第6讲原核基因表达调控课件.ppt

第6讲原核基因表达调控第1页，此课件共74页哦 绪论绪论 一、一、乳糖操纵子的调控模式乳糖操纵子的调控模式 二、二、色氨酸操纵子的调控模式色氨酸操纵子的调控模式 三、三、其他操纵子的调控机制其他操纵子的调控机制 四、四、原核生物种的转录后调控原核生物种的转录后调控第2页，此课件共74页哦绪论 原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的环境中，食物供应毫无保障，只有能根据环境的环境中，食物供应毫无保障，只有能根据环境条件的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程条件的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。适应环境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。自然选择倾向于保留高效率的生命过程。在一个自然选择倾向于保留高效率的生命过程。在一个每每30min30min增殖一倍的增殖一倍的109109细菌群体中，若有一个细菌变细菌群体中，若有一个细菌变成了成了29.5min29.5min增殖一倍，大约经过增殖一倍，大约经过8080天的连续生长后天的连续生长后，这个群体中的，这个群体中的99.9%99.9%都将具有都将具有29.5min29.5min增殖一倍的增殖一倍的生长速度。生长速度。第3页，此课件共74页哦 一个大肠杆菌细胞中约有2500-3000个基因。估计正常情况下，可带有107个蛋白质，平均每个基因产生3000多个蛋白质分子。但大肠杆菌中一般带有15,000-30,000个核糖体，有50余种核糖体结合蛋白，数量也很惊人。此外，负责糖酵解系统的蛋白质数量也很大。而象半乳糖苷酶等诱导酶，其含量可少至每细胞仅1-5个分子。第4页，此课件共74页哦 一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种“开开-关关”（on-offon-off）活性是通过调节转录来建立的，也就）活性是通过调节转录来建立的，也就是说是说mRNAmRNA的合成是可以被调节的。当我们说一个系统处于的合成是可以被调节的。当我们说一个系统处于“off”“off”状态时，也有本底水平的基因表达，常常是状态时，也有本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成每世代每个细胞只合成1 1或或2 2个个mRNAmRNA分子。所谓分子。所谓“关关”实际的意思是基因表达量特别低，很难甚至无法检测。实际的意思是基因表达量特别低，很难甚至无法检测。科学家把这个从科学家把这个从DNADNA到蛋白质的过程称为基因表达到蛋白质的过程称为基因表达(gene expression)(gene expression)，对这个过程的调节就称为基因表达，对这个过程的调节就称为基因表达调控调控(gene regulation(gene regulation或或gene control)gene control)。要了解动、植。要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念，掌握了基因须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念，掌握了基因表达调控的秘密，我们手中就有了一把揭示生物学奥妙表达调控的秘密，我们手中就有了一把揭示生物学奥妙的金钥匙。的金钥匙。第5页，此课件共74页哦 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：转录水平上的调控转录水平上的调控(transcriptional regulation)(transcriptional regulation)；mRNA mRNA加工成熟水平上的调控加工成熟水平上的调控(differential(differential processing of RNA transcript)processing of RNA transcript)；翻译水平上的调控翻译水平上的调控(differential translation of(differential translation of mRNA).mRNA).原核生物中，营养状况原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)(nutritionalstatus)和环境因和环境因素素(environmental factor)(environmental factor)对基因表达起着举足轻重的对基因表达起着举足轻重的影响。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平影响。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormone level)(hormone level)和发育阶段和发育阶段(developmental stage)(developmental stage)是是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。力大为下降。第6页，此课件共74页哦第7页，此课件共74页哦一、一、乳糖操纵子的调控模式乳糖操纵子的调控模式 大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子(lactose(lactose operon)operon)包括包括3 3个结构基因：个结构基因：Z Z、Y Y和和A A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录时，录时，RNARNA聚合酶首先与启动区聚合酶首先与启动区(promoter,P)(promoter,P)结合，通过操纵区结合，通过操纵区(operator,O)(operator,O)向右转录。转录从向右转录。转录从OO区的区的中间开始，按中间开始，按ZYAZYA方向进行，每次方向进行，每次转录出来的一条转录出来的一条mRNAmRNA上都带有这上都带有这3 3个个基因。转录基因。转录的调控是启动区和操纵区进行的.第8页，此课件共74页哦第9页，此课件共74页哦 Z Z编码编码-半乳糖苷酶；半乳糖苷酶；Y Y编码编码-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；A A编码编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。半乳糖苷乙酰基转移酶。-半乳糖苷酶是一种半乳糖苷酶是一种-半乳半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他，还能水解其他-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。-半半乳糖苷透过酶的作用是使外界的乳糖苷透过酶的作用是使外界的-半乳糖苷（如乳糖）半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。-半乳半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A A上的乙酰基上的乙酰基转到转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第10页，此课件共74页哦 1 1 酶的诱导酶的诱导-lac-lac体系受调控的证据在体系受调控的证据在不含乳糖及不含乳糖及-半乳糖苷的培养基中，半乳糖苷的培养基中，lac+lac+基因型每个大肠杆功细胞内大约只基因型每个大肠杆功细胞内大约只有有1-21-2个酶分子。如果在培养基中加入乳个酶分子。如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%6%或或7%7%，每个细胞中可有超过，每个细胞中可有超过105105个个酶分子。酶分子。第11页，此课件共74页哦第12页，此课件共74页哦第13页，此课件共74页哦 科学家把大肠杆菌细胞放在加有放射性科学家把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S35S标记的氨基酸但没有任何半乳糖诱导标记的氨基酸但没有任何半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代，然后再将这些带物的培养基中繁殖几代，然后再将这些带有放射活性的细菌转移到不含有放射活性的细菌转移到不含35S35S、无放、无放射性的培养基中，随着培养基中诱导物的射性的培养基中，随着培养基中诱导物的加入，加入，-半乳糖苷酶便开始合成。分离半乳糖苷酶便开始合成。分离-半乳糖苷酶，发现这种酶无半乳糖苷酶，发现这种酶无35S35S标记。说标记。说明酶的合成不是由前体转化而来的，而是明酶的合成不是由前体转化而来的，而是加入诱导物后新合成的。加入诱导物后新合成的。第14页，此课件共74页哦 已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况下都能产生下都能产生lacmRNAlacmRNA的突变体，这种失的突变体，这种失去调节能力的突变体称为永久型突变体，去调节能力的突变体称为永久型突变体，为分两类：为分两类：I I型和型和OO型。型。I I型：野生型为型：野生型为I+I+，突变型为，突变型为I-I-OO型：野生型为型：野生型为O+O+，突变型为，突变型为OcOc。第15页，此课件共74页哦 I+I-I+I-或或O+OcO+Oc后，后，Z Z、Y Y、A A结构基因结构基因均表现为永久表达，所以均表现为永久表达，所以I I基因被称为调节基因被称为调节基因基因(regulatory gene)(regulatory gene)。研究发现，。研究发现，I I基基因是一个产生阻遏物的调节基因，其产物因是一个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系关闭。使体系关闭。I-I-突变体由于不能产生阻遏物突变体由于不能产生阻遏物，使细胞成为，使细胞成为laclac永久表达型。永久表达型。I-/I+I-/I+局部二局部二倍体由于带有一个正常阻遏物，使细胞中倍体由于带有一个正常阻遏物，使细胞中的的laclac仍然被抑制。仍然被抑制。第16页，此课件共74页哦 遗传学图谱分析指出，遗传学图谱分析指出，OcOc突变位于突变位于I I与与Z Z之之间，所以，间，所以，laclac体系的体系的4 4个基因的序列为个基因的序列为IOZYIOZY。通过这些观察，。通过这些观察，JacobJacob和和MonodMonod推断推断OcOc突变代表突变代表DNADNA链上的一个位点或链上的一个位点或一个非编码区域，而不是一个基因，因为一个非编码区域，而不是一个基因，因为可编码的基因具有互补性，而可编码的基因具有互补性，而OcOc没有这一没有这一特性。特性。OO决定相邻决定相邻Z Z基因的产物是诱导型合基因的产物是诱导型合成还是永久型合成，成还是永久型合成，OO区域称为操纵基因。区域称为操纵基因。第17页，此课件共74页哦第18页，此课件共74页哦第19页，此课件共74页哦2.2.操纵子模型操纵子模型 JacobJacob和和MonodMonod认为诱认为诱导酶（他们当时称为适导酶（他们当时称为适应酶）现象是个基因调应酶）现象是个基因调控问题，可以用实验方控问题，可以用实验方法进行研究，因此选为法进行研究，因此选为突破口，终于通过大量突破口，终于通过大量实验及分析，建立了该实验及分析，建立了该操纵子的控制模型。操纵子的控制模型。第20页，此课件共74页哦第21页，此课件共74页哦第22页，此课件共74页哦 Z Z、Y Y、A A基因的产物由同一条多顺反子的基因的产物由同一条多顺反子的mRNAmRNA分子分子所编码。所编码。这个这个mRNAmRNA分子的启动子紧接着分子的启动子紧接着OO区，而位于区，而位于I I与与OO之之间的启动子区（间的启动子区（P P），不能单独起动合成），不能单独起动合成-半乳糖苷酶半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。和透过酶的生理过程。操纵基因是操纵基因是DNADNA上的一小段序列（仅为上的一小段序列（仅为26bp26bp），是），是阻遏物的结合位点。阻遏物的结合位点。当阻遏物与操纵基因结合时，当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNAlacmRNA的转录起始受到的转录起始受到抑制。抑制。诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发能与操纵基因结合，从而激发lacmRNAlacmRNA的合成。当的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始所以启动子能够顺利起始mRNAmRNA的合成。的合成。第23页，此课件共74页哦3.Lac3.Lac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达 因为诱导物需要穿因为诱导物需要穿过细胞膜才能与阻过细胞膜才能与阻遏物结合，而运转遏物结合，而运转诱导物需要透过酶诱导物需要透过酶。在非诱导状态下。在非诱导状态下有少量（有少量（1-51-5个个mRNAmRNA分子）分子）lac lac mRNAmRNA合成合成-本底本底水平永久型合成。水平永久型合成。第24页，此课件共74页哦4.4.葡萄糖对葡萄糖对laclac操纵子的影响操纵子的影响-代谢物阻遏效代谢物阻遏效应应 研究表明，葡萄糖对研究表明，葡萄糖对laclac操纵子表达的抑操纵子表达的抑制作用是间接的，因为存在一种大肠杆菌制作用是间接的，因为存在一种大肠杆菌突变株，它正常的糖酵解过程受阻，葡萄突变株，它正常的糖酵解过程受阻，葡萄糖糖-6-6-磷酸不能转化为下一步代谢中间物，磷酸不能转化为下一步代谢中间物，该菌株能在有葡萄糖存在的情况下被诱导该菌株能在有葡萄糖存在的情况下被诱导合成合成lac mRNAlac mRNA。第25页，此课件共74页哦5.cAMP5.cAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白 第26页，此课件共74页哦第27页，此课件共74页哦 当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时，当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时，laclac启动子表达受阻，没有启动子表达受阻，没有-半乳糖苷酶活半乳糖苷酶活性；当葡萄糖消耗完以后（图中箭头处）性；当葡萄糖消耗完以后（图中箭头处），细胞内，细胞内cAMPcAMP浓度增加，浓度增加，-半乳糖苷酶半乳糖苷酶活性被诱导，一度停止生长的细胞又恢复活性被诱导，一度停止生长的细胞又恢复分裂。如果将细菌放在缺乏碳源的培养基分裂。如果将细菌放在缺乏碳源的培养基中，细胞内中，细胞内cAMPcAMP浓度就很高；若在含葡浓度就很高；若在含葡萄糖的培养基中培养，细菌中的萄糖的培养基中培养，细菌中的cAMPcAMP浓浓度就会很低；如果将细菌置于甘油或乳糖度就会很低；如果将细菌置于甘油或乳糖等不进行糖酵解的碳源培养基中，细菌中等不进行糖酵解的碳源培养基中，细菌中cAMPcAMP的浓度也会很高。的浓度也会很高。第28页，此课件共74页哦第29页，此课件共74页哦第30页，此课件共74页哦 研究证实，葡萄糖所引起的代谢物抑制研究证实，葡萄糖所引起的代谢物抑制(Catabolite(Catabolite repression)repression)现象的实质是该代谢物降低了细胞中现象的实质是该代谢物降低了细胞中cAMPcAMP的含量的含量.事实上，事实上，cAMP-CAPcAMP-CAP复合物是复合物是laclac体系的体系的positive positive regulatorregulator，它们不能代替，它们不能代替lacIlacI和和lacOlacO的功能的功能(negative(negative regulator)regulator)。cAMP-CAPcAMP-CAP不但能与不但能与DNADNA相结合，造成双螺旋弯曲，易于形相结合，造成双螺旋弯曲，易于形成三元转录起始复合物，它还能直接影响成三元转录起始复合物，它还能直接影响RNARNA聚合酶的活聚合酶的活性。性。Dominant negativeDominant negative（Trans-dominantTrans-dominant）lacI-dlacI-d，只，只要有这个要有这个 环环 的亚基存在，的亚基存在，lacI+lacI+基因产物（阻遏物）基因产物（阻遏物）无法与无法与O O区相结合区相结合lac operonlac operon得到表达。得到表达。第31页，此课件共74页哦6.lac操纵子DNA的调控区域-P.O.区 lac P（启动子区）从I基因结束到mRNA转录起始位点止，共长82bp（-82+1）O区就是阻遏物结合区，位于P区后半部分和转录起始区（-7+28），该区序列有对称性，其对称中心点在+11位。P区的CAMP-CAP结合区（-67-52）也有对称性，其对称位点在-60-59之间。第32页，此课件共74页哦 在一个完全被诱导的细胞中，在一个完全被诱导的细胞中，-半乳糖苷酶、半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶的拷贝数比例为透过酶及乙酰基转移酶的拷贝数比例为1:0.5:0.21:0.5:0.2，这个比例在一定程度上反映了以这个比例在一定程度上反映了以-半乳糖苷作为唯一半乳糖苷作为唯一碳源时细胞的需要。不同的酶在数量上的差异是由于在碳源时细胞的需要。不同的酶在数量上的差异是由于在翻译水平上受到调节所致。翻译水平上受到调节所致。lac mRNAlac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译。这种现象发生的频率取离，从而终止蛋白质链的翻译。这种现象发生的频率取决于每一个后续的决于每一个后续的AUGAUG密码子再度起始翻译的概率。密码子再度起始翻译的概率。在在lac mRNAlac mRNA分子内部，分子内部，A A基因比基因比Z Z基因更易受基因更易受内切酶作用发生降解，因此，在任何时候内切酶作用发生降解，因此，在任何时候Z Z基因的完整基因的完整拷贝数要比拷贝数要比A A基因多。基因多。第33页，此课件共74页哦二、二、色氨酸操纵子的调控模式色氨酸操纵子的调控模式 色氨酸操纵子色氨酸操纵子(tryptophane operon)(tryptophane operon)负责色氨酸的生物合负责色氨酸的生物合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，trptrp基因表达，色氨酸基因表达，色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程（而不是诱导过或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程（而不是诱导过程）中起作用。由于程）中起作用。由于trptrp体系参与生物合成而不是降解，它不体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或受葡萄糖或cAMP-CAPcAMP-CAP的调控。的调控。色氨酸的合成分色氨酸的合成分5 5步完成。每个环节需要一种酶，编码这步完成。每个环节需要一种酶，编码这5 5种种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子mRNAmRNA上上，分别以，分别以trpEtrpE、trpDtrpD、trpCtrpC、trpBtrpB、trpAtrpA代表，编码了邻氨代表，编码了邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯基苯甲酸合成酶、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甲酸异构酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油-3-3-磷酶合成酶。磷酶合成酶。第34页，此课件共74页哦 trpEtrpE基因是第一个被翻译的基因，和基因是第一个被翻译的基因，和trpLtrpL和和trpatrpa（不是（不是trpAtrpA）。）。trptrp操纵子中产生阻遏物的基因是操纵子中产生阻遏物的基因是trpRtrpR，该基因，该基因距距trptrp基因簇很远，后者在大肠杆菌染色体图上基因簇很远，后者在大肠杆菌染色体图上25min25min处，处，而前者则位于而前者则位于90min90min处。在位于处。在位于65min65min处还有一个处还有一个trpStrpS（色（色氨酸氨酸tRNAtRNA合成酶），它和携带有合成酶），它和携带有trptrp的的tRNATrptRNATrp也参与也参与trptrp操纵子的调控作用。操纵子的调控作用。L L区编码了前导肽，当有高浓度区编码了前导肽，当有高浓度TrpTrp存在时，由于弱化子存在时，由于弱化子a a的作用，转录迅速减弱停止，生成的作用，转录迅速减弱停止，生成140140核苷酸的前导核苷酸的前导RNARNA；当当TrpTrp浓度较低时，弱化子不起作用，转录得以正常进行，生浓度较低时，弱化子不起作用，转录得以正常进行，生成长约成长约7kb7kb的的mRNAmRNA，操纵子中第一个结构基因的起始密码，操纵子中第一个结构基因的起始密码子子AUGAUG在在+162+162处。处。第35页，此课件共74页哦第36页，此课件共74页哦1 1trp操纵子的阻遏系统 trpR基因突变常引起trp mRNA的永久型合成，该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白(aporepressor)。除非培养基中有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会与操纵区结合。辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并使之关闭转录trp mRNA。阻遏-操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主管转录是否启动，相当于粗调开关。trp操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个系统进行细调控，指示已经启动的转录是否继续下去。这个细微调控是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频率。第37页，此课件共74页哦2弱化子与前导肽 在trp mRNA 5端trpE基因的起始密码前有一个长162bp的mRNA片段被称为前导区，研究发现，当mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子，终止trp基因转录。因为转录终止发生在这一区域，并且这种终止是被调节的，这个区域就被称为弱化子。分析前导肽序列，发现它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，编码了一个14个氨基酸的多肽。该多肽有一个特征，其第10位和11位有相邻的两个色氨酸密码子。正是这两个相连的色氨酸密码子（组氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有这种现象）调控了蛋白质的合成。第38页，此课件共74页哦第39页，此课件共74页哦第40页，此课件共74页哦第41页，此课件共74页哦 当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的tRNATrptRNATrp也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当度就会很慢，当4 4区被转录完成时，核糖体才进行到区被转录完成时，核糖体才进行到1 1区区（或停留在两个相邻的（或停留在两个相邻的trptrp密码子处），这时的前导区结构是密码子处），这时的前导区结构是2-32-3配对，不形成配对，不形成3-43-4配对的终止结构，所以转录可继续配对的终止结构，所以转录可继续进行，直到将进行，直到将trptrp操纵子中的结构基因全部转录。操纵子中的结构基因全部转录。当培养基中色氨酸浓度较高时，核糖体可顺利通过两当培养基中色氨酸浓度较高时，核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在个相邻的色氨酸密码子，在4 4区被转录之前就到达区被转录之前就到达2 2区，区，使使2-32-3区不能配对，区不能配对，3-43-4区自由配对形成基一环终止子结构区自由配对形成基一环终止子结构，转录被终止，转录被终止，trptrp操纵子被关闭。操纵子被关闭。第42页，此课件共74页哦3trp操纵子弱化机制的实验依据 trpS5是温度敏感型突变株，它所编码的Trp-tRNAtrp合成酶只在30时有活性，42时无酶活性。比较野生型和突变型在42和30时，突变体的Trp操纵子与野生型一样受色氨酸浓度的调控。42时，突变体中Trp操纵子的表达不受色氨酸浓度的调控。另有一个缺失前导区及D基因的突变体（trpLD102），该细菌在有色氨酸的培养基中仍有很高的色氨酸合成酶活性。第43页，此课件共74页哦 TrpED53TrpED53中中L L不缺失（弱化子存在），不缺失（弱化子存在），trpLD102trpLD102中中L L缺失（弱化子不存在），缺失前导区后缺失（弱化子不存在），缺失前导区后的表达比有前导区的表达要高得多，充分说明的表达比有前导区的表达要高得多，充分说明trptrp操纵操纵子的表达调控除阻遏作用外，还受到前导区的影响，失去子的表达调控除阻遏作用外，还受到前导区的影响，失去了这个因素就失去了一个调控机制。了这个因素就失去了一个调控机制。第44页，此课件共74页哦4阻遏与弱化作用的协调 有实验证明，在不加色氨酸的培养基中，trp mRNA的合成仍然受到部分阻遏，现在一般认为，野生型细胞中同时存在着有活性和无活性的阻遏物，培养基中色氨酸浓度的变化，能够使这两种阻遏物间的平衡发生倾斜，最终做出关闭或启动trp操纵子的决定，从而维持一定的色氨酸含量。第45页，此课件共74页哦 细菌中为什么要有弱化子系统呢？细菌中为什么要有弱化子系统呢？一种可能是阻遏物从有活性向无活性的转变速度极低一种可能是阻遏物从有活性向无活性的转变速度极低，需要有一个能更快地做出瓜的系统，以保持培养基，需要有一个能更快地做出瓜的系统，以保持培养基中适当的色氨酸水平。或者，弱化子系统主要是对外中适当的色氨酸水平。或者，弱化子系统主要是对外源色氨酸浓度做出反应。外源色氨酸浓度很低的信号源色氨酸浓度做出反应。外源色氨酸浓度很低的信号虽然足以引起虽然足以引起trptrp操纵子的去阻遏作用，但是这个信号操纵子的去阻遏作用，但是这个信号还不足以很快引发内源色氨酸的合成。在这种环境下还不足以很快引发内源色氨酸的合成。在这种环境下，弱化子就通过抗终止的方法来增加，弱化子就通过抗终止的方法来增加trptrp基因表达，从基因表达，从而提高内源色氨酸浓度。而提高内源色氨酸浓度。那么为什么还要有阻遏体系呢？目前认为阻遏物的作那么为什么还要有阻遏体系呢？目前认为阻遏物的作用是当有大量外源色氨酸存在时，阻止非必需的先导用是当有大量外源色氨酸存在时，阻止非必需的先导mRNAmRNA的合成，它使这个合成系统更加经济的合成，它使这个合成系统更加经济第46页，此课件共74页哦三、三、其他操纵子的调控机制其他操纵子的调控机制1 1 半乳糖操纵子 大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)包括3个结构基因：异构酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose transferase,galT)，半乳糖激酶(galactose kinase,galk)。这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。第47页，此课件共74页哦 galgal操纵子的特点：操纵子的特点：它有两个启动子，其它有两个启动子，其mRNAmRNA可从两个不同的起可从两个不同的起始点开始转录；始点开始转录；它有两个它有两个O O区，一个在区，一个在P P区上游区上游-67-53-67-53，另一，另一个在结构基因个在结构基因galEgalE内部。内部。第48页，此课件共74页哦 因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人们猜想葡萄糖存在时半乳糖操纵子不被诱导们猜想葡萄糖存在时半乳糖操纵子不被诱导，但实际上有葡萄糖存在时，但实际上有葡萄糖存在时，galgal操纵子仍可操纵子仍可被诱导。现已分离到一些突变株，其中一类被诱导。现已分离到一些突变株，其中一类突变株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合突变株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合成半乳糖代谢酶类（成半乳糖代谢酶类（galgal结构基因高效表达）结构基因高效表达）；而另一类突变株中；而另一类突变株中galgal基因的表达完全依赖基因的表达完全依赖于葡萄糖，培养基中如无葡萄糖存在，这些于葡萄糖，培养基中如无葡萄糖存在，这些细菌的细菌的galgal基因不表达，不合成半乳糖代谢酶基因不表达，不合成半乳糖代谢酶类。类。第49页，此课件共74页哦 分析分析galgal操纵子操纵子P-OP-O区的区的DNADNA序列发现，该操纵序列发现，该操纵子确实存在两个相距仅子确实存在两个相距仅5bp5bp的启动子，可以分的启动子，可以分别起始别起始mRNAmRNA的合成。每个启动子拥有各自的的合成。每个启动子拥有各自的RNARNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点S1S1和和S2S2。从从S1S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时，才能顺利进行，时，才能顺利进行，RNARNA聚合酶与聚合酶与S1S1的结合需的结合需要半乳糖、要半乳糖、CAPCAP和较高浓度的和较高浓度的cAMPcAMP。从。从S2S2起始起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的cAMP-cAMP-CAPCAP能抑制由这个启动子起始的转录。当有能抑制由这个启动子起始的转录。当有cAMP-CAPcAMP-CAP时，转录从时，转录从S1S1开始，当无开始，当无cAMP-CAPcAMP-CAP时，转录从时，转录从S2S2开始。开始。第50页，此课件共74页哦 为什么为什么galgal操纵子需要两个转录起始位点？操纵子需要两个转录起始位点？半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质物质-尿苷二磷酸半乳糖（尿苷二磷酸半乳糖（UDPgalUDPgal）是大肠杆菌细胞壁合）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。在没有外源半乳糖的情况下，成的前体。在没有外源半乳糖的情况下，UDP-galUDP-gal是通是通过半乳糖差向异构酶的作用由过半乳糖差向异构酶的作用由UDP-UDP-葡萄糖合成的，该酶葡萄糖合成的，该酶是是galEgalE基因的产物。生长过程中的所有时间里细胞必须能基因的产物。生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。现在设想只有够合成差向异构酶。现在设想只有S1S1一个启动子，那么由于一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于这个启动子的活性依赖于cAMP-CRPcAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖，当培养基中有葡萄糖存在时就有能合成异构酶。假如唯一的启动子是存在时就有能合成异构酶。假如唯一的启动子是S2S2，那么，那么，即使在葡萄糖存在的情况下，半乳糖也将使操纵子处，即使在葡萄糖存在的情况下，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，这无疑是一种浪费。无论从必要性或于充分诱导状态，这无疑是一种浪费。无论从必要性或经济性考虑，都需要一个不依赖于经济性考虑，都需要一个不依赖于cAMP-CAPcAMP-CAP的启动子（的启动子（S1S1）对高水平合成进行调节。）对高水平合成进行调节。第51页，此课件共74页哦2 阿拉伯糖操纵子 阿拉伯糖(arabinose)是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因：araB、araA和araD，分别编码3个酶：araB基因编码核酮糖激酶(ribulokinase)，araA编码L-阿拉伯糖异构酶(L-arabinose isomerase)，araD编码L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶(L-ribulose-5phosphate-4epimerase)。与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因araC，这个AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。AraBAD和araC基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上，araBAD基因簇从启动子PBAD开始向左进行转录，而araC基因则是从Pc向右转录。第52页，此课件共74页哦第53页，此课件共74页哦 AraCAraC蛋白作为蛋白作为PBADPBAD活性正、负调节因子的双活性正、负调节因子的双重功能是通过该蛋白的两种异构体来实现的重功能是通过该蛋白的两种异构体来实现的。PrPr是起阻遏作用的形式，可以与现在尚未是起阻遏作用的形式，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，而鉴定的类操纵区位点相结合，而PjPj是起诱导是起诱导作用的形式，它通过与作用的形式，它通过与PBADPBAD启动子结合进行启动子结合进行调节。在没有阿拉伯糖时，调节。在没有阿拉伯糖时，PrPr形式占优势；形式占优势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与AraCAraC蛋白蛋白结合，使平衡趋向于结合，使平衡趋向于PiPi形式。这样，阿拉伯形式。这样，阿拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与PrPr的的结合，使结合，使PrPr离开它的结合位点，然后，产生离开它的结合位点，然后，产生大量的大量的PiPi，并与启动子结合。，并与启动子结合。第54页，此课件共74页哦第55页，此课件共74页哦 因为培养基中含有葡萄糖，所以因为培养基中含有葡萄糖，所以cAMP-CAPcAMP-CAP没有与操纵区没有与操纵区位点相结合，位点相结合，AraCAraC蛋白处于蛋白处于PrPr形式并与形式并与A A位点结合，位点结合，RNARNA聚聚合酶很少再与合酶很少再与PcPc结合，结合，araCaraC基因虽然仍有转录，但受到抑基因虽然仍有转录，但受到抑制，只有少量制，只有少量 AraCAraC蛋白形成，整个系统几乎处于静止状态蛋白形成，整个系统几乎处于静止状态。没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖，因为没有诱导物，尽没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖，因为没有诱导物，尽管有管有cAMP-CAPcAMP-CAP与操纵区位点相结合，与操纵区位点相结合，AraCAraC蛋白仍以蛋白仍以PrPr形式形式为主，无法与操纵区为主，无法与操纵区B B位点相结合，无位点相结合，无araBAD mRNAaraBAD mRNA转录。转录。无葡萄糖，阿拉伯糖时，大量无葡萄糖，阿拉伯糖时，大量araCaraC基因产物以基因产物以PiPi形式存形式存在，并分别与操纵区在，并分别与操纵区B B、A A位点相结合，在位点相结合，在cAMP-CAPcAMP-CAP的共同的共同作用下，作用下，araCaraC和和araBADaraBAD基因大量表达，操纵子充分激活。基因大量表达，操纵子充分激活。第56页，此课件共74页哦3.3.组氨酸操纵子组氨酸操纵子 与与HisHis降解代谢有关的两组酶类被称为降解代谢有关的两组酶类被称为huthut酶酶(histidine utilizing enzyme)(histidine utilizing enzyme)，控制这些，控制这些酶合成的操纵子被称为酶合成的操纵子被称为hut operonhut operon。由一个。由一个多重调节的操纵子控制，有两个启动子，两多重调节的操纵子控制，有两个启动子，两个操纵区及两个正调节蛋白。个操纵区及两个正调节蛋白。第57页，此课件共74页哦 HutHut操纵子共编码操纵子共编码4 4种酶和一个阻遏物。种酶和一个阻遏物。4 4种种酶分别由酶分别由hutGhutG、hutHhutH、hutIhutI及及hutUhutU基因基因编码，阻遏物则由编码，阻遏物则由hutChutC基因编码。在产气克基因编码。在产气克氏菌中，以上基因构成两个转录单位，氏菌中，以上基因构成两个转录单位，hutIhutI、hutGhutG、hutChutC和和hutUhutU、hutHhutH分别被转录分别被转录合成两条合成两条mRNAmRNA长链。这两个转录单位各自长链。这两个转录单位各自都有一个启动子和一个操纵区，其转录过程都有一个启动子和一个操纵区，其转录过程都是从左向右进行的，都是从左向右进行的，hutChutC阻遏物能与每个阻遏物能与每个操纵区相结合。操纵区相结合。第58页，此课件共74页哦第59页，此课件共74页哦 虽然尚不清楚氮源缺乏时的信号是什么，但虽然尚不清楚氮源缺乏时的信号是什么，但它很可能也是一个正效应子。它很可能也是一个正效应子。因为无论以组氨酸作为唯一碳源或氮源，因为无论以组氨酸作为唯一碳源或氮源，huthut操纵子都会处于有活性状态。操纵子都会处于有活性状态。HutHut操纵子的每操纵子的每一个启动子上都有一个启动子上都有cAMP-CAPcAMP-CAP结合位点，当碳结合位点，当碳供应匮乏时，能合成供应匮乏时，能合成cAMPcAMP，出现，出现cAMP-CRPcAMP-CRP复复合物，并与操纵区上的相应位点结合，诱发合物，并与操纵区上的相应位点结合，诱发基因转录。基因转录。第60页