第9章-原核基因表达调控教学课件.ppt

1、2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学

2、原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7

3、-5分子生物学 原核基因表达调控E.coli在含葡萄糖和乳糖培养基上的二次生长曲线在含葡萄糖和乳糖培养基上的二次生长曲线2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控62023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表

4、达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控l明确概念：lCAP 是一种代谢激活蛋白(catabolite activator protein,CAP)，大量研究证实了这种蛋白，并命名为环腺苷酸受体蛋白(cyclic-AMP receptor protein,CRP)。l为避免混淆，现在统一将这种蛋白称为CAP。编码该蛋白质的基

5、因已被正式命名为crp。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控lC Zubay研究发现了一类研究发现了一类lac突变体突变体，其，其CAP和和CAMP不能促进不能促进lac操纵子转录。遗传作图发现操纵子转录。遗传作图发现突变位于突变位于lac启动子上，表明启动子上，表明CAP-CAMP复合体复合体的结合位点在的结合位点在lac启动子内，又称激活因子结合启动子内，又称激活因子结合位点（位点（activator-binding site)，位于启动子的，位于启动子的上游上游,CAP-CAMP与激活因子位点的结合有助于与激活因子位点的结合有助于RNA聚合酶在启动子处形成开放启动子复合体聚合酶在

6、启动子处形成开放启动子复合体(图图10.13)。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控l(A)无CAP时，聚合酶与含lac启动子DNA片段随机松散结合，在同时加入利福平及核苷酸后这种结合受利福平抑制，故无转录发生；(B)有CAP和CAMP 时，聚合酶与lac启动子结合形成开放启动子复合体，在同时加入利福平及核苷酸后这种结合不受利福平抑制，因为核苷酸先于利福平与聚合酶结合，使开放启动子复合体能够启动核苷酸聚合，一旦第一个磷酸二酯键形成，聚合酶在重新起始转录前一直具有利福平抗性，在这些条件下能够转录，表明CAP和CAMP促进开放启动子复合体形成。(Robert F.Weaver.Molecu

7、lar Biology(4th Edition)2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控CAP与与cAMP协同促协同促进形成开放启动子复合体进形成开放启动子复合体 lcAMP还有一种方式促进乳糖操纵子转录。还有一种方式促进乳糖操纵子转录。l在乳糖操纵子的主启动子上游在乳糖操纵子的主启动子上游22bp处有另一个处有另一个可选择性启动子。可选择性启动子。l主启动子命名为主启动子命名为P1，可选择性启动子命名为，可选择性启动子命名为P2,CAP-cAMP能降低能降低P2的转录起始，促进的转录起始，促进P1。lP2能限定聚合酶在它的序列上的结合数量，从能限定聚合酶在它的序列上的结合数量，从而使更多

8、的游离聚合酶与启动子而使更多的游离聚合酶与启动子P1结合，提高结合，提高lac操纵子的转录，这是操纵子的转录，这是CAP-cAMP的另一个作的另一个作用机制。用机制。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控l结合在激活子结合位点上的结合在激活子结合位点上的CAP-cAMP能够协能够协助助RNA聚合酶与启动子结合，当聚合酶与启动子结合，当CAP和聚合酶和聚合酶与各自的与各自的DNA靶位点结合后，两者会发生直接靶位点结合后，两者会发生直接的接触，因此它们与的接触，因此它们与DNA的结合有协同效应。的结合有协同效应。这种效应有较多实验证据支持：这种效应有较多实验证据支持：有有cAMP时，通过超速

9、离心可使时，通过超速离心可使CAP和和RNA聚合酶共沉淀，表明两者之间具有亲和性；聚合酶共沉淀，表明两者之间具有亲和性；当当CAP和聚合酶与各自的和聚合酶与各自的DNA靶位结合后，靶位结合后，彼此还能发生化学交联，表明两者在空间上彼彼此还能发生化学交联，表明两者在空间上彼此十分靠近；此十分靠近；2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控 DNase足迹实验显示足迹实验显示CAP-cAMP的足迹与聚合酶的足迹与聚合酶的足迹相邻，因此两者的的足迹相邻，因此两者的DNA结合位点距离很近，结合位点距离很近，足以使它们在各自的足以使它们在各自的DNA位点结合后能发生互作；位点结合后能发生互作；一些一些

10、CAP的突变能降低转录，但不影响与的突变能降低转录，但不影响与DNA的的结合结合(或弯曲或弯曲)，其中一些突变改变了与聚合酶相互，其中一些突变改变了与聚合酶相互作用的作用的CAP区域的氨基酸；区域的氨基酸；推测与推测与CAP的激活区域互作的位点是聚合酶的激活区域互作的位点是聚合酶亚基亚基的的羧基端结构域羧基端结构域(CTD)，缺失，缺失CTD 时可阻止时可阻止CAP-cAMP介导的激活作用；介导的激活作用；2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控l对对DNA、CAP-cAMP和和RNA聚合酶聚合酶CTD复合体复合体进行进行x射线晶体结构分析，显示尽管射线晶体结构分析，显示尽管CAP与与RN

11、A聚聚合酶的界面不大，但激活区域合酶的界面不大，但激活区域1确实是与确实是与CTD相接相接触着。当触着。当CAP-cAMP与与DNA靶位点结合后引起靶位点结合后引起DNA片段产生了大约片段产生了大约1000的链弯曲，在的链弯曲，在CAP-cAMP-DNA复合体的晶体结构图像同样能观察到复合体的晶体结构图像同样能观察到DNA弯曲现象。弯曲现象。lBenoff et al.,Science 297l 2002 by the AAAS.)分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5lH Wu等人通过电泳法检测到等人通过电泳法检测到DNA弯曲现象，当弯曲现象，当DNA片段弯曲后其电泳迁移率较慢，且弯曲

12、部片段弯曲后其电泳迁移率较慢，且弯曲部位越接近位越接近DNA片段中部，迁移率就越慢。片段中部，迁移率就越慢。l 利用不同构型的利用不同构型的DNA迁移率不同的特点，制备迁移率不同的特点，制备lac操纵子的操纵子的DNA片段，各片段的长度相同，但片段，各片段的长度相同，但CAP结合位点不同。结合位点不同。l然后使每一然后使每一DNA片段分别与片段分别与CAP-cAMP结合，结合，对形成的对形成的DNA-蛋白质复合体进行凝胶电泳，如蛋白质复合体进行凝胶电泳，如果果CAP的结合确实导致的结合确实导致DNA弯曲，那么不同的弯曲，那么不同的DNA片段就会有不同的电泳迁移率。片段就会有不同的电泳迁移率。2

13、023-7-5分子生物学 原核基因表达调控l如果如果CAP的结合不会使的结合不会使DNA弯曲，则所有弯曲，则所有DNA片段应具有相同电泳迁移率。结果表明不同片段应具有相同电泳迁移率。结果表明不同DNA片段确实有不同迁移率，且片段确实有不同迁移率，且DNA弯曲越显弯曲越显著电泳迁移率相差越大，据此估算出了著电泳迁移率相差越大，据此估算出了CAP-cAMP结合后引起结合后引起DNA弯曲的程度是弯曲的程度是900的弯曲，的弯曲，与与x射线衍射晶体学研究得出的约射线衍射晶体学研究得出的约1000弯曲基本弯曲基本吻合。这种弯曲是复合体中吻合。这种弯曲是复合体中DNA与蛋白质发生与蛋白质发生最佳相互作用所

14、必需的。最佳相互作用所必需的。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控图注：图注：CAP-cAMP二聚体结合靶二聚体结合靶DNA位位点点,CTD 与与CAP蛋白上的特异位点相互作蛋白上的特异位点相互作用，增强了聚合酶与启动子之间的结合。用，增强了聚合酶与启动子之间的结合。(引自引自:Adapted from Busby,S.and R H.Ebright,Promoter structure,promoter recognition,and transcription activation in prokaryotes,Cell 79:742,1994.)2023-7-5分子生物学 原核基

15、因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分

16、子生物学 原核基因表达调控lara操纵子的特征：操纵子的特征：l存在存在araO1和和araO2两个操纵基因，两个操纵基因，araO1调节控制调节控制基因基因araC转录，转录，araO2位于其所控制的启动子位于其所控制的启动子PBAD上上游远端的游远端的265294处，发挥控制转录的功能；处，发挥控制转录的功能；lCAP结合位点位于结合位点位于ara启动子上游约启动子上游约200bp处，处，CAP具有促进转录的功能；具有促进转录的功能；lara操纵子有由操纵子有由AraC蛋白介导的负调控系统。蛋白介导的负调控系统。ara操纵子的操纵基因受操纵子的操纵基因受AraC蛋白调节。蛋白调节。AraC

17、蛋白有两蛋白有两种构象，即种构象，即正、负调节因子的双重功能构象正、负调节因子的双重功能构象，Pr是是阻遏构象，可与操纵区结合，而阻遏构象，可与操纵区结合，而Pi是诱导构象，通是诱导构象，通过与过与PBAD启动子结合进行调节。启动子结合进行调节。Pr和和Pi两种构象处两种构象处于相对平衡中。因此于相对平衡中。因此AraC蛋白同时显示正、负调节蛋白同时显示正、负调节功能。功能。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控当诱导物阿拉伯糖当诱导物阿拉伯糖存在时存在时（正调控）（正调控）由由araC编码的激活编码的激活蛋白蛋白AraC与阿拉与阿拉伯糖结合成复合物，伯糖结合成复合物，AraC构象变为诱

18、构象变为诱导型导型Pi，AraC以以二聚体形式与二聚体形式与araI1和和araI2结合，失去结合，失去与与araO2结合能力，结合能力，由此打开启动子，由此打开启动子，使聚合酶结合，使聚合酶结合，激激活活PBAD转录；转录；2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控当缺乏阿拉伯当缺乏阿拉伯糖时糖时（负调控）（负调控）AraC处于阻处于阻遏型遏型Pr构象，构象，不结合不结合araI，而结合操纵基而结合操纵基因因araO2，使，使DNA弯曲，弯曲，阻阻碍碍araBAD的的表达。表达。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控lAraC蛋白的合成受其自身调节，同时也受蛋白的合成受其自身调节，同

19、时也受cAMP-CAP调节。调节。l当当AraC蛋白以正调节因子作用时，起始转录还需要蛋白以正调节因子作用时，起始转录还需要cAMP-CRP的参与。的参与。AraC蛋白不仅调控蛋白不仅调控ara操纵子的操纵子的转录，还调控其自身的转录。转录，还调控其自身的转录。l当培养基中有葡萄糖时，当培养基中有葡萄糖时，ara操纵子也存在葡萄糖效操纵子也存在葡萄糖效应。应。CAP蛋白能协助解开因为蛋白能协助解开因为AraC与与araO2和和araI1结结合而形成的合而形成的DNA弯曲，促使弯曲，促使AraC与与araI1和和araI2结合，结合，从而激活从而激活PBAD起始的转录。起始的转录。laraO2如

20、何调控位于其下游如何调控位于其下游250bp的启动子转录的启动子转录?l合理的解释是这两个位点合理的解释是这两个位点(操纵基因和启动子操纵基因和启动子)之间的之间的DNA发生环化。发生环化。l研究发现，如果将具有整数双螺旋转角的研究发现，如果将具有整数双螺旋转角的DNA片段片段(10.5的倍数的倍数)插入操纵基因与启动子之间，插入操纵基因与启动子之间，操纵基因仍具有正常的功能。操纵基因仍具有正常的功能。l而如果插入非整数双螺旋转角而如果插入非整数双螺旋转角(如如5bp和和15bp)的的DNA片段时，操纵基因就不能行使其功能。片段时，操纵基因就不能行使其功能。l说明只要说明只要2个蛋白质结合位点

21、位于个蛋白质结合位点位于DNA双螺旋双螺旋的同一侧，双链的同一侧，双链DNA分子就可以通过环化而使分子就可以通过环化而使这这2个蛋白结合位点彼此靠近。个蛋白结合位点彼此靠近。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控l事实上，事实上，ara操纵子的调控蛋白操纵子的调控蛋白AraC是个双功能蛋是个双功能蛋白，既可作为正调蛋白又可作为负调蛋白白，既可作为正调蛋白又可作为负调蛋白lAraC在操纵子上有在操纵子上有3个结合位点：个结合位点：l位于上游远端位于上游远端280的的araO2、l定位在定位在106和和144之间的之间的araO1及由及由2个半位点个半位点araI1(5678)和和araI2

22、(3551)组成的组成的ara，每个位点均可结合每个位点均可结合1个个AraC单体。单体。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控当阿拉伯糖缺乏时，当阿拉伯糖缺乏时，细菌不需要细菌不需要araBAD基因的表达产物，基因的表达产物，因此因此AraC蛋白执行蛋白执行负控制因子功能，负控制因子功能，结合在结合在araO2和和araI1位点，使两个位点位点，使两个位点之间的之间的DNA环化，环化，形成形成阻遏环阻遏环（repression loop）操纵子受到阻遏。操纵子受到阻遏。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控当阿拉伯糖存在时，当阿拉伯糖存

23、在时，就与就与AraC蛋白结合使蛋白结合使其构象发生改变，不其构象发生改变，不能与能与araO2结合，但结合，但能结合能结合araI1和和araI2，使使阻遏环阻遏环（repression loop）解开，解开，araO2 和和araI1间的间的DNA不再弯不再弯曲，操纵子去阻遏曲，操纵子去阻遏(图图)，PC处的转录也处的转录也正常进行。正常进行。与与lac操纵子一样，去操纵子一样，去阻遏并非是正调控的阻遏并非是正调控的全部内容，全部内容，CAP-cAMP复合体介导的复合体介导的正调控也在发挥作用。正调控也在发挥作用。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控阿拉伯糖操纵子的调控机制示意图阿

24、拉伯糖操纵子的调控机制示意图(引自：引自：Robert F.Weaver.Molecular Biology(4th Edition)CAP-cAMP复合体结合在araPBAD启动子的上游,CAP-cAMP在araPBAD启动子较远的位置结合，但能调控转录，这是DNA成环的第二个作用，环化DNA使CAP与RNA聚合酶接近，促进了RNA聚合酶与启动子结合。l阿拉伯糖操纵子的自主调节阿拉伯糖操纵子的自主调节 l下图显示了下图显示了araC、Pc和和araO1的相对位置：的相对位置：laraC的转录从的转录从Pc处起始从右向左进行，处起始从右向左进行，araO1处于调控处于调控araC转录的位置上转

25、录的位置上(AraC蛋白结合到蛋白结合到araO1位点，阻止位点，阻止Pc对对araC的转录的转录)。随着。随着AraC蛋白含量的不断增加，蛋白含量的不断增加，AraC结合在结合在araO1上，抑制上，抑制araC的转录，防止阻遏物过多积累，的转录，防止阻遏物过多积累，这种蛋白质控制自身合成的机制称为这种蛋白质控制自身合成的机制称为自主调节自主调节(autoregulation)。无论阿拉伯糖与。无论阿拉伯糖与AraC结合与否，或无结合与否，或无论论ara操纵子控制区是否发生环化，这种控制事件均存在操纵子控制区是否发生环化，这种控制事件均存在着。着。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控

26、小结小结 ara操纵子操纵子：有有araO1和和araO2两个操纵基因，两个操纵基因，araO1调控基因调控基因araC转录，转录，araO2位于其位于其所控制的启动子所控制的启动子PBAD上游远端，发挥控制转录的功能；上游远端，发挥控制转录的功能；CAP结合位点位于结合位点位于ara启动子上游，有促进转录的功能；启动子上游，有促进转录的功能；有由有由AraC蛋白介导的负调控系统。蛋白介导的负调控系统。ara操纵子的操纵基因受操纵子的操纵基因受AraC蛋白调节蛋白调节，其有两种功能构象，即正、负因子的双重构象，其有两种功能构象，即正、负因子的双重构象，Pr是起阻遏的构象可是起阻遏的构象可 与操

27、纵区位点结合，与操纵区位点结合，Pi是诱导作用构象，通过与是诱导作用构象，通过与PBAD启动子结合而调节。启动子结合而调节。AraBAD基因簇及基因簇及araC基因转录被协同调节。基因转录被协同调节。当诱导物阿拉伯糖存在时，当诱导物阿拉伯糖存在时，AraC与阿拉伯糖结合为复合物，与阿拉伯糖结合为复合物，AraC的构象的构象改变为改变为Pi，AraC以二聚体形式与以二聚体形式与araI1和和araI2结合，失去与结合，失去与araO2结合的结合的能力，由此打开启动子使聚合酶结合激活能力，由此打开启动子使聚合酶结合激活PBAD转录；转录；当缺乏阿拉伯糖时，当缺乏阿拉伯糖时，AraC处于处于Pr构象

28、不结合构象不结合araI，而是结合，而是结合araO2，使，使DNA弯曲，阻碍弯曲，阻碍araBAD的表达。的表达。AraC蛋白合成受其自身和蛋白合成受其自身和cAMP-CAP调节。调节。ara操纵子也有葡萄糖效应。操纵子也有葡萄糖效应。CAP蛋白能协助解开因蛋白能协助解开因AraC与与araO2和和araI1结合所形成的结合所形成的DNA弯曲，使弯曲，使AraC与与araI1和和araI2结合，激活结合，激活PBAD起起始的转录。始的转录。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生

29、物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控202

30、3-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控Trp操纵子的衰减子区序列操纵子的衰减子区序列 色氨酸浓度高引起聚合酶提前终止转录的另一个原因是在衰减子中有能形成转录终止信号的序列及随后连续排列的8个A-T碱基对。事实上，在第3和4区存在反向重复序列，能通过分子内碱基配对形成发夹的终止结构（图）转录物发夹结构之后的一串U能够降低转录物与DNA结合。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控 2023-7-5分子生物学 原核基因表

31、达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控异构酶异构酶(galE)乳糖乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)半乳糖激酶半乳糖激酶(galk)。10.6 10.6 半乳糖操纵子半乳糖操纵子(galactosegalactose operonoperon)结构基因gal操纵子的结构特点：操纵子的结构特点：它有两

32、个启动子，其它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；可从两个不同的起始点开始转录；它有两个操纵基因它有两个操纵基因O，一个在，一个在P区上游，另一个在区上游，另一个在galE内部。内部。无无-35序列序列2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控gal操纵子的调节方式：操纵子的调节方式：无葡萄糖而有半乳糖时，阻遏物无葡萄糖而有半乳糖时，阻遏物R失活，失活，CAP和和RNApol相互相互作用使转录从作用使转录从P1起始。起始。无半乳糖时，无半乳糖时，R和和CAP均结合均结合OE，阻遏阻遏RNApol的转录。的转录。葡萄糖和半乳糖都存在时，葡萄糖和半乳糖都存在时，R失活，失活，P

33、1不启动，不启动，P2启动，启动，RNApol 转录转录E而不转录而不转录K（与与UDP-Gal是合成细胞壁的底物相关）是合成细胞壁的底物相关）有葡萄糖而无半乳糖时，有葡萄糖而无半乳糖时，R结合结合OE和和OR成环，是成环，是P2转录生产转录生产流产性产物流产性产物2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控2023-7-5分子生物学

34、 原核基因表达调控根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的的应答，可分为：应答，可分为：正转录调控正转录调控 负转录调控负转录调控 调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负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，这样的调控正转录调控。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负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

35、达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。l可诱导调节：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：调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物诱导物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的诱导操纵子模型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。l可阻遏调节（可阻遏调节（P197）：）：基因

36、平时是开启的，处在基因平时是开启的，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，阻遏了基因的表达物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。例：例：色氨酸操纵子色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因酶合成的阻遏操纵子模型酶合成的阻遏操纵子模型调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物辐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。3、在、在负转录调控系统负转录调控系统中，调节基因的产物是中，调节基因

37、的产物是阻遏蛋阻遏蛋白白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用），起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为根据其作用特征又可分为负控诱导负控诱导和和负控阻遏负控阻遏：在在负控诱导负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；结合时，结构基因转录；在在负控阻遏负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。）结合时，结构基因不转录。4 4、在、在正转录调控正转录调控系统中，调节基因的产物是系统中，调节基因的产物是激活蛋激活蛋白白（activator）。）。根据激活蛋白的

38、作用性质分为根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导正控诱导和和正控阻遏正控阻遏在在正控诱导正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；使激活蛋白处于活性状态；在在正控阻遏正控阻遏系统中，效应物分子（系统中，效应物分子（辅阻遏物）辅阻遏物）的存的存在使激活蛋白处于非活性状态在使激活蛋白处于非活性状态。10.10 受多重启动子调控的操纵子受多重启动子调控的操纵子lrRNA操纵子，l核糖体蛋白S1操纵子lDnaQ蛋白操纵子l均有不同启动子区，启动子强度不同，启动转录的发挥受不同信号的调控。l精密调节基因的表达强度，对维持细菌生存及对环境的适应十分重

39、要。2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控10.11重叠基因的调控作用重叠基因的调控作用翻译偶联机制可以保证同一多顺反子的不同基因的蛋白产量一致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 -CU AUG 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。10.12 细菌中细菌中DNA和蛋白质的相互作用和蛋白质的相互作用2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控

40、l各种蛋白包括各种蛋白包括CAP，lac阻遏物等均有共同的结构阻遏物等均有共同的结构motif，即，即 helix-turn-helix motif(HTH).l识别识别 helix 能嵌入能嵌入DNA的大沟中，另一螺旋跨过的大沟中，另一螺旋跨过DNA，帮助识别螺旋的定位或增强与，帮助识别螺旋的定位或增强与DNA的结合的结合强度强度.l结合特异性依赖识别螺旋的某些氨基酸侧链基团和结合特异性依赖识别螺旋的某些氨基酸侧链基团和DNA大沟中的某些碱基功能基团的特异性结合，以大沟中的某些碱基功能基团的特异性结合，以及与及与DNA骨架上磷酸基团的特异性结合骨架上磷酸基团的特异性结合.lDNA结合的靶位点

41、一般是对称或重复性的，因为大结合的靶位点一般是对称或重复性的，因为大多蛋白为二聚体或多聚体多蛋白为二聚体或多聚体.10.13 噬菌体基因的表达调控噬菌体基因的表达调控10.13.1 噬菌体的生活周期噬菌体的生活周期2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控溶源途径溶源途径裂解途径裂解途径u噬菌体的调控是级联式的，有层次的u 前一阶段的表达产物是下一阶段基因表达所必须的蛋白因子u 早期基因，晚早期基因和晚期基因10.13.2 噬菌体裂解过程中的基因表噬菌体裂解过程中的基因表达调控是级联反应达调控是级联反应2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控u噬菌体噬菌体SPO1以替换以替换亚基改变宿主

42、的转录对象亚基改变宿主的转录对象 SPO1感染枯草杆菌，其早期基因启动子和细菌基因相同。早期基因的三个蛋白产物可作为因子替换原来与RNApol结合的因子，启动晚期基因的表达。uT4T4噬菌体修饰核心酶并替换噬菌体修饰核心酶并替换亚基改变宿主的转录对象。亚基改变宿主的转录对象。噬菌体携带ADP-核糖转移酶修饰宿主RNApol亚基，使之带上ADP-核糖基团，从而使Mot蛋白取代亚基。u T7T7噬菌体噬菌体-RNA-RNA聚合酶的代换聚合酶的代换 噬菌体产物将宿主的RNApol磷酸化并以其抑制剂产物抑制RNApol的活性，同时产生自身的RNApol。几种几种 噬菌体的基因表达调控方式噬菌体的基因表

43、达调控方式2023-7-5分子生物学 原核基因表达调控:复杂的操纵子复杂的操纵子p 四个操纵子四个操纵子:左左,右右,晚晚 和阻和阻遏蛋白遏蛋白 p 左右操纵子包含用于左右操纵子包含用于DNA复复制，重组和噬菌体整合所需制，重组和噬菌体整合所需基因基因p 晚期操纵子含有编码噬菌体晚期操纵子含有编码噬菌体头，尾蛋白和裂解宿主细胞头，尾蛋白和裂解宿主细胞所需蛋白所需蛋白.l l噬菌体基因组在生活周期中有两种线性化状态噬菌体基因组在生活周期中有两种线性化状态成熟成熟DNA两端是两端是cos 位点，即位点，即A和和R间的断裂。间的断裂。原噬菌体原噬菌体DNA是通过是通过 att 位点整合进宿主基因组的

44、。位点整合进宿主基因组的。Integration of phage into bacteriaIntegration of lambda phage into the E.coli chromosome requires a crossover(15 bp core sequences,called“O”in both)between the two attach sites,called POP(phage)and BOB(bacteria)respectively.Integration is a part of the lysogenic life cycle,requires the

45、product of the lambda int gene,for encode integrase(整合酶)and is referred to as site-specific recombination（位点特异性重组）.Later excision of the prophage,during induction when the phage leaves the host chromosome to enter the lytic cycle,requires both the integrase and the protein product of the neighboring

46、 xis gene,for excisionase(切除酶).Cro 阻遏蛋白：由阻遏蛋白：由66个氨基酸组成，只有一个功能个氨基酸组成，只有一个功能区，以二聚体形式与对称的操纵区结合以阻遏转录的区，以二聚体形式与对称的操纵区结合以阻遏转录的发生，只有阻遏活性。发生，只有阻遏活性。l repressor（C）和和 Cro 都能对以上六个操纵区都能对以上六个操纵区结合，但是结合的亲和力存在很大差异结合，但是结合的亲和力存在很大差异l repressor与与 OR1 的结合能力最强，的结合能力最强，OR2次之，次之，OR3最弱。对的最弱。对的OR1结合力是结合力是OR2的十倍。的十倍。Cro 与与

47、 OR3 的结合能力最强，的结合能力最强，OR2次之，次之，OR1最弱。最弱。对的对的OR3结合力是结合力是OR2，OR1的十倍。的十倍。溶菌生长溶菌生长溶原生长溶原生长抗终止子抗终止子 蛋白蛋白N 和和Q 一个基因的一个基因的多启动子多启动子Molecular Biology Ch11 原核原核转录调控转录调控操纵子模型操纵子模型lac其它水平其它水平调控原理调控原理小结小结其它其它TrpThe Regulatory RegionCh11 原核原核转录调控转录调控操纵子模型操纵子模型lac其它水平其它水平调控原理调控原理小结小结其它其它Trp操纵子模型操纵子模型lac其它水平其它水平调控原理

48、调控原理小结小结其它其它Trp噬菌体策略噬菌体策略:溶原途径的建立溶原途径的建立宿主 RNA Polymerase 识别 PL和 PR并转录 N 和 cro蛋白操纵子模型操纵子模型lac其它水平其它水平其它其它Trp噬菌体策略噬菌体策略:溶原途径的建立溶原途径的建立early”genes.宿主 RNA Polymerase 识别 PL和 PR并转录 N 和 cro蛋白，即早早期基因的产物表达操纵子模型操纵子模型lac其它水平其它水平调控原理调控原理小结小结其它其它Trp噬菌体策略噬菌体策略:溶原途径的建立溶原途径的建立pN 和nut 位点结合允许转录跨过tR1 和t L终止子继续进行操纵子模型

49、操纵子模型lac其它水平其它水平调控原理调控原理小结小结其它其它Trp噬菌体策略噬菌体策略:溶原途径的建立溶原途径的建立晚早期基因的转录pN 和nut 位点结合允许转录跨过tR1 和t L终止子继续进行N 蛋白和宿主细胞4个蛋白和RNA polymerase共同作用.一旦结合nut Box B,N 可以通过和NusA蛋白(the N-utilization substance A)和RNA polymerase 相互作用.最后NusB,NusG和S10三蛋白结合在 nut 位点的Box A.Ch11 原核原核转录调控转录调控操纵子模型操纵子模型lac其它水平其它水平调控原理调控原理小结小结其它

50、其它Trp操纵子模型操纵子模型lac其它水平其它水平调控原理调控原理小结小结其它其它Trp噬菌体策略噬菌体策略:溶原途径的建立溶原途径的建立cII 和 cIII 蛋白产生，cIII和cII 蛋白促进 PRE启动子的转录.操纵子模型操纵子模型lac其它水平其它水平小结小结其它其它Trp噬菌体策略噬菌体策略:溶原途径的建立溶原途径的建立PRE 开始的转录而来的 mRNA 和cro mRNA互补，从而抑制cro 的翻译操纵子模型操纵子模型lac其它水平其它水平小结小结其它其它Trp噬菌体策略噬菌体策略:溶原途径的建立溶原途径的建立溶原途径建立所需的溶原途径建立所需的l repressor 由由PRE