第七章 原核生物基因的表达调控

主讲：陈兆贵

生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞内的 DNA( 或 RNA) 分子中的。随着个体的发育， DNA 有序地将遗传信息，通过转录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。从 DNA 到蛋白质的过程，叫做基因表达 (gene expression) ，对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation 或 gene control) 。

基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念

基因表达调控在两个水平上体现

(1) 转录水平上的调控 (transcriptional regulation);

(2) 转录后水平上的调控 (post-transcriptional regulation) ，包括① mRNA 加工成熟水平上的调控 (differential processing of RNA transcript);② 翻译水平上的调控 (differential translation of mRNA) 。

对于原核生物，以营养状况 (nutritional status) 和环境因素 (environmental factor) 为主要的基因表达影响因素。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平 (hormone level) 和发育阶段 (developmental stage) 是基因表达调控的最主要手段，而营养和环境因素的影响力大为下降。

在转录水平上对基因表达调控取决于 DNA 的结构、 RNA 聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。

第一节 大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控

一、操纵子与操纵子模型 原核生物基因表达调控主要发生在转录水

平，转录调控的基本单元是操纵子。1 、操纵子的概念：根据操纵子学说，很多功

能上相关的结构基因在染色体上串连排列，由一个共同的控制区来操纵这些基因的转录。包含这些结构基因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子（ operon ）。

2 、操纵子结构由启动子（ P ）、操纵基因（ O ）、调节基

因、结构基因所组成。

1 、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白 (activator) ，激活蛋白结合与 DNA 的启动子及 RNA 聚合酶后，转录才会进行。

（ 1 ）在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行。

（ 2 ）在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。

二、正调控与负调控

2 、在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋白 (repressor) －－阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。

（ 1 ）负控诱导系统－－阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏蛋白结合上诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。

（ 2 ）负控阻遏系统－－阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。

调控模式1 、可诱导负调控2 、可诱导正调控3 、可阻遏负调控4 、可阻遏正调控

三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调控

（一）大肠杆菌的乳糖利用系统

大肠杆菌的乳糖代谢需要有 β- 半乳糖苷酶（ β-galactosidase ）的催化 。这种酶能把乳糖水解为半乳糖和葡萄糖 . 另外有半乳糖苷透性酶 和巯基半乳糖苷转乙酰酶。三种酶协同作用，使得乳糖得以分解和利用。

项目 功能

结构基因操纵基因启动

子调节基因

项目 功能

结构基因

3 个不同结构基因能够产生 3 种不同的酶 .

操纵基因

是结构基因的开关 . 通过对 RNA 聚合酶阻抑与否来控制结构基因的转录或停止 .

启动子

是 RNA 聚合酶与 DNA 结合的部位 , 可识别转录起始点 .

调节基因

能产生阻抑物 . 通过阻抑物与操纵基因的结合与否来控制操纵基因的关闭和开启

乳糖操纵子的结构和功能

（二）乳糖操纵子的调控机制1 、没有乳糖时，具有活性的阻遏物和操纵

基因结合，转录不能进行。2 、有乳糖时，乳糖与阻遏物结合，使阻遏

物发生构象变化而失活，不能与操纵子结合，结构基因正常转录，进而再翻译出蛋白质。

原核生物基因表达的调

控乳糖代谢基因表达调控图解： ( 没有乳糖时 )

Ｒ

Ｐ Ｏ lacZ lacY lacA

调节基因 启动子 操纵基因 结构基因

RNA 聚合酶信使 RNA

转录

翻译

阻抑物与操纵基因结合，结构基因转录受阻．

阻抑物

原核生物基因表达的调

控乳糖代谢基因表达调控图解： ( 有乳糖时 )

Ｒ

Ｐ Ｏ lacZ lacY lacA

调节基因 启动子 操纵基因 结构基因

RNA 聚合酶

信使 RNA

转录

翻译

阻抑物与乳糖结合后构象发生了改变，因而不能与操纵基因结合，使得结构基因进行转录。

阻抑物 乳糖

转录

半乳糖苷酶 酶 酶乳糖分解代谢调控过程是一个自我调控过程

四、大肠杆菌乳糖操纵子的正调控1 、葡萄糖敏感操纵子 有一些控制某一种糖如乳糖、半乳糖、

阿拉伯糖和麦芽糖等分解代谢的操纵子，当培养基含有葡萄糖时，会阻止这些操纵子的功能，称为葡萄糖敏感操纵子。

例如：当大肠杆菌生长的培养基中既有葡萄糖又有乳糖的条件，只利用葡萄糖，而不利用乳糖。

换句话说，只要在培养基中有葡萄糖存在，便可抑制了利用其他各种酶的产生，称为分解物阻遏。

2 、 CAP-cAMP 调控另外一种起调节作用的诱导物为 cAMP （环化

腺苷酸）分析一组实验几种情况：（ 1 ）当培养基中含用大量葡萄糖时， cAMP

水平明显下降。（ 2 ）当以乳糖为唯一碳源时， β- 半乳糖苷

酶的合成增加。

（ 3 ）当有乳糖和葡萄糖为碳源时，如果加入 cAMP ， β- 半乳糖苷酶的合成速率大大提高。

结论：？ cAMP 浓度能影响到 β- 半乳糖苷酶的合成

速率。主要是 cAMP 能激活 CAP （分解物基因激活蛋白），起转录因子的作用。

3 、 lac 操纵子的正调控机制（ 1 ） cAMP-CAP 复合物与 DNA 结合，改变

DNA 结构，促进了 RNA 聚合酶结合区的解链，从而促进 RNA 聚合酶和启动子结合，使转录能力增强。

（ 2 ） cAMP-CAP 复合物的形成取决于 AMP的浓度，当以葡萄糖为能源时，由于其抑制腺苷酸环化酶的活性， ATP 不能转化为 cAMP ， cAMP 浓度下降，不能形成 cAMP-CAP 复合物，乳糖结构基因不能被转录。因为细胞中有葡萄糖作为能源，就没有必要需要对乳糖利用的几种酶了。