原核基因表达调控模式

1、2022-5-24 华锐学院理工系华锐学院理工系华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 基因表达基因表达(gene expression)是指生物基因组中结构是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经转录、翻译等一系列过基因所携带的遗传信息经转录、翻译等一系列过程，合成程，合成特定的物质特定的物质，进而发挥其特定的生物学，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。对这个过程的调节功能和生物学效应的全过程。对这个过程的调节就称为基因表达调控（就称为基因表达调控（gene regulation或或gene contro

2、l）。）。 生物学意义：适应环境、维持生长和增殖；维持生物学意义：适应环境、维持生长和增殖；维持个体发育和分化。个体发育和分化。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 原核生物和真核生物都能够根据周围环境原核生物和真核生物都能够根据周围环境(如温度、如温度、营养成分等营养成分等)的变化，改变自己的代谢方式。而代的变化，改变自己的代谢方式。而代谢方式的变化通常可以通过对基因表达过程的调谢方式的变化通常可以通过对基因表达过程的调控得以实现。控得以实现。 机体可以在基因表达过程的任何阶段进行调控，机体可

3、以在基因表达过程的任何阶段进行调控，一般以一般以转录水平上转录水平上的调控为主。的调控为主。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 原核生物细胞的基因和蛋白质种类原核生物细胞的基因和蛋白质种类较少，如大肠较少，如大肠杆菌基因组约为杆菌基因组约为4.60106bp共有共有4 288个可以框架。个可以框架。据估计据估计，一个细胞中总共含有，一个细胞中总共含有107个蛋白质分子。个蛋白质分子。如果每个基因等同翻译的话，任何一个多肽应有如果每个基因等同翻译的话，任何一个多肽应有2 500拷贝。但是，这些蛋白质并不是以相同拷贝数拷贝。但是，这些蛋白质并不是以相同拷贝数存在于

4、每个细胞中的，有些蛋白质的数目相当固存在于每个细胞中的，有些蛋白质的数目相当固定，另一些则变化很大。定，另一些则变化很大。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 每个大肠杆菌细胞有约每个大肠杆菌细胞有约15 000个核糖体，个核糖体，50种核糖体蛋白、糖酵解体系的酶、种核糖体蛋白、糖酵解体系的酶、DNA聚聚合酶、合酶、RNA聚合酶等都是代谢过程中必需聚合酶等都是代谢过程中必需的，其合成速率不受环境变化或代谢状态的，其合成速率不受环境变化或代谢状态的影响，这一类蛋白质被称为永久型的影响，这一类蛋白质被称为永久型（constitutive）合成的蛋白质。）合成的蛋白质

5、。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇另一类则被称为适应型或调节型（另一类则被称为适应型或调节型（adaptive or regulated），因为这类蛋白质的合成速率明），因为这类蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变。如大肠杆菌细胞显地受环境的影响而改变。如大肠杆菌细胞中一般只有中一般只有15个个-半乳糖苷酶，但若将细胞培半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每细胞中这个酶养在只含乳糖的培养基中，每细胞中这个酶的量可高达几万个分子。的量可高达几万个分子。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 7.1.1基因表达调控的

6、基本概念基因表达调控的基本概念顺式作用元件顺式作用元件：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，其活性只影响与其自身同在一序列，其活性只影响与其自身同在一个个DNA分子上的基因；顺式作用元件通常分子上的基因；顺式作用元件通常不编码蛋白质不编码蛋白质，多位于基因旁或内含子中。，多位于基因旁或内含子中。如如启动子、终止子、操纵基因启动子、终止子、操纵基因等。等。7. 1 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇反式作用因子反式作用因子：通过扩散自身表达产物（酶、：通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的

7、表达调节蛋白）控制其他基因的表达,反式作用因反式作用因子通常为的子通常为的蛋白质或蛋白质或RNA。如调控蛋白、转。如调控蛋白、转录因子等。录因子等。基因表达的调控主要通过反式作用因子和顺基因表达的调控主要通过反式作用因子和顺式作用元件相互识别、相互作用而实现。式作用元件相互识别、相互作用而实现。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 转录因子（转录因子（transcription factor ）是转录起始过）是转录起始过程中程中RNA聚合酶所需要的聚合酶所需要的辅助因子辅助因子。转录因子是。转录因子是参与正调控的反式作用因子，在无转录因子时，参与正调控的反式作用

8、因子，在无转录因子时，RNA聚合酶不能起始转录。聚合酶不能起始转录。 转录因子通常转录因子通常识别识别位于基因上游启动子附近的位于基因上游启动子附近的顺顺式作用元件式作用元件。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇基因表达调控主要表现在以下二方面：基因表达调控主要表现在以下二方面：转录水平上的调控转录水平上的调控(transcriptional regulation)；转录后水平上的调控（转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation），包括），包括（1）mRNA加工成熟水平调控（加工成熟水平调控（differential pr

9、ocessing of RNA transcrpt）；）；（2）翻译水平调控（）翻译水平调控（differential translation of mRNA）。）。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 基因调控的指挥系统也是多样的，不同的生物使用基因调控的指挥系统也是多样的，不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。原核生物中，不同的信号来指挥基因调控。原核生物中，营养状营养状况况(nutritional status)和和环境因素环境因素(environment factor)对基因表达起着举足轻重的影响。在真核生对基因表达起着举足轻重的影响。在真核生物尤其是

10、高等真核生物中，物尤其是高等真核生物中，激素水平激素水平和和发育阶段发育阶段是是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。响力大为下降。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 在转录水平上对基因表达的调控决定于在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结的结构、构、RNA聚合酶的功能、蛋聚合酶的功能、蛋白白因子及其他小分子因子及其他小分子配基的相互作用。配基的相互作用。细菌的转录与翻译过程几乎发生细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联转录与翻译相耦联（couple

11、d transcription and translation）。真核生物中，转）。真核生物中，转录产物（录产物（primary transcript）只有从）只有从核内运转到核核内运转到核外外，才能被核糖体翻译成蛋白质。，才能被核糖体翻译成蛋白质。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 原核生物的基因调控主要是转录调控，包括原核生物的基因调控主要是转录调控，包括负转负转录调控录调控和和正转录调控正转录调控。 在负转录调控系统中，调节基因的产物是在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋阻遏蛋白白

12、（repressor），阻止结构基因转录。根据其作），阻止结构基因转录。根据其作用特征又分为用特征又分为负控诱导负控诱导和和负控阻遏负控阻遏两大类。两大类。7.1.2原核基因的调控分类原核基因的调控分类华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 在负控诱导系统中，阻遏蛋白在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物不与效应物（诱导物）结合（诱导物）结合时，结构基因时，结构基因不转录不转录；在；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物结合与效应物结合时，结构基因时，结构基因不转录不转录。阻遏蛋白作用于。阻遏蛋白作用于操操纵区。纵区。华锐学院分子生物学课件华锐学

13、院分子生物学课件2022-5-24高进勇 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自激活蛋自(activator)。也可根据激活蛋白。也可根据激活蛋白的作用性质分为的作用性质分为正控诱导正控诱导系统和系统和正控阻遏正控阻遏系统。在正控诱导系统中，效应物分子系统。在正控诱导系统中，效应物分子(诱导物诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状态；的存在使激活蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态。激活蛋白处于非活性状态。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇细菌中的

14、转录调控体系细菌中的转录调控体系：(a)负控诱导体系；负控诱导体系； (b)正控诱导体系正控诱导体系华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇细菌中的转录调控体系细菌中的转录调控体系：(c)负控阻遏体系；负控阻遏体系； (d)正控阻遏体系正控阻遏体系华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 参与大肠杆菌参与大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可中基因表达调控最常见的蛋白质可能是能是 因子，基因组序列分析后发现至少存在六种因子，基因组序列分析后发现至少存在六种 因子因子 。除。除54外，因子外，因子在结构上具有同源性在结构上具有同源性，统，统

15、称称70家族，含有家族，含有4个保守区，其中第个保守区，其中第2个和第个和第4个保个保守区参与结合启动区守区参与结合启动区DNA，第，第2个保守区的另一部个保守区的另一部分还参与双链分还参与双链DNA解解开成单链的过程开成单链的过程。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 大肠杆菌中的大肠杆菌中的因子因子(以以70为例为例)主要主要包括四个结构域。包括四个结构域。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 54因子识别并与因子识别并与DNA上的上的-24和和-12区相结区相结合。合。70启动子只有在核心酶结合到启动子只有在核心酶结合到DN

16、A链链上之后才能与启动子区相结合，而上之后才能与启动子区相结合，而54则类则类似于真核生物的似于真核生物的TATA区结合蛋白（区结合蛋白（TBP），），可以在无核心酶时独立结合到启动子上。可以在无核心酶时独立结合到启动子上。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 70 （上）和（上）和54 （下）（下） 因子因子识别并识别并结结 合在所调控合在所调控基因上游的不同区域基因上游的不同区域。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇7.1.3 原核基因调控的主要特点原核基因调控的主要特点 原核生物通过特殊代谢物调节基因活性主要分为原核生物通过

17、特殊代谢物调节基因活性主要分为可诱导调节可诱导调节和和可阻遏调节可阻遏调节: 1.可诱导调节可诱导调节 是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，是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。这类基因中最突出的例质的诱导下使基因活化。这类基因中最突出的例子是大肠杆菌的乳糖操纵子。子是大肠杆菌的乳糖操纵子。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 大肠杆菌在含有葡萄糖的培养基中生长良好，大肠杆菌在含有葡萄糖的培养基中生长良好，在只含乳糖的培养基中开始时生长不好，直

18、在只含乳糖的培养基中开始时生长不好，直到合成了能够利用乳糖的一系列酶，具备了到合成了能够利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳糖作为碳源的能力才开始生长。利用乳糖作为碳源的能力才开始生长。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 细菌获得这一能力的原因就是因为在诱导物乳糖细菌获得这一能力的原因就是因为在诱导物乳糖的诱导下启动了乳糖操纵子，表达它所编码的的诱导下启动了乳糖操纵子，表达它所编码的3个个酶酶:-半乳糖苷酶使乳糖水解为半乳糖和葡萄糖半乳糖苷酶使乳糖水解为半乳糖和葡萄糖)，-半乳糖苷透过酶半乳糖苷透过酶(使乳糖进入细菌细胞内使乳糖进入细菌细胞内)，-半半乳糖苷乙酰基

19、转移酶乳糖苷乙酰基转移酶(使使-半乳糖第六位碳原子乙半乳糖第六位碳原子乙酰化酰化)。因此，这类基因被称为可诱导基因，这类。因此，这类基因被称为可诱导基因，这类酶被称为诱导酶，这个生物化学过程被称为酶的酶被称为诱导酶，这个生物化学过程被称为酶的诱导合成。诱导合成。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 2.可阻遏调节可阻遏调节 这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白质或这类基因平时都是开启的，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。比如大的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。

20、比如大肠杆菌生活中必须有色氨酸，一般情况下，该操肠杆菌生活中必须有色氨酸，一般情况下，该操纵子是开启的。如果在细菌培养基中加入色氨酸，纵子是开启的。如果在细菌培养基中加入色氨酸，使之能利用培养基中的色氨酸来维持生活而不需使之能利用培养基中的色氨酸来维持生活而不需要再费力去合成，细菌往往能在要再费力去合成，细菌往往能在2-3 min内完全关内完全关闭该操纵子。闭该操纵子。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 这就是说，某一代谢途径最终产物合成酶的基因这就是说，某一代谢途径最终产物合成酶的基因可以被这个产物本身所关闭。这种基因被称为可可以被这个产物本身所关闭。这种基

21、因被称为可阻遏基因，这些酶被称为可阻遏酶，这个现象被阻遏基因，这些酶被称为可阻遏酶，这个现象被称为可阻遏现象，这些起阻遏作用的小分子被称称为可阻遏现象，这些起阻遏作用的小分子被称为阻遏物。在这里，色氨酸或与其代谢有关的某为阻遏物。在这里，色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程种物质在阻遏过程(而不是诱导过程而不是诱导过程)中起作用。中起作用。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇7.1.4 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，起信号作用的是有特殊负载在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨基的氨基酰酰-tRNA的浓度，在色氨酸操

22、纵子中就是色的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨基氨基酰酰-tRNA的浓度。当操纵子被的浓度。当操纵子被阻遏，阻遏，RNA合合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段核成被终止时，起终止转录信号作用的那一段核苷苷酸被称为弱化子酸被称为弱化子。这种因为核糖体在基因转录产这种因为核糖体在基因转录产物上的不同位置，决定了物上的不同位置，决定了RNA可以形成哪一种形可以形成哪一种形式的二级结构式的二级结构，并由此决定基因能否继续转录的并由此决定基因能否继续转录的调节方式确实是非常巧妙的。调节方式确实是非常巧妙的。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 葡萄糖存在的情况下，即使在

23、细苗培养基中加入葡萄糖存在的情况下，即使在细苗培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢其相对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为这些糖的酶来，这种现象称为葡萄糖效应或降解葡萄糖效应或降解物抑制作用物抑制作用。出现这种效应的原因是添加葡萄糖。出现这种效应的原因是添加葡萄糖后，细菌所需要的能量便可从葡萄糖得到满足，后，细菌所需要的能量便可从葡萄糖得到满足，葡萄糖是最方便的能源，细菌无需开启一些不常葡萄糖是最方便的能源，细菌无需开启一些不常用的基因去利用这些稀有的糖类。用的基因

24、去利用这些稀有的糖类。7.1.5 降解物对基因活性的影响降解物对基因活性的影响华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，减少环腺苷酸减少环腺苷酸cAMP的合成，与它相结合的蛋白的合成，与它相结合的蛋白质质环腺苷酸受体蛋内环腺苷酸受体蛋内(CRP)又称分解代谢物激活又称分解代谢物激活蛋白蛋白(CAP)，因找不到配体而不能形成复合物。降，因找不到配体而不能形成复合物。降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，是一种积极的调节方式。达的，是

25、一种积极的调节方式。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿时，细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿时，即氨基酸的全面匾乏。为了紧缩开支，渡过难关，即氨基酸的全面匾乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。实施这一应急反应的信号是鸟苷过程均被停止。实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸和鸟苷五磷酸(pppGpp)。产生这两。产生这两

26、种物质的诱导物是种物质的诱导物是空载空载tRNA。7.1.6 细菌的应急反应细菌的应急反应华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的氨基酸的tRNA，这种空载的，这种空载的tRNA会激活焦会激活焦磷酸转移酶，使磷酸转移酶，使ppGpp大量合成，其浓度可大量合成，其浓度可增加增加10倍以上。倍以上。 ppGpp的出现会关闭许多的出现会关闭许多基因，当然也会打开一些合成氨基酸的基因，基因，当然也会打开一些合成氨基酸的基因，以应付这种紧急状况。以应付这种紧急状况。华锐学院分子生物学课件华锐

27、学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 1961年，年，Jacob和和Monod提出了细菌基因表达调控提出了细菌基因表达调控的模型的模型操纵子学说，解释了原核生物的基因操纵子学说，解释了原核生物的基因表达在转录水平上是如何调控的。表达在转录水平上是如何调控的。 操纵子操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操：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纵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。所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。7. 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华锐学院分子生物学课件华锐学院分

28、子生物学课件2022-5-24高进勇（一）操纵子（一）操纵子(operon)的基本组成的基本组成结构基因、结构基因、调节基因调节基因、操纵基因、操纵基因、启动子、终止子启动子、终止子lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 (1)结构基因结构基因(structural gene)是编码是编码蛋白质或蛋白质或RNA的一段的一段DNA序列。结构基因编码大量的功序列。结构基因编码大量的功能各异的蛋白质。能各异的蛋白质。特点：特点：（1）含有）含有2个以上的基因个以上的基因（2）各结构基因串连排列，组成结构基因群）各

29、结构基因串连排列，组成结构基因群lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇（3）多个结构基因的）多个结构基因的DNA被转录成多顺反子被转录成多顺反子mRNA（4）每个结构基因是一个连续的开放读框）每个结构基因是一个连续的开放读框（5）至少在第一个开放读框）至少在第一个开放读框5侧具有核糖体结合位点侧具有核糖体结合位点(RBS)，核糖体识别并结合，核糖体识别并结合 ，起始翻译。，起始翻译。UAAAUGAUGUAA.3华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇(2)调节基因（调节基因（re

30、gulatory gene） （a）概念：）概念： (regulator gene)仅指仅指参与参与其他基因其他基因表达调控的表达调控的RNA和蛋白质和蛋白质的编码基因。的编码基因。lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacImRNA华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇（b）调控蛋白类型：）调控蛋白类型： 阻遏蛋白（阻遏蛋白（repressive protein）与操纵元件结合）与操纵元件结合后能减弱或阻止所调控基因转录的调控蛋白。后能减弱或阻止所调控基因转录的调控蛋白。 激活蛋白（激活蛋白（activating protein）与操纵元件结合）与

31、操纵元件结合后能增强或启动所调控基因转录的调控蛋白。后能增强或启动所调控基因转录的调控蛋白。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇(3)操纵基因操纵基因(operator gene )通过与调节基通过与调节基因编码的阻遏子结合或脱离而控制结构因编码的阻遏子结合或脱离而控制结构基因的转录与否的核苷酸序列。位于结基因的转录与否的核苷酸序列。位于结构基因附近，构基因附近，本身不能转录成本身不能转录成mRNA。lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇4、启动子、启动子(promoter)

32、 是指能被是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段录的一段DNA序列。序列。（1）-10序列序列- Pribnow盒：盒：TATAAT；（2）-35bp序列序列：TTGACA 操纵子操纵子至少至少有一个启动子，一般在第一个结构基有一个启动子，一般在第一个结构基因因5上游，控制整个结构基因群的转录上游，控制整个结构基因群的转录华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇5、终止子（、终止子（terminator） 是给予是给予RNA聚合酶转录终止信号的聚合酶转录终止信号的DNA序列序列（1）不依赖）不依赖因子的终止子因子的终止子 （2

33、）依赖）依赖因子的终止子因子的终止子在一个操纵元中至少在结构基因群最后一个基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子因的后面有一个终止子 华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI(二二)乳糖操纵子乳糖操纵子（1）组成：）组成：5种元件种元件由由1个调节基因，个调节基因，3个结构基因、控制元件、个结构基因、控制元件、启动子和终止子组成。启动子和终止子组成。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇1

34、、结构基因、结构基因（1）lacZ：编码编码 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 （使乳糖水解）（使乳糖水解）（2）lacY：编码编码 -半乳糖苷透过酶半乳糖苷透过酶 （使（使 -半乳糖苷透过细胞壁、质膜进入细胞内）半乳糖苷透过细胞壁、质膜进入细胞内）（3）lacA：编码编码 -半乳糖苷乙酰转移酶半乳糖苷乙酰转移酶 （将乙酰基转移到（将乙酰基转移到 -半乳糖苷上）半乳糖苷上）2、启动子：、启动子： Plac：控制控制 lacZ, lacY, lacA；多顺反子的多顺反子的mRNA3、终止子、终止子华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇4、调节基因、调节基因lacI：编码阻遏蛋

35、白编码阻遏蛋白（repressive protein）亚基亚基 四聚体存在时具有活性，与四聚体存在时具有活性，与 Olac具有具有 很强的亲和力。很强的亲和力。lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇5、控制元件、控制元件 Olac （1）28bp的回文结构，的回文结构，可形成十字形结构可形成十字形结构 （2）这种结构正好与由四个相同亚基组成这种结构正好与由四个相同亚基组成的阻遏蛋白相匹配。的阻遏蛋白相匹配。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇lac操纵子主要成分分析操纵子主要

36、成分分析华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇-50-30-1010130-20-4020lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacImRNA（三）乳糖操纵子的负调控（三）乳糖操纵子的负调控培养基不含乳糖培养基不含乳糖 lacZ、 lacY 、 lacA低表达低表达华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇（三）乳糖操纵子的负调控（三）乳糖操纵子的负调控1、阻遏蛋白与操纵元件结合、阻遏蛋白与操纵元件结合2、阻碍了、阻碍了RNA聚合酶与启动聚合酶与启动子子Plac的结合的结合 3、转录不能进行、转录不能进行4、lacZ， la

37、cY 、lacA低表达低表达华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacImRNA Inducer（异构乳糖）（异构乳糖）lactose分解分解lactose（四）乳糖操纵子与负控诱导系统（四）乳糖操纵子与负控诱导系统培养基含乳糖培养基含乳糖 -lacZ 等高表达等高表达华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇（四）（四）乳糖操纵子乳糖操纵子与负控诱导系统与负控诱导系统1、阻遏蛋白与异构乳糖结合、阻遏蛋白与异构乳糖结合2、阻遏蛋白构象变化，不能与操纵子序列结合、阻遏蛋白构象变化，不能与操

38、纵子序列结合3、RNA聚合酶与聚合酶与lac启动子结合启动子结合4、lacZ， lacY ， lacA的转录可顺利进行的转录可顺利进行华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇7. 2. 1 酶的诱导酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证据 一般情况下，一般情况下，lac+ +基因型大肠杆菌细胞内基因型大肠杆菌细胞内-半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低，每个细半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低，每个细胞只有胞只有12个酶分子。但是，在乳糖培养个酶分子。但是，在乳糖培养基上酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的基上酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或或7%，超过，超过105个酶分子个

39、酶分子/细胞。细胞。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 在无葡萄糖有乳糖的培养基中，在无葡萄糖有乳糖的培养基中，lac+ +细菌中将同细菌中将同时合成时合成-半乳糖苷酶和透过酶。半乳糖苷酶和透过酶。 用用32P标记的标记的mRNA与模板与模板DNA进行定量分子杂进行定量分子杂交，表明培养基中加入乳糖交，表明培养基中加入乳糖12分钟后，编码分钟后，编码-半乳糖苷酶和透过酶的半乳糖苷酶和透过酶的lac mRNA量就迅速增加，量就迅速增加，去掉乳糖后，去掉乳糖后，lac mRNA量立即下降。量立即下降。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高

40、进勇 lac体系的体系的“开开-关关”特性特性 加入乳糖以后，加入乳糖以后，1min内出现内出现lac mRNA，稍后即产生，稍后即产生-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和透过酶。当移去乳糖后，透过酶。当移去乳糖后， lac mRNA总量立即下降，两种酶活性却由总量立即下降，两种酶活性却由于蛋白质半衰期较长而在相当长时期内维持恒定。于蛋白质半衰期较长而在相当长时期内维持恒定。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 实验室常用两种乳糖类似物实验室常用两种乳糖类似物异丙基巯基半乳糖苷异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）和巯甲基半乳糖苷（）和巯甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性），在酶活

41、性分析中常用发色底物分析中常用发色底物O-硝基半乳糖苷（硝基半乳糖苷（ONPG）。）。因为它们都不是半乳糖苷酶的底物，所以又称为安因为它们都不是半乳糖苷酶的底物，所以又称为安慰性诱导物（慰性诱导物（ gratuitous inducer）。）。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 用用35S标记大肠杆菌细胞（培养基中没有标记大肠杆菌细胞（培养基中没有半半乳糖），将这些带有放射性乳糖），将这些带有放射性的细菌的细菌转移到不转移到不含含35S的培养基中，加入诱导物的培养基中，加入诱导物后后-半乳糖半

42、乳糖苷酶便开始合成。苷酶便开始合成。分离纯化分离纯化-半乳糖苷酶，半乳糖苷酶，发现这种酶无发现这种酶无35S标记标记，说明这种酶是加入，说明这种酶是加入诱导物后诱导物后新合成新合成的的。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇7. 2. 2 操纵子模型及其影响因子操纵子模型及其影响因子 Jacob和和Monod认为诱导酶（他们当时称为认为诱导酶（他们当时称为适应酶）现象是个基因调控问题，而且可以适应酶）现象是个基因调控问题，而且可以用实验方法进行研究，他们通过大量实验及用实验方法进行研究，他们通过大量实验及分析，建立了现在已经被人们广泛接受的乳分析，建立了现在已经被

43、人们广泛接受的乳糖操纵子的控制模型。糖操纵子的控制模型。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 lac操纵子操纵子调控模型调控模型华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇A. Z、Y、A基因产物由同一条多顺反子基因产物由同一条多顺反子mRNA分分子所编码子所编码。B. 该该mRNA分子的启动区（分子的启动区（P）位于阻遏基因（）位于阻遏基因（I）与操纵区（与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达透过酶基因的高效表达。C. 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

44、为26bp），），是阻遏物的结合位点。是阻遏物的结合位点。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇D. 当阻遏物与操纵区相结合时，当阻遏物与操纵区相结合时，lac mRNA的转录的转录起始受到抑制起始受到抑制。E. 诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区相结合，诱发使之不能与操纵区相结合，诱发lac mRNA的合成的合成。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇培养基中有无诱培养基中有无诱导物对导物对lac mRNA及及-半乳糖苷酶半乳糖苷酶活性的影响活性的影响华锐学院分子生物学课

45、件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇阻遏物阻遏物lac I基因产物及功能基因产物及功能lac操纵子阻遏物操纵子阻遏物mRNA是由弱是由弱启动子控制下永久型合成的，启动子控制下永久型合成的，该阻遏蛋白有该阻遏蛋白有4个相同的亚基，每个亚基均个相同的亚基，每个亚基均含有含有347个氨基酸残基，并能与个氨基酸残基，并能与1分子分子IPTG结合，每个细胞中结合，每个细胞中有有510个阻遏物分子。个阻遏物分子。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇-半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。如果将葡萄糖和乳分解

46、成葡萄糖及半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠杆菌在耗尽外源糖同时加入培养基中，大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发葡萄糖之前不会诱发lac操纵子。操纵子。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时，当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时，lac 启动子表达受阻，没有启动子表达受阻，没有-半乳糖苷酶活性；当葡萄糖消耗以后半乳糖苷酶活性；当葡萄糖消耗以后(图中箭头处图中箭头处)，细胞内，细胞内cAMP浓度浓度增加，增加， -半乳糖苷酶活性增加，一度停止生长的细胞又恢复分裂。半乳糖苷酶活性增加，一度停止生长的细胞又恢复分裂。华锐学

47、院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖-6-磷酸磷酸转化为下一步代谢中间物，该细菌的转化为下一步代谢中间物，该细菌的lac基因基因能在葡萄糖存在时被诱导合成。所以，不是能在葡萄糖存在时被诱导合成。所以，不是葡萄糖而是它的某些降解产物抑制葡萄糖而是它的某些降解产物抑制lac mRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称之为的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称之为代谢物阻遏效应（代谢物阻遏效应（catabolite repression）。）。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 c

48、AMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白cAMP是在腺苷酸环化酶的作用下由是在腺苷酸环化酶的作用下由ATP转变而来的，转变而来的，在真核生物的激素调节过程中也起着十分重要的作用。在真核生物的激素调节过程中也起着十分重要的作用。将细菌放在含葡萄糖的培养基中培养，将细菌放在含葡萄糖的培养基中培养，cAMP的浓度的浓度就低；如果培养基中只有甘油或乳糖等不进行糖酵解就低；如果培养基中只有甘油或乳糖等不进行糖酵解途径的碳源，途径的碳源，cAMP的浓度就会很高。的浓度就会很高。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇环腺苷酸化学式华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件202

49、2-5-24高进勇 大肠杆菌中的代谢物激活蛋白，由大肠杆菌中的代谢物激活蛋白，由Crp基基因因编码，能与编码，能与cAMP形成复合物。形成复合物。CRP和和cAMP都是合成都是合成lac mRNA所必需的所必需的，cAMP-CRP是一个不同于阻遏物的正调控是一个不同于阻遏物的正调控因子，而因子，而lac操纵子的功能是在这两操纵子的功能是在这两个相互个相互独立的调控体系作用下实现的独立的调控体系作用下实现的。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇gal，lac和和ara操纵子上游启操纵子上游启动子区与动子区与CRP-cAMP结结合位点的相对合位点的相对位置分析位置分

50、析华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 半乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等在降解过半乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等在降解过程中均转化成葡萄糖或糖酵解途径中的其他中间程中均转化成葡萄糖或糖酵解途径中的其他中间产物，这些糖代谢中有关的酶都是由可诱导操纵产物，这些糖代谢中有关的酶都是由可诱导操纵子控制的，被称为降解物敏感型操纵子子控制的，被称为降解物敏感型操纵子(catabolitesensitive operon)，由，由cAMP-CRP调控。调控。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇大肠杆菌大肠杆菌lac操纵子启动区操纵子启动区C

51、RP-cAMP及及-35区，区，-10区序列分析。区序列分析。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 cAMP-CRP复合物与启动子区的结合是复合物与启动子区的结合是lac mRNA合成起始所必需的，因为这个复合物结合于启动合成起始所必需的，因为这个复合物结合于启动子上游，能使子上游，能使DNA双螺旋发生弯曲，有利于形成双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子稳定的开放型启动子-RNA聚合酶结构。阻遏物则聚合酶结构。阻遏物则是一个抗解链蛋白，阻止形成开放结构，从而抑是一个抗解链蛋白，阻止形成开放结构，从而抑制制RNA聚合酶的功能。聚合酶的功能。华锐学院分子生物

52、学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇CRP-cAMP 与上游与上游DNA位点结合后位点结合后造成模板造成模板DNA沿对称沿对称序列中央发序列中央发生生90的的弯曲弯曲华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇附：葡萄糖水平附：葡萄糖水平CRP的关系的关系 CRP只有与只有与cAMP结合才有活性，结合才有活性，而而cAMP 受葡萄糖水平的控制。受葡萄糖水平的控制。 葡萄糖含量高葡萄糖含量高- cAMP水平低水平低 葡萄糖含量低葡萄糖含量低- cAMP水平高水平高华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇7. 2. 3 lac操纵

53、子的调控区域操纵子的调控区域P、O区区P区（即启动子区）一般是从区（即启动子区）一般是从I基因结束到基因结束到mRNA转录起始位点下游转录起始位点下游5-10bp，而，而O区（即区（即阻遏物结合区）位于阻遏物结合区）位于-7+28位，该区的碱基位，该区的碱基序列有对称性，其对称轴在序列有对称性，其对称轴在+11位碱基对。位碱基对。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 不同操纵子启动区及O区相对位置的比较。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇7. 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色氨酸是构成蛋白质的组分，一般

54、的环境难以给细色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸。一旦环境能够提供色己经过许多步骤合成色氨酸。一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。细菌所以能停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵子做到这点是因为有色氨酸操纵子(trp operon)的调控。的调控。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇大肠杆菌中大肠杆菌中trp

55、操纵子操纵子华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇7.3.1 色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇7.3.2. 阻遏蛋白的负调控阻遏蛋白的负调控 合成色氨酸所需酶类的基因合成色氨酸所需酶类的基因E、D、C、B、A等等头尾相接串连排列组成结构基因群，受其上游的启头尾相接串连排列组成结构基因群，受其上游的启动子动子Ptrp和操纵子和操纵子O的调控，调控基因的调控，调控基因trpR的位置远的位置远离离P-O-结构基因群，在自身的启动子作用下，以组结构基因群，在自身的启动子作用下，以组成性方式低水平表达分

56、子量为成性方式低水平表达分子量为47000的调控蛋白的调控蛋白R，R并没有与并没有与O结合的活性，当环境能提供足够浓度的结合的活性，当环境能提供足够浓度的色氨酸时，色氨酸时，R与色氨酸结合后构象变化而活化，就与色氨酸结合后构象变化而活化，就能够与能够与O特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录。特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 因此色氨酸操纵子属于一种负性调控的、可因此色氨酸操纵子属于一种负性调控的、可阻遏的操纵子（阻遏的操纵子（repressible operon），即这操纵子通），即这操纵子通常是开放转录的，有效应物（色氨酸

57、为阻遏剂）作用常是开放转录的，有效应物（色氨酸为阻遏剂）作用时则阻遏关闭转录。细菌不少生物合成系统的操纵子时则阻遏关闭转录。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省的状态。济最节省的状态。 华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 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，1

58、990, Fig .13.16) 当缺乏色氨酸时当缺乏色氨酸时,该操纵子开放表达该操纵子开放表达阻遏物阻遏物当存在色氨酸时，该操纵子关闭当存在色氨酸时，该操纵子关闭华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇7.3.3. 弱化子及其作用弱化子及其作用 实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度、但实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能够活化还没有高到能够活化R使其起阻遏作用的程度时，产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，而且产生的酶生色氨酸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。仔细研究发现这种调控现量与色氨酸浓度呈负相

59、关。仔细研究发现这种调控现象与色氨酸操纵子特殊的结构有关。象与色氨酸操纵子特殊的结构有关。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇在色氨酸操纵子在色氨酸操纵子PO与第一个结构基因与第一个结构基因trpE之间有之间有162bp的一段前导区（的一段前导区（leading sequence，L），实验证），实验证明当色氨酸有一定浓度时，明当色氨酸有一定浓度时，RNA聚合酶的转录会终止聚合酶的转录会终止在这里。在这里。 这段序列中含有编码由这段序列中含有编码由14个氨基酸组成个氨基酸组成的短肽的开的短肽的开放阅读框，其序列中有放阅读框，其序列中有2个色氨酸个色氨酸相连，在此

60、开放阅读相连，在此开放阅读框前有核糖体识别结合位点（框前有核糖体识别结合位点（RBS）序列，提示这段）序列，提示这段短开放阅读框在转录后是能被翻译的。短开放阅读框在转录后是能被翻译的。华锐学院分子生物学课件华锐学院分子生物学课件2022-5-24高进勇 前导序列前导序列 trp L (leader sequence) :在在trp mRNA 5端端trpE基因的起始密码前一个长基因的起始密码前一个长162bp的的mRNA片段。起着随色氨酸浓度升高降低转录的作用；片段。起着随色氨酸浓度升高降低转录的作用； 弱化子弱化子(attenuator) ：也称内部终止子，：也称内部终止子， DNA中中可导