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1、关于原核生物基因表达及调控第一页，讲稿共七十七页哦第一节第一节 原核生物基因的转录和翻译原核生物基因的转录和翻译原核生物的原核生物的DNA：单个裸露的单个裸露的DNA 不编码占不编码占5%转录和翻译同一时间，地点进行转录和翻译同一时间，地点进行 转录水平调控转录水平调控(主主)，兼有翻译水平调控，兼有翻译水平调控第二页，讲稿共七十七页哦根据基因表达产物可划分：根据基因表达产物可划分：组成型蛋白：基因表达不受时期、部位、环境组成型蛋白：基因表达不受时期、部位、环境 影响影响组成型表达。组成型表达。调节型蛋白调节型蛋白/适应型蛋白：基因表达受时期、部位、适应型蛋白：基因表达受时期、部位、环境影响环
2、境影响非组成型表达。非组成型表达。一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典,该种该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态才能呈现活化状态?结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。第三页，讲稿共七十七页哦 基因调控主要在三个水平上进行基因调控主要在三个水平上进行:.DNA水平水平.转录水平转录水平.翻译水平翻译水平第四页，讲稿共七十七页哦 一、转录的起始一、转
3、录的起始 转录是原核生物基因表达的主要调控点，转录是原核生物基因表达的主要调控点，主要涉及两个方面：主要涉及两个方面：1、RNA合成的酶系；合成的酶系；2、RNA合成起始和终止信号，即合成起始和终止信号，即DNA分子上分子上的特定序列。的特定序列。通过通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的相聚合酶、转录因子和启动子的相互作用实现转录调控，改变细胞的表型，互作用实现转录调控，改变细胞的表型，从而实现细胞生理状态和环境的变化。从而实现细胞生理状态和环境的变化。第五页，讲稿共七十七页哦（一）（一）RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase)：大大肠杆的的肠杆的的RNA聚合酶：由聚合酶：由5个亚基
4、组成，即个亚基组成，即2，有时还有有时还有2个个 亚基。以亚基。以2组成的酶称全酶。组成的酶称全酶。亚基与其他亚基结合较松弛，易从全酶上解离；其余亚基与其他亚基结合较松弛，易从全酶上解离；其余部分部分2称为核心酶称为核心酶(core enzyme)。第六页，讲稿共七十七页哦在大肠杆菌中还发现一种新的在大肠杆菌中还发现一种新的因子，因子，称为称为因子因子，因此将含有因此将含有亚基的全酶称为全酶亚基的全酶称为全酶I，含有，含有亚基的称亚基的称为全酶为全酶。二者的不同在于：全酶。二者的不同在于：全酶可以利用双链可以利用双链DNA为模板合成为模板合成po1yA)。亚基作用：亚基作用：参与启动子的识别和
5、结合以及转录起始参与启动子的识别和结合以及转录起始复合物的异构化。细胞内哪条复合物的异构化。细胞内哪条DNA链被转录、转录链被转录、转录方向与转录起点的选择都与方向与转录起点的选择都与亚基有关。亚基有关。第七页，讲稿共七十七页哦 离体实验表明：离体实验表明：全酶所转录的全酶所转录的RNA和细胞内所转和细胞内所转录出的录出的RNA，其起始点相同，序列相同，若仅用，其起始点相同，序列相同，若仅用核心酶进行转录，则模扳链和起始点的选择都有核心酶进行转录，则模扳链和起始点的选择都有很大的随意性，而且往往同一段很大的随意性，而且往往同一段DNA的两条链都的两条链都被转录。被转录。由此可见：由此可见：亚基
6、对识别亚基对识别DNA链上的转录信号是不链上的转录信号是不可缺少的，它是核心酶和启动子之间的桥梁。可缺少的，它是核心酶和启动子之间的桥梁。因子因子的取代在细胞发育和对环境应答的反应中起主导作用。的取代在细胞发育和对环境应答的反应中起主导作用。如在枯草杆菌中就有不同相对分子质量的如在枯草杆菌中就有不同相对分子质量的因子因子(P227表表91)第八页，讲稿共七十七页哦第九页，讲稿共七十七页哦 核心酶的核心酶的亚基作用：亚基作用：对对RNA聚合酶的功能至关聚合酶的功能至关重要，参与重要，参与RNA合成、终止信号的识别。由于合成、终止信号的识别。由于亚基亚基与与RNA的前体核昔三磷酸具有很高亲和力，推
7、测它可的前体核昔三磷酸具有很高亲和力，推测它可能参与底物的结合，以及催化磷酸二酯键的形成。能参与底物的结合，以及催化磷酸二酯键的形成。亚基作用：亚基作用：可使聚合酶结合到模板可使聚合酶结合到模板DNA上。上。亚基作用：亚基作用：游离状态，常以二聚体的形式存在，游离状态，常以二聚体的形式存在，参与全酶同启动子的牢固结合。参与全酶同启动子的牢固结合。第十页，讲稿共七十七页哦RNA聚合酶体积很大，横跨近聚合酶体积很大，横跨近60个碱基，而个碱基，而解旋的解旋的DNA区域可能不到区域可能不到17个碱基。当聚合个碱基。当聚合酶按酶按53方向延伸方向延伸RNA链时，解旋的链时，解旋的DNA区域也随之移动。
8、靠近区域也随之移动。靠近3端的端的DNA不断解不断解旋。同时在旋。同时在5端重新形成端重新形成DNA双链，不断双链，不断将将RNA-DNA杂合链中的杂合链中的RNA链挤出。链挤出。第十一页，讲稿共七十七页哦（二）启动子（二）启动子(promoter)：转录的起始是基因表达的关键阶段，启动子就是连转录的起始是基因表达的关键阶段，启动子就是连接在基因接在基因3端上游的端上游的DNA序列，其长度从序列，其长度从100 bp到到200 bp不等，是转录起始时不等，是转录起始时RNA聚合酶识别、结合的聚合酶识别、结合的特定部位，但其本身并不被转录。特定部位，但其本身并不被转录。第十二页，讲稿共七十七页哦
9、在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常将在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常将mRNA开始的一个核苷酸定为开始的一个核苷酸定为o点点(即即+1)由此向右常称由此向右常称为下游为下游(downstream)，其核苷酸依次编为正序号；起，其核苷酸依次编为正序号；起始点左例称为上游始点左例称为上游(upstream)其核苷酸则依次以负其核苷酸则依次以负号表示紧接起始点左侧的核昔酸为号表示紧接起始点左侧的核昔酸为-1。第十三页，讲稿共七十七页哦原核生物启动子结构含有同源序列。整个启动原核生物启动子结构含有同源序列。整个启动子包括两个部分：其上游部分是子包括两个部分：其上游部分是CAP-cAMP结
10、结合位点，下游部分是合位点，下游部分是RNA聚合酶的进入位点聚合酶的进入位点。第十四页，讲稿共七十七页哦 二、转录的终止二、转录的终止（一）终止子及其结构：（一）终止子及其结构：1、概念：、概念：DNA上提供转录停止信号的一段序列上提供转录停止信号的一段序列称为终止子称为终止子(terminator)，是一个基因的末端或是，是一个基因的末端或是一个操纵子的末端的一段特定序列。一个操纵子的末端的一段特定序列。2、类型：强终止子和弱终止子、类型：强终止子和弱终止子 强终止子：强终止子：不依赖于不依赖于Rho蛋白质辅助因子而能实现终蛋白质辅助因子而能实现终止作用，这类终止子属于强终止子；止作用，这类
11、终止子属于强终止子；弱终止子：弱终止子：依赖于依赖于Rho蛋白糖助因子才能实现终止蛋白糖助因子才能实现终止作用，这类终止子属于弱终止子。蛋白质辅助因作用，这类终止子属于弱终止子。蛋白质辅助因子称为释放因子，通常称为子称为释放因子，通常称为因子。因子。第十五页，讲稿共七十七页哦 所有原核生物的终止子共同的序列特征：所有原核生物的终止子共同的序列特征：即即在转录终止点之前有一段回文结构，因而所产生的在转录终止点之前有一段回文结构，因而所产生的mRNA可形成茎环状的发夹结构，它可使可形成茎环状的发夹结构，它可使RNA聚合酶聚合酶的移动停止或减缓。回文结构中富含的移动停止或减缓。回文结构中富含GC对，
12、在回文对，在回文序列的下游常有序列的下游常有68个个AU对，因此这段终止子转录后对，因此这段终止子转录后形成的形成的RNA具有与具有与A相对应的寡聚相对应的寡聚U，是使，是使RNA聚合聚合酶脱离模板的信号。酶脱离模板的信号。第十六页，讲稿共七十七页哦 依赖子依赖子因子的终止子因子的终止子其回文序列中其回文序列中GC对含量较少，对含量较少，回文序列下方没有固定结构，其回文序列下方没有固定结构，其AU对含量也较低，因对含量也较低，因而是弱终止子，必需有而是弱终止子，必需有因子存在时才发生终止作因子存在时才发生终止作用；这也就是说依赖于用；这也就是说依赖于因子的终止子由于其茎环结因子的终止子由于其茎
13、环结构常较短，在没有构常较短，在没有因子时这种茎环结构不稳定。即如因子时这种茎环结构不稳定。即如果没有果没有因子存在因子存在RNA聚合酶会继续转录下去，这聚合酶会继续转录下去，这就称为通读就称为通读(read through)，当，当因子存在时，转录才因子存在时，转录才能终止。能终止。第十七页，讲稿共七十七页哦在强终止子中在强终止子中，由于其，由于其DNA模板上富含模板上富含GC而使转录而使转录出的出的RNA上富含上富含C和和G，于是，于是RNA与模板之间可以形与模板之间可以形成较强的氢键，成为成较强的氢键，成为DNARNA杂合分子，从而阻杂合分子，从而阻碍碍DNA聚合酶的前进而有利于终止。聚
14、合酶的前进而有利于终止。（二）（二）因子辅助终止作用的机理因子辅助终止作用的机理第十八页，讲稿共七十七页哦(三)基因表达的极性现象 在正常情况下原核基因表达时，其转录出来的mRNA随即进行翻译，这时整个mRNA都覆盖着核糖体，因子无法接近mRNA而RNA聚合酶早已越过前面的基因的依赖因子的终止子，所以转录实际上并不停止而是继续转录后续基因。如果在某一基因的依赖于的终止子之前发生无义突变，核糖体便从无义密码子上解离下来，翻译停止，核糖体不再进入到mRNA上无义密码子以后的位置上。于是就可以自由进入RNA并移动，直到赶上停留在终止子上的RNA聚合酶。结果使RNA聚合酶释放，不能再转录下游基因。第十
15、九页，讲稿共七十七页哦第二十页，讲稿共七十七页哦 概念：基因表达的极性现象：概念：基因表达的极性现象：在某些情况下同在某些情况下同一转录单位里，由于一个基因的无义突变，阻碍了其后一转录单位里，由于一个基因的无义突变，阻碍了其后续基因表达的效应就称为基因表达的极性现象。续基因表达的效应就称为基因表达的极性现象。除了无义突变可以导致极性现象外，插入序列除了无义突变可以导致极性现象外，插入序列IS1、IS2等等DNA片段插入到操纵子的基因中也会发生极片段插入到操纵子的基因中也会发生极性现象。性现象。第二十一页，讲稿共七十七页哦 因子也可发生突变，其效应的基本性质是使终止因子也可发生突变，其效应的基本
16、性质是使终止作用出现故障。突变常可抑制极性效应，这是因为作用出现故障。突变常可抑制极性效应，这是因为其突变很可能减弱了其突变很可能减弱了对无义密码子后面的中间终对无义密码子后面的中间终止子的作用，这样翻译的终止并不会使转录也停止子的作用，这样翻译的终止并不会使转录也停顿，且远离无义突变的顿，且远离无义突变的DNA区段还可以被重新覆盖区段还可以被重新覆盖的核糖体继续翻译的核糖体继续翻译第二十二页，讲稿共七十七页哦(四四)抗终止作用抗终止作用 因子的作用可以被抗终止因子所抵消，因子的作用可以被抗终止因子所抵消，这样，这样，RNA聚合酶便可通过终止子聚合酶便可通过终止子(依赖于依赖于因子的因子的)继
17、续转录后面的基因。这种现象称为继续转录后面的基因。这种现象称为抗终止作用抗终止作用(anti一一termination)。第二十三页，讲稿共七十七页哦 抗终止作用最有代表性的例子见于抗终止作用最有代表性的例子见于噬菌体的时序噬菌体的时序控制。控制。噬菌体基因在裂解过程中的表达分前早期、噬菌体基因在裂解过程中的表达分前早期、晚早期和晚期晚早期和晚期3个阶段进行，其早期基因与晚期基因个阶段进行，其早期基因与晚期基因以终止子相隔。以终止子相隔。噬菌体侵入敏感细胞，首先借助噬菌体侵入敏感细胞，首先借助宿主的宿主的RNA聚合酶转录前早期基因，由此获得的表达聚合酶转录前早期基因，由此获得的表达产物产物N蛋
18、白是一种抗终止因子，它与蛋白是一种抗终止因子，它与RNA聚合酶作聚合酶作用使后者越过左右两个终止子继续转录，实现晚用使后者越过左右两个终止子继续转录，实现晚早期基因表达。早期基因表达。第二十四页，讲稿共七十七页哦第二十五页，讲稿共七十七页哦 三、原核生物三、原核生物RNA的加工的加工 四、四、SD序列与翻译效率序列与翻译效率 核糖体结合保护降解法：测定核糖体结合保护降解法：测定mRNA 上核糖体起始上核糖体起始蛋白质合成的部位。在抑制多肽链伸长的条件下，当翻蛋白质合成的部位。在抑制多肽链伸长的条件下，当翻译起始时，核糖体与译起始时，核糖体与mRNA的结合位点已形成稳定的结合位点已形成稳定的复合
19、体，于是加入核酸酶使未与核糖体结合的的复合体，于是加入核酸酶使未与核糖体结合的 mRNA的区段降解，而有核糖体结合区域则受到保护。的区段降解，而有核糖体结合区域则受到保护。第二十六页，讲稿共七十七页哦 在细菌中受核糖体保护的起始序列约在细菌中受核糖体保护的起始序列约3540个碱个碱基长，其中包含起始密码子基长，其中包含起始密码子AUG。在起始密码子。在起始密码子上游约上游约47个核苷酸之前还有一段富含嘌吟的个核苷酸之前还有一段富含嘌吟的5AGGAGG3短小序列，它可以与短小序列，它可以与16S rRNA3端的端的 3UCCUCC5区段完全互补。区段完全互补。mRNA上的上的这段序列称为这段序列
20、称为 Shine Dalgarno 序列（简称序列（简称SD序列）。序列）。第二十七页，讲稿共七十七页哦SD序列与序列与16S rRNA序列互补的程度以及从起序列互补的程度以及从起始密码子始密码子AUG到嘌呤片段的距离也都强烈地到嘌呤片段的距离也都强烈地影响翻译起始的效率。不同基因的影响翻译起始的效率。不同基因的mRNA有不同的有不同的SD序列，它们与序列，它们与16S rRNA的结合的结合能力也不同，从而控制着单位时间内翻译能力也不同，从而控制着单位时间内翻译过程中起始复合物形成的数目，最终控制过程中起始复合物形成的数目，最终控制着翻译的速度。着翻译的速度。第二十八页，讲稿共七十七页哦第二节
21、第二节 大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控 一、操纵子与操纵子模型一、操纵子与操纵子模型操纵子学说操纵子学说/操纵子模型：操纵子模型：F.Jacob J.Mond（1960）E.coli lac operon(1965诺贝尔医学生理学奖诺贝尔医学生理学奖)操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本单元，由操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本单元，由结构基因、操作子（结构基因、操作子（O）和启动子（）和启动子（P）组成。）组成。转录、翻译、合成蛋白转录、翻译、合成蛋白 结合调节蛋白结合调节蛋白 结合结合RNA聚合酶聚合酶 第二十九页，讲稿共七十七页哦promoter st
22、ructural genes operator启动基因启动基因 操纵基因操纵基因 结构基因结构基因操纵子操纵子(operon)模型模型第三十页，讲稿共七十七页哦调控（节）蛋白调控（节）蛋白 操纵子操纵子RNARPO structural genesDNAProtein调控蛋白的作用机制注：注：R：Regulator P：Promoter O：Operator 正调控系统中的正调控蛋白又被称为无辅基诱导蛋白（正调控系统中的正调控蛋白又被称为无辅基诱导蛋白（apoinducer)负调控系统中的负调控蛋白又被称为阻遏蛋白（负调控系统中的负调控蛋白又被称为阻遏蛋白（repressor)第三十一页，讲稿
23、共七十七页哦 二、正调控与负调控二、正调控与负调控 调节基因调节基因 RNA 调节蛋白调节蛋白 正调节蛋白正调节蛋白+操作子操作子 结构基因转录、表达结构基因转录、表达 基因失活，结构基因不表达基因失活，结构基因不表达（正控制（正控制/正调节正调节）负调节蛋白负调节蛋白+操作子操作子 结构基因转录、表达结构基因转录、表达 基因失活，结构基因组成型表达基因失活，结构基因组成型表达（负控制（负控制/负调节负调节）第三十二页，讲稿共七十七页哦根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分：根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分：隐性的组成型表达隐性的组成型表达负控制系统负控制系统 结构基因处于不可诱
24、导状态结构基因处于不可诱导状态正控制系统正控制系统 根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分：根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分：开启调控系统中结构基因的转录活性开启调控系统中结构基因的转录活性 诱导诱导 关闭调控系统中结构基因的转录活性关闭调控系统中结构基因的转录活性 阻遏阻遏 第三十三页，讲稿共七十七页哦操纵子调控系统的基本类型可诱导负控制系统可诱导正控制系统可阻遏负控制系统可阻遏正控制系统第三十四页，讲稿共七十七页哦第三十五页，讲稿共七十七页哦正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控
25、；适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。第三十六页，讲稿共七十七页哦 如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加:.-半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖.渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖.转乙酰酶：转乙酰酶：
26、-半乳糖转变成乙酰半乳糖半乳糖转变成乙酰半乳糖 大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加加.乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止.第三十七页，讲稿共七十七页哦 三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调控三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调控(可诱导可诱导)乳糖操纵子的组成：乳糖操纵子的组成：1个启动子个启动子(promoter)、2个操个操作子作子(operator)、3个结构基因个结构基因诱导因子：诱导因子：（异乳糖、（异乳糖、-半乳糖
27、苷、异丙基硫代半乳半乳糖苷、异丙基硫代半乳糖苷糖苷IPDG）乳糖操纵子突变类型：无诱导因子，组成型表达，突乳糖操纵子突变类型：无诱导因子，组成型表达，突变位点位于调节基因和操作子上。变位点位于调节基因和操作子上。第三十八页，讲稿共七十七页哦第三十九页，讲稿共七十七页哦 A：乳糖操纵子组成部分；：乳糖操纵子组成部分；B：野生型基因型：野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),无乳糖时，基因不表达；无乳糖时，基因不表达；C.野生型基因型野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),有乳糖时，基因表达；有乳糖时，基因表达；D.调节基因突变调节基因突变(I-O+Z+Y+A+),无乳糖时，基因组成型表达；无乳糖时，
28、基因组成型表达；E.操纵基因突变型操纵基因突变型(IOcZ+Y+A+),无乳糖时，基因组成型表达。无乳糖时，基因组成型表达。第四十页，讲稿共七十七页哦第四十一页，讲稿共七十七页哦 顺式显性（顺式显性（cis-dominant)：显性效应只对处：显性效应只对处于同一染色体上它所调控的结构基因才起作用于同一染色体上它所调控的结构基因才起作用的现象，称为的现象，称为。如。如O。P240表表9-2第四十二页，讲稿共七十七页哦P structural genes OlacZ lacY lacARlacZ lacY lacA第四十三页，讲稿共七十七页哦 四、大肠杆菌乳糖操纵子的正调控四、大肠杆菌乳糖操纵子
29、的正调控 葡萄糖效应葡萄糖效应培养基中有葡萄糖存在时，即使有乳糖培养基中有葡萄糖存在时，即使有乳糖存在，不诱导靶基因表达。这样的操纵子称葡萄糖敏感存在，不诱导靶基因表达。这样的操纵子称葡萄糖敏感操纵子。这种效应由一种正控制机制决定。操纵子。这种效应由一种正控制机制决定。葡萄糖抑制操纵子的原理：葡萄糖抑制操纵子的原理：葡萄糖葡萄糖 腺苷酸环化酶活性降低腺苷酸环化酶活性降低 ATP无法转变成无法转变成cAMP 不能形成不能形成CAP-cAMP复合蛋白复合蛋白 RNA酶无酶无法结合在法结合在DNA上上 结构基因不表达。结构基因不表达。第四十四页，讲稿共七十七页哦无葡萄糖时：无葡萄糖时：ATP cAM
30、P cAMP-CAP复合物复合物 结合结合CAP 乳糖操纵子：两个开关乳糖操纵子：两个开关 第一：第一：cAMP-CAP复合物复合物 受葡萄糖影响受葡萄糖影响 第二：异乳糖复合物第二：异乳糖复合物受乳糖影响受乳糖影响 第四十五页，讲稿共七十七页哦第四十六页，讲稿共七十七页哦第三节第三节 其他类型的操纵子其他类型的操纵子 一、具有双启动子的半乳糖操纵子 半乳糖（gal)操纵子组成：2个互相重叠的启动子gal P1 和gal P2、3个操作子（CAP位点、2个阻遏蛋白位点(galOe）galOi）、3个结构基因）gal P1 依赖cAMP-CAP 转录始于S1 gal P2 阻遏蛋白调节开启 转录
31、始于S2位于CAP位点内位于galE内第四十七页，讲稿共七十七页哦 正控制可诱导系统（第一系统）：gal P1、cAMP-CAP复合物、cAMP-CAP位点 S1无葡萄糖时：ATP cAMP cAMP-CAP复合物 结合CAP 有葡萄糖时：系统关闭 负控制可诱导系统（第二系统）：galP2、阻遏蛋白-半乳糖复合物、galOe、galOi S2 无半乳糖：阻遏蛋白结合操作子阻遏 有半乳糖：复合物构象改变开启（从S2开始转录）CAP位点激活gal 操纵子，转录从S1开始，结构基因表达第四十八页，讲稿共七十七页哦galE galT galKP2S1P1S2a.半乳糖操纵子结构示意图galE galT
32、 galKP2S1P1S2b.只有GcAMP-CAP galactose repressor 双启动子的半galE galT galKP2S1P1S2c.只有GalgalE galT galKP2S1P1S2c.有Gal有G第四十九页，讲稿共七十七页哦 有G，有gal：1.阻遏 2.诱导 无G，无gal：1.诱导 2.阻遏：cAMP-CAP与阻遏蛋白竞争 无G，有gal：1.诱导 2.诱导：高水平表达 有G，无gal：1.阻遏 2.阻遏第五十页，讲稿共七十七页哦 二、阿拉伯糖操纵子的双向控制Ara操纵子是控制分解代谢途径的另一调控系统。特点特点：调节蛋白既可起正调控作用，又可起负调 控作用。组
33、成组成：araC基因编码调节蛋白基因编码调节蛋白AraC蛋白；蛋白；：O1不参与调控；不参与调控；O2：AraC蛋白负调蛋白负调 控结合控结合位点；位点；：调节位点，：调节位点，CAP-cAmP复合物结合位点，复合物结合位点，AraC蛋白正调控结合位点。蛋白正调控结合位点。第五十一页，讲稿共七十七页哦 调控：调控：.诱导物阿拉伯糖和诱导物阿拉伯糖和cAMP同时存在：同时存在：Ara与与AraC蛋白复合物结合在位点，蛋白复合物结合在位点，CAP-cAmp复合物结合复合物结合I位点，基因转录开启；位点，基因转录开启；.在没有诱导物阿拉伯糖和在没有诱导物阿拉伯糖和cAMP时：时：AraC蛋白同时与蛋
34、白同时与I和和 O2结合，结合，DNA构型发生构型发生改变，形成一个紧密的环结构，抑制表达。改变，形成一个紧密的环结构，抑制表达。第五十二页，讲稿共七十七页哦第五十三页，讲稿共七十七页哦 三、色氨酸操纵子的转录调控及衰减作用三、色氨酸操纵子的转录调控及衰减作用 1色氨酸操纵子模型：色氨酸操纵子模型：由雅各布（由雅各布（Jacob F.）和莫诺（）和莫诺（Monod J.）提）提出，具有合成代谢途径典型的操纵子模型。出，具有合成代谢途径典型的操纵子模型。操纵子：包括色氨酸合成有关的操纵子：包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基种酶的结构基因；因；大量色氨酸时：大肠杆菌大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转
35、录同时受到种酶的转录同时受到抑制；抑制；色氨酸不足时：这种酶的基因开始转转录；色氨酸不足时：这种酶的基因开始转转录；色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控结色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。构基因的转录。trp操纵子是一个典型的可阻遏操纵元模型操纵子是一个典型的可阻遏操纵元模型(repressible operon)。第五十四页，讲稿共七十七页哦 色氨酸操纵子模型结构：色氨酸操纵子模型结构：5种结构基因：种结构基因：trpE、D、C、B、A；调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子；化子；阻遏物阻遏物trpR基因：与基因：与trp操纵
36、子相距较远；操纵子相距较远；第五十五页，讲稿共七十七页哦 2.色氨酸操纵子的负调控：色氨酸操纵子的负调控：.阻遏调控：阻遏调控：trpR基因编码无辅基阻遏物基因编码无辅基阻遏物 与色氨酸结合与色氨酸结合 形成有活性的色氨酸阻遏物形成有活性的色氨酸阻遏物 与操作子结合与操作子结合 阻阻止转录；止转录；色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化，不能与操作子结合，操纵元开始转录；不能与操作子结合，操纵元开始转录；色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操作子结合，阻止转录。结构发生变化，可与操作子结合，阻止
37、转录。第五十六页，讲稿共七十七页哦.弱化子调控：弱化子调控：当有色氨酸存在而当有色氨酸存在而trp操纵子受抑制时，仍有一操纵子受抑制时，仍有一段前导序列发生转录，可能存在另一种的机制来抑制段前导序列发生转录，可能存在另一种的机制来抑制trp操纵元的转录。操纵元的转录。色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列140bp长，长，其中有一其中有一28bp的弱化子区域；形成发夹结构，为内的弱化子区域；形成发夹结构，为内部终止子，部终止子，RNA酶从酶从DNA上脱落，不能转录；上脱落，不能转录；色氨酸低浓度或不存在时，色氨酸低浓度或不存在时，RNA聚合酶能通过聚合酶能通过弱化
38、子区域，转录完整的多顺反子弱化子区域，转录完整的多顺反子mRNA序列；序列；第五十七页，讲稿共七十七页哦 问题：弱化子如何进行调控？问题：弱化子如何进行调控？前导序列可翻译出一段前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽，在该短肽个氨基酸的短肽，在该短肽的第的第10、11位置上是两个色氨酸密码子；两个密位置上是两个色氨酸密码子；两个密码子之后是一段码子之后是一段mRNA序列，该序列可分为四个序列，该序列可分为四个区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种
39、二级结构决定形成哪种二级结构,从而决定弱化子是否可形成终从而决定弱化子是否可形成终止信号。止信号。第五十八页，讲稿共七十七页哦.当有色氨酸时，完整翻译短肽当有色氨酸时，完整翻译短肽 核糖体停留在核糖体停留在终止密码子处，邻近区段终止密码子处，邻近区段2位置位置 阻碍了阻碍了2,3配对配对 使使3,4区段配对区段配对 形成发夹结构终止子形成发夹结构终止子 RNA酶在弱化子处终止，不能向前移动。酶在弱化子处终止，不能向前移动。第五十九页，讲稿共七十七页哦.如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时 由于没有由于没有色氨酰色氨酰tRNA的供应的供应 停留在该密码子位
40、置，位于区段停留在该密码子位置，位于区段1 使区段使区段2与区段与区段3配对配对 区段区段4无对应序列配对呈单链状态无对应序列配对呈单链状态 RNA聚合酶通过弱化子，继续向前移动，转录出完整的多顺反子聚合酶通过弱化子，继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。序列。第六十页，讲稿共七十七页哦第六十一页，讲稿共七十七页哦 衰减作用的生物学意义衰减作用的生物学意义 从衰减机制的分析来看，它不仅能够把几种水平如从衰减机制的分析来看，它不仅能够把几种水平如DNA和和RNA的构象变化、的构象变化、mRNA上内部终止上内部终止(衰减衰减)子子的重建以及核糖体上的重建以及核糖体上tRNA对终止密码的识别等统一
41、对终止密码的识别等统一起来，严格控制表达，而且衰减子还可依细胞内某一起来，严格控制表达，而且衰减子还可依细胞内某一氨基酸水平的高低而行止。所以它是一种应答灵敏、氨基酸水平的高低而行止。所以它是一种应答灵敏、调节灵活的多重调控方式。调节灵活的多重调控方式。第六十二页，讲稿共七十七页哦 就像在色氨酸操纵子中，阻遏作用与衰减机制一起就像在色氨酸操纵子中，阻遏作用与衰减机制一起协同控制其基因表达，显然比单一的阻遏负调控系协同控制其基因表达，显然比单一的阻遏负调控系统更为有效。统更为有效。一方面一方面，当有活性的阻遏物向无活性阻遏物的转，当有活性的阻遏物向无活性阻遏物的转变速度极低时衰减系统能更迅速地作
42、出反应，使色氨变速度极低时衰减系统能更迅速地作出反应，使色氨酸从较高浓度快速下降到中酸从较高浓度快速下降到中 等浓度；等浓度；第六十三页，讲稿共七十七页哦 另一方面另一方面，若外源色氨酸浓度实在太低，细菌本身又，若外源色氨酸浓度实在太低，细菌本身又没有其他的内源性色氨酸合成体系，没有其他的内源性色氨酸合成体系，以致细菌难以支持自身的生长时，就需要有衰减体以致细菌难以支持自身的生长时，就需要有衰减体系加以调节系加以调节通过不终止通过不终止mRNA的合成来增加的合成来增加Trp酶的合成从而提高内源色氨酸的浓度。酶的合成从而提高内源色氨酸的浓度。第六十四页，讲稿共七十七页哦可见：衰减机制在控制基因产
43、物的量和产物种类的配比上起着快速灵敏的调节作用，使操纵基因表达更为精密、高效。第六十五页，讲稿共七十七页哦 第四节第四节 噬菌体基因组的表达调控噬菌体基因组的表达调控第六十六页，讲稿共七十七页哦第五节第五节 DNA重组对基因表达的调控重组对基因表达的调控 在某些细菌中，特定基因的表达与基因组内在某些细菌中，特定基因的表达与基因组内DNA重排重排有关。有关。如沙门氏菌具有运动鞭毛，它是由许多相同的鞭如沙门氏菌具有运动鞭毛，它是由许多相同的鞭毛蛋白亚基装配而成。毛蛋白亚基装配而成。沙门氏菌含有两个不同的结构基因沙门氏菌含有两个不同的结构基因H1和和H2，它们编码，它们编码不同的鞭毛蛋白。不同的鞭毛
44、蛋白。第六十七页，讲稿共七十七页哦H1基因表达则产生基因表达则产生Hl型鞭毛蛋白，这时细菌就处于型鞭毛蛋白，这时细菌就处于I相相(Phase l)；若是；若是H2基因表达就产生基因表达就产生H2鞭毛蛋白，鞭毛蛋白，细菌处于细菌处于相相(Phase)。处于处于I相的细菌生长时，其中少数细菌以相的细菌生长时，其中少数细菌以103每次细每次细胞分裂的频率而自发转变为胞分裂的频率而自发转变为相细菌；处于相细菌；处于相的相的细菌也以同样的频率转变为细菌也以同样的频率转变为I相细菌，这一过程称相细菌，这一过程称为相变为相变(phase wariation)第六十八页，讲稿共七十七页哦 H2基因与另一个基因
45、基因与另一个基因rH1紧密连锁，同属于紧密连锁，同属于一个操纵子。并协同表达。一个操纵子。并协同表达。rHl编码编码Hl基因的基因的阻遏蛋白当阻遏蛋白当H2和和rH1表达时，由于表达时，由于rHl阻阻遏物阻止了遏物阻止了H1基因的表达就只合成基因的表达就只合成H2鞭鞭毛蛋白。如果毛蛋白。如果H2基因和基因和rHl基因被关闭不表基因被关闭不表达，这时达，这时H1基因便表达，合成基因便表达，合成Hl鞭毛蛋白。鞭毛蛋白。第六十九页，讲稿共七十七页哦 相变的控制取决于含相变的控制取决于含H2和和rHl基因操纵子的启动基因基因操纵子的启动基因所处的状态。含有启动基因在内的上游所处的状态。含有启动基因在内
46、的上游DNA长长995核苷核苷酸对，两边各有一段长酸对，两边各有一段长14核苷酸对的重复，即核苷酸对的重复，即IRL和和IRR。H2基因的起始密码子开始于基因的起始密码子开始于IRR右边的第右边的第17核核苷酸对处，苷酸对处，IRL和和IRR之间的序列含有基因之间的序列含有基因hin，它的，它的产物是相变酶，可催化这段产物是相变酶，可催化这段995核昔酸对序列发生包括核昔酸对序列发生包括hin基因在内的倒位。基因在内的倒位。第七十页，讲稿共七十七页哦 另外，在倒位前这段序列的第另外，在倒位前这段序列的第950一一983核昔酸对区核昔酸对区还含有一个促进下游基因转录的启动子还含有一个促进下游基因
47、转录的启动子(p)，它使，它使H2和和rH1基因表达，于是细胞处于基因表达，于是细胞处于相。当发生倒相。当发生倒位以后，这个启动子便被移到序列的另一方，且方向位以后，这个启动子便被移到序列的另一方，且方向改为朝左，改为朝左，H2和和rH1失去启动子而失活，这时细胞内失去启动子而失活，这时细胞内没有没有rH1阻遏蛋白，因而阻遏蛋白，因而H1基因表达，细胞转变成基因表达，细胞转变成I相。一旦这段相。一旦这段DNA倒位依复原状，细胞又将转变为倒位依复原状，细胞又将转变为相。相。第七十一页，讲稿共七十七页哦沙门氏菌沙门氏菌H1或或H2基因选择性表达及其调控基因选择性表达及其调控第七十二页，讲稿共七十七
48、页哦 这种鞭毛相的变化为何不能用基因突变来解释？这种鞭毛相的变化为何不能用基因突变来解释？因为因为第一第一这种变化只发生在两种鞭毛蛋白类这种变化只发生在两种鞭毛蛋白类型的相互转变，而沙门氏菌的鞭毛蛋白类型型的相互转变，而沙门氏菌的鞭毛蛋白类型有十几种之多，如果是基因突变，那么也应有十几种之多，如果是基因突变，那么也应出现其他类型的鞭毛蛋白。出现其他类型的鞭毛蛋白。再者再者，这种变化，这种变化发生的频率很高，从每代每发生的频率很高，从每代每105个细胞中改变个细胞中改变一个到每代每一个到每代每103个细胞中改变一个；个细胞中改变一个；第三第三，实验证明：实验证明：相变的实质是相变的实质是Hl 或
49、或H2基因选择基因选择性表达的结果。性表达的结果。第七十三页，讲稿共七十七页哦第六节第六节 蛋白质合成的自体调控蛋白质合成的自体调控 一、一、RF2合成的自体调控合成的自体调控 CUU U GAC 25 26RF2充分时，核糖体翻译其充分时，核糖体翻译其mRNA到达此终止密码子，到达此终止密码子，被被RF2识别，翻译终止（不完全肽链，无识别，翻译终止（不完全肽链，无RF2活性）活性）RF2不足时，核糖体翻译其不足时，核糖体翻译其mRNA到达此终止密码子，到达此终止密码子，发生移位作用，跳过发生移位作用，跳过U，不被，不被RF2识别，翻译继续，直识别，翻译继续，直到此基因的最后的终止密码子，在到
50、此基因的最后的终止密码子，在RF1的作用下，形的作用下，形成完整肽链（具成完整肽链（具RF2活性）活性）第七十四页，讲稿共七十七页哦 二、核糖体蛋白质合成的自体调控二、核糖体蛋白质合成的自体调控 实验分析：实验分析：核糖体蛋白质与核糖体蛋白质与rRNA的结合部位同编码核糖体蛋的结合部位同编码核糖体蛋白的白的mRNA的结合部位有同源性，而且某些核糖体蛋白的的结合部位有同源性，而且某些核糖体蛋白的mRNA其部分二级结构与其部分二级结构与rRNA的部分二级结构相似，二者的部分二级结构相似，二者都能与起调控作用的核糖体蛋白质相结合，只是都能与起调控作用的核糖体蛋白质相结合，只是rRNA的的结合能力强于