原核基因表达调控精选PPT.ppt

关于原核基因表达调控第1页，讲稿共90张，创作于星期日引言一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种“开-关”（on-off）活性是通过调节转录来建立的，也就是说mRNA的合成是可以被调节的。当我们说一个系统处于“off”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1或2个mRNA分子。所谓“关”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DNA到蛋白质的过程称为基因表达(geneexpression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(generegulation或genecontrol)。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的金钥匙。第2页，讲稿共90张，创作于星期日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(transcriptionalregulation)；mRNA加工成熟水平上的调控(differentialprocessingofRNAtranscript)；翻译水平上的调控(differentialtranslationofmRNA).原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)和环境因素(environmentalfactor)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(hormonelevel)和发育阶段(developmentalstage)是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。第3页，讲稿共90张，创作于星期日6.1.1 Discovery of Operon 1961年年,F.Jacob&J.Monod提出提出,此后不断完善。此后不断完善。获获19651965年年诺贝尔生理学和医学奖诺贝尔生理学和医学奖1940年，年，Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线二次生长曲线”。文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶1947年，报告：年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化中的意义酶的适应现象及其在细胞分化中的意义”Francis JacobJacques Monod6.1 乳糖操纵元乳糖操纵元第4页，讲稿共90张，创作于星期日1951年，年，Monod与与Jacob合作，发现两对基因：合作，发现两对基因：Z基因基因：与合成：与合成-半乳糖苷酶有关；半乳糖苷酶有关；I基因基因：决定细胞对诱导物的反应。：决定细胞对诱导物的反应。Szilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。Jacob：结构基因旁有开关基因（：结构基因旁有开关基因（操纵基因操纵基因），阻），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。第5页，讲稿共90张，创作于星期日乙酰基转移酶乙酰基转移酶半乳糖苷半乳糖苷透性酶透性酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶操作位点操作位点乳糖操纵元结构结构调节基因调节基因第6页，讲稿共90张，创作于星期日操纵元操纵元是一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调是一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调节的单位，包括节的单位，包括调节基因调节基因，操纵位点操纵位点，结构基因结构基因，组，组成一个控制单元成一个控制单元结构基因：结构基因：产生产生mRNA,合成蛋白质合成蛋白质操纵位点操纵位点 promotor,operator：启动子结合位点：启动子结合位点调节基因：产生调节蛋白调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）（与操纵位点结合）结构基因不转录结构基因不转录 诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合 结构基因转录结构基因转录Control elementStructural genes第7页，讲稿共90张，创作于星期日6.1.2酶的诱导现象-半乳糖苷酶半乳糖苷酶第8页，讲稿共90张，创作于星期日分解底物的酶只有在底物存在时才出现！无乳糖时，几个无乳糖时，几个-gal/cell 加入乳糖时，加入乳糖时，5000个个 再去掉乳糖，再去掉乳糖，-gal mRNA下降下降 乳糖能激发乳糖能激发-gal mRNA的合成的合成 乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶合乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶合成？成？培养基（培养基（35S-aa,无乳糖）无乳糖）E.coli繁殖繁殖 培养基（无培养基（无35S-aa,加入乳糖）加入乳糖）-gal(无无35S)第9页，讲稿共90张，创作于星期日6.1.3调控机理1 调控区结构调控区结构 lacI,1045bp，独立，独立PiP,82bp，821O,35bp，728lacZYA第10页，讲稿共90张，创作于星期日体外结合竞争实验:阻遏物RNApol,offRNApol阻遏物，on2.阻遏状态阻遏状态第11页，讲稿共90张，创作于星期日3 诱导状态诱导状态诱导物诱导物诱导物诱导物诱导作用：在可诱导的操纵元中，加入诱导作用：在可诱导的操纵元中，加入对基因表达有调节作用的小分子后，开对基因表达有调节作用的小分子后，开启基因的转录活性启基因的转录活性第12页，讲稿共90张，创作于星期日4诱导物不是乳糖生成生成lac诱导物诱导物乳糖代谢乳糖代谢Allolctose 异构乳糖异构乳糖 别乳糖别乳糖细胞内细胞内-半乳糖苷酶来源半乳糖苷酶来源?第13页，讲稿共90张，创作于星期日gratuitousinducer安慰诱导物义务诱导物可诱导半乳糖苷酶产生，但可诱导半乳糖苷酶产生，但不是其底物不是其底物IPTG，异丙基半乳糖苷，异丙基半乳糖苷TMG，巯甲基半乳糖苷，巯甲基半乳糖苷ONPG,O-硝基半乳糖苷硝基半乳糖苷在研究诱导作用时，很少使用乳糖在研究诱导作用时，很少使用乳糖在研究诱导作用时，很少使用乳糖在研究诱导作用时，很少使用乳糖第14页，讲稿共90张，创作于星期日6.1.4阻遏蛋白的作用机制1 阻遏蛋白结构阻遏蛋白结构38KD，4 聚体聚体，一个亚基结合一个一个亚基结合一个IPTG分子分子lacI 组成型转录组成型转录 Pi 弱启动子，弱启动子，510个个cell具有二重性具有二重性 阻止转录（与阻止转录（与lacO结合）结合）开始转录（与开始转录（与诱导物诱导物结合）结合）第15页，讲稿共90张，创作于星期日阻遏蛋白的结构域 头段头段，-NH2端，端，lacO结合结合区区 绞链区绞链区 核心段核心段，-COOH，诱导物结合区诱导物结合区第16页，讲稿共90张，创作于星期日4个亚基的核心片段接触形成四聚体第17页，讲稿共90张，创作于星期日第18页，讲稿共90张，创作于星期日 对称轴，对称轴，+11 对称序列，对称序列，6bp2.阻遏蛋白的结合位点阻遏蛋白的结合位点lacO的结构的结构第19页，讲稿共90张，创作于星期日3阻遏蛋白对RNApol功能的影响阻遏蛋白和阻遏蛋白和RNA pol可同时与可同时与DNA结合结合 RNA pol 与启动子结合的平衡常数与启动子结合的平衡常数 1.9X107 有阻遏蛋白时有阻遏蛋白时,2.5X109结合着的结合着的RNA pol不能转录不能转录.但加入诱导物后但加入诱导物后,释放释放出阻遏蛋白出阻遏蛋白,变为开放型启动子复合物变为开放型启动子复合物.阻遏蛋白实际上使阻遏蛋白实际上使RNA pol贮存在启动子上。贮存在启动子上。这一模式是否存在于其它操纵元系统中？这一模式是否存在于其它操纵元系统中？第20页，讲稿共90张，创作于星期日+glucose-glucoseTime(hr)Units of-galactosidase+lactoseGlucose added6.1.5lacoperon的正调控1代谢物阻遏效应实验，在实验，在lacGlu培养基上培养基上 E.coli只利用只利用G，只有，只有G 耗尽时，才会利用耗尽时，才会利用lac葡萄糖抑制葡萄糖抑制lac mRNA的转录：的转录：可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应 仅去掉阻遏物并不能启动仅去掉阻遏物并不能启动lac基因表达基因表达,有其它因素有其它因素参与参与第21页，讲稿共90张，创作于星期日葡萄糖对葡萄糖对lac操纵元表达的抑制操纵元表达的抑制是间接的是间接的 葡萄糖的降解是通过葡萄糖的降解是通过cAMP与与 CAP结合起作用的结合起作用的 cAMP:环化腺苷酸环化腺苷酸CAP,catabolite activator protein 由由crp编码编码CRP,catabolite receptor protein第22页，讲稿共90张，创作于星期日第23页，讲稿共90张，创作于星期日2CAP结合位点CAP为二聚体，为二聚体，45KD，被，被cAMP激活激活结合位点结合位点22bp I -70 -50 II-50 -40第24页，讲稿共90张，创作于星期日由于序列的差异，使不同基因受cAMP激活的水平不同结合位点序列保守结合位点序列保守第25页，讲稿共90张，创作于星期日3CAP的结合对DNA构型的影响DNA弯曲弯曲弯曲点位于弯曲点位于CAP结合位点二重对称的中心结合位点二重对称的中心弯曲使弯曲使CAP能与启动子上的能与启动子上的RNA pol 接触接触第26页，讲稿共90张，创作于星期日（1）CAP结合位点与结合位点与转录起始点的位置转录起始点的位置CAP与与转录起始点转录起始点的的距离，相距数个整双距离，相距数个整双螺旋螺旋CAP结合位点在结合位点在启动启动子子的上下游，都能发的上下游，都能发挥作用挥作用4CAP对转录的影响第27页，讲稿共90张，创作于星期日（2）基因转录对cAMPCAP系统的依赖性，与启动子本身的效率有关cAMP-CAP复合物的结合，使位点复合物的结合，使位点II附近的富含附近的富含GC区区域双螺旋结构稳定性降低，因而域双螺旋结构稳定性降低，因而-10区的熔解温度降低，区的熔解温度降低，促进开放型启动子复合物的形成促进开放型启动子复合物的形成第28页，讲稿共90张，创作于星期日（3）CAP激活转录的方式CAP直接作用于直接作用于RNA pol 亚基亚基 缺失缺失RNA pol 亚基亚基的的C末端时，失去受末端时，失去受CAP激活的能力激活的能力作用于作用于DNA，改变其，改变其结构结构第29页，讲稿共90张，创作于星期日6.1.6lacoperon的其它问题1lac operon的功能是在的功能是在正负正负两个调控体系的协调作用两个调控体系的协调作用(coordinateregulation)下实现的。下实现的。阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，CAPCAP不发挥作用；如没有不发挥作用；如没有CAPCAP加强转录，即使阻遏蛋白从加强转录，即使阻遏蛋白从P P上解上解聚仍无转录活性聚仍无转录活性CAP组成型合成，所以组成型合成，所以cAMPCAP复合物取决于复合物取决于cAMP含含量量腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，因此因此cAMPCAP调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶的酶降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在，这些操纵元就不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表达 第30页，讲稿共90张，创作于星期日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，使半乳糖苷乙酰化。该酶不参与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！乳糖代谢！生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷生理意义：在细胞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谢，积累，抑制细胞生类物质，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，即无毒长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒.所以所以lacA虽不在乳糖降解虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累中起作用，但可抑制有害物质的积累3.lac基因产物数量基因产物数量，1：0.5：0.2 不同酶的数量差异不同酶的数量差异,是由于在翻译水平上的调节是由于在翻译水平上的调节.方式有二方式有二:核糖核糖体脱离体脱离: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:在在lac mRNA分子内部，分子内部，a基因比基因比z基因更易受内基因更易受内切酶作用切酶作用第31页，讲稿共90张，创作于星期日Summary第32页，讲稿共90张，创作于星期日第33页，讲稿共90张，创作于星期日Summary of lac operon regulationGlucosecAMPLactoseTranscription of lac mRNAHighLowPresentlow rate of expressionHighLowAbsentessentially noneLowHighAbsentessentially noneLowHighPresenthigh rate of expression第34页，讲稿共90张，创作于星期日6.2Trpoperon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。细胞需要某种也受操纵元的调节。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。则。第35页，讲稿共90张，创作于星期日trpR,阻遏蛋白阻遏蛋白P，-40+18 O,-21+1L,+1+162结构基因结构基因t,A下游下游36bp,不依赖不依赖p t,t下游下游250bp，依赖，依赖p 6.2.1基因组成第36页，讲稿共90张，创作于星期日sne298第37页，讲稿共90张，创作于星期日6.2.2Trpoperon的阻遏系统1 Trp R 四聚体四聚体第38页，讲稿共90张，创作于星期日阻遏蛋白trp有活性的阻遏物SNE299trp O 不转录不转录第39页，讲稿共90张，创作于星期日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 的结合与的结合与RNA pol与启动子的结合与启动子的结合发生竞争发生竞争SNE299第40页，讲稿共90张，创作于星期日3阻遏系统主管转录是否启动，主管转录是否启动，在缺乏在缺乏Trp时，时，mRNA起始合成，但不能自动延伸，起始合成，但不能自动延伸，一般在一般在trpE之前终止转录之前终止转录 粗调开关粗调开关第41页，讲稿共90张，创作于星期日6.2.3弱化作用attenuation1 弱化子，衰减子，弱化子，衰减子，前导前导RNA，140bp第42页，讲稿共90张，创作于星期日弱化子，弱化子，弱化子，弱化子，衰减子，衰减子，衰减子，衰减子，第43页，讲稿共90张，创作于星期日序列分析发现，其中4个片段进行配对，形成不同的二级结构TerminatorTerminator第44页，讲稿共90张，创作于星期日S312POE4321LDNARNAATGTGA2 trp codons14322前导肽14aa第45页，讲稿共90张，创作于星期日第46页，讲稿共90张，创作于星期日3 3 转转录录弱弱化化作作用用Lack of trp Lack of trp Lack of aminoacyl tRNA Lack of aminoacyl tRNA Ribosome pause at trp Ribosome pause at trp codons,occluding codons,occluding sequence 1sequence 1Form 2:3 hairpin Form 2:3 hairpin anti-terminatoranti-terminatoranti-terminatoranti-terminator Transcription into trpE Transcription into trpE and beyond and beyond 第47页，讲稿共90张，创作于星期日High trp High trp Trp is inserted at the Trp is inserted at the trp codons trp codons Translate to the end of Translate to the end of leader message leader message Ribosome occlude sequence 2Ribosome occlude sequence 2Terminate transcription at Terminate transcription at(3:4 form(3:4 form terminatorterminator)第48页，讲稿共90张，创作于星期日弱化子对转录调控的关键空间结构，空间结构，10th and 11th codons encode trp residues (rare AA)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，产生延宕，密码子上时，产生延宕，此时此时4区未转录出来区未转录出来Theleaderpeptideistodeterminertrpavailabilityandtoregulatetranscriptiontermination14amino-acid(encoded by 27-68 of the leader 14amino-acid(encoded by 27-68 of the leader RNA RNA summary第49页，讲稿共90张，创作于星期日6.2.4阻遏作用与弱化作用的协调 阻遏效率阻遏效率 启动子的转录起始频率在启动子的转录起始频率在R+和和R-相差相差70倍倍 弱化作用弱化作用 trp存在时，约有存在时，约有10的的RNA pol侥幸转录侥幸转录 -trp 活性阻遏物活性阻遏物 无活性阻遏物无活性阻遏物 +trptrptrp操纵子具有双重调节体系？操纵子具有双重调节体系？第50页，讲稿共90张，创作于星期日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。经济经济第51页，讲稿共90张，创作于星期日仅有少量仅有少量 trp时，时，RNApol启动，启动，但在但在L.S.处脱落，转录中断处脱落，转录中断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，不能浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发很快引发trp 合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培合成。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养基中适当的Trp水平。水平。第52页，讲稿共90张，创作于星期日6.2.5细菌演化出弱化系统的生物学意义 通过通过tRNA荷载与否进行调控，更为灵敏荷载与否进行调控，更为灵敏 氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而tRNA 荷载荷载为标准进行调控更为恰当为标准进行调控更为恰当 两个调控系统，避免浪费提高效率两个调控系统，避免浪费提高效率 阻遏系统阻遏系统 高水平高水平trp时，不转录时，不转录 低水平低水平trp时，转录至时，转录至LS 弱化系统弱化系统 细调细调 原核生物细致的精细调控机制原核生物细致的精细调控机制增强原核生物对环境的适应性增强原核生物对环境的适应性第53页，讲稿共90张，创作于星期日第54页，讲稿共90张，创作于星期日6.2.6正控制系统和负控制系统1 负控制系统：负控制系统：在没有调节蛋白质存在时基因表达，加入调节蛋白后基在没有调节蛋白质存在时基因表达，加入调节蛋白后基因表达活性被关闭因表达活性被关闭 阻遏蛋白：负控制系统中的调节蛋白阻遏蛋白：负控制系统中的调节蛋白第55页，讲稿共90张，创作于星期日Add signal mol.Operon offCo-repressor 辅阻遏物辅阻遏物Add signal mol.Operon onInducer 诱导物诱导物(inducible operon)(repressible operon)第56页，讲稿共90张，创作于星期日2正控制系统：没有调节蛋白质存没有调节蛋白质存在时基因关闭在时基因关闭,加入加入这种调节蛋白质后这种调节蛋白质后基因活性被开启基因活性被开启诱导蛋白诱导蛋白第57页，讲稿共90张，创作于星期日三、三、其他操纵子的调控机制其他操纵子的调控机制1 半乳糖操纵子半乳糖操纵子大肠杆菌半乳糖操纵子(galactoseoperon)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(galactosetransferase,galT)，半乳糖激酶(galactosekinase,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58页，讲稿共90张，创作于星期日gal操纵子的特点：它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；它有两个O区，一个在P区上游-67-53，另一个在结构基因galE内部。第59页，讲稿共90张，创作于星期日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，但实际上有葡萄糖存在时，gal操纵子仍可被诱导。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成半乳糖代谢酶类（gal结构基因高效表达）；而另一类突变株中gal基因的表达完全依赖于葡萄糖，培养基中如无葡萄糖存在，这些细菌的gal基因不表达，不合成半乳糖代谢酶类。第60页，讲稿共90张，创作于星期日分析gal操纵子P-O区的DNA序列发现，该操纵子确实存在两个相距仅5bp的启动子，可以分别起始mRNA的合成。每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时，才能顺利进行，RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP。从S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由这个启动子起始的转录。当有cAMP-CAP时，转录从S1开始，当无cAMP-CAP时，转录从S2开始。第61页，讲稿共90张，创作于星期日为什么gal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，而且与之相关的物质-尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）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，UDP-gal是通过半乳糖差向异构酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，该酶是galE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S1一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时就不能合成异构酶。假如唯一的启动子是S2，那么，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。无论从必要性或经济性考虑，都需要一个不依赖于cAMP-CAP的启动子（S1）对高水平合成进行调节。第62页，讲稿共90张，创作于星期日2 阿拉伯糖操纵子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-arabinoseisomerase)，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63页，讲稿共90张，创作于星期日第64页，讲稿共90张，创作于星期日AraC蛋白作为PBAD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。Pr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Pi是起诱导作用的形式，它通过与PBAD启动子结合进行调节。在没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与AraC蛋白结合，使平衡趋向于Pi形式。这样，阿拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与Pr的结合，使Pr离开它的结合位点，然后，产生大量的Pi，并与启动子结合。第65页，讲稿共90张，创作于星期日第66页，讲稿共90张，创作于星期日因为培养基中含有葡萄糖，所以cAMP-CAP没有与操纵区位点相结合，AraC蛋白处于Pr形式并与A位点结合，RNA聚合酶很少再与Pc结合，araC基因虽然仍有转录，但受到抑制，只有少量AraC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，尽管有cAMP-CAP与操纵区位点相结合，AraC蛋白仍以Pr形式为主，无法与操纵区B位点相结合，无araBADmRNA转录。无葡萄糖，阿拉伯糖时，大量araC基因产物以Pi形式存在，并分别与操纵区B、A位点相结合，在cAMP-CAP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表达，操纵子充分激活。第67页，讲稿共90张，创作于星期日3.组氨酸操纵子组氨酸操纵子与His降解代谢有关的两组酶类被称为hut酶(histidineutilizingenzyme)，控制这些酶合成的操纵子被称为hutoperon。由一个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。Hut操纵子共编码4种酶和一个阻遏物。4种酶分别由hutG、hutH、hutI及hutU基因编码，阻遏物则由hutC基因编码。在产气克氏菌中，以上基因构成两个转录单位，hutI、hutG、hutC和hutU、hutH分别被转录合成两条mRNA长链。这两个转录单位各自都有一个启动子和一个操纵区，其转录过程都是从左向右进行的，hutC阻遏物能与每个操纵区相结合。第68页，讲稿共90张，创作于星期日第69页，讲稿共90张，创作于星期日无论以组氨酸作为唯一碳源或氮源，hut操纵子都会处于有活性状态。Hut操纵子的每一个启动子上都有cAMP-CAP结合位点，当碳供应匮乏时，能合成cAMP，出现cAMP-CAP复合物，并与操纵区上的相应位点结合，诱发基因转录。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。第70页，讲稿共90张，创作于星期日4.多启动子调控的操纵子多启动子调控的操纵子IrRNA操纵子大肠杆菌rRNA操纵子（rrnE）上有两个启动子，P1和P2。P1是强启动子，营养充沛时，由P1起始的转录产物比由P2起始的转录产物高3-5倍。当营养匮乏时，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。第71页，讲稿共90张，创作于星期日II.核糖体蛋白SI操纵子核糖体蛋白SI操纵子（rpsA），它也受应急反应调节。RpsA有4个启动子，P1、P2是强启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表达，合成SI蛋白。P3、P4是弱启动子，只有在紧急情况下，P1、P2启动子受ppGpp的抑制，由P3、P4起始合成的SI蛋白维持了生命的最低需要。第72页，讲稿共90张，创作于星期日III.DnaQ蛋白操纵子DnaQ蛋白是DNA聚合酶全酶的亚基之一，其主要功能是校正DNA复制中可能出现的错误。在RNA聚合酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子P2控制；而RNA聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子P1。第73页，讲稿共90张，创作于星期日6.3基因转录的时序调控概念：原核生物在生长发育的各个阶段，基因的表概念：原核生物在生长发育的各个阶段，基因的表达是按照一定时间顺序进行的达是按照一定时间顺序进行的意义意义 有效利用能源有效利用能源 避免不适当的表达，造成的危害避免不适当的表达，造成的危害途径途径 亚基的更换（亚基的更换（枯草杆菌，枯草杆菌，E.coli，T4 phage）T7噬菌体生长过程中噬菌体生长过程中RNA pol的替代的替代 噬菌体基因表达的调控噬菌体基因表达的调控第74页，讲稿共90张，创作于星期日亚基的更换6.3.1枯草杆菌噬菌体枯草杆菌噬菌体SPO1早中晚基因表达的转换早中晚基因表达的转换SPO1，烈性噬菌体，烈性噬菌体如何实现如何实现早中晚基因表达的转换早中晚基因表达的转换?通过更换通过更换 亚基，使亚基，使SPO1的早中晚基因有条不紊地的早中晚基因有条不紊地表达表达 因子的负责识别启动子的保守序列，是转录起始唯一需要的因子。因子的负责识别启动子的保守序列，是转录起始唯一需要的因子。许多细菌能生产多种可取代的许多细菌能生产多种可取代的 因子，以识别不同的启动子。当细胞因子，以识别不同的启动子。当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的不同的 因子因子指指导导RNA聚合酶与各种启动子结合聚合酶与各种启动子结合第75页，讲稿共90张，创作于星期日早期，早期，2 55，产生，产生gp28gp28取代55第76页，讲稿共90张，创作于星期日中期，gp28取代55产生gp33,gp34第77页，讲稿共90张，创作于星期日晚期,gp33,gp34取代gp28，55第78页，讲稿共90张，创作于星期日枯草杆菌中每个因子都能识别具有特征性的一致序列的一组启动子调节蛋白质相互取代的原因，调节蛋白质相互取代的原因，调节蛋白质相互取代的原因，调节蛋白质相互取代的原因，可能是它们与核心酶的亲和力所决定的可能是它们与核心酶的亲和力所决定的可能是它们与核心酶的亲和力所决定的可能是它们与核心酶的亲和力所决定的第79页，讲稿共90张，创作于星期日6.3.2E.coli热休克基因的表达热激反应（热休克，热震惊）热激反应（热休克，热震惊）正常情况下，正常情况下，70 高温下，高温下，32，32 kD rpoH 识别热休克基因的启动子识别热休克基因的启动子 70S304第80页，讲稿共90张，创作于星期日不同热休克基因识别的启动子序列不同第81页，讲稿共90张，创作于星期日Q:70，热激反应中不需要，但大量表达！?从从E.coli到人类，都有热休克基因到人类，都有热休克基因不同种属中，热激蛋白的氨基酸序列高度相关不同种属中，热激蛋白的氨基酸序列高度相关A:70中含有中含有 Phs(热休克启动子热休克启动子),能在高温下表达为恢能在高温下表达为恢复正常秩序作准备复正常秩序作准备.Phs 70大多数热休克基因，在细菌适应较高温度后，停止表达。大多数热休克基因，在细菌适应较高温度后，停止表达。如大肠杆菌，如大肠杆菌，42度度20分钟后分钟后,开始表达常规基因开始表达常规基因第82页，讲稿共90张，创作于星期日6.4小分子RNA的翻译调节6.4.1 干扰干扰mRNA的互补的互补RNA mRNAinterfering complementary RNA1983年，年，Mizuno,Simon几乎同时发现几乎同时发现RNA可作为调节可作为调节因子，因子，与调节蛋白一样，与调节蛋白一样，RNA合成后，可扩散到靶位点。合成后，可扩散到靶位点。RNA也可作为调节物质也可作为调节物质？！？！反义反义RNA，可与，可与mRNA结合结合 结合位点是结合位点是S-D,AUG,部分部分N端密码子端密码子 与与RNA形成双螺旋结构，作为内切酶底物形成双螺旋结构，作为内切酶底物 与转录产物结合，使转录提前终止与转录产物结合，使转录提前终止第83页，讲稿共90张，创作于星期日例，例，E coli 中外膜蛋白中外膜蛋白 ompF 的的 表达调控表达调控噬菌体，噬菌体，cII蛋白抑制晚期基因转蛋白抑制晚期基因转录录Tn10中转座酶翻译的调节中转座酶翻译的调节第84页，讲稿共90张，创作于星期日6.4.2Ecoli中ompF基因的翻译调节Env，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ompC低渗时，低渗时，ompC关闭，关闭，ompF增加增加高渗时，高渗时，ompC增加，增加，ompF下降下降ompC与与ompF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第85页，讲稿共90张，创作于星期日第86页，讲稿共90张，创作于星期日RNAi技术 1998年年2月，月，Andrew Fire等将单链等将单链RNA纯化后注纯化后注射线虫时发现，基因抑制效应变得十分微弱，而经过纯射线虫时发现，基因抑制效应变得十分微弱，而经过纯化的双链化的双链RNA却正好相反，能够高效特异性阻断相却正好相反，能够高效特异性阻断相应基因的表达。将这一现象称为应基因的表达。将这一现象称为RNA干扰干扰1984年，抗病毒药物的开发年，抗病毒药物的开发1988年年,转基因番茄（转基因番茄（PG 酶的反义酶的反义RNA）第87页，讲稿共90张，创作于星期日延缓成熟的转基因西红柿ACC，1-氨基丙环烷羧酸氧化酶，氨基丙环烷羧酸氧化酶，乙烯合成途径酶乙烯合成途径酶类类 PG，半乳糖醛酸酶，半乳糖醛酸酶第一个上市的转基因植物第一个上市的转基因植物第88页，讲稿共90张，创作于星期日思考题1概念：操纵元、诱导物、阻遏物、降解物敏感型操概念：操纵元、诱导物、阻遏物、降解物敏感型操纵元、弱化子、正控制、负控制、纵元、弱化子、正控制、负控制、RNAi2请说明乳糖和色氨酸操纵元的调节机制请说明乳糖和色氨酸操纵元的调节机制3葡萄糖葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用哪一种乳糖共同存在时，细菌优先利用哪一种糖，为什么？糖，为什么？第89页，讲稿共90张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看第90页，讲稿共90张，创作于星期日