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1、第六章原核生物基因表达调控现在学习的是第1页，共87页第一节第一节 原核生物基因表达调控的概述原核生物基因表达调控的概述第二节第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统第三节第三节 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四节第四节 其它操纵子其它操纵子第五节第五节 转录后的调控转录后的调控现在学习的是第2页，共87页第一节第一节 原核生物基因表达调控的概述原核生物基因表达调控的概述基因表达（基因表达（gene expression)：是指：是指DNA分子所承载的分子所承载的遗传信息，通过密码子遗传信息，通过密码子 反密码子系统，转变成蛋白质反密码子系统，转变成蛋白
2、质或功能或功能RNA分子的过程，称为基因表达。分子的过程，称为基因表达。基因表达调控（基因表达调控（gene regulation or gene control):是是指对基因表达过程的调节。指对基因表达过程的调节。现在学习的是第3页，共87页基因表达调控主要表现在以下几个方面：基因表达调控主要表现在以下几个方面：1、转录水平上的调控（、转录水平上的调控（transcriptional regulation);2、mRNA加工成熟水平上的调控（加工成熟水平上的调控（differential processing of RNA transcription);3、翻译水平上的调控（、翻译水平上的
3、调控（differential translation of mRNA)现在学习的是第4页，共87页基因调控的指挥系统：基因调控的指挥系统：原核生物原核生物营养水平（营养水平（nutritional status)环境因素环境因素(environmental factors)真核生物真核生物激素水平（激素水平（hormone level)发育阶段（发育阶段（developmental stage)现在学习的是第5页，共87页一、原核基因调控机制的类型与特点根据调控机制的不同：根据调控机制的不同：正转录调控（正转录调控（positive transcription regulation）：）：调
4、节基调节基因的产物是因的产物是激活蛋白激活蛋白（activator），起着提高结构基因转起着提高结构基因转录水平的作用。录水平的作用。负转录调控（负转录调控（negative transcription regulation）：）：调调节基因的产物是节基因的产物是阻遏蛋白（阻遏蛋白（reppressor），起着阻止结起着阻止结构基因转录的作用。构基因转录的作用。现在学习的是第6页，共87页根据作用特征：根据作用特征：诱导（诱导（induction）：）：调节因子与效应物结合后，开启基调节因子与效应物结合后，开启基因的转录活性称为因的转录活性称为 诱导（诱导（induction）；阻遏（阻遏（r
5、epression）：）：调节因子与效应物结合后，关调节因子与效应物结合后，关闭基因的转录活性称为闭基因的转录活性称为 阻遏（阻遏（repression）。现在学习的是第7页，共87页现在学习的是第8页，共87页现在学习的是第9页，共87页调节基因产物调节基因产物 调节基因产物与效应物结合调节基因产物与效应物结合 基因基因表达表达基因基因不表达不表达阻遏阻遏蛋白蛋白负控负控诱导诱导系统系统 负控负控阻遏阻遏系统系统 激活激活蛋白蛋白正控正控诱导诱导系统系统 正控正控阻遏阻遏系统系统 现在学习的是第10页，共87页 因子因子是参与大肠杆菌基因表达调控最常见的蛋是参与大肠杆菌基因表达调控最常见的蛋
6、白质。白质。6 种种 因子：因子：70、54、38、32、28、24。除除54 外，其余外，其余5种种 因子在结构上均具有同源性，因子在结构上均具有同源性，统称为统称为70 家族。家族。现在学习的是第11页，共87页TTGACATATAAT-35-10Startpoint16-19 bp5-9 bp70 因子识别并结合在所调控基因上游的区域因子识别并结合在所调控基因上游的区域CTGGNATTGCA-24-12Startpoint 7-9 bp6-8 bp54 因子识别并结合在所调控基因上游的区域因子识别并结合在所调控基因上游的区域现在学习的是第12页，共87页1、特殊代谢物对基因活性的调节特殊
7、代谢物对基因活性的调节可诱导调节可诱导调节：是指一些基因在某些代谢物的诱导下使其：是指一些基因在某些代谢物的诱导下使其活化，由原来的关闭状态转变为开放状态。活化，由原来的关闭状态转变为开放状态。如：大肠杆菌的乳糖操纵子如：大肠杆菌的乳糖操纵子可阻遏调节可阻遏调节：是指一些基因由于某些代谢物的积累，：是指一些基因由于某些代谢物的积累，而使其由原来的开放状态转变为关闭状态。而使其由原来的开放状态转变为关闭状态。如：色氨酸操纵子如：色氨酸操纵子二、二、原核基因调节的主要特点原核基因调节的主要特点现在学习的是第13页，共87页无诱导物时，基因关闭诱导物开启基因可诱导的操纵子可诱导的操纵子：是一些编码糖
8、和氨基酸分解代谢蛋白的：是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因；基因；现在学习的是第14页，共87页可阻遏的操纵子可阻遏的操纵子：是一些合成各种细胞代谢过程中所必须：是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质。的小分子物质。现在学习的是第15页，共87页2、弱化子对基因活性的调节、弱化子对基因活性的调节弱化子弱化子(attenuator)：是指起转录终止信号的一段核苷：是指起转录终止信号的一段核苷酸序列。酸序列。trp 操纵子操纵子mRNA 前导序列结构前导序列结构现在学习的是第16页，共87页细胞中某一细胞中某一氨基酸或嘧啶氨基酸或嘧啶的浓度发生改变的浓度发生改变氨酰氨酰 tRNA的浓度
9、变化的浓度变化核糖体在转录产物核糖体在转录产物RNA上的上的结合位置结合位置不同，不同，使得使得RNA形成特定的二级结构形成特定的二级结构由由RNA的的二级结构二级结构判断基因能否继续转录判断基因能否继续转录调节机理调节机理：现在学习的是第17页，共87页色氨酸含量和核糖体位置对弱化子结构的影响色氨酸含量和核糖体位置对弱化子结构的影响当色氨酸充足时，前导序列当色氨酸充足时，前导序列的合成正常进行，核糖体占的合成正常进行，核糖体占据据 1 区和部分区和部分2 区，区，2、3 不不能有效配对；能有效配对；3、4 配对形成终止子的发配对形成终止子的发卡结构，转录终止。卡结构，转录终止。Trp+转录终
10、止转录终止现在学习的是第18页，共87页当缺乏色氨酸时，当缺乏色氨酸时，翻译在翻译在双色氨酸密码子处中止；双色氨酸密码子处中止；核糖体仅占据核糖体仅占据 1 区，区，2、3 区配对；区配对；3、4 区不能形成发卡结区不能形成发卡结构，转录继续。构，转录继续。Trp-转录继续转录继续现在学习的是第19页，共87页前导区的转录前导区的转录无色氨酸时，转录无色氨酸时，转录可持续进行可持续进行有色氨酸存在时，转录有色氨酸存在时，转录在弱化子区域终止在弱化子区域终止现在学习的是第20页，共87页3、降解物对基因活性的调节、降解物对基因活性的调节葡萄糖效应或降解物抑制作用葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培
11、养基中在葡萄：细菌培养基中在葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等诱导物，糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现象称为葡萄糖与其对应的操纵子也不会启动，这种现象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。效应或降解物抑制作用。葡萄糖葡萄糖抑制抑制腺苷酸环化酶的活性腺苷酸环化酶的活性导致导致环腺苷酸的合成环腺苷酸的合成减少减少环腺苷酸环腺苷酸代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白复合物复合物复合物结合在启动子区域是乳复合物结合在启动子区域是乳糖、半乳糖等糖类糖、半乳糖等糖类mRNA转录转录所必需的。所必需的。现在学习的是第21页，共87页4、细菌的应急反应、细菌的应急反应
12、 是指细菌在供给物全面匮乏的情况下，难以找到代用物，是指细菌在供给物全面匮乏的情况下，难以找到代用物，所作出的一种反应，帮助细菌渡过难关。所作出的一种反应，帮助细菌渡过难关。应急反应的机理应急反应的机理：空载的空载的 tRNA激活激活焦磷酸转移酶焦磷酸转移酶鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸 ppGpp鸟苷五磷酸鸟苷五磷酸 pppGpp大大量量合合成成关闭一些基因关闭一些基因打开一些基因打开一些基因现在学习的是第22页，共87页 1 1、原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点 正转录调控正转录调控 负转录调控负转录调控 诱导诱导 阻遏
13、阻遏2、原核基因调节的主要特点、原核基因调节的主要特点 a、特殊代谢物对基因表达的调节、特殊代谢物对基因表达的调节 b、弱化子对基因活性的调节、弱化子对基因活性的调节 c、降解物对基因活性的调节、降解物对基因活性的调节 d、细菌的应急反应、细菌的应急反应小小 结结现在学习的是第23页，共87页-半乳糖苷酶半乳糖苷酶透过酶透过酶转乙酰酶转乙酰酶阻遏阻遏物物第二节第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统现在学习的是第24页，共87页l 阻遏蛋白基因（阻遏蛋白基因（I）属于组成型的调控，是经常表达）属于组成型的调控，是经常表达的，因此，的，因此，lac操纵子通常是处于关闭状态的。操纵
14、子通常是处于关闭状态的。lac 操纵子的结构操纵子的结构阻遏蛋白基因阻遏蛋白基因（I）启动区启动区（P）操纵区（操纵区（O）CAP-cAMP 结合部位结合部位三个结构基因三个结构基因ZYA现在学习的是第25页，共87页一、酶的诱导一、酶的诱导 lac 体系受调控的证据体系受调控的证据E.coli 在不含乳糖的培养基生在不含乳糖的培养基生长时，长时，-半乳糖苷酶含量极低；半乳糖苷酶含量极低；当加入乳糖或半乳糖后，则迅当加入乳糖或半乳糖后，则迅速升高。速升高。两种含硫的乳糖类似物：两种含硫的乳糖类似物：异丙基巯基半乳糖苷异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）巯甲基半乳糖苷巯甲基半乳糖苷（TMG）现在学习的
15、是第26页，共87页诱导物（诱导物（inducer）：）：如果某物质能促使细胞产生一特如果某物质能促使细胞产生一特定的酶，该物质就叫做定的酶，该物质就叫做诱导物诱导物；安慰诱导物（安慰诱导物（gratuitous inducers）：）：可诱导酶的合成，但可诱导酶的合成，但不被所诱导的酶降解的物质称为不被所诱导的酶降解的物质称为安慰诱导物安慰诱导物。IPTG（异丙基巯基半乳糖苷）是（异丙基巯基半乳糖苷）是laclac 基因的安慰诱导基因的安慰诱导物。物。辅阻遏物（辅阻遏物（corepressor）如果某物质能阻止细胞产生如果某物质能阻止细胞产生一特定的酶，该物质就叫做一特定的酶，该物质就叫做辅
16、阻遏物辅阻遏物。现在学习的是第27页，共87页二、乳糖操纵子的模型及其影响因子二、乳糖操纵子的模型及其影响因子 操纵子模型操纵子模型：一个或几个结构基因与一个调节基一个或几个结构基因与一个调节基因、一个操纵区组成一个操纵单元。这个单元称为因、一个操纵区组成一个操纵单元。这个单元称为操操纵子纵子（operon）。-半乳糖苷酶半乳糖苷酶透过酶透过酶转乙酰酶转乙酰酶阻遏阻遏物物现在学习的是第28页，共87页 操纵区位于启动子与结构基因之间，与启动子部操纵区位于启动子与结构基因之间，与启动子部分重叠，阻遏物结合于操作区时，即阻止分重叠，阻遏物结合于操作区时，即阻止RNA 聚合酶聚合酶起始转录。起始转录
17、。现在学习的是第29页，共87页乳糖操纵子控制模型的主要内容：乳糖操纵子控制模型的主要内容：操纵区位于启动子与结构基因之间，不能单独起始结操纵区位于启动子与结构基因之间，不能单独起始结构基因的表达；构基因的表达；操纵区是一小段操纵区是一小段DNA序列，是阻遏物结合位点；序列，是阻遏物结合位点；操纵与启动子部分重叠，操纵与启动子部分重叠，当当阻遏物与操纵区结合时，即阻遏物与操纵区结合时，即阻止阻止RNA 聚合酶起始转录；聚合酶起始转录；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，使之不能与操纵区结合，从而激发与操纵区结合，从而激发mRNA的合成。的合成
18、。一条多顺反子一条多顺反子mRNA编码编码Z、Y、A基因；基因；现在学习的是第30页，共87页现在学习的是第31页，共87页调节基因调节基因调节基因调节基因阻遏蛋白产生产生结合结合操纵区操纵区相邻相邻启动区启动区乳糖操纵子中调节基因的作用过程：乳糖操纵子中调节基因的作用过程：乳糖操纵子中诱导物的作用机理：乳糖操纵子中诱导物的作用机理：诱导物作用的对象是诱导物作用的对象是阻遏蛋白阻遏蛋白。阻碍阻碍RNA聚合酶与启动子区的正常结合聚合酶与启动子区的正常结合结构基因转录成结构基因转录成 mRNA并合成蛋白质并合成蛋白质抑制抑制现在学习的是第32页，共87页（一）、（一）、lac 操纵子的本底水平表达
19、操纵子的本底水平表达诱导物诱导物的形成需要有的形成需要有-半乳糖苷酶半乳糖苷酶的存在的存在；诱导物诱导物作用需要跨膜，跨膜需要作用需要跨膜，跨膜需要透过酶透过酶的存在；的存在；透过酶透过酶的产生又需要的产生又需要诱导物诱导物的存在；的存在；-半乳糖苷酶半乳糖苷酶的产生又需要的产生又需要诱导物诱导物的存在；的存在；在非诱导的状态下仍有少量的在非诱导的状态下仍有少量的 lac mRNA合成，合成，这种合成被称为本底水平的这种合成被称为本底水平的组成型合成（组成型合成（background level constitutive synthesis)。现在学习的是第33页，共87页（二）、大肠杆菌对乳
20、糖的反应（二）、大肠杆菌对乳糖的反应乳糖乳糖本底水平透过酶本底水平透过酶进入细菌细胞进入细菌细胞结合结合阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白失活，阻遏蛋白失活，-半乳糖苷酶和透过酶表达半乳糖苷酶和透过酶表达半乳糖苷酶和透过酶表达半乳糖苷酶和透过酶表达细胞吸收大量乳糖细胞吸收大量乳糖去向去向葡萄糖葡萄糖半乳糖半乳糖异构乳糖异构乳糖结合结合阻遏蛋白阻遏蛋白当阻遏蛋白的浓度当阻遏蛋白的浓度超过超过异构乳糖的浓度，细胞重新建立阻异构乳糖的浓度，细胞重新建立阻遏状态，导致遏状态，导致 lac mRNA 的合成被抑制。的合成被抑制。本底水平本底水平-半乳糖苷酶半乳糖苷酶葡萄糖葡萄糖-1,6-半乳糖半乳糖诱导物诱导物现
21、在学习的是第34页，共87页（三）、阻遏物（三）、阻遏物 lac I 基因产物及功能基因产物及功能 Lac 操纵子阻遏物操纵子阻遏物 mRNA 是由是由弱启动子弱启动子控制下控制下组成型组成型合成合成的，该阻遏蛋白具有的，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚基均含个相同的亚基，每个亚基均含347个氨基酸残基。个氨基酸残基。lacI 基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获得较基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获得较多的阻遏蛋白；多的阻遏蛋白；-半乳糖苷酶半乳糖苷酶透过酶透过酶转乙酰酶转乙酰酶阻遏物阻遏物现在学习的是第35页，共87页调节基因调节基因调节基因调节基因 lacI lacI 的突
22、变也可导致乳糖操纵子的突变也可导致乳糖操纵子的突变也可导致乳糖操纵子的突变也可导致乳糖操纵子基因的组成型表达。基因的组成型表达。基因的组成型表达。基因的组成型表达。现在学习的是第36页，共87页操纵区操纵区操纵区操纵区 lacO lacO 的突变（的突变（lacO lacO c）可导致乳糖）可导致乳糖）可导致乳糖）可导致乳糖操纵子基因的组成型表达。操纵子基因的组成型表达。操纵子基因的组成型表达。操纵子基因的组成型表达。现在学习的是第37页，共87页（四）、葡萄糖对（四）、葡萄糖对 lac 操纵子的影响操纵子的影响 在葡萄糖存在时，在葡萄糖存在时，E.coli 优先利用葡萄糖；此时即使优先利用葡
23、萄糖；此时即使培养基中含有乳糖，乳糖操纵子蛋白仍然含量很低。培养基中含有乳糖，乳糖操纵子蛋白仍然含量很低。这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种效这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种效应称为应称为降解物抑制（降解物抑制（catabolite repression）。现在学习的是第38页，共87页葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸甘油甘油某些代谢产物抑制活性某些代谢产物抑制活性腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶ATPcAMPCrp基因基因编码编码代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白 CAPcAMP-CAP 葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对cAMP的的抑制完成的。抑制完
24、成的。（五）、（五）、cAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白现在学习的是第39页，共87页 代谢物活化蛋白：代谢物活化蛋白：CAP（Catabolite gene activator protein；cAMP receptor protein）是一些启动子起始转）是一些启动子起始转录必需的正调控因子。录必需的正调控因子。CAP 只有与只有与 cAMP 结合后才能与其结合区结合后才能与其结合区域结合。域结合。现在学习的是第40页，共87页CAPCAP的结合部位的结合部位 CAPCAP结合部位不结合部位不太固定，方向也可太固定，方向也可以不同。以不同。半乳糖操纵子半乳糖操纵子半乳糖操纵子半乳糖操
25、纵子乳糖操纵子乳糖操纵子乳糖操纵子乳糖操纵子阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子现在学习的是第41页，共87页三、三、lac operon 的其它问题的其它问题 lac operon的功能是在的功能是在正负两个调控体系正负两个调控体系的协调的协调作用下实现的。阻遏蛋白封闭转录时，作用下实现的。阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发不发挥作用；如没有挥作用；如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从加强转录，即使阻遏蛋白从operator上解聚仍无转录活性；上解聚仍无转录活性；CAP组成型合成，所以组成型合成，所以cAMPCAP复合物取复合物取决于决于cAMP含量含量;现在学习的是第42页
26、，共87页腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，因此输的酶有关，因此cAMPCAP调控乳糖、半乳调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶;降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在，这些操降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在，这些操纵元就不表达。纵元就不表达。现在学习的是第43页，共87页2.A基因及其生理功能基因及其生理功能 编码编码-半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！酰化。该酶不参与乳糖代谢！生理意义生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶：在细胞
27、中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒。所以无毒。所以lacA虽不在乳糖降解中起作用，但可虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累。抑制有害物质的积累。现在学习的是第44页，共87页3.lac基因产物数量基因产物数量，1：0.5：0.2 不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上的调不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上的调节。节。方式有二方式有二:核糖体脱离核糖体脱离:多顺反子的差别性翻译多顺反子的差别性翻译;内切酶作用内切酶作用:
28、在在lac mRNA分子内部，分子内部，a基因基因比比z基因更易受内切酶作用基因更易受内切酶作用.现在学习的是第45页，共87页现在学习的是第46页，共87页Summary of lac operon regulationGlucosecAMPLactoseTranscription of lac mRNAHighLowPresentlow rate of expressionHighLowAbsentessentially noneLowHighAbsentessentially noneLowHighPresenthigh rate of expression现在学习的是第47页，共87页
29、 生物细胞中的氨基酸合成，生物细胞中的氨基酸合成，也受操纵元的调节。细胞需要也受操纵元的调节。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。的原则。第三节 色氨酸操纵子与负控阻遏系统现在学习的是第48页，共87页trp操纵子的组成操纵子的组成邻氨基苯甲酸合邻氨基苯甲酸合成酶成酶吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸合成酶邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶现在学习的是第49页，共87页l trpR,阻遏蛋白阻遏蛋白l P，-40+18 l O,-21+1l L,+1+162l 结构基因结构基因一、一、trp操纵子的结构操纵子的结构大肠肝菌中
30、的大肠肝菌中的大肠肝菌中的大肠肝菌中的 trp 操纵子操纵子现在学习的是第50页，共87页trp操纵子的结构操纵子的结构操纵区操纵区启动子区（启动子区（P）操纵子（操纵子（O）弱化子区（弱化子区（a）结构基因结构基因E:邻氨基苯甲酸合成酶邻氨基苯甲酸合成酶（与（与G基因为融合基因）基因为融合基因）C:吲哚甘油磷酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶B:色氨酸合成酶色氨酸合成酶亚基亚基 D:邻氨基苯甲酸磷酸核糖转邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶移酶A:色氨酸合成酶色氨酸合成酶亚基亚基 前导区前导区(L)现在学习的是第51页，共87页二、二、Trp operon 的阻遏系统的阻遏系统1、Trp R 四聚体四聚体现在
31、学习的是第52页，共87页阻遏蛋白阻遏蛋白trp trp 有活性的阻遏物有活性的阻遏物有活性的阻遏物有活性的阻遏物trp O 不转录不转录现在学习的是第53页，共87页2、阻遏蛋白的结合位点、阻遏蛋白的结合位点 trpO -21 +1，反向重复序列，反向重复序列trpP -40 +18活性阻遏物与活性阻遏物与trpO 的结合，的结合，RNA pol与启动子的结合发生竞争。与启动子的结合发生竞争。现在学习的是第54页，共87页3、阻遏系统、阻遏系统 主管转录是否启动，主管转录是否启动，在在Trp含量高时，含量高时，mRNA起始合起始合成，但不能自动延伸，一般在成，但不能自动延伸，一般在trpE之
32、前终止转录。之前终止转录。粗调开关粗调开关弱化的弱化的mRNAmRNA现在学习的是第55页，共87页 色氨酸操纵子色氨酸操纵子:由与色氨酸合成相关的由与色氨酸合成相关的 基因基因及其及其调控序调控序列列组成。当缺乏色氨酸时，组成。当缺乏色氨酸时，trp 操纵子基因表达；当外源色操纵子基因表达；当外源色氨酸含量较高时，操纵子中的基因受到阻遏。氨酸含量较高时，操纵子中的基因受到阻遏。trp操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统 色氨酸调节（色氨酸调节（trpR）基因突变会引起基因突变会引起 trp mRNA的组的组成型合成。只有在色氨酸存在的情况下，阻遏蛋白与之结成型合成。只有在色氨酸存在的情况下，阻遏
33、蛋白与之结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合关闭合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合关闭trp mRNA的转的转录。录。现在学习的是第56页，共87页三、弱化子对基因表达的调节三、弱化子对基因表达的调节 阻遏发生时，转录的起始频率下降到阻遏发生时，转录的起始频率下降到 1/701/701/701/70，但，但，但，但 trp trp trp trp 酶系统活性却下降到酶系统活性却下降到酶系统活性却下降到酶系统活性却下降到 1/6001/6001/6001/600。弱化作用（弱化作用（attenuation）：是指控制一些细菌操纵子转录：是指控制一些细菌操纵子转录终止的调节。终止的调节。弱化子（弱
34、化子（attenuator）：是指弱化所发生的终止子序列，：是指弱化所发生的终止子序列，并且这种终止是被调节的，这段序列就称为并且这种终止是被调节的，这段序列就称为弱化子弱化子。1、弱化子（弱化子（attenuator）现在学习的是第57页，共87页2、前导区前导区：在：在 trp mRNA 5 端端 trpE 基因的起始密码子前基因的起始密码子前有一个长有一个长162 bp 的的 mRNA片段，被称为片段，被称为前导区前导区。前导肽前导肽：由前导序列指导合成的含有：由前导序列指导合成的含有14个氨基酸残基的肽个氨基酸残基的肽称为称为前导肽前导肽。前导序列结构前导序列结构特点特点：第：第10和
35、和11位两个密码子为位两个密码子为色氨酸色氨酸密密码子。码子。现在学习的是第58页，共87页 弱化子，衰减子，弱化子，衰减子，前导前导RNA，140bp现在学习的是第59页，共87页弱化子，弱化子，弱化子，弱化子，衰减子，衰减子，现在学习的是第60页，共87页 前导肽前导肽14aa14aa现在学习的是第61页，共87页3、trp mRNA 前导序列结构前导序列结构现在学习的是第62页，共87页trp trp 缺乏缺乏tRNAtrp也少也少 核糖体通过两个核糖体通过两个trp 密码子密码子的速度慢，占据前导序列的速度慢，占据前导序列的的trp 1区区2区与区与3区配对，不能区配对，不能形成终止子
36、结构形成终止子结构结构基因转录结构基因转录4、转录的弱化作用、转录的弱化作用现在学习的是第63页，共87页trp 浓度高浓度高前导肽中前导肽中trp 合成速度快合成速度快前导肽一直合成至其末端前导肽一直合成至其末端 核糖体占据核糖体占据1区和区和2区区3区与区与4区配对，形成终止子结区配对，形成终止子结构，使转录终止构，使转录终止现在学习的是第64页，共87页弱化子对转录调控的关键弱化子对转录调控的关键l空间结构，空间结构，10th and 11th codons encode trp residues (rare AA)l时间，核糖体停顿在时间，核糖体停顿在2个个Trp 密码子上时，产生延迟
37、，密码子上时，产生延迟，此此时时4区未转录出来区未转录出来现在学习的是第65页，共87页R P O leading seq.E D C B Atrp+为什么需要阻遏体系？为什么需要阻遏体系？当大量当大量Trp 存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，阻止先存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，阻止先导导mRNA合成。合成。经济经济Negativerepressible operon可以被最终合成产物所阻遏可以被最终合成产物所阻遏四、阻遏作用与弱化作用的协调现在学习的是第66页，共87页R P O leading seq.E D C B A少量少量trp+不足以结合不足以结合 O 位点位点为什
38、么需要弱化系统？为什么需要弱化系统？当当trp浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发不能很快引发trp 合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基中适当的以保持培养基中适当的Trp水平。水平。现在学习的是第67页，共87页p大肠肝菌中共有大肠肝菌中共有5个基因个基因参与色氨酸生物合成，构成色氨酸参与色氨酸生物合成，构成色氨酸操纵子。其中操纵子。其中trp G-D，trp C-F为融合基因，翻译出的多为融合基因，翻译出的多肽具有双重功能。肽具有双重功能。p有两个启动子，一个位于操纵
39、子有两个启动子，一个位于操纵子5，一个位于，一个位于trp G-D编码编码区。区。p大肠肝菌色氨酸操纵子受到由色氨酸激活的负阻遏蛋白的大肠肝菌色氨酸操纵子受到由色氨酸激活的负阻遏蛋白的调节作用。一旦转录越过前导区，开始结构基因的转录，调节作用。一旦转录越过前导区，开始结构基因的转录，又会受弱化子的调控，感受无负载的又会受弱化子的调控，感受无负载的tRNATrp的变化。使的变化。使转录机器在前导区附近停止或继续结构基因的转录。转录机器在前导区附近停止或继续结构基因的转录。现在学习的是第68页，共87页结构基因结构基因结构基因结构基因gal E :异构酶异构酶gal T :半乳糖半乳糖-磷酸尿嘧啶
40、核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶gal K:半乳糖激酶半乳糖激酶作用：作用：作用：作用：半乳糖半乳糖葡萄糖葡萄糖 1 磷酸磷酸第四节第四节 其他操纵子其他操纵子一、一、半乳糖（半乳糖（gal）操纵子）操纵子现在学习的是第69页，共87页 无外源葡萄糖时，细菌也可利用半乳糖。无外源葡萄糖时，细菌也可利用半乳糖。gal 操纵子的调操纵子的调控与乳糖操纵子基本相同，但稍有差别：控与乳糖操纵子基本相同，但稍有差别：l 双启动子双启动子;l 双操纵区双操纵区,一个在一个在P区上游区上游 67 73，另一个在结构，另一个在结构基因基因gal E 内部内部l 调节基因距离结构基因很远；调节基因距离结构基因很远
41、；l 在有外源葡萄糖时，仍然可以被低水平诱导。在有外源葡萄糖时，仍然可以被低水平诱导。现在学习的是第70页，共87页S2 S1S2 S1转录方向转录方向转录方向转录方向-10-101、cAMP CAP 对对 gal 启动子的作用启动子的作用l l S1 S1 起始起始依赖于依赖于依赖于依赖于 cAMP-CAP，只有当葡萄糖，只有当葡萄糖不存在不存在时才可转录，需要有半乳糖、时才可转录，需要有半乳糖、时才可转录，需要有半乳糖、时才可转录，需要有半乳糖、CAPCAP和较高浓度的和较高浓度的和较高浓度的和较高浓度的cAMP;l l S2 S2 起始起始起始起始不依赖于不依赖于不依赖于不依赖于 cAM
42、P-CAPcAMP-CAP，只有当葡萄糖，只有当葡萄糖，只有当葡萄糖，只有当葡萄糖存在存在存在存在时时时时才可转录。才可转录。才可转录。才可转录。现在学习的是第71页，共87页2、双启动子的生理功能、双启动子的生理功能半乳糖半乳糖作为惟一碳源供细胞生长作为惟一碳源供细胞生长半乳糖差向异构酶的作用半乳糖差向异构酶的作用半乳糖差向异构酶的作用半乳糖差向异构酶的作用UDP-葡萄糖葡萄糖UDP-半乳糖半乳糖不依赖于不依赖于cAMP-CAP启动子启动子启动子启动子S2S2依赖于依赖于依赖于依赖于 cAMP-cAMP-CAP CAP 启动子启动子启动子启动子S1S1是大肠肝菌细胞壁合成的前体是大肠肝菌细胞
43、壁合成的前体现在学习的是第72页，共87页二、二、ara 操纵子操纵子阿拉伯糖降解阿拉伯糖降解阿拉伯糖降解阿拉伯糖降解araB araB:核酮糖激酶核酮糖激酶核酮糖激酶核酮糖激酶araAaraA：L-L-阿拉伯糖异构酶阿拉伯糖异构酶araDaraD：L-L-核酮糖核酮糖-5-5-磷酸磷酸磷酸磷酸-4-4-差向异构酶差向异构酶差向异构酶差向异构酶Operator 2Operator 1regulate genearaBADaraBADCRP 结合位点结合位点现在学习的是第73页，共87页araC 与与 araBAD相邻，但转录方向相反。相邻，但转录方向相反。araC 与与 araBAD 的结构的
44、结构C 蛋白有三个结合位点：蛋白有三个结合位点：O1,O2,IC 基因为自我调节基因：基因为自我调节基因：缺乏缺乏 C 蛋白时，蛋白时，araC表达；表达；当当C蛋白含量升高时，抑制蛋白含量升高时，抑制 araC 的表达。的表达。具有正、负调节作用。具有正、负调节作用。现在学习的是第74页，共87页（1）当葡萄糖水平较高、阿拉伯糖水平较低时，）当葡萄糖水平较高、阿拉伯糖水平较低时，C蛋白蛋白与操纵区与操纵区O2及及araI诱导因子结合区上半区结合，形成诱导因子结合区上半区结合，形成DNA回转结构，回转结构，araBAD 基因不表达；基因不表达；（2）当体系中有阿拉伯糖、无葡萄糖时，）当体系中有
45、阿拉伯糖、无葡萄糖时，Ara C 与阿与阿拉伯糖相结合，改变构象成为拉伯糖相结合，改变构象成为激活蛋白激活蛋白，Ara C 同源同源体分别与体分别与araO1和和araI区结合。区结合。RNA聚合酶在聚合酶在Ara C 蛋白蛋白和和CRP-cAMP的作用下，起始的作用下，起始BAD 基因表达。基因表达。现在学习的是第75页，共87页第五节第五节 转录水平上的其它调控方式转录水平上的其它调控方式一、一、因子的调节作用因子的调节作用 不同不同因子的选择；因子的选择；因子本身活性的调节；因子本身活性的调节；二、组蛋白类似蛋白的调节作用二、组蛋白类似蛋白的调节作用 在细菌细胞中存在的用来维持在细菌细胞
46、中存在的用来维持DNA高级结构的非特高级结构的非特异性异性DNA结合蛋白，称为组蛋白类似蛋白。结合蛋白，称为组蛋白类似蛋白。现在学习的是第76页，共87页三、转录调控因子的作用三、转录调控因子的作用 转录调控因子：指与基因的启动子区结转录调控因子：指与基因的启动子区结合，对基因的转录起激活或抑制作用的合，对基因的转录起激活或抑制作用的DNA结合蛋白称为转录调控因子。结合蛋白称为转录调控因子。四、抗终止因子的调节作用四、抗终止因子的调节作用 抗终止因子是能够在特定位点阻止转录终止的一抗终止因子是能够在特定位点阻止转录终止的一类蛋白质。这种调节作用主要见于噬菌体和少数细菌类蛋白质。这种调节作用主要
47、见于噬菌体和少数细菌中。参与大肠肝菌抗终止作用的蛋白是中。参与大肠肝菌抗终止作用的蛋白是Nus蛋白。蛋白。现在学习的是第77页，共87页第七节第七节 转录后调控转录后调控一、翻译起始的调控一、翻译起始的调控（1）起始密码子）起始密码子AUG，GUG，UUG，AUU，这些不常见起始密码子翻译起始效率较低；这些不常见起始密码子翻译起始效率较低；（2）SD序列的结构及其与起始密码子序列的结构及其与起始密码子AUG之间之间的距离，的距离，SD序列与序列与AUG之间的距离一般为之间的距离一般为410个核苷酸为佳，个核苷酸为佳，9个核苷酸最佳。个核苷酸最佳。现在学习的是第78页，共87页（3）mRNA 的
48、二级结构的二级结构 30S亚基与亚基与mRNA结合，要求结合，要求mRNA 5，端有一定的端有一定的空间结构空间结构，核苷酸序列的变化会，核苷酸序列的变化会改变改变mRNA的二级结构，的二级结构，影响影响核糖体与核糖体与mRNA的的结合结合，从而，从而造成造成蛋白质合成效率的蛋白质合成效率的差异。差异。现在学习的是第79页，共87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 细胞内无用的细胞内无用的mRNA均被核酸酶水解。均被核酸酶水解。大肠肝菌大肠肝菌CsrAB调节系统。调节系统。CsrABCsrA为为RNA结合蛋白结合蛋白CsrB 为非编码的为非编码的RNA分子分子结合结
49、合mRNA分子分子降解速度加快降解速度加快结合结合导致导致现在学习的是第80页，共87页三、调节蛋白的调控作用三、调节蛋白的调控作用 调节蛋白的表达本身也受到调控。调节蛋白的表达本身也受到调控。四、反义四、反义RNA的调节作用的调节作用 细菌细胞中一些非编码的小细菌细胞中一些非编码的小RNA，与，与mRNA中特定序列配对，改变所配对中特定序列配对，改变所配对mRNA分子的构象，导致翻译过程的开启或关闭。分子的构象，导致翻译过程的开启或关闭。现在学习的是第81页，共87页五、稀有密码子对翻译的影响五、稀有密码子对翻译的影响 使用稀有密码子频率较高的蛋白质，其表达率较使用稀有密码子频率较高的蛋白质
50、，其表达率较低。低。在细胞内使用稀有密码子频率较高的蛋白大多是一些在细胞内使用稀有密码子频率较高的蛋白大多是一些调控蛋白，而结构基因使用稀有密码子的频率较低。调控蛋白，而结构基因使用稀有密码子的频率较低。现在学习的是第82页，共87页六、重叠基因对翻译的影响六、重叠基因对翻译的影响 细菌中重叠基因的存在，保证了同一核糖体对两个连细菌中重叠基因的存在，保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的通畅及数量上的一致。续基因进行翻译的通畅及数量上的一致。七、翻译的阻遏七、翻译的阻遏 在在 Q噬菌体中，纯化的复制酶可与外壳蛋白的翻译噬菌体中，纯化的复制酶可与外壳蛋白的翻译起始区结合，抑制蛋白质的合成。起始