大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控

1、蛋白质合成的类型：蛋白质合成的类型： 永久型：是指蛋白质的合成不受环境变化或代永久型：是指蛋白质的合成不受环境变化或代 谢状态的影响，始终维持在恒定水平。谢状态的影响，始终维持在恒定水平。 适应型或调节型：是指蛋白质的合成速度明显适应型或调节型：是指蛋白质的合成速度明显 地受环境的影响。地受环境的影响。 5/1/20211 大学分子生物学经典课件第五章原 核生物基因表达调控 第一节第一节 原核生物基因表达调控的概述原核生物基因表达调控的概述 第二节第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统 第三节第三节 色氨酸操纵子与负控阻遏系统色氨酸操纵子与负控阻遏系统 第四节第四节 其它操纵

2、子其它操纵子 第五节第五节 转录后的调控转录后的调控 5/1/2021 2 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 基因表达（基因表达（gene expression)：是指：是指DNA分子所承分子所承 载的遗传信息，通过密码子载的遗传信息，通过密码子 反密码子系统，转变反密码子系统，转变 成蛋白质或功能成蛋白质或功能RNA分子的过程，称为基因表达。分子的过程，称为基因表达。 基因表达调控（基因表达调控（gene regulation or gene control): 是指对基因表达过程的调节。是指对基因表达过程的调节。 5/1/2021 3 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基

3、因表达调控 基因表达调控主要表现在以下几个方面：基因表达调控主要表现在以下几个方面： 1、转录水平上的调控（、转录水平上的调控（transcriptional regulation); 2、mRNA加工成熟水平上的调控（加工成熟水平上的调控（differential processing of RNA transcription); 3、翻译水平上的调控（、翻译水平上的调控（differential translation of mRNA) 5/1/2021 4 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 原核生物原核生物 营养水平（营养水平（nutritional status) 环境

4、因素环境因素( environmental factors) 真核生物真核生物 激素水平（激素水平（hormone level) 发育阶段（发育阶段（developmental stage) 5/1/2021 5 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 根据调控机制的不同：根据调控机制的不同： 正转录调控（正转录调控（positive transcription regulation）：）： 调节基因的产物是激活蛋白（调节基因的产物是激活蛋白（activator），起着提高），起着提高 结构基因转录水平的作用。结构基因转录水平的作用。 负转录调控（负转录调控（negative tra

5、nscription regulation）：）： 调节基因的产物是阻遏蛋白（调节基因的产物是阻遏蛋白（reppressor），起着），起着 阻止结构基因转录的作用。阻止结构基因转录的作用。 5/1/2021 6 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 根据作用特征：根据作用特征： 诱导（诱导（induction）：调节因子与效应物结合后，开）：调节因子与效应物结合后，开 启基因的转录活性称为启基因的转录活性称为 诱导（诱导（induction）；）； 阻遏（阻遏（repression）：调节因子与效应物结合后，）：调节因子与效应物结合后， 关闭基因的转录活性称为关闭基因的转录活性称

6、为 阻遏（阻遏（repression）。）。 5/1/2021 7 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 5/1/2021 8 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 5/1/2021 9 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 调节基因产物调节基因产物 调节基因产物与效应物结合调节基因产物与效应物结合 基因表达基因表达基因不表达基因不表达 阻遏蛋白阻遏蛋白负控负控诱导系统诱导系统 负控阻遏负控阻遏系统系统 激活蛋白激活蛋白正控正控诱导系统诱导系统 正控阻遏正控阻遏系统系统 5/1/2021 10 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 因子是参与大肠

7、杆菌基因表达调控最常见因子是参与大肠杆菌基因表达调控最常见 的蛋白质。的蛋白质。 6 种种 因子：因子： 70、 54、 38、 32、 28、 24。 除除54 外，其余外，其余5种种 因子在结构上均具有同源因子在结构上均具有同源 性，统称为性，统称为70 家族。家族。 5/1/2021 11 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 TTGACATATAAT - 35 - 10 Startpoint 16-19 bp5-9 bp 70 因子识别并结合在所调控基因上游的区域因子识别并结合在所调控基因上游的区域 CTGGNATTGCA - 24- 12 Startpoint 7 - 9

8、 bp6-8 bp 54 因子识别并结合在所调控基因上游的区域因子识别并结合在所调控基因上游的区域 5/1/2021 12 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 1 、 特殊代谢物对基因活性的调节特殊代谢物对基因活性的调节 可诱导调节：是指一些基因在某些代谢物的诱导可诱导调节：是指一些基因在某些代谢物的诱导 下使其活化，由原来的关闭状态转变为开放状态。下使其活化，由原来的关闭状态转变为开放状态。 如：大肠杆菌的乳糖操纵子如：大肠杆菌的乳糖操纵子 可阻遏调节：是指一些基因由于某些代谢物的积可阻遏调节：是指一些基因由于某些代谢物的积 累，而使其由原来的开放状态转变为关闭状态。累，而使其

9、由原来的开放状态转变为关闭状态。 如：色氨酸操纵子如：色氨酸操纵子 5/1/2021 13 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 无诱导物时， 基因关闭 诱导物开启 基因 可诱导的操纵子：是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白可诱导的操纵子：是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白 的基因；的基因； 5/1/2021 14 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 可阻遏的操纵子：是一些合成各种细胞代谢过程中所可阻遏的操纵子：是一些合成各种细胞代谢过程中所 必须的小分子物质。必须的小分子物质。 5/1/2021 15 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 2、弱化子对基因活性

10、的调节、弱化子对基因活性的调节 弱化子弱化子(attenuator)：是指起转录终止信号的一段核：是指起转录终止信号的一段核 苷酸序列。苷酸序列。 trp 操纵子操纵子mRNA 前导序列结构前导序列结构 5/1/2021 16 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度发生改变细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度发生改变 氨酰氨酰 tRNA的浓度变化的浓度变化 核糖体在转录产物核糖体在转录产物RNA上的结合位置不同，上的结合位置不同， 使得使得RNA形成特定的二级结构形成特定的二级结构 由由RNA的二级结构判断基因能否继续转录的二级结构判断基因能否继续转录 调节机理

11、调节机理： 5/1/2021 17 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 色氨酸含量和核糖体位置对弱化子结构的影响色氨酸含量和核糖体位置对弱化子结构的影响 当色氨酸充足时，前导序当色氨酸充足时，前导序 列的合成正常进行，核糖列的合成正常进行，核糖 体占据体占据 1 区和部分区和部分2 区，区， 2、3 不能有效配对；不能有效配对； 3、4 配对形成终止子的配对形成终止子的 发卡结构，转录终止。发卡结构，转录终止。 Trp+ + 转录终止转录终止 5/1/2021 18 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 当缺乏色氨酸时，当缺乏色氨酸时， 翻译翻译 在双色氨酸密码子处中

12、在双色氨酸密码子处中 止；核糖体仅占据止；核糖体仅占据 1 区，区， 2、3 区配对；区配对； 3、4 区不能形成发卡结区不能形成发卡结 构，转录继续。构，转录继续。 Trp- 转录继续转录继续 5/1/2021 19 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 前导区的转录前导区的转录 无色氨酸时，转无色氨酸时，转 录可持续进行录可持续进行 有色氨酸存在时，有色氨酸存在时， 转录在弱化子区域转录在弱化子区域 终止终止 5/1/2021 20 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 3、降解物对基因活性的调节、降解物对基因活性的调节 葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在葡

13、萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在 葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等 诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现 象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。 葡萄糖葡萄糖 抑制抑制 腺苷酸环化酶的活腺苷酸环化酶的活 性性 导致导致 环腺苷酸的合成环腺苷酸的合成 减少减少 环腺苷酸环腺苷酸 代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白 复合物复合物 复合物结合在启动子区域是乳复合物结合在启动子区域是乳 糖、半乳糖等糖类糖、半乳糖等糖类mRNA转录转录 所必需的。所必需的。 5/1/202

14、1 21 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 4、细菌的应急反应、细菌的应急反应 是指细菌在供给物全面匮乏的情况下，难以找是指细菌在供给物全面匮乏的情况下，难以找 到代用物，所作出的一种反应，帮助细菌渡过难关。到代用物，所作出的一种反应，帮助细菌渡过难关。 应急反应的机理：应急反应的机理： 空载的空载的 tRNA 激活激活 焦磷酸转移酶焦磷酸转移酶 鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸 ppGpp 鸟苷五磷酸鸟苷五磷酸 pppGpp 大量合成大量合成 关闭一些基因关闭一些基因 打开一些基因打开一些基因 5/1/2021 22 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 正转录调控正转录调控

15、 负转录调控负转录调控 诱导诱导 阻遏阻遏 2、原核基因调节的主要特点、原核基因调节的主要特点 a 、特殊代谢物对基因表达的调节、特殊代谢物对基因表达的调节 b、弱化子对基因活性的调节、弱化子对基因活性的调节 c、降解物对基因活性的调节、降解物对基因活性的调节 d、细菌的应急反应、细菌的应急反应 小小 结结 5/1/2021 23 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 物物 第二节第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统 5/1/2021 24 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 p 阻遏蛋白基因（阻遏蛋白基因（I）属于组成型的调控，是经常表）属于组成

16、型的调控，是经常表 达的，因此，达的，因此，lac操纵子通常是处于关闭状态的。操纵子通常是处于关闭状态的。 lac 操纵子的结构操纵子的结构 阻遏蛋白基因（阻遏蛋白基因（I） 启动区（启动区（P） 操纵区（操纵区（O） CAP-cAMP 结合部位结合部位 三个结构基因三个结构基因 Z Y A 5/1/2021 25 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 一、酶的诱导一、酶的诱导 lac 体系受调控的证据体系受调控的证据 E. coli 在不含乳糖的培养基生在不含乳糖的培养基生 长时，长时，-半乳糖苷酶含量极半乳糖苷酶含量极 低；当加入乳糖或半乳糖后，低；当加入乳糖或半乳糖后， 则迅

17、速升高。则迅速升高。 两种含硫的乳糖类似物：两种含硫的乳糖类似物： 异丙基巯基半乳糖苷异丙基巯基半乳糖苷 （IPTG） 巯甲基半乳糖苷（巯甲基半乳糖苷（TMG） 5/1/2021 26 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 诱导物（诱导物（inducer）：如果某物质能促使细胞产生）：如果某物质能促使细胞产生 一特定的酶，该物质就叫做诱导物；一特定的酶，该物质就叫做诱导物； 安慰诱导物（安慰诱导物（gratuitous inducers）：可诱导酶的合）：可诱导酶的合 成，但不被所诱导的酶降解的物质称为安慰诱导物。成，但不被所诱导的酶降解的物质称为安慰诱导物。 IPTG（异丙基巯基

18、半乳糖苷）是（异丙基巯基半乳糖苷）是laclac 基因的安慰诱基因的安慰诱 导物。导物。 辅阻遏物（辅阻遏物（corepressor）如果某物质能阻止细胞产）如果某物质能阻止细胞产 生一特定的酶，该物质就叫做辅阻遏物。生一特定的酶，该物质就叫做辅阻遏物。 5/1/2021 27 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 二、乳糖操纵子的模型及其影响因子二、乳糖操纵子的模型及其影响因子 操纵子模型：操纵子模型： 一个或几个结构基因与一个调节一个或几个结构基因与一个调节 基因、一个操纵区组成一个操纵单元。这个单元基因、一个操纵区组成一个操纵单元。这个单元 称为称为操纵子操纵子（operon

19、）。）。 物物 5/1/2021 28 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 操纵区位于启动子与结构基因之间，与启操纵区位于启动子与结构基因之间，与启 动子部分重叠，阻遏物结合于操作区时，即阻动子部分重叠，阻遏物结合于操作区时，即阻 止止RNA 聚合酶起始转录。聚合酶起始转录。 5/1/2021 29 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 操纵区位于启动子与结构基因之间，不能单独起始操纵区位于启动子与结构基因之间，不能单独起始 结构基因的表达；结构基因的表达； 操纵区是一小段操纵区是一小段DNA序列，是阻遏物结合位点；序列，是阻遏物结合位点； 操纵与启动子部分重叠，当阻

20、遏物与操纵区结合时，操纵与启动子部分重叠，当阻遏物与操纵区结合时， 即阻止即阻止RNA 聚合酶起始转录；聚合酶起始转录； 诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之 不能与操纵区结合，从而激发不能与操纵区结合，从而激发mRNA的合成。的合成。 一条多顺反子一条多顺反子mRNA编码编码Z、Y、A基因；基因； 5/1/2021 30 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 5/1/2021 31 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 阻遏蛋白 启动区启动区 乳糖操纵子中调节基因的作用过程：乳糖操纵子中调节基因的作用过程： 乳糖操纵

21、子中诱导物的作用机理：乳糖操纵子中诱导物的作用机理： 诱导物作用的对象是阻遏蛋白。诱导物作用的对象是阻遏蛋白。 阻碍阻碍 5/1/2021 32 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 （一）、（一）、lac 操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达 诱导物的形成需要有诱导物的形成需要有-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 诱导物作用需要跨膜，跨膜需要透过酶的存在；诱导物作用需要跨膜，跨膜需要透过酶的存在； 透过酶的产生又需要诱导物的存在；透过酶的产生又需要诱导物的存在； -半乳糖苷酶的产生又需要诱导物的存在；半乳糖苷酶的产生又需要诱导物的存在； 在非诱导的状态下仍有少量的在非诱导的状态下仍有少量

22、的 lac mRNA合成，合成， 这种合成被称为本底水平的组成型合成这种合成被称为本底水平的组成型合成 （background level constitutive synthesis)。 5/1/2021 33 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 （二）、大肠杆菌对乳糖的反应（二）、大肠杆菌对乳糖的反应 乳糖乳糖 本底水平透过酶本底水平透过酶 进入细菌细胞进入细菌细胞 结合结合 阻遏蛋白阻遏蛋白 阻遏蛋白失活，阻遏蛋白失活， 细胞吸收大量乳糖细胞吸收大量乳糖 去向去向 葡萄糖葡萄糖 半乳糖半乳糖 异构乳糖异构乳糖 结合结合 阻遏蛋白阻遏蛋白 当阻遏蛋白的浓度超过异构乳糖的浓度，

23、细胞重新建当阻遏蛋白的浓度超过异构乳糖的浓度，细胞重新建 立阻遏状态，导致立阻遏状态，导致 lac mRNA 的合成被抑制。的合成被抑制。 本底水平本底水平-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 葡萄糖葡萄糖-1,6-半乳糖半乳糖 诱导物诱导物 5/1/2021 34 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 （三）、阻遏物（三）、阻遏物 lac I 基因产物及功能基因产物及功能 Lac 操纵子阻遏物操纵子阻遏物 mRNA 是由弱启动子控制下组是由弱启动子控制下组 成型合成的，该阻遏蛋白具有成型合成的，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚个相同的亚基，每个亚 基均含基均含347个氨基酸残基。个氨基酸残

24、基。 lacI 基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获 得较多的阻遏蛋白；得较多的阻遏蛋白； 5/1/2021 35 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 5/1/2021 36 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 5/1/2021 37 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 （四）、葡萄糖对（四）、葡萄糖对 lac 操纵子的影响操纵子的影响 在葡萄糖存在时，在葡萄糖存在时，E. coli 优先利用葡萄糖；此优先利用葡萄糖；此 时即使培养基中含有乳糖，乳糖操纵子蛋白仍然含时即使培养基中含有乳糖，乳糖操纵子蛋白仍然含

25、 量很低。量很低。 这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种 效应称为降解物抑制（效应称为降解物抑制（catabolite repression）。）。 5/1/2021 38 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 葡萄糖葡萄糖 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸甘油甘油 某些代谢产物抑制活性某些代谢产物抑制活性 腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 ATP cAMP Crp基因基因 编码编码 代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白 CAP cAMP-CAP 葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对 cAMP的抑制完成的。的抑制完成的。 （五）

26、、（五）、cAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白 5/1/2021 39 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 代谢物活化蛋白：代谢物活化蛋白： CAP（ Catabolite gene activator protein ； cAMP receptor protein ）是一些启动）是一些启动 子起始转录必需的正调子起始转录必需的正调 控因子。控因子。 CAP 只有与只有与 cAMP 结合后才能与结合后才能与 其结合区域结合。其结合区域结合。 5/1/2021 40 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 5/1/2021 41 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基

27、因表达调控 三、三、lac operon 的其它问题的其它问题 lac operon的功能是在正负两个调控体系的功能是在正负两个调控体系 的协调作用下实现的。阻遏蛋白封闭转录时，的协调作用下实现的。阻遏蛋白封闭转录时， CAP不发挥作用；如没有不发挥作用；如没有CAP加强转录，即加强转录，即 使阻遏蛋白从使阻遏蛋白从operator上解聚仍无转录活性；上解聚仍无转录活性； CAP组成型合成，所以组成型合成，所以cAMPCAP复合复合 物取决于物取决于cAMP含量含量; 5/1/2021 42 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄腺苷酸环化酶位

28、于细胞膜上，其活性与葡萄 糖运输的酶有关，因此糖运输的酶有关，因此cAMPCAP调控乳调控乳 糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶; 降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在，降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在， 这些操纵元就不表达。这些操纵元就不表达。 5/1/2021 43 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 2. A基因及其生理功能基因及其生理功能 编码编码 -半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖 苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！ 生理意义生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖：在细胞中有

29、许多能被半乳糖 苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能 进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷 乙酰化后，即无毒。所以乙酰化后，即无毒。所以lacA虽不在乳糖降解虽不在乳糖降解 中起作用，但可抑制有害物质的积累。中起作用，但可抑制有害物质的积累。 5/1/2021 44 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 3. lac基因产物数量基因产物数量， 1：0.5：0.2 不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上 的调节。的调节。 方式有二方式有二: 核糖体脱离核糖体脱离:

30、 多顺反子的差别性翻译多顺反子的差别性翻译; 内切酶作用内切酶作用: 在在lac mRNA分子内部，分子内部，a基基 因比因比z基因更易受内切酶作用基因更易受内切酶作用. 5/1/2021 45 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 5/1/2021 46 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 Summary of lac operon regulation GlucosecAMPLactose Transcription of lac mRNA HighLowPresent low rate of expression HighLowAbsentessentially

31、 none LowHighAbsentessentially none LowHighPresent high rate of expression 5/1/2021 47 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 生物细胞中的氨基酸合成，生物细胞中的氨基酸合成， 也受操纵元的调节。细胞需也受操纵元的调节。细胞需 要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到 经济的原则。经济的原则。 第三节 色氨酸操纵子与负控阻遏系统 5/1/2021 48 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 trp操纵子的组成操纵子的组成 邻

32、氨基苯甲酸邻氨基苯甲酸 合成酶合成酶 吲哚甘油磷 酸合成酶 色氨酸合成酶 邻氨基苯甲酸磷 酸核糖转移酶 5/1/2021 49 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 p trpR, 阻遏蛋白阻遏蛋白 p P，-40+18 p O, -21+1 p L, +1+162 p 结构基因结构基因 一、一、 trp操纵子的结构操纵子的结构 5/1/2021 50 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 trp操纵子的结构操纵子的结构 操纵区操纵区 启动子区（启动子区（P） 操纵子（操纵子（O） 弱化子区（弱化子区（a） 结构基因结构基因 E : 邻氨基苯甲酸合成酶邻氨基苯甲酸合成酶

33、 （与（与G基因为融合基因）基因为融合基因） C : 吲哚甘油磷酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶 B : 色氨酸合成酶色氨酸合成酶亚基亚基 D : 邻氨基苯甲酸磷酸核糖邻氨基苯甲酸磷酸核糖 转移酶转移酶 A : 色氨酸合成酶色氨酸合成酶亚基亚基 前导区前导区 (L) 5/1/2021 51 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 二、二、Trp operon 的阻遏系统的阻遏系统 1、Trp R 四聚体四聚体 5/1/2021 52 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 阻遏蛋白阻遏蛋白 trp O 不转录不转录 5/1/2021 53 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因

34、表达调控 2、阻遏蛋白的结合位点、阻遏蛋白的结合位点 trpO -21 +1，反向重复序列，反向重复序列 trpP -40 +18 活性阻遏物与活性阻遏物与trpO 的结合，的结合，RNA pol与启动子的结合发生竞争。与启动子的结合发生竞争。 5/1/2021 54 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 主管转录是否启动，主管转录是否启动， 在缺乏在缺乏Trp时，时， mRNA起始起始 合成，但不能自动延伸，一般在合成，但不能自动延伸，一般在trpE之前终止转录。之前终止转录。 粗调开关粗调开关 5/1/2021 55 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 色氨酸操纵

35、子色氨酸操纵子: 由与色氨酸合成相关的由与色氨酸合成相关的 基因及其基因及其 调控序列组成。当缺乏色氨酸时，调控序列组成。当缺乏色氨酸时，trp 操纵子基因表操纵子基因表 达；当外源色氨酸含量较高时，操纵子中的基因受达；当外源色氨酸含量较高时，操纵子中的基因受 到阻遏。到阻遏。 trp操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统 色氨酸调节（色氨酸调节（trpR） 基因突变会引起基因突变会引起 trp mRNA 的组成型合成。只有在色氨酸存在的情况下，阻遏的组成型合成。只有在色氨酸存在的情况下，阻遏 蛋白与之结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合蛋白与之结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合 关闭关闭trp

36、mRNA的转录。的转录。 5/1/2021 56 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 三、弱化子对基因表达的调节三、弱化子对基因表达的调节 弱化作用（弱化作用（attenuation）：是指控制一些细菌操纵）：是指控制一些细菌操纵 子转录终止的调节。子转录终止的调节。 弱化子（弱化子（attenuator）：是指弱化所发生的终止子序）：是指弱化所发生的终止子序 列，并且这种终止是被调节的，这段序列就称为弱列，并且这种终止是被调节的，这段序列就称为弱 化子。化子。 1、弱化子（、弱化子（attenuator） 5/1/2021 57 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控

37、 2、前导区：在、前导区：在 trp mRNA 5 端端 trpE 基因的起始密码子基因的起始密码子 前有一个长前有一个长162 bp 的的 mRNA片段，被称为前导区。片段，被称为前导区。 前导肽：由前导序列指导合成的含有前导肽：由前导序列指导合成的含有14个氨基酸残基个氨基酸残基 的肽称为前导肽。的肽称为前导肽。 前导序列结构特点：第前导序列结构特点：第10和和11位两个密码子为色氨酸位两个密码子为色氨酸 密码子。密码子。 5/1/2021 58 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 弱化子，衰减子，弱化子，衰减子， 前导前导RNA，140bp 5/1/2021 59 大学分子

38、生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 5/1/2021 60 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 前导肽前导肽 5/1/2021 61 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 5/1/2021 62 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 trp trp 缺乏缺乏 tRNAtrp也少也少 核糖体通过两个核糖体通过两个trp 密码密码 子的速度慢，占据前导子的速度慢，占据前导 序列的序列的trp 1区区 2区与区与3区配对，不区配对，不 能形成终止子结构能形成终止子结构 结构基因转录结构基因转录 5/1/2021 63 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基

39、因表达调控 trp 浓度高浓度高 前导肽中前导肽中trp 合成速度快合成速度快 前导肽一直合成至其末端前导肽一直合成至其末端 核糖体占据核糖体占据1区和区和2区区 3区与区与4区配对，形成终止区配对，形成终止 子结构，使转录终止子结构，使转录终止 5/1/2021 64 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 弱化子对转录调控的关键弱化子对转录调控的关键 l空间结构，空间结构，10th and 11th codons encode trp residues (rare AA) l时间，核糖体停顿在时间，核糖体停顿在2个个Trp 密码子上时，产生延密码子上时，产生延 迟，迟， 此时此时

40、4区未转录出来区未转录出来 5/1/2021 65 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 R P O leading seq. E D C B A trp + 为什么需要阻遏体系？为什么需要阻遏体系？ 当大量当大量Trp 存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结 合，阻止先导合，阻止先导mRNA合成。合成。 经济经济 Negativerepressible operonNegativerepressible operon 可以被最终合成产物所阻遏可以被最终合成产物所阻遏 四、 阻遏作用与弱化作用的协调 5/1/2021 66 大学分子生物学经典课件第

41、五章原核生物基因表达调控 R P O leading seq. E D C B A 少量少量trp + 不足以结合不足以结合 O 位点位点 为什么需要弱化系统？为什么需要弱化系统？ 当当trp浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢， 不能很快引发不能很快引发trp 合成。因此需要一个能快速作出反应的系合成。因此需要一个能快速作出反应的系 统，以保持培养基中适当的统，以保持培养基中适当的Trp水平。水平。 5/1/2021 67 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 p大肠肝菌中共有大肠肝菌中共有5个基因参与色氨酸生物合成，构成个基

42、因参与色氨酸生物合成，构成 色氨酸操纵子。其中色氨酸操纵子。其中trp G-D，trp C-F为融合基因，为融合基因， 翻译出的多肽具有双重功能。翻译出的多肽具有双重功能。 p有两个启动子，一个位于操纵子有两个启动子，一个位于操纵子5，一个位于，一个位于trp G- D编码区。编码区。 p大肠肝菌色氨酸操纵子受到由色氨酸激活的负阻遏大肠肝菌色氨酸操纵子受到由色氨酸激活的负阻遏 蛋白的调节作用。一旦转录越过前导区，开始结构蛋白的调节作用。一旦转录越过前导区，开始结构 基因的转录，又会受弱化子的调控，感受无负载的基因的转录，又会受弱化子的调控，感受无负载的 tRNATrp的变化。使转录机器在前导区

43、附近停止或继的变化。使转录机器在前导区附近停止或继 续结构基因的转录。续结构基因的转录。 5/1/2021 68 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 gal E : 异构酶异构酶 gal T : 半乳糖半乳糖 - 磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶 gal K : 半乳糖激酶半乳糖激酶 半乳糖半乳糖葡萄糖葡萄糖 1 磷酸磷酸 一、一、 半乳糖（半乳糖（gal ）操纵子）操纵子 5/1/2021 69 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 无外源葡萄糖时，细菌也可利用半乳糖。无外源葡萄糖时，细菌也可利用半乳糖。gal 操操 纵子的调控与乳糖操纵子基本相同，但稍有差

44、别：纵子的调控与乳糖操纵子基本相同，但稍有差别： q 双启动子双启动子; q 双操纵区双操纵区,一个在一个在P区上游区上游 67 73 ，另一个在，另一个在 结构基因结构基因gal E 内部内部 q 调节基因距离结构基因很远；调节基因距离结构基因很远； q 在有外源葡萄糖时，仍然可以被低水平诱导。在有外源葡萄糖时，仍然可以被低水平诱导。 5/1/2021 70 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 1、 cAMP CAP 对对 gal 启动子的作用启动子的作用 5/1/2021 71 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 2、双启动子的生理功能、双启动子的生理功能 是大

45、肠肝菌细胞壁合成的前体是大肠肝菌细胞壁合成的前体 5/1/2021 72 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 Operator 2 Operator 1 regulate geneCRP 结合位点结合位点 5/1/2021 73 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 araC 与与 araBAD相邻，但转录方向相反。相邻，但转录方向相反。 araC 与与 araBAD 的结构的结构 C 蛋白有三个结合位点：蛋白有三个结合位点：O1, O2, I C 基因为自我调节基因：基因为自我调节基因： 缺乏缺乏 C 蛋白时，蛋白时，araC表达；表达； 当当C蛋白含量升高时，抑制

46、蛋白含量升高时，抑制 araC 的表达。的表达。 具有正、负调节作用。具有正、负调节作用。 5/1/2021 74 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 （1）当葡萄糖水平较高、阿拉伯糖水平较低时，）当葡萄糖水平较高、阿拉伯糖水平较低时，C 蛋白与操纵区蛋白与操纵区O2及及araI诱导因子结合区上半区结合，诱导因子结合区上半区结合， 形成形成DNA回转结构，回转结构，araBAD 基因不表达；基因不表达； （2）当体系中有阿拉伯糖、无葡萄糖时，）当体系中有阿拉伯糖、无葡萄糖时，Ara C 与与 阿拉伯糖相结合，改变构象成为激活蛋白，阿拉伯糖相结合，改变构象成为激活蛋白， Ara C

47、 同源体分别与同源体分别与araO1和和araI区结合。区结合。RNA聚合酶在聚合酶在 Ara C 蛋白和蛋白和CRP- cAMP的作用下，起始的作用下，起始BAD 基基 因表达。因表达。 5/1/2021 75 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 一、一、因子的调节作用因子的调节作用 不同不同因子的选择；因子的选择；因子本身活性的调节；因子本身活性的调节； 二、组蛋白类似蛋白的调节作用二、组蛋白类似蛋白的调节作用 在细菌细胞中存在的用来维持在细菌细胞中存在的用来维持DNA高级结构的高级结构的 非特异性非特异性DNA结合蛋白，称为组蛋白类似蛋白。结合蛋白，称为组蛋白类似蛋白。 5

48、/1/2021 76 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 三、转录调控因子的作用三、转录调控因子的作用 转录调控因子：指与基因的启动子区结转录调控因子：指与基因的启动子区结 合，对基因的转录起激活或抑制作用的合，对基因的转录起激活或抑制作用的DNA 结合蛋白称为转录调控因子。结合蛋白称为转录调控因子。 四、抗终止因子的调节作用四、抗终止因子的调节作用 抗终止因子是能够在特定位点阻止转录终抗终止因子是能够在特定位点阻止转录终 止的一类蛋白质。这种调节作用主要见于噬菌止的一类蛋白质。这种调节作用主要见于噬菌 体和少数细菌中。参与大肠肝菌抗终止作用的体和少数细菌中。参与大肠肝菌抗终止作

49、用的 蛋白是蛋白是Nus蛋白。蛋白。 5/1/2021 77 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 一、翻译起始的调控一、翻译起始的调控 （1）起始密码子）起始密码子AUG，GUG，UUG，AUU， 这些不常见起始密码子翻译起始效率较低；这些不常见起始密码子翻译起始效率较低； （2）SD序列的结构及其与起始密码子序列的结构及其与起始密码子AUG之间之间 的距离，的距离，SD序列与序列与AUG之间的距离一般为之间的距离一般为4 10个核苷酸为佳，个核苷酸为佳，9个核苷酸最佳。个核苷酸最佳。 5/1/2021 78 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 （3） mRNA 的

50、二级结构的二级结构 30S亚基与亚基与mRNA结合，要求结合，要求mRNA 5， 端有一定的空间结构，核苷酸序列的变化会端有一定的空间结构，核苷酸序列的变化会 改变改变mRNA的二级结构，影响核糖体与的二级结构，影响核糖体与 mRNA的结合，从而造成蛋白质合成效率的的结合，从而造成蛋白质合成效率的 差异。差异。 5/1/2021 79 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 二、二、mRNA稳定性对转录水平的影响稳定性对转录水平的影响 细胞内无用的细胞内无用的mRNA均被核酸酶水解。均被核酸酶水解。 大肠肝菌大肠肝菌CsrAB调节系统。调节系统。 CsrAB CsrA为为RNA结合蛋

51、白结合蛋白 CsrB 为非编码的为非编码的RNA分子分子 结合结合 mRNA分子分子 降解速度加快降解速度加快 结合结合导致导致 5/1/2021 80 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 三、调节蛋白的调控作用三、调节蛋白的调控作用 调节蛋白的表达本身也受到调控。调节蛋白的表达本身也受到调控。 四、反义四、反义RNA的调节作用的调节作用 细菌细胞中一些非编码的小细菌细胞中一些非编码的小RNA，与，与 mRNA中特定序列配对，改变所配对中特定序列配对，改变所配对mRNA 分子的构象，导致翻译过程的开启或关闭。分子的构象，导致翻译过程的开启或关闭。 5/1/2021 81 大学分子生物学经典课件第五章原核生物基因表达调控 五、稀有密码子对翻译的影响五、稀有密码子对翻译的影响 使用稀有密码子频