分子第五章原核基因表达调控

1、Prepared and presented byDengyue YuanMolecular Biology第五章第五章 原核基因表达调控原核基因表达调控第一节第一节 原核基因表达调控原核基因表达调控总论总论Molecular Biology生物的基因表达受着严密和精确的调控，生物的基因表达受着严密和精确的调控，基因表达基因表达调控是生命调控是生命本质所在，是生物本质所在，是生物适应环境适应环境生存的必然结果。生存的必然结果。AbstractQuestion：什么是基因表达？：什么是基因表达？Brainstorming and Discussion基因表达基因表达(gene expressio

2、n)：从：从DNA到蛋白质的过程，即基因到蛋白质的过程，即基因转转录及翻译的过程。录及翻译的过程。rRNA、tRNA的编码基因转录合成的编码基因转录合成RNA的过程也的过程也属于属于基因表达基因表达。基因表达调控基因表达调控(gene regulation)：对对基因表达过程的调节称为基基因表达过程的调节称为基因表达因表达调控。调控。基因表达的调控可在多个基因表达的调控可在多个层次层次上进行，包括上进行，包括基因水基因水平平、转录水平转录水平、转录后水平转录后水平、翻译翻译水平水平和和翻译后水平的调控翻译后水平的调控。Abstract基因表达调控主要表现在以下两个方面：基因表达调控主要表现在以

3、下两个方面：1、转录水平上的调控、转录水平上的调控(transcriptional regulation)。2、转录、转录后后水平上的调控水平上的调控(post-transcriptional regulation)：mRNA加工成熟水平上的调控、翻译水平上的调控加工成熟水平上的调控、翻译水平上的调控 。Abstract1、组成、组成蛋白和调节蛋白和调节蛋白蛋白组成组成蛋白蛋白：细胞内有许多种蛋白质的：细胞内有许多种蛋白质的数量几乎不受外界数量几乎不受外界环境环境的影响，这些蛋白质称为组成蛋白。的影响，这些蛋白质称为组成蛋白。调节蛋白调节蛋白：是：是一类特殊的蛋白质，它们可以影响一一类特殊的蛋

4、白质，它们可以影响一种或种或多种多种基因的表达基因的表达。调节蛋白包括：。调节蛋白包括：正正调节蛋白调节蛋白和和负调节负调节蛋白蛋白。前者前者是激活是激活蛋白，蛋白，后者是阻遏蛋白后者是阻遏蛋白。一一、基本概念、基本概念激活激活蛋白蛋白(activator)：与操纵基因或位于启动子上游的控制因子与操纵基因或位于启动子上游的控制因子结合后能增强或启动结构基因转录的调控蛋白结合后能增强或启动结构基因转录的调控蛋白。阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)：是：是负调控系统中由调节基因编码负调控系统中由调节基因编码的调节的调节蛋蛋白，它本身与白，它本身与辅阻遏物一起辅阻遏物一起与与操纵基因操纵基因结合

5、，阻遏操纵子结构基因结合，阻遏操纵子结构基因的转录。阻遏蛋白可以的转录。阻遏蛋白可以被诱导被诱导失活，从而失活，从而导致不可导致不可阻遏或去阻遏。阻遏或去阻遏。激活蛋白和阻遏蛋白激活蛋白和阻遏蛋白激活蛋白阻遏蛋白2、结构基因和、结构基因和调节基因调节基因结构基因结构基因(structural gene)：编码蛋白质或编码蛋白质或RNA的的基因。结构基因。结构基因编码基因编码大量结构大量结构和功能各异的和功能各异的蛋白质蛋白质，包括结构蛋白、具有，包括结构蛋白、具有催化活性的酶和催化活性的酶和调控蛋白。调控蛋白。调节基因调节基因(regulator gene) ：通过编码蛋白质通过编码蛋白质或或

6、RNA来调节其来调节其他基因表达的基因他基因表达的基因。一一、基本概念、基本概念3、顺式作用元件和、顺式作用元件和反式作用因子反式作用因子顺式顺式作用作用(cis-acting)：不转变：不转变为任何其他为任何其他形式形式(RNA或或蛋白质蛋白质)而只而只以以DNA形式在原来位置起作用，仅影响与其紧密相连的形式在原来位置起作用，仅影响与其紧密相连的DNA序列。序列。顺式作用元件顺式作用元件(cis-acting element): 对基因表达有调节活性的对基因表达有调节活性的DNA序列序列，其活性只影响与其自身同处在一个，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基分子上的基因。因。通常不编

7、码通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。一一、基本概念、基本概念3、顺式作用元件和、顺式作用元件和反式作用因子反式作用因子反反式式作用作用(trans-acting)：编码产物从合成地点扩散到其他场所编码产物从合成地点扩散到其他场所起作用起作用的的过程。过程。反式作用因子反式作用因子(trans-acting factor)：能直接或间接地识别或能直接或间接地识别或结结合在合在各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的的蛋白质蛋白质。它是调节基因编码的产物。它是调节基因编码的产物。一一、基本概念、

8、基本概念4、正调控和负、正调控和负调控调控正正调控调控(positive regulation)：启动或增强基因表达启动或增强基因表达活性活性的调控。的调控。负调控负调控(negative regulation)：关闭或降低基因表达关闭或降低基因表达活性活性的调控的调控。正调控与负调控的共同点正调控与负调控的共同点：调控调控蛋白作为反式作用因子，能识蛋白作为反式作用因子，能识别那些别那些通常位于通常位于基因上游的顺式作用元件基因上游的顺式作用元件。一一、基本概念、基本概念正调控和负调控激活蛋白阻遏蛋白操纵子启动子正调控负调控操纵子启动子5、操纵基因操纵基因和操纵子和操纵子操纵基因操纵基因(op

9、erator)：也：也叫操作子，是操纵子中的控制叫操作子，是操纵子中的控制基因基因，在，在操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态，使，使RNA聚合酶聚合酶通过并作用于启动子启动转录通过并作用于启动子启动转录。操纵子操纵子(operon)：由由操纵基因操纵基因以及相邻的若干以及相邻的若干结构基因结构基因所所组成组成的功能单位，其中结构基因转录受操纵基因的功能单位，其中结构基因转录受操纵基因控制。控制。一一、基本概念、基本概念操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控的调控的学说，学说，最早最早于于1961年由

10、年由法国巴斯德研究院的法国巴斯德研究院的Jacob和和Monod提出提出的的。Jacob和和Monod于于1965年获得诺贝尔生理和医学奖。年获得诺贝尔生理和医学奖。操纵子学说操纵子学说JacobMonod操纵子操纵子学说学说内容内容：操纵子是原核生物在分子水平上基因表达调控：操纵子是原核生物在分子水平上基因表达调控的的单位单位，由，由调节基因、启动子、操纵基因和结构基因调节基因、启动子、操纵基因和结构基因等等组成。通过组成。通过调节基因编码的调节蛋白或诱导物、辅阻遏物调节基因编码的调节蛋白或诱导物、辅阻遏物协同作用协同作用，开启或关，开启或关闭操纵基因，对操纵子结构基因的闭操纵基因，对操纵子

11、结构基因的表达表达进行正调控或负调控进行正调控或负调控。操纵子学说操纵子学说操纵基因启动子调节基因结构基因原核生物的基因表达调控主要发生在转录水平上，根据调控机原核生物的基因表达调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为制的不同可分为负转录调控负转录调控(negative transcription regulation)和和正转录调控正转录调控(positive transcription regulation)。在在负负转录转录调控系统中，调节基因的产物是调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白阻遏蛋白，起着阻止，起着阻止结构基因转录的作用。结构基因转录的作用。在正转录在正转录调控系统

12、中，调节基因的产物调控系统中，调节基因的产物是是激活蛋白激活蛋白，起着增强，起着增强或启动结构基因或启动结构基因转录的转录的作用作用。二二、原核、原核基因调控机制的类型和特点基因调控机制的类型和特点负转录调控调节蛋白正转录调控调节蛋白负转录调控负转录调控根据其作用特征又可分为：根据其作用特征又可分为：负负控诱导：阻遏蛋白不与效应物（诱导物）结合时，结构基因不控诱导：阻遏蛋白不与效应物（诱导物）结合时，结构基因不转录。转录。负负控阻遏：阻遏蛋白与效应物结合控阻遏：阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。时，结构基因不转录。正转录正转录调控调控根据激活蛋白的作用性质又根据激活蛋白的作用性质又可分为

13、：可分为：正控诱导：正控诱导：效应物分子（诱导物效应物分子（诱导物）的存在激活蛋白处于活性状态。）的存在激活蛋白处于活性状态。正控阻遏：正控阻遏：效应物效应物分子的存在使激活分子的存在使激活蛋白蛋白处于非活性处于非活性状态状态。负转录负转录调控与正调控与正转录调控转录调控负转录调控：负转录调控：阻遏蛋白阻遏蛋白的调控，的调控，阻止阻止结构结构基因基因的的转录。转录。负控诱导：负控诱导：与效应物结合，与效应物结合，转录转录。负控阻遏：负控阻遏：与效应物结合，与效应物结合，不转录不转录。正转录调控：正转录调控：激活蛋白激活蛋白的调控，的调控，激活激活结构结构基因基因的的转录。转录。正控诱导：正控诱

14、导：效应物活化激活蛋白，效应物活化激活蛋白，转录。转录。正控阻遏：正控阻遏：效应物效应物灭灭活激活蛋白活激活蛋白，不转，不转录录。第二节第二节 乳糖操纵子与负调乳糖操纵子与负调控系统控系统Molecular Biology一、乳糖操纵子的基本结构一、乳糖操纵子的基本结构二、乳糖操纵子模型及其影响因子二、乳糖操纵子模型及其影响因子三、三、lac操纵子的调控机理操纵子的调控机理Content大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子(lactose operon)：包括启动子、控制子、：包括启动子、控制子、阻遏子及阻遏子及3个结构基因个结构基因lacZ、 lacY 、lacA等。转录时，等。转录时，RN

15、A聚合聚合酶首先与酶首先与启动区启动区(promoter, P)结合，通过结合，通过操纵区操纵区(operator, O)向向右转录右转录。转录从。转录从O区中间开始，按区中间开始，按lacZ lacY lacA方向进行，方向进行，每次转录出来的一条每次转录出来的一条mRNA上都带有这三种基因。转录的调控是上都带有这三种基因。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。在启动区和操纵区进行的。一、乳糖操纵子的基本结构一、乳糖操纵子的基本结构一、乳糖操纵子的一、乳糖操纵子的基本结构基本结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动子启动子操纵序列操纵序列 结构基因结构基因z: -半乳糖苷酶半乳糖苷酶y:

16、-半乳糖半乳糖苷苷透过酶透过酶a: -半乳糖乙半乳糖乙酰基转酰基转移酶移酶zyaOPDNAI基因基因乳糖操纵子乳糖操纵子(lactose operon)的的结构结构3个结构基因各决定一种酶：个结构基因各决定一种酶：lacZ编码编码-半乳糖苷酶；半乳糖苷酶；lacY编码编码-半乳糖苷透过半乳糖苷透过酶；酶；lacA编码编码-半乳糖乙半乳糖乙酰基转移酶。酰基转移酶。-半乳糖苷酶：将乳糖水解成半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖葡萄糖和和半乳糖。半乳糖。-半乳糖苷透过酶：使外界的半乳糖苷透过酶：使外界的-半乳糖半乳糖苷（如乳糖苷（如乳糖）能）能透过透过大大肠杆菌细胞壁肠杆菌细胞壁和和原生质膜原生质膜进入细

17、胞进入细胞内。内。-半乳糖乙酰基转移酶：将乙酰辅酶半乳糖乙酰基转移酶：将乙酰辅酶A上的上的乙酰基转乙酰基转到到-半乳半乳糖糖苷苷上，上，形成乙酰形成乙酰半乳糖。半乳糖。一、乳糖操纵子的基本结构一、乳糖操纵子的基本结构lacI的表达产物为乳糖操纵子阻遏蛋白，阻遏蛋白和操纵序列的表达产物为乳糖操纵子阻遏蛋白，阻遏蛋白和操纵序列Olac结合结合时，能阻止时，能阻止RNA聚合酶聚合酶在启动子上的转录，从而阻止在启动子上的转录，从而阻止结结构基因构基因的表达。因此，的表达。因此，Lac基因受负转录调控基因受负转录调控。一、乳糖操纵子的基本结构一、乳糖操纵子的基本结构二、酶的诱导二、酶的诱导lac体系受调

18、控的证据体系受调控的证据1、乳糖操纵子的控制模型、乳糖操纵子的控制模型 lacZ、 lacY 、lacA基因基因的产物由同一条多顺反子的的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编分子所编码码。该该mRNA分子的分子的启动子启动子(P)位于位于阻遏阻遏基因基因(lacI)与操纵区与操纵区(O)之间，之间，不不能单独起始半乳糖苷酶能单独起始半乳糖苷酶和透过和透过酶基因的高效表达。酶基因的高效表达。操纵区是操纵区是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），是阻遏物的结合位点结合位点。当当阻遏物与操纵基因结合时，阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制的转

19、录起始受到抑制。诱导物诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能之不能与与操纵基操纵基因因结合，从而激发结合，从而激发lac mRNA的合成。的合成。三、三、操纵子模型及其影响因子操纵子模型及其影响因子2、影响因子、影响因子（1）lac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达在非诱导状态下，有在非诱导状态下，有少量的少量的lac mRNA合成，这种合成被称为本底合成，这种合成被称为本底水平水平的组成型合成。由于阻遏物与操纵基因的的组成型合成。由于阻遏物与操纵基因的结合不是结合不是绝对紧密绝对紧密的，也的，也会偶尔会偶尔掉下来；这时启动子的障碍被解除

20、，掉下来；这时启动子的障碍被解除，RNA聚合酶开聚合酶开始转录。这种始转录。这种现象现象以每个细胞周期以每个细胞周期1-2次的概率发生。次的概率发生。三、三、操纵子模型及其影响因子操纵子模型及其影响因子（2）大肠杆菌）大肠杆菌对乳糖的反应对乳糖的反应加入加入乳糖，在透过酶分子的作用下，乳糖，在透过酶分子的作用下，少量乳糖分子进入少量乳糖分子进入细胞，细胞，又在又在单个单个-半乳糖苷酶分子的作用下，半乳糖苷酶分子的作用下，转变转变为异构乳糖。异构乳为异构乳糖。异构乳糖与结合在操纵区上的糖与结合在操纵区上的阻遏物相阻遏物相结合并使阻遏物失活离开操纵区，结合并使阻遏物失活离开操纵区，开始开始lac

21、mRNA的生物合成的生物合成，编码编码-半乳糖苷酶和乳糖透过酶，导半乳糖苷酶和乳糖透过酶，导致致大量乳糖大量乳糖涌入细胞。涌入细胞。2、影响因子、影响因子（3）阻遏物）阻遏物lac I基因产物及功能基因产物及功能 lac操纵子阻遏物的操纵子阻遏物的mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的。是由弱启动子控制下组成型合成的。当当lac I基因基因由弱启动子突变为强启动子后，细胞由弱启动子突变为强启动子后，细胞内不能内不能产生足够产生足够的的诱导物来诱导物来克服阻遏状态，整个克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中操纵子在这些突变体中就不可就不可诱导。诱导。2、影响因子、影响因子（4）葡萄糖对）葡

22、萄糖对lac操纵子的影响操纵子的影响代谢物阻遏代谢物阻遏效应效应 -半乳糖苷酶在乳糖代谢中的半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用作用是把乳糖分解为葡萄糖和是把乳糖分解为葡萄糖和半半乳糖乳糖（半乳糖在（半乳糖在gal操纵子的操纵子的作用下作用下转化为葡萄糖）转化为葡萄糖）。如果如果将葡萄糖和乳糖同时加入将葡萄糖和乳糖同时加入培养基培养基，大肠杆菌在耗尽外源，大肠杆菌在耗尽外源葡萄葡萄糖之前不会糖之前不会诱发诱发lac操纵子，操纵子，也就是说也就是说，葡萄糖对，葡萄糖对lac操纵子操纵子表达表达具具有间接的抑制作用。有间接的抑制作用。2、影响因子、影响因子（5）cAMP与代谢物激活与代谢物激活蛋白蛋白 c

23、AMP的浓度受到葡萄糖代谢的调节。的浓度受到葡萄糖代谢的调节。由由Crp基因编码的基因编码的代谢物激活蛋白（代谢物激活蛋白（CAP）能与能与cAMP形成复合物形成复合物。 cAMPCAP复合物是激活复合物是激活lac的的重要组成部分，这与阻遏重要组成部分，这与阻遏体系无体系无关关，细菌对它的需要是独立的。转录必须有，细菌对它的需要是独立的。转录必须有cAMPCAP复合物复合物结结合合在启动子区。在启动子区。2、影响因子、影响因子 lac操纵子上的操纵子上的CAP位点位于转录起始位点上游约位点位于转录起始位点上游约60bp处，紧邻处，紧邻RNA聚合酶所结合的启动子区。聚合酶所结合的启动子区。RN

24、A聚合酶聚合酶亚基的亚基的C端结构域端结构域(CTD)可以结合可以结合CAP位点，并与位点，并与CAP位点附近的位点附近的DNA结合。通过与结合。通过与CTD的相互作用，的相互作用，cAMPCAP复合物帮助复合物帮助RNA聚合酶结合到启动聚合酶结合到启动子区域，激活子区域，激活lac mRNA的转录。的转录。代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白(CAP)启动子操纵子阻遏蛋白（1）阻遏蛋白的负调控：）阻遏蛋白的负调控： 当细胞内有诱导物时，诱导物结合阻遏蛋白，此刻聚合酶与当细胞内有诱导物时，诱导物结合阻遏蛋白，此刻聚合酶与启动子形成开放式启动子启动子形成开放式启动子复合物，转录复合物，转录乳糖操纵子乳糖

25、操纵子结构基因。结构基因。 当无诱导物时，阻遏蛋白结合到操纵子中的操纵基因上，阻当无诱导物时，阻遏蛋白结合到操纵子中的操纵基因上，阻止了结构基因的止了结构基因的表达。表达。四、四、lac操纵子的正负调控机制操纵子的正负调控机制无诱导物时无诱导物时：结构基因被抑制。：结构基因被抑制。LacI编码的阻遏蛋白形成编码的阻遏蛋白形成四聚四聚体，体，与与操纵基因结合操纵基因结合，从而阻止，从而阻止转录。转录。诱导物引起基因表达。诱导物引起基因表达。加入诱导物加入诱导物后后：诱导物与：诱导物与Lac阻遏阻遏蛋白结合，蛋白结合，改变改变了了阻遏蛋白阻遏蛋白的三维的三维构象，使构象，使之不能之不能与操纵序列结

26、合，与操纵序列结合，于是于是RNA聚合酶结合到起始聚合酶结合到起始区域区域开始开始转录转录。阻遏基因阻遏基因mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAzyaOP没有乳糖存在时没有乳糖存在时乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAzyaOP启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶乳糖操纵子被诱导物开放乳糖操纵子被诱导物开放（2）CAP正调控：正调控： 当细胞内缺少葡萄糖时，当细胞内缺少葡萄糖时，cAMP合成增加，合成增加，cAMP与与CAP形成复形成复合物并与启动子结合，促进乳糖操纵子的表达。合物并与启动子结合，促进

27、乳糖操纵子的表达。当有葡萄糖存在时，当有葡萄糖存在时，cAMP合成少，合成少，CAP不与启动子上的不与启动子上的CAP位点结合，位点结合，RNA聚合酶不与操纵区结合，无法起始转录，结构基聚合酶不与操纵区结合，无法起始转录，结构基因表达下降。因表达下降。四、四、lac操纵子的正负调控机制操纵子的正负调控机制CAP正调控正调控+ + + + + + + + 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ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPThe Lac Operon:When Glucose Is

28、 Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CAPCAPThe Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHe

29、y man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.Repre

30、ssorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through!第三节第三节 色氨酸操纵子与色氨酸操纵子与负控阻遏系统负控阻遏系统Molecular Biology一、色氨酸操纵子一、色氨酸操纵子的阻遏系统的阻遏系统二、弱化作用的调控二、弱化作用的调控机制机制三、阻遏与弱化作用的协调三、阻遏与弱化作用的协调Contenttrp体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或体系参与生物合成而不是降解

31、，它不受葡萄糖或cAMPCAP的调控。的调控。色氨酸的合成主要分色氨酸的合成主要分5步完成，有步完成，有7个基因参与整个合成过程，个基因参与整个合成过程，分别是分别是trpR、trpL、trpE、trpD、trpC、trpB、trpA 基因基因。 Abstract结构基因簇结构基因簇trpE、D、C、B、A：编码从分支酸合成：编码从分支酸合成色氨酸的酶。色氨酸的酶。trpE和和trpG编码邻氨基苯甲酸合酶编码邻氨基苯甲酸合酶，trpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶，糖转移酶，trpF编码异构酶，编码异构酶，trpC编码吲哚甘油磷酸合酶，编码吲哚甘油磷酸合酶， trpA和和

32、trpB则分别编码色氨酸合酶的则分别编码色氨酸合酶的和和亚基。亚基。trpR调节基因调节基因：编码：编码trp阻遏蛋白。这种阻遏蛋白会降低自身的阻遏蛋白。这种阻遏蛋白会降低自身的合合成，成，即自身即自身调控。调控。Abstract前导区和弱化子区分别定名为前导区和弱化子区分别定名为trpL和和trpa。当有高浓度当有高浓度Trp存在时，由于弱化子存在时，由于弱化子a的作用，的作用，转录迅速转录迅速减弱停减弱停止，生成止，生成140核苷酸的前导核苷酸的前导RNA；当；当Trp浓度较低时，浓度较低时，弱化子不起弱化子不起作用作用，转录得以正常进行，生成长约，转录得以正常进行，生成长约7kb的的mR

33、NA。弱化子弱化子：当操纵子被阻遏，：当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。Abstract弱化子阻遏蛋白启动子 操纵子结构基因前导区trpR基因突变常引起基因突变常引起trp mRNA的永久型合成，该基因产物因的永久型合成，该基因产物因此此被称被称为为辅阻遏蛋白辅阻遏蛋白(aporepressor)。辅阻遏蛋白与色氨酸相结辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成具有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭合形成具有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭trp mRNA转录转录。当当培养基中培养基中trp含量较高含量

34、较高时，它与阻遏蛋白相结合，并使之与时，它与阻遏蛋白相结合，并使之与操纵基因操纵基因紧密结合；当培养基中紧密结合；当培养基中trp供应不足供应不足时，阻遏物失去色时，阻遏物失去色氨酸并氨酸并从操纵子从操纵子上解离，上解离，trp操纵子去阻遏。操纵子去阻遏。一、色氨酸操纵子的阻遏系统一、色氨酸操纵子的阻遏系统无活性的阻遏蛋白无活性的阻遏蛋白辅阻遏蛋白有活性的阻遏蛋白色氨酸色氨酸操纵子阻遏系统操纵子阻遏系统的的特点特点:（1）trpR和和trpE、D、C、B、A不不连锁。连锁。（2）操纵基因）操纵基因在启动子在启动子内。内。（3）有弱化子。）有弱化子。（4）启动子）启动子和和结构基因不直接结构基因

35、不直接相连相连。一、色氨酸操纵子的阻遏系统一、色氨酸操纵子的阻遏系统调节：调节：（1）Trp作为辅阻遏物作为辅阻遏物(corepressor)。（2）阻遏物阻遏物和和 RNA pol 在在P、O重叠区产生重叠区产生竞争性抑制。竞争性抑制。（3）阻遏物阻遏物的阻遏的阻遏能力低能力低，是，是LacR的的千分之一。千分之一。（4）trpO调节合成代谢，存在衰减作用调节合成代谢，存在衰减作用。一、色氨酸操纵子的阻遏系统一、色氨酸操纵子的阻遏系统RNA的二级结构可参与表达调控。的二级结构可参与表达调控。调控调控方式：方式：RNA分子分子在分子内在分子内采用不同采用不同的碱基配对的碱基配对方式方式，形形成

36、不同成不同的二级结构而参与调控的二级结构而参与调控。弱化子弱化子(attenuator)：位于：位于转录单位开始区的转录单位开始区的一种一种内部终止子内部终止子。弱化作用弱化作用(attenuation)：控制控制RNA聚合酶通读聚合酶通读弱化子能力的弱化子能力的调调控作用控作用机制。机制。二、弱化作用的调控机制二、弱化作用的调控机制前导肽前导肽：终止终止需要核糖体能翻译需要核糖体能翻译mRNA的一段的一段前导肽前导肽（它包（它包括括起始密码子起始密码子AUG和终止密码子和终止密码子UGA，是一个含，是一个含14个氨基酸的个氨基酸的多肽多肽）。）。二、弱化作用的调控机制二、弱化作用的调控机制第

37、10和第11位上有相邻的两个trp密码子，它们参与trp操纵子中的转录弱化机制。色氨酸前导序列可色氨酸前导序列可形成不同形成不同配对的构像。中间部分是参与配对的构像。中间部分是参与配配对的对的四个区域四个区域：有时：有时1和和2、3和和4配对；有时配对；有时2和和3配对。这两种配对。这两种结构决定了结构决定了mRNA是否形成终止所需的结构。是否形成终止所需的结构。二、弱化作用的调控机制二、弱化作用的调控机制弱化子对弱化子对RNA聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体的位置。聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体的位置。色氨酸浓度高时色氨酸浓度高时：核糖体：核糖体可以合成可以合成前导肽前导肽，并延伸

38、到，并延伸到mRNA上的上的UGA密码子密码子（位于（位于1区与区与2区间）。区间）。核糖体核糖体进入进入2区，使区，使3和和4区配对区配对，形成形成终止发夹终止发夹。色氨酸色氨酸浓度低时浓度低时：核糖体：核糖体暂停暂停在在trp密码子，密码子，2和和3区配对区配对，迫，迫使使4区保持区保持单链形式，没有形成终止单链形式，没有形成终止发夹，发夹，RNA聚合酶通过弱化聚合酶通过弱化子继续子继续转录转录。二、弱化作用的调控机制二、弱化作用的调控机制低色氨酸浓度高色氨酸浓度（1）不加）不加色氨酸的培养基中，色氨酸的培养基中，trp mRNA的合成仍然受到部分的合成仍然受到部分阻遏。阻遏。现在现在一般

39、认为，野生型细胞中同时存在着有活性和无活一般认为，野生型细胞中同时存在着有活性和无活性的阻遏物性的阻遏物，培养基，培养基中色氨酸浓度的变化，能够使这两种阻遏中色氨酸浓度的变化，能够使这两种阻遏物间的平衡发生物间的平衡发生倾斜倾斜，最终做出关闭或启动，最终做出关闭或启动trp操纵子的决定，操纵子的决定，从而维持一定的从而维持一定的色氨酸含量。色氨酸含量。三、阻遏与弱化作用的协调三、阻遏与弱化作用的协调Question：细菌中为什么要有弱化：细菌中为什么要有弱化子系统呢？子系统呢？Brainstorming and Discussion（2）一种可能是阻遏物从有活性向无活性的转变速度极低，需）一种

40、可能是阻遏物从有活性向无活性的转变速度极低，需要有要有一个一个能更快地做出反应的系统，以保持培养基中适当的色能更快地做出反应的系统，以保持培养基中适当的色氨酸水平氨酸水平。或者。或者，弱化子系统主要是对，弱化子系统主要是对外源色氨酸浓度外源色氨酸浓度做出反做出反应。外源应。外源色氨酸浓度色氨酸浓度很低的信号虽然足以引起很低的信号虽然足以引起trp操纵子的去阻操纵子的去阻遏作用，但是这个遏作用，但是这个信号还不足以信号还不足以很快引发内源色氨酸的很快引发内源色氨酸的合成在合成在这种环境下，弱化子这种环境下，弱化子就通过就通过抗终止的方法来增加抗终止的方法来增加trp基因表达，基因表达，从而提高内

41、源色氨酸浓度。从而提高内源色氨酸浓度。三、阻遏与弱化作用的协调三、阻遏与弱化作用的协调Question：细菌中：细菌中为什么还要为什么还要有阻有阻遏体系呢？遏体系呢？Brainstorming and Discussion没有阻遏体系，似乎只有弱化可以调节色氨酸酶系的合成。没有阻遏体系，似乎只有弱化可以调节色氨酸酶系的合成。目前目前认为阻遏物的作用是当有认为阻遏物的作用是当有大量外源色氨酸大量外源色氨酸存在时，阻止非存在时，阻止非必需的先导必需的先导mRNA的合成，它使这个合成系统的合成，它使这个合成系统更加更加经济经济。事实。事实上，自然界中存在着不同类型的合成体系。组氨酸操纵子拥有上，自然

42、界中存在着不同类型的合成体系。组氨酸操纵子拥有在功能上与在功能上与trp操纵子完全相同的弱化子结构，但没有阻遏物，操纵子完全相同的弱化子结构，但没有阻遏物，它的表达完全受弱化子调节。它的表达完全受弱化子调节。第四节第四节 其他操纵子的其他操纵子的调控机制调控机制Molecular Biology大肠杆菌半乳糖操纵子大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)在大肠杆菌遗传图上在大肠杆菌遗传图上位于位于17min处，包括处，包括3个酶的结构基因个酶的结构基因： 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

43、核苷转移酶(galactose transferase, galT); 半乳糖半乳糖激酶激酶(galactose kinase, galK)。这这3个酶的作用是个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸磷酸。一一、半乳糖操纵子、半乳糖操纵子半乳糖操纵子的调节基因是半乳糖操纵子的调节基因是galR 。galR与与galE、T、K及操纵及操纵区区O等离得很远，而等离得很远，而galR产物对产物对galO的作用与的作用与lacI-lacO的的作用相作用相同。同。半乳糖半乳糖操纵子操纵子诱导物是半乳糖。诱导物是半乳糖。一一、半乳糖操纵子、半乳糖操纵子半乳糖操纵子的特点：半乳糖操纵子的特

44、点：它有两个启动子，其它有两个启动子，其mRNA可从两可从两个不同个不同的起始的起始点开始转录点开始转录。它有两个它有两个O区，一个在区，一个在P区上游区上游-67-53，另一个，另一个在结构基因在结构基因galE内部。内部。1、半乳糖操纵子的特点、半乳糖操纵子的特点半乳糖半乳糖操纵子可以从两个启动子分别起始基因转录，每个启动操纵子可以从两个启动子分别起始基因转录，每个启动子拥有各自的子拥有各自的RNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点S1和和S2。cAMP-CRP对从对从S1和和S2起始的转录有不同的作用。起始的转录有不同的作用。从从S1起始的转录起始的转录只有在培养基中只有在培养基中无葡萄糖无葡

45、萄糖时才能顺利进行，时才能顺利进行，RNA聚合酶与聚合酶与S1的结合需要半乳糖、的结合需要半乳糖、CRP和较高浓度的和较高浓度的cAMP。从从S2起始起始的的转录转录则则完全依赖于葡萄糖完全依赖于葡萄糖，高水平，高水平cAMP-CRP能抑能抑制由这个启动子起始的转录。因此，制由这个启动子起始的转录。因此，cAMP-CRP在在gal操纵子中所操纵子中所起的调节作用比在起的调节作用比在lac操纵子中更复杂。操纵子中更复杂。这与半乳糖在细胞代谢中具有双重功能有关：这与半乳糖在细胞代谢中具有双重功能有关：（1）作为）作为唯一碳源供细胞生长；唯一碳源供细胞生长；（2）尿苷二磷酸）尿苷二磷酸半乳糖（半乳糖

46、（UDPgal）是大肠杆菌细胞壁合成的）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。前体。从从必要性和经济性考虑，都需要一必要性和经济性考虑，都需要一个不依赖个不依赖于于cAMP-CRP的启的启动子动子S2进行本底水平的组成型合成，以及一个进行本底水平的组成型合成，以及一个依赖于依赖于cAMP-CRP的启动子的启动子S1对高水平合成进行调控对高水平合成进行调控。只有。只有当当S2活性完全被活性完全被cAMP-CRP抑制时，调控才是有效的。抑制时，调控才是有效的。2、双、双启动子的生理功能启动子的生理功能阿拉伯糖（阿拉伯糖（arabinose）也是为代谢提供碳源的五碳糖。）也是为代谢提供碳源的五碳糖。大肠杆菌中

47、阿拉伯糖的降解需要大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因：个基因：araB、araA、araD，它们形成一个基因簇，为它们形成一个基因簇，为araBAD。 araB：编码：编码核酮糖激酶；核酮糖激酶； araA：编码：编码L-阿拉伯异构酶；阿拉伯异构酶； araD：编码：编码L-核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸-4-差向异构酶。差向异构酶。二、阿拉伯糖操纵子二、阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖阿拉伯糖操纵子（操纵子（arabinose operon）：具有）：具有一个复合的启动一个复合的启动子区域，两个子区域，两个操纵区操纵区（O1、O2）和一个调节基因）和一个调节基因araC。二、阿拉伯糖操纵子二、阿拉伯糖操

48、纵子与与lac操纵子和操纵子和gal操纵子操纵子中的中的调节基因不同调节基因不同的是：的是：araC蛋白同蛋白同时时显示正、负显示正、负调节因子调节因子的功能的功能。二、阿拉伯糖操纵子二、阿拉伯糖操纵子Pr:AraC起阻遏起阻遏作用作用的的形式。形式。Pi: AraC起起激活作用激活作用的的形式。形式。RNA-P: RNA聚合酶。聚合酶。二、阿拉伯糖操纵子二、阿拉伯糖操纵子与与His降解代谢有关的两组酶类被称为降解代谢有关的两组酶类被称为hut酶酶(histidine utilizing enzyme)，控制这些酶合成的操纵子被称为，控制这些酶合成的操纵子被称为hut operon。Hut操纵

49、子共编码操纵子共编码4种酶和一个阻遏物。种酶和一个阻遏物。4种酶分别由种酶分别由hutG、hutH、hutI及及hutU基因编码，阻遏物则由基因编码，阻遏物则由hutC基因编码。基因编码。三、组氨酸操纵子三、组氨酸操纵子当细菌当细菌DNA遭到破坏时，细菌细胞内会启动一个被遭到破坏时，细菌细胞内会启动一个被称为称为SOS的诱导型的诱导型DNA修复系统。修复系统。SOS修复系统受到修复系统受到LexA阻遏蛋白的抑制，平时该蛋白阻遏蛋白的抑制，平时该蛋白表达表达水水平很低。平很低。 SOS体系的诱导表达过程其实就是体系的诱导表达过程其实就是LexA阻遏蛋白从阻遏蛋白从这个基因这个基因的上游调控区移开

50、的过程。的上游调控区移开的过程。四、阻遏蛋白四、阻遏蛋白LexA的降解与细菌的降解与细菌SOS应答应答第五第五节节 原核生物原核生物的转录的转录后调控后调控Molecular Biology高频率使用密码子的基因翻译过程极容易受阻，高频率使用密码子的基因翻译过程极容易受阻，影响了蛋白影响了蛋白质质合成的合成的总量。总量。一一、稀有、稀有密码子对翻译的影响密码子对翻译的影响由于由于trpE的终止密码子与的终止密码子与trpD的起始密码重叠，的起始密码重叠，trpE翻译终止翻译终止时核糖体立即处在起始的环境中，这种重叠的密码保证了同一时核糖体立即处在起始的环境中，这种重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。除了除了trpE和和trpD基因之外，基因之外，trpB和和trpA基因也存在着翻译偶联基因也存在着翻译偶联现象，因为这两个基因的产物等量存在于细胞中，而其核苷酸现象，因为这两个基因的产物等量存在于细胞中，而其核苷酸序列同样是重叠的