态，并对环境条件的变化做出适当反应的复杂过程。
2
基因表达调控包括：基因水平、转录水平、转录后水 平、翻译水平和翻译后水平的调控。 原核基因表达调控的特点与方式 调控主要发生在转录水平，有正负调控两种机制； 细胞要调控各种蛋白质在不同时期的表达水平有两条 途径： 1）DNA模板转录的速度（转录水平的调控）
1.弱化作用，转录 被抑制了10倍 （细调）
2.阻抑物的作用， 转录被抑制了70 倍（粗调）
3.总调控能力700 倍
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思考题：课本第388页：1-6；8-9；11-12；15-18。
37
5
•在论文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因
(operator)的概念,他们的操纵子学说(theory of operon) 使我们得以从分子水平认识基因表达的调控,是一个划 时代的突破。 •他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。
•目前发现的操纵子主要有：（1）乳糖操纵子
子
（2）
色氨酸操纵子 （3）阿拉伯糖操纵子（4） 组氨酸操纵
3. Elongation
8
3. Elongation
17bp
12bp
9
Termination (1)不依赖ρ因子的转录终止(Rho-indepent termination) 发夹结构 特点:回文 序列中富 含G.C碱 基对,在回 文序列的 下游方向 又常有6个 －8个A· T 碱基对；
10
11
2）mRNA翻译的速度（翻译水平的调控）
3
4
操纵子学说 Theory of Operon
•操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控的学说。
•细菌基因表达调控的许多原理是在研究E.coli乳糖代谢调节时被发现 的。
•1961年法国巴斯德研究院的Francois Jacob与Jacques Monod在法国
14
(2) 调控元件: Plac启动子、lac操纵基因(其中含有Olac结合 位点) 操纵基因(oprator)：控制基因，与启动子相邻，与调节基 因的产物结合共同控制结构基因的表达。 Olac结合位点（操纵序列结合位点）：28bp碱基组成回 文结构，与四聚体的乳糖阻抑（遏）物紧密结合，阻碍lac ZYA的转录。 阻抑（遏）物（repressor）：是负调控系统中由调节基 因(lacI)编码的调节蛋白，可于操纵基因结合，调控结构基 因的转录。
6
•操纵子概念: 转录的功能单位，是基因表达和调控的单元。典型的 操纵子包括了结构基因，调控元件以及调控基因。
Control elements
Structural genes
操纵子模型图
7
闭合复合物 1.Promoter binding 开放复合物
三聚复合物
DNA解旋区 (转录泡)
2. A Unwinding and initiation
第12章 原核生物的基因表达调控
Section 12 Regulation of gene expression in Prokaryotes
1
原核生物的基因表达调控概述
基因表达(gene expression)就是指某一基因指导下 的蛋白质合成,蛋白质是基因表达的产物。 基因表达调控是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、空间上处于有序状
科学院院报(Proceeding of the French Academy of Sciences)上发表 了一篇论文,提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调
节。这二个基因编码β半乳糖苷酶(β-galactosidase)和半乳糖苷透过酶
(galactoside penmase)。前者能水解乳糖成为半乳糖和葡萄糖,后者将 乳糖运输到细胞之中。
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The Trp Operon 色氨酸操纵子
生物细胞中的氨基酸合成也是由操纵子调节的,细
胞需要某种氨基酸时其基因即表达,不需要时基因即
关闭,达到经济的原则。目前有多种氨基酸合成的操 纵子的结构已研究清楚,如色氨酸、苏氨酸、组氨酸、 苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等十余种,现在我们详 细讨论色氨酸操纵子(trp)的基因表达的调控。
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色氨酸称为辅阻遏物 (Corepressor)
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色氨操纵子的弱化系统 •弱化子（attenuator） : 在trpE编码序列的起始位点上游 的162bp的trp前导序列内有一个不依赖ρ因子的终止子， 在其发夹结构后有8个U，这个结构称为弱化子。
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•前导RNA结构：try前导RNA由四个互补的区域组成，可形 成各种不同的发夹结构，其中一个就是弱化子3-4的发夹结构。
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• 前导肽The leader peptide 前导RNA序列中含有一个有效的核糖体结合位点并能形成 由前导RNA第27-68号碱基所编码的14个氨基酸的前导肽,前导 肽的作用是决定色氨酸的含量并控制转录的终止。
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第10和 第11
•弱化作用
（衰减作用）
Attenuation
•弱化作用的
重要性
Control elements
Structural genes
13
The lac operon 乳糖操纵子
结构与功能
（1）结构基因: lac Z编码β-半乳糖苷酶, 将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；
lacY编码β-半乳糖苷透性酶, 将乳糖从细胞外运进细胞内；
lac A编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，催化将乙酰基团从乙 酰辅酶A转移到β-半乳糖苷分子上。
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乳糖操纵子的负调控机制： 当有葡萄糖存在时（下图）
√
×
18
当只有乳糖存在时（下图）
•诱导物的产生：乳糖 异乳糖（在透过酶和β-半乳糖苷酶的作用下）
异乳糖
19
IPTG（isopropyl-β -D thiogalactopyoanoside)诱导物：
同异乳糖
IPTG
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分子克隆蓝白斑筛选原理
23
（2）当葡萄糖存在时， cAMP在细胞中的含量极低， 二聚体的CAP不能与DNA结合，受其调控的基因 （LacZYA)就不表达。
24
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CAP的结合位点 •CAP与DNA的结合部位是一个反向重复序列，结合位点 可能有3种情况
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Summary
C A
B
A: RNA polymerase B: lac repressor C: CRP-cAMP
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•CAP（CRP)只有与cAMP结合形成cAMP-CAP复合体 时才能与DNA结合，激活Plac启动子，促进RNA聚合 酶的转录。 •Plac启动子是弱启动子，缺少-35序列，只有弱的-10 序列。 细胞中的cAMP(环腺苷酸）受葡萄糖的含量控制。 (1) 当葡萄糖缺乏时，细胞中腺苷环化酶活力提高， cAMP含量升高，此时CAP与cAMP形成复合物，在诱 导剂的作用下cAMP-CAP复合特定结合位点结合，引 起DNA90°弯曲，增强了RNA聚合酶与启动子的结合， 转录效率提高50倍。
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1. 结构与功能
• The trp operon 编码色氨酸合成途径中的5个结构基因（下图），编 码一个转录单元，产生7kb的转录物。当细胞内的色氨酸缺乏时，这 些基因协同表达。
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•Trp R基因 距trp基因族较远,产生阻抑物的基因, 编码合成一个分子量为58kDa的阻遏蛋白.
•Ptrp+O+trpL:调控元件
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(3) 调(节)控基因: lacI，编码乳糖阻抑物，单体存在时不 具活性，四聚体形式存在时具有活性。
•顺反子（Cistron): 基因的功能单位，一个顺反子就 是一个遗传区段的结构 基因，常作为基因的同义词。 •多顺反子mRNA（Polycistronic mRNA): mRNA分 子的一种，作为两种或更多的多肽链翻译的模板，是 由DNA中的邻近顺反子所限定，如细菌的lacZ，lacY, lacA 基因。
β- 半 乳糖苷 酶使Xgal显 蓝色
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乳糖操纵子的正调控系统 细菌在葡萄糖、乳糖等碳源存在下，首先利用葡萄 糖。当葡萄糖消耗快尽时，细菌启动正调控系统。该 调节作用主要由cAMP-CAP正调控物质完成。 cAMP受体蛋白（ CRP ，cAMP receptor protein) CRP是一种转录激活因子（Transcriptional activator), 也称分解代谢激活蛋白（CAP,Catabolite activator protein）。
(2) 依赖ρ因子的转录终止 (Rho-depent termination)
ρ结合RNA上72个核甘酸
发夹结构特 点:依赖ρ因 子的终止子 中回文序列 的G-C对含 量较少。在 回文序列下 游方向的序 列没有固定 特征,其A-T 对含量比前 一种终止子 低。
12
•
结构基因：编码大量功能各异的蛋白质的DNA序列。
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顺式作用元件（cis-acting element）：
指对基因表达有调节活性的DNA序列，在基因的同一 条DNA分子上。如启动子、增强子、终止子、操纵基因等。 反式作用因子（trans-acting factor)）： 参与基因表达调控的因子, 它们与特异的靶基因的顺式 元件结合起作用。编码反式作用因子的基因与被反式作用 因子调控的靶序列(基因)不在同一染色体上。反式作用因 子有两个重要的功能结构域:DNA结合结构域和转录活化 结构域,它们是其发挥转录调控功能的必需结构。反式作用 因子可被诱导合成, 其活性也受多种因素的调节。如RNA 聚合酶、CRP等。
这些蛋白质包括了细胞和组织器官基本成分的结构 蛋白、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。
•
调节基因：编码合成那些参与基因表达调控的RNA 和蛋白质的特异DNA序列。调节基因编码的调节物