第八章 原核细胞的基因表达调控 第一节 基因表达调控概述 一．原核生物基因表达调控的特点 生物体内基因表达的调节控制机制，使细胞中基因表达 的过程在时间和空间上处于有序状态，并对环境条件的变 化做出适当反应的复杂过程，并且也是生物体内细胞分 化、形态发生和个体发育的分子基础。 一．原核生物基因表达调控的特点 由于原核生物大都为单细胞生物，缺乏核膜，因此极易 受外界环境的影响，需要不断地调控基因的表达，以适应 外界环境的营养条件和克服不利因素，提高生物的应变与 适应能力以完成生长发育与繁殖的过程。这种调控大多以 操纵子为单位进行。 尤其操纵子的转录调控是转录调控的主要形式。由此根据此原理，基因可以根据其表达产物的机能分为

是1961年由Jacob和Monod提案并确立，即编码某特定区 域的基因与只在DNA分子上发挥作用的区域是各不相同 二.操纵子调控模型 是1961年由Jacob和Monod提案并确立，即编码某特定区 域的基因与只在DNA分子上发挥作用的区域是各不相同 的。基因的表达调控主要发生在转录水平上。 (一)概念 原核生物细胞内功能相关的结构基因组成一排基因簇， 由此而形成的转录单位，即为操纵子。

(二)主要组成 结构基因（structural gene）: 生物酶与细胞结构所必需 的蛋白质的编码基因，该基因又称为cis作用因子 （cis –acting）。相关结构基因的表达产物协同完成一个 生理生化过程，这些结构基因在一套调控系统作用下 统一开放与关闭，维持合适而精确的基因产物分子比。 结构基因编码各类具有不同结构与功能的蛋白质，包括 结构蛋白、酶和调控蛋白 2. 调控基因（regulator gene）:基因表达调控蛋白的编码基 因，又称为反式作用因子（trans –acting）。主要是通过编码 蛋白或者RNA来调节其他基因的表达。

三.原核细胞转录调控的基本模式 顺式作用元件 反式作用因子 引起目的基因表达的正调控或者负调控模式 顺式作用元件 反式作用因子 引起目的基因表达的正调控或者负调控模式 反式作用: 编码产物将从合成地点扩散到其作用靶位的 过程。 顺式作用: 不转变为其他任何形式而只以DNA形式在原来 位置起作用的DNA序列。 三，同时也有编码组成某代谢途径所有的生物酶群的基因群。其表达是被协调调节。有时不但只是一群代谢酶，而且与其相关并承担相应机能的蛋白的编码基因也被组入协调表达系统内。

调节区域 启动子 转录 起始点 结构基因 Operator/ promotor RNA RNA polymerase 几个相应的蛋白质 Repressor binding with operator

负调控:由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基 因的特异的顺式作用元件相互作用，从而达到控制其表达 的目的，称为负调控。 正调控:某一基因编码的产物作用于自己基因的 调控元件,以达到控制其表达的目的,称为正调控。 换言之，在没有调节蛋白因子存在时，操纵子是开放的，一旦有相应的调节蛋白因子出现时，操纵子系统被关闭，这种蛋白因子亦被称为阻遏蛋白。

操作子: 由一个或多个DNA顺式调控元件组成， 是基因反式调控因子的结合区，这种蛋白-DNA 的二元复合物通过与启动子-RNA聚合酶复合物 t a y z o p Structural gene Promoter Operator Terminator 启动子: 一个操纵子一般只含有一个启动子 操作子: 由一个或多个DNA顺式调控元件组成， 是基因反式调控因子的结合区，这种蛋白-DNA 的二元复合物通过与启动子-RNA聚合酶复合物 的相互作用，对操纵子的开发或关闭进行调控 功能 有时存在双重启动子，这时一个启动子位于所有结构基因的上游，而另一个则位于某个结构基因的编码区内，控制其下游部分结构基因的表达。在多重终止子存在的情况下，它们位于整个操纵子的末端，或者分散在一些结构基因的下游，使得结构基因的转录产物分子比根据需要灵活变化。 结构基因: 若干个生物功能相关的结构基因以相 同极性密集排列 终止子: 使转录不同程度地终止

Z Y A O P 第二节 乳糖操纵子 （一） 结构及其性质 结构基因 调控区 DNA Z： β-半乳糖苷酶 Y： 通透酶 操作子 阻遏基因I 调控区 启动子 操作子 DNA Z Y A O P

Z Y A O P lacI lacZ lacY lacA DNA mRNA 多肽 蛋白质 功能 1040 82 3510 780 825 360 1021 260 275 氨基酸 38000 125000 30000 Dalton 蛋白质 四聚体 二聚体 膜蛋白 结构 152000 500000 60000 功能 阻遏蛋白 β-半乳糖苷酶 操作子的开始点位于转录起始点的上游5个碱基处，然后直接插入lacZ的转录单位内21个碱基处。阻遏蛋白在野生型细胞内通常大约有十个分子，而lacI基因的转录速度则由RNA聚合酶与自身启动子的亲和性所控制

(二) 调控机理 无诱导物 结构基因 被阻遏 阻遏蛋白 单聚体 阻遏蛋白 四聚体 翻译 转录 lacI 启动子/ 操作子 lacZ lacY 细菌只有在相应的底物出现时，才合成该代谢途径的酶。无诱导物存在的情况下，操纵子不转录，因为此时阻遏蛋白处于活化状态，结合在操纵子上，诱导物的出现使得阻遏蛋白变为无活化状态，并离开操纵子区域， 转录 lacI 启动子/ 操作子 lacZ lacY lacA

有诱导物 诱导物 翻译 无活阻遏蛋白 RNA聚合酶 转录 转录 mRNA 翻译 乳糖操纵子是在关闭的状态下为诱导物乳糖诱导所开放的，而不是诱导物阻止阻遏蛋白关闭操纵子。IPTG，异丙基-B-D-硫代半乳糖苷 转录 mRNA 翻译

(三) 操纵基因的鉴定 不可诱导型突变(uninducible mutation): 使操纵子在 任何情况下都不能表达的突变。 组成型突变体(consititutive mutant): 不受调控物影 响的持续表达称为组成型基因表达，其突变体即为组 成型突变体。 组成型突变鉴定出的操纵基因OC 表明调控元件能 够以不可扩散的产物形式行使其功能，操纵基因是一 个典型的顺式作用位点，其功能依赖于一些反式作用 因子对其DNA序列的识别。操纵基因对邻近基因的控 制与细胞内是否存在其他等位基因并无关系，这种位点 的突变称为顺式显性突变(cis-dominant)

(四) 调控基因的鉴定 lacI基因的突变是反式作用的，它可以影响细菌内所 有结构基因簇的表达 因为阻遏物不能与操纵基因结合，所以阻遏物的DNA结合 位点的突变是组成型的 阻遏物上诱导物结合位点的突变使它不会失活，因此这 会引起操纵子的非诱导性 启动子突变是顺式作用和非诱导性的

ACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGT (五)阻遏蛋白与操纵基因的相互作用 mRNA ACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGT TGTTGTGTGGAATTGAGAGCGGATAACAATTTCACACA 对称轴 －10 －5 ＋1 ＋5 ＋10 ＋15 ＋20 ＋25 是蛋白质最为经典的序列特异性DNA结合反应模式，操作子拥有细菌调控蛋白的多重识别与结合位点，其横跨转录起始点26bp区域以＋11对称轴，两边各有6bp的典型对称序列，TGTGTG和AATTGT，其中靠近对称轴的两对对称序列与阻遏蛋白的结合中起着主要作用。 操作子的这种回文结构与阻遏蛋白的四聚体对称性是相对应的。但突变结果表明＋5到＋17的13bp区域对突变特别敏感，该区域不是对称序列。这意味着操作子上的对称序列仅仅相当于阻遏蛋白的识别接触位点。 而真正的结合位点偏向于对称轴左侧的不完全对称区域。

(六)阻遏蛋白结合诱导物后从操纵基因上脱离

(七) 阻遏蛋白的其他特性 阻遏蛋白单体有多个结构域 阻遏蛋白单体结构:N端DNA 结合结构域、铰链区与核心区 ❀DNA结合结构域有两个短α ❀负责多聚化的区域和诱导物 结合位点都位于核心区

阻遏蛋白由两个二聚体组成四聚体 两个单体通过核心结构域2和 寡聚化螺旋之间的结合形成 二聚体，二聚体的一端是DNA 结构域，另一端是寡聚化螺旋， 两个二聚体通过寡聚化界面之 间的相互作用形成四聚体

☞阻遏蛋白单体的DNA结合 结构域插入到DNA的大沟 ☞ 活性阻遏蛋白中，二聚体 的两个DNA结合区域可以插入 连续的双螺旋转角 ☞诱导物的结合使阻遏蛋白的 构象改变，从而造成DNA结合 位点不能形成正确的几何构象 以维持与DNA的接触

第三节 操纵子的调控网络模式 一. 概述 1. 细菌基因调控: 基因表达受到调控因子的控制，该调控因子在受调控的蛋白质合成之前，可能与一段特定序列作用或者结构相互作用。 ❀表达水平上的调控:以DNA为target的转录水平上的调控与以RNA为target的翻译水平上的调控 2. 调控因子的类型 a. 蛋白质类调控因子:通过变构效应(allostery)发挥作用 b. RNA调控因子:通过改变二级结构发挥作用。调控因子通常是二级结构丰富的小RNA分子，但存在一段单链区域能与target互补，调控因子与之相互作用，形成双螺旋结构，从而调控基因表达。

二. 分类 操纵子 可诱导 可阻遏 负调控 正调控

灭活阻遏蛋白 阻遏蛋白 诱导物 阻遏 诱导 诱导负调控 灭活激活蛋白 激活激活蛋白 诱导正调控 三. 调控模式

辅阻遏物 灭活阻遏蛋白 激活阻遏蛋白 诱导 阻遏 阻遏负调控 灭活激活蛋白 激活激活蛋白 阻遏正调控

四. 大肠杆菌的碳源利用机制 1. 葡萄糖阻遏作用调控碳源利用 诱导物排除法: 葡萄糖阻止从培养基中吸收其他可替代碳源的能力。 由CRP激活很多操纵子

2.乳糖操纵子的正调控作用 ① 正调控因子: 辅助RNA聚合酶与启动子结合而起始转录的蛋白质。 葡萄糖 活性CRP ？ 无活CRP cAMP

a. CRP因子是一同源二聚体,每个亚基为22.5kDa，可被单 分子cAMP激活，在应答启动子上，CRP二聚体约结合22bp， 且具有双向性。 b. 每个CRP亚基均含有一个DNA结合区与一个转录激活区，其中结合区的定位因操纵子而异。 A A N T G T G A N N T N N N T C A N A T T N N T T N A C A C T N N A N N N A G T N T A A N N 高度保守五聚体 低度保守五聚体 转录

③ CRP的激活途径 a. 直接与RNA聚合酶作用，RNA聚合酶的α亚基是CRP 的结合区。 b. 作用于DNA，改变其结构以协助RNA聚合酶定位于 启动子上。 CRP与RNA聚合酶之间的相互作用的精确效应依赖于 CRP相对启动子区域的定位，对乳糖操纵子而言，CRP的 优势效应是提高RNA聚合酶与启动子形成复合物的启动 效率。

第四节 各种操纵子调控系统 一. 半乳糖操纵子 GalC 激酶 Gal-1-P 转移酶 UDP-Gal + Glu-1-P 异构酶 (一)结构及其性质 GalC 激酶 Gal-1-P 转移酶 UDP-Gal + Glu-1-P 异构酶 UDP-Glc mRNA gal K gal T gal E P O gal R Pgal 1 Pgal 2 OE OI gal mRNA 特征: 有两套调控元件

(二)调控机制 Glu 环境 cAMP 细胞内 CRP 结合型CRP Pgal 1 Pgal 2 启动 关闭 CAP ＋ 失活 open

二. 阿拉伯糖操纵子 (一)结构与性质 L-核酮糖激酶 L-阿拉伯糖异构酶 ara BAD L-核酮糖-5-磷酸-4-异构酶 调控基因 调控子 ara BAD ara E ara FG 调控基因 ara C 定位于细菌膜上，与阿拉伯糖运 输有关。 L-核酮糖激酶 L-阿拉伯糖异构酶 L-核酮糖-5-磷酸-4-异构酶

(二) 阿拉伯糖调控系统的组成 ①ara C基因的调控 ②ara BAD基因的转录 ③两基因区间的共享调控区 148 nt C蛋白结合位点 ara O2 ara O1 Para C CRP结合位点 ara I Para BAD C蛋白结合位点 ara C mRNA ara BAD mRNA 148 nt

(三)调控机制 C蛋白存在时 激活 ara O2 ara O1 ara I RNA聚合酶 ara C mRNA 阿拉伯糖-AraC ara C ，AraC or binding Arac ara C表达被阻遏

三. 色氨酸操纵子 P Otrp L a trp E trp D trp C trp B trp A t t’ 邻氨基苯甲酸合成酶两个亚基 吲哚甘油酸合成酶 色氨酸合成酶两个亚基

第五节 紧急应答系统 一. 概念 stringent response: 当维持细菌的蛋白合成所需的氨基 酸的供给发生问题时，其生长条件也发生了变化，从而 使其各项生理活动的现象。 二. 产生现象 rRNA与tRNA的合成极度减少 全部RNA的合成是正常的5%-10% 全mRNA的合成减少为正常的1/3 蛋白质的分解速度上升 核苷、碳水化合物与脂质的合成减少

Ribosome idling reaction ppGpp pppGpp Aminoacyl-tRNA Ribosome idling reaction 启动子开始的阻碍因子 模板的伸长反应受阻

三. ppGpp的作用 在编码rRNA的操纵子中，启动子上转录起始被特异地抑制。用于应急调控的启动子的突变可以消除应急控制，表明该效应与特异的启动子序列发生相互作用 ppGPP能缩短许多或大部分模板的转录延伸期，原因可能是由ppGpp引起的不断增高的RNA聚合酶的暂停反应。