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第八章 原核生物基因的表达及其调控. 生物体的每个活细胞都含有相同的一整套基因。 基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋白基因（肌细胞） 基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的时空程序、表达速率等所进行的调节和控制。 本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译极少量的蛋白质. 第一节 原核生物基因的转录和翻译. 原核生物的 DNA ： 单个裸露的 DNA 不编码占 5% 转录和翻译同一时间，地点进行 转录水平调控 ( 主 ) ，兼有翻译水平调控.
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第八章 原核生物基因的表达及其调控 • 生物体的每个活细胞都含有相同的一整套基因。 • 基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋白基因（肌细胞） • 基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的时空程序、表达速率等所进行的调节和控制。 • 本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译极少量的蛋白质
第一节 原核生物基因的转录和翻译 原核生物的DNA： 单个裸露的DNA 不编码占5% 转录和翻译同一时间，地点进行 转录水平调控(主) ，兼有翻译水平调控
根据基因表达产物可划分：组成型蛋白：基因表达不受时期、部位、环境 影响——组成型表达。调节型蛋白/适应型蛋白：基因表达受时期、部位、环境影响——非组成型表达。 • 一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典,该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态? • 结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。
基因调控主要在三个水平上进行: • ①. DNA水平 • ②. 转录水平 • ③. 翻译水平
一、转录的起始 转录是原核生物基因表达的主要调控点，主要涉及两个方面：1、RNA合成的酶系；2、RNA合成起始和终止信号，即DNA分子上的特定序列。 通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的相互作用实现转录调控，改变细胞的表型，从而实现细胞生理状态和环境的变化。
（一）RNA聚合酶(RNA polymerase)：大肠杆的的RNA聚合酶：由5个亚基组成，即α2ββ’σ，有时还有2个ω 亚基。以α2ββ’σ组成的酶称全酶。 σ亚基与其他亚基结合较松弛，易从全酶上解离；其余部分α2ββ’称为核心酶(core enzyme)。
在大肠杆菌中还发现一种新的σ因子，称为σ’因子，因此将含有σ亚基的全酶称为全酶I，含有σ’亚基的称为全酶Ⅱ。二者的不同在于：全酶Ⅱ可以利用双链DNA为模板合成po1y〔A)。 • σ亚基作用：参与启动子的识别和结合以及转录起始复合物的异构化。细胞内哪条DNA链被转录、转录方向与转录起点的选择都与σ亚基有关。
离体实验表明：全酶所转录的RNA和细胞内所转录出的RNA，其起始点相同，序列相同，若仅用核心酶进行转录，则模扳链和起始点的选择都有很大的随意性，而且往往同一段DNA的两条链都被转录。离体实验表明：全酶所转录的RNA和细胞内所转录出的RNA，其起始点相同，序列相同，若仅用核心酶进行转录，则模扳链和起始点的选择都有很大的随意性，而且往往同一段DNA的两条链都被转录。 • 由此可见：σ亚基对识别DNA链上的转录信号是不可缺少的，它是核心酶和启动子之间的桥梁。 σ因子的取代在细胞发育和对环境应答的反应中起主导作用。如在枯草杆菌中就有不同相对分子质量的σ因子(P227表9—1)
核心酶的β亚基作用：对RNA聚合酶的功能至关重要，参与RNA合成、终止信号的识别。由于β亚基与RNA的前体核昔三磷酸具有很高亲和力，推测它可能参与底物的结合，以及催化磷酸二酯键的形成。核心酶的β亚基作用：对RNA聚合酶的功能至关重要，参与RNA合成、终止信号的识别。由于β亚基与RNA的前体核昔三磷酸具有很高亲和力，推测它可能参与底物的结合，以及催化磷酸二酯键的形成。 • β’亚基作用：可使聚合酶结合到模板DNA上。 • α亚基作用：游离状态，常以二聚体的形式存在，参与全酶同启动子的牢固结合。
（二）启动子 (promoter)： • 转录的起始是基因表达的关键阶段，启动子就是连接在基因3’端上游的DNA序列，其长度从100 bp到200 bp不等，是转录起始时RNA聚合酶识别、结合的特定部位，但其本身并不被转录。
在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常将mRNA开始的一个核苷酸定为o点(即+1)．由此向右常称为下游(downstream)，其核苷酸依次编为正序号；起始点左例称为上游(upstream)．其核苷酸则依次以负号表示．紧接起始点左侧的核昔酸为-1。在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常将mRNA开始的一个核苷酸定为o点(即+1)．由此向右常称为下游(downstream)，其核苷酸依次编为正序号；起始点左例称为上游(upstream)．其核苷酸则依次以负号表示．紧接起始点左侧的核昔酸为-1。
原核生物启动子结构含有同源序列。整个启动子包括两个部分：其上游部分是CAP-cAMP结合位点，下游部分是RNA聚合酶的进入位点。
二、转录的终止 • （一）终止子及其结构： • 1、概念：DNA上提供转录停止信号的一段序列称为终止子(terminator)，是一个基因的末端或是一个操纵子的末端的一段特定序列。 • 2、类型：强终止子和弱终止子 • 强终止子：不依赖于Rho蛋白质辅助因子而能实现终止作用，这类终止子属于强终止子； • 弱终止子：依赖于Rho蛋白糖助因子才能实现终止作用，这类终止子属于弱终止子。蛋白质辅助因子称为释放因子，通常称为ρ因子。
所有原核生物的终止子共同的序列特征：即在转录终止点之前有一段回文结构，因而所产生的mRNA可形成茎环状的发夹结构，它可使RNA聚合酶的移动停止或减缓。回文结构中富含GC对，在回文序列的下游常有6—8个AU对，因此这段终止子转录后形成的RNA具有与A相对应的寡聚U，是使RNA聚合酶脱离模板的信号。所有原核生物的终止子共同的序列特征：即在转录终止点之前有一段回文结构，因而所产生的mRNA可形成茎环状的发夹结构，它可使RNA聚合酶的移动停止或减缓。回文结构中富含GC对，在回文序列的下游常有6—8个AU对，因此这段终止子转录后形成的RNA具有与A相对应的寡聚U，是使RNA聚合酶脱离模板的信号。
依赖子ρ因子的终止子其回文序列中GC对含量较少，回文序列下方没有固定结构，其AU对含量也较低，因而是弱终止子，必需有ρ因子存在时才发生终止作用；这也就是说依赖于ρ因子的终止子由于其茎环结构常较短，在没有ρ因子时这种茎环结构不稳定。即如果没有ρ因子存在．RNA聚合酶会继续转录下去，这就称为通读(read through)，当ρ因子存在时，转录才能终止。
在强终止子中，由于其DNA模板上富含GC而使转录出的RNA上富含C和G，于是RNA与模板之间可以形成较强的氢键，成为DNA—RNA杂合分子，从而阻碍DNA聚合酶的前进而有利于终止。在强终止子中，由于其DNA模板上富含GC而使转录出的RNA上富含C和G，于是RNA与模板之间可以形成较强的氢键，成为DNA—RNA杂合分子，从而阻碍DNA聚合酶的前进而有利于终止。 • （二） ρ因子辅助终止作用的机理
(三)基因表达的极性现象 • 在正常情况下原核基因表达时，其转录出来的mRNA随即进行翻译，这时整个mRNA都覆盖着核糖体， ρ因子无法接近mRNA．而RNA聚合酶早已越过前面的基因的依赖ρ因子的终止子，所以转录实际上并不停止．而是继续转录后续基因。如果在某一基因的依赖于ρ的终止子之前发生无义突变，核糖体便从无义密码子上解离下来，翻译停止，核糖体不再进入到mRNA上无义密码子以后的位置上。于是ρ就可以自由进入RNA并移动，直到赶上停留在终止子上的RNA聚合酶。结果使RNA聚合酶释放，不能再转录下游基因。
概念：基因表达的极性现象：在某些情况下同一转录单位里，由于一个基因的无义突变，阻碍了其后续基因表达的效应．就称为基因表达的极性现象。概念：基因表达的极性现象：在某些情况下同一转录单位里，由于一个基因的无义突变，阻碍了其后续基因表达的效应．就称为基因表达的极性现象。 • 除了无义突变可以导致极性现象外，插入序列IS1、IS2等DNA片段插入到操纵子的基因中也会发生极性现象。
ρ因子也可发生突变，其效应的基本性质是使终止作用出现故障。突变常可抑制极性效应，这是因为其突变很可能减弱了ρ对无义密码子后面的中间终止子的作用，这样翻译的终止并不会使转录也停顿，且远离无义突变的DNA区段还可以被重新覆盖的核糖体继续翻译ρ因子也可发生突变，其效应的基本性质是使终止作用出现故障。突变常可抑制极性效应，这是因为其突变很可能减弱了ρ对无义密码子后面的中间终止子的作用，这样翻译的终止并不会使转录也停顿，且远离无义突变的DNA区段还可以被重新覆盖的核糖体继续翻译
(四)抗终止作用 • ρ因子的作用可以被抗终止因子所抵消，这样，RNA聚合酶便可通过终止子(依赖于ρ因子的)继续转录后面的基因。这种现象称为抗终止作用(anti一termination)。
三、原核生物RNA的加工 • 四、SD序列与翻译效率 • 核糖体结合保护降解法：测定mRNA 上核糖体起始蛋白质合成的部位。在抑制多肽链伸长的条件下，当翻译起始时，核糖体与mRNA的结合位点已形成稳定的复合体，于是加入核酸酶使未与核糖体结合的 mRNA的区段降解，而有核糖体结合区域则受到保护。
在细菌中受核糖体保护的起始序列约35～40个碱基长，其中包含起始密码子AUG。在起始密码子上游约4～7个核苷酸之前还有一段富含嘌吟的5′…AGGAGG…3′短小序列，它可以与16S rRNA3′端的 3′…UCCUCC…5′区段完全互补。mRNA上的这段序列称为 Shine Dalgarno 序列（简称SD序列）。
SD序列与16S rRNA序列互补的程度以及从起始密码子AUG到嘌呤片段的距离也都强烈地影响翻译起始的效率。不同基因的mRNA有不同的SD序列，它们与16S rRNA的结合能力也不同，从而控制着单位时间内翻译过程中起始复合物形成的数目，最终控制着翻译的速度。
第二节 大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控 • 一、操纵子与操纵子模型 • 操纵子学说/操纵子模型： F.Jacob J.Mond（1960）E.coli lac operon( 1965诺贝尔医学生理学奖) • 操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本单元，由结构基因、操作子（O）和启动子（P）组成。 转录、翻译、合成蛋白 结合调节蛋白 结合RNA聚合酶
promoter operator structural genes 启动基因 操纵基因 结构基因 操纵子(operon)模型
R P O structural genes ＋ 正调控（positive regulation) － 负调控 (negative regulation) DNA RNA Protein 调控（节）蛋白 操纵子 调控蛋白的作用机制 注：R：Regulator P：Promoter O：Operator 正调控系统中的正调控蛋白又被称为无辅基诱导蛋白（apoinducer) 负调控系统中的负调控蛋白又被称为阻遏蛋白（repressor)
二、正调控与负调控 • 调节基因 RNA 调节蛋白 正调节蛋白+操作子 结构基因转录、表达 基因失活，结构基因不表达 （正控制/正调节） 负调节蛋白+操作子 结构基因转录、表达 基因失活，结构基因组成型表达 （负控制/负调节 ）
根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分：根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分： 隐性的组成型表达——负控制系统 结构基因处于不可诱导状态——正控制系统 根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分： 开启调控系统中结构基因的转录活性 ——诱导 关闭调控系统中结构基因的转录活性 ——阻遏
操纵子调控系统的基本类型 • 可诱导负控制系统 • 可诱导正控制系统 • 可阻遏负控制系统 • 可阻遏正控制系统
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。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。
如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加:如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加: • ①. β-半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖 • ②. 渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖 • ③. 转乙酰酶：β-半乳糖转变成乙酰半乳糖 • 大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加. • 乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止.
三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调控(可诱导) • 乳糖操纵子的组成：1个启动子(promoter)、2个操作子(operator)、3个结构基因 • 诱导因子： （异乳糖、ß-半乳糖苷、异丙基硫代半乳糖苷IPDG） • 乳糖操纵子突变类型：无诱导因子，组成型表达，突变位点位于调节基因和操作子上。
乳糖操纵元表达受阻状态（缺乏诱导物） The lactose operon in the repressed state (in the absence of an inducer)
A：乳糖操纵子组成部分； • B：野生型基因型(I+O+Z+Y+A+), 无乳糖时，基因不表达；C. 野生型基因型(I+O+Z+Y+A+), 有乳糖时，基因表达；D. 调节基因突变(I-O+Z+Y+A+), 无乳糖时，基因组成型表达；E. 操纵基因突变型(I＋OcZ+Y+A+), 无乳糖时，基因组成型表达。
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，称为~。如O。P240表9-2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，称为~。如O。P240表9-2
structural genes R P O lacZ lacY lacA lacZ lacY lacA β-半乳糖苷酶β-半乳糖苷通透酶β-半乳糖苷乙酰基转移酶 乳糖操纵子的负控制-可诱导机制 异 乳糖等诱导物 阻遏蛋白四聚体 阻遏蛋白单体
四、大肠杆菌乳糖操纵子的正调控 • 葡萄糖效应—培养基中有葡萄糖存在时，即使有乳糖存在，不诱导靶基因表达。这样的操纵子称葡萄糖敏感操纵子。这种效应由一种正控制机制决定。 • 葡萄糖抑制操纵子的原理：葡萄糖 腺苷酸环化酶活性降低 ATP无法转变成cAMP 不能形成CAP-cAMP复合蛋白 RNA酶无法结合在DNA上 结构基因不表达。
无葡萄糖时：ATP cAMP cAMP -CAP复合物 结合CAP • 乳糖操纵子：两个开关 第一：cAMP -CAP复合物 ——受葡萄糖影响 第二：异乳糖复合物——受乳糖影响
第三节 其他类型的操纵子 • 一、具有双启动子的半乳糖操纵子 • 半乳糖（gal)操纵子组成：2个互相重叠的启动子gal P1 和gal P2 、3个操作子（CAP位点、2个阻遏蛋白位点(galOe）galOi）、3个结构基因） • gal P1 依赖cAMP-CAP 转录始于S1 gal P2 阻遏蛋白调节开启 转录始于S2 位于galE内 位于CAP位点内
正控制可诱导系统（第一系统）： gal P1、cAMP-CAP复合物、cAMP-CAP位点 S1 • 无葡萄糖时：ATP cAMP cAMP -CAP复合物 结合CAP • 有葡萄糖时：系统关闭 • 负控制可诱导系统（第二系统）： galP2、阻遏蛋白-半乳糖复合物、 galOe、 galOi S2 无半乳糖：阻遏蛋白结合操作子——阻遏 有半乳糖：复合物构象改变——开启（从S2开始转录） CAP位点 激活gal 操纵子，转录从S1开始，结构基因表达
a.半乳糖操纵子结构示意图 b.只有G S2 P2 galE galT galK S1 P1 c.只有Gal S2 P2 c. 有Gal有G galE galT galK S1 P1 S2 P2 galE galT galK S1 P1 S2 P2 galE galT galK S1 P1 双启动子的半乳糖操纵子 cAMP-CAP galactose repressor
有G，有gal：1.阻遏 2.诱导 无G，无gal： 1.诱导 2.阻遏：cAMP- CAP与阻遏蛋白竞争 无G，有gal：1.诱导 2.诱导：高水平表达 有G，无gal：1.阻遏 2.阻遏
