基因的表达与调控(上)——原核基因表达调控模式

1、基因的表达与调控基因的表达与调控( (上上) ) 原核基因表达调控模式原核基因表达调控模式DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控第一节第一节 基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念 ：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为gene regulationgene regulation 。 组成性表达(constitutive expression) 适应性表达(adaptive expr

2、ession）二、基因表达的方式二、基因表达的方式 1 1、组成性表达：组成性表达： 指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)。 2、适应性表达适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。l 应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导导(induction)，这类基因被称为，这类基因被称为可诱导的基因可诱导的基因(inducible

3、 gene)；l 相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为，相应的基因被称为可阻遏可阻遏的基因的基因(repressible gene)。 三、基因表达的规律三、基因表达的规律 时间性和空间性时间性和空间性1、时间特异性（、时间特异性（temporal specificitytemporal specificity）按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性。多细胞生物

4、基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶阶段特异性段特异性(stage specificity)。 2、空间特异性、空间特异性(spatial specificity)基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，按不同组织空间顺序出现，称之为基因

5、表达的称之为基因表达的空间特异性空间特异性。四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义l 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）l 维持个体发育与分化（真核）Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控第二节第二节 原核基因调控机制原核基因调控机制内容提要：原核基因表达调控环节原核基因表达调控环节操纵子学说操纵子学说原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点转录水平上调控的其他形式转录水平上调控的其他形式 一、原核基因表

6、达调控环节一、原核基因表达调控环节1 1、转录水平上的调控、转录水平上的调控（transcriptional regulationtranscriptional regulation）2 2、转录后水平上的调控、转录后水平上的调控（post-transcriptional regulationpost-transcriptional regulation） mRNAmRNA加工成熟水平上的调控加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控翻译水平上的调控二、操纵子学说二、操纵子学说1 1、操纵子模型的提出、操纵子模型的提出19611961年，年，MonodMonod和和JacobJacob提出提出获获

7、19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖Jacob and Monod2、操纵子的定义、操纵子的定义操纵子操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。成。操纵基因受调节基因产物的控制。1 1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答，可分为：的应答，可分为： 正转录调控正转录调控 负转录调控负转录调控 三、三、原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点

8、调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负转录调控负转录调控正转录调控如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负转录调控负转录调控负转录调控在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。l 可诱导调节：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。 例：大肠杆菌的乳

9、糖操纵子 分解代谢蛋白的基因2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物诱导物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的诱导操纵子模型酶合成的诱导操纵子模型诱导物如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。l 可阻遏调节：可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生蛋白质基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。的积

10、累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：例：色氨酸操纵子色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因酶合成的酶合成的阻遏阻遏操纵子模型操纵子模型调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物辐阻遏物如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。3、在、在负转录调控系统负转录调控系统中，调节基因的产物是中，调节基因的产物是阻遏蛋阻遏蛋白白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。），起着阻止结构基因转录的作用。 根据其作用特征又可分为根据其作用特征又可分为负控诱导负控诱导和和负控阻遏负

11、控阻遏：l 在在负控诱导负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；结合时，结构基因转录；l 在在负控阻遏负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。结合时，结构基因不转录。4 4、在、在正转录调控正转录调控系统中，调节基因的产物是系统中，调节基因的产物是激活蛋激活蛋白白（activator）。）。 根据激活蛋白的作用性质分为根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导正控诱导和和正控阻遏正控阻遏l 在在正控诱导正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激

12、活蛋白处于活性状态；使激活蛋白处于活性状态；l 在在正控阻遏正控阻遏系统中，效应物分子（系统中，效应物分子（辅阻遏物）辅阻遏物）的存的存在使激活蛋白处于非活性状态在使激活蛋白处于非活性状态。原核生物基因机制原核生物基因机制 转录水平转录水平负转录调控负转录调控（negative transcription regulation）负控诱导负控诱导阻遏蛋白阻遏蛋白负控阻遏负控阻遏阻止结构阻止结构基因转录基因转录正转录调控正转录调控（positive transcription regulation）正控诱导正控诱导激活蛋白激活蛋白正控阻遏正控阻遏四、转录水平上调控的其他形式四、转录水平上调控的其他

13、形式1、因子的更换 在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。大肠杆菌中的各种因子比较因子编码基因主要功能70rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控54rpoN参与多数氮源利用基因的调控38rpoH分裂间期特异基因的表达调控32rpoS热休克基因的表达调控28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控24rpoE过度热休克基因的表达调控l 温度较高,诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要l 枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的因子的替换,RNA聚合酶

14、识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达2、降解物对基因活性的调节3、弱化子对基因活性的影响Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控第三节第三节 乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon(lac operon) )内容提要：内容提要：乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构酶的诱导酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据乳糖操纵子调控模型乳糖操纵子调控模型影响因子影响因子LacLac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题一、乳糖

15、操纵子的结构一、乳糖操纵子的结构l Z编码-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖l Y编码-半乳糖苷透过酶：使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。l A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。二、酶的诱导二、酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据l安慰诱导物： 如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基- D-硫代半乳糖苷）。 CH2OH CH3 HO O SCCH3 H CH3 OH HH H H OH图 16-6 异丙基-硫代半乳糖苷的分子结构三、乳糖

16、操纵子调控模型三、乳糖操纵子调控模型主要内容：主要内容： Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码分子所编码 这个这个mRNA分子的启动子紧接着分子的启动子紧接着O区，而位于区，而位于I与与O之间的启动子区（之间的启动子区（P），不能单独起动合），不能单独起动合成成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 操纵基因是操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为上的一小段序列（仅为26bp），），是阻遏物的结合位点。是阻遏物的结合位点。RNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位阻遏物结合部位阻遏物结合部位 操纵位点的回文序列 当阻遏物与操纵基因结

17、合时，当阻遏物与操纵基因结合时，laclac mRNA mRNA的转的转录起始受到抑制。录起始受到抑制。 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 诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发使之不能与操纵基因结合，从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的的合成。合成。 诱导：基因被打开

18、 -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 组成型突变： lacOc 组成型突变： lacI- 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 represso

19、r 图图 16- Uninducible lac S mutations are dominant 不可诱导突变（超阻遏）：四、影响因子四、影响因子1、lac操纵子的本底水平表达有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成有需要诱导。解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？ 一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在- -半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有需要有- -半乳糖甘酶的预先存在。半乳糖甘酶的

20、预先存在。解释：解释：本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lac mRNA合成。合成。2、大肠杆菌对乳糖的反应 培养基：甘油培养基：甘油 按照按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的分子的-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；培养基：加入乳糖培养基：加入乳糖少量乳糖少量乳糖透过酶透过酶进入细胞进入细胞-半乳糖苷酶半乳糖苷酶异构乳糖异构乳糖诱导物诱导物诱导诱导lac mRNA的生物合成的生物合成大量乳糖进入细胞大量乳糖进入细胞多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）多数被降解

21、为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）异构乳糖异构乳糖 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3、阻遏物lac I基因产物及功能 Lac Lac 操纵子阻遏物操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下

22、组是由弱启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有成型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。个阻遏物分子。 当当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。操纵子在这些突变体中就不可诱导。4、葡萄糖对lac操纵子的影响 如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中， laclac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导外源葡萄糖，乳糖就会诱导laclac

23、操纵子表达分操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。解乳糖所需的三种酶。 代谢物阻遏效应代谢物阻遏效应5 5、cAMPcAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白（代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（环腺甘酸受体蛋白（CRP） ZYAOPDNA 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶cAMPCAP复合物ATPATP腺甘酸环化酶腺甘酸环化酶cAMP（环腺甘酸）（环腺甘酸） 大肠杆菌中：无葡萄糖，大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；浓度高； 有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP

24、浓度低浓度低+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时促进转录促进转录有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时不促进转录不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正调控的正调控当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。操纵子仍无转录活性。 cAMPCAP复合物与启动复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。子区的结合是转录起始所必需的。协调调节协调调节葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称操纵子

25、的阻遏作用称分解代分解代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。用葡萄糖。The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCom

26、e on, let me throughNo wayJose!CAPCAPThe Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Y

27、ipee!The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through!五、五

28、、LacLac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题1、A基因及其生理功能半乳糖甘分子（IPTG）-半乳糖甘酶分解产物（体内积累）-半乳糖甘乙酰基转移酶半乳糖甘分子（IPTG）乙酰基2、lac基因产物数量上的比较-半乳糖苷酶：透过酶：乙酰基转移酶=1：0.5：0.2翻译水平上受到调节：（1）lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译；（2）在 lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。3、操纵子的融合与基因工程P OZYAtsxPOpur结构基因缺失lac operonpur operonContents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基

29、本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控第四节 色氨酸操纵子（trp operon）l1. 代谢特点代谢特点l2. 结构和功能结构和功能l3. 转录调控机制转录调控机制 阻遏体系阻遏体系一级开关，主管转录是否启动 弱化体系弱化体系细微调控，决定转录是否继续色氨酸的代谢特点l构成蛋白质的组分l环境难以提供足够色氨酸时，细菌自身合成色氨酸；l环境能够提供足够色氨酸时，细菌减少或停止合成色氨酸，转而利用外界的色氨酸，以减轻负担。 trp 操纵子的基本结构功能功能碱基数碱基数601621560159313

30、50119680440高色氨高色氨酸时酸时低色氨低色氨酸时酸时140个核苷酸前导RNAAUG约7kb mRNA结构基因调节作用间隔区间隔区trpLtrpB trpAPOtrpDtrpCtrpE弱化子 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 链 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 36P：起动子；O：操纵子； l：前导序列； a：衰减子

31、； 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 操纵子的特点l阻遏物基因trp R（89）和结构基因（trpEDCBA）不紧密连锁；l操纵基因在启动子区域内；l启动子，操纵基因不直接和结构基因毗邻，中间有一段前导序列；l有弱化子结构，在一些合成代谢的操纵子的前导区内，以辅助阻遏作用进行转录调控；l1981年Yanofsky提出了弱化模型。trp 操纵区的碱基序列E. coli色氨酸合成的主要途径阻遏体系调控机制Fig. Src:弱化子DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150区）。trpLtrpBtrpAPOtrpDtr

32、pCtrpE前导区弱化子(123150)转录终止的区域；若缺失可提高trp基因的表达；trp弱化子mRNA的终止区mRNA通过自我配对形成茎环(stem-loop)结构，具有典型终止子特点前导序列：在trp mRNA5端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。mRNA前导区序列与前导肽l 包括起始密码子AUG和终止密码子UGA；l 第10、11位有相邻的2个色氨酸密码子,对tRNATrp浓度敏感；l 编码假设的含14 aa的前导肽(Leader Peptide)；Fig. Src:mRNA前导序列分析前导肽编码区 片段1、2、3、4可以2种方式配对： A.12，34 B.23其

33、中34配对区位于位于终止密码子的识别区 Fig.Src:Fig.Src:抗终止构型(2-3)终止构型(3-4)暂停构型(1-2)允许转录允许转录终止转录终止转录弱化机制弱化机制前导肽前导肽转录终止结构转录终止结构转录弱化作用稳定结构 核糖体经过前导区继续翻译的能力控制着两种结构的转换低色氨酸水平低色氨酸水平l 负载有色氨酸的tRNATrp少，翻译通过两个相邻trp condon的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区(或停留在两个相邻的Trp密码子处)，这时的前导区结构是2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，转录可继续进行Fig.Src:不形成终止构型高色氨酸水平高色氨酸水平l

34、 核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前，核糖体就到达2区，这样使2-3不能配对，3-4区可以自由配对形成茎环状终止子结构，转录停止，trp操纵子中的结构基因被关闭而不再合成色氨酸形成终止构型敏感信敏感信号号感受感受器器作用作用 顺位顺位 反应速度反应速度阻遏体系阻遏体系色氨酸浓度阻遏质阻遏一级开关较慢弱化体系弱化体系空载tRNATrp 浓度核糖体削弱二级细调较快转录调控机制转录调控机制 阻遏体系阻遏体系一级开关，主管转录是否启动 弱化体系弱化体系细微调控，决定转录是否继续 细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使

35、只能使转录不起始转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨细胞内色氨酸的多少酸的多少；弱化作用的信号则是；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的细胞内载有色氨酸的tRNA的多少的多少。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。密的调控作用。另一种trp操纵子：B. subtilis的trp操纵子调控模式lT-box RNA： 对空载 tRN

36、ATrp敏感lTRAP（tryptophan-activated trp RNA binding attenuation protein）： 由11个亚基组成的环形结构，每个亚基可结合一分子色氨酸 可感知色氨酸浓度l前导区RNA包绕在已结合色氨酸的TRAP外,促成终止构型的形成,阻碍trp操纵子的转录；lT-box RNA 形成终止构型,关闭包含anti-TRAP基因的操纵子的转录lTRAP与 RNA前导区分离,一些 mRNA 开始形成抗终止构型,trp操纵子的转录部分开放；l空载 tRNATrp结合 T-box RNA,阻止终止构型形成, anti-TRAP基因开放 ,合成的anti-TRA

37、P 与被色氨酸活化的TRAP结合，使之无法再与RNA前导区结合, trp操纵子开放转录l什么是操纵子（operon)?试说明色氨酸操纵子（Trp operon)在原核基因表达调控中的调控机制和重要作用。 2003年武汉大学分子生物学试题Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控第五节 其他操纵子、 、 （）（）rRNA操纵子操纵子、 （2）核糖体蛋白核糖体蛋白SI操纵子操纵子 （3） DnaQ蛋白操纵子蛋白操纵子、1、 （1） 半乳糖操纵子的结构

38、半乳糖操纵子的结构大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)包括3个结构基因： 异构酶异构酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)， 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(galactose transferase, galT)， 半乳糖激酶半乳糖激酶(galactose kinase, galk)。（2） 半乳糖操纵子的特点半乳糖操纵子的特点 gal操纵子有两个启动子，PG1和PG2。两个RNA聚合酶结合位点S1和S2（转录起始点）,mRNA可以从两个不同的起始点开始转录。 它有两个O区，一个在P区上游67-53，而不是在P区与结构

39、基因之间，另一个O区在结构基因galE内部，现在已知所有操纵子中仅此一例。为什么为什么gal操纵子需要两个转录起始位点？操纵子需要两个转录起始位点？半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质-尿苷二磷酸半乳糖（UDP-gal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。在没有外源半乳糖的情况下，UDP-gal是通过半乳糖差向异构酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，该酶是galE基因的产物。生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。现在设想只有S1一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时就有能合成异构酶。假如 唯一的启动子是S2，那么，即使在葡萄糖存

40、在的情况下，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，这无疑是一种浪费。无论从必要性或经济性考虑，都需要一个不依赖于cAMP-CAP的启动子（S1）对高水平合成进行调节。（3） cAMP-CRP对对半乳糖启动子的作用半乳糖启动子的作用 从S1起始的转录只有当培养基中无葡萄糖（G）时才能进行（与Lac操纵子同）。 从S2起始的转录要依赖于葡萄糖，高水平的cAMPCRP（无G)能抑制从S2的转录，当有cAMPCRP时，转录从S1开始，当无cAMPCRP时，转录从S2开始。、 （1） 阿拉伯糖操纵子的基因结构阿拉伯糖操纵子的基因结构在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因：个基

41、因：araB、araA和和araD，它们形成一个基因簇，它们形成一个基因簇，简写为简写为araBAD araB基因、基因、araA基因和基因和araD基因分别编码阿拉伯糖代谢需要的三种酶：基因分别编码阿拉伯糖代谢需要的三种酶： 核酮糖激酶核酮糖激酶, 阿拉伯糖异构酶阿拉伯糖异构酶 , 核酮糖核酮糖-5-磷酸差向异构酶磷酸差向异构酶 （2） AraC蛋白的正负调控作用蛋白的正负调控作用（3） AraC蛋白的两种形式蛋白的两种形式Pr是起阻遏作用Pj是起诱导作用在没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势有阿拉伯糖存在，平衡趋向于Pi形。（4） 营养状况对营养状况对ara操纵子活性的影响操纵子活性的影响培养基

42、中含有葡萄糖培养基中含有葡萄糖araC基因虽然仍有转录，但受到基因虽然仍有转录，但受到抑制，只有少量抑制，只有少量 AraC蛋白形成，蛋白形成，整个系统几乎处于静止状态。整个系统几乎处于静止状态。无葡萄糖，无阿拉伯糖无葡萄糖，无阿拉伯糖AraC蛋白仍以蛋白仍以Pr形式为主，无法形式为主，无法与操纵区与操纵区B位点相结合，无位点相结合，无ara-BAD mRNA转录。转录。无葡萄糖，有阿拉伯糖无葡萄糖，有阿拉伯糖大量大量araC基因产物以基因产物以Pi形式存形式存在，在在，在cAMP-CAP的共同作的共同作用下，用下，araC和和araBAD基因大基因大量表达，操纵子充分激活。量表达，操纵子充分

43、激活。3、 （ 1） rRNA操纵子操纵子大肠杆菌rRNA操纵子（rrnE）上有两个启动子:P1和P2。营养充沛时，由强启动子P1起始的转录产物比由P2起始的转录产物高3-5倍。营养匮乏时，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。 （ 2） 核糖体蛋白核糖体蛋白SI操纵子操纵子核糖体蛋白SI操纵子（rpsA），它也受应急反应调节。RpsA有4个启动子，P1、P2是强启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表达，合成SI蛋白。P3、P4是弱启动子，只有在紧急情况下，P1、P2启动子受ppGpp的抑制，由P3、P4起始合成的SI蛋白维持了生命的最低需要。 P1P2P3P4强启动子 弱启动子 紧急情况下，受p

44、pGpp的抑制平时启动基因的表达均合成SI蛋白（3） DnaQ蛋白操纵子蛋白操纵子Dna Q蛋白是DNA聚合酶全酶的亚基之一，其主要功能是校正DNA复制中可能出现的错误。在RNA聚合酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子P2控制；RNA聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子P1。四、四、二组分系统二组分系统 传感蛋白（位于细胞质膜）应答调节蛋白（位于细胞质）磷酸化（磷酰基团转移）磷酸化应答调节蛋白下游基因表达阻遏或诱导5 、 SOS基因基因紫外线紫外线激活激活Rec ALex A阻遏蛋白阻遏蛋白 与与DNA 损伤修复有损伤修复有关的酶和蛋白质关的酶和蛋白质基因基因表达表达Lex A阻遏蛋白阻遏蛋白

45、操纵序列操纵序列固氮基因调控固氮基因调控1、根瘤的产生、根瘤的产生 2、固氮酶、固氮酶3、与固氮有关的基因及其调控与固氮有关的基因及其调控根瘤的产生根瘤的产生根瘤菌栖集于宿主的根毛上后，开始了侵染过程。细菌刺激根毛细胞发生卷曲，根瘤菌在根毛卷曲处进入根毛细胞后，被宿主所分泌的一种含纤维质的物质所包围，形成一条套状的侵染线。细菌在线内繁殖。侵染线不断向内延伸，直至皮层细胞。最终侵染线壁解体而将根瘤菌释放到宿主细胞中。感染各种植物的不同根瘤菌豌豆根瘤菌 野豌豆属、豌豆属、香豌豆属、菜豆根瘤菌 菜豆属车轴草根瘤菌 车轴草属百脉根根瘤菌 百脉根属、绒毛花属苜蓿根瘤菌 苜蓿属、草木犀属 根瘤菌 寄主植物

46、固氮酶固氮酶(1) 组成： 铁蛋白铁蛋白+钼铁蛋白钼铁蛋白(2) 结构与功能：铁蛋白铁蛋白： 结构结构：二聚体（2个相同亚基），4Fe-4S原子簇（即：一簇金属原子群集在一起）。 功能功能：在电子供体和钼铁蛋白之间传递e； 与MgATP络合（与 MgATP络合后，改变铁蛋白构型，降低其还原电位。与钼铁蛋白结合后，水解MgATP，产生能量，驱动电子传递）。钼铁蛋白钼铁蛋白： 结构结构：四聚体（22）。 功能功能：络合、催化作用。接受铁蛋白传来的电子并继续传给N2。N2在此部位被还原成NH3。（）固氮酶促反应（）固氮酶促反应N2+16MgATP+8e-+8H+ 2NH3+16MgADP+16Pi+

47、H2与固氮有关的基因及其调控与固氮有关的基因及其调控Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控翻译起始的调控翻译起始的调控稀有密码子对翻译的影响稀有密码子对翻译的影响重叠基因对翻译起始的调控重叠基因对翻译起始的调控翻译阻遏对起始的调控翻译阻遏对起始的调控魔斑核苷酸水平对翻译的影响魔斑核苷酸水平对翻译的影响 第六节第六节 转录后水平上的调控转录后水平上的调控翻译起始的调控翻译起始的调控 RBS（核糖体结合位点）：mRNA链上起始密码子AUG上游的一

48、段非翻译区。 RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码子AUG之间的距离。SD- 4-10（9）-AUG 稀有密码子对翻译的影响稀有密码子对翻译的影响（稀有密码子：在基因中利用频率很低的密码子）（稀有密码子：在基因中利用频率很低的密码子）dnaG(引物酶) RNA引物dnaG、rpoD和rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子50个拷贝的dnaG蛋白、2800个拷贝的rpoD和40000个拷贝的rpsU几种蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较蛋白质AUU/%AUC%AUA%结构蛋白37621亚基26740DnaG蛋白363232细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码

49、子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。重叠基因对翻译起始的调控重叠基因对翻译起始的调控trpE的终止密码子与trpD的起始密码重叠TrpB 谷氨酸- 异亮氨酸-终止 GAA - AUC - UGA - UGG - AA AUG - GAA 甲硫氨酸 谷氨酸trpAtrpE苏氨酸苯丙氨酸终止 ACU - UUC - UGA - UGG - CU AUG AUG GCU 甲硫氨酸 - 丙氨酸- trpD 翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码子保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。翻译阻遏对起始的调控翻译阻遏对起始的调控Q Q噬菌体的复制酶可结合于噬菌体的复制酶可结

50、合于SDSD顺序顺序阻断核糖体在阻断核糖体在mRNAmRNA上的移动，抑制了翻译上的移动，抑制了翻译魔斑核苷酸水平对翻译的影响魔斑核苷酸水平对翻译的影响 研究发现，在氨基酸缺乏时，研究发现，在氨基酸缺乏时，relrel+ +菌株能大量合成两种特殊的核苷酸菌株能大量合成两种特殊的核苷酸鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸（鸟苷（鸟苷55一二磷酸一二磷酸-3-3二磷酸，二磷酸，ppGppppGpp）鸟苷五磷酸鸟苷五磷酸（鸟苷（鸟苷55一三磷酸一三磷酸-3-3二磷酸，二磷酸，pppGpppppGpp）其电泳的迁移率和一般的核酸不同，而其电泳的迁移率和一般的核酸不同，而relrel- -菌则不能。菌则不能。魔斑魔斑魔斑魔斑1、关于管家基因叙述错误的是、关于管家基因叙述错误的是 (A) 在生物个体的几乎各生长阶段持续表达在生物个体的几乎各生长阶段持续表达 (B) 在生物个体的几乎所有细胞中持续表达在生物个体的几乎所有细胞中持续表达 (C) 在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中表达表达 (D) 在生物个体的某一生长阶段持续表达在生物个体的某一生长阶段持续表达 (E) 在一个物种的几乎所有个体中持续表达在一个物种的几乎所有个体中持续表达 D2、一个操纵子（元）通常含有、一个操纵子（元）通常含有 (