNA Z Y AOPpol

启动转录 mRNA

乳糖别乳糖

β- 半乳糖苷酶


3 ）两个矛盾

第一个诱导物如何进入细胞？第一个 β- 半乳糖苷酶如何产生？解释：本底水平表达


在非诱导状态下有少量（ 1-5 个 mRNA 分子）lac mRNA 合成。由于阻遏物的结合并不是绝对紧密，即使在与操纵基因紧密结合时，也会偶尔掉下来，这时启动子的阻碍被解除， RNA 聚合酶开始转录，导致在非诱导情况下少量透过酶可以合成。

－－ mRNA 的这种合成称为本底水平表达。


4 ） CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用 ---- 乳糖操纵子的正调控

1965年， Sutherland 发现大肠杆菌培养液中葡萄糖的含量总是与 cAMP 含量成反比。 1968年，发现大肠杆菌培养液中加入 cAMP

可增加半乳糖苷酶的产量。


◆ cAMP 的作用：刺激多种可诱导的操纵子。 cAMP 和 CRP 结合后发挥作用。◆ CRP （分解物基因激活物蛋白）：由 Crp 基因编码，有二个相同亚基的蛋白质。其中一个与 DNA 结合的 domain ，一个与 cAMP 结合的 domain 。◆ CRP 和 cAMP 结合后 , 称为 CAP ，刺激操纵子 , 导致结构基因转录 ( 正调控 ) 。


• CAP （ catabolite activator protein ）以两种方法来激活转录：

（ 1 ）它可能直接和 RNA Pol 相互作用；

（ 2 ）作用于 DNA ，改变其结构，从而帮

助 RNA Pol 结合。


　葡萄糖 cAMP Lac 操纵子被抑制

+ + + + 转录

无葡萄糖， cAMP浓度高时

有葡萄糖， cAMP浓度低时

Z Y AOPDNA CAP

CAPCAPCAP CAP

CAP


cAMP-CAP 与 DNA 相结合，造成双螺旋弯曲，形成一个“环状”结构， lacI+基因产物（阻遏物）无法与 O区相结合，易于形成三元转录起始复合物，只要有这个“环”的亚基存在， lac operon 就可以得到表达。

cAMP-CAP还能直接影响 RNA 聚合酶的活性。


5 ）乳糖操纵子基因表达的一般情况

基因表达的外界信号基因表达的负调控基因表达的正调控正、负调控协同表达

葡萄糖、乳糖浓度的变化Lac 阻遏物与操纵基因cAMP+CAP 与相应的 DNA 序

列


条件 2:

低乳糖

条件 3:

低乳糖

条件 4:高葡萄糖低 cAMP高乳糖

Lac 阻遏蛋白封闭转录时 , CAP 对该系统不发挥作用

条件 1:低葡萄糖高 cAMP高乳糖

Lac 阻遏蛋白不封闭转录时 ,没有 CAP 存在 , 也无高效转录活性。

Lac 阻遏蛋白不封闭转录 , CAP+ cAMP 加强转录。

OO

OO O


※当阻遏蛋白封闭转录时， CAP 对该系统不能发挥作用；※如无 CAP 加强转录，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。※ 若有葡萄糖或葡萄糖 / 乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏 (catabolic repression) 。

※ lac 操纵子的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖。


mRNA

无乳糖时有乳糖时

无葡萄糖 cAMP 浓度高

有葡萄糖 cAMP 浓度低

RNA-pol

O O

O O

lac 操纵子基因表达既需要乳糖又需缺乏葡萄糖


色氨酸操纵子 (tryptophane operon) 负责色氨酸的生物合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开， trp 基因表达，色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程（而不是诱导过程）中起作用。由于 trp 体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或 cAMP-CAP 的调控。

二）色氨酸操纵子


色氨酸的合成分 5步完成。每个环节需要一种酶，编码这 5 种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子 mRNA 上，分别以 trpE 、 trp

D 、 trpC 、 trpB 、 trpA 代表，编码邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油 -3-磷酶合成酶。


1. 色氨酸操纵子的结构

◆ trpR(89’) 和 trpABCDE(25’) 不紧密连锁； ◆ 操纵基因在启动子内 ◆ 有衰减子 (attenuator)

◆ 启动子和结构基因不直接相连，二者被前导顺序 (Leader) 所隔开


trpE 基因是第一个被翻译的基因，与其相邻的是前导区 trpL 和衰减子 trpa 。 trp 操纵子中产生阻遏物的基因是 trpR ，该基因距 trp 基因簇很远，后者在大肠杆菌染色体图上 25min处，而前者则位于 90min处。

在位于 65min处还有一个 trpS （色氨酸 tRNA 合成酶），它和携带有 trp 的 tRNATrp

也参与 trp 操纵子的调控作用。


2.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 -阻遏系统

trpR 基因在其自身的启动子作用下，合成分子量 47000 的调控蛋白，但没有与 O 结合的活性，因此被称为辅阻遏蛋白 (aporepressor) ，除非培养基中有色氨酸。

辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并使之关闭转录 trp mR

NA 。


高Trp时：辅阻遏物蛋白 +Trp 结合操纵基因不转录

低Trp时：辅阻遏物蛋白不结合操纵基因转录


Trp

有 Trp

无 Trp mRNA

OPtrpR

调节区结构基因

RNA 聚合酶

RNA 聚合酶

色氨酸操纵子


3.3. 衰减作用对色氨酸操纵子的调控衰减作用对色氨酸操纵子的调控

◆◆前导区的序列特点前导区的序列特点◆◆ 转录衰减机制转录衰减机制◆◆衰减机制的实验证据衰减机制的实验证据


前导区（ Leader ）：结构基因起始密码子前有 162 个碱基，其中的 139 个碱基构成前导区。☻前导肽（ Leader peptide ）：推测前导区mRNA 可编码 14 个氨基酸组成的多肽，其中第 10 和第 11 位均为色氨酸。☻有四个富含 GC 的区段，相邻的区段之间可形成茎环结构。


☻弱化子（ attenuator ）：一段位于结构基因上游前导区，具有终止子结构的短序列，通过前导序列转录产生的 mRNA 形成类似于终止子的二级结构，达到转录终止的目的。


UUUU……

UUUU……

调节区结构基因 trpR OP

前导序列衰减子区域

UUUU……前导 mRNA 1 2 3 4

衰减子结构第 10 、 11 密码子为 trp 密码子

终止密码子

14aa 前导肽编码区:

包含序列1

形成发夹结构能力强弱：序列 1/2> 序列 2/3> 序列 3/4

trp 密码子

UUUU……


UUUU……3 4

UUUU 3’

34

核糖体

前导肽

前导 mRNA

A. 当色氨酸浓度高时

1 ）转录衰减机制

1 25’

trp 密码子

衰减子结构就是终止子可使转录

前导 DNA

UUUU 3’ RNA 聚合酶

终止终止


UUUU……3 42 4

2 3

UUUU……核糖体

前导肽

前导 mRNA

15’

trp 密码子

结构基因

前导 DNA

RNA 聚合酶

B. 当色氨酸浓度低时

Trp 合成酶系相关结构基因被转录

序列 3、 4不能形成衰减子结构


Low TrpLow Trp

High TrpHigh Trp


高 Trp 时： Trp-tRNATrp 存在

核糖体通过片段 1(2 个 Trp密码子 )

封闭片段 2

片段 3 ， 4形成发夹结构类似于不依赖 ρ 因子的转录终止序列

RNA 聚合酶停止转录 , 产生衰减子转录产物

转录、翻译偶联转录、翻译偶联 ,, 产生前导肽产生前导肽


低 Trp 时： Trp-tRNATrp 没有供应

核糖体翻译停止在片段 1 （ 2 个 Trp密码子）

片段 2 ， 3 形成发夹结构转录不终止

RNA 聚合酶继续转录


2）衰减机制的实验证据 a 衰减作用的发现 ☻ trp 操纵子受阻遏蛋白阻遏时，表达仅下降为阻遏前的 1/70 ，而 Lac 操纵子受阻遏蛋白阻遏时，表达下降为阻遏前的 1/1000

☻ trpS5突变株温度敏感型突变株，它所编码的 Trp-tRNAtrp合成酶只在 30℃时有活性， 42℃时无酶活性。比较野生型和突变型在 42℃和 30℃时 Asase 的酶活性，表明 Trp-

tRNAtrp有调节功能 ☻ trpΔLD102突变株该细菌在有色氨酸的培养基中仍有很高的色氨酸合成酶活性


trpΔED53 中 L 不缺失（弱化子存在）， trp

ΔLD102 中 L缺失（弱化子不存在），缺失前导区后的表达比有前导区的表达要高得多，充分说明 trp 操纵子的表达调控除阻遏作用外，还受到前导区的影响，失去了这个因素就失去了一个调控机制。


b 衰减作用的遗传学证据 ☻ trpL29突变株增强终止突变型前导区 29 位核苷酸G→A ，使 AUG→AUA

☻ trpL75突变株增强终止突变型前导区 75 位核苷酸G→A,减弱了 2区和 3区形成茎环能力

☻ trpL29 trpL131G→C双突变株 trpL29 ΔtrpLC1419双突变株解除终止


• Trp 的存在对终止转录是有效的，弱化子仅允许约 10% 的 R

NA 聚合酶通过。

• 缺乏 Trp 时，弱化子允许所有的聚合酶通过。


3) 其他氨基酸饥饿对 Trp衰减子的影响

☻ 当所有的氨基酸都不足时，核糖体翻译移动的速度就更慢，结果有利于 1+2 和 3+4 发夹结构的形成，于是 RNA pol停止转录。☻大多数其他氨基酸的缺乏，核糖体停止运转的位置可让 1区和 2区配对，并不影响 3区和 4

区形成终止子结构，所以 trp 基因不表达☻当 Gly饥饿时， 1区和 2区中可形成部分双链结构，不影响 3区和 4区☻当 Thr饥饿时，影响 1区 /2区和 2区 /3区配对。但不影响 3区和 4区配对☻当 Arg饥饿时，影响 1区 /2区配对，但不影响 2区 /3区配对， 3区和 4区不配对


4）协调

☻阻遏作用：粗调开关阻遏物的作用是当有大量外源色氨酸存在时，阻止非必需的先导 mRNA 的合成，它使这个合成系统更加经济。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少。

☻弱化作用：细调开关弱化作用的信号是 Trp-tRNAtrp的多少，通过控制前导肽的翻译来控制转录的进行


依靠弱化作用，色氨酸的存在就使色氨酸操纵子的转录被抑制了 10倍。与色氨酸阻抑物的作用 (70倍 ) 合在一起，这就意味着色氨酸水平对色氨酸操纵子的表达施加了 700倍的调节效果。


有实验证明，在不加色氨酸的培养基中， trp mRNA 的合成仍然受到部分阻遏，现在一般认为，野生型细胞中同时存在着有活性和无活性的阻遏物，培养基中色氨酸浓度的变化，能够使这两种阻遏物间的平衡发生倾斜，最终做出关闭或启动 trp 操纵子的决定，从而维持一定的色氨酸含量。


5 ）原核生物衰减作用的普遍性


三）半乳糖操纵子 (galactose operon)

包括 3 个结构基因：异构酶 (UDP-galactose-4epimerase,galE) ，

半乳糖 -磷酸尿嘧啶核苷转移酶 (galactos

e transferase, galT) ，半乳糖激酶 (galactose kinase, galK) 。这 3 个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖 -

1-磷酸。 GalR （调节基因）与 galE 、 T 、 K 及操纵区 O 等离得很远，而 galR 产物对 galO 的作用与 lacI-lacO 的作用相同。


A gal 操纵子的特点：① 它有两个启动子，其 mRNA 可从两个不同的起始点开始转录；② 它有两个 O区，一个在 P区上游 -67--53 ，另一个在结构基因 galE 内部。


两个相距仅 5bp 的启动子，可以分别起始 mRNA 的合成。每个启动子拥有各自的 RNA聚合酶结合位点 S1 和 S2 。

从 S1 起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时，才能顺利进行， RNA 聚合酶与 S1 的结合需要半乳糖、 CAP 和较高浓度的 cAMP 。从 S2 起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的 cAMP-CAP 能抑制由这个启动子起始的转录。当有cAMP-CAP 时，转录从 S1 开始，当无 cAMP-CAP 时，转录从 S2 开始。


B 双启动子的功能半乳糖不仅可以碳源供细胞生长，而且尿苷二磷酸半乳糖（ UDPgal ）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。在没有外源半乳糖的情况下， UDP-gal 是通过半乳糖差向异构酶（ galE ）的作用由 UDP-葡萄糖合成的。生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。


葡萄糖存在时 cAMP缺少 S1 不能启动

S2 启动转录

半乳糖存在时 cAMP浓度升高 S1 启动转录 S2 启动受抑制

结果：在两种不同的环境里都可以形成细胞壁物质的前体


• 阿拉伯糖 (arabinose) 是可作为碳源的五碳糖。• 参与阿拉伯糖代谢酶的基因分布于不同操纵子中，但由一个调节基因（ araC ）的产物调控。

四）阿拉伯糖操纵子（ arabinose operon）


1 、基因组成

结构基因： araA 、 araB 和 araD

分别编码 L －阿拉伯糖异构酶、核酮糖激酶和 L －核酮糖－ 5 －磷酸－ 4 －差向异构酶。

调节基因： araC

操纵基因： O1 、 O2

基因 E 、 F ：负责转运阿拉伯糖进入细胞


araC 基因位于另一个操纵子中，它编码的 araC 蛋白是操纵子的调控因子。


araBAD 和 araC 基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的。


• AraC 的结构： AraC由 292aa残基组成，其 N端结构域 (1--170aa)

可结合阿拉伯糖并参与形成二聚体， C端（ 178--292aa)

为 DNA 结合结构域。 AraC 对 araBAD 的调控包括正、负调控两种方式。

araBAD 上有三个 AraC 结合位点： araO1 （ -106—-1

44 ）、 araO2(-265—-294) 和位于 araBAD 启动子的 araI

位点。 araI 位点为两个“半位点” (-56—-78 和 -35—-51) 。araO1 在 araBAD 表达调控中的作用较小。

2、调节机制


• 调节蛋白 AraC 的作用第一，它调节它自己的生物合成。当 AraC 水平较低时，其基因从 Pc 开始表达。当 AraC

蛋白浓度高时，由于 AraC 与 AraO1 结合，而 araO1 与AraC 基因的启动子重叠，可阻遏 araC 基因的表达。


第二，它对 araBAD 既是负的调节子也是正的调节子 (regula

tor) ，它既能结合于 araO2 又能结合于 araI 。通过两种异构体实现： Pr （阻遏作用）； Pi （诱导作用）。

• 负调控当 cAMP 水平较低且缺乏阿拉伯糖时， AraC 二聚体结

合在 araO2 和 araI1 半位点使 DNA 成环，阻遏 araBAD

的表达。


• 正调控当 Ara 存在而无葡萄糖时， Ara 与 AraC 蛋

白结合使其构象改变而释放 araO2 ，此时 AraC 结合在 ar

aI1 和 araI2处。同时由于 cAMP 的积累激活 CRP ，活化的 CRP 结合在位于 araO1 和 araI间的 CRP 位点。

araC+Ara 和 CRP共同作用可激活 RNA pol 转录 ara

BAD 。因此， AraC具有正、负调控的双重作用。由于 Ara+araC 结合在 araO1处使 araC 不能表

达。


但当同时有葡萄糖和 Ara 时，由于 cAMP 不能激活 C

RP ， araBAD则不表达，同时 araC 也不表达。


五）阻遏蛋白 LexA 的降解与细菌中的 SOS 应答

• 当细菌 DNA 遭到破坏时，细胞内会启动一个被称为 SOS 的诱导型 DNA 修复系统。参与SOS DNA 修复系统的基因都受 LexA 阻遏蛋白的抑制， SOS 体系的诱导表达过程中 LexA 阻遏蛋白被移开。


大肠杆菌中受LexA蛋白阻遏的 SOS DNA 损伤修复系统操纵子的表达调控模式。


• 一般情况下，约有 1000 个 RecA 蛋白单体分散在每个细胞中。当 DNA严重受损时，单链 DNA缺口数量增加， RecA 与这些缺口处单链 DNA 相结合，被激活成为蛋白酶，将 LexA 蛋白切割成没有阻遏和操纵区 DNA 结合活性的两个片段，导致 SOS 体系（包括 recA 基因）高效表达， DNA得到修复。


六）二组分调控系统和信号转导

• 最简单的细胞信号系统称为二组分系统（ two-co

mponent systems ），由二种不同的蛋白质组成：即位于细胞质膜上的传感蛋白（ sensor protein ）及位于细胞质中的应答调节蛋白（ response regul

ator protein ）。


细菌中参与信号转导的二组分调控系统


• 传感激酶常在与膜外环境的信号反应过程中被磷酸化，再将其磷酰基团转移到应答调节蛋白上，磷酸化的应答调节蛋白即成为阻遏或诱导蛋白，通过对操纵子的阻遏或激活作用调控下游基因表达。


七）多启动子调控的操纵子

1 、 rRNA 操纵子大肠杆菌 rRNA 操纵子（ rrnE ）上有两个启动子 P1 和 P2 。在对数生长期， P1 起始的转录产物比 P2 起始的产物多 3 ～ 5 倍。当细菌处于紧急状态，细胞中 ppGpp 浓度增加， P1 的作用被抑制。因为 rRNA 是细胞中蛋白质合成机器核糖体的重要组成部分，不能完全停止供应，由 P2起始 rrnE 基因转录。


2 、核糖体蛋白 S1 操纵子

核糖体蛋白 SI 操纵子（ rpsA ）也受应急反应调节。 rpsA 有 4 个启动子， P1 、 P2 是强启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表达，合成 S1

蛋白。 P3 、 P4 是弱启动子，只有在紧急情况下，P1 、 P2 启动子受 ppGpp 的抑制，由 P3 、 P 4

起始合成的 S1 蛋白维持了生命的最低需要。


3 、 DnaQ 蛋白操纵子 DnaQ 蛋白是 DNA 聚合酶全酶的亚基。在细胞中 RNA 聚合酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子 P2 控制；而 RNA 聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子 P1 。也就是说，在细胞生命活动比较缓慢时， DnaQ 蛋白的合成靠弱启动子 P2 来维持。当细胞增殖速度加快， RNA 聚合酶活性升高时， P1 就被激活。


八）固氮基因调控

氮是所有生物的基本组成成分，蛋白质、核酸及许多小分子代谢产物都是含氮化合物。地球上的动植物共含氮约 1.5×1010吨，而每年通过硝化细菌以气态氮的形式释放到大气中的氮就有2×108～ 5×108吨，全世界氮肥厂每年生产的化肥仅含氮约 108吨。如果没有生物固氮，生命很快就不复存在了。


1 根瘤的产生• 根瘤菌在豆科植物根际的生长以及与寄主植物根毛幼嫩部位的接触是感染发生的第一步。通常情况下，根瘤菌特定小种的寄主范围都是很狭窄的，如 Rhizobiumtrifolii 主要感染三叶草，

• R. phaseoli 主要感染菜豆，• R. Leguminosarum 主要感染豌豆。

分子生物学课程组分子生物学课程组 120大豆根瘤

苜蓿根瘤

根瘤根瘤


豌豆根瘤


2 固氮酶固氮酶所催化的反应： 8e-

N2+8H++32ATP------>2NH3+H2+32ADP+32Pi

这个反应包括两个组分：组分 I由两个 5.0×104 的 α亚基和两个 6.0×104 的 β亚基组成，由 nifD 和 nifK 基因编码。含有 4 个 [4Fe-4S]连接桥和两个铁 -钼辅助因子（ FeMoC

o ），常被称为铁钼蛋白（ FeMo-protein ）。


组分 II由两个完全相同的相对分子质量各为3.0×104的亚基所组成，由 nifH 基因编码，常被称为铁蛋白（ Fe-protein ）。组分 II 只有一个[4Fe-4S]连接桥，位于两个亚基之间，一次只可送出一个电子，是生物固氮反应中的“瓶颈”。


• FeMoCo 含有 1摩尔Mo ， 6摩尔 Fe ， 8摩尔 S ，可能位于酶 -底结合活性中心附近。分离纯化的 F

eMoCo 能被用来活化铁钼蛋白。• 研究认为，铁钼蛋白 α亚基第 191 位谷氨酰胺和第 195 位组氨酸附近，若分别用赖氨酸取代谷氨酰胺 191 ，用天冬酰胺取代组氨酸 195 ，铁钼蛋白的固氮活性明显下降。


3 与固氮有关的基因及其调控


• 实验证明， nifAL 基因控制了整个固氮酶系统的表达和活性。若突变 nifA 基因，那么固氮酶和其他所有已知的 nif 基因产物都会消失。若再将野生型 nifA 基因用质粒 DNA 的形式导入上述突变株中， nif 操纵子的功能就得到恢复。


• nifA 和 nifL 基因产物分别是 nif 操纵子的正、负调控因子。当细胞内没有 nifL 蛋白质时， nifA 基因产物足以激活其他 nif 基因的表达，甚至在有 N

H3 和 O2存在时也如此。

• Nif野生型克氏肺炎杆菌 UNF928 中固氮酶的活性完全被 10mmol/L NH4+ 所抑制，而 UNF714由于带有突变型 nifAL 基因，所以固氮酶活性为零。


• 若将带有 nifA 质粒 DNA 正向表达载体 pMC73A

导入 UNF714 中，不但能完全恢复野生型固氮酶活性，而且在 10 毫摩尔 /升 NH4+ 中仍有 15

%～ 30% 的活性。


• 有两组 nif-突变体位于质粒上 90 分钟处，被称为ntrB 和 ntrC （ ntr ， nitrogen regulation ，氮调控），另有一组位于质粒上 70 分钟处，称为 ntrA 。

• nifA 基因只有在 ntrA 、 ntrC 基因产物的共同作用下才能正常工作，激活 nif 操纵子群，而 ntrC

基因的活性是直接受 NH3影响的。 NH3浓度较高时， ntrC 基因产物没有转录活性。


分子生物学研究发现，细胞质内谷氨酰胺： α-酮戊二酸的比值较低时， UMP

就在 glnD 基因产物的作用下被转移到 Gln

B 蛋白上，反之则从 GlnB 蛋白上脱去 UM

P 。不带有 UMP 的 GlnB 蛋白能与 NtrB

产物相结合并导致 NtrC 基因产物去磷酸化，丧失启动 nifAL 基因转录的功能。


当细胞内游离氨含量较低时， GlnB 蛋白被尿苷化并与 NtrB 蛋白分离，使后者蛋白激酶的功能得到发挥，将 NtrC 蛋白磷酸化而激活 nif 操纵子系统。


• 因为细胞内氧浓度一般都在数百微摩尔左右，而固氮酶只能在几十纳摩尔 O2浓度下才能正常工作，固氮菌依靠 Lb 解决了这对矛盾，因为 Lb 对O2 有极高的亲和力，它与大量自由 O2 相结合，既大大降低了自由 O2浓度，又能将分子氧直接输送到呼吸链。


九）转录水平上的其他调控方式

• σ 因子的调节作用

• 组蛋白类似蛋白的调节

• 转录因子的作用

• 抗终止因子的调节


十）翻译调控

1 、翻译起始的调控遗传信息的翻译起始于mRNA 上的核糖体结合位点

（ RBS ） ---- 起始密子 AUG 上游的一段非翻译区。在RBS 中有 SD 序列，与核糖体 16S rRNA 的 3’端互补配对，促使核糖体与 mRNA 相结合。

RBS 的结合强度取决于 SD 序列的结构及与 AUG 之间的距离。 SD 与 AUG 之间相距一般以 4～ 10 核苷酸为佳， 9 核苷酸最佳。


A 基因

A 基因

cp 基因

lys 基因

Rep 基因

Rep 基因

cp 基因

mRNA 二级结构对翻译起始的调控


2 核糖体蛋白是自身合成的转录抑制子

– 大肠杆菌的核糖体中含有 50 多种蛋白，各种核糖体蛋白在体内的量是平衡的，它们与 rRNA 组装成核糖体。

– 足够的 rRNA 时，与 rRNA 结合；– 没有 rRNA 时，与自身的 mRNA 结合，导致合成停止。


某种 r 蛋白合成过快时， r

蛋白可与其模板m

RNA 上的 SD 序列结合，而使其不能与核糖体结合，导致mR

NA 的降解而使这种 r 蛋白合成速度降低。


与关键蛋白结合的 rRNA 和关键蛋白的 mRNA 有相似性。当核糖体蛋白的 mRNA 表达过量时，关键蛋白较多地与核糖体蛋白的 mRNA 结合，导致其不能与 rRNA 结合形成核糖体。这样就可调控核糖体蛋白的合成。


3 反义 RNA （ antisenseRNA ）的调控

反义 RNA （ antisenseRNA ）：能与 mRNA 互补结合，从而阻断 mRNA

翻译的 RNA 分子


4、稀有密码子对翻译延长的调控

稀有密码子：在基因中利用频率很低的密码子• 细胞可通过翻译，调控不同蛋白含量的高低。即使对于同一操纵子上不同的基因，其产物在数量上也可大不相同。


• 许多调控蛋白在细胞内含量很低，编码这些蛋白的基因中高频率地使用了很多稀有密码子，稀有密码子对应低丰度的 tRNA ，因此，翻译速度受 t

RNA 供应的限制，影响了蛋白质合成的总量。• 而其它基因中利用这些稀有密码子频率很低。


5、重叠基因对翻译起始的调控


Qβ噬菌体的复制酶可结合于 SD顺序阻断核糖体在 mRNA 上的移动，抑制了翻译

6、翻译阻遏对起始的调控


• 细菌在葡萄糖缺乏时可产生报警物质 cAMP 。可保证其利用其它糖类，如 lac 操纵子、 gal （半乳糖）操纵子和 ara （阿拉伯唐）操纵子等。

• 培养基中营养缺乏，蛋白质合成停止， RNA 合成也趋于停止，这种现象称为严紧控制。

7 、翻译的终止调控


研究发现，在氨基酸缺乏时， rel+ 菌株能大量合成两种特殊的核苷酸鸟苷四磷酸（鸟苷 5‘ 一二磷酸 -3’ 二磷酸， ppGpp ）和鸟苷五磷酸（鸟苷 5‘ 一三磷酸 -3’ 二磷酸， pppGpp ），其电泳的迁移率和一般的核酸不同。

GTP+ATP→pppGpp+AMP→ppGpp

魔斑Ⅰ

魔斑Ⅱ


严紧因子（ RelA ）：是一种（ p ） ppGpp 的合成酶，它可以催化 ATP 将焦磷酸加到另一个 GTP 或 GDP 的 3′ 位点。


• 细菌缺乏氨基酸时会产生鸟苷四磷酸（ ppGpp,

魔斑）和鸟苷五磷酸（ pppGpp ）作为报警物质。• 细菌缺乏任何一种氨基酸时，会在核糖体的 A 位点结合无负载的 tRNA ，消耗了 GTP 而无法形成肽键，导致 GTP 不断消耗而产生报警物质。– GTP +ATP →pppGpp+ AMP →ppGpp


任何一种氨基酸的缺乏或使任何氨基酰 -tRNA 合成酶的失活突变都足以起始严紧反应，此表明严紧反应的触发器是位于核糖体 A 位点中的空载 tRNA 。在正常条件下仅有氨基酸 -tRNA 在 EE-Tu 的作用下位于 A 位点。但当氨基酸 -tRNA 对一个特殊的密码子不能作出有效反应时，空载 tRNA便能得以进入，就阻断了核糖体的进程，而触发了一个空转反应（ idiling reactio

n ）


空载 tRNA 到达 A 位， L11 蛋白或某些其他成分构象的改变激活 RelA 酶，（ p ） ppGpp 合成。

50S亚基的 rplK 基因编码


• ppGpp 的主要作用可能是影响 rRNARNA pol 与启动子结合的专一性，从而成为细胞内严紧控制的关键。

• ppGpp 也可抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。

• ppGpp缩短大部分模板的转录延伸阶段。


▲ppGpp 对 rRNA 转录的抑制

ppGpp 使大部分模板的转录效率下降


总结◆基因表达调控、操纵子、弱化子、正调控、负调控、诱导、阻遏

◆乳糖操纵子的正调控及负调控？

◆色氨酸的负调控及弱化作用？

◆其他水平的调控模式有哪些？

◆ 翻译调控的机理？

基因的表达与调控（上） 原核生物的基因调控

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基因的表达与调控（上）原核生物的基因调控