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第七章原核基因表达调控本讲稿第一页，共九十五页概概 述述基因表达调控基因表达调控DNARNA蛋白质蛋白质复制复制转录转录翻译翻译逆转录逆转录RNA复制复制基因表达基因表达基因转录及翻译的过程。基因转录及翻译的过程。rRNA、tRNA编编码基因转录合成码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达的过程也属于基因表达RNA本讲稿第二页，共九十五页对基因表达过程的调节称为对基因表达过程的调节称为基因表达调控基因表达调控（gene regulation或或gene control）。）。基因表达的方式基因表达的方式 组成性表达组成性表达 (constitutive expression)适应性表达适应性表达 (adaptive expression）本讲稿第三页，共九十五页组成性表达：组成性表达：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看家基因看家基因(housekeeping gene)(housekeeping gene)。组成性基因表达不是一成不变的，其表达强弱也受一定机组成性基因表达不是一成不变的，其表达强弱也受一定机制调控。制调控。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。本讲稿第四页，共九十五页 适应性表达适应性表达 指环境变化容易使表达水平变动的一类基因表达。指环境变化容易使表达水平变动的一类基因表达。o适应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为适应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导诱导，这，这类基因被称为类基因被称为可诱导的基因可诱导的基因(inducible gene)(inducible gene)；o随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏阻遏，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(repressible gene)(repressible gene)。本讲稿第五页，共九十五页基因表达的规律基因表达的规律时间性及空间性时间性及空间性l时间特异性时间特异性(temporalspecificity)某些基因的表达严格按特定的时间顺序生，某些基因的表达严格按特定的时间顺序生，称之为基因表达的称之为基因表达的时间特异性时间特异性。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段特阶段特异性异性(stagespecificity)。本讲稿第六页，共九十五页骨髓骨髓卵黄囊卵黄囊脾脾肝脏肝脏骨髓骨髓本讲稿第七页，共九十五页l空间特异性空间特异性(spatialspecificity)o在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现空间顺序出现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(cell or tissue specificity)。本讲稿第八页，共九十五页基因表达的一般规律：基因表达的一般规律：l 在需要时表达在需要时表达开开(turn on)turn on)，l 不需要时不表达不需要时不表达关关(turn off)turn off)。“关关”：基因的表达量特别低：基因的表达量特别低生物的基因表达受着严密和精确的调控，生物的基因表达受着严密和精确的调控，基基因表达调控是生命本质所在，是生物适应因表达调控是生命本质所在，是生物适应环境生存的必然结果。环境生存的必然结果。本讲稿第九页，共九十五页o基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义n适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖n维持个体发育与分化维持个体发育与分化o基因表达调控的环节：基因表达调控的环节：n基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工加工本讲稿第十页，共九十五页真核与原核生物转录及翻译调控的总体特征比较本讲稿第十一页，共九十五页一、原核基因表达调控总论一、原核基因表达调控总论(1)转录水平上的调控转录水平上的调控;(2)转录后水平上的调控转录后水平上的调控;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本讲稿第十二页，共九十五页o原原核核生生物物中中，营营养养状状况况（nutritionalstatus）和和环环境境因因素素（environmentalfactor）对基因表达起着举足轻重的影响。对基因表达起着举足轻重的影响。o在在转转录录水水平平上上对对基基因因表表达达的的调调控控决决定定于于DNA的的结结构构、RNA聚聚合合酶酶的的功功能能、蛋蛋白白因子及其他小分子配基因子及其他小分子配基的相互作用。的相互作用。本讲稿第十三页，共九十五页1961年，年，Monod和和Jacob提出提出转录水平上的调控机制：操纵子学说转录水平上的调控机制：操纵子学说获获1965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖本讲稿第十四页，共九十五页多个结构基因多个结构基因操纵区操纵区操纵子操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。基因受调节基因产物的控制。本讲稿第十五页，共九十五页乙酰基转移酶乙酰基转移酶半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶操纵位点操纵位点乳糖操纵子结构乳糖操纵子结构调节基因调节基因本讲稿第十六页，共九十五页（1 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）的应答机制不同，可分为：活蛋白）的应答机制不同，可分为：o 正转录调控正转录调控o 负转录调控负转录调控1 1、原核基因调控分类、原核基因调控分类本讲稿第十七页，共九十五页调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控正转录调控：调节蛋白是正转录调控：调节蛋白是激活蛋白激活蛋白在没有调节蛋白存在时结构基因是关闭的，在没有调节蛋白存在时结构基因是关闭的，加入调节蛋加入调节蛋白质白质后后基因转录基因转录被被开启开启，称为，称为正转录调控正转录调控。本讲稿第十八页，共九十五页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负转录调控负转录调控负转录调控：调节蛋白是负转录调控：调节蛋白是阻遏蛋白阻遏蛋白在没有调节蛋白存在时结构基因是表达的，在没有调节蛋白存在时结构基因是表达的，加入加入调节蛋白质调节蛋白质后后基因表达基因表达被被关闭关闭，称为负转录调控。，称为负转录调控。本讲稿第十九页，共九十五页o可诱导调节可诱导调节：结构基因在特殊代谢物或化合：结构基因在特殊代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态。例如：大肠杆菌乳糖操纵子状态。例如：大肠杆菌乳糖操纵子 （2 2）根据操纵子对效应物应答机制的不同，分为）根据操纵子对效应物应答机制的不同，分为可诱导调可诱导调节节和和可阻遏调节可阻遏调节两大类：两大类：p250p250结构基因的表达还受某些小分子物质（结构基因的表达还受某些小分子物质（效应物）效应物）的调控。的调控。本讲稿第二十页，共九十五页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酶蛋白酶蛋白可诱导调节可诱导调节某种物质能够促某种物质能够促使细菌产生酶来使细菌产生酶来分解它，这种物分解它，这种物质就是质就是诱导物诱导物。本讲稿第二十一页，共九十五页o可阻遏调节可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产：基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特生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，阻殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。遏了基因的表达。例：色氨酸操纵子例：色氨酸操纵子本讲稿第二十二页，共九十五页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辅阻遏物辅阻遏物mRNA酶蛋白酶蛋白可阻遏调节可阻遏调节调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因无活性阻遏蛋白无活性阻遏蛋白本讲稿第二十三页，共九十五页 （3 3）在在负负转转录录调调控控系系统统中中，调调节节基基因因产产物物是是阻阻遏遏蛋蛋白白，起起着着阻阻止止结结构构基基因因转转录录的的作作用用。根根据据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏其作用特征又可分为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（诱诱导导物）结合时，结构基因转录；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（辅辅阻阻遏物）结合时，结构基因不转录。遏物）结合时，结构基因不转录。本讲稿第二十四页，共九十五页本讲稿第二十五页，共九十五页 (4)(4)因因子子参参与与大大肠肠杆杆菌菌基基因因表表达达调调控控 存存在在6种种因因子子，其其中中70是是调调控控最最基基本本的的生生理理功功能能如如碳碳代代谢谢、生生物物合合成成等等基基因因的的转转录录所所必必须须的的。除除参参与与氮氮代代谢谢的的54外外，其其它它5种种因因子子在在结结构构上上具具有有同同源源性性，所所以以统统称称70家族。家族。本讲稿第二十六页，共九十五页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7070rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控的调控5454rpoN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3838rpoH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3232rpoS热休克基因的表达调控热休克基因的表达调控2828rpoF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2424rpoE过度热休克基因的表达调控过度热休克基因的表达调控本讲稿第二十七页，共九十五页所有所有因子都含有因子都含有4个保守区个保守区，其中第，其中第2个和个和第第4个保守区参与结合启动区个保守区参与结合启动区DNA，第，第2个个保守区的另一部分还参与双链保守区的另一部分还参与双链DNA解开成解开成单链的过程。单链的过程。不同不同因子结合因子结合DNA的序列及结合顺序不完的序列及结合顺序不完全相同。全相同。本讲稿第二十八页，共九十五页2 2、原核基因调控的主要特点、原核基因调控的主要特点通过特殊代谢物调节基因的活性通过特殊代谢物调节基因的活性主要有可诱导和可阻主要有可诱导和可阻遏两大类遏两大类（1）可诱导调节：）可诱导调节：（2）可阻遏调节：）可阻遏调节：规律：规律：可诱导基因可诱导基因总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因。而的基因。而可阻遏基因可阻遏基因是一些合成各种细胞代谢过程是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质（如氨基酸、嘌呤和嘧啶等）中所必须的小分子物质（如氨基酸、嘌呤和嘧啶等）的基因。的基因。本讲稿第二十九页，共九十五页3 3、弱化子对基因活性的影响、弱化子对基因活性的影响 属属于于这这种种调调节节方方式式的的有有大大肠肠杆杆菌菌色色氨氨酸酸操操纵纵子子、苯苯丙丙氨氨酸酸操操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子等。纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子等。o起起信信号号作作用用的的是是有有特特殊殊负负载载的的氨氨基基酰酰-tRNA-tRNA的的浓浓度度，在在色色氨酸操纵子中就是氨酸操纵子中就是色氨酰色氨酰-tRNA-tRNA的浓度的浓度。o当当操操纵纵子子被被阻阻遏遏，RNARNA合合成成被被终终止止时时，起起终终止止转转录录信信号号作作用的一段核苷酸被称为用的一段核苷酸被称为弱化子。弱化子。本讲稿第三十页，共九十五页 o有有葡葡萄萄糖糖存存在在的的情情况况下下，即即使使在在细细菌菌培培养养基基中中加加入入乳乳糖糖、半半乳乳糖糖、阿阿拉拉伯伯糖糖或或麦麦芽芽糖糖等等诱诱导导物物，与与其其相相对对应应的的操操纵纵子子也也不不会会启启动动，产产生生出出代代谢谢这这些些糖糖的的酶酶来来，这这种种现现象象称称为为葡葡萄萄糖糖效效应应或称为降解物抑制作用。或称为降解物抑制作用。4、降解物对基因活性的调节、降解物对基因活性的调节本讲稿第三十一页，共九十五页本讲稿第三十二页，共九十五页5 5、细菌的应急反应、细菌的应急反应o细细菌菌在在紧紧急急状状况况，如如氨氨基基酸酸全全面面匮匮乏乏时时。会会产产生生应应急急反反应应，包包括括生生产产各各种种RNA、糖糖、脂脂肪肪和和蛋蛋白白质质在在内内的的几几乎乎全全部部生生物物化化学学反反应应过过程程均均被被停停止止。实实施施这这一一应应急急反反应应的的信信号号是是鸟鸟 苷苷 四四 磷磷 酸酸（ppGpp）和和 鸟鸟 苷苷 五五 磷磷 酸酸（pppGpp）。产产生生这这两两种种物物质质的的诱诱导导物物是是空载空载tRNA。本讲稿第三十三页，共九十五页氨氨基基酸酸饥饥饿饿时时，细细胞胞中中存存在在大大量量不不带带氨氨基基酸酸的的tRNA，这这种种空空载载tRNA会会激激活活焦焦磷磷酸酸转转移移酶酶，使使ppGpp大大量量合合成成。ppGpp会会关关闭闭许许多多基基因因，同同时时也也会会打打开开一一些些合合成成氨氨基基酸酸的的基因，以应付紧急状况。基因，以应付紧急状况。ppGpp与与pppGpp的作用范围十分广泛，不只影响一个或的作用范围十分广泛，不只影响一个或几个操纵子，影响一大批操纵子，是几个操纵子，影响一大批操纵子，是超级调控因子超级调控因子。本讲稿第三十四页，共九十五页二、乳糖操纵子二、乳糖操纵子(lac operon)(lac operon)乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构酶的诱导酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据乳糖操纵子调控模型乳糖操纵子调控模型影响因子影响因子LacLac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题本讲稿第三十五页，共九十五页乳糖操纵子模型的建立乳糖操纵子模型的建立乳糖操纵子模型的建立乳糖操纵子模型的建立(Jacob and Monod,1961)(Jacob and Monod,1961)Francois JacobJacquces Monod获获19651965年年诺贝尔奖诺贝尔奖本讲稿第三十六页，共九十五页（一）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子(lac operon)(lac operon)的结构与组成的结构与组成的结构与组成的结构与组成 调控区调控区阻遏基因阻遏基因启动子启动子控制基因控制基因 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透过酶透过酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNAI本讲稿第三十七页，共九十五页oZ Z编码编码-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖oY Y编码编码-半乳糖苷透过酶：使外界的半乳糖苷透过酶：使外界的-半乳糖苷（如乳半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。oA A编码编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：将乙酰辅酶半乳糖苷乙酰基转移酶：将乙酰辅酶A A上的乙酰上的乙酰基转到基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。本讲稿第三十八页，共九十五页（二）酶的诱导（二）酶的诱导-lac体系受调控的证据体系受调控的证据oo在不含乳糖及在不含乳糖及在不含乳糖及在不含乳糖及-半乳糖苷的培养基中，半乳糖苷的培养基中，半乳糖苷的培养基中，半乳糖苷的培养基中，laclac+基因型每个大肠杆菌基因型每个大肠杆菌基因型每个大肠杆菌基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有细胞内大约只有细胞内大约只有细胞内大约只有1 12 2个酶分子。个酶分子。个酶分子。个酶分子。oo如果在培养基中如果在培养基中如果在培养基中如果在培养基中加入乳糖加入乳糖加入乳糖加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%6%或或或或7%7%，每个细胞中可有超过，每个细胞中可有超过，每个细胞中可有超过，每个细胞中可有超过10105 5个酶分子。个酶分子。个酶分子。个酶分子。实验证据实验证据本讲稿第三十九页，共九十五页安慰诱导物安慰诱导物乳糖乳糖IPTG(异丙基巯基半乳糖苷异丙基巯基半乳糖苷)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)如果某种物质能够诱导细菌产生酶而本身又不被分解，这种物如果某种物质能够诱导细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物质被称为安慰诱导物本讲稿第四十页，共九十五页pUC18AprlacZoriAp+X-gal重组子（Apr+lacZ-）基因工程的蓝白斑筛选基因工程的蓝白斑筛选本讲稿第四十一页，共九十五页蓝白显色筛选法蓝白显色筛选法本讲稿第四十二页，共九十五页（三）（三）lac操纵子模型及其影响因子操纵子模型及其影响因子Lac操纵子模型操纵子模型控制区控制区信息区信息区本讲稿第四十三页，共九十五页乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型1 1 1 1、Z Z Z Z、Y Y、A A A A基因的产物为一条多顺反子基因的产物为一条多顺反子基因的产物为一条多顺反子基因的产物为一条多顺反子mRNAmRNAmRNAmRNAlacZ：编码：编码-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。本讲稿第四十四页，共九十五页2 2 2 2、P P P P区位于区位于区位于区位于I I I I与与与与O O O O之间，之间，之间，之间，O O O O为阻遏物结合位点为阻遏物结合位点为阻遏物结合位点为阻遏物结合位点 启启启启 动动动动 子子子子 RNARNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点聚合酶结合位点聚合酶结合位点 调节基因调节基因调节基因调节基因 CAPCAP结合位点结合位点结合位点结合位点 操操操操 纵纵纵纵 基基基基 因因因因 Z Z基因基因基因基因 阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点 本讲稿第四十五页，共九十五页3.Lac3.Lac操纵子操纵子P P、O O区的重叠区的重叠本讲稿第四十六页，共九十五页4 4、CAPCAP的正性调节的正性调节本讲稿第四十七页，共九十五页本讲稿第四十八页，共九十五页 本讲稿第四十九页，共九十五页5 5、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，当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAPCAPCAPCAP对该系统不能发挥作用；对该系统不能发挥作用；对该系统不能发挥作用；对该系统不能发挥作用；如无如无如无如无CAPCAPCAPCAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。仍无转录活性。仍无转录活性。仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。本讲稿第五十页，共九十五页mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO本讲稿第五十一页，共九十五页乳糖操纵子的影响因子乳糖操纵子的影响因子1、lac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达乳糖乳糖本讲稿第五十二页，共九十五页有两个矛盾是操纵元理论所不能解释的：诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成又需要诱导物诱导。解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？laclac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达本讲稿第五十三页，共九十五页真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有-半乳糖甘酶的预先存在。解释：本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lac mRNA合成。laclac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达本讲稿第五十四页，共九十五页2、大肠杆菌对乳糖的反应、大肠杆菌对乳糖的反应碳源为甘油的碳源为甘油的培养基培养基乳糖本讲稿第五十五页，共九十五页 培养基：甘油培养基：甘油 按照按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的-半半乳糖苷酶和乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；培养基：加入乳糖培养基：加入乳糖少量乳糖少量乳糖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 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）异构乳糖异构乳糖本讲稿第五十六页，共九十五页诱导物的加入和去除对诱导物的加入和去除对laclac mRNA mRNA的影响的影响诱导物的加入和去除对诱导物的加入和去除对半乳糖苷酶的影响半乳糖苷酶的影响乳糖对乳糖对lac操纵子的影响操纵子的影响本讲稿第五十七页，共九十五页3、阻遏物、阻遏物lacI基因产物及功能基因产物及功能mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因阻遏基因弱启动子控制的弱启动子控制的组成型合成组成型合成本讲稿第五十八页，共九十五页本讲稿第五十九页，共九十五页4、葡萄糖对、葡萄糖对lac操纵子的影响操纵子的影响代谢物阻遏效应代谢物阻遏效应 研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制lac mRNA的合成，的合成，的合成，的合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应这种效应称之为代谢物阻遏效应这种效应称之为代谢物阻遏效应这种效应称之为代谢物阻遏效应.本讲稿第六十页，共九十五页（四）（四）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-半乳糖苷酶半乳糖苷酶透过酶透过酶乙酰基转移酶乙酰基转移酶乙酰化的半乳乙酰化的半乳糖苷降低对细糖苷降低对细胞的危害胞的危害本讲稿第六十一页，共九十五页（二）（二）laclac基因产物数量上的比较基因产物数量上的比较Z、Y、A三个基因产物的拷贝数比例为三个基因产物的拷贝数比例为1：0.5：0.2本讲稿第六十二页，共九十五页1、Lac mRNA可能在翻译过程中的核糖体相脱离，从可能在翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译。而终止蛋白质链的翻译。原因：在翻译水平上的调节原因：在翻译水平上的调节本讲稿第六十三页，共九十五页2、Lac mRNA分子内部，分子内部，A基因比基因比Z基因更易受内切基因更易受内切酶作用发生降解，故酶作用发生降解，故Z基因的完整拷贝数要比基因的完整拷贝数要比A基因多。基因多。原因：在翻译水平上的调节原因：在翻译水平上的调节降解本讲稿第六十四页，共九十五页本讲稿第六十五页，共九十五页乳糖操纵子的调控模型乳糖操纵子的调控模型o乳糖操纵子的组成：乳糖操纵子的组成：大肠杆菌乳糖操纵子含 Z、Y、A 三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵序列 O，一个启动子 P 和一个调节基因I。o阻遏蛋白的负性调节：阻遏蛋白的负性调节：没有乳糖存在时没有乳糖存在时，I 基因编码的阻遏蛋白结合于操纵序列 O 处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分解乳糖的三种酶；有乳糖存在时有乳糖存在时，乳糖作为诱导物诱导阻遏蛋白变构，不能结合于操纵序列，乳糖操纵子被诱导开放合成分解乳糖的三种酶。所以，乳糖操纵子的这种调控机制为可诱导的负调控。本讲稿第六十六页，共九十五页乳糖操纵子的调控模型乳糖操纵子的调控模型 oCAP的正性调节的正性调节：在启动子上游有 CAP 结合位点，当大肠杆菌从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，cAMP 浓度升高，与 CAP 结合，使 CAP 发生变构，CAP 结合于乳糖操纵子启动序列附近的 CAP 结合位点，激活 RNA 聚合酶活性，促进结构基因转录，调节蛋白结合于操纵子后促进结构基因的转录，对乳糖操纵子实行正调控，加速合成分解乳糖的三种酶。o协调调节：协调调节：乳糖操纵子中的 I 基因编码的阻遏蛋白的负调控与 CAP 的正调控两种机制，互相协调、互相制约。本讲稿第六十七页，共九十五页 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本讲稿第六十八页，共九十五页l可诱导调节：调节可诱导调节：调节分解代谢分解代谢的操纵子，同时受的操纵子，同时受cAMP-CAPcAMP-CAP的活性调节的活性调节l可阻遏调节：调节可阻遏调节：调节合成代谢合成代谢的操纵子的操纵子特殊代谢物调节基因活性的类型特殊代谢物调节基因活性的类型本讲稿第六十九页，共九十五页本讲稿第七十页，共九十五页一、一、trp操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统（一）（一）trp操纵子的研究背景操纵子的研究背景酶合成阻遏的现象酶合成阻遏的现象Jacob and Monod的工作的工作 本讲稿第七十一页，共九十五页（二）（二）trp操纵子的结构操纵子的结构阻遏型操纵子阻遏型操纵子trpAtrpBtrpCtrpEtrpDP Ptrp trp O Otrptrp前导序列前导序列 aTrp Trp 阻抑物阻抑物阻抑物阻抑物 色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸激活激活激活激活RNAtrpE trpD trpC trpB trpA色氨酸合成所需的酶色氨酸合成所需的酶色氨酸合成所需的酶色氨酸合成所需的酶trpR本讲稿第七十二页，共九十五页酶阻遏的操纵子模型酶阻遏的操纵子模型辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构基因表辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构基因表达达.调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白.辅阻遏蛋白辅阻遏蛋白本讲稿第七十三页，共九十五页（三）（三）trp操纵子的阻遏调控机制操纵子的阻遏调控机制l色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸缺乏色氨酸时，此时，此操纵子开放操纵子开放，而当细胞，而当细胞内合成的内合成的色氨酸过多色氨酸过多时，此时，此操纵子被关闭操纵子被关闭。l色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。因结合而阻遏转录。l而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。本讲稿第七十四页，共九十五页Trp Trp 浓度高时浓度高时 Trp浓度浓度低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸操纵子阻遏调节阻遏调节本讲稿第七十五页，共九十五页二、二、弱化子与前导肽弱化子与前导肽（一）弱化子（一）弱化子在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用这段核苷酸起终止转录信号作用.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本讲稿第七十六页，共九十五页UUUU RNA RNA聚合酶聚合酶 起调节作用的是某种氨酰起调节作用的是某种氨酰-tRNA-tRNA的浓度的浓度的浓度的浓度本讲稿第七十七页，共九十五页本讲稿第七十八页，共九十五页UUUU34UUUU 334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DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止本讲稿第七十九页，共九十五页（二）前导肽（二）前导肽UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp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 本讲稿第八十页，共九十五页5 trp trp mRNA mRNA trptrpL L1 21 23 43 4寡聚寡聚寡聚寡聚U U区区区区trpE(a)(a)正常正常正常正常 (b)(b)高高高高 TrpTrp1 12 2转录终止转录终止转录终止转录终止3 4(C)(C)低低低低Trp Trp 1 12 32 34 4转录延伸转录延伸转录延伸转录延伸本讲稿第八十一页，共九十五页弱化作用弱化作用o当培养基中色氨酸的浓度很低时当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的tRNATrp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4区被转录完成时，核糖体才进行到1区（或停留在两个相邻的trp密码子处），这时的前导区结构是2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，所以转录可继续进行，直到将trp操纵子中的结构基因全部转录。o当培养基中色氨酸浓度较高时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4区被转录之前就到达2区，使2-3区不能配对，3-4区自由配对形成基一环终止子结构，转录被终止，trp操纵子被关闭。p265本讲稿第八十二页，共九十五页（三）弱化子的生物学意义（三）弱化子的生物学意义l活性阻遏物和非活性阻遏物的转变可能较慢，而tRNA荷载与否可能更为灵敏；l氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而以tRNA荷载情况为标准来进行控制可能更为恰当.l当细胞内氨基酸高于某一水平时，可以实现完全的阻遏；而只有低于这一水平时，才需用弱化子这个调节系统来进行调节，阻遏蛋白和弱化子调节机制都是为了避免浪费，提高效率。本讲稿第八十三页，共九十五页第四节第四节 其他操纵子（自学）其他操纵子（自学）第五节第五节 固氮基因调控（自学）固氮基因调控（自学）本讲稿第八十四页，共九十五页第六节第六节 转录后调控转录后调控本讲稿第八十五页，共九十五页 一、翻译起始的调控一、翻译起始的调控1 1、SDSD序列对翻译的影响序列对翻译的影响SD序列：序列：mRNA起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列列。(9-12bp)5-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3SD序列的顺序及位置对翻译的影响序列的顺序及位置对翻译的影响SD与与AUG之间相距一般以之间相距一般以4-10个核苷酸为佳，个核苷酸为佳，9个核苷个核苷酸最佳。酸最佳。本讲稿第八十六页，共九十五页l实验证据实验证据RNARNA引物由引物由 dnaG dnaG 基因编码的引物酶催化合成基因编码的引物酶催化合成dnaGdnaG、rpoD rpoD 及及rpsU rpsU 属于大肠杆菌基因组上的同一个操属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子纵子基因转录出来的三个蛋白相应的基因转录出来的三个蛋白相应的mRNAmRNA拷贝数大体相同，拷贝数大体相同，由于翻译的调控使得蛋白的拷贝数发生了很大的变化。由于翻译的调控使得蛋白的拷贝数发生了很大的变化。二、稀有密码子对翻译的影响二、稀有密码子对翻译的影响本讲稿第八十七页，共九十五页本讲稿第八十八页，共九十五页l由于细胞内对应于稀有密码子的由于细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。影响了蛋白质合成的总量。本讲稿第八十九页，共九十五页三、重叠基因对翻译的影响三、重叠基因对翻译的影响A基因基因B基因A基因终止密码子与基因终止密码子与B基因的起始密码子重叠基因的起始密码子重叠本讲稿第九十页，共九十五页trp操纵子操纵子trpE基因与基因与trpD基因的翻译偶联机制基因的翻译偶联机制trpE苏氨酸苯丙氨酸终止ACU-UUC-UGA-UGG-CUAUG-GCU甲硫氨酸丙氨酸trpD本讲稿第九十一页，共九十五页重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。进行翻译的机制。偶联翻译是保证两个基因产物在数量上相偶联翻译是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段。等的重要手段。l重叠基因对翻译的影响重叠基因对翻译的影响本讲稿第九十二页，共九十五页四、魔斑核苷酸水平对翻译的影响四、魔斑核苷酸水平对翻译的影响空载氨酰空载氨酰-tRNA-tRNA对蛋白质和对蛋白质和RNARNA的合成速度进行调控的合成速度进行调控本讲稿第九十三页，共九十五页（一）严紧控制和松散控制（一）严紧控制和松散控制1 1、严紧控制（基因型、严紧控制（基因型、严紧控制（基因型、严紧控制（基因型relrel）当细菌处于饥饿条件下，缺乏维持蛋白质合成的氨基酸，其大当细菌处于饥饿条件下，缺乏维持蛋白质合成的氨基酸，其大部分活性区域将被关闭，此称之为严禁控制。部分活性区域将被关闭，此称之为严禁控制。严禁控制导致两种特殊的核苷酸积累：严禁控制导致两种特殊的核苷酸积累：PPGpp、pppGpp本讲稿第九十四页，共九十五页2、松弛控制（基因型、松弛控制（基因型、松弛控制（基因型、松弛控制（基因型relrel-）l松弛突变株（松弛突变株（基因型基因型基因型基因型rel-rel-）去除了严禁控制反应；）去除了严禁控制反应；l蛋白质合成停止，但蛋白质合成停止，但RNA的合成速度没有下降；的合成速度没有下降；l氨基酸的匮乏不会导致（氨基酸的匮乏不会导致（p）ppGpp的合成；的合成；l若有严禁因子存在，也能合成（若有严禁因子存在，也能合成（p）ppGpp.本讲稿第九十五页，共九十五页