原核基因的表达调控精选PPT.ppt

关于原核基因的表达调控第1页，讲稿共112张，创作于星期日(一一)基因表达调控概念基因表达调控概念(二二)基因表达的方式基因表达的方式(三三)基因表达的规律基因表达的规律时间性和空间性时间性和空间性(四四)基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义一、基因表达调控总论一、基因表达调控总论第2页，讲稿共112张，创作于星期日geneexpression：基因转录及翻译的过程。对：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为这个过程的调节就称为generegulation。rRNA、tRNA编码基因转录合成编码基因转录合成RNA的过程也属于的过程也属于基因表达基因表达(一一)基因表达调控概念基因表达调控概念第3页，讲稿共112张，创作于星期日组成性表达组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达适应性表达(adaptiveexpression）(二二)基因表达的方式基因表达的方式第4页，讲稿共112张，创作于星期日1、组成性表达、组成性表达指不大受环境变动而变化的一类基因表达。指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为通常被称为管家基因管家基因(housekeepinggene)。第5页，讲稿共112张，创作于星期日 2、适应性表达、适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。n应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为，这类基因被称为可诱导的基因可诱导的基因(induciblegene)；n相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为，相应的基因被称为可阻遏的基因可阻遏的基因(repressiblegene)。第6页，讲稿共112张，创作于星期日(三三)基因表达的规律基因表达的规律时间性和空间性时间性和空间性1、时间特异性（、时间特异性（temporalspecificity）2、空间特异性、空间特异性(spatialspecificity)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。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(stagespecificity)。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，所所以以空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞或或组组织织特特异异性性(cellortissuespecificity)。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的达的空间特异性。空间特异性。第7页，讲稿共112张，创作于星期日(四四)基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义l 适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖 （原核、真核）（原核、真核）l 维持个体发育与分化维持个体发育与分化（真核）（真核）第8页，讲稿共112张，创作于星期日二、原核基因调控机制二、原核基因调控机制(一一)原核基因表达调控环节原核基因表达调控环节(二二)操纵子学说操纵子学说(三三)原核基因调控机制的类型与原核基因调控机制的类型与 特点特点(四四)转录水平上调控的其他形式转录水平上调控的其他形式 第9页，讲稿共112张，创作于星期日(一一)原核基因表达调控环节原核基因表达调控环节1、转录水平上的调控、转录水平上的调控（transcriptional regulation）2、转录后水平上的调控、转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation）mRNA加工成熟水平上的调控加工成熟水平上的调控翻译水平上的调控翻译水平上的调控第10页，讲稿共112张，创作于星期日第11页，讲稿共112张，创作于星期日(二二)操纵子学说操纵子学说1 1、操纵子模型的提出、操纵子模型的提出1961年，年，Monod和和Jacob提出提出获获1965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖Jacob and Monod第12页，讲稿共112张，创作于星期日2、操纵子的定义、操纵子的定义操纵子操纵子：是基因表达的协调单位，由是基因表达的协调单位，由启动启动子、操纵基因子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关及其所控制的一组功能上相关的的结构基因结构基因所组成。操纵基因受调节基因产所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。物的控制。第13页，讲稿共112张，创作于星期日l结构基因结构基因(structural gene)(structural gene)：操纵子中被调控的：操纵子中被调控的编码蛋白质的基因。编码蛋白质的基因。l一个操纵子中含有一个操纵子中含有2 2个以上的结构基因，多的可达个以上的结构基因，多的可达十几个。每个结构基因是一个连续的开放阅读框十几个。每个结构基因是一个连续的开放阅读框(ORF),5(ORF),5端有翻译起始密码，端有翻译起始密码，33端有翻译终止码端有翻译终止码l各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群l至少在第一个结构基因至少在第一个结构基因55侧具有侧具有 SDSD序列，因而当这序列，因而当这段含多个结构基因的段含多个结构基因的DNADNA被转录成多顺反子被转录成多顺反子mRNAmRNA，就，就能被核糖体所识别结合、并起始翻译能被核糖体所识别结合、并起始翻译第14页，讲稿共112张，创作于星期日调节基因调节基因(regulator gene)n调节基因：编码与操纵子结合的调控蛋调节基因：编码与操纵子结合的调控蛋白的基因白的基因第15页，讲稿共112张，创作于星期日操纵基因操纵基因n凡能与调控蛋白特异性结合、从而影凡能与调控蛋白特异性结合、从而影响基因转录强弱的序列，不论其对基响基因转录强弱的序列，不论其对基因转录的作用是减弱、阻止或增强、因转录的作用是减弱、阻止或增强、开放，都可称为操纵基因开放，都可称为操纵基因第16页，讲稿共112张，创作于星期日第17页，讲稿共112张，创作于星期日1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）活蛋白）的应答，可分为：的应答，可分为：(1)正转录调控正转录调控(2)负转录调控负转录调控 (三三)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第18页，讲稿共112张，创作于星期日调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负转录调控负转录调控正转录调控正转录调控如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。样的调控正转录调控。负转录调控负转录调控在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。关闭，这样的调控负转录调控。第19页，讲稿共112张，创作于星期日 (1)(1)可诱导调节可诱导调节：指一些基因在特殊的代谢物：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。例：例：大肠杆菌的乳糖操纵子大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因分解代谢蛋白的基因2 2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：第20页，讲稿共112张，创作于星期日调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物诱导物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的诱导操纵子模型酶合成的诱导操纵子模型诱导物诱导物如果某种物质能够促如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱它，这种物质就是诱导物。导物。第21页，讲稿共112张，创作于星期日(2)(2)可阻遏调节：可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。因的表达。例：例：色氨酸操纵子色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因合成代谢蛋白的基因第22页，讲稿共112张，创作于星期日酶合成的阻遏操纵子模型酶合成的阻遏操纵子模型调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物如果某种物质能够阻止细菌产生合成这如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。第23页，讲稿共112张，创作于星期日3 3、在在负负转转录录调调控控系系统统中中，调调节节基基因因的的产产物物是是阻阻遏遏蛋蛋白白（repressorrepressor），起起着着阻阻止止结结构构基基因因转转录的作用。录的作用。根据其作用特征又可分为根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏负控诱导和负控阻遏：n在在负负控控诱诱导导系系统统中中，阻阻遏遏蛋蛋白白与与效效应应物物（诱诱导物）结合时，结构基因转录导物）结合时，结构基因转录n在在负负控控阻阻遏遏系系统统中中，阻阻遏遏蛋蛋白白与与效效应应物物（辅辅阻遏物）结合时，结构基因不转录阻遏物）结合时，结构基因不转录第24页，讲稿共112张，创作于星期日第25页，讲稿共112张，创作于星期日4 4、在、在正转录调控正转录调控系统中，调节基因的产物是系统中，调节基因的产物是激活蛋白激活蛋白（activatoractivator）。）。根据激活蛋白的作用性质分为根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导正控诱导和和正正控阻遏控阻遏n在在正控诱导正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态的存在使激活蛋白处于活性状态n在在正控阻遏正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在使激活蛋白处于非活性状态的存在使激活蛋白处于非活性状态第26页，讲稿共112张，创作于星期日第27页，讲稿共112张，创作于星期日顺式作用顺式作用基因活性的调控主要通过反式作用因子基因活性的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）与顺式作用元件（通（通常是蛋白质）与顺式作用元件（通常在常在DNADNA上）相互作用而实现上）相互作用而实现顺式作用元件（顺式作用元件（cis-actingelement）是指）是指对基因表达有调节活性的对基因表达有调节活性的DNADNA序列，其活序列，其活性只影响与其自身同处在一个性只影响与其自身同处在一个DNADNA分子上分子上的基因；同时，的基因；同时，DNADNA序列通常不编码蛋白序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中，如启质，多位于基因旁侧或内含子中，如启动子、操纵子、终止子动子、操纵子、终止子第28页，讲稿共112张，创作于星期日反式作用反式作用n反式作用因子反式作用因子（trans-actingfactor）是能是能调节与它们接触的基因的表达的各种扩散调节与它们接触的基因的表达的各种扩散分子（分子（RNARNA或蛋白质），如转录因子；其或蛋白质），如转录因子；其编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个不在同一个DNADNA分子上分子上n调控基因则属于反式作用元件（调控基因则属于反式作用元件（trans-trans-acting elementacting element），其编码产生的调控蛋），其编码产生的调控蛋白为反式作用因子白为反式作用因子（trans-actingfactor）第29页，讲稿共112张，创作于星期日(四四)转录水平上调控的其他形式转录水平上调控的其他形式1 1、因子的更换因子的更换 在在E.coliE.coli中中,当细胞从基本的转录机制转入各当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的种特定基因表达时，需要不同的 因子指导因子指导RNARNA聚合酶与各种启动子结合。聚合酶与各种启动子结合。2 2、降解物对基因活性的调节、降解物对基因活性的调节3 3、弱化子对基因活性的影响、弱化子对基因活性的影响4 4、细菌的应急反应、细菌的应急反应第30页，讲稿共112张，创作于星期日大肠杆菌中的各种大肠杆菌中的各种因子比较因子比较因子因子编码基因编码基因主要功能主要功能7070rporpoD D参与对数生长期和大多数碳代谢过程参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控基因的调控5454rpoNrpoN参与多数氮源利用基因的调控参与多数氮源利用基因的调控3838rpoHrpoH分裂间期特异基因的表达调控分裂间期特异基因的表达调控3232rpoSrpoS热休克基因的表达调控热休克基因的表达调控2828rpoFrpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控鞭毛趋化相关基因的表达调控2424rpoErpoE过度热休克基因的表达调控过度热休克基因的表达调控第31页，讲稿共112张，创作于星期日l温度较高温度较高,诱导产生各种热休克蛋白诱导产生各种热休克蛋白 由由3232参与构成的参与构成的RNARNA聚合酶与热休克应答基聚合酶与热休克应答基因启动子结合因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要适应环境需要n枯草芽孢杆菌芽孢形成枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的有序的因子的替换因子的替换,RNA,RNA聚合酶识别不同基聚合酶识别不同基因的启动子因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地使芽孢形成有关的基因有序地表达表达第32页，讲稿共112张，创作于星期日三、乳糖操纵子三、乳糖操纵子(lacoperon)(一一)乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构(二二)酶的诱导酶的诱导laclac体系受调控的体系受调控的证据证据(三三)乳糖操纵子调控模型乳糖操纵子调控模型(四四)乳糖操纵子影响因子乳糖操纵子影响因子(五五)Lac)Lac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题第33页，讲稿共112张，创作于星期日一、乳糖操纵子的结构一、乳糖操纵子的结构第34页，讲稿共112张，创作于星期日lZ编码编码-半乳糖苷酶：半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖半乳糖lY编码编码-半乳糖苷透过酶：半乳糖苷透过酶：使外界的使外界的-半乳糖半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内质膜进入细胞内lA编码编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶乙酰辅酶A上的乙酰基转到上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖乳糖第35页，讲稿共112张，创作于星期日二、酶的诱导二、酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据第36页，讲稿共112张，创作于星期日l安慰诱导物：安慰诱导物：如果某种物质能够促如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身使细菌产生酶而本身又不又不被分解，这种物被分解，这种物质被称为安慰诱导物，质被称为安慰诱导物，如如IPTG（异丙基（异丙基-D-硫代半乳糖苷）。硫代半乳糖苷）。第37页，讲稿共112张，创作于星期日三、乳糖操纵子调控模型三、乳糖操纵子调控模型1 1、主要内容、主要内容：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分子所编码。分子所编码。这个这个mRNAmRNA分子的启动子紧接着分子的启动子紧接着O O区，而位于区，而位于I I与与O O之间的启动子区（之间的启动子区（P P），不能单独起动），不能单独起动合成合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。半乳糖苷酶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），是阻遏物的结合位点。），是阻遏物的结合位点。当阻遏物与操纵基因结合时，当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNAlac mRNA的转录起始受到抑制。的转录起始受到抑制。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，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，从而激发从而激发lac mRNAlac mRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，的合成。当有诱导物存在时，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。RNARNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位阻遏物结合部位阻遏物结合部位 操纵位点的回文序列操纵位点的回文序列第38页，讲稿共112张，创作于星期日2 2、突变类型、突变类型n组成型突变：组成型突变：lacOlacOc c n组成型突变：组成型突变：lacI-lacI-n不可诱导突变（超阻遏）不可诱导突变（超阻遏）第39页，讲稿共112张，创作于星期日组成型突变：组成型突变：lacOc第40页，讲稿共112张，创作于星期日组成型突变：组成型突变：lacI-第41页，讲稿共112张，创作于星期日不可诱导突变（超阻遏）不可诱导突变（超阻遏）第42页，讲稿共112张，创作于星期日阻遏蛋白阻遏蛋白:N端端:159aa头部片段：为头部片段：为HTH，与操，与操纵基因纵基因DNA的大沟结合；的大沟结合；核心区：核心区：有有6个个 折叠，诱导物就结合在两折叠，诱导物就结合在两个核心区之间的裂缝中；个核心区之间的裂缝中；C端端:为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。第43页，讲稿共112张，创作于星期日1、lac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达2、大肠杆菌对乳糖的反应、大肠杆菌对乳糖的反应3 3、阻遏物、阻遏物lac Ilac I基因产物及功能基因产物及功能4 4、葡萄糖对、葡萄糖对laclac操纵子的影响操纵子的影响5 5、cAMP cAMP 与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白四、影响因子四、影响因子第44页，讲稿共112张，创作于星期日1、lac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成又需要而转运诱导物需要透过酶，后者的合成又需要诱导。诱导。解释：解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？细胞？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？成？第45页，讲稿共112张，创作于星期日真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在在-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有因此，需要有-半乳糖苷酶的预先存在。半乳糖苷酶的预先存在。解释：解释：本底水平的组成型合成：非诱导状态下有本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的少量的lacmRNAlacmRNA合成。合成。第46页，讲稿共112张，创作于星期日2、大肠杆菌对乳糖的反应、大肠杆菌对乳糖的反应培养基：甘油培养基：甘油 按照按照laclac操纵子本底水平的表达，每个操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的细胞内有几个分子的-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；第47页，讲稿共112张，创作于星期日透过酶透过酶进入细胞进入细胞-半乳糖苷酶半乳糖苷酶异构乳糖异构乳糖诱导物诱导物诱导诱导lac mRNAlac mRNA的生物合成的生物合成大量乳糖进入细胞大量乳糖进入细胞多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）异构乳糖异构乳糖培养基：加入乳糖培养基：加入乳糖少量乳糖少量乳糖第48页，讲稿共112张，创作于星期日乳糖乳糖第49页，讲稿共112张，创作于星期日诱导物的加入和诱导物的加入和去除对去除对laclac mRNA mRNA的影响的影响第50页，讲稿共112张，创作于星期日3 3、阻遏物、阻遏物lac Ilac I基因产物及功能基因产物及功能 Lac Lac 操纵子阻遏物操纵子阻遏物mRNAmRNA是由弱启动子控制下是由弱启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有组成型合成的，每个细胞中有5-105-10个阻遏物个阻遏物分子。分子。当当I I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个整个laclac操纵子在这些突变体中就不可诱导。操纵子在这些突变体中就不可诱导。第51页，讲稿共112张，创作于星期日葡萄糖和乳糖同时加入培养基葡萄糖和乳糖同时加入培养基laclac操纵子操纵子阻遏状态阻遏状态不能被诱导不能被诱导4 4、葡萄糖对、葡萄糖对laclac操纵子的影响操纵子的影响耗尽外源葡萄糖耗尽外源葡萄糖laclac操纵子启动操纵子启动代代谢谢物物阻阻遏遏效效应应第52页，讲稿共112张，创作于星期日5 5、cAMPcAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白(1)(1)代谢物激活蛋白（代谢物激活蛋白（CAPCAP）/环腺苷酸受体蛋环腺苷酸受体蛋白（白（CRPCRP）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ZYAOPDNA 调控区调控区 结构基因结构基因Z Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y：透酶透酶A A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶cAMPCAPcAMPCAP复合物复合物第53页，讲稿共112张，创作于星期日第54页，讲稿共112张，创作于星期日ATP腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶cAMP（环腺苷酸）（环腺苷酸）大肠杆菌中：无葡萄糖，大肠杆菌中：无葡萄糖，有葡萄糖，有葡萄糖，(2)CAP(2)CAP的正调控的正调控cAMP浓度高浓度高cAMP浓度低浓度低第55页，讲稿共112张，创作于星期日+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMPcAMP浓度高时浓度高时促进转录促进转录有葡萄糖，有葡萄糖，cAMPcAMP浓度低时浓度低时不促进转录不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第56页，讲稿共112张，创作于星期日(3)(3)协调调节协调调节 当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAPCAP对该系统不能发挥对该系统不能发挥作用作用如无如无CAPCAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。操纵子仍无转录活性。cAMPCAPcAMPCAP复合物与启动子复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。区的结合是转录起始所必需的。第57页，讲稿共112张，创作于星期日第58页，讲稿共112张，创作于星期日The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,ImconstitutiveComeon,letmethroughNo wayJose!CAPCAP第59页，讲稿共112张，创作于星期日The Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,ImconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!第60页，讲稿共112张，创作于星期日The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,ImconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,Imofftotheraces.Comeon,letmethrough!第61页，讲稿共112张，创作于星期日五、五、Lac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题(一一)A)A基因及其生理功能基因及其生理功能半乳糖苷分子半乳糖苷分子（IPTGIPTG）-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 分解产物分解产物 （体（体内积累）内积累）-半乳糖苷乙酰半乳糖苷乙酰基转移酶基转移酶半乳糖苷分子半乳糖苷分子（IPTGIPTG）乙酰基乙酰基第62页，讲稿共112张，创作于星期日(二二)lac)lac基因产物数量上的比较基因产物数量上的比较-半乳糖苷酶半乳糖苷酶:透过酶透过酶:乙酰基转移酶乙酰基转移酶=1:0.5:0.2翻译水平上受到调节：翻译水平上受到调节：（1）lacmRNA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；离，从而终止蛋白质链的翻译；（2）在）在lacmRNA分子内部，分子内部，A基因比基因比Z基因更基因更容易受内切酶作用发生降解。容易受内切酶作用发生降解。第63页，讲稿共112张，创作于星期日(三三)操纵子的融合与基因工程操纵子的融合与基因工程POZYAtsxPOpur结构基因结构基因缺失缺失lac operonpur operon第64页，讲稿共112张，创作于星期日四、色氨酸操纵子四、色氨酸操纵子（trpoperon）(一一)色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构(二二)色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的阻遏系统(三三)色氨酸操纵子的弱化机制色氨酸操纵子的弱化机制第65页，讲稿共112张，创作于星期日(一一)色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构 调控基因调控基因 结构基因结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸的酶催化分枝酸转变为色氨酸的酶trpRtrp第66页，讲稿共112张，创作于星期日第67页，讲稿共112张，创作于星期日l特点特点:(1)(1)trpRtrpR和和trpABCDEtrpABCDE不连锁；不连锁；(2)(2)操纵基因在启动子内操纵基因在启动子内(3)(3)有衰减子有衰减子(attenuator)/(attenuator)/弱化子弱化子(4)(4)启动子和结构基因不直接相连，二者启动子和结构基因不直接相连，二者被前导序列被前导序列(Leader)(Leader)所隔开所隔开 第68页，讲稿共112张，创作于星期日(二二)trp)trp 操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统低低TrpTrp时：时：阻遏物不结阻遏物不结合操纵基因合操纵基因;高高TrpTrp时：时：阻遏物阻遏物+Trp+Trp 结合操纵基因结合操纵基因第69页，讲稿共112张，创作于星期日(三三)trp)trp 操纵子的弱化机制操纵子的弱化机制1、衰减子（、衰减子（attenuator）/弱化子弱化子2、前导序列（、前导序列（leadersequence）3、弱化机制、弱化机制第70页，讲稿共112张，创作于星期日1 1、弱化子：、弱化子：DNADNA中可导致转录过早终止的一段核苷酸中可导致转录过早终止的一段核苷酸序列（序列（123-150123-150区）。区）。123150第71页，讲稿共112张，创作于星期日 研究引起终止的研究引起终止的mRNAmRNA碱基序列碱基序列，发现该区发现该区mRNAmRNA通过自我配对可以形成通过自我配对可以形成茎茎-环环结构，有结构，有典型的典型的终止子终止子特点。特点。第72页，讲稿共112张，创作于星期日2 2、前导序列：、前导序列：在在trp mRNA5trp mRNA5端端trpEtrpE基因的基因的起始密码前一个长起始密码前一个长162bp162bp的的mRNAmRNA片段。片段。第73页，讲稿共112张，创作于星期日第74页，讲稿共112张，创作于星期日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衰减子结构衰减子结构第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区:包含序列包含序列1 1 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UUUU第75页，讲稿共112张，创作于星期日3、弱化机制、弱化机制第76页，讲稿共112张，创作于星期日第77页，讲稿共112张，创作于星期日前导肽前导肽转录终止结构转录终止结构第78页，讲稿共112张，创作于星期日n高高TrpTrp时：时：Trp-tRNATrp-tRNATrp Trp 存在存在 核糖体通过片段核糖体通过片段1(21(2个个TrpTrp密码子密码子)封闭片段封闭片段2 2 片段片段3 3，4 4形成发夹结构形成发夹结构 类似于不依赖类似于不依赖因子的转录终止序列因子的转录终止序列 RNARNA聚合酶停止转录聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物产生衰减子转录产物转录、翻译偶联转录、翻译偶联,产生前导肽产生前导肽第79页，讲稿共112张，创作于星期日高高TrpTrp时：时：Trp-tRNATrp-tRNATrp Trp 存在存在 核糖体通过片段核糖体通过片段1(21(2个个TrpTrp密码子密码子)封闭片段封闭片段2 2 片段片段3 3，4 4形成发夹结构形成发夹结构 类似于不依赖类似于不依赖因子的转录终止序列因子的转录终止序列RNARNA聚合酶停止转录聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物产生衰减子转录产物转录、翻译偶联转录、翻译偶联,产生前导肽产生前导肽第80页，讲稿共112张，创作于星期日UUUU34UUUU334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1.1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNAUUUU3 RNARNA聚合酶聚合酶 终止终止第81页，讲稿共112张，创作于星期日低低TrpTrp时：时：Trp-tRNATrp-tRNATrp Trp 没有供应没有供应 核糖体翻译停止在片段核糖体翻译停止在片段1 1 （2 2个个TrpTrp密码子）密码子）片段片段2 2，3 3 形成形成发夹结构发夹结构 转录不终止转录不终止RNARNA聚合酶继续转录聚合酶继续转录第82页，讲稿共112张，创作于星期日UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA15 trp 密码子密码子结构基因结构基因前导前导DNA RNARNA聚合酶聚合酶 2.2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 TrpTrp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 第83页，讲稿共112张，创作于星期日协调协调u阻遏作用：粗调开关阻遏作用：粗调开关 阻遏物的作用是当有大量外源色氨酸存在时，阻遏物的作用是当有大量外源色氨酸存在时，阻止非必需的先导阻止非必需的先导mRNA的合成，它使这个合的合成，它使这个合成系统更加经济成系统更加经济 阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少n弱化作用：细调开关弱化作用：细调开关 弱化作用的信号是弱化作用的信号是Trp-tRNAtrp的多少，通过控的多少，通过控制前导肽的翻译来控制转录的进行制前导肽的翻译来控制转录的进行第84页，讲稿共112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RPOleadingseq.EDCBAtrp+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 Trp 存在时，阻遏系统起作用。存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，阻止先导阻遏物与之结合，阻止先导mRNAmRNA合成。合成。经济经济第85页，讲稿共112张，创作于星期日仅有少量仅有少量 trptrp时，时，RNApolRNApol启动，启动，但在但在L.S.L.S.处脱落，转录中断处脱落，转录中断RPOleadingseq.EDCBA少量少量trptrp+不足以结合不足以结合 O 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trptrp浓度低时，阻遏物从有活性变为无浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发活性，速度极慢，不能很快引发trp trp 合成。因此合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基中适当的中适当的TrpTrp水平。水平。第86页，讲稿共112张，创作于星期日 细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使为阻遏作用只能使转录不起始转录不起始，对于已经起，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的细胞内载有色氨酸的tRNAtRNA的多少的多少。它通过前导肽的翻译来控制转。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。成，体现着生物体内周密的调控作用。第87页，讲稿共112张，创作于星期日原核生物衰减作用的普遍性原核生物衰减作用的普遍性第88页，讲稿共112张，创作于星期日(一一)半乳糖操纵子半乳糖操纵子(galactoseoperon)(二二)阿拉伯糖操纵子（阿拉伯糖操纵子（arabinoseoperon)(三三)阻遏蛋白阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的的降解与细菌中的SOS应答应答五、其他操纵子五、其他操纵子第89页，讲稿共112张，创作于星期日(一一)半乳糖操纵子半乳糖操纵子(galactoseoperon)异构酶异构酶(galE)乳糖乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)半乳糖激酶半乳糖激酶(galk)第90页，讲稿共112张，创作于星期日gal操纵子的特点：操纵子的特点：n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；n它有两个它有两个O O区，一个在区，一个在P P区上游，另一个在结构区上游，另一个在结构基因基因galEgalE内部。内部。第91页，讲稿共112张，创作于星期日 分析分析galgal操纵子操纵子P-OP-O区的区的DNADNA序列发现，该序列发现，该操纵子确实存在两个相距仅操纵子确实存在两个