第五章 基因的表达与调控（上）课件

第五章基因的表达与调控(上)

——原核基因表达调控模式1第五章基因的表达与调控-上Contents基因表达调控的基本概念原核基因调控机制乳糖操纵子色氨酸操纵子其他操纵子转录后水平上的调控2第五章基因的表达与调控-上第一节基因表达调控的基本概念一、基因表达的概念geneexpression

：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为generegulation

。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达3第五章基因的表达与调控-上组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达(adaptiveexpression）二、基因表达的方式4第五章基因的表达与调控-上

1、组成性表达：

指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。5第五章基因的表达与调控-上2、适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。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因(induciblegene)；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(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。

6第五章基因的表达与调控-上三、基因表达的规律

——时间性和空间性1、时间特异性（temporalspecificity）按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。

7第五章基因的表达与调控-上8第五章基因的表达与调控-上2、空间特异性(spatialspecificity)基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性。9第五章基因的表达与调控-上四、基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）

维持个体发育与分化（真核）10第五章基因的表达与调控-上11第五章基因的表达与调控-上12第五章基因的表达与调控-上13第五章基因的表达与调控-上Contents基因表达调控的基本概念原核基因调控机制乳糖操纵子色氨酸操纵子其他操纵子转录后水平上的调控14第五章基因的表达与调控-上第二节原核基因调控机制原核生物基因调控一般执行如下规律•一个体系需要时被打开，不需要时被关闭。•基因的开与关是相对的。•开-关的活性可以通过转录水平上进行调节。•原核生物主要受到营养状况和环境因素的影响•真核生物主要是受发育阶段和激素水平的影响15第五章基因的表达与调控-上一、原核基因表达调控环节1、转录水平上的调控（transcriptionalregulation）2、转录后水平上的调控（post-transcriptionalregulation）①

mRNA加工成熟水平上的调控②

翻译水平上的调控16第五章基因的表达与调控-上17第五章基因的表达与调控-上18第五章基因的表达与调控-上二、操纵子学说1、操纵子模型的提出1961年，Monod和Jacob提出获1965年诺贝尔生理学或医学奖19第五章基因的表达与调控-上JacobandMonod20第五章基因的表达与调控-上2、操纵子的定义操纵子：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所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。21第五章基因的表达与调控-上22第五章基因的表达与调控-上23第五章基因的表达与调控-上1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答，可分为：正转录调控

负转录调控

三、原核基因调控机制的类型与特点p23224第五章基因的表达与调控-上调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白激活蛋白正转录调控负转录调控正转录调控如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控称为正转录调控。25第五章基因的表达与调控-上调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白激活蛋白正转录调控负转录调控负转录调控在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控称为负转录调控。26第五章基因的表达与调控-上可诱导调节(P235):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，即在某些物质的诱导下使基因活化。例：大肠杆菌的乳糖操纵子分解代谢蛋白的基因2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：27第五章基因的表达与调控-上调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白诱导物mRNA酶蛋白酶合成的诱导操纵子模型诱导物如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。28第五章基因的表达与调控-上可阻遏调节:基因平时是开启的，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的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。例：色氨酸操纵子合成代谢蛋白的基因29第五章基因的表达与调控-上酶合成的阻遏操纵子模型调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白调节基因操纵基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。30第五章基因的表达与调控-上3、在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。31第五章基因的表达与调控-上负控诱导负控阻遏32第五章基因的表达与调控-上4、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）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（辅阻遏物）的存在使激活蛋白处于非活性状态。33第五章基因的表达与调控-上正控诱导正控阻遏34第五章基因的表达与调控-上四、转录水平上调控的其他形式1、σ因子的更换(P234)

在E.coli中,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。35第五章基因的表达与调控-上大肠杆菌中的各种σ因子比较σ因子编码基因主要功能σ70rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控σ54rpoN参与多数氮源利用基因的调控σ38rpoH分裂间期特异基因的表达调控σ32rpoS热休克基因的表达调控σ28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控σ24rpoE过度热休克基因的表达调控36第五章基因的表达与调控-上温度较高,诱导产生各种热休克蛋白由σ32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要枯草芽孢杆菌芽孢形成有序的σ因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达37第五章基因的表达与调控-上2、降解物对基因活性的调节（P236）3、弱化子对基因活性的影响38第五章基因的表达与调控-上Contents基因表达调控的基本概念原核基因调控机制乳糖操纵子色氨酸操纵子其他操纵子转录后水平上的调控39第五章基因的表达与调控-上第三节乳糖操纵子(lacoperon)内容提要：乳糖操纵子的结构酶的诱导——lac体系受调控的证据乳糖操纵子调控模型影响因子Lac操纵子中的其他问题40第五章基因的表达与调控-上一、乳糖操纵子的结构41第五章基因的表达与调控-上Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。42第五章基因的表达与调控-上二、酶的诱导——lac体系受调控的证据43第五章基因的表达与调控-上安慰诱导物：

如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基-β

–D-硫代半乳糖苷）。44第五章基因的表达与调控-上45第五章基因的表达与调控-上46第五章基因的表达与调控-上三、乳糖操纵子调控模型主要内容：①Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码

47第五章基因的表达与调控-上48第五章基因的表达与调控-上②这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区（P），不能单独启动合成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。49第五章基因的表达与调控-上50第五章基因的表达与调控-上③操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。51第五章基因的表达与调控-上RNA聚合酶结合部位阻遏物结合部位52第五章基因的表达与调控-上操纵位点的回文序列53第五章基因的表达与调控-上

④当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。54第五章基因的表达与调控-上55第五章基因的表达与调控-上⑤当有乳糖存在时，乳糖与R结合，使R四聚体解聚成单体，失去与o的亲和力，与o解离，基因转录开放。大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，1ac操纵元处于阻遏状态。i基因在自身的启动子Pi控制下，产生阻遏蛋白R。R以四聚体形式与操纵子o结合，阻碍RNA聚合酶与启动子P的结合，阻止基因的转录起始56第五章基因的表达与调控-上57第五章基因的表达与调控-上组成型突变：lacOc

58第五章基因的表达与调控-上组成型突变：

lacI-59第五章基因的表达与调控-上不可诱导突变（超阻遏）：60第五章基因的表达与调控-上四、影响因子2401、lac操纵子的本底水平表达有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：①诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成也需要诱导。解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？61第五章基因的表达与调控-上②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的预先存在。解释：本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lacmRNA合成。62第五章基因的表达与调控-上2、大肠杆菌对乳糖的反应培养基：甘油

按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶；培养基：加入乳糖少量乳糖透过酶进入细胞β-半乳糖苷酶异构乳糖诱导物诱导lacmRNA的生物合成大量乳糖进入细胞多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）异构乳糖63第五章基因的表达与调控-上乳糖64第五章基因的表达与调控-上诱导物的加入和去除对lacmRNA的影响65第五章基因的表达与调控-上3、阻遏物lacI

基因产物及功能

Lac操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。

当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。66第五章基因的表达与调控-上4、葡萄糖对lac操纵子的影响如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，lac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。代谢物阻遏效应67第五章基因的表达与调控-上68第五章基因的表达与调控-上•有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。•因为葡萄糖是最方便的能源，细菌所需能源可从葡萄糖得到满足，无需启动其它基因。69第五章基因的表达与调控-上•某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步代谢中间物，该细菌的lac基因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lacmRNA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（cataboliterepression）。70第五章基因的表达与调控-上5、cAMP与代谢物激活蛋白p242•cAMP是在腺苷酸环化酶的作用下由ATP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。•

将细菌放在含葡萄糖的培养基中培养，cAMP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途径的碳源，cAMP的浓度就会很高。71第五章基因的表达与调控-上72第五章基因的表达与调控-上大肠杆菌中的代谢物激活蛋白，由Crp基因编码，能与cAMP形成复合物。CRP和cAMP都是合成lacmRNA所必需的，cAMP-CRP是一个不同于阻遏物的正调控因子，而lac操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下实现的。73第五章基因的表达与调控-上•cAMP受体蛋白CRP（cAMPreceptorprotein），cAMP与CRP结合后所形成的复合物称激活蛋白CAP

（cAMPactivatedprotein）。•在缺乏葡萄糖的培养基中，CAP合成量增加，CAP具有激活乳糖（Lac）等启动子的功能。一些依赖于CRP的启动子缺乏一般启动子所具有的典型的-35区序列特征（TTGACA）。因此RNA聚合酶难以与其结合.74第五章基因的表达与调控-上当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。cAMP—CAP复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。协调调节单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。75第五章基因的表达与调控-上76第五章基因的表达与调控-上ZYAOPDNA调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶cAMP—CAP复合物77第五章基因的表达与调控-上ATP腺苷酸环化酶cAMP（环腺苷酸）

大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；

有葡萄糖，cAMP浓度低78第五章基因的表达与调控-上79第五章基因的表达与调控-上80第五章基因的表达与调控-上++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时促进转录有葡萄糖，cAMP浓度低时不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正调控81第五章基因的表达与调控-上82第五章基因的表达与调控-上83第五章基因的表达与调控-上TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP84第五章基因的表达与调控-上TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!85第五章基因的表达与调控-上TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!86第五章基因的表达与调控-上五、Lac操纵子中的其他问题p2451、A基因及其生理功能半乳糖苷分子（IPTG）β-半乳糖苷酶分解产物（体内积累）β-半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷分子乙酰基87第五章基因的表达与调控-上2、lac基因产物数量上的比较β-半乳糖苷酶：透过酶：乙酰基转移酶=1：0.5：0.2翻译水平上受到调节：（1）lacmRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译；（2）在lacmRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。88第五章基因的表达与调控-上3、操纵子的融合与基因工程POZYAtsxPOpur结构基因缺失lacoperonpuroperontsxRZ-突变体89第五章基因的表达与调控-上Contents基因表达调控的基本概念原核基因调控机制乳糖操纵子色氨酸操纵子其他操纵子转录后水平上的调控90第五章基因的表达与调控-上第四节色氨酸操纵子（trpoperon）内容提要：色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的负控阻遏系统色氨酸操纵子的弱化机制91第五章基因的表达与调控-上一、色氨酸操纵子的结构

调控基因结构基因

催化分枝酸转变为色氨酸

的酶

trpRtrp92第五章基因的表达与调控-上93第五章基因的表达与调控-上二、trp操纵子的阻遏系统低Trp时：阻遏物不结合操纵基因;高Trp时：阻遏物+Trp结合操纵基因94第五章基因的表达与调控-上三、trp操纵子的弱化机制衰减子（attenuator）/弱化子前导序列（leadersequence）95第五章基因的表达与调控-上1、弱化子：DNA中可导致转录过早终止的一段核苷酸序列（123-150区）。在trpmRNA5‘端trpE基因的起始密码前有一个长162bp的mRNA片段被称为前导区，研究发现，当mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子，终止trp基因转录。因为转录终止发生在这一区域，并且这种终止是被调节的，这个区域就被称为弱化子。

分析前导序列，发现它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，编码了一个14个氨基酸的多肽。该多肽有一个特征，其第10位和11位有相邻的两个色氨酸密码子。正是这两个相连的色氨酸密码子（组氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有这种现象）调控了蛋白质的合成。96第五章基因的表达与调控-上123~15097第五章基因的表达与调控-上98第五章基因的表达与调控-上

研究引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。99第五章基因的表达与调控-上2、前导序列：在trpmRNA5'端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。100第五章基因的表达与调控-上101第五章基因的表达与调控-上3、弱化机制102第五章基因的表达与调控-上103第五章基因的表达与调控-上

前导肽转录终止结构104第五章基因的表达与调控-上细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。105第五章基因的表达与调控-上什么是操纵子（operon)?试说明色氨酸操纵子（Trpoperon)在原核基因表达调控中的调控机制和重要作用。2003年武汉大学分子生物学试题106第五章基因的表达与调控-上Contents基因表达调控的基本概念原核基因调控机制乳糖操纵子色氨酸操纵子其他操纵子转录后水平上的调控107第五章基因的表达与调控-上第五节其他操纵子一、半乳糖操纵子(galactoseoperon)有葡萄糖存在时gal也能被诱导，不同于lac操纵子，现已分离二类突变株；一类在不含G中高水平合成半乳糖代谢酶；另一类则依赖于G，没有G则不表达半乳糖代谢酶。因此认为gal中可能存在两个启动子。半乳糖代谢的酶:异构酶(galE)乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)半乳糖激酶(galk)。108第五章基因的表达与调控-上109第五章基因的表达与调控-上1.Gal操纵子的结构特征①gal操纵子有两个启动子，PG1和PG2。两个RNA聚合酶结合位点S1和S2（转录起始点）mRNA可以从两个不同的起始点开始转录。②它有两个O区，一个在P区上游–67~-53，而不是在P区与结构基因之间，另一个O区在结构基因galE内部，现在已知所有操纵子中仅此一例。110第五章基因的表达与调控-上111第五章基因的表达与调控-上2、CAP对gal操纵子的作用①从S1起始的转录只有当培养基中无葡萄糖（G）时才能进行（与Lac操纵子同）。②从S2起始的转录要依赖于葡萄糖，高水平的cAMP—CRP（无G)能抑制从S2的转录，当有cAMP—CRP时，转录从S1开始，当无cAMP—CRP时，转录从S2开始。112第五章基因的表达与调控-上3、双启动子的生理功能半乳糖对细菌有双重作用；一方面可以作为碳源供细胞生长；另一方面它又是细胞壁的成分。细胞壁合成的前体——尿苷二磷酸半乳糖（UDP—gal），在没有外源半乳糖的情况下，UDP—gal是通过半乳糖差向异构酶的作用由UDP—G合成的，该酶是galE基因的产物。因此，生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶；但因为合成细胞壁过程中对该酶的需要量很小，本底水平的永久型合成就能够满足生理需要。113第五章基因的表达与调控-上所以需要一个不依赖于cAMP—CRP的启动子（S2）进行本底水平的永久型合成；同时以半乳糖作为碳源供细胞生长，需要一个依赖于cAMP—CRP的启动子（S1）对高水平合成进行调节。有G时转录从S2开始无G时转录从S1开始114第五章基因的表达与调控-上二、阿拉伯糖操纵子（arabinoseoperon)araB基因、araA基因和araD,参与阿拉伯糖的降解，形成一个基因簇，简写为araBAD。三个基因的表达受到ara操纵子中araC基因产物AraC蛋白的调控。araB基因编码核酮糖激酶araA编码L-阿拉伯糖异构酶araD编码L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶。araE和araF负责将阿拉伯糖运入细胞内，它们位于远离这个基因簇的地方araE:膜蛋白araF:位于细胞壁与细胞膜之间的阿拉伯糖结合蛋白。115第五章基因的表达与调控-上araBAD具有复合启动子区域，两个操纵区（O1，O2）和一个调节基因araC。ara操纵子的调控有两个特点：第一，araC表达受到AraC的自身调控。第二，AraC既是ara操纵子的正调节蛋白（需cAMP-CRP的共同参与，起始转录），又是其负调节蛋白。这种双重功能是通过AraC蛋白的两种异构体来实现的（Pi和Pr)。116第五章基因的表达与调控-上araBAD和araC基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的，araBAD基因簇从启动子PBAD开始向右进行转录，而araC基因则是从Pc向左转录（图7-27）117第五章基因的表达与调控-上118第五章基因的表达与调控-上ara操纵子也是可诱导的，阿拉伯糖本身就是诱导物。在野生型操纵子中，只有阿拉伯糖存在时才转录出araBADmRNA，而有葡萄糖存在时则不转录。腺苷酸环化酶缺陷型和crp-突变株也不形成araBADmRNA，说明从PBAD起始的转录过程也需要cAMP-CRP。119第五章基因的表达与调控-上AraC蛋白具有PBAD活性正、负调节因子的双重功能。Pr是起阻遏作用的形式，可与类操纵区位点相结合，而Pi是起诱导作用的形式，它通过与PBAD启动子结合进行调节。没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与AraC蛋白结合，使平衡趋向于Pi形式。120第五章基因的表达与调控-上121第五章基因的表达与调控-上122第五章基因的表达与调控-上123第五章基因的表达与调控-上124第五章基因的表达与调控-上125第五章基因的表达与调控-上126第五章基因的表达与调控-上127第五章基因的表达与调控-上128第五章基因的表达与调控-上三、阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答当细菌DNA遭到破坏时，细胞内会启动一个被称为SOS的诱导型DNA修复系统。LexA阻遏物：是SOSDNA修复系统所有基因的阻遏物。SOS体系的诱导表达过程中LexA阻遏蛋白被移开。RecA蛋白：是SOS反应的最初的发动因子。在单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解LexA阻遏物。当RecA水解LexA阻遏物后，导致SOS体系（包括recA基因）高效表达，DNA得到修复129第五章基因的表达与调控-上图7-32大肠杆菌中受LexA蛋白阻遏的SOSDNA损伤修复系统操纵子的表达调控模式。130第五章基因的表达与调控-上一般情况下，约有1000个RecA蛋白单体分散在每个细胞中。当DNA严重受损时，单链DNA缺口数量增加，RecA与这些缺口处单链DNA相结合，被激活成为蛋白酶，将LexA蛋白切割成没有阻遏和操纵区DNA结合活性的两个片段，导致SOS体系（包括recA基因）高效表达，DNA得到修复。131第五章基因的表达与调控-上Contents基因表达调控的基本概念原核基因调控机制乳糖操纵子色氨酸操纵子其他操纵子转录后水平上的调控132第五章基因的表达与调控-上一、翻译起始的调控

RBS（核糖体结合位点）：mRNA链上起始密码子AUG上游的包括SD序列在内的一段非翻译区。RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码子AUG之间的距离。

SD-4-10（9）-AUG第六节转录后水平上的调控p272133第五章基因的表达与调控-上二、稀有密码子对翻译的影响p275dnaG(引物酶)RNA引物dnaG、rpoD(编码RNA聚合酶亚基)和rpsU(30S核糖体上的S21蛋白)属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子50个拷贝的dnaG蛋白、2800个拷贝的rpoD和40000个拷贝的rpsU134第五章基因的表达与调控-上几种蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较蛋白质AUU/%AUC%AUA%结构蛋白37621σ亚基26740DnaG蛋白363232细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。135第五章基因的表达与调控-上三、重叠基因对翻译的影响136第五章基因的表达与调控-上

重叠基因最早在大肠杆菌噬菌体ΦX174中发现，用不同的阅读方式得到不同的蛋白质，丝状RNA噬菌体、线粒体DNA和细菌染色体上都有重叠基因存在。

Trp操纵子由5个基因（trpE、D、C、B、A）组成，在正常情况下，操纵子中5个基因产物是等量的，但trpE突变后，其邻近的trpD产量比下游的trpBA产量要低得多。这种与ρ蛋白无关的表达调控，已被证实是在翻译水平上的调控。137第五章基因的表达与调控-上TrpB–谷氨酸-异亮氨酸-终止GAA--AUC--UGA

--UGG--AA

AUG--GAA

甲硫氨酸–

谷氨酸–trpAtrpE—苏氨酸—苯丙氨酸—终止

ACU--UUC--UGA--UGG--CUAUG

AUG–GCU

甲硫氨酸--丙氨酸--trpD翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码子保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。138第五章基因的表达与调控-上四、

魔斑核苷酸水平对翻译的影响

科学上，把培养基中营养缺乏，蛋白质合成停止后，RNA合成也趋于停止这种现象称为严紧控制（rel+）；反之则称为松散控制（rel-）。研究发现，在氨基酸缺乏时，rel+菌株能合成鸟苷四磷酸（ppGpp）和五磷酸（pppGpp），而rel-菌则不能。

GTP+ATP→pppGpp+AMP→ppGpp

ppGpp的主要作用可能是影响RNA聚合酶与启动子结合的专一性，从而成为细胞内严紧控制的关键。当细胞缺乏氨基酸时产生ppGpp，可在很大范围内做出应急反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。139第五章基因的表达与调控-上五、反义RNA的调节RNA也可以作为反式作用调节因子参与基因表达的调控。RNA调节物的靶分子为单链核酸序列。RNA调节物与目标分子互补，形成双链区，通过改变靶分子的二级结构来控制靶分子的活性。140第五章基因的表达与调控-上RNA调节物与阻抑操纵子的蛋白质的不同点是RNA没有变构的性质，不能受其他小分子影响而改变识别靶分子的能力。它的调节作用随着其产生而产生，随着其消失而失去。反义RNA就是一种RNA调节物。反义RNA与mRNA上核糖体结合位点结合，使核糖体不能结合，使翻译不能起始。141第五章基因的表达与调控-上142第五章基因的表达与调控-上143第五章基因的表达与调控-上144第五章基因的表达与调控-上145第五章基因的表达与调控-上六、mRNA二级结构对翻译的调控翻译一个顺反子需要二级结构的改变。mRNA上有多个核糖体存在时，第一个顺反子的翻译会破坏mRNA原有的二级结构，使核糖体能够与下一个顺反子的翻译起始区域结合。146第五章基因的表达与调控-上147第五章基因的表达与调控-上148第五章基因的表达与调控-上七、阻抑蛋白对翻译起始的调控

阻抑蛋白通过与mRNA的特定区域结合，抑制核糖体对翻译起始区的识别。这种调控最常见的形式是，调控蛋白与含有起始密码子AUG的序列直接结合，从而阻止核糖体的结合。149第五章基因的表达与调控-上150第五章基因的表达与调控-上151第五章基因的表达与调控-上1、关于管家基因叙述错误的是

(A)在生物个体的几乎各生长阶段持续表达

(B)在生物个体的几乎所有细胞中持续表达

(C)在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中表达

(D)在生物个体的某一生长阶段持续表达

(E)在一个物种的几乎所有个体中持续表达D152第五章基因的表达与调控-上2、一个操纵子（元）通常含有

(A)数个启动序列和一个编码基因

(B)一个启动序列和数个编码基因

(C)一个启动序列和一个编码基因

(D)两个启动序列和数个编码基因

(E)数个启动序列和数