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1、二二.操纵子调控模型是是19611961年由年由JacobJacob和和MonodMonod提案并确立，即提案并确立，即编码某特定区某特定区域的基因与只在域的基因与只在DNADNA分子上分子上发挥作用的区域是各不相同作用的区域是各不相同的。基因的表达的。基因的表达调控主要控主要发生在生在转录水平上。水平上。(一)概念 原核生物细胞内功能相关的结构基因组成一排基因簇，由此而形成的转录单位，即为操纵子。第1页/共35页(二二)主要主要组成成1.结构基因（structuralgene）:生物酶与细胞结构所必需的蛋白质的编码基因，该基因又称为cis作用因子（cisacting）。相关结构基因的表达产物
2、协同完成一个生理生化过程，这些结构基因在一套调控系统作用下统一开放与关闭，维持合适而精确的基因产物分子比。结构基因编码各类具有不同结构与功能的蛋白质，包括结构蛋白、酶和调控蛋白2.调控基因（regulatorgene）:基因表达调控蛋白的编码基因，又称为反式作用因子（transacting）。主要是通过编码蛋白或者RNA来调节其他基因的表达。第2页/共35页三.原核细胞转录调控的基本模式顺式作用元件反式作用因子引起目的基因表达的正调控或者负调控模式反式作用:编码产物将从合成地点扩散到其作用靶位的过程。顺式作用:不转变为其他任何形式而只以DNA形式在原来位置起作用的DNA序列。第3页/共35页调
3、节区域启动子转录起始点结构基因Operator/promotorOperator/promotorRNARNA几几个相应的相应的蛋白质RepressorbindingRepressorbindingwithoperatorwithoperatorRNApolymeraseRNApolymerase第4页/共35页负调控控:由某一基因表达由某一基因表达产生的蛋白生的蛋白质因子，通因子，通过与另一基与另一基因的特异的因的特异的顺式作用元件相互作用，从而达到控制其表达式作用元件相互作用，从而达到控制其表达的目的，称的目的，称为负调控。控。正正调控控:某一基因某一基因编码的的产物作用于自己基因的物作用
4、于自己基因的调控元件控元件,以达到控制其表达的目的以达到控制其表达的目的,称称为正正调控控。第5页/共35页t ta ay yz z o op pStructuralgeneStructuralgeneP PromoterromoterO OperatorperatorTerminatorTerminator功能启动子:一个操纵子一般只含有一个启动子操作子:由一个或多个DNA顺式调控元件组成，是基因反式调控因子的结合区，这种蛋白-DNA的二元复合物通过与启动子-RNA聚合酶复合物的相互作用，对操纵子的开发或关闭进行调控结构基因:若干个生物功能相关的结构基因以相同极性密集排列终止子:使转录不同程
5、度地终止第6页/共35页阻遏基因阻遏基因阻遏基因阻遏基因I I I I 调控区控区 启启动子子操作子操作子DNADNAZ ZY YA AO OP P 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：通透酶通透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶第二节乳糖操纵子（一）结构及其性质第7页/共35页lacIlacZlacYlacAZ ZY YA AO OP PP PDNADNAmRNAmRNA1040823510780825多肽3601021260275氨基酸氨基酸380001250003000030000DaltonDalton蛋白质四聚体四聚体二聚体膜蛋白结构152000500000300006000
6、0DaltonDalton功能阻遏蛋白-半乳糖苷半乳糖苷酶第8页/共35页(二)调控机理阻遏蛋白单聚体阻遏蛋白四聚体lacI启动子/操作子lacZlacYlacA转录翻译无诱导物结构基因被阻遏第9页/共35页诱导物无活阻遏蛋白有诱导物RNARNA聚合聚合酶转录翻译转录mRNAmRNA翻译第10页/共35页(三)操纵基因的鉴定不可诱导型突变(uninduciblemutation):使操纵子在任何情况下都不能表达的突变。组成型突变体(consititutivemutant):不受调控物影响的持续表达称为组成型基因表达，其突变体即为组成型突变体。组成型突变鉴定出的操纵基因OC表明调控元件能够以不可
7、扩散的产物形式行使其功能，操纵基因是一个典型的顺式作用位点，其功能依赖于一些反式作用因子对其DNA序列的识别。操纵基因对邻近基因的控制与细胞内是否存在其他等位基因并无关系，这种位点的突变称为顺式显性突变(cis-dominant)第11页/共35页(四)调控基因的鉴定lacI基因的突变是反式作用的，它可以影响细菌内所有结构基因簇的表达使lacI基因失活得突变是隐性的，它可以导致组成型表达因为阻遏物不能与操纵基因结合，所以阻遏物的DNA结合位点的突变是组成型的阻遏物上诱导物结合位点的突变使它不会失活，因此这会引起操纵子的非诱导性启动子突变是顺式作用和非诱导性的第12页/共35页ACAACACAC
8、CTTAACACAACACACCTTAACA ACTCCTCG GCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTATTGTTAAAGTGTGTTGTTGTTGTGTGTGTGTGG GAATTGAATTGA AG GA AG GC CGGATAACAATTTCACACAGGATAACAATTTCACACA对称轴1051510152025(五)阻遏蛋白与操纵基因的相互作用mRNAmRNA第13页/共35页(六)阻遏蛋白结合诱导物后从操纵基因上脱离第14页/共35页(七)阻遏蛋白的其他特性阻遏蛋白阻遏蛋白单体有多个体有多个结构域构域阻遏蛋白单体结构:N端DNA结合结构域、铰链区与核心区DNA结合结构域
9、有两个短螺旋用以与DNA大沟结合负责多聚化的区域和诱导物结合位点都位于核心区第15页/共35页阻遏蛋白由两个二聚体组成四聚体两个单体通过核心结构域2和寡聚化螺旋之间的结合形成二聚体，二聚体的一端是DNA结构域，另一端是寡聚化螺旋，两个二聚体通过寡聚化界面之间的相互作用形成四聚体第16页/共35页阻遏蛋白单体的DNA结合结构域插入到DNA的大沟活性阻遏蛋白中，二聚体的两个DNA结合区域可以插入连续的双螺旋转角诱导物的结合使阻遏蛋白的构象改变，从而造成DNA结合位点不能形成正确的几何构象以维持与DNA的接触第17页/共35页第三节操纵子的调控网络模式一.概述1.细菌基因调控:基因表达受到调控因子的
10、控制，该调控因子在受调控的蛋白质合成之前，可能与一段特定序列作用或者结构相互作用。表达水平上的调控:以DNA为target的转录水平上的调控与以RNA为target的翻译水平上的调控2.调控因子的类型a.蛋白质类调控因子:通过变构效应(allostery)发挥作用b.RNA调控因子:通过改变二级结构发挥作用。调控因子通常是二级结构丰富的小RNA分子，但存在一段单链区域能与target互补，调控因子与之相互作用，形成双螺旋结构，从而调控基因表达。第18页/共35页操纵子可诱导可阻遏负调控正调控负调控正调控二.分类第19页/共35页灭活阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物阻遏诱导诱导诱导负调控灭活激活蛋白激活激
11、活蛋白诱导正调控三.调控模式第20页/共35页辅阻遏物灭活阻遏蛋白激活阻遏蛋白诱导阻遏阻遏阻遏负调控灭活激活蛋白激活激活蛋白阻遏阻遏正调控第21页/共35页四.大肠杆菌的碳源利用机制1.葡萄糖阻遏作用调控碳源利用a.诱导物排除法:葡萄糖阻止从培养基中吸收其他可替代碳源的能力。b.由CRP激活很多操纵子第22页/共35页2 2.乳糖操纵子的正调控作用正调控因子:辅助RNA聚合酶与启动子结合而起始转录的蛋白质。葡萄糖活性活性C CR RP P？无活无活CRPCRPcAMP第23页/共35页CRP结构及其作用a.CRP因子是一同源二聚体,每个亚基为22.5kDa，可被单分子cAMP激活，在应答启动子
12、上，CRP二聚体约结合22bp，其中含有一对保守的五聚体对称序列，是CRP的识别位点，且具有双向性。b.每个CRP亚基均含有一个DNA结合区与一个转录激活区，其中结合区的定位因操纵子而异。AANAANTGTGATGTGANNTNNNNNTNNNTCANATCANATTNNTTNNTTNTTNACACTACACTNNANNNNNANNNAGTNTAGTNTAANNAANN高度保守五聚体低度保守五聚体转录第24页/共35页CCR RP P的激活途径的激活途径a.直接与RNA聚合酶作用，RNA聚合酶的亚基是CRP的结合区。b.作用于DNA，改变其结构以协助RNA聚合酶定位于启动子上。C CR RP
13、P与与RNARNA聚合聚合酶之之间的相互作用的精确效的相互作用的精确效应依依赖于于C CR RP P相相对启启动子区域的定位，子区域的定位，对乳糖操乳糖操纵子而言，子而言，C CR RP P的的优势效效应是提高是提高RNARNA聚合聚合酶与启与启动子形成复合物的启子形成复合物的启动效率。效率。第25页/共35页第四第四节 各种操各种操纵子子调控系控系统galKgalTgalEPOgalRmRNAmRNAP Pgalgal11P Pgalgal 2 2O OE EO OI IGalGalC C激酶Gal-1-PGal-1-P转移酶UDP-GalUDP-Gal+Glu-1-PGlu-1-PUDP-
14、GlcUDP-Glc异构酶galgalmRNAmRNA特征特征:有两套有两套调控元件控元件一.半乳糖操纵子(一)结构及其性质第26页/共35页(二)调控机制GluGlu环境cAMPcAMP细胞内C CR RP P结合型合型C CR RP PP Pgalgal1 1P Pgalgal 2 2启动关闭关闭GluGlucAMPcAMPCAPCAPC CR RP PcAMPcAMP失活openopen第27页/共35页二二.阿拉伯糖操纵子(一)结构与性质调控子arara aBADBADaraaraE EaraaraFGFG调控基因控基因araaraCC定位于细菌膜上，与阿拉伯糖运输有关。L-L-核核酮
15、糖激糖激酶L-L-阿拉伯糖异构阿拉伯糖异构酶L-L-核核酮糖糖-5-5-磷酸磷酸-4-4-异构异构酶第28页/共35页(二)阿拉伯糖调控系统的组成araC基因的调控araBAD基因的转录两基因区间的共享调控区araaraO O2 2araaraO O1 1P ParaaraCCC CR RP P结合位点合位点araaraI IP Paraara BADBADC C蛋白蛋白结合位点合位点araaraCmRNACmRNAara BAD mRNA148nt148nt第29页/共35页(三)调控机制araaraO O2 2araaraO O1 1araaraI IC C蛋白存在蛋白存在时araaraC
16、mRNACmRNARNARNA聚合聚合酶阿拉伯糖阿拉伯糖-AraC-AraC激活arara aCC，AraCorbindingAracAraCorbindingArac a araraO O1 1araaraC C表达被阻遏表达被阻遏第30页/共35页三三.色氨酸操色氨酸操纵子子P P O OtrptrpL La atrptrpEEtrptrp D Dtrptrp C Ctrptrp B Btrptrp A At tt t trptrpEEtrptrp D Dtrptrp C Ctrptrp B Btrptrp A A邻氨基苯甲酸合成酶两个亚基吲哚甘油酸合成酶色氨酸合成酶两个亚基第31页/共3
17、5页第五第五节 紧急急应答系答系统一.概念stringentresponsestringentresponse:当维持细菌的蛋白合成所需的氨基酸的供给发生问题时，其生长条件也发生了变化，从而使其各项生理活动的现象。二.产生现象a.rRNA与tRNA的合成极度减少b.全部RNA的合成是正常的5%-10%c.全mRNA的合成减少为正常的1/3d.蛋白质的分解速度上升e.核苷、碳水化合物与脂质的合成减少第32页/共35页ppGppppGpppppppGpppGppAminoacyl-tRNAAminoacyl-tRNARibosomeidlingreactionRibosomeidlingreaction启动子开始的阻碍因子模板的伸长反应受阻模板的伸长反应受阻第33页/共35页三.ppGpp的作用a.在编码rRNA的操纵子中，启动子上转录起始被特异地抑制。用于应急调控的启动子的突变可以消除应急控制，表明该效应与特异的启动子序列发生相互作用b.ppGPP能缩短许多或大部分模板的转录延伸期，原因可能是由ppGpp引起的不断增高的RNA聚合酶的暂停反应。第34页/共35页感谢您的观看！第35页/共35页