原核生物基因表达的调控

关于原核生物基因表达的调控第1页，课件共70页，创作于2023年2月6.1.1DiscoveryofOperon

1961年,F.Jacob&J.Monod提出,此后不断完善。获1965年诺贝尔生理学和医学奖1940年，Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶1947年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化中的意义”FrancisJacob

JacquesMonod

6.1乳糖操纵元第2页，课件共70页，创作于2023年2月1951年，Monod与Jacob合作，发现两对基因：Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关；I基因：决定细胞对诱导物的反应。Szilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。

Jacob：结构基因旁有开关基因（操纵基因），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。第3页，课件共70页，创作于2023年2月乙酰基转移酶半乳糖苷透性酶ß-半乳糖苷酶操作位点乳糖操纵元结构调节基因第4页，课件共70页，创作于2023年2月操纵元是一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调节的单位，包括调节基因，操纵位点，结构基因，组成一个控制单元结构基因：产生mRNA,合成蛋白质操纵位点promotor,operator：启动子结合位点调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）→结构基因不转录诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合→结构基因转录ControlelementStructuralgenes第5页，课件共70页，创作于2023年2月6.1.2酶的诱导现象B-半乳糖苷酶第6页，课件共70页，创作于2023年2月分解底物的酶只有在底物存在时才出现！无乳糖时，几个B-gal/cell

加入乳糖时，5000个再去掉乳糖，lacmRNA下降

乳糖能激发lacmRNA的合成

乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶合成？培养基（35S-aa,无乳糖）→E.coli繁殖→培养基（无35S-aa,加入乳糖）→β-gal(无35S)第7页，课件共70页，创作于2023年2月6.1.3调控机理1调控区结构lacI,1045bp，独立PiP,82bp，－82～＋1O,35bp，－7～＋28lacZYA第8页，课件共70页，创作于2023年2月2.阻遏状态第9页，课件共70页，创作于2023年2月3诱导状态诱导物诱导作用：在可诱导的操纵元中，加入对基因表达有调节作用的小分子后，开启基因的转录活性第10页，课件共70页，创作于2023年2月4诱导物不是乳糖生成lac诱导物乳糖代谢Allolctose异构乳糖别乳糖细胞内β-半乳糖苷酶来源?第11页，课件共70页，创作于2023年2月6.1.4阻遏蛋白的作用机制1阻遏蛋白结构38KD，4聚体，一个亚基结合一个乳糖分子lacI

组成型转录

Pi弱启动子，

5－10个／cell具有二重性阻止转录（与lacO结合）开始转录（与诱导物结合）第12页，课件共70页，创作于2023年2月

阻遏蛋白的结构域

头段，-NH2端，lacO结合区绞链区

核心段，-COOH，诱导物结合区第13页，课件共70页，创作于2023年2月4个亚基的核心片段接触形成四聚体第14页，课件共70页，创作于2023年2月第15页，课件共70页，创作于2023年2月

对称轴，+11对称序列，6bp

阻遏蛋白的结合位点－－lacO的结构第16页，课件共70页，创作于2023年2月3阻遏蛋白对RNApol功能的影响阻遏蛋白和RNApol可同时与DNA结合

RNApol与启动子结合的平衡常数1.9X107

有阻遏蛋白时,2.5X109结合着的RNApol不能转录.但加入诱导物后,释放出阻遏蛋白,变为开放型启动子复合物.阻遏蛋白实际上使RNApol贮存在启动子上。这一模式是否存在于其它操纵元系统中？第17页，课件共70页，创作于2023年2月+glucose-glucoseTime(hr)Unitsof-galactosidase+lactoseGlucoseadded6.1.5lacoperon的正调控

1代谢物阻遏效应实验，在lac＋Glu培养基上

E.coli只利用G，只有G

耗尽时，才会利用lac葡萄糖抑制lacmRNA的转录：

可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应仅去掉阻遏物并不能启动lac基因表达,有其它因素参与第18页，课件共70页，创作于2023年2月葡萄糖对lac操纵元表达的抑制是间接的

乳糖的降解是通过cAMP与CAP结合起作用的

cAMP:环化腺苷酸CAP,cataboliteactivatorprotein

由crp编码CRP,catabolitereceptorprotein第19页，课件共70页，创作于2023年2月第20页，课件共70页，创作于2023年2月2CAP结合位点CAP为二聚体，45KD，被cAMP激活结合位点～22bpI-70~-50II-50~-40第21页，课件共70页，创作于2023年2月由于序列的差异，使不同基因受cAMP激活的水平不同结合位点序列保守第22页，课件共70页，创作于2023年2月3CAP的结合对DNA构型的影响DNA弯曲弯曲点位于CAP结合位点二重对称的中心弯曲使CAP能与启动子上的RNApol接触第23页，课件共70页，创作于2023年2月（1）CAP结合位点与转录起始点的位置CAP与转录起始点的距离，相距数个整双螺旋CAP结合位点在启动子的上下游，都能发挥作用4

CAP对转录的影响第24页，课件共70页，创作于2023年2月（2）基因转录对cAMP—CAP系统的依赖性，

与启动子本身的效率有关cAMP-CAP复合物的结合，使位点II附近的富含GC区域双螺旋结构稳定性降低，因而-10区的熔解温度降低，促进开放型启动子复合物的形成第25页，课件共70页，创作于2023年2月（3）CAP激活转录的方式CAP直接作用于RNApola亚基缺失RNApola亚基的—C末端时，失去受CAP激活的能力作用于DNA，改变其结构第26页，课件共70页，创作于2023年2月6.1.6lacoperon的其它问题1.lacoperon的功能是在正负两个调控体系的协调作用(coordinateregulation)下实现的。阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用；如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性CAP组成型合成，所以cAMP－CAP复合物取决于cAMP含量腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，因此cAMP－CAP调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在，这些操纵元就不表达

第27页，课件共70页，创作于2023年2月2.A基因及其生理功能编码B-半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒.所以lacA虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累3.lac基因产物数量，1：0.5：0.2

不同酶的数量差异,是由于在翻译水平上的调节.方式有二:核糖体脱离:多顺反子的差别性翻译

内切酶作用:在lacmRNA分子内部，a基因比z基因更易受内切酶作用第28页，课件共70页，创作于2023年2月Summary第29页，课件共70页，创作于2023年2月第30页，课件共70页，创作于2023年2月SummaryoflacoperonregulationGlucosecAMPLactoseTranscriptionoflacmRNAHighLowPresentlowrateofexpressionHighLowAbsentessentiallynoneLowHighAbsentessentiallynoneLowHighPresenthighrateofexpression第31页，课件共70页，创作于2023年2月6.2Trpoperon生物细胞中的氨基酸合成，也受操纵元的调节。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。第32页，课件共70页，创作于2023年2月trpR,阻遏蛋白P，-40~+18O,-21~+1L,+1~+162结构基因t,A下游36bp,不依赖pt’,t下游250bp，依赖p6.2.1基因组成第33页，课件共70页，创作于2023年2月sne298第34页，课件共70页，创作于2023年2月6.2.2Trpoperon的阻遏系统1TrpR四聚体第35页，课件共70页，创作于2023年2月阻遏蛋白＋trp

→有活性的阻遏物SNE299＋trpO→不转录第36页，课件共70页，创作于2023年2月2阻遏蛋白的结合位点

trpO-21~+1，反向重复序列trpP-40~+18活性阻遏物与trpO的结合与RNApol与启动子的结合发生竞争SNE299第37页，课件共70页，创作于2023年2月3阻遏系统主管转录是否启动，在培养基中有少量Trp时，mRNA起始合成，但不能自动延伸，一般在trpE之前终止转录

粗调开关第38页，课件共70页，创作于2023年2月6.2.3弱化作用

attenuation1弱化子，衰减子，α前导RNA，140bpα第39页，课件共70页，创作于2023年2月弱化子，衰减子，α第40页，课件共70页，创作于2023年2月序列分析发现，其中4个片段进行配对，形成不同的二级结构Terminator第41页，课件共70页，创作于2023年2月

S3122前导肽14aa第42页，课件共70页，创作于2023年2月第43页，课件共70页，创作于2023年2月3转录弱化作用LackoftrpLackofaminoacyltRNARibosomepauseattrpcodons,occludingsequence1Form2:3hairpinanti-terminator

TranscriptionintotrpEandbeyond第44页，课件共70页，创作于2023年2月HightrpTrpisinsertedatthetrpcodonsTranslatetotheendofleadermessageRibosomeoccludesequence2Terminatetranscriptionat(3:4formterminator)第45页，课件共70页，创作于2023年2月弱化子对转录调控的关键空间结构，10thand11thcodonsencodetrpresidues(rareAA)时间，核糖体停顿在2个Trp密码子上时，产生延宕，此时4区未转录出来Theleaderpeptideistodeterminertrpavailabilityandtoregulatetranscriptiontermination14–amino-acid(encodedby27-68oftheleaderRNAsummary第46页，课件共70页，创作于2023年2月6.2.4阻遏作用与弱化作用的协调

阻遏效率启动子的转录起始频率在R+和R-相差70倍弱化作用

trp存在时，约有10％的RNApol侥幸转录trp操纵子具有双重调节体系？第47页，课件共70页，创作于2023年2月Negative—repressibleoperon可以被最终合成产物所阻遏RPOleadingseq.EDCBAtrp+为什么需要阻遏体系？当大量Trp存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，阻止先导mRNA合成。

经济第48页，课件共70页，创作于2023年2月仅有少量trp时，RNApol启动，但在L.S.处脱落，转录中断RPOleadingseq.EDCBA少量trp+不足以结合

O

位点为什么需要弱化系统？当trp浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发trp合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基中适当的Trp水平,弱化系统恰恰符合此要求。第49页，课件共70页，创作于2023年2月第50页，课件共70页，创作于2023年2月6.2.5正控制系统和负控制系统1负控制系统：在没有调节蛋白质存在时基因表达，加入调节蛋白后基因表达活性被关闭阻遏蛋白：负控制系统中的调节蛋白第51页，课件共70页，创作于2023年2月Addsignalmol.OperonoffCo-repressor辅阻遏物Addsignalmol.OperononInducer诱导物(inducibleoperon)(repressibleoperon)负控诱导负控阻遏第52页，课件共70页，创作于2023年2月2正控制系统：没有调节蛋白质存在时基因关闭,加入这种调节蛋白质后基因活性被开启诱导蛋白第53页，课件共70页，创作于2023年2月6.3基因转录的时序调控概念：原核生物在生长发育的各个阶段，基因的表达是按照一定时间顺序进行的意义有效利用能源避免不适当的表达，造成的危害途径亚基的更换（枯草杆菌，E.coli，T4phage）

T7噬菌体生长过程中RNApol的替代噬菌体基因表达的调控第54页，课件共70页，创作于2023年2月亚基的更换8.3.1枯草杆菌噬菌体SPO1早中晚基因表达的转换SPO1，烈性噬菌体如何实现早中晚基因表达的转换?通过更换亚基，使SPO1的早中晚基因有条不紊地表达因子的负责识别启动子的保守序列，是转录起始唯一需要的因子。许多细菌能生产多种可取代的因子，以识别不同的启动子。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第55页，课件共70页，创作于2023年2月早期，2‘55，产生gp28gp28

取代

55第56页，课件共70页，创作于2023年2月中期，gp28取代55产生gp33,gp34第57页，课件共70页，创作于2023年2月晚期,gp33,gp34取代

gp28，

55第58页，课件共70页，创作于2023年2月枯草杆菌中每个因子都能识别具有特征性的一致序列的一组启动子调节蛋白质相互取代的原因，可能是它们与核心酶的亲和力所决定的第59页，课件共70页，创作于2023年2月6.4小分子RNA的翻译调节6.4.1干扰mRNA的互补RNAmRNA－interferingcomplementaryRNA1983年，Mizuno,Simon几乎同时发现RNA可作为调节因子，与调节蛋白一样，RNA合成后，可扩散到靶位点。RNA也可作为调节物质？！反义RNA，可与mRNA结合结合位点是S-D,AUG,部分N端密码子与RNA形成双螺旋结构，作为内切酶底物与转录产物结合，使转录提前终止第60页，课件共70页，创作于2023年2月例，Ecoli中外膜蛋白ompF的表达调控λ噬菌体，cII蛋白抑制晚期基因转录Tn10中转座酶翻译的调节第61页，课件共70页，创作于2023年2月6.4.2Ecoli中ompF

基因的翻译调节Env，编码渗透压感受器的受体蛋白ompC低渗时，ompC关闭，ompF增加高渗时，ompC增加，ompF下降ompC与ompF是外膜蛋白，受培养基渗透压的调节第62页，课件共70页，创作于2023年2月第63页，课件共70页，创作于2023年2月RNAi技术1998年2月，AndrewFire等将单链RNA纯化后注射线虫时发现，基因抑制