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1、本章主要内容基因表达调控总论原核基因表达调控总论乳糖操纵子与负控诱导系统色氨酸操纵子与负控阻遏系统操纵子的其他调控形式转录水平上的其他调控方式转录后调控第1页/共118页第一节第一节 基因表达调控总论基因表达调控总论第2页/共118页典型的基因表达是典型的基因表达是储储存遗传信息的基因，在一存遗传信息的基因，在一定调节机制控制下，经过定调节机制控制下，经过转录、翻译，产生有生物转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质或活性的蛋白质或成熟的成熟的rRNA和和tRNA的过程。的过程。一、基因表达第3页/共118页 典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的
2、肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的 大肠杆菌基因组（约4000个基因)，一般情况下只有510%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，或者暂时不表达。人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态.第4页/共118页二、基因表达的规律二、基因表达的规律 -时间性及空间性时间性及空间性（1 1）时间特异性）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性。特异性
3、。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶阶段特异性。段特异性。第5页/共118页（2 2）空间特异性）空间特异性基基因因表表达达伴伴随随时时间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种分分布布差差异异，实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的的，所以空间特异性又称所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性。在在个个体体生生长长全全过过程程，某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现，称称之之为为基基因因表表达达的的空间特异性空间特异性。第6页/共118页三、基因表达的方式三、基因表达的方式1.基因组
4、中表达的基因分为两类：管家（持家）基因（house keeping gene）:维持细胞基本生命活动所必须的基因。某某些些基基因因在在一一个个个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞胞中中持持续续表表达达，通通常常被被称为称为管家基因管家基因。第7页/共118页奢侈基因:在特别细胞类型中大量(通常)表达并编码特殊功能产物的基因。奢侈基因（luxury gene）:是指导合成组织特异性蛋白的基因，对分化有重要影响，称组织特异性(tissue-specific gene)表达的基因，如表皮的角蛋白基因。第8页/共118页（1 1）组成性表达）组成性表达无无论论表表达达水水平平高高低低，管管家家基基因因较
5、较少少受受环环境境因因素素影影响响，而而是是在在个个体体各各个个生生长长阶阶段段的的大大多多数数或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达达，或或变变化化很很小小。区区别别于于其其他基因，这类基因表达被视为他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达组成性基因表达。2.2.按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：第9页/共118页（2 2）诱导和阻遏表达）诱导和阻遏表达适适应应性性表表达达指指环环境境的的变变化化容容易易使使其其表表达达水水平变动的一类基因表达平变动的一类基因表达。在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基
6、因。如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答是是被被抑抑制制，这这种种基基因因是是可阻遏基因可阻遏基因。第10页/共118页 是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基因的表达产物增加。诱导表达 如:DNA发生损伤时，修复酶的基因被诱导激活。第11页/共118页可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。阻遏如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭。第12页/共118页四、基因表达调控的基本原理（一）基因表达调控的方式：多级调控转录水平（基因激活及转录起始）转录后水平（加工及转运）翻译水平翻译后水平第13页
7、/共118页原核生物原核生物主要受营养状况和环境因素的影响主要受营养状况和环境因素的影响真核生物真核生物主要受发育阶段和激素水平的影响主要受发育阶段和激素水平的影响指挥系统多样性第14页/共118页1顺式作用元件：顺式作用元件（cis-acting element）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。在原核生物中，大多数基因表达通过操纵子模型进行调控，顺式作用元件主要由启动子、操作子、激活子位点、终止位点组成。在真核生物中，与基因表达调控有关的顺式作用元件主要有启动子（promoter）、增强子（enhancer）和沉默子（silencer）。（二）基因
8、转录激活调节基本要素：第15页/共118页基因的组织结构及顺式作用元件第16页/共118页反式作用因子（trans-acting factor）又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。原核生物中的反式作用因子主要分为特异因子（）、激活蛋白和阻遏蛋白；真核生物中的反式作用因子通常称为转录因子。2反式作用因子：第17页/共118页大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。3顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用第18页/共118页第二节第二节 原核基因
9、表达调控总论原核基因表达调控总论第21页/共118页一、原核生物基因表达的调控方式1.DNA水平的调控2.转录水平的调控3.翻译水平的调控第22页/共118页第23页/共118页调节的主要环节在转录起始调节的主要环节在转录起始二、原核生物基因转录调节特点二、原核生物基因转录调节特点（1 1）因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性 只有一种只有一种RNA-pol，但是有很多种，但是有很多种因子因子（2 2）操纵子模型的普遍性操纵子模型的普遍性 功能相关基因成簇串联通过单个启动子协调表达功能相关基因成簇串联通过单个启动子协调表达（3 3）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性）阻遏蛋白与阻遏机
10、制的普遍性 原核生物主要以这种负调节方式为主原核生物主要以这种负调节方式为主第24页/共118页1.分类负控制（negative control）系统正控制（positive control）系统正、负调控的共同点在于调控蛋白作为反式作用因子，能识别那些位于基因上游的顺式作用元件，根据调控蛋白的自身性质，可以激活或抑制基因表达。2.特点：通过特殊代谢物调节基因活性可诱导调节：基因由原来的关闭状态转变为工作状态可阻遏调节：基因由原来的开启状态转变为关闭状态三、调控机制的类型与特点第25页/共118页1.负控制系统定义：调节基因的产物是阻遏蛋白，起着阻止结构基因转录的作用。2.阻遏蛋白（repre
11、ssor）3.分类负控诱导：调节物为诱导物负控阻遏：调节物为阻遏物（一）负控制系统第26页/共118页1.正控制系统：调节基因的产物是激活物，起着激活结构基因转录的作用2.激活蛋白（activator）3.分类正控诱导：调节物为诱导物正控阻遏：调节物为阻遏物（二）正控制系统第27页/共118页1.可诱导操纵元(inducible operon)（1）可诱导操纵元:加入对基因表达有调节作用的小分子后，基因的转录活性开启的操纵元，称可诱导调节。（2）诱导（induction）:小分子使基因的转录活性开启的作用和过程（3）诱导物（inducer）:产生诱导作用的小分子；可能的作用方式：使无活性的激活
12、蛋白激活或使有活性的阻遏蛋白失活四、正、负控制系统对操纵元的控制（一）可诱导操纵元第28页/共118页（1）可阻遏操纵元:加入对基因表达有调节作用的小分子后，基因的转录活性关闭的操纵元，可阻遏调节（2）阻遏（repression）:小分子使基因的转录活性关闭的作用和过程（3）辅阻遏物（corepressor）:产生阻遏作用的小分子；可能的作用方式：使有活性的激活蛋白失活或使无活性的阻遏蛋白激活（二）可阻遏操纵元第29页/共118页第三节第三节 乳糖操纵子调节机制乳糖操纵子调节机制第30页/共118页1.发现：发现：1940年年Monod：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基
13、上生基上生长时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌才利用乳长时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌才利用乳糖糖繁殖增长；繁殖增长；71961年，法国人法国人Jacob&Monod提出乳糖操纵子乳糖操纵子学说学说。7获1965年诺贝尔生理学和医学奖。Francis Jacob Jacques Monod 一、原核生物一、原核生物 操纵子操纵子(operon)第31页/共118页操纵子：是原核生物基因表达的协调单位，它包括启动子、操纵序列以及在功能上彼此相关的几个结构基因。操纵子一般含有26个基因，它们一起被转录，构成一个转录单位。第32页/共118页2.2.乳糖操纵子乳糖操纵子(lac
14、operon)(lac operon)的结构的结构 结构基因结构基因Z Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y：半乳糖苷透过酶：半乳糖苷透过酶A A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶 调控区调控区CAPCAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列Z ZY YA AO OP PDNADNACatabolite gene activator protein第33页/共118页第34页/共118页操纵序列和启动子的相对位置关系第35页/共118页（1）细菌半乳糖苷酶合成的诱导有乳糖供应，无葡萄糖 3.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第36页/共118页（2）安慰诱导物:具有诱导效
15、应，而本身又不被分解的诱导物。常用：IPTG（异丙基巯基半乳糖苷）、TMG（巯甲基半乳糖苷）半乳糖半乳糖第37页/共118页 （二）（二）lac操纵子的影响因子操纵子的影响因子1、Lac操纵子的本底水平表达2、大肠杆菌对乳糖的反应3、阻遏物lacI基因产物及功能4、cAMP与代谢物激活蛋白5、葡萄糖对lac操纵子的影响6、协调调节第38页/共118页 1、乳糖操纵子本底水平的表达外周胞质外周胞质乳乳糖糖细胞内面细胞内面乳乳糖糖透(性)酶透(性)酶半乳糖苷酶葡萄糖半乳糖内膜Z：-半乳糖苷酶Y：半乳糖苷透过酶A：乙酰基转移酶第39页/共118页lac操纵子理论不能解释的2个矛盾诱导物需要穿过细胞膜
16、才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，而后者的合成也需要诱导。解释：解释：一些透过酶可能在没有诱导物的情况下合成真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有半乳糖苷酶的预先存在。解释：解释：在本底水平上，有半乳糖苷酶的组成型合成，即在非诱导状态下，乳糖操纵子有本底水平上的表达。第40页/共118页u半乳糖苷酶的作用 催化乳糖转变为异构乳糖。异构乳糖是一种强诱导物u原因一：一些诱导物可以以另一种摄取系统进入细胞u原因二：阻遏蛋白与lacO的结合是动态平衡 本底水平的永久型合成:在非诱导状态下有少量的 lac mRNA合成。第41页/共118页第42页/共
17、118页2、大肠杆菌对乳糖的反应没有乳糖存在时没有乳糖存在时有乳糖存在时有乳糖存在时第43页/共118页Lac操纵子阻遏物mRNA是在弱启动子控制下永久型合成的。当当I基因由弱启动子突变为基因由弱启动子突变为强启动子强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。3、阻遏物lacI基因产物及功能第44页/共118页（1）阻抑蛋白的结构和功能）阻抑蛋白的结构和功能（2）阻抑蛋白与特异）阻抑蛋白与特异DNA（操纵基因）的结合位点（操纵基因）的结合位点（3）阻抑蛋白对）阻抑蛋白对DNA的特异结合作用的特异结合作用（4）阻抑蛋白对）阻抑蛋白对RNA聚合
18、酶的影响聚合酶的影响阻抑蛋白的作用机制第45页/共118页vN端 1 59aa,头 部片段HTH，与操纵基因DNA的大沟结合；v2个核心区：每个有6个折叠，诱导物结合在两个核心区之间的裂缝中；vC端为一组a-螺旋（1）阻遏蛋白的结构和功能的关系核心结构域核心结构域1核心结构域核心结构域2HTH铰链区铰链区头部头部尾部聚合尾部聚合第46页/共118页4个亚基的核心片段接触形成四聚体该阻遏蛋白有4个相同的亚基，每个亚基均含有347个氨基酸残基，并能与1分子IPTG结合。第47页/共118页（2）阻抑蛋白与特异DNA（操纵基因）的结合位点操纵基因的对称序列操纵基因的对称序列对称轴：+11第48页/共
19、118页（3）阻抑蛋白对DNA的特异结合作用：非诱导条件下，阻抑蛋白都结合在DNA上，特异位点的亲和力高，非特异位点的亲和力低。诱导物的加入改变了阻抑蛋白的分布。第49页/共118页（4）阻抑蛋白对RNA聚合酶的影响阻抑蛋白结合区阻抑蛋白结合区阻抑蛋白和RNA pol可同时与DNA结合；阻抑蛋白存在增强了RNA pol的结合：RNA pol 与启动子结合的平衡常数 1.9 X 107；有阻抑蛋白时，2.5 X 109。虽然阻抑蛋白存在使得RNA pol不能转录。但加入诱导物后，释放出阻抑蛋白，闭合复合体变成为开放复合体，立即起始转录。第50页/共118页4、cAMP与代谢物激活蛋白第51页/共
20、118页CAP降解物基因活化蛋白降解物基因活化蛋白 CAP-cAMP复合物复合物CAP+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时（1）CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第52页/共118页（2）CAP的作用机制的作用机制a.可能可能CAP直接作用于直接作用于RNA pol a亚基亚基，b.作用于作用于DNA，改变其结构，从而帮助，改变其结构，从而帮助RNA Pol结合。结合。CAPCAP以以两种方法来激活转录：两种方法来激活转录：第53页/共118页 CAP结合位点结合位点结合位点结合位点22b
21、p I -70 -50 II -50 -40 CAP为二聚体，为二聚体，45KD，被，被cAMP激活激活第54页/共118页 由于pLac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使lac操纵元转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。CAP存在原因：第55页/共118页乳糖乳糖第56页/共118页5、葡萄糖对lac操纵子的影响第57页/共118页cAMP-CAP复合物对lac操纵子的正调控葡萄糖效应：葡萄糖的存在降低了cAMP的量，不能形成cAMP-CAP复合物，lac操纵子关闭第58页/共118页 调节基因转录翻译阻遏蛋白R，R与操纵基
22、因结合，阻止结合在启动子上的RNA-pol前移，结构基因不被转录。1）无乳糖也无葡萄糖存在时：2）当无乳糖，有葡萄糖时：由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操纵子关闭，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性调节不起作用。小结：所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭OPOP第59页/共118页 由于葡萄糖降解物能降低cAMP含量，不与CAP形成复合物，CAP不能结合到启动子附近，RNA聚合酶不能有效转录，使细菌只能利用葡萄糖。3）既有乳糖，又有葡萄糖时：乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落。O第60页/共118页 细胞内cAMP含量高，cAMP与CAP结
23、合成复合物，与DNA结合，并推动RNA-pol向前移动，促进转录。4）有乳糖，无葡萄糖时：mRNARNA-polO 乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的RNA-pol向前移动，结构基因被转录翻译，合成与乳糖代谢有关的酶类从而利用乳糖。所以：有乳糖时，没有葡萄糖，操纵子才开放,有葡萄糖存在，操纵子关闭第61页/共118页6.协调调节阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；对该系统不能发挥作用；没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列列结结合合，如如无无CAP存存在在加加强强转录，操纵子仍无转录活性。转录，操纵子仍无转录
24、活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源。若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，细细菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对laclac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏。操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏。第62页/共118页第三节第三节 色氨酸操纵子与负控阻遏系统色氨酸操纵子与负控阻遏系统第63页/共118页（1）阻遏蛋白调控系统对trp酶系统转录活性的影响系统对trp酶系统的转录起始频率有70倍的调控范围（2）弱化子系统对trp酶系统活性的影响弱化子系统对trp酶系统活性的有10倍的影响（3）弱化子系统存在的意义对转录
25、体系产生更为精细的调节1.色氨酸操纵子：trp体系参与生物合成而不是降解一、色氨酸操纵子概述一、色氨酸操纵子概述第64页/共118页2.色氨酸的合成 在微生物、植物的芳香族氨基酸的生物合成系统中作为中间体位于重要分支点的化合物。在生物体内由莽草酸经5磷酸-3-烯醇丙酮酸莽草酸而合成。从分支酸经过预苯酸合成苯丙氨酸和酪氨酸，经邻氨基苯酸合成色氨酸。此外，也可作为前体物质参于氨基安息香酸、辅酶Q等生理活性物质的合成。第65页/共118页3.色氨酸操纵子的双重调控体系双重调控体系（操纵子（操纵子与与弱化子）弱化子）第66页/共118页trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表，编码了邻氨基
26、苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油-3-磷酶合成酶在大肠杆菌中：trpGD 和trpCF 基因融合。trpE和trpG编码邻氨基苯甲酸合酶,trpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶,trpC编码吲哚甘油磷酸合酶,trpF编码异构酶,trpA和trpB分别编码色氨酸合酶的和亚基。第67页/共118页二、色氨酸操纵子中阻抑蛋白的负调控二、色氨酸操纵子中阻抑蛋白的负调控1.Trp的作用（1）对已有的酶起反馈抑制（feedback inhibition）（2）作为trp无活性的阻遏蛋白的辅阻遏物2.TrpR的作用（1）TrpR的活性形式阻遏蛋白TrpR单体
27、：12.5KDTrpR活性形式:四聚体TrpR与Trp结合后才能与trpO结合阻抑蛋白的阻遏能力低，是LacR的1/1000（2）TrpR的作用机制TrpR作用机制：trpO 位于trpP内，活性TrpR与trpO的结合完全排斥了RNA聚合酶的结合第68页/共118页辅阻遏物当缺乏色氨酸时当缺乏色氨酸时,该操纵子开放表达该操纵子开放表达阻遏物阻遏物当存在色氨酸时，该操纵子关闭当存在色氨酸时，该操纵子关闭第69页/共118页1.弱化系统概述：弱化系统概述：三、色氨酸操纵子中弱化子的调控弱化子(attenuator)：也称内部终止子，DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150bp）
28、。弱化作用(attenuation)：弱化子控制RNA聚合酶通读弱化能力的调控机制。前导序列 trp L(leader sequence):在trp mRNA 5端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。起着随色氨酸浓度升高降低转录的作用；第70页/共118页trpP与一般原核生物基因的启动子一样，具有正常的-10序序列和 -35序列，-10序列完全位于trpO内。trpO是反向重复序列，它是非连锁trpR基因编码的阻遏蛋白的结合 位点；trpP范围（-40+18）、trpO范围（-21+1）trpL是一段162bp的序列，转录到mRNA中成为引导序列，对操纵 子的转录起着调控
29、作用；在trpE和trpL之间有弱化子（attenuator），约123150bp，富含AT碱基。第71页/共118页弱化子弱化子第72页/共118页 前导肽：Trp操纵子翻译时包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，能产生一个含有14个氨基酸的多肽，这个假设的多肽被称为。在前导序列的第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。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转录弱化机制。第73页/共118页第74页/共118页trp前导区的碱基序列已经全部测定，引人注目的是其中4个分别以1、2、3和4表示的片段能以两种不同的方式进行碱基
30、配对，有时以1-2和3-4配对，有时只以2-3方式互补配对。第75页/共118页UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234终止密码子终止密码子 14aa前导肽编码区:包含序列1,第10、11密码子为trp密码子 形成发夹结构能力强弱形成发夹结构能力强弱:序列序列1/21/2 序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 衰减子结构 UUUU第76页/共118页2.色氨酸操纵子的弱化作用/衰减作用第77页/共118页第78页/共118页3、弱化子的普遍性及其生物学意义（1）普遍性 结构共
31、性ORF，终止子序列，相应aa的密码子，可能存在的的二级结构 作用机制共性前导肽翻译作用不存在时，转录在弱化子处终止（2）弱化子的作用机制可被看作是一种可阻遏的正调控激活物：核糖体;辅阻遏物：相应的氨酰基-tRNA（3）弱化子调控的生物学意义 调控更为灵敏 对代谢产物的反应更为直接 调控更为精细第79页/共118页四、trp操纵子的其他调控机制Trp操纵子中trpG-D和trpC-F为融合基因，翻译出的多肽具有双重功能。有两个启动子控制整个操纵子的转录，能够感受trp和无负载的tRNATrp的浓度变化。大肠杆菌与枯草埃希菌色氨酸操纵子的结构比较大肠杆菌与枯草埃希菌色氨酸操纵子的结构比较第80页
32、/共118页一些G+菌，如枯草杆菌色氨酸操纵子的结构有所不同:7 个结构基因中的6 个依次排列为trpEDCFBA，存在于含有12个结构基因的芳香族氨基酸超操纵子(aro operon）;第7 个结构基因,trpG存在于叶酸合成操纵子中，该酶参与Trp 和叶酸的合成。有2个启动子参与调控，一个位于aro operon的起始位置，另一个则位于trpE 上游约200 bp处。第81页/共118页大肠杆菌与枯草埃希菌色氨酸操纵子的结构比较大肠杆菌与枯草埃希菌色氨酸操纵子的结构比较第82页/共118页TRAP:RNA结合蛋白第83页/共118页第四节第四节 操纵子的其他调控形式操纵子的其他调控形式第8
33、4页/共118页 1.半乳糖代谢相关的酶（1）半乳糖激酶（2）半乳糖转移酶（3）半乳糖表异构酶一、具有双启动子的半乳糖操纵子（一）半乳糖代谢第85页/共118页（1）半乳糖+ATP 半乳糖1-磷酸+ADP+H（2）半乳糖1-磷酸+UDPGlu UDPGal+葡萄糖1-磷酸（3）UDPGal UDPGlu总反应：半乳糖+ATP 葡萄糖1-磷酸+ADP+H2.代谢步骤半乳糖激酶半乳糖转移酶半乳糖表异构酶第86页/共118页1.gal操纵子组成（1）结构基因（galK，galT，galE）（2）调节基因（galR）与结构基因相距很远galR突变造成组成型表达（3）P/O位点galOC突变造成组成型表
34、达（4）诱导物：半乳糖（二）半乳糖（gal）操纵子第87页/共118页gal P1：转录起始位置：S1（+1）转录依赖cAMP-CAP功能：葡萄糖不存在时负责gal操纵子的转录gal P2：转录起始位置：S2（-5）转录不依赖cAMP-CAP功能：葡萄糖存在时负责 gal操纵子的转录第88页/共118页1.半乳糖的双重作用（1）作为细菌的碳源（2）UDPGal是细菌细胞壁的重要前体2.双启动子的作用（1）galP1保证细菌可以利用半乳糖作为碳源（2）galP2保证有葡萄糖存在时，细菌可以合成UDPGal（三）gal操纵子双启动子的意义第89页/共118页 二、阿拉伯糖操纵子：具有双重功能的调节
35、蛋白 （正调控和负调控）阿拉伯糖是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因araC，araC 产生的AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。araB：核酮糖激酶araA：L-阿拉伯糖异构酶araD：L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶（一）阿拉伯糖操纵子的结构（一）阿拉伯糖操纵子的结构第90页/共118页 AraC蛋白通过两种异构体（Pr和Pi）来实现正、负调节因子的双重功能。在没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，起阻遏作用。一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与AraC蛋白结合，使Pr离开操纵基因位点，构象平衡趋
36、向于Pi形式。Pi是起诱导作用的形式，它通过与启动子结合促进RNA-pol开始转录，发挥正向调节作用。（二）（二）AraC蛋白的两种形式蛋白的两种形式第91页/共118页无阿拉伯糖时，无阿拉伯糖时，Pr形式占优势，起阻遏作用形式占优势，起阻遏作用有阿拉伯糖存在，Pi起诱导作用促进RNA聚合酶与araBAD的结合并形成开放性启动子复合物第92页/共118页（1）有葡萄糖时，无AraC及cAMP-CAP时，araC转录，但很快会被Pr所阻遏（自身调控）（2）没有葡萄糖也没有阿拉伯糖时，有AraC（Pr），cAMP-CAP时，araBAD和araC均不转录（3）无 葡 萄 糖，有 阿 拉 伯 糖 时
37、，有AraC（Pi），cAMP-CAP时，araBAD转录3.营养状况对araBAD操纵子的调控第93页/共118页 三、阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答细菌DNA遭到破坏时，细胞内会启动一个被称为SOS的诱导型DNA修复系统。参与SOS-DNA修复系统的基因都受LexA阻遏蛋白的抑制，SOS体系的诱导表达过程中LexA阻遏蛋白被移开。第94页/共118页二组分系统（two-component systems），由二种不同的蛋白质组成。细胞质膜上的传感蛋白（sensor protein）及位于细胞质中的应答调节蛋白（response regulator protein）。四、二组分调
38、控系统和信号转导第95页/共118页细胞生活在不断变化的环境中，温度、pH和渗透压变化，氧分压变化，营养物质变化及细胞浓度的变化都要求细菌必须随时做出相应的反应以求生存第96页/共118页rRNA操纵子大肠杆菌rRNA操纵子（rrnE）上有两个启动子P1和P2。在对数生长期，P1起始的转录产物比2起始的产物多35倍。当细菌处于紧急状态，细胞中ppGpp浓度增加，P1的作用被抑制。因为rRNA是细胞中蛋白质合成机器核糖体的重要组成部分，不能完全停止供应，由P2起始rrnE基因转录。大肠杆菌rrnE上有两个启动子（P1和P2）随着ppGpp浓度增加，P1逐渐关闭，而P2活性不变五、多启动子调控的操
39、纵子第97页/共118页nifAL基因控制了整个固氮酶系统的表达和活性。若突变nifA基因，那么固氮酶和其他所有已知的nif基因产物都会消失。若再将野生型nifA基因用质粒DNA的形式导入上述突变株中，nif操纵子的功能就得到恢复。nifA和nifL基因产物分别是nif操纵子的正、负调控因子。当细胞内没有nifL蛋白质时，nifA基因产物足以激活其他nif基因的表达，甚至在有NH3和O2存在时也如此。六、固氮基因调控第98页/共118页第五节第五节 转录水平上的其他调控方转录水平上的其他调控方式式第99页/共118页1.因子的调节作用因子的调节作用起始识别因子第100页/共118页因子本身的活
40、性受到蛋白水解酶的调控，也能被同源的抗因子失活。F以非活性形式存在于细胞中，环境刺激导致SpoIIAA抗-抗因子去磷酸化，并特异性地与抗因子SpoIIAB结合，释放出活性的F。活性F促使早期孢子形成相关基因转录。Bacillus孢子形成期F的两种存在形式第101页/共118页2.枯草杆菌中亚基的更迭在孢子形成的第二阶段，细胞产生了两个独立的被分隔的部分，这就是母细胞和前孢子（forespore）。这个过程约花8小时，它可以被看成为是一种原始的分化类型。在这种类型中，现代细胞产生两种发育命运不同的子细胞，一个是母细胞，一个是前孢子，当前孢子被释放时，母细胞最终被裂解，孢子的结构完全不同于原来的细
41、菌。第102页/共118页（正常营养生长期（正常营养生长期 ）第103页/共118页（了解）3.组蛋白类似蛋白的调节作用4.转录调控因子的作用5.抗终止因子的调节作用第104页/共118页第六节第六节 转录后调控转录后调控第105页/共118页一、mRNA自身结构元件对翻译起始的调节1.起始密码子AUG，原核生物还存在其他可选择的起始密码子，GUG，UUG，另外还有AUU，这些不常见的起始密码子与fMet-tRNA的配对能力较AUG弱，从而导致翻译效率的降低。2.起始密码子上游的包括SD序列在内的非翻译区影响翻译的起始。RBS的结合强度取决于SD与AUG之间的距离。3.mRNA二级结构影响翻译
42、的起始第106页/共118页二、二、mRNA稳定性对转录水平的影响稳定性对转录水平的影响细菌mRNA的半衰期较短，mRNA分子的降解取决于它们的二级结构。非编码的非编码的RNA分子分子RNA结合蛋白，可激结合蛋白，可激活糖酵解过程，并抑活糖酵解过程，并抑制制G和糖原的合成和糖原的合成大肠杆菌大肠杆菌CsrAB调节系统调节系统细菌在静止期：糖以糖原形式储存细菌快速生长周期：通过糖酵解消耗糖。都是由CsrAB调节系统来完成的。第107页/共118页三、蛋白质合成的自体调控调节蛋白细菌中有些mRNA结合蛋白可激活靶基因的翻译，相反也有些特异性抑制蛋白则可抑制自体mRNA的翻译。E.coli中当rRN
43、A缺乏，核糖体蛋白会结合mRNA导致RBS（核糖体结合位点）位点封闭，蛋白合成停止。核糖体蛋白对自身核糖体蛋白对自身mRNA翻译的抑制翻译的抑制第108页/共118页四、反义RNA的调控作用1984年年Mizuno和和Iwoue发现发现RNA可作为可作为反式作用反式作用反式作用反式作用因子因子，与调，与调节蛋白一样，节蛋白一样，参与基因表达的调控。参与基因表达的调控。参与基因表达的调控。参与基因表达的调控。小分子干扰小分子干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)或者或者RNARNA调节物。调节物。调节物。调节物。其靶分子为其靶分子为其靶分子为其靶分子为单链核酸序列单
44、链核酸序列单链核酸序列单链核酸序列。反义反义RNA：与：与mRNA互补的互补的RNA分子。分子。第109页/共118页 反义RNA作为调节物质调节物质的作用机制：与mRNA上核糖体结合位点结合，使得翻译不能起始；与mRNA形成双螺旋结构，作为内切酶底物；与转录产物结合，使转录提前终止。第110页/共118页举例举例-E coli 中中 ompF 基因的翻译受小分子基因的翻译受小分子RNA调节调节EnvZ，编码渗透压感受器的受体蛋白，编码渗透压感受器的受体蛋白OmpRompF是外膜蛋白，是外膜蛋白，受培养基渗透压的调节受培养基渗透压的调节EnvZ第111页/共118页（了解）五、稀有密码子对翻译
45、的影响六、重叠基因对翻译的影响七、翻译的阻遏第112页/共118页八、魔斑核苷酸水平对翻译的影响 1.1.应急调控应急调控应急调控应急调控(strigent control)(strigent control)：细菌在饥饿条件下，缺乏各种氨基：细菌在饥饿条件下，缺乏各种氨基：细菌在饥饿条件下，缺乏各种氨基：细菌在饥饿条件下，缺乏各种氨基酸使得蛋白质合成受阻，将采取关闭大量的代谢过程来抵御不良条件，酸使得蛋白质合成受阻，将采取关闭大量的代谢过程来抵御不良条件，酸使得蛋白质合成受阻，将采取关闭大量的代谢过程来抵御不良条件，酸使得蛋白质合成受阻，将采取关闭大量的代谢过程来抵御不良条件，保存自己的一种
46、机制。保存自己的一种机制。保存自己的一种机制。保存自己的一种机制。2.2.严紧控制或松散控制：严紧控制或松散控制：严紧控制或松散控制：严紧控制或松散控制：大肠杆菌当氨基酸供应不足时，细胞内蛋白质大肠杆菌当氨基酸供应不足时，细胞内蛋白质大肠杆菌当氨基酸供应不足时，细胞内蛋白质大肠杆菌当氨基酸供应不足时，细胞内蛋白质合成速度下降，合成速度下降，合成速度下降，合成速度下降，RNARNA合成速度也下降，科学上把这种现象称为合成速度也下降，科学上把这种现象称为合成速度也下降，科学上把这种现象称为合成速度也下降，科学上把这种现象称为严紧控严紧控严紧控严紧控制（制（制（制（rel+）。而当）。而当）。而当）
47、。而当大肠杆菌当氨基酸供应不足时，细胞内蛋白质合成大肠杆菌当氨基酸供应不足时，细胞内蛋白质合成大肠杆菌当氨基酸供应不足时，细胞内蛋白质合成大肠杆菌当氨基酸供应不足时，细胞内蛋白质合成虽然停止了，但虽然停止了，但虽然停止了，但虽然停止了，但RNARNA合成的速度却没有下降，后一种现象称为合成的速度却没有下降，后一种现象称为合成的速度却没有下降，后一种现象称为合成的速度却没有下降，后一种现象称为松散控松散控松散控松散控制（制（制（制（rel-）。3.3.魔斑：魔斑：魔斑：魔斑：严紧控制（严紧控制（严紧控制（严紧控制（rel+）型菌株，）型菌株，）型菌株，）型菌株，当氨基酸缺乏时，当氨基酸缺乏时，当
48、氨基酸缺乏时，当氨基酸缺乏时，tRNAtRNA成为空成为空成为空成为空载体，就触发载体，就触发载体，就触发载体，就触发ATPATP和和和和GTPGTP合成一种新化合物，称为合成一种新化合物，称为合成一种新化合物，称为合成一种新化合物，称为四磷酸鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸鸟苷ppGppppGpp和和和和pppGpppppGpp。在层析谱上检出这两种化合物的斑点，称为。在层析谱上检出这两种化合物的斑点，称为。在层析谱上检出这两种化合物的斑点，称为。在层析谱上检出这两种化合物的斑点，称为魔斑魔斑魔斑魔斑。第113页/共118页 研究发现，在氨基酸缺乏时，rel+菌株能大量合成两种特殊的核苷酸鸟苷
49、四磷酸（鸟苷5一二磷酸-3二磷酸，ppGpp）和鸟苷五磷酸（鸟苷5一三磷酸-3二磷酸，pppGpp），其电泳的迁移率和一般的核酸不同，而rel-菌则不能。GTP+ATPpppGpp+AMPppGpp 第114页/共118页(spoT 编码一种编码一种酶，提供酶，提供ppGpp主要降解途径主要降解途径)第115页/共118页魔斑的主要作用：魔斑的主要作用：pppGpp作作为为调调控控一一些些反反应应的的效效应应物物，通通过过影影响响RNA聚聚合合酶与启动子结合的专一性来调控细胞的应急反应。酶与启动子结合的专一性来调控细胞的应急反应。p抑制核糖体和其他大分子的合成，抑制核糖体和其他大分子的合成，p活化某些氨基酸操纵子的转录表达，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，p抑制与氨基酸运转无关的转运系统，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，p活化蛋白水解酶等。活化蛋白水解酶等。第116页/共118页第117页/共118页感谢您的观看。第118页/共118页