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1、第一节 概述,第六章 原核生物基因表达调控,负转录调控（阻遏蛋白） 负控诱导 负控阻遏 正转录调控（激活蛋白） 正控诱导 正控阻遏,可诱导调节：乳糖操纵子 可阻遏调节：色氨酸操纵子 弱化子调节：色氨酸操纵子 降解物阻遏：葡萄糖效应（cAMP） 细菌的应急反应： 信号鸟苷四磷酸或鸟苷五磷酸 诱导物空载tRNA,第二节 操纵子学说,操纵子模型 1. 操纵子的发现 2. 操纵子的结构,Lac操纵子的调控机理 1. 可诱导的负调控 2. 可诱导的正调控,Discovery of Operon 1961年, F. Jacob & J.Monod提出, 此后不断完善，获1965年诺贝尔生理医学奖。 194

2、0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，葡萄糖耗尽后，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”。 细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶。,诱导酶产生的实验证据： 诱导前后酶的表达情况有何变化？,分解底物的酶只有当底物存在时才出现！,培养基（35S-aa, 无乳糖） E.coli 繁殖细胞有放射性 培养基（无35S -aa, 加入乳糖） -gal(无35S),2.诱导酶是由酶前体转化而来，还是新酶合成的？,乳糖操纵子的结构,调节基因,1. 非代谢诱导物，安慰诱导物 gratuitous inducer 可诱导半乳糖苷酶产生，但不

3、是其底物,异丙基半乳糖苷（ IPTG） 巯甲基半乳糖苷（ TMG） O-硝基半乳糖苷（ ONPG）,在研究诱导作用时，很少使用乳糖,2.本底水平的组成型合成 乳糖 异乳糖,原核生物基因表达调控,乳糖操纵子的调控机制： 负调控（负控制）：阻遏蛋白的调控作用,无诱导物时,lacI,P,O,有诱导物时,无诱导物阻遏蛋白有活性lac操纵子关闭 有诱导物阻遏蛋白无活性lac操纵子开启,转录,2. 正调控： cAMP-CRP的调控作用,cAMP-CRP促进结构基因转录，使操纵子开启,I -70 -50 II -50 -40,cAMP-CRP复合物与启动子的结合是lac mRNA合成起始所必需的，有利于形成

4、稳定的开放型启动子RNA聚合酶结构。,CAP, catabolite activator protein CRP, catabolite receptor protein 由crp编码,环腺苷酸cAMP,cAMP受葡萄糖代谢的影响： 葡萄糖代谢的中间产物抑制cAMP合成 或促进cAMP分解,葡萄糖对lac操纵子表达的抑制是间接的,有葡萄糖无cAMP CRP不结合操纵子关闭 无葡萄糖有cAMP cAMP-CRP结合操纵子开启,第三节 色氨酸操纵子,Trp操纵子的结构 可阻遏的负调控-粗调 弱化系统-细调,一、Trp操纵子的结构,阻遏蛋白基因R 启动子P， -40+18 操纵位点O, -21+1

5、前导序列L, +1+162 结构基因 E、D、C、B、A,trp操纵子被关闭,有色氨酸时：,二、可阻遏的负调控,原核生物基因表达调控,trp操纵子被开启,无色氨酸时：,原核生物基因表达调控,trpO -21 +1，反向重复序列 trpP -40 +18 活性阻遏物结合trpO 与 RNA pol 结合启动子发生竞争,三、弱化作用 attenuation,1 弱化子（衰减子，）,弱化子， 衰减子，,原核生物基因表达调控,4,3,2,1,2. 前导序列的分区及二级结构,弱化子,抗终止子,前导肽14aa,3 .前导肽,前导肽的翻译（Trp浓度）决定弱化子是否形成，进而决定转录是否继续。,高色氨酸时,

6、为什么需要阻遏体系？ 当大量外源Trp 存在时，阻遏系统起作用，阻遏物与之结合，阻止前导RNA合成。,当 trp浓度降低时，RNApol启动， 但在L.S.处脱落，转录中断,为什么需要弱化系统？,为什么需要弱化系统？,弥补阻遏作用的不足，因为阻遏只能使转录不起始，而弱化能使已经起始的转录中途停止。 当trp浓度降低时，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（抗终止子），以保持培养基中适当的Trp水平。,细菌演化出弱化系统的生物学意义,通过tRNA负载与否进行调控，更为灵敏 氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而tRNA 负载为标准进行调控更为

7、恰当 两个调控系统，避免浪费提高效率 阻遏系统 大量trp时，不转录 无trp时，转录全部结构基因 弱化系统 高水平trp时，转录至前导RNA 低水平trp时，转录全部结构基因,原核生物细致的精细调控机制,增强原核生物对环境的适应性,第四节 其他操纵子,半乳糖操纵子,阿拉伯糖操纵子,3个结构基因： galE，异构酶(UDP-galactose-4epimerase,)， galT，半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose transferase,)， galK，半乳糖激酶(galactose kinase,)。 半乳糖葡萄糖-1-磷酸。 GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，

8、而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。,半乳糖操纵子,gal操纵子的特点： 它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。 它有两个O区，一个在P区上游-67-53，另一个在结构基因galE内部。,因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人们猜想当葡萄糖存在时半乳糖操纵子不被诱导，但实际上有葡萄糖存在时，gal操纵子仍可被诱导。,从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时，才能顺利进行，RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CRP和较高浓度的cAMP。 从S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的cAMP-CRP能抑制由

9、这个启动子起始的转录。 当有cAMP-CRP时，转录从S1开始；当无cAMP-CAP时，转录从S2开始。,为什么gal操纵子需要两个转录起始位点？,1、半乳糖可作为唯一碳源供细胞生长。 2、尿苷二磷酸半乳糖（UDP-gal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。 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-葡萄糖合成的，该酶是galE基因的产物。,现在设想只有S1一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时就不能合成异构酶。 假如唯一的启动子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的情况下，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，这无疑是一种浪

10、费。,原核生物基因表达调控,原核生物基因表达调控,第五节 转录后水平的调控,翻译起始的调控-SD序列与AUG的距离 稀有密码子的影响-数量较少的蛋白 重叠基因的控制-两种蛋白的等量翻译 Poly(A）尾的影响蛋白合成旺盛，尾长 翻译阻遏蛋白质阻遏翻译的进行 蛋白合成自体调控 魔斑核苷酸水平 反义RNA与mRNA互补的RNA,翻译起始调控,SD序列与核糖体16S rRNA的3端互补配对，促使核糖体结合到mRNA上 SD与AUG之间相距一般以410个核苷酸为佳，9个最佳 mRNA二级结构影响翻译起始调控,稀有密码子对翻译影响,高频率使用稀有密码子的翻译过程容易受阻，影响蛋白质合成总量,重叠基因对翻

11、译的影响,重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制 偶联翻译可能是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段,Poly(A）尾长短对翻译的影响,细胞中蛋白合成旺盛时，mRNA链上核糖体数量多， mRNA链上的poly(A)也较长 当某些mRNA链不再翻译时，核糖体释放， mRNA链上的poly(A)也相应缩短,翻译的阻遏,复制酶作为翻译阻遏物 纯化的复制酶可以和外壳蛋白的翻译起始区结合，抑制蛋白合成,严谨反应： AA饥饿蛋白合成下降RNA合成下降,原理： AA饥饿产生ppGpp、pppGpp 影响RNApol与启动子结合RNA合成下降,rRNA合成下降核糖体蛋白与自体mRNA结合核糖体蛋白翻译停止,报警信号：空载tRNA,原核生物基因表达调控,干扰mRNA的互补RNA ：（mRNAinterfering complementary RNA，micRNA） 反义RNA （antisens