第八章 基因表达的调控第一节 转录水平的调控

.壹 操纵子模型： 1. 调节基因和结构基因 .

P laci P O lacZ lacY lacA

DNA 1040 82 3510 780 825

mRNA

多肽 36038

1021125

26030

27530

氨基酸分子量(KDa)

蛋白 四聚体152

四聚体500

膜蛋白30

二聚体60

结构分子量(KDa)

功能 阻遏蛋白 β -半乳糖苷酶 透性酶 转乙酰酶

乳糖操纵子的结构和功能(仿 B.Lewin:《GENES Ⅵ》 ,1997, Fig .12.3)

2. 正调控和负调控 正调控 负调控 诱导 (induction) 阻遏 (repression) 诱导物 (inductor) 阻遏物 (repressor) 辅阻遏物 (corepressor) 使阻遏蛋白具有活性或使活性蛋白失去活性的物质称～。

负调控 正调控 Lac O Ara O 诱 导 失活的阻遏物 活化的激活蛋白 阻遏物 诱导物 失活的活性蛋白 诱导物 阻遏 诱导 阻遏 诱导 Trp O 阻

遏 失活的活性蛋白 辅-阻遏物 活化的激活蛋白 辅-阻遏物 失活的活性蛋白 诱导 阻遏 诱导 阻遏 图 16-1 原核生物结构基因的 4种表达调控类型 (仿B.Lewin:《GENES Ⅵ》 ,1997, Fig .12.21)

未发现

二 . 乳糖操纵子1 调控位点 (1) Operator 操纵基因 (2) CAP(catabolite gene activation protein) or CRP(cAMP 受体蛋白 ) 结合位点 (3) Promotor2 别乳糖为诱导物 3 本底组成型 (background constitutive synthesi

s) 组成型 (constitutive gene) 即看家基因（ Houskeeping gene)

H OH HO H OH H H CH2OH H O OH HO O H O CH2 CH2OH H OH OH H HO O H 别乳糖 H O OH H H H OH OH H H ＋ H2O H H H O OH CH2OH CH2OH H OH CH2OH H O OH HO O OH H H OH H ＋ OH H HO H H H H OH H OH 葡萄糖 半乳糖

图 16- 乳糖分解的不同产物

乳糖

诱导物的加入和去除对 lac

mRNA 的影响

未诱导：结构基因被阻遏

阻遏物 四聚体

LacI P O lacZ lacY lacA 图 16- 当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上

诱导：基因被打开

β -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶

图 16-7 诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关

3. 操纵子的发现 1961 年 Jacob & Monod 构建部分二倍体 (lacI-/FlacI+) lacIS 阻遏蛋白不可诱导性突变，阻遏 蛋白失去诱导物结合位点 lacI- 阻遏蛋白不能形成寡聚物 lacI-d 阻遏蛋白不能和 DNA 结合，且呈 负互补 ( 反式显性 ) Oc 操纵基因的组成型突变

Lac. Operon I P O Z Y A

多个相关结构基因控制区

操纵子（ operon ） 调节基因（抑制位点）

没有 Lactose

Y: β- 半乳糖苷透性酶Z: β- 半乳糖苷酶A: β- 半乳糖苷乙酰基转移酶

( 二 ) 阻遏蛋白和诱导物的互作诱导（ induction ）诱导物（ inducers ）异丙基 -β-D- 硫代半乳糖苷（ isopropylthio

galactoside,IPTG ）安慰诱导物（ gratuitous inducer ） 多顺反子 mRNA 变构调控（ allosteric control ） 协同调控（ coordinate regulation ）一系列基因受同一操纵子的调控。 基因簇 (cluster)

CH2OH CH3

HO O S－C－CH3

H CH3

OH H

H H

H OH

图 16-6 异丙基-β -硫代半乳糖苷的分子结构

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

Inactive repressor lacI－gene sythesizes defective repressor that does not bind to DNA

Operon is transcribed and translated lacI－ Operantor

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

Inactive repressor lacI－genesythesizes defective repressor that does not bind to DNA

LacI + gene sythesizes lacI－ Operator wild-type repressor which bind to operator

lacI +

Inducer displaces wild-type repressor from operator as usual

图 16- Constitutive mutations in the lacI gene are recessive.

Repressor has lost lacI S genesythesizes Iducer-binding site defective repressor that cannot bind inducer; it binds permanently to operator

lacI S Operantor

lacI +

wild-type repressor does not influence DNA-binding of LacS repressor

图 16- Uninducible lac S mutations are dominant

等位基因间的互补（ interallelic complementation ）。负的互补（ negative complementation ） lacI-d 的产物和 lacI+ 的产物组成多聚体时，阻遏蛋白无活性。反式显性（ trans-dominant ）显性失活（ dominant negatives ）

阻遏蛋白和操纵基因的结合与解离操纵基因的结构阻遏蛋白的结构： N 端 1 ～ 59aa －头部片段：为 HTH ，与操纵基因 DNA 的大沟结合；核心区：有 6 个折叠，诱导物就结合在两个核心区之间的裂缝中； C 端为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。

操纵位点的回文序列

阻遏蛋白单体的结构 Helix-turn-helix Core domain1 Core domain2

1 51 80 360

DNA binding Hinge Inducer binding Oligomerization

图 16- 阻遏蛋白单体的结构和功能

阻遏蛋白单体的三级结构

Startpoint

gal

aroH

trp

trpR

lac

Promoter

Operator location

图 16-13 操纵基因可位于启动子不同的相对位点

诱导物的结合解离模型

(a) (b)

图 16－10 诱导物作用模型。(a)平衡模型，诱导物与游离的阻遏物结合，打破了其游离与

结合之间的平衡；(b)解离模型，诱导物直接与结合在操纵位点上的阻遏物结合，使其释放

(仿 B.Lewin:《GENES Ⅵ》 ,1997, Fig .12.13)

诱导物和阻遏蛋白结合的模型

维持阻遏 过量的阻遏物可结 合在DNA 阻遏物结合在 的其它位点 操纵基因上 aaaa aaa

a a 诱导物 a 诱导 所有的阻遏物都结合 a a 在DNA的随机位点上 a a a aa 诱导物解离 a 建立阻遏 阻遏物恢复 活性状态 a a a 阻遏蛋白通过直接取代 a 从随机位点移向 a 操纵基因 a a a a a a 图 16-14 在细胞中所有的阻遏蛋白都结合在DNA上 (仿 B.Lewin:《GENES Ⅵ》 ,1997, Fig .12.18)

阻遏能发生在多个位点上aroH GCCG AATGTACTAGAGAACTAGTGC ATTAGCTTATTTTTTTGTTATCATGCTAAmRNA

trp AATC ATCGAACTAGTTAACTAGTAC GCAmRNA

trpR TGCT ATCGTACTCTTTAGCGAGTAC AACCmRNA

操 纵 区 域

13 图 16-16 trp 阻遏物识别三个位点上的操纵区(仿 B.Lewin:《GENES Ⅵ》 ,1997, Fig .12.19)

199 F

CAP 结合位点 cAMP 是由腺苷环化酶（ adenylate cyclase ） 催化合成 CAP （ catabolite activator protein ） CAP 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。

NH2

P ~ P ~ P－O－CH2 ATP

OH OH Glucose DNA Adenylcyclase Ihibition ?

RNA pol + cyclic AMP + protein factor needed for NH2 transcription to tack place O－CH2 “ X”

Protein factor Cyclic AMP (catabolite)

RNA P O OH Stimulation Phosphodiesterase NH2

P －O－CH2 5’ AMP OH OH 图 16- Control of catabolite-sensitive transcription through cyclic AMP

葡萄糖 ATP 减少 cAMP

ATP

活化的 CAP 失活的 CAP ATP 转录 不转录

图 16-17 图 16-17 通过减少 cAMP的水平葡萄糖导致了分解代谢的阻遏

转录

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 低度保守 5聚体 5聚体

图 16-19 CAP结合位点的保守顺序 (仿 B.Lewin:《GENES Ⅵ》 ,1997, Fig .12.24)

第二节 操纵子的其它调控形式一半乳糖操纵子（ gal operon ） 1. 结构 2. 特点： (1) 双启动子； (2) 双操纵基因； (3) 无－ 35 顺序； (4) OE在 CAP 位点内， OI在 gene E 内 Gal 既可为碳源，同时 UDP － Gal 又是合成细菌细胞壁的重要前体

gal E P1 cAMP-CAP galKTE OI P2 OE (17’ ) galR galU (62’ ) (27’ ) K T E PO galU galR

mRNA Glu-1-P 阻遏物

Gal激酶 Gal转移酶 表面异构酶 尿苷转移酶 UDP-Glu Gal → Gal -1-P UDP-Gal + Gal -1-P

图 16-23 E. col i gal 操纵子的结构，在染色体上的分布及其产物

gal 操纵子的结构 AAATTCTTGTGTAAACGATT CCACTAATTTA P1

-17 -11 P2 +CAP galE起始点 TATGCTA －CAP GGAA －76 CAP位点 －47 cAMP-CAP位点 -10S2 S-D galOI · · · · · · · · · · · · · · · · －90 －80 －70 －60 －50 －40 －30 －20 －10 +1 +10 +20 +30 +40 +50 +60 T TGTGTAAACG ATTCCACTAA TATGGTT GalOE －12 (－10S1 ) －6

图 16-24 Gal 操纵子具有双启动子(P1，P2 )和双操纵基因 (galOE,galOI )

3. 调节(1) 有 Gal P1启动 K,T,E 转录 无 Glu 无 Gal P1不启动 无 Gal OE,O I 结合形成环，仅转 有 录 20b 有 Gal P2启动 S2 转录 E,组成型(2) CAP-cAMP 对 P1 正调节，对 P2 抑制 (3) 阻遏物对 P1 ， P2 都是负调控， CAP-cAMP 含量少时 P2 可转录 ( 机制不清 )(4)P1 与 RNA Pol 亲和力 >> P2 与 RNA Pol 亲和力

二阿拉伯糖操纵子 (ara O) 1. 结构 : 具有正负调节功能的操纵子 2. 特点： (1) AraC 有双功能 a. 纯 C 结合 araO1, 阻遏；

b. C+Ara C ind, 结合于 araI ，诱导，正调节 (2) araC 本身也受操纵调节； (3) AraC 有三个结合位点 (O1,O2 和 araI) (4) 是调节子 (regulon) (5) 双向转录； (6)Pc 和 O1重叠； (7)C 自身调节

ara 操纵子的结构

(1' ) (50' ) (55. 5' ) araD araA araB araI araC araF araE ↓ ↓ ↓ PBAD Pc ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 表面异构酶 异构酶 核酮糖激酶 调节蛋白 周质蛋白 透性酶 D-木酮糖-5-P L-核酮糖-5-P L-核酮糖 L-阿拉伯糖 L-阿拉伯糖 RNA Pol CAP RNA Pol 细胞膜 araBAD 位点 Cind

位点 结合位点 araC araO2 +1 －40 －78 －144 －200 －265 －294 －300 －100 araO1 图 16-25 ara 操纵子 的结构及 其编码的酶所催化的生化反应

araI

有Ara,Glu,无CAP RNA Pol araI CAP RNA Pol 位点 Cind 位点 结合位点 araC araO2

+1 －40 －78 －144 －200 －265 －294 －300 －100 araO1

C蛋白 有Ara,无Glu,有CAP RNA Pol araI CAP RNA Pol 位点 Cind 位点 结合位点 araC araO2

+1 －40 －78 －144 －200 －265 －294 －300 －100 araO1

araBAD C蛋白 Ara 图 16- ara O 的调节

(a) - 300 - 200

araD araA araB RNA Pol araCi nd CAP

+1 PBAD Ara cAMP

(b) －300 araO2 －200

araC +1 araI -100

图 16 –26 ara 操纵子的诱导(a)与阻遏(b)

3. 调节 有 Glu, 无 CAP － C 本底转录，产少量 有 Ara AraC, 结合于 O1, 停止转录； 无 Glu, 有 CAP － Ara+C Cind araI ara P BAD 转录； 无 Ara 或用完： C 过量，可结合到 araO1, 阻遏 araPc, 还可结合到 araI 和 araO2 上，成环， 阻遏转录。

三 . 色氨酸操纵子 1. 结构 2. 特点 : (1) trpR(89’) 和 trpABCDE(25’) 不连锁； (2) 操纵基因在启动子内 (3) 有衰减子 (attenuator) (4) 启动子和结构基因不直接相连，二者被 前导顺序 (Leader) 所隔开

分支酸 → 邻氨基苯甲酸 → 磷酸核糖基 → CDRP → 吲哚甘油-磷酸 → 色氨酸 邻氨基苯甲酸

邻氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼酸合成酶

β 链 α 链 60，000 60，000 4 5，000 50，000 29，000

P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t’

1560 1620 1353 1191 804 36

P：起动子；O：操纵子； l：前导序列； a：衰减子； t,t’ ：终止子 图 16-15 E.coli trpO的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应

trp 操纵子的结构

trpR t rpP trpO trpE trpD t rpC trpB trpA 蛋白 TrpR(无活性) 活化的 阻遏蛋白 阻遏物 (Trp) 图 16-27 TrpR被 Trp 激活后可阻遏 trp 操纵子的转录

(仿 B.Lewin:《GENES》Ⅳ，1990, Fig .13.16)

3. 调 节 (1) Trp 作为辅阻遏物 (corepressor) (2) 阻遏物和 RNA pol 在 P,O 重叠区产生竞争性抑制；

(3) 阻遏物的阻遏能力低，是 LacR 的 1/千；

(4) trpO 调节合成代谢，存在衰减作用。