分子生物学 ch7原核生物基因表达调控课件

1、第七章 原核生物基因表达调控第一节 概述第二节 乳糖操纵子 第三节 色氨酸操纵子分子生物学谢谢！作业一、名词解释：操纵子、CAP、安慰性诱导物二、试解释大肠杆菌在有葡萄糖和乳糖存在时，只利用葡萄糖作为碳源，而不利用乳糖，只有在没有葡萄糖存在时，才利用乳糖作为碳源这一现象的分子机制。三、试解释在有色氨酸存在时，大肠杆菌利用外界提供的色氨酸，而很快关闭其体内色氨酸合成途径的分子机制。第一节 概 述一、基因表达调控二、原核生物基因表达调控特点分子生物学是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。基因表达(gene

2、expression)转录水平调控反式作用因子：通过扩散到与其编码基因不在同一个DNA分子上的靶位置，并识别结合而调节基因表达的分子。如转录因子、RNA聚合酶顺式作用元件：通常只在原位影响与其处于同一个DNA分子上的、物理上紧密相连的基因表达的DNA序列。通常不编码蛋白，多位于基因旁侧或内含子中。如启动子、终止子、增强子、操纵基因分子生物学原核生物基因表达调控的特点主要是适应性调节主要是转录水平的调节以操作子为单位，负调控存在其它调控机制细菌对营养的适应： 分解代谢：碳源首先是葡萄糖，其它碳源必须先分解为葡萄糖，才能利用 合成代谢：当培养基中含某种氨基酸时，有关这种氨基酸生物合成的酶类几乎完全

3、缺失 F雅各布（Francois Jacob 1920）法国生物化学家、分子生物学家 JL莫诺（Jacques L. Monod 19101976）法国生物学家 操纵子(operon) 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。 调节基因：编码控制其它基因表达的蛋白质或RNA的基因。调节蛋白或调节因子：是调节基因产物，是一类反式作用因子，与操作基因结合控制下游基因转录。阻遏物或阻遏蛋白(repressive protein) ：与操

4、纵基因结合后能减弱或阻止结构基因转录的调控蛋白。激活物或激活蛋白(activating protein) ：与操纵子结合后能增强或起动结构基因转录的调控蛋白。 阻遏蛋白(repressor)的结合操纵序列 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白 调节蛋白需要有一个小分子物质的结合并改变其活性，这个小分子物质称为效应物(effector)。 分为： 诱导物(inducer)：与调节蛋白结合，使阻遏物失活或活化激活蛋白诱导基因表达 辅阻遏物(corepressor)：与调节蛋白结合，活

5、化阻遏蛋白或失活激活蛋白阻遏基因表达根据调节蛋白对操作子的影响： 正调控 调节蛋白（激活蛋白）结合基因表达 调节蛋白（激活蛋白）脱离基因关闭 负调控 调节蛋白（阻遏蛋白）结合基因关闭 调节蛋白（阻遏蛋白）脱离基因表达 根据效应物对操作子影响： 诱导型：有效应物（诱导物）基因表达 无效应物（诱导物）基因表达关闭或阻遏 阻遏型：有效应物（辅阻遏物）基因表达关闭或阻遏 无效应物（辅阻遏物）基因表达 操纵子分类四类： 可诱导的正调控型：（ara O）： 可阻遏的正调控型 可诱导的负调控型（lac O)、 可阻遏的负调控型（trp O）调节蛋白结合阻遏基因表达 调节蛋白结合基因表达 （阻遏蛋白） （激活

6、蛋白）少 （诱导物） （辅阻遏物）有效应物基因表达 无效应物基因表达表达表达表达表达CRP调节乳糖操纵子（lac）一、乳糖操纵子（lac ）的结构二、lac操纵子的负调控和正调控分子生物学乳糖代谢三种酶蛋白的结构基因Z、Y、A： lacZ基因：编码半乳糖苷酶，500KD的四聚体，可催化水解乳糖生成葡萄糖和半乳糖lacY基因：编码 半乳糖苷通透酶，30KD的膜结合蛋白，将 半乳糖转运进细胞lacA基因：编码 半乳糖苷乙酰转移酶，将乙酰基转移到 半乳糖上分子生物学乳糖调节蛋白由调节基因lacI编码，单顺反子，有自身弱启动子，能独立地组成型表达阻遏蛋白一个结合位点是诱导物结合位点，可被小分子诱导物结

7、合，改变其构型，从而影响与操纵基因结合的活性阻遏蛋白一个结合位点是操纵基因结合位点，调节蛋白以四聚体形式与操纵基因Olac结合，阻遏结构基因的表达分子生物学CAP（降解物活化蛋白）或CRP（环腺苷酸受体蛋白）是分子量为22.5kd的二聚体，CRP单体具有DNA结合区和转录激活区，二聚体被单个cAMP活化，cAMPCAP复合物与启动子结合，促进基因表达葡萄糖分解代谢降低cAMP水平，使得其他分解代谢受阻CAP对RNA聚合酶的作用 直接作用于RNA聚合酶，作用于DNA，引起DNA呈程90度弯曲，使CAP能与启动子上的RNA聚合酶接触 mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因乳

8、糖操纵子可诱导的负调节机制mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖异乳糖异构酶 安慰诱导物（ gratutious inducer）：又称义务诱导物：能高效诱导酶的合成，但不是酶作用底物，与酶底物结构类似的分子lac操纵子可诱导的负调控乳糖操纵子的正调节机制代谢物调控模型 细菌优先利用葡萄糖作为碳源，抑制其他糖类代谢的操纵子表达，如果有葡萄糖存在，即使有乳糖等其它诱导物碳源的存在，也优先利于葡萄糖。 CAP的正性调节 大肠杆菌利用乳糖的三种酶的合成受乳糖操纵子（lac）的调控，其结构如图所示，lacZ、lacY和lacA分别编码半乳糖苷酶、通透酶和转乙酰酶，结构

9、基因由位于上游的一个lac启动子（lacP）起始转录；lac操纵基因（lacO）位于lacP启和lacZ之间，并且和lacP有部分重叠，其上可结合位于上游具有独立转录单位的lac调节基因（lacI）的产物阻遏蛋白，阻遏RNA聚合酶结合lacP，并阻止下游基因的转录，当阻遏蛋白和诱导物（如乳糖、IPTG、半乳糖等）结合后，阻遏蛋白变成无活性的形式，不能结合lacO位点， RNA聚合酶结合lacP 起始转录，这就是lac操纵子的可诱导的负调控模型。Lac操纵子调控机制总结另外，在lacP上游近邻部位有一个CAP（降解物活化蛋白）结合位点，只有此位点结合cAMPCAP复合物后，才可大大促进RNA聚合

10、酶结合lacP起始转录，否则转录效率极低，这就是lac操纵子的正调控模型，而胞内cAMP的含量受葡萄糖的调节，当葡萄糖存在时，cAMP浓度极低，cAMPCAP复合物的极少，CAP位点空出，结构基因转录效率也就极低。这就是乳糖操纵子的正调节机制。因此，催化利用乳糖的三种酶的合成受到乳糖操纵子可诱导的负调控和正调控两种机制的共同调控。lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖，cAMPCAP正调控和可诱导的lac负调控同时起作用，细菌才利用lac 当低葡萄糖而高乳糖时，部分乳糖在半乳糖苷酶作用下转变为异乳糖，异乳糖可作为诱导物和阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，不能结合lacO，RNA聚合酶起始

11、转录利用乳糖的酶；同时，由于没有葡萄糖存在，胞内cAMP浓度高，大量的 cAMPCAP复合物结合在CAP位点，极大的促进转录效率，半乳糖苷酶、通透酶和转乙酰酶的含量高，这时候，细菌就分解乳糖为葡萄糖和半乳糖，葡萄糖直接作为碳源，半乳糖利用gal操纵子调控的酶转变为葡萄糖，由于阻遏物不断合成，当乳糖被消耗完毕后，有活性的阻遏蛋白可重新建立阻遏状态，酶合成被抑制，经过一段延迟期后，逐渐被稀释。当高葡萄糖和高乳糖时，乳糖可作为诱导物和阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，不能结合lacO，RNA聚合酶可结合lacP起始转录分解利用乳糖的酶；同时，但是由于葡萄糖存在，胞内cAMP浓度极低，没有cAMPCAP结

12、合在CAP位点，转录虽然可以起始但还是效率极低，半乳糖苷酶、通透酶和转乙酰酶的含量非常少，这时候，细菌就利用葡萄糖作为碳源，而不利用乳糖。色氨酸操纵子（trp）一、色氨酸操纵子（trp）结构二、色氨酸操纵子负调控和衰减机制分子生物学色氨酸操纵子的结构5个结构基因：trpE-D-C-B-A；位于25min处调节基因：Rtrp基因，位于90min处，编码阻遏蛋白与O结合Ptrp的10序列完全位于Otrp之内，使得RNA聚合酶对启动子结合受到阻遏蛋白的排斥调控序列：P-O-L。 L是一段162bp序列，转录到mRNA5端，称前导区序列，包括编码14aa的前导肽序列和其后一段序列，对操纵子转录起调控作

13、用分子生物学色氨酸操纵子结构分子生物学阻遏蛋白？前导区的特点1 、前导区长162bp，最前一段序列可以编码产生14aa的前导肽，其10、11位有并列两个色氨酸密码子2、紧随其后的序列，含4个互补区段，1和2、2和3、3和4均能互补配对分别形成发夹结构A、B和C，其中1区处于14个氨基酸的前导肽序列中。若形成A、C发夹结构， C发夹结构富含GC，GC区段易形成茎环二级结构，末端有8个U的区段构成一个不依赖于 因子的终止信号，能使mRNA合成提前终止，产生162个核苷酸长度的前导RNA；若形成B发夹结构，则转录继续，而发夹结构形成那种形式取决于外界trp含量分子生物学ACBUUUUUUUU调节区

14、结构基因 trpROP前导序列 衰减子 UUUU前导mRNA1234强终止子结构 第10、11密码子为trp密码子 终止密码子 14aa前导肽编码区: 包含序列1 形成发夹结构能力强弱： 序列1/2序列2/3序列3/4 trp 密码子 UUUU细菌氨基酸合成操纵子中前导区序列以形成不同二级结构的方式,利用原核生物转录与翻译的偶联对转录进行调节，这段区域也称为衰减子或弱化子（attenuator）。分子生物学启动子调控可阻遏的负调控系统色氨酸操纵子的可阻遏调控Trp Trp 高时 Trp 低时 mRNA OPtrpR调节区 结构基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 ！色氨酸操纵子 可阻遏的负调控 调

15、节蛋白单独是不能与操纵基因结合的，只有与色氨酸结合后，构象发生改变，成为具有活性的阻遏物与操纵基因结合，使RNA Pol不能和启动子结合而抑制了转录。色氨酸是一种辅阻遏物（corepressor） 衰减机制 在色氨酸浓度未达到能起阻遏作用时，从Ptrp起始转录，RNA聚合酶沿DNA转录合成mRNA，同时，核糖体就结合到新生成的mRNA核糖体结合位点上，开始翻译。色氨酸-tRNAtrp量少，使核糖体沿mRNA翻译移动的速度慢，赶不上RNA聚合酶沿DNA移动转录的速度，这时核糖体占据前导序列1区域，使不能生成发夹结构A ，于是2和3区域配对就形成发夹结构B ，阻止了生成终止信号的C结构，RNA聚合

16、酶得以沿DNA前进，继续去转录，trp就处于开放状态。 分子生物学低Trp时：抗终止结构继续转录分子生物学当色氨酸浓度增高时，色氨酸-tRNAtrp浓度随之升高，核糖体沿mRNA翻译移动的速度加快，占据1和2区域，3和4配对就形成具有终止结构C茎环，RNA聚合酶终止转录，于是已经开始的转录就减弱。 分子生物学高Trp时：衰减作用转录终止分子生物学ABCCUUUU34UUUU 334核糖体 前导肽 前导mRNA1.当色氨酸浓度高时 转录衰减机制 125 trp 密码子 衰减子结构就是终止子可使转录前导DNA UUUU 3 RNA聚合酶 终止UUUU342423UUUU核糖体 前导肽 前导mRNA

17、 15 trp 密码子 结构基因前导DNA RNA聚合酶 2.当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关结构基因被转录 序列3、4不能形成衰减子结构 色氨酸操纵子的两种调控方式粗调：可阻遏的负调控，即由辅阻遏物（色氨酸）和阻遏蛋白R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，造成RNA聚合酶受阻，操纵子不能转录，控制转录的起始。细调：衰减系统，通过核糖体对mRNA前导序列的结合，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。分子生物学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己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够

18、提供色氨酸时，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。细菌通过色氨酸操纵子（trp ）的调控来适应环境。Trp操纵子调控机制总结Trp操纵子结构如图所示，包括编码催化合成trp的生化反应的酶的5个结构基因：trpE-D-C-B-A ；阻遏蛋白R由位于远距离的独立转录单位Rtrp基因编码，与Otrp结合；以及由启动子（trpP）、操纵基因（trpO）、前导序列构成的调控序列：trpP-O-L，其中trpP的10序列完全位于trpO之内， trpO可结合辅阻遏物（色氨酸）和阻遏蛋白R构成的活性阻遏复合物，使得RNA聚合酶对trpP结合受到排斥，从而关闭结构基因的转录，

19、这就是trp操纵子可阻遏的负调控模型。同时在色氨酸操纵子trpP-O与第一个结构基因trpE之间间隔162bp，称为前导区，可以终止和减弱转录。trpL具有如下特点： （1）前导区长162bp，最前一段序列可以编码产生14aa的前导肽，其10、11位有并列两个色氨酸密码子，其他氨基酸操纵子中也有类似情况，其他氨基酸操纵子中也有类似情况;（2）紧随其后的序列，含4个互补区段，1和2、2和3、3和4均能互补配对分别形成发夹结构A、B和C，其中1区处于14个氨基酸的前导肽序列中。若形成A、C发夹结构， C发夹结构富含GC，GC区段易形成茎环二级结构，末端有8个U的区段构成一个不依赖于因子的终止信号，能使mRNA合成提前终止，若形成B发夹结构，则转录继续，而发夹结构形成那种形式取决于外界trp含量,可根据色氨酸的量调节trp操纵子停止转录或继续转录，这就是trp操纵子的衰减作用。因此，trp的合成受可阻遏的负调控系统和trpL引起的衰减作用共同调控。粗调：可阻遏的负调控，即由辅阻遏物（色氨酸）和阻遏蛋白R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，造成RNA聚合酶受