基因表达的调控原核生物

1、原核细胞基因表达的调控原核细胞基因表达的调控第一节第一节 基因表达调控概述基因表达调控概述n基因基因（gene）是指是指DNA分子中的最小功分子中的最小功能单位。包括能单位。包括RNA(tRNAr、rRNA)和蛋和蛋白质编码的结构基因及无转录产物的调白质编码的结构基因及无转录产物的调节基因。节基因。n基因表达基因表达(gene expression)就是指某就是指某一基因指导下的蛋白质合成一基因指导下的蛋白质合成,蛋白质是基蛋白质是基因表达的产物。因表达的产物。 n在生物代谢过程中所需要的各种酶或蛋在生物代谢过程中所需要的各种酶或蛋白质的基因以及构成细胞结构成分的基白质的基因以及构成细胞结构成

2、分的基因因,在正常情况下是经常进行表达的在正常情况下是经常进行表达的,而与而与生物发育过程有关的基因则要在特定的生物发育过程有关的基因则要在特定的时间或空间时间或空间才进行表达才进行表达,而在其余的时间而在其余的时间或空间这些基因则被关闭。或空间这些基因则被关闭。n虽然一种基因编码一种蛋白质虽然一种基因编码一种蛋白质,但是不同但是不同蛋白质在细胞中的相对蛋白质在细胞中的相对数量差别数量差别很大很大,随随着它们的功能而不同着它们的功能而不同,各种蛋白质变化不各种蛋白质变化不定。定。 中心法则D N AR N A蛋白质转录反转录翻译复制复制n生物个体的各种组织细胞一般都有相同的染色生物个体的各种组

3、织细胞一般都有相同的染色体数目，每个细胞含的体数目，每个细胞含的DNA量基本相近。但不量基本相近。但不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同，这就是且基因表达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的组织特异性基因表达的组织特异性(tissue specificity)。n细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的，这就是基因表达的阶段特异性不相同的，这就是基因表达的阶段特异性(stage specificity)。 n生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精生物的基因表

4、达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的。所以，不仅生命的遗传信息是生物生存所确调控的。所以，不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。n事实上，即使最简单的生物，如病毒粒子基因组的表事实上，即使最简单的生物，如病毒粒子基因组的表达，也是处于调控之中。几乎所有的基因都是被调控达，也是处于调控之中。几乎所有的基因都是被调控的。的。E.coli细胞大约有细胞大约有4000个基因，约有个基因，约有107个蛋白个蛋白质分子。如果每个基因都以相似的速度合成蛋白质，质分子。如果每个基因都以相似的速度合成蛋白质，那么每个基

5、因平均产生约那么每个基因平均产生约3000个蛋白质分子。但实个蛋白质分子。但实际上，细胞内各种蛋白质分子的拷贝数差异很大，有际上，细胞内各种蛋白质分子的拷贝数差异很大，有的蛋白质在细胞内只有几个分子，而有的蛋白质却多的蛋白质在细胞内只有几个分子，而有的蛋白质却多达达50万个分子。万个分子。 细胞要使其蛋白质合成达到这种差细胞要使其蛋白质合成达到这种差异异,可以有两条途径：可以有两条途径： n第一条途径是细胞控制从其第一条途径是细胞控制从其DNA模板上转录其模板上转录其特异的特异的mRNA的速度的速度,这种控制通常称之为转录这种控制通常称之为转录水平水平(transcriptional leve

6、l)的调控。的调控。n n第二条途径是在第二条途径是在mRNA合成后合成后,控制从控制从mRNA翻翻译成多肽链的速度译成多肽链的速度,这种蛋白质合成或基因表达这种蛋白质合成或基因表达的控制称为翻译水平的控制称为翻译水平(translational level)的的调控。调控。 n转录水平转录水平(transcriptional level)的调的调控控，是一种最经济的办法，是一种最经济的办法,可以免去浪费可以免去浪费从从mRNA合成蛋白质的各种元件和材料。合成蛋白质的各种元件和材料。这大概是生物在长期进化过程中自然选这大概是生物在长期进化过程中自然选择的结果。大多数基因表达都属于转录择的结果。

7、大多数基因表达都属于转录水平的调控。水平的调控。 n翻译水平翻译水平(translational level)的调控的调控，包含一些分子装置问题包含一些分子装置问题,如与核糖体的结如与核糖体的结合速度等。这种调控是较少的。合速度等。这种调控是较少的。 基因表达的多基因表达的多级调控级调控n基因表达调控的五个水平基因表达调控的五个水平n DNA水平调节水平调节n 转录水平调节转录水平调节n 转录后加工的调节转录后加工的调节n 翻译水平调节翻译水平调节n 翻译后加工的调节翻译后加工的调节DNA转录初产物转录初产物RNAmRNA蛋白质前体蛋白质前体mRNA降解物降解物活性蛋白质活性蛋白质DNA水平调

8、节水平调节转录水平调节转录水平调节转录后加工转录后加工的调节的调节翻译调节翻译调节mRNA降解调节降解调节翻译后加工翻译后加工的调节的调节核核细胞质细胞质一、基因表达的基本概念一、基因表达的基本概念n（一）结构基因和调控基因（一）结构基因和调控基因n编码细胞结构和基本代谢活动所必要的编码细胞结构和基本代谢活动所必要的RNA、蛋白质或酶，它们被称为结构基因蛋白质或酶，它们被称为结构基因（structural genes）。）。 n编码那些控制其他基因表达的编码那些控制其他基因表达的RNA或蛋白质的或蛋白质的基因，称为调控基因（基因，称为调控基因（regulatory genes）。）。 （二）基

9、因表达的类型（二）基因表达的类型n（1）组成性表达）组成性表达(constitutive expression)指不大指不大受环境变动而变化的一类基因表达。受环境变动而变化的一类基因表达。 n这类基因可称为看家基因这类基因可称为看家基因(housekeeping gene) n（2）适应性表达）适应性表达(adaptive expression)指环境的变指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 n应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基，这类基因被称为

10、可诱导的基(inducible gene)；相反，随环境条件变化而基因表；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达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基，相应的基因被称为可阻遏的基因因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。（三）正调控和负调控（三）正调控和负调控n若调控因子使靶基因的表达水平上升，这种调若调控因子使靶基因的表达水平上升，这种调控方式称为正调控（控方式称为正调控（positive regulation）n若调控因子使靶基因的表达水平下降，甚至关若调控因子使靶基因的表达水平下降，甚至关闭，这种调控作用称为负调控（闭，这种调控作用称为

11、负调控（negative regulation） 正调控负调控（四）诱导和阻遏（四）诱导和阻遏n基因在特定环境中表达增强的过程称作诱导基因在特定环境中表达增强的过程称作诱导(induction) n基因表达水平降低的过程称作阻遏基因表达水平降低的过程称作阻遏(repression) n诱导和阻遏是同一事物的两种表现方式。不论诱导和阻遏是同一事物的两种表现方式。不论是细菌还是真核生物以及人体内均有这两种基是细菌还是真核生物以及人体内均有这两种基因表达方式存在。调节这类基因表达的信号分因表达方式存在。调节这类基因表达的信号分子都是小分子，刺激诱导发生的分子称为诱导子都是小分子，刺激诱导发生的分子称

12、为诱导物物(inducer)，引起阻遏发生的分子称为阻遏，引起阻遏发生的分子称为阻遏物或辅阻遏物物或辅阻遏物(co-repressor)。 （五）顺式作用元件和反式作用因子（五）顺式作用元件和反式作用因子n顺式作用元件是它调节邻近基因的核酸序列顺式作用元件是它调节邻近基因的核酸序列（即同一染色体上的基因；顺式构型的基因），（即同一染色体上的基因；顺式构型的基因），对其他染色体上的基因（反式构型）没有影响。对其他染色体上的基因（反式构型）没有影响。n反式作用因子包括各种可扩散分子（经常是蛋反式作用因子包括各种可扩散分子（经常是蛋白质），可调节与它接触的基因的表达。调节白质），可调节与它接触的基因

13、的表达。调节转录的反式作用因子称为转录因子，另一些反转录的反式作用因子称为转录因子，另一些反式作用因子调控式作用因子调控RNA加工和蛋白合成。加工和蛋白合成。 反式作用因子反式作用因子二、真核和原核生物基因表达的特二、真核和原核生物基因表达的特点点n（1）基因表达的时空性）基因表达的时空性n（2）原核生物的操纵子）原核生物的操纵子n（3）真核生物的内含子）真核生物的内含子n（4）染色质）染色质n（5）RNA聚合酶聚合酶n（5）转录调节）转录调节第二节第二节 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控n 细菌的某一代谢途径中，几个酶按顺序起作用，细菌的某一代谢途径中，几个酶按顺序起作用，在这种情况

14、中，往往是这一系列的酶要么都产生，要在这种情况中，往往是这一系列的酶要么都产生，要么都不产生。这种现象叫协同调节，实际上这是由于么都不产生。这种现象叫协同调节，实际上这是由于编码上述所有基因产物的多顺反子编码上述所有基因产物的多顺反子mRNA的合成被调的合成被调节的结果。有些酶活性通过生物合成途径中的产物或节的结果。有些酶活性通过生物合成途径中的产物或中间产物的浓度来共同调节，这个调节模式叫反馈抑中间产物的浓度来共同调节，这个调节模式叫反馈抑制或终产物抑制。小的效应物分子也反复地用于激活制或终产物抑制。小的效应物分子也反复地用于激活或抑制一个特定的酶的活性。或抑制一个特定的酶的活性。一、操纵子

15、学说一、操纵子学说n（一）操纵子学说的提出（一）操纵子学说的提出n大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽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。糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖。当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长 葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸羧羧化化酶酶乙酰乙酰CoA磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖草酰乙酸草酰乙酸 -酮

16、戊二酸酮戊二酸拧檬酸拧檬酸天冬氨酸天冬氨酸氨基酸氨基酸蛋白质蛋白质嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸核酸核酸 氨甲酰氨甲酰天冬氨酸天冬氨酸+n从大肠杆菌染色体的长度可以估计它大从大肠杆菌染色体的长度可以估计它大约可以编码约可以编码2000-4000种蛋白质。一般种蛋白质。一般估计生长在以估计生长在以葡萄糖为唯一碳源葡萄糖为唯一碳源的细菌的细菌中的酶类至少有中的酶类至少有600-800种。在这些酶种。在这些酶中特别是与降解葡萄糖第一步有关的酶中特别是与降解葡萄糖第一步有关的酶(即所谓关键酶即所谓关键酶),及与制造氨基酸与核苷及与制造氨基酸与核苷酸有关的酶酸有关的酶,以相当大的数量存在着以相当大的数量存在着,产

17、生产生ATP所需的酶类也大量存在。所需的酶类也大量存在。 n在缺乏葡萄糖时在缺乏葡萄糖时,细菌也可以利用其它糖细菌也可以利用其它糖类如乳糖作为碳源类如乳糖作为碳源,维持生活。维持生活。n n-半乳糖苷酶半乳糖苷酶(-galactosidase)是研是研究得最透彻的酶究得最透彻的酶,它能将乳糖分解成葡萄它能将乳糖分解成葡萄糖及半乳糖。糖及半乳糖。-半乳糖苷酶的分子量为半乳糖苷酶的分子量为460kD,具有四聚体结构具有四聚体结构,由由4个分子量各个分子量各为为116kD相同的多肽链组成。这是一个相同的多肽链组成。这是一个极重要的酶极重要的酶,因为乳糖不能用做碳源或能因为乳糖不能用做碳源或能源源,它

18、必须先被分解成简单的葡萄糖和半它必须先被分解成简单的葡萄糖和半乳糖。乳糖。 nE.coli生长在乳糖中生长在乳糖中,则则半乳糖苷酶分子几乎半乳糖苷酶分子几乎有有3000个之多个之多,而生长在其它碳源的细胞此酶而生长在其它碳源的细胞此酶只有只有1/1000。 这点说明当细胞需要一种蛋白这点说明当细胞需要一种蛋白质时质时,与它不需要的时候比较与它不需要的时候比较,它能以极大数量它能以极大数量存在。存在。n像以乳糖为底物那样像以乳糖为底物那样,引入培养基中而专引入培养基中而专一地增加某种酶的数量一地增加某种酶的数量,这个底物即称为这个底物即称为诱导物诱导物(inducer),而这种酶则称为诱导而这种

19、酶则称为诱导酶酶(indueible enzyme)。 n法国的法国的Jacob和和Monod等人做了一系列遗传等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于学和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操年提出乳糖操纵子纵子(lac operon)学说。他们的操纵子学说学说。他们的操纵子学说(theory of operon)使我们得以从分子水平使我们得以从分子水平认识基因表达的调控认识基因表达的调控,是一个划时代的突破。是一个划时代的突破。 操纵子学说可以简述如下: n有一个专一的阻遏分子(蛋白质)结合在靠近半乳糖苷酶基因上面,这段DNA他们称之为操纵基因。由于阻遏分子结合在DNA的操纵基因上,从而阻

20、止了RNA聚合酶合成半乳糖苷酶的mRNA。此外,他们还指出乳糖为诱导物,当乳糖结合到阻遏分子上时,即阻止阻遏分子与操纵基因的结合。当有乳糖时,阻遏分子即失活,mRNA就可以转录出来。如果去掉乳糖时,阻遏分子又恢复其活力,与操纵基因DNA结合,将乳糖基因关闭。 （二）操纵子（二）操纵子(operon)的基本组成的基本组成n主要包括以下单元主要包括以下单元:n结构基因群结构基因群(structural gene)n启动子启动子(promoter, p)n操纵子操纵子(operator, o)n调控基因调控基因(regulatory, R)编码能与操纵编码能与操纵子结合的调控蛋白，通常为阻遏物。子结

21、合的调控蛋白，通常为阻遏物。n终止子终止子(terminator, T)1结构基因群结构基因群n操纵子中被调控的编码蛋白质的基因称为结构操纵子中被调控的编码蛋白质的基因称为结构基因基因(structural gene, SG)。一个操纵子中。一个操纵子中含有含有2个以上的结构基因，多的可达十几个。个以上的结构基因，多的可达十几个。各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。因群。 2启动子启动子n启动子启动子(promoter，P)是指能被是指能被RNA聚合酶识聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。操序列。操纵子至

22、少有一个启动子，一般在第一个结构基纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基因因5侧上游，控制整个结构基因群的转录。侧上游，控制整个结构基因群的转录。 3操纵子操纵子n操纵子操纵子(operator，O)是指能被调控蛋白特是指能被调控蛋白特异性结合的一段异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。 4调控基因（阻遏物）调控基因（阻遏物）n调控基因调控基因(regulatory gene)是编码能与操纵是编码能与操纵序列结合的调

23、控蛋白的基因。与操纵子结合后序列结合的调控蛋白的基因。与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白阻遏蛋白(repressive protein)，其介导的调，其介导的调控方式称为负性调控控方式称为负性调控(negative regulation)；与操纵子结合后能增强或起动调控基因转录的与操纵子结合后能增强或起动调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白调控蛋白称为激活蛋白(activating protein)，所介导的调控方式称为正性调控所介导的调控方式称为正性调控(positive regulation)。5终止子终止子n终止子终止子(

24、terminator，T)是给予是给予RNA聚合酶转聚合酶转录终止信号的录终止信号的DNA序列。在一个操纵元中至少序列。在一个操纵元中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。子。n以上以上5种元件是每一个操纵子必定含有的。种元件是每一个操纵子必定含有的。n其中，启动子、操纵子和终止子都属于顺式作用元件其中，启动子、操纵子和终止子都属于顺式作用元件(cis acting element)。调控基因可以在结构基因群。调控基因可以在结构基因群附近、也可以远离结构基因，它是通过其基因产物棗附近、也可以远离结构基因，它是通过其基因产物棗调控蛋白来发挥作用的

25、，因而调控基因不仅能对同一调控蛋白来发挥作用的，因而调控基因不仅能对同一条条DNA链上的结构基因起表达调控作用，而且能对不链上的结构基因起表达调控作用，而且能对不在一条在一条DNA链上的结构基因起作用，在遗传学实验上链上的结构基因起作用，在遗传学实验上称为反式作用称为反式作用(transaction)。 二、 乳糖操纵子 n乳糖操纵子(lac operon)是原核生物中研究得最清楚的一种操纵子。在乳糖操纵子上,除去半乳糖苷酶(Z)和半乳糖苷透过酶(Y)基因之外,还有一个硫半乳糖苷转乙酰酶(thiogalactoside transacytylase)基因(A)它的生理功能尚不清楚)。这3个基因

26、每个前面都有一翻译信号,引导核糖体结合及蛋白质合成。在底物乳糖不存在时,lac操纵子基因即被阻遏,半乳糖苷酶只以很少的拷贝存在(每个细胞几个分子)。 n操纵基因或一称为操纵基因或一称为i(或I)的基因，编码一个可扩散的分子,引起基因的阻遏。以后这种分子被证明为蛋白质,现在称之为阻阻遏蛋白遏蛋白(repressor) 。操纵基因或一称为操纵基因或一称为i(或I)的基因的突变会引起lac操纵子基因产物的合成。阻遏作用并不是绝对的,即使在阻遏情况下,每个细胞也有少数拷贝的半乳糖苷酶及半乳糖苷透过酶。 乳糖操纵子乳糖操纵子:(Lactose operon) 一个调节一个调节基因基因,三个结构基因三个结

27、构基因,二个控制元件二个控制元件lacI调节基因调节基因lacZlacYlacADNAm-RNA -GalactosidasePermeaseTransacetylaseProtein结构基因结构基因启动子启动子 操纵子操纵子PlacIPlacOlac乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构调节基因调节基因启启动动子子操纵操纵基因基因乳糖结构基因乳糖结构基因RPOLacZLacYLacamRNA阻遏蛋白（有活性）阻遏蛋白（有活性）基基 因因 关关 闭闭n当供给细胞以乳糖时,lac操纵子即被诱导,一个诱导物分子结合在阻遏蛋白的特异部位上,引起阻遏蛋白构象的改变,结果使阻遏蛋白从操纵基因上解离下来。在此系

28、统中的诱导物并非乳糖本身,而是乳糖的同素异形体,称为异乳糖异乳糖(allolactose)。乳糖进入E.coli细胞,被转化成异乳糖。异乳糖与阻遏蛋白结合后,它们即从操纵基因上解离下来,lac操纵子基因即开始表达,半乳糖苷酶的浓度可以增加1000倍之多。 乳糖酶的诱导乳糖酶的诱导PLacZLacYLaca调节调节基因基因操纵操纵基因基因乳糖结构基因乳糖结构基因启启动动子子ORmRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白（无活性）（无活性） mRNAZmRNAYmRNAa乳糖乳糖ipozyaNo lac mRNAAbsence of lactoseActiveipozya-GalactosidasePermeas

29、eTransacetylasePresence of lactoseInactiven有些结构上与异乳糖相似的半乳糖苷也是半乳糖苷酶的诱导物,但并非它的底物。而某些半乳糖苷为底物,却非诱导物。异丙基硫代半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷(isopropyl thiogalactoside,简称IPTG)是一种特别有效的诱导物,目前在基因表达的研究中常常使用,在基因表达的系统中加入IPTG之后,基因的表达量常成倍地增加。IPTG不是乳糖代谢的底物,属于非代谢诱导物。 AmproripUC18(3 kb)MCS (Multiple cloning sites,多克隆位点）多克隆位点）Lac promote

30、rlacZGene XNo IPTG, X gene低水平表达With IPTG, X gene高水平表达L1: The LAC operon乳糖操纵子的正调控n现在了解到,即使有诱导物存在将阻遏蛋白中和,操纵子的正常表达还必须有一个蛋白质介导的正调控信号正调控信号。 nE.coli生长在既有葡萄糖又有乳糖存在的介质中,则只利用葡萄糖,而乳糖操纵子蛋白质处于低水平。同样如果既有萄葡糖又有半乳糖存在时,半乳糖操纵子即无活性。 n葡萄糖对转录的作用并不是直接的,其降解产物(降解物catabolite)是靠降低细胞内的环式AMP(cAMP)的含量起作用。此关键代谢物(cAMP)对葡萄糖降解代谢所抑制

31、的各种操纵子的转录都是需要的。nATP是cAMP的直接代谢前体,担任这种转化的酶是腺苷酸环化酶(adenylcyclase),此酶可能受代谢降解物的直接抑制。 n环式AMP并不直接促进lac mRNA的合成,而靠结合在代谢降解物基因激活蛋白代谢降解物基因激活蛋白(catabolite-gene activator protein),简称CAP上起作用。此后它就获得与DNA专一部位结合的能力,这时就增加邻近操纵子的转录速度。CAP对一切葡萄糖敏感的操纵子都是正调控因子,。乳糖操纵子调控乳糖操纵子调控RLacZLacYLacamRNAmRNAZmRNAYmRNAa基基 因因 表表达达CAP基因基因

32、结构基因结构基因TCGP(CAP)OCAP结结合部位合部位 RNA聚合酶聚合酶TcAMP -CAPP葡萄糖葡萄糖分解代分解代谢产物谢产物腺苷酸腺苷酸环化酶环化酶磷酸二磷酸二酯酶酯酶ATPcAMP5-AMP抑制抑制激活激活葡萄糖降解物与葡萄糖降解物与cAMP的关系的关系cAMP CGP：降解物基因活化蛋白（：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein） CAP：环腺苷酸受体蛋白（：环腺苷酸受体蛋白（cycilic AMP receptor protein）降低降低cAMP浓度浓度使使CAP呈失活状态呈失活状态nCAP能控制RNA聚合酶在乳糖启动子上的结

33、合。CAP或者阻遏物对mRNA生长速度都没有任何影响。但二者则控制RNA聚合酶分子与启动子结合的速度,一个为正调控,另一为负调控。实际上阻遏物阻断RNA聚合酶的结合,CAP帮助RNA聚合酶有效地与乳糖启动子结合,使更多的RNA的合成起始进行。 CAP-cAMP复合物激活复合物激活RNA合成合成C AB乳糖操纵子小结A: RNA polymeraseB: lac repressor C: CRP-cAMP三、色氨酸操纵子 n色氨酸操纵子 控制五种酶的合成Trp E，D，C，B，A。n当色氨酸浓度低时,这5个邻近的trp基因才开始转录成mRNA。色氨酸不是一个诱导物,而是作为一个辅阻遏物(core

34、pressor)。辅阻遏物活化其专一的阻遏物,因此它能与trp操纵基因结合并阻止其相应基因的转录。 n许多阻遏物分子能以活性的及无活性的两种形式存在,这要看它们与其适当的诱诱导物或辅阻遏物导物或辅阻遏物(corepressor)是否结合而定,诱导物的结合可使阻遏物失活。反之,辅阻遏物的结合则将无活性的阻遏物变为有活性的形式。例如,在细胞中加入色氨酸可以激活阻遏物,后者控制色氨酸生物合成所需酶的合成,这就迅速切断其专一的mRNA分子的合成 酶酶的的诱诱导导和和阻阻遏遏操操纵纵子子模模型型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白无活性阻遏蛋

35、白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因操纵基因启动基因启动基因调节基因调节基因结构基因结构基因 阻遏蛋白阻遏蛋白(有活性有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达结构基因不表达诱导物诱导物诱导物与阻遏蛋白结合诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达结构基因可以表达酶蛋白酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操纵基因结合阻遏蛋白不能跟操纵基因结合, 结构基因可以表达结构基因可以表达阻遏蛋白阻遏蛋白(无活性无活性)酶蛋白酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋从

36、而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达结构基因不表达代谢产物代谢产物n在阻遏物与其诱导物或辅阻遏物之间不形成共价键。每个阻遏物分子的一部分在形状上与其诱导物或辅阻遏物的专一部分是互补的。二者以次级键次级键(氢键、盐桥或范德华力)相连结,由于这些键是弱键,它们可以快速形成或快速破坏,使阻遏物(活性的或非活性的)迅速调整,以适应生理的需要。 当色氨酸充裕时,色氨酸转录的起始就被色氨酸阻遏物复合物与操纵子相结合而阻拦住z而当细胞中色氨酸浓度下降时,阻遏就被取消,转录又再开始运行。n当色氨酸浓度低时,trp操纵基因不被占据,trp mRNA的合成在邻近的启动子处开始进行。不过,

37、trp mRNA一旦起始合成,并不自动生长到全长度,而大多数trp mRNA分子在第一个trp基因(trp E)开始转录之前即停止生长。 trp E之前为转录的终止子,它由一个特征的RNA发夹环组成，随后为8个尿嘧啶(U)残基,此处即所谓弱化子弱化子(attenuator), RNA合成通常在此即行停止,前导RNA长为139个核苷酸 弱化子的重要性弱化子的重要性 n色氨酸操纵子的转录必须由一个可控制的终止部位来调节,这个部位就是弱化子。它位于操纵子与这个氨基酸合成途径的第一个酶的基因之间:nP,O L a E D C B A nP,O L a E D C B AnO为操纵子，L为前导肽，a为弱

38、化子，为弱化子，E，D，C，B，A为色氨酸合成酶类基因弱化子这个调节部位与某些操纵子末端的停止信号相似,含有一个富含GC的序列,随后为一个富含AT的序列。这两个区域都以弱化子为中心,表现出对称的结构： n5AGCCCGCCTAATGAGCGGGCTTTTTTTTGAACAAAATT3TCGGGCGGATTACTCGCCCGAAAAAAAACTTGTTTTAA UUUUUU-OH3 前导mRNA，能形成转录不依赖P的终止子序列。 前导序列有前导序列有3个特征个特征可使RNA聚合酶通过弱化子： n(1)除去由前导的1区与2区所形成的终止子发夹外还有第二个发夹; n(2)2区与3区互补,于是又形成一

39、由2区及3区组成的另一发夹,从而阻止终止子发夹的形成; n(3)引导RNA编码14个氨基酸组成的短前导肽,其前面为一长的核糖体结合位点。 前导肽有一特殊的序列特征前导肽有一特殊的序列特征: n2个色氨酸密码子排成一列 nMet Lys Ala Ile Phe Val Lue Lys GlyTrp TrpArg Thr Ser这些密码子的功能是使企图翻译前导肽的核糖体停止前进。而当色氨酸缺乏时,核糖体达到色氨酸密码子时必须停止,围绕色氨酸密码子的RNA停下来结合在核糖体上,不能成为发夹环的一部分。 n在色氨酸密码子处被捕捉的核糖体被放在可使2区与3区自由配对的位置上,于是终止子发夹(3,4)不能

40、形成,RNA聚合酶跨过弱化子达到操纵子,使trp酶表达。 n如果有充分的色氨酸,使核糖体得以通过色氨酸密码子前进,则核糖体阻止序列2,使3,4区形成终止子发夹,则转录在前导RNA末端停止。大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用的可能机制Trp密码子密码子111232233444核糖体核糖体核糖体核糖体转录继续转录继续转录终止转录终止C.高浓度色氨酸使核高浓度色氨酸使核糖体到达糖体到达2部位，部位， 3与与4 碱基配对，转录碱基配对，转录终止。终止。A.游离游离mRNA中中1与与2以及以及3与与4碱基配对。碱基配对。B.低浓度色氨酸使核低浓度色氨酸使核糖体停留在糖

41、体停留在1部位，部位，转录得以完成。转录得以完成。n阻遏作用与弱化子控制之间可能同时存在,使得细胞内色氨酸微细调节到一个水平,使得两步反应更紧急地达到色氨酸饥饿,起始反应是停止阻遏物的结合,更大的饥饿则导致弱化作用的松弛,其它氨基酸的操纵子,如组氨酸及亮氨酸操纵子没有阻遏物,它们完全依靠弱化作用来控制。 n组氨酸Met Thr Arg Val Gln Phe Lys His His His His His His His Pro Aspn亮氨酸Met Ser His Ile Val Arg Phe Thr Gly Leu Leu Leu Leu Asn Ala Phe Ile Val n这些前

42、导肽的mRNA正是设计成能够察觉出所被合成的蛋白质的氨基酸水平。如果相应的氨基酰tRNA缺乏时,前导肽的翻译就自动停止下来。例如,在色氨酸操纵子中被阻止的核糖体促使mRNA的构象开放,使RNA聚合酶能阅读过弱化子部位。在组氨酸操纵子前导RNA存在7个编码组氨酸的密码子就强化了检查系统的灵敏性。这个组氨酸操纵子可以单纯靠弱化子的结构实现它的控制作用。 四、基因表达翻译水平的调节基因表达翻译水平的调节 n（一）mRNA的结构对翻译的调控n原核生物中基因的表达也在翻译水平上受到控制。n蛋白质翻译的起始主要依靠AUG起始密码子上游富含嘌呤的6-8个核苷酸之存在与否。这段DNA序列就称为（Shine-D

43、algarno,S-D）序列即核糖体结合位点(ribosome-binding site)的存在。 n如果这个区域发生突变如果这个区域发生突变,就会大大降低其就会大大降低其相应的相应的mRNA的翻译效率的翻译效率,不论这个突变不论这个突变靠近靠近AUG密码子密码子,或远离密码子都是一样。或远离密码子都是一样。这样的序列被包在这样的序列被包在环卡结构环卡结构(loop structure)之中之中,因而无法与因而无法与16S rRNA 相互作用相互作用,进行翻译进行翻译 。n有证据表明有证据表明Shine-Dakarno序列的工作效率受序列的工作效率受与它们结合的蛋白质控制与它们结合的蛋白质控制

44、,从而阻碍其作用。从而阻碍其作用。nE.coli的核糖体蛋白的核糖体蛋白(ribosomal protein,r-蛋蛋白白)就是一个例证就是一个例证 。当。当-蛋白合成的速度超过蛋白合成的速度超过-RNA合成的速度时合成的速度时,游离的游离的-蛋白就积累起来蛋白就积累起来,有有一些一些关键的关键的-蛋白蛋白就与就与Shine-Daigarno序列序列结合。这样的话结合。这样的话,核糖体蛋白就不能比它们用于核糖体蛋白就不能比它们用于制造核糖体时合成得更快。制造核糖体时合成得更快。 n在核糖体组装时在核糖体组装时,关键的关键的-蛋白与蛋白与-RNA结合得早些。与这些蛋白质结合的结合得早些。与这些蛋

45、白质结合的-RNA的序列及与关键蛋白质相互作用的的序列及与关键蛋白质相互作用的-蛋白的蛋白的mRNA的序列是十分相似的。的序列是十分相似的。因此因此,翻译水平的调控就是翻译水平的调控就是-RNA与与蛋蛋白白mRNA之间相互与其关键蛋白结合的之间相互与其关键蛋白结合的竞争。竞争。n担任以担任以mRNA为模板翻译成蛋白质的核糖体是为模板翻译成蛋白质的核糖体是一个很大的生物大分子一个很大的生物大分子,含有含有50多种核糖体蛋多种核糖体蛋白及许多种核糖体白及许多种核糖体RNA（rRNA)。在蛋白质合。在蛋白质合成时成时,这这50多种蛋白质如何协调工作是一个非多种蛋白质如何协调工作是一个非常复杂的问题。它们的基因分别定位于常复杂的问题。它们的基因分别定位于20多个多个操纵子上操纵子上,它们的合成是精确而平衡的。因此它们的合成是精确而平衡的。因此,严格的调控是非常必要的。严格的调控是非常必要的。n核糖体蛋白合成的调控主要是在翻译水平上