1、 第十章（第十章（1 1）原核生物基因表达调控）原核生物基因表达调控 一、基本概念一、基本概念 二、复制水平的调控二、复制水平的调控 三、转录水平的调控三、转录水平的调控 四、翻译水平的调控四、翻译水平的调控 生命科学学院生命科学学院 卢龙斗卢龙斗 一、基本概念一、基本概念 1、调节基因、操纵基因、调节基因、操纵基因 可以产生调节蛋白或阻遏物，对转录起调可以产生调节蛋白或阻遏物，对转录起调 节作用的基因节作用的基因 可与调节基因的产物结合，对转录起开关可与调节基因的产物结合，对转录起开关 作用的基因作用的基因 2、结构基因、启动基因、结构基因、启动基因 在操纵基因下游、可以表达形成功能蛋白在操
2、纵基因下游、可以表达形成功能蛋白 质的基因质的基因 在操纵基因上游、可以让在操纵基因上游、可以让RNA聚合酶结合聚合酶结合 使转录启动的基因使转录启动的基因 3、基因表达、基因调控、基因表达、基因调控 基因通过转录、翻译等一系列步骤形成 有活性蛋白质的过程 基因活动过程中的有序状态以及对环境 变化作出的一整套控制机制 4、组成型基因、组成型基因、可调节基因、可调节基因 可以不受外界环境影响连续不断的表达 的基因。（组成型基因来源:野生型基因 本身就是、野生型基因突变而成、其他基 因突变导致）易受外界环境影响、不能连续地表达的基因易受外界环境影响、不能连续地表达的基因 （来源：基因本身、由组成型
3、基因突变成）来源：基因本身、由组成型基因突变成）5、组成酶、诱导酶、组成酶、诱导酶 不论诱导与否都能够产生的酶。是组成型不论诱导与否都能够产生的酶。是组成型 基因的产物基因的产物 经过诱导才能产生的酶。是可调节基因的经过诱导才能产生的酶。是可调节基因的 产物产物 6、阻遏型、超阻遏型、阻遏型、超阻遏型 培养基中没有诱导物时阻遏蛋白与操纵基培养基中没有诱导物时阻遏蛋白与操纵基 因结合阻止转录，当存在诱导物时阻遏蛋因结合阻止转录，当存在诱导物时阻遏蛋 白与操纵基因脱离使转录启动的现象白与操纵基因脱离使转录启动的现象 在培养基中不管有没有诱导物，阻遏蛋白在培养基中不管有没有诱导物，阻遏蛋白 都与操纵
4、基因结合，阻止转录的现象都与操纵基因结合，阻止转录的现象 7 7、正控制、负控制、正控制、负控制 调节基因的产物起促进结构基因转录作用的调节基因的产物起促进结构基因转录作用的 控制（有调节蛋白操纵子开放、无时关闭）控制（有调节蛋白操纵子开放、无时关闭）调节基因的产物起抑制阻遏结构基因转录作调节基因的产物起抑制阻遏结构基因转录作 用的控制用的控制（有调节蛋白操纵子关闭、无时开（有调节蛋白操纵子关闭、无时开 放）放）8、阻遏蛋白、辅阻遏物、阻遏蛋白、辅阻遏物 结合在操纵基因上阻止转录启动的一类蛋白结合在操纵基因上阻止转录启动的一类蛋白 质质 能与阻遏蛋白结合激活阻遏蛋白的一种小分能与阻遏蛋白结合激
5、活阻遏蛋白的一种小分 子物质（小分子物质如：代谢的终产物）子物质（小分子物质如：代谢的终产物）9 9、诱导物、安慰诱导物、诱导物、安慰诱导物（无偿诱导物）（无偿诱导物）能使细胞产生大量诱导酶的小分子物质能使细胞产生大量诱导酶的小分子物质 （外界的糖类、氨基酸、核苷等，能被诱导（外界的糖类、氨基酸、核苷等，能被诱导 酶分解）酶分解）一类有强的诱导操纵子开放的效应，但不一类有强的诱导操纵子开放的效应，但不被被 诱导的酶所分解的的物质诱导的酶所分解的的物质 1010、可阻遏操纵子、可诱导操纵子、可阻遏操纵子、可诱导操纵子 指可以被培养基中的效应分子阻止转录启指可以被培养基中的效应分子阻止转录启动动
6、的操纵子（负责合成代谢的酶类的操纵子）的操纵子（负责合成代谢的酶类的操纵子）指可以被培养基中的效应分子启动转录的指可以被培养基中的效应分子启动转录的 操纵子（负责分解代谢的酶类的操纵子）操纵子（负责分解代谢的酶类的操纵子）1111、操纵子、操纵基因、操纵子、操纵基因 由结构基因、操纵基因和启动基因组成的 功能单位。DNA分子内由一定的核苷酸序列组成的一 个或几个基因表达的协同单位，包括几个 结构基因和基因表达的共同调控序列 位于结构基因前端、与阻遏蛋白一起操纵 所控制的结构基因转录的基因12、顺式作用、顺式作用 顺式作用因子（顺式元件）顺式作用因子（顺式元件）只能对其位于同一条染色体上或同一个
7、只能对其位于同一条染色体上或同一个DNA 分子上的效应基因发生作用。（增强子、启分子上的效应基因发生作用。（增强子、启 动子、操纵基因等仅作用于与自己在同一个动子、操纵基因等仅作用于与自己在同一个 DNA分子上的结构基因）分子上的结构基因）指受其调控的效应基因位于同一条染色体或同指受其调控的效应基因位于同一条染色体或同 一个一个DNA分子上的转录调控区的遗传元件。分子上的转录调控区的遗传元件。（增强子、启动子、操纵基因等）（增强子、启动子、操纵基因等）1313、反式作用、反式作用 反式作用因子（反式元件）反式作用因子（反式元件）位于独立的另一条染色体上或位于独立的另一条染色体上或DNADNA分
8、子上的分子上的 遗传单元（阻遏基因、转录因子等）通过遗传单元（阻遏基因、转录因子等）通过 产生一种能够间隔距离发生作用的扩散性产生一种能够间隔距离发生作用的扩散性 物质（蛋白质、物质（蛋白质、RNARNA分子等）来干扰调控位分子等）来干扰调控位 于另一条染色体上或于另一条染色体上或DNADNA分子上的其它基因分子上的其它基因 的活动。的活动。能够同特定的顺式元件结合，进而调节效能够同特定的顺式元件结合，进而调节效 应基因转录反应的特异性蛋白质分子。（激应基因转录反应的特异性蛋白质分子。（激 活蛋白、阻遏蛋白等）活蛋白、阻遏蛋白等）二、二、DNADNA水平的调控水平的调控 1 1、鼠伤寒沙门氏菌
9、鞭毛基因的相变、鼠伤寒沙门氏菌鞭毛基因的相变 相转变：在分裂过程中细菌鞭毛抗原结相转变：在分裂过程中细菌鞭毛抗原结 构的经常性（构的经常性（1/10001/1000）反复变异）反复变异 相控制：鞭毛蛋白由非等位的相控制：鞭毛蛋白由非等位的H H1 1、H H2 2 基因基因 控制，控制，H H1 1 基因表达时细菌处于基因表达时细菌处于 相，相，H H2 2 基因表达细菌处基因表达细菌处 于于相相 意意 义：在于逃脱寄主抗体的进攻义：在于逃脱寄主抗体的进攻 机机 制：制：DNADNA重排（重排（DNA rearrangementDNA rearrangement）是通过某一是通过某一DNADN
10、A片段的排列方向片段的排列方向 和位置发生改变来调控基因的转和位置发生改变来调控基因的转 录的开启和关闭，录的开启和关闭，1 1）功能单位的结构）功能单位的结构IRL Hin P IRR I H2 rh1 H1IRL、IRR：左右倒转重复序列，14bpHin：995bp，正常时此基因与rh1基因同时表达，rh1 产物可以阻遏下游H1基因表达，使细菌处于相 有特殊情况时，Hin基因会表达产生Hin蛋白，此 蛋白可使950bp的序列倒转，使启动子远离H2、rh1基因，而无法转录,使H1基因的抑制被解除，H1基因表达，使细菌处于相 P：是Hin基因的组成部分，同时又是H2基因的 启动子 I：间隔雪列
11、，16bp 995bp H2 rh1Hin基因基因H2基因的启动子基因的启动子Hin基因的产物催基因的产物催化化995bp序列倒位序列倒位995bp H2 rh1H2基因的启动子基因的启动子 倒位使启动子远离倒位使启动子远离H2H2基因，不能启动转录，细菌处于基因，不能启动转录，细菌处于1 1相相2 2）基因活动的调控）基因活动的调控H2 rh1 H1H2型鞭型鞭毛蛋白毛蛋白转录转录翻译翻译2 2）基因活动的调控）基因活动的调控 2、Mu-1 phage的寄主范围改变 S U gin mon S U gin mon 3000bp4000bp倒位倒位G(+)G(+)方向时形方向时形成成S,US,
12、U蛋白，可蛋白，可感染感染E.coliE.coli k12,k12,不能感染不能感染E.coliE.coli C CG G（）方向时（）方向时形成形成S S 、U U 蛋白，可感染蛋白，可感染E.coliE.coli C C，不，不能感染能感染E.coliE.coli k12k12G片断片断 三、转录水平的控制三、转录水平的控制 1、乳糖操纵子（分解代谢）1)操纵子的结构 I:1040bpI:1040bp，调节基因，编码，调节基因，编码360360个氨基酸的阻遏蛋白个氨基酸的阻遏蛋白P:90bpP:90bp，RNARNA聚合酶识别和结合位点聚合酶识别和结合位点O:21-27bpO:21-27b
13、p，操纵基因，阻遏蛋白结合位点，操纵基因，阻遏蛋白结合位点Z:3510bpZ:3510bp，-半乳糖苷酶基因，使乳糖分解半乳糖苷酶基因，使乳糖分解Y:780bpY:780bp，-半乳糖苷透性酶基因，使乳糖进入细胞半乳糖苷透性酶基因，使乳糖进入细胞A:825bpA:825bp，-半乳糖苷转移酶基因半乳糖苷转移酶基因 I CAP R B Z PO -70 -35 -10 -3 +1 +21CAP:CAP:位于位于-70-70区，代谢降解物激活蛋白区，代谢降解物激活蛋白(catabolitecatabolite gene activator protein)gene activator protei
14、n)，或叫，或叫CRPCRP蛋白的结合位点蛋白的结合位点R:R:位于位于-35-35区，是区，是RNARNA聚合酶的聚合酶的因子的识别位点因子的识别位点B B:位于位于-10-10区，是区，是RNARNA聚合酶的结合位点聚合酶的结合位点P P与与O O有部分重叠去，转录从操纵基因的有部分重叠去，转录从操纵基因的+1+1开始开始O O与结构基因与结构基因Z Z有部分重叠有部分重叠长度约为长度约为6343bp DNA.lacI 基因的末端区域和启动子基因的末端区域和启动子P连连接接.操纵基因占据了操纵基因占据了 lacZ 基因基因26 bp的长度的长度.2）操纵子的负控制（阻遏蛋白的控制）阻遏蛋白
15、结合操纵基因上，阻碍了阻遏蛋白结合操纵基因上，阻碍了RNA聚聚 合酶顺利通过从而关闭结构基因的转录合酶顺利通过从而关闭结构基因的转录 3）操纵子的正控制（操纵子的正控制（CAP-c-AMP）大肠杆菌细胞的CAP基因能形成CAP蛋白（代 谢降解物激活蛋白），又叫CR蛋白 大肠杆菌能量代谢中会形成c-AMP （环腺苷酸）CAP与c-AMP二者可以形成复合物 此复合物结合到起动基因的CAP位点后，能促使RNA多聚酶高效与启动基因结合，使转 录加强。I CAP R B Z PO -70 -35 -10 -3 +1 +21存在葡萄糖：c-AMP处于低水平，形成的CAP与c-AMP 复合物少，不能结合到启
16、动基因的CAP位 点，转录停止。没有葡萄糖：c-AMP处于高水平，形成的CAP与c-AMP 复合物多，能结合到起动基因的CAP位 点，转录开始。为什么葡萄糖会影响c-AMP的水平呢？葡萄糖葡萄糖 ATP DNA CAP、c-AMP和葡萄糖代谢物间的关系和葡萄糖代谢物间的关系 XC-AMP5-AMPmRNACAP抑制抑制促进促进 4）乳糖操纵子的基因突变 调节基因的突变:I+：野生型，为显性，产物正常与操纵基因结 合，I+时Lac操纵子活动正常 I-：组成型突变型，产物结构变化，不能与操 纵基因结合，I-时Lac操纵子活动失控，三种酶成了组成型酶，不管有无乳糖，三 种酶一直形成，Is ：超阻遏型
17、突变型，产物结构变化，可与操 纵基因结合，但不再能与乳糖发生结合，Is时Lac操纵子活动被抑制，不管有无乳糖 都没有三种酶 三个基因之间关系为：Is I+I-图图：lacI 基因的突变也可以引起操纵子基因的组成性表达基因的突变也可以引起操纵子基因的组成性表达,因为因为突变的调节蛋白（阻遏蛋白）不能结合到操纵基因上去，因此结突变的调节蛋白（阻遏蛋白）不能结合到操纵基因上去，因此结构基因可以正常无限制的表达。构基因可以正常无限制的表达。基因型基因型 不经诱导不经诱导 经诱导经诱导 Z Y A Z Y AZ Y A Z Y A1.I+Y+0.1 1 1 100 100 1002.-+120 120
18、120 120 120 1203.+-+-+2 2 2 200 250 2504.-+-+2 2 2 250 120 120 5.-+-+250 250 250 200 250 2506.-+200 200 200 200 200 2007.s+2 2 2 2 2 28.s+2 2 2 2 2 29.s+-+2 2 2 2 2 2、说明是诱导型操纵子、说明是组成型突变、说明是诱导型操纵子、说明是组成型突变、说明、说明+是是-的显性的显性与结构基因与结构基因没有顺反位置效应没有顺反位置效应、说明是超阻遏突变、说明三个基因的关系、说明是超阻遏突变、说明三个基因的关系 I I基因与结构基因无顺反位置
19、效应基因与结构基因无顺反位置效应.因为阻遏蛋白合因为阻遏蛋白合 成后可以与自身的操纵基因结合，也可与外来的成后可以与自身的操纵基因结合，也可与外来的DNADNA 片段上的操纵基因结合，属于扩散性的。片段上的操纵基因结合，属于扩散性的。顺式时三种酶可以正常表达：顺式时三种酶可以正常表达：反式时三种酶也可正常表达：反式时三种酶也可正常表达：操纵基因的突变操纵基因的突变:O O+：野生型，操纵子活动正常：野生型，操纵子活动正常 OcOc：组成型突变型，三种酶都为组成型的：组成型突变型，三种酶都为组成型的 OcOc O O+成为成为OcOc后后，的产物均的产物均 不能与操纵基因结合，操纵子处于开放状态
20、。不能与操纵基因结合，操纵子处于开放状态。与结构基因有顺反位置效应与结构基因有顺反位置效应基因型基因型 不经诱导不经诱导 经诱导经诱导 Z Y A Z Y AZ Y A Z Y A1 1、可看出是诱导型操纵子、可看出是诱导型操纵子 2 2可以看出是组成型突变可以看出是组成型突变3 3可看出可看出Oc 是是O+O+的显性 4 4、5 5可看出有顺反位置效应，因为操可看出有顺反位置效应，因为操纵基因与结构基因在顺式时为组成型，纵基因与结构基因在顺式时为组成型，OcOc是是O+O+的显性。反式时的显性。反式时为非组成型的，为非组成型的，(从从Z Z、Y Y、A A三个位置均可看出此效应）三个位置均可
21、看出此效应）7 7说明说明s 产物能与O O+结合结合 8 8说明说明s s 产物不能与OcOc结合结合 1.O+Y+0.1 1 1 100 100 100 2.Oc+25 25 25 100 120 120 3.O+-+Oc+75 75 75 250 300 300 4.O+-+Oc+-75 1 1 250 120 120 5.O+-Oc-+1 75 75 100 250 250.s O+2 2 2 2 2 2.s O+O+2 2 2 2 2 2.s O+-Oc+150 150 150 150 150 150 为什么会有顺反位置效应：为什么会有顺反位置效应：操纵基因不产生扩散性物质，仅作用于
22、自身的操纵基因不产生扩散性物质，仅作用于自身的DNADNA片段片段 调节基因与操纵基因间的关系：调节基因与操纵基因间的关系：s Oc+O+顺式顺式 表达表达 表达表达+Oc+s O+反式反式 表达表达 表达表达-Oc+O+反式反式 表达表达 表达表达+Oc+-O+顺式顺式 表达表达 表达表达 二者没有顺反位置效应。为什么？虽然调节基因的产物是扩散性的，但是操纵基因突 变后，任何调节基因的产物都不能结合上去。诱导 不诱导结构基因的突变结构基因的突变:天然极性：正常情况下天然极性：正常情况下Z、Y、A三种酶的比例为三种酶的比例为 5：2：1 AUG UAA I AUG UAA I AUG UAA1
23、 1、每个基因存在起始密码和终止密码、每个基因存在起始密码和终止密码2 2、基因之间存在间隔序列（、基因之间存在间隔序列（45bp45bp，67bp67bp）3 3、30S30S亚基容易脱落。亚基容易脱落。50S50S和和30S30S亚基从亚基从5 5，向右滑动遇到向右滑动遇到 终止密码时终止密码时50S50S亚基脱落释放出产物，亚基脱落释放出产物，30S30S亚基继续滑亚基继续滑 动，遇到下一个起始密码时动，遇到下一个起始密码时50S50S亚基又结合上去，亚基又结合上去，30S30S 亚基单个在滑动过程中很容易脱落，越靠下游的基因亚基单个在滑动过程中很容易脱落，越靠下游的基因 脱落的机会越多
24、。脱落的机会越多。4 4、50S50S亚基结合上去时有迟疑亚基结合上去时有迟疑极性突变：上游基因发生无义突变对下游基因的极性突变：上游基因发生无义突变对下游基因的 影响，且突变发生的位置越靠近上游影响，且突变发生的位置越靠近上游 对下游基因的影响就越大的现象。对下游基因的影响就越大的现象。Z Y A在基因在基因Z Z发生突变会影响下游的发生突变会影响下游的Y Y、A A基因基因在基因在基因Y Y发生突变仅会影响下游的发生突变仅会影响下游的A A基因基因在基因在基因A A发生突变仅影响自身发生突变仅影响自身在一个基因内部发生突变的位置越靠前在一个基因内部发生突变的位置越靠前对下游基因的影响就越大
25、对下游基因的影响就越大机制在于突变发生越靠前，机制在于突变发生越靠前，50S50S亚基脱落亚基脱落越早，越早，30S30S亚基向右滑动距离越长，脱落亚基向右滑动距离越长，脱落机会越多。机会越多。1、说明诱导性操纵子、说明诱导性操纵子 2、说明、说明Oc是组成型突变是组成型突变 3、说明顺式显性（仅在一个地方是顺式就可以）如虽然、说明顺式显性（仅在一个地方是顺式就可以）如虽然O+Z+不不 是顺式，但是顺式，但Oc Z+为顺式、为顺式、Oc Y+、Oc ZA+为顺式为顺式4、说明、说明 Oc Z+为顺式显性、为顺式显性、Oc Y-、Oc A-为反式，为反式，Oc不不 能表达能表达5、进一部说明顺反
26、式作用说明、进一部说明顺反式作用说明 3、O+A+Oc +A+不诱导不诱导 无三种酶无三种酶 有三种酶有三种酶 诱诱 导导 有三种酶有三种酶 有三种酶有三种酶4.O+A+Oc +-A-不诱导不诱导 无酶无酶、Y、A 有酶有酶 无酶无酶Y、A 诱诱 导导 有酶有酶、Y、A 有酶有酶 无酶无酶Y、A5.O+-A-Oc -+A+6.不诱导不诱导 无三种酶酶无三种酶酶 有酶有酶Y、A7.诱诱 导导 有酶有酶A 有酶有酶Y、A例题2：对于下列的各个大肠杆菌二倍体来说，请指出在添加和不添加诱导物时其半乳糖苷酶和透过酶是否是可诱导的或者组成型的或者是负的。(1)i+O-Z-Y+/i+OcZ+Y+(2)i+O
27、cZ+Y+/i-OcZ-Y-(3)i-O+Z-Y+/i-OcZ+Y+(4)i+OcZ-Y-/i-OcZ-Y-(5)i-O+Z+Y-/i+OcZ-Y-知识要点：1操纵基因突变总是顺式显性、反式隐性；调节基 因的突变则顺式和反式均为显性。2 2一个错义突变，不能产生酶一个错义突变，不能产生酶 3 3、i+i+是是 i-i-的显性的显性 4 4、OcOc是组成型突变是组成型突变 标准答案：基因型 表型 加诱导物 无诱导物 Z Y Z Y(1)i+O-Z-Y+/i+OcZ+Y+(2)i+OcZ+Y+/i-OcZ-Y-(3)i-O+Z-Y+/i-OcZ+Y+(4)i+OcZ-Y-/i-OcZ-Y-(5)
28、i-O+Z+Y-/i+OcZ-Y-例题4：下表中a，b，c代表大肠杆菌乳糖操纵子中的阻遏基因I、操纵基因O和结构基因Z，但其具体的对应关系是未知的。根据表中所列的特征找出a,b,c和I，O，Z间的对应关系。1 2 3 4 5 6 7 知识要点：？1、结构基因要形成酶 2、操纵基因为顺式调控，阻遏蛋白为反式调控 解题思路：1、根据要点1，在单倍体中2、3中都是有一个C-，但2 中有酶出现，因此，C不是结构基因。（如果某 一基因发生突变，仍能检测到酶的活性，则一定不 是结构基因。若没有诱导物也可以检测到酶的活 性，则这个基因可能是操纵基因或阻遏基因）。在单倍体1中a-仍然有酶的表达，因此，a不是结
29、构 基因。则b一定为结构基因 2、根据要点2、看基因a、c哪一个与基因b有顺反效应 从4、5、6、7可看出基因a与b有顺反位置效应，所 以a为操纵基因 3、c是阻遏基因。因为从5、6看，c与b没有顺反效应 调节基因 操纵基因 结构基因1、产物 阻遏蛋白 仅转录 蛋白质2、位置 灵活 在结构G附近 操纵G下游3、作用方式 反式作用 顺式作用 效应基因4、原件类型 反式元件 顺式元件 效应基因5、突变 组成、超阻遏 组成 类似超阻遏 6、与结构基 无顺反效应 顺式显性 因关系trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA结构基因结构基因操纵基因操纵基因启动子启动子调
30、节基因调节基因1、调节基因与结构基因不紧密连锁、调节基因与结构基因不紧密连锁 2、操纵基因在启动基因区内、操纵基因在启动基因区内 3、启动子、操纵基因不直接与结构基因毗邻、启动子、操纵基因不直接与结构基因毗邻，中间有一段前导序列，中间有一段前导序列 4、有衰减子结构、有衰减子结构衰减子无色氨酸：阻遏物不能形成复合物，则不与操纵基因结合，操纵无色氨酸：阻遏物不能形成复合物，则不与操纵基因结合，操纵 子开放。子开放。有色氨酸：阻遏物与色氨酸结合形成复合物，结合到操纵基因有色氨酸：阻遏物与色氨酸结合形成复合物，结合到操纵基因 上，使上，使RNARNA聚合酶不能与启动子结合，阻止转录。聚合酶不能与启动
31、子结合，阻止转录。（反馈抑制）色氨酸是辅阻碍物（反馈抑制）色氨酸是辅阻碍物 2 2）色氨酸操纵子的表达调控）色氨酸操纵子的表达调控 在乳糖操纵子中：阻遏状态下的结构基因转录频率在乳糖操纵子中：阻遏状态下的结构基因转录频率/诱导状态下的结构基因转录频率诱导状态下的结构基因转录频率 =1/1000=1/1000，在细胞中酶的浓度：阻，在细胞中酶的浓度：阻遏遏 状态（本底表达水平）状态（本底表达水平）/诱导状态下诱导状态下 =1/1000=1/1000 色氨酸操纵子中：阻遏状态下的结构基因转录频率色氨酸操纵子中：阻遏状态下的结构基因转录频率/诱诱 导状态下的结构基因转录频率导状态下的结构基因转录频率
32、=1/70=1/70 按照正常的推理在细胞中酶的浓按照正常的推理在细胞中酶的浓 度：阻遏状态（本底表达水平）度：阻遏状态（本底表达水平）/诱诱 导状态下应该是导状态下应该是=1/70=1/70 但是实际却是但是实际却是1/7001/700。为什么？。为什么？图图 ：trptrp 操纵操纵子的子的mRNAmRNA前导序前导序列中有一个编码列中有一个编码1414个氨基酸的开个氨基酸的开放阅读框，在该放阅读框，在该阅读框的下游阅读框的下游4242个碱基处有一个个碱基处有一个典型的不依赖于典型的不依赖于因子的终止子因子的终止子（富含（富含GCGC的回文的回文序列和序列和U U序列）序列）这个内部的终止
33、这个内部的终止子称为衰减子序子称为衰减子序列。列。3 3）衰减子的结构和作用机制）衰减子的结构和作用机制衰减子：衰减子：在一些合成代谢的操纵子前导区内存在的类似终在一些合成代谢的操纵子前导区内存在的类似终 止子结构的一段止子结构的一段DNA序列序列图：图：trp 前导序列存在碱基配对的形状。中间的图表明存在四个可以配对的区域：前导序列存在碱基配对的形状。中间的图表明存在四个可以配对的区域：区区 1 可以可以和区和区 2配对配对,区区2可以和区可以和区3配对，而区配对，而区3又可以和区又可以和区4配对配对。左边的图表明区左边的图表明区1和区和区2配对后，配对后，区区3就和区就和区4配对，从而形成
34、终止子的发夹结构，使转录终止。右边的图表明如果区配对，从而形成终止子的发夹结构，使转录终止。右边的图表明如果区2和区和区3配配对那么就不会形成终止子的发夹结构，转录继续进行。对那么就不会形成终止子的发夹结构，转录继续进行。（前导序列和终止子可分成（前导序列和终止子可分成4个区）个区）色氨酸密码子色氨酸密码子终止信号终止信号衰减终止信号衰减终止信号终止码终止码无色氨酸无色氨酸转录继续转录继续有色氨酸有色氨酸转录停止转录停止图图 ：RNA RNA 聚合聚合酶在衰减子位置酶在衰减子位置的是否转录下去的是否转录下去的选择依赖于核的选择依赖于核糖体的定位糖体的定位,而而核糖体定位的又核糖体定位的又取决与
35、区取决与区 3 3 和和区区4 4 配对形成的配对形成的发夹结构。发夹结构。区区1区区2区区3区区4核糖体核糖体无色氨酸转录继续无色氨酸转录继续有色氨酸转录停止有色氨酸转录停止 色氨酸操纵子的阻遏物阻碍能力较低，仅是乳糖操纵子色氨酸操纵子的阻遏物阻碍能力较低，仅是乳糖操纵子 阻碍物的阻碍物的1/10001/1000。单靠阻遏物来控制效率太低。那么，。单靠阻遏物来控制效率太低。那么，此操纵子怎么控制不需要色氨酸时操纵子不活动呢？此操纵子怎么控制不需要色氨酸时操纵子不活动呢？有四个区：有四个区：1 1区、区、2 2区、区、3 3区、区、4 4区，区，1 1与与2 2可配对可配对 2 2与与3 3可
36、配对可配对 3 3与与4 4可配对可配对 1 1区有连续区有连续2 2个色氨酸密码子个色氨酸密码子 1 1区与区与2 2区之间有个前导肽的终止密码子区之间有个前导肽的终止密码子 强终止子时，强终止子时，RNARNA聚合酶不能通过，转录停止聚合酶不能通过，转录停止 弱终止子时，弱终止子时，RNARNA聚合酶能通过，继续转录聚合酶能通过，继续转录 当无色氨酸时：核糖体停在当无色氨酸时：核糖体停在1 1区的两个色氨酸密码子区的两个色氨酸密码子 处，占据了处，占据了1 1区，区，2 2区与区与3 3区配对，形成区配对，形成 弱终止子，弱终止子，RNARNA聚合酶能突破此区域，转录聚合酶能突破此区域，转
37、录 继续。继续。4 4区处于单链状态，区处于单链状态，当有色氨酸时：当有色氨酸时：核糖体停在终止密码处，占据核糖体停在终止密码处，占据1 1区和区和2 2区的大区的大 部，部，2 2区域下的部分与区域下的部分与3 3区的少部分配对，区的少部分配对，3 3区区 的大部份与的大部份与4 4区配对，区配对，形成强终止子结构，形成强终止子结构，使使RNARNA聚合酶不能通过，转录终止。聚合酶不能通过，转录终止。第一层次调控：阻遏物与色氨酸复合物的作用第一层次调控：阻遏物与色氨酸复合物的作用 第二层次调控：形成强终止子，使转录停止第二层次调控：形成强终止子，使转录停止 在两级控制下使操纵在两级控制下使操
38、纵 子的表达大幅度下降子的表达大幅度下降 例题8：根据下表有关大肠杆菌对于某一种酶的诱导合成方面的3个突变型的表型，说明哪一个是结构基因？哪一个是操纵基因？哪一个是调节基因？（假定这几个基因和色氨酸操纵子中的基因具有同样的性质)基因型 表型 不加辅阻遏物 加辅阻遏物 M1 M2 M3 /M1M2M3 M3/M1M2 M2/M1M3 M1/M2M3 知识要点：1大肠杆菌中色氨酸操纵子的基本知识。2操纵基因为顺式调控因子，阻遏蛋白为反式调控 因子。3调节基因组成型的合成一无功能蛋白，为阻遏蛋 白。当色氨酸过量时与阻遏蛋白结合形成有功能 的阻遏物复合体，与操纵基因结合抑制结构基因 的转录。4结构基因
39、的野生型对于突变型为显性。解题思路：在单倍体中，如果结构基因发生突变，无论是否存 在辅阻遏物,均不能检测到酶的活性；如果调节基因 发生突变，则产生的阻遏蛋白无法与辅阻遏物结 合，则无论是否存在辅阻遏物均能检测到酶活性；如果是操纵基因发生突变，则无论是否存在辅阻遏 物也均能检测到酶活性。如果是操纵基因发生突变，则无论是否存在辅阻遏 物也均能检测到酶活性。标准答案：根据M2的表型，可以推断M2为结构基因。M3/M1M2中均能检测到酶活性，由于M1和M3均有一 份野生基因存在，所以细胞中存在正常的阻遏蛋 白。只有在M1是调节基因是才能得到这样的结果。M1是调节基因，M3是操纵基因。4、阿拉伯糖操纵子
40、（分解代谢）、阿拉伯糖操纵子（分解代谢）1）阿拉伯糖操纵子的结构）阿拉伯糖操纵子的结构 四、翻译水平的调控 1、重叠核苷酸：在一个多顺反子的转录物上，当上游的 基因的酶量需要与下游基因的酶量有差 别时，则2个基因间存在间隔。当不需要 有差别时，则无间隔，甚至可以重叠几 个核苷酸。如TrpE与TrpD有翻译偶联；TrpE ACU UUC UGA UG GCU TrpD 2、反义反义RNARNA（AntisenseAntisense RNA RNA）：）：一种能与目标一种能与目标mRNAmRNA 互补的互补的RNARNA分子，又称为干扰分子，又称为干扰mRNAmRNA的互的互 补补RNARNA（m
41、RNA-interfering mRNA-interfering complementary RNA complementary RNA，micRNAmicRNA）反义反义RNARNA可与翻译起始区结合，形成双可与翻译起始区结合，形成双 链链RNARNA，阻止翻译的进行。，阻止翻译的进行。图：图：反义反义RNA 能能够影响目够影响目标标RNA的的功能或稳功能或稳定性定性。1 2 3 3、稀有密码子:E.coli的rpsU操纵子 o rpsU dnaG rpoDrpsU产物为25种非调控蛋白：4万分子/细胞dnaG产物为引物酶：50拷贝/细胞rpoD产物为引子：2800拷贝/细胞AUU、AUC为
42、异亮氨酸的常用密码子，AUA为异亮氨酸的稀有密码子 AUU 37%36%27%AUC 62%32%74%AUA 1%32%0 稀有密码子的相应的稀有密码子的相应的tRNAtRNA比较少，当核糖体在比较少，当核糖体在mRNAmRNA上上 滑行到此密码子时，运行等待时间较长。导致翻译量滑行到此密码子时，运行等待时间较长。导致翻译量 减少。减少。4 4、严紧反应、严紧反应 细胞在饥饿时，大部分活性区域都关闭的现象。细胞在饥饿时，大部分活性区域都关闭的现象。在氨基酸饥饿时会产生两种特殊的核苷酸，电泳时迁在氨基酸饥饿时会产生两种特殊的核苷酸，电泳时迁 移率与一般核苷酸不同，称为：移率与一般核苷酸不同，称
43、为：魔斑魔斑，即为，即为ppGpp 魔斑魔斑即为：即为：pppGpp 5 5、mRNAmRNA稳定性稳定性 指指mRNAmRNA能形成二级结构来防止能形成二级结构来防止RNaseRNase 、多核苷酸、多核苷酸 磷酸化酶的降解破坏（均为磷酸化酶的降解破坏（均为3535外切活性）外切活性）灵活多变灵活多变的控制网的控制网络络负负控制控制正控制正控制诱诱 导导阻阻 遏遏辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物诱导物诱导物诱导物诱导物顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting elements）：DNA分子上对基因表分子上对基因表达有调控活性的特定的调控序列，起活性仅影响与其自身处达有调控活性的特定的
44、调控序列，起活性仅影响与其自身处于同于同一一DNADNA分子上的基因。他们多位于基因两侧或者内含子中，分子上的基因。他们多位于基因两侧或者内含子中，不编码蛋白质。如启动子、增强子都属于顺式作用元件，他不编码蛋白质。如启动子、增强子都属于顺式作用元件，他们的作用方式就是顺式作用。们的作用方式就是顺式作用。反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factorstrans-acting factors）：）：能直接或者间接能直接或者间接识别和结合在各种顺式作用元件上参与调控靶基因转录效率识别和结合在各种顺式作用元件上参与调控靶基因转录效率的物质，一般是蛋白质或者的物质，一般是蛋白质或者
45、RNARNA，他们的作用方式属于反式作他们的作用方式属于反式作用。用。图：在负控制中图：在负控制中,一个反式作用的阻遏蛋白结合到顺式作用的操纵一个反式作用的阻遏蛋白结合到顺式作用的操纵基因上从而关闭基因的转录。基因上从而关闭基因的转录。图图 ：在正控制中，反式作用因子必须结合到启动子的顺式作用位点在正控制中，反式作用因子必须结合到启动子的顺式作用位点去帮助去帮助RNARNA聚合酶启动转录聚合酶启动转录 。图图：阻遏蛋：阻遏蛋白结合的位白结合的位点和点和 RNA 聚合酶结合聚合酶结合的位点在结的位点在结构基因转录构基因转录起始点附近起始点附近存在重叠部存在重叠部分分.图图：诱导诱导物的添加会物的
46、添加会迅速诱导迅速诱导 lac mRNA的产生的产生,当当诱导物被去诱导物被去除后，相对除后，相对于于lac mRNA的合的合成，酶的合成，酶的合成存在一个成存在一个滞后。滞后。（2）、乳糖操纵子）、乳糖操纵子诱导物、诱导物、mRNA和酶产物关系分析和酶产物关系分析本底表达本底表达图图 ：操纵基因突变是组成性的，因为操纵基因不能结合阻遏蛋白，这：操纵基因突变是组成性的，因为操纵基因不能结合阻遏蛋白，这样样 无论调节蛋白存在与否，无论调节蛋白存在与否，RNA RNA 聚合酶都可以正常无限制的结合到启聚合酶都可以正常无限制的结合到启动子上，结构基因正常转录。动子上，结构基因正常转录。图图 ：laclacI I 基因的突变也可以引起操纵子基因的组成性表达基因的突变也可以引起操纵子基因的组成性表达,因为突变因为突变的调节蛋白（阻遏蛋白）不能结合到操纵基因上去，因此结构基因可以的调节蛋白（阻遏蛋白）不能结合到操纵基因上去，因此结构基因可以正常无限制的表达。正常无限制的表达。图：乳糖存图：乳糖存在一个对称在一个对称序列序列.以以+11操纵子为对操纵子为对称轴，每边称轴，每边各有各有6bp的的对称序列对称序列TGTGTG和和AATTGT图：图：葡萄糖葡萄糖通过减少通过减少 cAMPcAMP的水平，的水平，引起代谢阻引起代谢阻遏遏.乳糖操纵子的乳糖操纵子的正控制正控制 cAMP
