1、第七章第七章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）原核基因表达调控模式原核基因表达调控模式2022-7-201第七章第七章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）自然选择倾向于保留高效率的生命过程。自然选择倾向于保留高效率的生命过程。原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的环境中，食物供应无保障，只有根据环境条件测的环境中，食物供应无保障，只有根据环境条件的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。因此，原境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。因此，原核细胞都
2、有一套准确地调节基因表达和蛋白质合成核细胞都有一套准确地调节基因表达和蛋白质合成的机制。的机制。2022-7-202第七章第七章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）每个大肠杆菌细胞有约每个大肠杆菌细胞有约15 000个核糖体，个核糖体，50种核糖体蛋种核糖体蛋白、糖酵解体系的酶、白、糖酵解体系的酶、DNA聚合酶、聚合酶、RNA聚合酶等都是代聚合酶等都是代谢过程中必需的，其合成速率不受环境变化或代谢状态的影谢过程中必需的，其合成速率不受环境变化或代谢状态的影响，这一类蛋白质被称为响，这一类蛋白质被称为永久型永久型（constitutive）合成的蛋）合成的蛋白质。白质。另一类则被称为另
3、一类则被称为适应型适应型或或调节型调节型（adaptive or regulated），因为这类蛋白质的合成速率明显地受环境的），因为这类蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变。如大肠杆菌细胞中一般只有影响而改变。如大肠杆菌细胞中一般只有15个个-半乳糖苷酶半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每细胞中这个酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每细胞中这个酶的量可高达几万个分子。的量可高达几万个分子。2022-7-203第七章第七章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）细菌中所利用的大多数基本调控机制一般执行如下细菌中所利用的大多数基本调控机制一般执行如下规律：一个体系在
4、需要时被打开，不需要时被关闭。这规律：一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种种“开开-关关”（on-off）活性是通过调节转录来建立的）活性是通过调节转录来建立的，也就是说，也就是说mRNA的合成是可以被调节的。实际上，的合成是可以被调节的。实际上，当我们说一个系统处于当我们说一个系统处于“off”状态时，也可能有本底状态时，也可能有本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成水平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成1或或2个个mRNA分子和极少量的蛋白质分子。为了方便，我分子和极少量的蛋白质分子。为了方便，我们常常使用们常常使用“off”这一术语，但必须明白所谓这一术语，但必须明白
5、所谓“关关”实际的意思是基因表达量特别低，很难甚至无法检测。实际的意思是基因表达量特别低，很难甚至无法检测。2022-7-204第七章第七章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）v内容：内容：1.原核基因表达调控总论2.乳糖操纵子与负控诱导系统3.色氨酸操纵子与负控阻遏系统4.其他操纵子5.转录水平上其它调控6.转录后调控2022-7-205第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论随着生物个体的发育，随着生物个体的发育，DNA分子能有序地将其分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统转变反密码子系统转变成蛋白质，执行各种生理生化
6、功能。成蛋白质，执行各种生理生化功能。科学家把从科学家把从DNA到蛋白质的过程称为到蛋白质的过程称为基因表达基因表达（gene expression），对这个过程的调节就称为，对这个过程的调节就称为基基因表达调控因表达调控（gene regulation，gene control）。基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。2022-7-206第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2022-7-207v基因表达调控主要表现在以下二方面：基因表达调控主要表现在以下二方面：n转录水平上的调控转录水平上的调控n转录后水平上的调控：转录后水平上
7、的调控：nmRNA加工成熟水平调控加工成熟水平调控n翻译水平调控翻译水平调控v不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。n原核生物中，原核生物中，营养状况营养状况和和环境因素环境因素对基因表达起着举足对基因表达起着举足轻重的影响。轻重的影响。n在真核生物尤其是高等真核生物中，在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平激素水平和和发育阶发育阶段段是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。响力大为下降。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2022-7-208v在转录水平上对基因表达
8、的调控决定于在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结的结构、构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用配基的相互作用。v转录与翻译的特点：转录与翻译的特点：n细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联。n真核生物中，转录产物只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2022-7-2091.原核基因调控分类原核基因调控分类v 原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为制的不同可分为负转录调控负
9、转录调控和和正转录调控正转录调控。n在负转录调控系统中，调节基因的产物是在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)。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系统负控诱导系统和和负控阻遏系统负控阻遏系统二大类。二大类。n在正转录调控系统中，调节基因的产物是在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白激活蛋白(activator)。也可根据激活蛋白的作用性质分为。也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱正控诱导系统导系统和和正控阻遏系统正控阻遏系统。阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白转录激活转录激活负控诱导负控诱导正控诱导正控诱导转录抑制转录抑制负控阻遏负控
10、阻遏正控阻遏正控阻遏2022-7-2010第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2022-7-20111.原核基因调控分类原核基因调控分类v 大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是因子，基因子，基因组序列分析后发现存在因组序列分析后发现存在6种种因子，并根据其相对分子质因子，并根据其相对分子质量的大小或编码基因进行命名，其中量的大小或编码基因进行命名，其中70是调控最基本的生是调控最基本的生理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总
11、论2022-7-20122.原核基因调控的主要特点：原核基因调控的主要特点：v 原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可诱导原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可诱导和可阻遏两大类和可阻遏两大类:n可诱导调节可诱导调节。是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的。是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。这类基因中最突出的例子是物质的诱导下使基因活化。这类基因中最突出的例子是大肠杆菌的乳糖操纵子。大肠杆菌的乳糖操纵子。n可阻遏调节可阻遏调节。这类基因平时都是开启的，处在产生
12、蛋白。这类基因平时都是开启的，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。比如大肠杆菌中积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌中的色氨酸操纵子。的色氨酸操纵子。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2022-7-20133.弱化子对基因活性的影响弱化子对基因活性的影响v 在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰-tRNA的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度的浓度。当操纵子
13、被阻遏，。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段作用的那一段DNA序列被称为序列被称为弱化子弱化子。v 属于这种调节方式的有：大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯属于这种调节方式的有：大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等等。啶合成操纵子等等。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2022-7-20144.降解物对基因活性的调节降解物
14、对基因活性的调节v 有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、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、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为称为葡萄糖效应葡萄糖效应或称为或称为降解物抑制作用降解物抑制作用。v 降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，是一种积极的调节方式。是一种积极的调节方式。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2022
15、-7-20长江大学长江大学 生命科学学院生命科学学院155.细菌的应急反应细菌的应急反应v 细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿氨基酸的氨基酸的全面匮乏。细菌会产生一个全面匮乏。细菌会产生一个应急反应应急反应停止包括生产各停止包括生产各种种RNA、糖、和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。、糖、和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。v 实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五和鸟苷五磷酸磷酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。n当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量
16、的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。nppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧急状况。ppGpp 影响RNA聚合酶与这些基因转录起始位点的结合，使基因被关闭。nppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们影响一大批操纵子而被称为超级调控因子。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022-7-2016v 1961年，年，Jacob和和Monod提出了提出了操纵子操纵子模型，这是与特殊模型，这是与特殊代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。v 操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括操纵子是基因表达和调
17、控的单元，典型的操纵子包括:n结构基因结构基因（除调节基因以外的所有基因），编码那些在某一特定的生物合成途径中起作用的、其表达被协同调控的酶。n调控元件调控元件，如操纵序列，是调节结构基因转录的一段DNA序列。n调节基因调节基因，其产物能够识别调控元件，例如阻抑物，可以结合并调控操纵基因序列。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022-7-2017v 大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳源的酶大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳源的酶只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。v 大肠杆菌乳糖操纵子（大肠杆菌乳糖操纵子（lactose opero
18、n）包括）包括3个结构基个结构基因：因：Z、Y和和A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录的，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。调控是在启动区和操纵区进行的。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022-7-2018v P为启动子，为启动子，O为操纵区，为操纵区，lacI编码阻遏子编码阻遏子v 3个结构基因各决定一种酶：个结构基因各决定一种酶：Z编码编码-半乳糖苷酶；半乳糖苷酶；Y编码编码-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；A编码编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。半乳糖苷乙酰基转移酶。n-半乳糖苷酶是一种-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他
19、-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。n-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的-半乳糖苷透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。n-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022-7-20191.酶的诱导酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证据v 一般情况下，一般情况下，lac+基因型大肠杆菌细胞内基因型大肠杆菌细胞内-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低，每个细胞只有透过酶的浓度很低，每个细胞只有12个酶分子。但是，个酶分子。但是，在乳糖培养基上酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的在乳糖培养基上酶的浓度很快达到细胞总蛋白
20、量的6%或或7%，超过，超过105个酶分子个酶分子lac mRNA/细胞。细胞。v 在无葡萄糖有乳糖的培养基中，在无葡萄糖有乳糖的培养基中，lac+细菌中将同时合成细菌中将同时合成-半乳糖苷酶和透过酶。半乳糖苷酶和透过酶。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022-7-20201.酶的诱导酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证据v 用用32P标记的标记的mRNA与模板与模板DNA进行定量分子杂交，表明进行定量分子杂交，表明培养基中加入乳糖培养基中加入乳糖12分钟后，编码分钟后，编码-半乳糖苷酶和透过半乳糖苷酶和透过酶的酶的lac mRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。量就迅速增加
21、，去掉乳糖后，量立即下降。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022-7-20211.酶的诱导酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证据v 实验室常用两种乳糖类似物实验室常用两种乳糖类似物异丙基巯基半乳糖苷（异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）和巯甲基半乳糖苷（）和巯甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常用），在酶活性分析中常用发色底物发色底物O-硝基半乳糖苷（硝基半乳糖苷（ONPG）。因为它们都不是半）。因为它们都不是半乳糖苷酶的底物，所以又称为安慰性诱导物。乳糖苷酶的底物，所以又称为安慰性诱导物。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022-7-20222.操纵子模型及其影响因子操纵子模型及
22、其影响因子v Jacob和和Monod通过大量实验及分析，建立了现在已经被人通过大量实验及分析，建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子的控制模型。内容如下：们广泛接受的乳糖操纵子的控制模型。内容如下：nZ、Y、A基因产物由同一条多顺反子基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码分子所编码n该该mRNA分子的启动区（分子的启动区（P）位于阻遏基因（）位于阻遏基因（I）与操纵）与操纵区（区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达。高效表达。n操纵区是操纵区是DNA上的一小段序列（仅为上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物），是阻遏物的
23、结合位点。的结合位点。2022-7-2023n当阻遏物与操纵区相结合时，当阻遏物与操纵区相结合时，lacmRNA的转录起始受的转录起始受到抑制。到抑制。n诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区相结合，诱发与操纵区相结合，诱发lac mRNA的合成。的合成。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022-7-20242.1.lac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达v 两个矛盾：两个矛盾：n诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要转运酶，转运酶的合成有需要诱导。需要转
24、运酶，转运酶的合成有需要诱导。n人们发现乳糖并不与阻遏物相结合，真正的诱导物是异构人们发现乳糖并不与阻遏物相结合，真正的诱导物是异构乳糖，而后者是在乳糖，而后者是在-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。v 解释：在没有诱导物的情况下，转运酶和解释：在没有诱导物的情况下，转运酶和-半乳糖苷酶仍有半乳糖苷酶仍有本地水平的表达。阻遏物的结合并非绝对紧密，偶尔会掉下本地水平的表达。阻遏物的结合并非绝对紧密，偶尔会掉下，使得转录可以进行。表达量足以使诱导过程得以启动。，使得转录可以进行。表达量足以使诱导过程得以启动。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022-7-20252.
25、2.大肠杆菌对乳糖的反应大肠杆菌对乳糖的反应v 在以甘油为碳源的培养基中在以甘油为碳源的培养基中v 加乳糖以前，加乳糖以前，lac操纵子本底操纵子本底水平表达水平表达v 加 乳 糖 后，阻 遏 物 失 活，加 乳 糖 后，阻 遏 物 失 活，mRNA大量表达大量表达v 乳糖耗尽，阻遏物浓度逐渐大乳糖耗尽，阻遏物浓度逐渐大于异构乳糖，阻遏状态重新形于异构乳糖，阻遏状态重新形成，成，mRNA水平下降。水平下降。v-半乳糖苷酶半衰期长，其活半乳糖苷酶半衰期长，其活性下降滞后。性下降滞后。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022-7-20262.3.阻遏物阻遏物lacI基因产物及功能基因产物及功能v
26、 lac操纵子阻遏物操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下永久型合成的，是由弱启动子控制下永久型合成的，该阻遏蛋白有该阻遏蛋白有4个相同的亚基，每个亚基均含有个相同的亚基，每个亚基均含有347个氨基酸个氨基酸残基，并能与残基，并能与1分子分子IPTG 结合结合,每个细胞中有每个细胞中有510个阻遏物分子。个阻遏物分子。v lacI基因由弱启动子变为基因由弱启动子变为强启动子，细胞内将不可强启动子，细胞内将不可能产生足够的诱导物来克能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个服阻遏状态，整个lac操操纵子在这些突变体中将不纵子在这些突变体中将不可诱导。可诱导。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022
27、-7-20272.4.葡萄糖对葡萄糖对lac操纵子影响操纵子影响v-半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠杆菌半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发lac操纵子。操纵子。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022-7-20282.4.葡萄糖对葡萄糖对lac操纵子影响操纵子影响v 某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步磷酸转化为下一步代谢中间物，该细菌的代谢中间物，该细菌
28、的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导合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成。所以，不是葡萄糖而是它的某些降解产物抑制lac mRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称之为的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称之为代谢物代谢物阻遏效应阻遏效应。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022-7-20292.5.cAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白v cAMP是在腺苷酸环化酶的作用下由是在腺苷酸环化酶的作用下由ATP转变而来的，在转变而来的，在真核生物的激素调节过程中也起着十分重要的作用。真核生物的激素调节过程中也起着十分重要的作用。v 将细菌放在含葡萄糖的培将细菌
29、放在含葡萄糖的培养基中培养，养基中培养，cAMP的浓的浓度就低；如果培养基中只度就低；如果培养基中只有甘油或乳糖等不进行糖有甘油或乳糖等不进行糖酵解途径的碳源，酵解途径的碳源，cAMP的浓度就会很高。的浓度就会很高。2.5.cAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白v 大肠杆菌中的代谢物激活蛋白，由大肠杆菌中的代谢物激活蛋白，由Crp基因编码，能与基因编码，能与cAMP形成复合物。形成复合物。CRP和和cAMP都是合成都是合成lac mRNA所所必需的，必需的，cAMP-CRP是一个不同于阻遏物的正调控因子是一个不同于阻遏物的正调控因子，而，而lac操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作操纵
30、子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下实现的。用下实现的。v 半乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等在降解过程中均转半乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等在降解过程中均转化成葡萄糖或糖酵解途径中的其他中间产物，这些糖代谢化成葡萄糖或糖酵解途径中的其他中间产物，这些糖代谢中有关的酶都是由可诱导操纵子控制的，被称为中有关的酶都是由可诱导操纵子控制的，被称为降解物敏降解物敏感型操纵子感型操纵子，由，由cAMP-CRP调控。调控。2022-7-20302022-7-2031v cAMP-CRP复合物与启动子区的结合是复合物与启动子区的结合是lac mRNA合成起合成起始所必需的，因为这个复合物结合于启动子
31、上游，能使始所必需的，因为这个复合物结合于启动子上游，能使DNA双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子-RNA聚合酶结构。阻遏物则是一个抗解链蛋白，阻止形成聚合酶结构。阻遏物则是一个抗解链蛋白，阻止形成开放结构，从而抑制开放结构，从而抑制RNA聚合酶的功能。聚合酶的功能。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2022-7-2032v P区（即启动子区）一般区（即启动子区）一般是从是从I基因结束到基因结束到mRNA转转录起始位点下游录起始位点下游5-10bp。v O区（即阻遏物结合区）区（即阻遏物结合区）位于位于-7+28位，该区的位，该区的碱基序列
32、有对称性，其对碱基序列有对称性，其对称轴在称轴在+11位碱基对。位碱基对。3.lac操纵子的调控区域操纵子的调控区域P、O区区操纵子的结构与功能操纵子的结构与功能v操纵子操纵子(operon):结构基因结构基因(structural gene)、启动子启动子(promoter,P)和操纵基因和操纵基因(operator,O)。v阻遏物基因阻遏物基因(inhibitor,i),产生阻遏物产生阻遏物(repressor)。I结合阻遏物RNA酶结合产生阻遏蛋白操纵基因启动子阻遏物基因结构基因AYZOPmRNA-半乳糖苷乙酰转移酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷酶翻译转录无活性的阻遏蛋白诱导物阻遏蛋白阻遏物
33、蛋白亚基有诱导物时lac ALac YLac ZOPi基因CAPcAMPCAP-cAMPRNA聚合酶阻遏蛋白 阻遏物蛋白亚基无诱导物时lac ALac YLac ZOPi基因IPTG(异丙基硫代半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷)v极强的诱导剂极强的诱导剂乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的调控方的调控方式式v协调调节协调调节(coordinate regulation)n负性调节(1000 倍)与正性调节(50倍)协调合作n阻遏蛋白封闭转录时，CRP不发挥作用n如没有CRP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性v葡萄糖葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用乳糖共同存在时，细菌优先利用葡
34、萄糖葡萄糖n葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CRP结合从而抑制转录v结论：结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖又需缺乏葡萄糖第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子2022-7-2038v trp体系参与生物合成，它不受葡萄糖或体系参与生物合成，它不受葡萄糖或cAMP-CRP的调控。的调控。色氨酸合成主要分色氨酸合成主要分5步完成，有步完成，有7个基因参与整个合成过程。个基因参与整个合成过程。v 操纵子中各基因功能：操纵子中各基因功能：ntrpE和和trpG编码邻氨基苯甲酸合酶，编码邻氨基苯甲酸合酶，ntrpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶，编码邻
35、氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶，ntrpF编码异构酶，编码异构酶，ntrpC编码吲哚甘油磷酸合酶，编码吲哚甘油磷酸合酶，ntrpA和和trpB则分别编码色氨酸合酶的则分别编码色氨酸合酶的和和亚基。亚基。n在许多细菌中，在许多细菌中，trpE和和trpG，trpC和和trpB分别融合成一个分别融合成一个基因，产生具有双重功能的蛋白质。基因，产生具有双重功能的蛋白质。2022-7-2039第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子2022-7-2040v trpE基因是第一个被翻译的基因，与紧邻的是启动子区和基因是第一个被翻译的基因，与紧邻的是启动子区和操纵区。前导区和弱化子区分别定名为操纵区。前导区和弱化
36、子区分别定名为trpL和和trpa。v trp操纵子中产生阻遏物的基因是操纵子中产生阻遏物的基因是trpR，该基因距，该基因距trp基因簇基因簇很远。后者位于大肠杆菌染色体图上很远。后者位于大肠杆菌染色体图上25分钟处，而前者则分钟处，而前者则位于位于90分钟处。在位于分钟处。在位于65分钟处还有一个分钟处还有一个trpS（色氨酸（色氨酸tRNA合成酶），它与携带有色氨酸的合成酶），它与携带有色氨酸的tRNATrp共同参与共同参与trp操纵子的调控作用。操纵子的调控作用。第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子2022-7-20411.trp操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统v trpR基因突变常
37、引起基因突变常引起trp mRNA的永久型合成，该基因产物的永久型合成，该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白（因此被称为辅阻遏蛋白（aporepressor）。除非培养基中）。除非培养基中有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会与操纵区结合。辅阻有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会与操纵区结合。辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭合并关闭trp mRNA转录。转录。v 效应物分子色氨酸是效应物分子色氨酸是trp操纵子所编码的生物合成途径的末操纵子所编码的生物合成途径的末端终产物。端终产物。v 当培养基中色氨酸含量较高时，它与游离的辅阻遏
38、蛋白相当培养基中色氨酸含量较高时，它与游离的辅阻遏蛋白相结合，并使之与操纵区结合，并使之与操纵区DNA紧密结合；当培养基中色氨酸紧密结合；当培养基中色氨酸供应不足时，辅阻遏物失去色氨酸并从操纵区上解离，供应不足时，辅阻遏物失去色氨酸并从操纵区上解离，trp操纵子去阻遏。操纵子去阻遏。2022-7-2042第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子2022-7-20432.弱化子与前导肽弱化子与前导肽v 在在trp mRNA 5端有一个长端有一个长162bp的的mRNA片段被称为片段被称为前导区前导区，其，其中中123150位碱基序列如果缺失，位碱基序列如果缺失，trp基因表达可提高基因表达可提高6
39、-10倍。倍。mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，转录总是合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有在这个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的个核苷酸的RNA分子，终止分子，终止trp基因转录。这个区域被称为基因转录。这个区域被称为弱化子弱化子，该区，该区mRNA可通过自我配可通过自我配对形成茎对形成茎-环结构。环结构。第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子2022-7-20442.弱化子与前导肽弱化子与前导肽v 前导肽前导肽v 分析前导序列发现，它包括起始密码子分析前导序列发现，它包括起始密码子AUG和终止密码子和终止密码子UGA，能产生一
40、个含有，能产生一个含有14个氨基酸的多肽，这个假设的多肽个氨基酸的多肽，这个假设的多肽被称为前导肽。被称为前导肽。v 在前导序列的第在前导序列的第10和第和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。位上有相邻的两个色氨酸密码子。组氨酸操纵子含有组氨酸操纵子含有7个相邻的组氨酸密码子，苯丙氨酸操纵个相邻的组氨酸密码子，苯丙氨酸操纵子也有子也有7个苯丙氨酸密码子，这些密码子参与了操纵子中的个苯丙氨酸密码子，这些密码子参与了操纵子中的转录弱化机制。转录弱化机制。第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子2022-7-20452.弱化子与前导肽弱化子与前导肽v mRNA前导区的序列分析前导区的序列分析v trp
41、前导区的碱基序列已经全部测定，引人注目的是其中前导区的碱基序列已经全部测定，引人注目的是其中4个个分别以分别以1、2、3和和4表示的片段能以两种不同的方式进行碱基表示的片段能以两种不同的方式进行碱基配对，有时以配对，有时以1-2和和3-4配对，有时只以配对，有时只以2-3方式互补配对。方式互补配对。终止构型终止构型抗终止构型抗终止构型2022-7-20462.弱化子与前导肽弱化子与前导肽v mRNA前导区的序列分析前导区的序列分析v RNaseT1降解实验（此酶不能降解实验（此酶不能水解配对的水解配对的RNA）表明，纯化）表明，纯化的的trp前导序列中确有前导序列中确有1-2和和3-4的配对方
42、式，由此定位的的配对方式，由此定位的3-4配配对区正好位于终止密码子的识对区正好位于终止密码子的识别区，当这个区域发生破坏自别区，当这个区域发生破坏自我配对的碱基突变时有利于转我配对的碱基突变时有利于转录的继续进行。录的继续进行。2022-7-20472.弱化子与前导肽弱化子与前导肽v mRNA前导区的序列分析前导区的序列分析v RNaseT1降解实验（此酶不能降解实验（此酶不能水解配对的水解配对的RNA）表明，纯化）表明，纯化的的trp前导序列中确有前导序列中确有1-2和和3-4的配对方式，由此定位的的配对方式，由此定位的3-4配配对区正好位于终止密码子的识对区正好位于终止密码子的识别区，当
43、这个区域发生破坏自别区，当这个区域发生破坏自我配对的碱基突变时有利于转我配对的碱基突变时有利于转录的继续进行。录的继续进行。2022-7-20502.弱化子与前导肽弱化子与前导肽v转录弱化作用转录弱化作用v 培养基中色氨酸浓度低，负载有色氨酸的培养基中色氨酸浓度低，负载有色氨酸的tRNATrp就少，就少，翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就慢，当翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就慢，当4区被转录区被转录完成时，核糖体才进行到完成时，核糖体才进行到1区（或停留在两个相邻的区（或停留在两个相邻的trp密码密码子处），前导区子处），前导区2-3配对，不形成配对，不形成3-4配对的终止结构，转录配对
44、的终止结构，转录继续进行。继续进行。v 培养基中色氨酸浓度高，核糖体顺利通过两个相邻的色氨酸培养基中色氨酸浓度高，核糖体顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在密码子，在4区被转录之前就到达区被转录之前就到达2区，区，3-4区自由配对形成区自由配对形成茎茎-环状终止子结构，转录停止。所以，弱化子对环状终止子结构，转录停止。所以，弱化子对RNA聚合聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。第四节第四节 其它操纵子其它操纵子2022-7-2051v典型的操纵子和调控机制还有：典型的操纵子和调控机制还有：n半乳糖操纵子半乳糖操纵子n阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操
45、纵子n阻遏蛋白阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的的降解与细菌中的SOS应答应答n二组分信号调控系统和信号转导二组分信号调控系统和信号转导n多启动子的调控的启动子多启动子的调控的启动子三）三）半乳糖操纵子半乳糖操纵子(galactose operon)包括包括3个结构基因：个结构基因：异构酶异构酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，半乳糖半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose transferase,galT)，半乳糖激酶半乳糖激酶(galactose kinase,galK)。这这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖个酶的作用是使半乳糖变成葡
46、萄糖-1-磷磷酸。酸。GalR（调节基因）（调节基因）与与galE、T、K及操纵区及操纵区O等离得很远，而等离得很远，而galR产物对产物对galO的作用与的作用与lacI-lacO的作用相同。的作用相同。A gal操纵子的特点：操纵子的特点：它有它有两个启动子两个启动子，其，其mRNA可从两个不同的起可从两个不同的起始点开始转录；始点开始转录；它有它有两个两个O区区，一个在，一个在P区上游区上游-67-53，另一，另一个在结构基因个在结构基因galE内部。内部。两个相距仅两个相距仅5bp的启动子，可以分别起始的启动子，可以分别起始mRNA的合成。每个启动子拥有各自的的合成。每个启动子拥有各自
47、的RNA聚合聚合酶结合位点酶结合位点S1和和S2。从从S1起始的转录只有在培养基中起始的转录只有在培养基中无葡萄糖无葡萄糖时时，才能顺利进行，才能顺利进行，RNA聚合酶与聚合酶与S1的结合需要半的结合需要半乳糖、乳糖、CRP和较高浓度的和较高浓度的cAMP。从。从S2起始的转起始的转录则完全依赖于录则完全依赖于葡萄糖葡萄糖，高水平的，高水平的cAMP-CRP能能抑制由这个启动子起始的转录。当有抑制由这个启动子起始的转录。当有cAMP-CRP时，转录从时，转录从S1开始，当无开始，当无cAMP-CRP时，转录从时，转录从S2开始。开始。B 双启动子的功能双启动子的功能 半乳糖不仅可以碳源供细胞生
48、长，而且尿半乳糖不仅可以碳源供细胞生长，而且尿苷二磷酸半乳糖（苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大肠杆菌细胞壁）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，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（是通过半乳糖差向异构酶（galE）的）的作用由作用由UDP-葡萄糖合成的。生长过程中的所有葡萄糖合成的。生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。但对异时间里细胞必须能够合成差向异构酶。但对异构酶需求很少，本底水平的表达就能满足生理构酶需求很少，本底水平的表达就能满足生理需要。需要。葡萄糖存在时葡萄糖存在时 cAMP缺少缺少 S1不能启动不能启动 S
49、2启动转启动转录录半乳糖存在时 cAMP浓度升高 S1启动转录 S2启动受抑制结果：在两种不同的环境里都可以形成细胞壁物质的前体结果：在两种不同的环境里都可以形成细胞壁物质的前体v阿拉伯糖阿拉伯糖(arabino se)是可作为碳源的五碳糖是可作为碳源的五碳糖。参与阿拉伯糖代谢酶的基因分布于不同操纵子参与阿拉伯糖代谢酶的基因分布于不同操纵子中，但由一个调节基因（中，但由一个调节基因（araC）的产物调控。）的产物调控。四）阿拉伯糖操纵子（四）阿拉伯糖操纵子（arabinose operon）1、基因组成、基因组成结构基因结构基因：araA、araB和和araD 分别编码分别编码L阿拉伯糖异构酶
50、、核酮糖激酶阿拉伯糖异构酶、核酮糖激酶和和L核酮糖核酮糖5磷酸磷酸4差向异构酶。差向异构酶。调节基因调节基因：araC操纵基因：操纵基因：O1、O2基因基因E、F：负责转运阿拉伯糖进入细胞：负责转运阿拉伯糖进入细胞araC基因位于另一个操纵子中，它编码的基因位于另一个操纵子中，它编码的araC蛋白蛋白是操纵子的调控因子。是操纵子的调控因子。v AraC的结构：的结构：AraC由由292aa残基组成，其残基组成，其N端结构域端结构域(1-170aa)可可结合阿拉伯糖并参与形成二聚体，结合阿拉伯糖并参与形成二聚体，C端（端（178-292aa)为为DNA结合结构域。结合结构域。AraC对对araB
