第五章基因的表达与调控

1、第六章第六章 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Contents5 51 1 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论5 52 2 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 53 3 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5 54 4 转录后调控转录后调控原核生物和单细胞真核生物：环境影响蛋白质合成原核生物和单细胞真核生物：环境影响蛋白质合成高等真核生物出现细胞分化：不同细胞所合高等真核生物出现细胞分化：不同细胞所合成蛋白质在质和量上均有差异成蛋白质在质和量上均有差异因

2、此，不论真核还是原核细胞都有一套准确因此，不论真核还是原核细胞都有一套准确地调节基因表达和蛋白质合成的机制地调节基因表达和蛋白质合成的机制如果每个基因等同翻译，每一个多肽应有相同的拷贝数。如果每个基因等同翻译，每一个多肽应有相同的拷贝数。 结论是否定的，基因的表达是被控制的。结论是否定的，基因的表达是被控制的。 组成型合成蛋白质组成型合成蛋白质 适应型或调节型合成蛋白质适应型或调节型合成蛋白质如如DNADNA合成酶，合成酶，RNARNA聚合酶等聚合酶等如如-半乳糖苷酶及参与糖代谢的酶，半乳糖苷酶及参与糖代谢的酶，氨基氨基 酸、核苷酸合成系统的酶类等酸、核苷酸合成系统的酶类等一个系统处于一个系统

3、处于“off”off”状态时可能是状态时可能是本底水平的基本底水平的基因表达因表达，常常是每世代每个细胞合成，常常是每世代每个细胞合成1 12 2个个mRNAmRNA分分子和极少量的蛋白质分子。必须明白所谓子和极少量的蛋白质分子。必须明白所谓“关关”实实际的意思是基因表达量特别低，或者无法检测。际的意思是基因表达量特别低，或者无法检测。细菌中的基本调控机制有如下规律细菌中的基本调控机制有如下规律: :一个体系在需要一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种时被打开，不需要时被关闭。这种“开开- -关关”(on-off)(on-off)活性是通过活性是通过调节转录调节转录来建立的。来建立的。即

4、通过即通过调节调节mRNAmRNA的合成的合成来实现的来实现的51 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论生物信息生物信息DNARNAProtein执行生命活动执行生命活动调调 节节基因表达调控基因表达调控基因表达调控在两个水平上体现基因表达调控在两个水平上体现 (1)转录水平上的调控转录水平上的调控(transcriptional regulation);(2)转录后水平上的调控转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation) 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 transcri

5、pt) 翻译水平上的调控翻译水平上的调控(differential translation of mRNA)指挥基因调控的信号不同指挥基因调控的信号不同 Prok中，营养状况和环境因素中，营养状况和环境因素主要主要 Euk中，中， 激素水平和发育阶段激素水平和发育阶段主要主要 在转录水平上对基因表达调控取决于在转录水平上对基因表达调控取决于DNADNA的结的结构、构、RNARNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。配基的相互作用。5.1.1 5.1.1 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 原核生物的基因调控主要发生在转录水平

6、上，根原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为：据调控机制的不同可分为： 负转录调控负转录调控(negative transcription regulation)(negative transcription regulation) 正转录调控正转录调控(Positive transcription regulation)(Positive transcription regulation)负转录调控系统负转录调控系统在负转录调控系统中，调节基因的物质是在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻阻遏蛋白遏蛋白(repressor)(repressor)阻止结构基因转录。阻

7、止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。录受阻。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。 负控诱导系统负控诱导系统阻遏蛋白不与诱导物阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋白与结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏蛋基因不转录，阻遏蛋白结合上诱导物时，白结合上诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。离

8、，结构基因转录。 负控阻遏系统负控阻遏系统阻遏蛋白与效应阻遏蛋白与效应物结合时，结构基物结合时，结构基因不转录。因不转录。正转录调控系统正转录调控系统在正转录调控系统中，调节基因的产物是在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白激活蛋白(activator)(activator)，激活蛋白结合与，激活蛋白结合与DNADNA的启动子及的启动子及RNARNA聚合酶后，转录才会进聚合酶后，转录才会进行。行。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

9、白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。 在在正控诱导系统正控诱导系统中，诱导物的存在使中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状激活蛋白处于活性状态，转录进行。态，转录进行。 在在正控阻遏系统正控阻遏系统中，中，效应物分子的存在使效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。状态，转录不进行。 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

10、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。 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

11、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。一一 般般 规规 律律 可诱导的操纵子是一可诱导的操纵子是一些编码分解代谢糖和氨基些编码分解代谢糖和氨基酸的蛋白的基因。这些操酸的蛋白的基因。这些操纵子常常是关闭的。一旦纵子常常是关闭的。一旦生存条件发生变化，如葡生存条件发生变化，如葡萄糖缺乏而必须利用乳糖萄糖缺乏而必须利用乳糖作为能源时，就要打开这作为能源时，就要打开这些基因。些基因。 可阻遏基因是一些合可阻遏基因是一些合成各种细胞代谢过程

12、中所成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质（如氨必须的小分子物质（如氨基酸、嘌呤和嘧啶等的基基酸、嘌呤和嘧啶等的基因），这些基因总是打开因），这些基因总是打开着的。只有当细菌生活环着的。只有当细菌生活环境中有充分供应时，才关境中有充分供应时，才关闭这些基因，停止其合成。闭这些基因，停止其合成。弱化子对基因活性的影响弱化子对基因活性的影响在这种调节方式中，起信号作用的是在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的有特殊负载的氨酰氨酰-tRNA-tRNA的浓度。的浓度。 当操纵子被阻遏，当操纵子被阻遏，RNARNA合成被终止时，起终止转合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段录信号作用的那一段DN

13、ADNA序列被称为弱化子。序列被称为弱化子。当基因转录使转录产物（当基因转录使转录产物（RNARNA）到不）到不同长度时，核糖体会在对应的同长度时，核糖体会在对应的DNADNA位位置上；此时置上；此时RNARNA可以形成某种形式的可以形成某种形式的二级结构；由此决定延伸复合物的二级结构；由此决定延伸复合物的结合能力，从而决定基因能否继续结合能力，从而决定基因能否继续转录。转录。细菌的应急反应细菌的应急反应细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌会产生一个应急反应关，细菌会产生

14、一个应急反应停止包括生停止包括生产各种产各种RNARNA、糖、脂肪和蛋白质的几乎全部生、糖、脂肪和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。物化学反应过程。实施这一应急反应的实施这一应急反应的信号是信号是鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸(ppGpp(ppGpp) )和鸟苷五磷酸和鸟苷五磷酸(pppGpp(pppGpp) )。产生这两种物质的产生这两种物质的诱诱导物导物是是空载空载tRNAtRNA。当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的基酸的tRNAtRNA，这种空载的，这种空载的tRNAtRNA会激活焦磷酸转会激活焦磷酸转移酶，使移酶，使ppGppppGpp大量合成

15、。大量合成。ppGppppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧急的出现会关闭许多基因，以应付这种紧急状况。状况。 ppGppppGpp 影响影响RNARNA聚合酶与这些基因转录聚合酶与这些基因转录起始位点的结合，使基因被关闭。起始位点的结合，使基因被关闭。ppGppppGpp与与pppGpppppGpp的作用范围十分广泛，它们影响的作用范围十分广泛，它们影响一大批操纵子而被称为超级调控因子。一大批操纵子而被称为超级调控因子。5 52 2 乳糖操纵子负控诱导系统乳糖操纵子负控诱导系统1 1、操纵子模型的提出、操纵子模型的提出 19611961年，年，MonodMonod和和JacobJaco

16、b提出提出 获获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。操纵序列操纵序列 O启动序列启动序列 P 上游含上游含CAP（分解代谢物（分解代谢物 基因激活蛋白）基因激活蛋白）调控区调控区调节基因调节基因 I 编码一种阻遏蛋白编码一种阻遏蛋白结构基因结构基因Z -半乳糖苷酶半乳糖苷酶

17、Y 透酶透酶A 乙酰基转移酶乙酰基转移酶乙酰基转移酶乙酰基转移酶半乳糖苷半乳糖苷透性酶透性酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶操作位点操作位点3 乳糖操纵子乳糖操纵子结构结构调节基因调节基因一、乳糖操纵子的结构一、乳糖操纵子的结构 Z编码-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖 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。 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。 操纵子操纵子是一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调节是一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调节的单位，包括的单位，包括调节基因调节基因，操纵位点

18、操纵位点，结构基因结构基因，组成一个，组成一个控制单元控制单元结构基因：结构基因：产生产生mRNA,合成蛋白质合成蛋白质操纵位点操纵位点 promotor,operator：启动子结合位点：启动子结合位点调节基因：产生调节蛋白调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）（与操纵位点结合） 结构基因不转录结构基因不转录 诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合 结构基因转录结构基因转录Control elementStructural genes5.2.2 酶的诱导现象酶的诱导现象B-半乳糖苷酶半乳糖苷酶二、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分解底物

19、的酶只有在底物存在时才出现！分解底物的酶只有在底物存在时才出现！无乳糖时，几个无乳糖时，几个-gal/cell 加入乳糖时，加入乳糖时，5000个个 再去掉乳糖，再去掉乳糖，lac mRNA下降下降 乳糖能激发乳糖能激发lac mRNA的合成的合成 乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶合成？合成？ 培养基（培养基（35S-aa, 无乳糖）无乳糖） E.coli繁殖繁殖 培养基（无培养基（无35S -aa, 加入乳糖）加入乳糖） -gal(无无35S)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

20、IPTG（异丙基- D-硫代半乳糖苷）。gratuitous inducer 安慰诱导物安慰诱导物 义务诱导物义务诱导物可诱导半乳糖苷酶产生，但可诱导半乳糖苷酶产生，但不是其底物不是其底物IPTG，异丙基巯基半乳糖苷，异丙基巯基半乳糖苷TMG ，巯甲基半乳糖苷，巯甲基半乳糖苷ONPG, O-硝基半乳糖苷硝基半乳糖苷在研究诱导作用时，很少使用乳糖在研究诱导作用时，很少使用乳糖5.2.3 调控机理调控机理1 调控区结构调控区结构 lacI, 1045bp，独立，独立PiP, 82bp，821O, 35bp，728lacZYA体外结合竞争实验体外结合竞争实验: 阻遏物阻遏物RNA pol, off

21、RNA pol阻遏物，阻遏物， on2. 阻遏状态阻遏状态 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 3 诱导状态诱导状态诱导作用：在可诱导的操纵元中，诱导作用：在可诱导的操纵元中，加入对基因表达有调节作用的小分加入对基因表达有调节作用的小分子后，开启基因的转录活性子后，开启基因的转录活性 诱导：基因被打开 -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 4 4 诱导物不是诱导物不是乳糖乳糖生成生成lac诱导物诱导物乳糖代谢乳糖代谢Allolctose 异构乳糖异构

22、乳糖 别乳糖别乳糖细胞内细胞内-半乳糖苷酶来源半乳糖苷酶来源?5.2.4 阻遏蛋白的作用机制阻遏蛋白的作用机制1 阻遏蛋白结构阻遏蛋白结构38KD，4 聚体聚体，一个亚基结合一个一个亚基结合一个IPTG分子分子lacI 组成型转录组成型转录 Pi 弱启动子，弱启动子， 510个个cell具有二重性具有二重性 阻止转录（与阻止转录（与lacO结合）结合） 开始转录（与开始转录（与诱导物诱导物结合）结合） 阻遏蛋白单体的结构阻遏蛋白单体的结构 Helix-turn-helix Core domain1 Core domain2 1 51 80 360 DNA binding Hinge Induc

23、er binding Oligomerization 图 16- 阻遏蛋白单体的结构和功能 阻遏蛋白的阻遏蛋白的结构域结构域 头段头段，-NH2端，端，lacO结合结合区区 绞链区绞链区 核心段核心段，-COOH， 诱导物结合区诱导物结合区4个亚基的核心片段接触形成四聚体个亚基的核心片段接触形成四聚体 对称轴，对称轴，+11 对称序列，对称序列，6bp2. 阻遏蛋白的结合位点阻遏蛋白的结合位点lacO的结构的结构诱导物诱导物和阻遏和阻遏蛋白结蛋白结合的模合的模型型 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

24、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,1997, Fig .12.18) 阻遏能发生在多个位点上阻遏能发生在多个位点上aroH GCCG AATGTACTAGAGAACTAGTGC ATTAGCTTATTTTTTTGTTATCATGCTAAmRNAtrp AATC ATCGAACTAGTTAACTAGTAC GCAmRNAtrpR TG

25、CT 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,1997, Fig .12.19)199 F3 3 阻遏蛋白对阻遏蛋白对RNApolRNApol功能的影响功能的影响 阻遏蛋白和阻遏蛋白和RNA pol可同时与可同时与DNA结合结合 RNA pol 与启动子结合的平衡常数与启动子结合的平衡常数 1.9107 有阻有阻遏蛋白时遏蛋白时, 2.5109 结合着的结合着的RNA pol不能转录不能转录. 但加入诱导物后但加入诱导物后, 释放出阻遏释放出阻遏蛋白蛋白, 变为开放型

26、启动子复合物变为开放型启动子复合物. 阻遏蛋白实际上使阻遏蛋白实际上使RNA pol贮存在启动子上。贮存在启动子上。这一模式是否存在于其它操纵元系统中？这一模式是否存在于其它操纵元系统中？5.2.5 乳糖操纵子调控模型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

27、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。 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节没有乳糖存在时没有乳糖存在时AYZOPImRNA阻遏蛋白RNA pol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

28、，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。 有乳糖存在时有乳糖存在时AYZOPI阻遏蛋白mRNA 半乳糖苷酶乳糖半乳糖RNA pol2.2 操纵子突变操纵子的发现操纵子突变操纵子的发现（1） Oc 操纵基因的组成型突变操纵基因的组成型突变(顺式显性顺式显性)n 顺式显性突变顺式显性突变（cis-dominance）：操纵基因只控制临近基因，对其他等位基因无作用，或者显性效应只对处于同一染色体上它所调控的结构基因才起作用的现象。 （2）lacIS 阻遏蛋白不可诱导性突变，阻遏蛋白不可诱导

29、性突变，阻遏蛋白失去诱导物结合位点；（3）lacI- 阻遏蛋白不能形成寡聚物阻遏蛋白不能形成寡聚物（4）lacI-d 阻遏蛋白不能和阻遏蛋白不能和DNA结合结合，且呈负互补(反式显性)n 等位基因间的互补等位基因间的互补（interallelic complementation）。n 负的互补负的互补（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。也称为反式显性反式显性（trans-dominant）。 Active repressor cannot bind to O c mutant operantor Operon

30、is transcribed and translated lacI O c operantor -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 阻遏蛋白不能与突变的操纵基因结合，结构基因组成型表达（1）操纵基因突变（O+Oc），结构基因组成型表达组成型突变： lacOc （2）操纵子不可诱导型突变 Repressor has lost lacI S genesythesizes Iducer-binding site defective repressor that cannot bind inducer; it binds permanently

31、to operator lacI S Operantor lacI + wild-type repressor does not influence DNA-binding of LacS repressor 图图 16- Uninducible lac S mutations are dominant 阻遏蛋白失去结合诱导物位点的突变lacIs, 结构基因组成型表达（3）阻抑蛋白基因的I-突变 Inactive repressor lacIgene sythesizes defective repressor that does not bind to DNA Operon is trans

32、cribed and translated lacI Operantor -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 阻遏蛋白失活或者缺乏，不能和操纵基因结合，结构基因组成型表达组成型突变： lacI- Inactive repressor lacIgenesythesizes defective repressor that does not bind to DNA LacI + gene sythesizes lacI Operator wild-type repressor which bind to operator lacI + Induce

33、r displaces wild-type repressor from operator as usual 图图 16- Constitutive mutations in the lacI gene are recessive. 二倍体中，二倍体中，lac 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-

34、type repressor does not influence DNA-binding of LacS repressor 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

35、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

36、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3、阻遏物lacI基

37、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，

38、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mRNA无乳糖时无乳糖时有乳糖时有乳糖时 无葡萄糖无葡萄糖 cAMP浓度高浓度高 有葡萄糖有葡萄糖cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOOlaclac操纵子基因表达既需要乳糖又需缺乏葡萄糖操纵子基因表达既需要乳糖又需缺乏葡萄糖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） 葡萄糖对葡萄糖对lac操纵元表达的抑制是间接操纵元表达

39、的抑制是间接的的 葡萄糖的降解是通过葡萄糖的降解是通过cAMP与与 CAP结结合起作用的合起作用的 cAMP:环化腺苷酸环化腺苷酸CAP, catabolite activator protein 由由crp编码编码CRP, catabolite receptor proteinZYAOPDNA 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CAP的结合对的结合对DNA构型的影响构型的影响 DNA弯曲弯曲 弯曲点位于弯曲点位于CAP结合位点二重对称的中心结合位点二重

40、对称的中心 弯曲使弯曲使CAP能与启动子上的能与启动子上的RNA pol 接触接触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 CAPCAP的正性调节的正性调节AYZOPI无葡萄糖，cAMP浓度高时CAPcAMPRNA

41、pol 有葡萄糖，cAMP浓度低时AYZOPIRNA polCAP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

42、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。 协调调节协调调节OOOORNA pol无葡萄糖cAMP浓度高有葡萄糖cAMP浓度低有乳糖无乳糖RNA polRNA polRNA polThe Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo way

43、Jose!CAPCAPThe Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!The Lac Operon:When N

44、either 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、LacLac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题1

45、、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 operonSummarySummary of lac operon regulationGlucose（葡萄糖）（葡

46、萄糖）cAMPLactose （乳糖）（乳糖）Transcription of lac mRNAHighLowPresentlow rate of expressionHighLowAbsentessentially noneLowHighAbsent（停止）（停止）essentially noneLowHighPresenthigh rate of expression （一）乳糖操纵子的结构（一）乳糖操纵子的结构AYZOPI结构基因透酶 半乳糖苷酶调控区操纵序列启动序列CAP结合位点调节基因乙酰转移酶R （二）阻遏蛋白的负性调节（二）阻遏蛋白的负性调节没有乳糖存在时没有乳糖存在时AYZOP

47、ImRNA阻遏蛋白RNA pol 有乳糖存在时有乳糖存在时AYZOPI阻遏蛋白mRNA 半乳糖苷酶乳糖半乳糖RNA pol （三）（三）CAPCAP的正性调节的正性调节AYZOPI无葡萄糖，cAMP浓度高时CAPcAMPRNA pol 有葡萄糖，cAMP浓度低时AYZOPIRNA polCAP （四）协调调节（四）协调调节OOOORNA pol无葡萄糖cAMP浓度高有葡萄糖cAMP浓度低有乳糖无乳糖RNA polRNA polRNA pollac 操纵子小结操纵子小结通常情况（葡萄糖供应正常）阻遏蛋白与操纵序列结合，通常情况（葡萄糖供应正常）阻遏蛋白与操纵序列结合，基因不转录。基因不转录。细胞

48、外的乳糖通过透性酶吸收到细胞内；细胞内的细胞外的乳糖通过透性酶吸收到细胞内；细胞内的-半乳半乳糖苷酶将乳糖转变为异乳糖。异乳糖结合到乳糖阻抑物上糖苷酶将乳糖转变为异乳糖。异乳糖结合到乳糖阻抑物上使之从操纵序列上脱离，聚合酶迅速开始使之从操纵序列上脱离，聚合酶迅速开始lacZYAlacZYA基因的转基因的转录。这就是负控诱导。录。这就是负控诱导。然而，还需要细菌生长系统中缺少葡萄糖，使然而，还需要细菌生长系统中缺少葡萄糖，使cAMPcAMP含量增含量增加，才有足够量的加，才有足够量的cAMPcAMP与与CRPCRP结合形成结合形成CRP-cAMPCRP-cAMP复合物结合复合物结合于于P Pla

49、c上游。使上游。使DNADNA双螺旋发生弯曲，转录才可以有效地进双螺旋发生弯曲，转录才可以有效地进行。行。5.3 色氨酸操纵子（trp operon）内容提要：内容提要： 色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子的色氨酸操纵子的阻遏系统 色氨酸操纵子的弱化机制Trp operon 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。细胞需要某种氨基也受操纵元的调节。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。一、色氨酸操纵子的结构一、色氨酸操纵子的结构 调控基因调控基因 结构基因结构基因

50、催化分枝酸转变为色氨酸催化分枝酸转变为色氨酸 的酶的酶trpRtrp trpRtrpR, , 阻遏蛋白阻遏蛋白 P P ： -40-40+ +18 18 O O ： -21 -21 + +1 1 L L ： +1 +1 + +162162 结构基因结构基因t t ： A A下游下游36bp, 36bp, 不依赖不依赖p p t t：t t下游下游250bp250bp，依赖，依赖p p 基因组成基因组成 特点: (1) trpR和trpABCDE不连锁； (2) 操纵基因在启动子内 (3) 有衰减子(attenuator)/弱化子 (4) 启动子和结构基因不直接相连，二者被 前导序列(Leade

51、r)所隔开 trpR trpP trpO trpE trpD trpC 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，1990, Fig .13.16) 二、trp 操纵子的阻遏系统1 Trp R 四聚体四聚体阻遏蛋白trp 有活性的阻遏物 SNE299trp O 不转录不转录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 的结合与的结合与RNA po

52、l与启动子的结合发生竞争与启动子的结合发生竞争SNE2993 阻遏系统主管转录是否启动，主管转录是否启动，在缺乏在缺乏Trp时，时， mRNA起始合成，但不起始合成，但不能自动延伸，一般在能自动延伸，一般在trpE之前终止转录之前终止转录 粗调开关粗调开关Trp 有有Trp 无无TrpmRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNARNA聚合酶聚合酶 RNARNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸操纵子三、trp 操纵子的弱化机制衰减子（attenuator）/弱化子前导序列（leader sequence）1、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）

53、。123150 研究引起终止的研究引起终止的mRNAmRNA碱基序列碱基序列，发现该区发现该区mRNAmRNA通过通过自我配对可以形成自我配对可以形成茎茎- -环环结构，有典型的结构，有典型的终止子终止子特点。特点。2、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。S312POE4321LDNARNAATGTGA2 trp codons1432前导肽14aa 邻氨基苯 吲哚甘油 色氨酸合成酶 甲酸合成酶 硼酸合成酶 TrpE terpD trpC trpB trpA t t 启动子 操纵基因 前导顺序 衰减子 pppN26AUGAAAGCAAUUUUC

54、GUACUGAAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43A UUUUUUUU 富含 G-C 的发 G C Leader peptide 夹结构 / 富含 C G U 的单链末端 C G Aaaaaa C G Met Lys Aly Ile Phe Val Leu Lys Gly Trp Trp Arg Thr Ser A G C C G A C G U U A A 图 16-28 trp 操纵子含有 5 个结构基因和 1 个控制区。控制区由启动子、操纵基因、前导顺序和衰减子构成。前导区编码 14 个氨基酸，其中有 2 个是色氨酸。(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .

55、12.38) 3、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 转录衰减转录衰减（attenuation）：）： 是指转录可正常起动，但在转录进入是指转录可正常起动，但在转录进入第一个结构基因前第一个结构基因前即突然停止的过程。即突然停止的过程。由于这一终止作用并由于这一终止作用并不不能使正在进行的能使正在进行的结构基因转录中途停止，而仅是结构基因转录中途停止，而仅是部分部分中中途停止转录，所以称为途停止转录，所以称为转录衰减转录衰减。 衰减子衰减子（attenuator）：）： 操纵子操纵子前导区前导区内类似于终止子结构内类似于终止子结构 的一段的一段DNA序列序列，称为衰减子。其

56、作用，称为衰减子。其作用 是是减弱减弱操纵子的转录。操纵子的转录。 ABCDEOPR调节区结构基因TrpTrp的RNA衰减的RNA色氨酸操纵子trp L衰减子.转录衰减转录衰减UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1. 1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNARNA聚合酶聚合酶 终止终止UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA

57、 RNARNA聚合酶聚合酶 2. 2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能形成衰减子结构不能形成衰减子结构 Low TrpHigh Trp弱化子对转录调控的关键 空间结构，空间结构，10th and 11th codons encode trp residues (rare AA) 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，产生延宕，密码子上时，产生延宕， 此此时时4区未转录出来区未转录出来The leader peptide is to determiner trp availabilit

58、y and to regulate transcription terminationsummary5.3.4 阻遏作用与弱化作用的协调 阻遏效率阻遏效率 启动子的转录起始频率在启动子的转录起始频率在R+和和R-相差相差70倍倍 弱化作用弱化作用 trp存在时，约有存在时，约有10的的RNA pol侥幸转录侥幸转录 - trp 活性阻遏物活性阻遏物 无活性阻遏物无活性阻遏物 +trpNegativerepressible 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R P O leading seq. E D C B Atrp

59、+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。 经济经济仅有少量仅有少量 trp时，时，RNApol启动，启动，但在但在L.S.处脱落，转录中断处脱落，转录中断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，不能很快引发慢，不能很快引发trp 合成。因此需要一个能快速

60、作出反应合成。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的系统，以保持培养基中适当的Trp水平。水平。5.3.5 细菌演化出弱化系统的生物学意义 通过通过tRNA荷载与否进行调控，更为灵敏荷载与否进行调控，更为灵敏 氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而tRNA 荷载为标准进行调荷载为标准进行调控更为恰当控更为恰当 两个调控系统，避免浪费提高效率两个调控系统，避免浪费提高效率 阻遏系统阻遏系统 高水平高水平trp时，不转录时，不转录 低水平低水平trp时，转录至时，转录至LS 弱化系统弱化系统 细调细调 原核生物细致的精细调控机制原核生物细致的精细调控