分子生物学原核生物基因表达调控ppt课件

1、ppt课件.1基因的表达与调控基因的表达与调控 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ppt课件.2ppt课件.3Contents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ppt课件.4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 。ppt课件.5 组成性表达(constitutive expr

2、ession) 适应性表达(adaptive expression）二、基因表达的方式二、基因表达的方式ppt课件.6 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)。ppt课件.7 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。 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(inducti

3、on)，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 gene)； 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的可阻遏的基因基因(repressible gene)。 ppt课件.8三、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

4、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)。 ppt课件.9ppt课件.102、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

5、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，称之为基因表达的称之为基因表达的空间特异性空间特异性。ppt课件.11四、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 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核） 维持个体发育与分化（真核）ppt课件.12Contents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ppt课件.13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

6、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 ppt课件.14原核生物基因组结构特点原核生物基因组结构特点 基因组中很少有重复序列；基因组中很少有重复序列； 编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单拷贝基因，但编码单拷贝基因，但编码rRNArRNA的基因仍然是多拷的基因仍然是多拷贝基因；贝基因； 结构基因在基因组中所占的比例（约占结构基因在基因组中所占的比例（约占50%50%）远远大于真核基因组；远远大于真核基因组； 许多结构基因在基因组中以操纵子为

7、单位排许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列列原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子分子 ppt课件.15一、原核基因表达调控环节一、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

8、上的调控翻译水平上的调控ppt课件.16二、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19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖ppt课件.17Jacob and Monodppt课件.18 大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当生长繁殖，当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间所以适应，

9、就能利用乳糖，细葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间所以适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。菌继续呈指数式繁殖增长。 ppt课件.192、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。ppt课件.20 蛋白质因子蛋白质因子特异特异DNA序列序列结构基因结构基因 启动子启动子 操纵序列操纵序列阻遏蛋白基因阻遏蛋白基因 (promoter)(operator)ppt课件

10、.21 启动子是启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。聚合酶识别和结合的部位。RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列ppt课件.22操纵序列是阻遏蛋白的结合位点操纵序列是阻遏蛋白的结合位点当操纵序列结合有当操纵序列结合有阻遏蛋白阻遏蛋白时，会阻碍时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是聚合酶与启动序列的结合，或是RN

11、A聚聚合酶不能沿合酶不能沿DNA向前移动向前移动 ，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白ppt课件.23一、转录调控是以特定的一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋序列和蛋白质结构为基础白质结构为基础（一）特定的（一）特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础序列是转录起始调控的结构基础 在基因内和基因外都有一些特定的在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列，与结序列，与结构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合，这些特定的和结合，这些特定的DNA序列称为序列称为顺式作用元件（顺式

12、作用元件（cis-acting elements），亦称为顺式调控元件。在原核生物中，亦称为顺式调控元件。在原核生物中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合位主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合位点、增强子等。点、增强子等。ppt课件.24（二）调控蛋白具有结合（二）调控蛋白具有结合DNA所需的结构特征所需的结构特征 基因特异性转录因子基因特异性转录因子（gene specific transcription factors）:能够与顺式作用元件特异性结合、对基因能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质 激活

13、蛋白或正调控蛋白激活蛋白或正调控蛋白:对基因表达有激活作用的对基因表达有激活作用的 蛋白质蛋白质 阻遏蛋白阻遏蛋白:对基因表达有抑制作用的蛋白质对基因表达有抑制作用的蛋白质 ppt课件.25最常见的最常见的DNA结合域：结合域： 1. 锌指锌指(zinc finger)C CysH His常结合常结合GC盒盒ppt课件.26123stand for zinc ionppt课件.27 2.螺旋螺旋-回折回折-螺旋（螺旋（helix-turn-helix, HTH）usually binds to CAAT boxppt课件.28ppt课件.291 1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）、

14、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ppt课件.30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。ppt课件.31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

15、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。ppt课件.32 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：ppt课件.33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

16、分解它，这种物质就是诱导物。ppt课件.34 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ppt课件.35酶合成的阻遏操纵子模型酶合成的阻遏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辅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

17、，这种物质就是辅阻遏物。ppt课件.363、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控阻遏： 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； 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。ppt课件.37ppt

18、课件.384 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 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）的存在使激活蛋白处于活性状态；使激活蛋白处于活性状态； 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。ppt课件.39ppt课件.40四、转录水平上调控的其他形式四、转录水平上调控的其他形式1、

19、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。ppt课件.41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ppt课件.42 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 枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的因子

20、的替换,RNA聚合酶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ppt课件.432、降解物对基因活性的调节3、弱化子对基因活性的影响ppt课件.44Contents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ppt课件.45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

21、子影响因子LacLac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题ppt课件.46一、乳糖操纵子的结构一、乳糖操纵子的结构ppt课件.47 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。ppt课件.48二、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ppt课件.49 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）。ppt课

22、件.50 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ppt课件.51乳糖ppt课件.52三、乳糖操纵子调控模型三、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 ppt课件.53ppt课件.54 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。ppt课件.55p

23、pt课件.56 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。ppt课件.57RNA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ppt课件.58 操纵位点的回文序列ppt课件.59 当阻遏物与操纵基因结合时，当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNAlac mRNA的转的转录起始受到抑制。录起始受到抑制。ppt课件.60 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 ppt课件.61诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维

24、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。ppt课件.62 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 ppt课件.63组成型突变： lacOc ppt课件.64组成型突变： lacI- ppt课件.65 Repressor has lost lacI S genesythesi

25、zes 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 图图 16- Uninducible lac S mutations are dominant 不可诱导突变（超阻遏）：ppt课件.66四、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

26、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？ppt课件.67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。ppt课件.682、大肠杆菌对乳糖的反应 培养

27、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）多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）异构乳糖异构乳糖ppt课件.69 H OH HO H OH H H CH2OH H O OH HO O H O CH2 CH2OH H

28、 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ppt课件.70诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响ppt课件.713、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

29、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。ppt课件.724、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ppt

30、课件.735 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） ppt课件.74ZYAOPDNA 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ppt课件.75ppt课件.76ATPATP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ppt课件.77+ +

31、+ + + + + + 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ppt课件.78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

32、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，细菌首先乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。利用葡萄糖。ppt课件.79ppt课件.80The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im c

33、onstitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CAPCAPppt课件.81The Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePol

34、ymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!ppt课件.82The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races .

35、. .Come on, let me through!ppt课件.83五、五、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ppt课件.842、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。ppt课件.853、操纵子的融合与基因工程P OZYAtsxPOpu

36、r结构基因缺失lac operonpur operonppt课件.86Contents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ppt课件.87第四节 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ppt课件.88色氨酸操纵子的两种调控方式色氨酸操纵子的两种调控方式l 粗调：粗调：可阻遏的负调控可阻遏的负调控，即由辅阻遏物（色氨，即由辅阻遏物（色氨酸）和

37、阻遏蛋白酸）和阻遏蛋白R构成的活性阻遏复合物结合构成的活性阻遏复合物结合到操纵基因上，由于操纵基因和启动子的重叠，到操纵基因上，由于操纵基因和启动子的重叠，造成造成RNA聚合酶受阻，操纵子不能转录，控制聚合酶受阻，操纵子不能转录，控制转录的起始。转录的起始。l 细调：细调：衰减系统衰减系统，通过核糖体对，通过核糖体对mRNA前导序前导序列的结合，是否形成终止子结构对转录终止进列的结合，是否形成终止子结构对转录终止进行调控，控制转录是否进行下去。行调控，控制转录是否进行下去。ppt课件.89一、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 催化分枝酸转变为色氨酸催

38、化分枝酸转变为色氨酸 的酶的酶trpRtrpppt课件.90 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； 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ppt课件.91 特点: (1) trp

39、R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(Leader)所隔开 ppt课件.92 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ppt课件.93三、trp 操纵子的弱化机制衰减子（attenuator）/弱化子前

40、导序列（leader sequence）ppt课件.941、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）。123150ppt课件.95 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。ppt课件.962、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。ppt课件.97 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

41、t t 启动子 操纵基因 前导顺序 衰减子 pppN26AUGAAAGCAAUUUUCGUACUGAAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43A 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

42、基酸，其中有 2 个是色氨酸。(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.38) ppt课件.983、弱化机制、弱化机制ppt课件.99ppt课件.100前导肽前导肽转录终止结构转录终止结构ppt课件.101 细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏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作用只能使转录不起始转录不起始，对于已经起始的转录，只，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是是细胞内色氨酸的多少细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是；弱化作用的信号则是细胞细胞内载有色氨酸的内载有

43、色氨酸的tRNA的多少的多少。它通过前导肽的翻。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，体现着生物体内周密的调控作用。辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。ppt课件.102 3.2.1 Trp操纵子与负控阻遏系统（一）操纵子与负控阻遏系统（一）（1）培养基中）培养基中Trp 浓度较低浓度较低（2 2）调控蛋白）调控蛋白R不能被活化不能被活化（3）未活化的）未活化的调控蛋白调控蛋白R不能与操纵元件结合不能与操纵元件结合（4）基因）基因E、D、C、B、A高表达高表达ppt课件.103Trp操纵子与操纵子与负控阻遏系统负控阻遏

44、系统Trp High Trpppt课件.1043.2.2 Trp操纵子与负控阻遏系统（二）操纵子与负控阻遏系统（二）（1）培养基中）培养基中Trp 浓度较高浓度较高（2 2）调控蛋白）调控蛋白R与与Trp结合结合（3）Trp-R复合物与操纵子结合复合物与操纵子结合（4）基因）基因E、D、C、B、A低表达低表达ppt课件.1053.3色氨酸操纵子总结色氨酸操纵子总结1、通常是开放转录的，有效应物（色氨酸）作用、通常是开放转录的，有效应物（色氨酸）作用时则阻遏关闭转录。时则阻遏关闭转录。2、负控阻遏型操纵子。、负控阻遏型操纵子。3、色氨酸可以作为共阻遏物起作用，并通过终产、色氨酸可以作为共阻遏物起

45、作用，并通过终产物抑制自身的合成（负反馈调节）。物抑制自身的合成（负反馈调节）。4、细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类、细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。省的状态。ppt课件.106 实验观察表明：实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能够活化够活化R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。与色氨酸浓度呈负相关。 这种调

46、控现象与色氨酸操纵子特殊的结构这种调控现象与色氨酸操纵子特殊的结构-衰衰减子减子有关。有关。ppt课件.107l细菌其他氨基酸合成系统的许多操纵子细菌其他氨基酸合成系统的许多操纵子（如组氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨（如组氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等操纵子）中也有类似的酸、苯丙氨酸等操纵子）中也有类似的衰减子存在。衰减子存在。l阻遏蛋白的负调控作用只能使转录不起阻遏蛋白的负调控作用只能使转录不起始，对于已经开始了的转录，则只能通始，对于已经开始了的转录，则只能通过衰减作用使基因的表达停顿下来。过衰减作用使基因的表达停顿下来。 衰减作用在原核生物中普遍存在衰减作用在原核生物中普遍存在

47、 ppt课件.108 衰减机制在控制基因产物的量和产物种类的配衰减机制在控制基因产物的量和产物种类的配比上起着快速灵敏的调节作用，使操纵基因表达更比上起着快速灵敏的调节作用，使操纵基因表达更为精密、高效。为精密、高效。 衰减作用的生物学意义衰减作用的生物学意义ppt课件.1093.4 转录终止的调控转录终止的调控衰减子（衰减子（Attenuator） 位于转录起始部位的终止子，即可导致转录过早终位于转录起始部位的终止子，即可导致转录过早终止的一段核苷酸序列。止的一段核苷酸序列。G-C区区poly (U)E D C B APromoter Operator Leader Attenuator R

48、NA* * * * * * * * * Trp Trp * * *ppt课件.110（一）衰减子（一）衰减子（attenuator）1、位置：在、位置：在trpE起始密码子上游，前导序列的末端。起始密码子上游，前导序列的末端。2、特点：、特点：（1）是一个不依赖）是一个不依赖因子的终止子区域因子的终止子区域（2）在富含）在富含GC的回文结构之后是的回文结构之后是8个连续的个连续的U残基残基（3）在）在RNA转录物中可能形成发夹结构转录物中可能形成发夹结构3、作用：衰减作用（阻碍结构基因转录）、作用：衰减作用（阻碍结构基因转录）ppt课件.1111、在、在trp mRNA5端端trpE基因的起始

49、密码前一个长基因的起始密码前一个长162bp的的mRNA片段，序列分析发现，其中片段，序列分析发现，其中4个片段进行配对，形成不同的二个片段进行配对，形成不同的二级结构。级结构。 3与与4-衰减子（终止子）衰减子（终止子）发夹结构发夹结构（二）前导序列（二）前导序列（leading sequence） G-C区区poly (U)4ABppt课件.112（二）前导序列（二）前导序列（leading sequence） ppt课件.1132、前导、前导RNA序列编码序列编码14个氨基酸的前导肽，第个氨基酸的前导肽，第10和第和第11个密码子编码连续的色氨酸残基个密码子编码连续的色氨酸残基* * *

50、 * * * * * * Trp Trp * * *RNAppt课件.114S312POE4321LDNARNAAUGUGA2 trp codons1432前导肽14aappt课件.115（三）（三）Attenuation (衰减作用）衰减作用） 使正在进行的操纵子转录在到达结构基因以前使正在进行的操纵子转录在到达结构基因以前就中途停止的基因调控作用。就中途停止的基因调控作用。 现象：现象： 培养基中培养基中Trp含量较低时含量较低时- 转录不在衰减子上终止，结构基因表达。转录不在衰减子上终止，结构基因表达。 Trp含量较高时含量较高时- 转录在衰减子上终止，结构基因不表达。转录在衰减子上终止

51、，结构基因不表达。 衰减子怎样对色氨酸含量做出应答反应呢？衰减子怎样对色氨酸含量做出应答反应呢？ppt课件.116（四）衰减作用机制（四）衰减作用机制转录到达衰减子时，终止子转录到达衰减子时，终止子（衰减子）（衰减子）发夹结构能发夹结构能否形成（转录终止否形成（转录终止 / 通读）是衰减作用的关键。通读）是衰减作用的关键。4AB前导序列前导序列mRNA能形成两种能形成两种形式的发夹结构形式的发夹结构A 、终止子发夹结构可终止子发夹结构可 形成（形成（3与与4）B、终止子发夹结构不、终止子发夹结构不 能形成能形成ppt课件.117 前导肽合成时核糖体在转录物上所在位置控制前导肽合成时核糖体在转录

52、物上所在位置控制着两种发夹结构形式的转换着两种发夹结构形式的转换Trp TrpTrpTrp2334Trp含量较高时含量较高时Trp含量较低时含量较低时ppt课件.118（五）色氨酸操纵子衰减作用机制（五）色氨酸操纵子衰减作用机制ppt课件.119色氨酸浓度高时色氨酸浓度高时1 1、tRNAtrp-色氨酸供给充足，核糖体迅速通过色色氨酸供给充足，核糖体迅速通过色氨酸密码子到达氨酸密码子到达2 2区区2、3区和区和4区形成发夹结构（终止信号）区形成发夹结构（终止信号）3、衰减作用发生，转录终止，、衰减作用发生，转录终止，RNA聚合酶释放，聚合酶释放，不能完成结构基因的转录不能完成结构基因的转录pp

53、t课件.120ppt课件.121色氨酸浓度低时色氨酸浓度低时1 1、tRNAtrp-色氨酸供给不足，核糖体遇到色氨酸密色氨酸供给不足，核糖体遇到色氨酸密码子时就停顿码子时就停顿2、在、在4区转录未完成时，区转录未完成时，2区和区和3区就形成发夹结构区就形成发夹结构3、3区和区和4区不能形成发夹结构（终止信号），导区不能形成发夹结构（终止信号），导致转录通读；致转录通读；RNA聚合酶继续沿聚合酶继续沿DNA移动，完移动，完成结构基因的转录成结构基因的转录ppt课件.122Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶

54、RNA RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸操纵子ppt课件.123UUUU342423UUUU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 RNA RNA聚合酶聚合酶 1. 1.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不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 ppt课件.124UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码子为密

55、码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区: 包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUUppt课件.125UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA2. 2.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 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止ppt课件.126（六）衰

56、减作用和负控阻遏的关系（六）衰减作用和负控阻遏的关系1、负控阻遏系统和衰减作用同样对色氨酸水平应答、负控阻遏系统和衰减作用同样对色氨酸水平应答2、衰减作用使色氨酸操纵子结构基因的转录被抑制了、衰减作用使色氨酸操纵子结构基因的转录被抑制了10倍（细调）；倍（细调）；3、色氨酸阻遏蛋白的阻遏作用使转录被抑制了、色氨酸阻遏蛋白的阻遏作用使转录被抑制了70倍（粗倍（粗调）；调）；4、色氨酸水平对色氨酸操纵子结构基因的表达施加了、色氨酸水平对色氨酸操纵子结构基因的表达施加了700倍的调节效果。倍的调节效果。原核生物细致的精细调控机制原核生物细致的精细调控机制增强原核生物对环境的适应性增强原核生物对环境的

57、适应性ppt课件.127（七）衰减作用的重要性（衰减子的生物学意义）（七）衰减作用的重要性（衰减子的生物学意义）1. 活性阻遏蛋白和非活性阻遏蛋白的转变可能较慢，活性阻遏蛋白和非活性阻遏蛋白的转变可能较慢，而而tRNA负载与否可能更为灵敏；负载与否可能更为灵敏；2. aa主要用途是合成蛋白质，因而以主要用途是合成蛋白质，因而以tRNA负载情况负载情况为标准来进行控制可能更为恰当；为标准来进行控制可能更为恰当；3. 大多数这样的操纵子又同时需要阻遏蛋白。大多数这样的操纵子又同时需要阻遏蛋白。ppt课件.128 再论弱化子（再论弱化子（attenuator)attenuator)与弱化作用与弱化作

58、用(attenuation)(attenuation) 弱化子是指弱化子是指TrpTrp等操纵子前导序列的末端部分，具有等操纵子前导序列的末端部分，具有减弱转录的功能。当减弱转录的功能。当TrpTrp过剩时过剩时, , 前导肽的翻译合成到达前导肽的翻译合成到达前导前导mRNAmRNA的终止密码子处的终止密码子处, ,这时这时, ,弱化子形成终止子发夹以弱化子形成终止子发夹以阻遏下游相应氨基酸操纵子的转录，即阻遏下游相应氨基酸操纵子的转录，即, ,使正在进行的操使正在进行的操纵子转录在到达结构基因以前就中途停止纵子转录在到达结构基因以前就中途停止弱化作用弱化作用。 ppt课件.129 什么是操纵

59、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ppt课件.130Contents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ppt课件.131第五节 其他操纵子一、半乳糖操纵子(galactose operon)(galactose operon)异构酶异构酶(galE)乳糖乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)半乳糖激酶半乳糖激酶(galk)。ppt课

60、件.132gal操纵子的特点：操纵子的特点： 它有两个启动子，其它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开可从两个不同的起始点开始转录；始转录； 它有两个它有两个O区，一个在区，一个在P区上游，另一个在结构基因区上游，另一个在结构基因galE内部。内部。ppt课件.133二、阿拉伯糖操纵子（二、阿拉伯糖操纵子（arabinose operon)arabinose operon) araB基因、araA基因和araD, 形成一个基因簇，简写为araBAD 三个基因的表达受到ara操纵子中araC基因产物AraC蛋白的调控。ppt课件.134ara操纵子的调控有两个特点： 第一，araC表达