《原核基因表达调控》PPT课件.ppt

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1、第六讲 原核基因表达调控 总论总论一、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、原核生物中的转录后调控原核生物中的转录后调控总 论原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的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，只有能根据环境条件环境中，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，使代谢过程适应环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。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

2、的生命过程。在一个每自然选择倾向于保留高效率的生命过程。在一个每30min30min增殖一倍的增殖一倍的10109 9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增殖一倍，大约经过成了增殖一倍，大约经过8080天的连续生长后，这个天的连续生长后，这个群体中的群体中的99.9%99.9%都将具有增殖一倍的生长速度。都将具有增殖一倍的生长速度。一个大肠杆菌细胞中约有一个大肠杆菌细胞中约有40004000个基因。估计正常情况个基因。估计正常情况下，可带有下，可带有10107 7个蛋白质，平均每个基因产生个蛋白质，平均每个基因产生25002500多个蛋白多个蛋白质分子。但大肠杆菌中一般带有

3、质分子。但大肠杆菌中一般带有15,000-30,00015,000-30,000个核糖体，个核糖体，有有5050余种核糖体结合蛋白，数量也很惊人。此外，负责糖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，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其含量可少至每细胞仅1-51-5个分子。个分子。细胞中的蛋白细胞中的蛋白质可分为质可分为组成型（组成型（constitutive)适应型或诱导型适应型或诱导型(adaptiveorreguliatory)一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。一个体系在需要时被打开，不需

4、要时被关闭。这种这种“开开-关关”（on-offon-off）活性是通过调节转录来）活性是通过调节转录来建立的，也就是说建立的，也就是说mRNAmRNA的合成是可以被调节的。当的合成是可以被调节的。当我们说一个系统处于我们说一个系统处于“off”“off”状态时，也有本底水状态时，也有本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成平的基因表达，常常是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实际的意思是基因表达量特别低，很难甚至无法检测。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到蛋白质的

5、过程称为基因表达基因表达(geneexpression)，对这个过程的调节就称为对这个过程的调节就称为基因表达调控基因表达调控(generegulation或genecontrol)。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

6、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)和环境因素和环境因素(environmental factor)(environmental factor)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。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormone(hormone

7、level)level)和发育阶段和发育阶段(developmental stage)(developmental stage)是基因表达调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。控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。原核基因调控分类根据调控机制根据调控机制的不同分为的不同分为负转录调控负转录调控正转录调控正转录调控负控诱导负控诱导负控阻遏负控阻遏正控诱导正控诱导正控阻遏正控阻遏调节基因的产物是阻遏蛋白调节基因的产物是阻遏蛋白调节基因的产物是激活蛋白调节基因的产物是激活蛋白负控诱导 正控诱导负控阻遏 正控阻遏原核基因调控的主要特点1.1.可诱导调节可诱导调节是指一

8、些基因在特殊的代谢物或化合物作用下，是指一些基因在特殊的代谢物或化合物作用下，由原来的关闭状态转变为工作状态。由原来的关闭状态转变为工作状态。如：乳糖操纵子如：乳糖操纵子2.2.可阻遏调节可阻遏调节这类基因在平时都是开启的，处在产生蛋白质或这类基因在平时都是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。如：色氨酸操纵子如：色氨酸操纵子弱化子对基因活性的影响在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨基酰tRNA的浓度。在操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止

9、信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。起调节作用的信号分子是细胞中某一种氨基酸或嘧啶的浓度，因此是转录调控中的微调整。降解物对基因活性的调节在葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中在葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢与其对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为这些糖的酶来，这种现象称为葡萄糖效应葡萄糖效应或或降解降解物抑制作用物抑制作用。葡萄糖的存在会抑制细菌腺苷酸环化酶的活性，葡萄糖的存在会抑制细菌腺苷酸环化酶的活性，减少减少cAMP的合

10、成，与它结合的蛋白质的合成，与它结合的蛋白质环腺苷环腺苷酸受体蛋白（酸受体蛋白（CRP）又称分解代谢物激活蛋白）又称分解代谢物激活蛋白（CAP），因为找不到配体二而不能形成复合物。），因为找不到配体二而不能形成复合物。细菌的应急反应细菌碰到紧急情况，比如氨基酸饥饿，为了紧缩开细菌碰到紧急情况，比如氨基酸饥饿，为了紧缩开支，渡过难关，细菌会产生一个应急反应，包括生支，渡过难关，细菌会产生一个应急反应，包括生产各种产各种RNARNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎所有生、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎所有生化反应过程均被停止。化反应过程均被停止。实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸（实施这一应急反应的信号是

11、鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（和鸟苷五磷酸（pppGpp）。）。空载的空载的tRNA tRNA 焦磷酸转移酶焦磷酸转移酶 ppGpp ppGpp 关闭许多基因关闭许多基因一、乳糖操纵子的调控模式 乳糖操纵子乳糖操纵子结构基因结构基因启动子（启动子（P）操纵区（操纵区（O）阻遏基因（阻遏基因（I）ZYA19611961年，由法国巴斯德研究所著名科学家年，由法国巴斯德研究所著名科学家JacobJacob和和MonodMonod首先提出，并在首先提出，并在1010年内经过许多科学家的补充年内经过许多科学家的补充和修正得以逐步完善。和修正得以逐步完善。Lac操纵子转录时，转录时，RNA聚合酶首

12、先与启动区聚合酶首先与启动区(promoter,P)结合，通过操纵区结合，通过操纵区(operator,O)向右转录。转录从向右转录。转录从O区的中间开始，按区的中间开始，按ZYA方向进行，方向进行，每次转录出来的一条每次转录出来的一条mRNA上都带有这上都带有这3个基因。转录的调控是启动区个基因。转录的调控是启动区和操纵区进行的和操纵区进行的。lacIlacZlacYlacA104 105 104 104 蛋白质蛋白质二聚体二聚体四聚体四聚体膜蛋白膜蛋白二聚体二聚体105105104104功能功能阻遏子阻遏子-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LacLac操纵子的组成操

13、纵子的组成 Z Z编码编码-半乳糖苷酶；半乳糖苷酶；-半乳糖苷酶是一种半乳糖苷酶是一种-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄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，还能水解其他糖和半乳糖外，还能水解其他-半乳糖苷（如苯半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。基半乳糖苷）。Y Y编码编码-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；-半乳糖苷透过酶半乳糖苷透过酶的作用是使外界的的作用是使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。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。-半乳糖苷乙半乳糖苷乙酰基

14、转移酶的作用是把乙酰辅酶酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A A上的乙酰基转到上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。1 1 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 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，laclac+基基因型大肠杆菌细胞内因型大肠杆菌细胞内-半乳糖苷酶和透过酶的浓度半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低，每个细胞大约只有很低，每个细胞大约只有1-21-2个酶分子。如果在培养个酶分子。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基中加入乳糖，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

15、可有超过，每个细胞中可有超过10105 5个酶分子个酶分子。加入乳糖加入乳糖去掉乳糖去掉乳糖510时间时间/min1.00.5LacmRNA-半乳糖苷酶半乳糖苷酶透过酶透过酶lacmRNA或或-半乳糖苷酶半乳糖苷酶和透过酶和透过酶的变化的变化/相对单位相对单位图图6-7 6-7 laclac体系的体系的“开开-关关”特性特性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3535S S标标记的氨基酸但没有任何半乳糖诱导物的培养基中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，然后再将这些带有放射活性的细菌转繁殖几代，然后再将这些带有放射活性的细菌转移到不含移到不含35

16、35S S、无放射性的培养基中，随着培养基、无放射性的培养基中，随着培养基中诱导物的加入，中诱导物的加入，-半乳糖苷酶便开始合成。分半乳糖苷酶便开始合成。分离离-半乳糖苷酶，发现这种酶无半乳糖苷酶，发现这种酶无3535S S标记。说明标记。说明酶的合成不是由前体转化而来的，而是加入诱导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。物后新合成的。诱导物的作用是诱导新酶的合成诱导物的作用是诱导新酶的合成已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况下都能已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况下都能产生产生lac mRNAlac mRNA的突变体，这种失去调节能力的突的突变体，这种失去调节能力的突变体

17、称为变体称为永久型突变体永久型突变体，分为两类：，分为两类：I I型和型和O O型。型。I型：野生型为型：野生型为I+，突变型为，突变型为I-O型：野生型为型：野生型为O+，突变型为，突变型为Oc。I I+II-或或O O+OOc c后，后，Z Z、Y Y、A A结构基因均表现结构基因均表现为永久表达，所以为永久表达，所以I I基因被称为基因被称为调节基因调节基因(regulatory gene)(regulatory gene)。研究发现，。研究发现，I I基因是基因是一个产生阻遏物的调节基因，其产物使体一个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系关闭。系关闭。I I-突变体由于不能产生阻遏物，使

18、突变体由于不能产生阻遏物，使细胞成为细胞成为laclac永久表达型。永久表达型。I I-/I/I+局部二倍体局部二倍体由于带有一个正常阻遏物，使细胞中的由于带有一个正常阻遏物，使细胞中的laclac仍然被抑制。仍然被抑制。遗传学图谱分析指出，遗传学图谱分析指出，O Oc c突变位于突变位于I I与与Z Z之间，所以，之间，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O Oc c突变代表突变代表DNADNA链上的一个位点或一个非编码链上的一个位点或一个非编码区域，而不是一个基因

19、，因为可编码的基区域，而不是一个基因，因为可编码的基因具有互补性，而因具有互补性，而O Oc c没有这一特性。没有这一特性。O O决定决定相邻相邻Z Z基因的产物是诱导型合成还是永久型基因的产物是诱导型合成还是永久型合成，合成，O O区域称为区域称为操纵基因操纵基因。2.2.操纵子模型操纵子模型 JacobJacob和和MonodMonod认为认为诱导酶（他们当时称诱导酶（他们当时称为适应酶）现象是个为适应酶）现象是个基因调控问题，可以基因调控问题，可以用实验方法进行研究，用实验方法进行研究，因此选为突破口，终因此选为突破口，终于通过大量实验及分于通过大量实验及分析，建立了该操纵子析，建立了该

20、操纵子的控制模型。的控制模型。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分分子所编码。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），不能单独起动合成），不能单独起动合成-半半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。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

21、 mRNA的转录起的转录起始受到抑制。始受到抑制。诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，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，从而激发使之不能与操纵基因结合，从而激发lac mRNAlac mRNA的的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻合成。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遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNAmRNA的合成。的合成。（1 1）Lac Lac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达 因为诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物因为诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而运转诱导物需要透过酶。结合，而运转诱导物

22、需要透过酶。第一个诱第一个诱导物是如何到达细胞内的？导物是如何到达细胞内的？其次，人们发现乳糖并不与阻遏物结合，真正其次，人们发现乳糖并不与阻遏物结合，真正的诱导物是乳糖的异构体的诱导物是乳糖的异构体异构乳糖（葡糖异构乳糖（葡糖1,61,6半乳糖），而后者是在半乳糖），而后者是在-半乳糖苷酶的催半乳糖苷酶的催化下由乳糖生成的，因此乳糖诱导化下由乳糖生成的，因此乳糖诱导-半乳糖苷酶半乳糖苷酶需要有需要有-半乳糖苷酶的预先存在。半乳糖苷酶的预先存在。解释：解释：在非诱导状态下有少量（在非诱导状态下有少量（1-51-5个个mRNAmRNA分子）分子）lac mRNAlac mRNA合成，这种合成被称

23、为本底水平永久型合成，这种合成被称为本底水平永久型合成。合成。（2 2）大肠杆菌对乳糖的反应）大肠杆菌对乳糖的反应当大肠杆菌生长在以当大肠杆菌生长在以甘油为碳源的培养基上。甘油为碳源的培养基上。当加入乳糖。当加入乳糖。当乳糖被消耗完毕。当乳糖被消耗完毕。（3 3）阻遏物）阻遏物lacI基因产物及功能基因产物及功能操纵子阻遏物操纵子阻遏物mRNA是在弱启动子控制下是在弱启动子控制下永久型合成的，该阻遏蛋白有四个相同的亚基，永久型合成的，该阻遏蛋白有四个相同的亚基，每个亚基均含有每个亚基均含有347个氨基酸残基，并能与个氨基酸残基，并能与1分分子子IPTG结合。结合。（4 4）葡萄糖对）葡萄糖对l

24、aclac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 有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖或阿拉伯糖等诱导物，与其相对应的入乳糖、半乳糖或阿拉伯糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为这种现象称为葡萄糖效应葡萄糖效应或称或称降解物抑制作用降解物抑制作用。研究表明，葡萄糖对研究表明，葡萄糖对laclac操纵子表达的抑制作操纵子表达的抑制作用是间接的，因为存在一种大肠杆菌突变株，它正常用是间接的，因为存在一种大肠杆菌突变株，它正常的糖酵解过

25、程受阻，葡萄糖的糖酵解过程受阻，葡萄糖-6-6-磷酸不能转化为下一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步代谢中间物，该菌株能在有葡萄糖存在的情况下被诱导合成诱导合成lac mRNAlac mRNA。（5 5）cAMP cAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白 当葡萄糖和乳糖同时存在当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时，于培养基中时，laclac启动子表启动子表达受阻，没有达受阻，没有-半乳糖苷酶半乳糖苷酶活性；活性；当葡萄糖消耗完以后（图当葡萄糖消耗完以后（图中箭头处），细胞内中箭头处），细胞内cAMPcAMP浓度浓度增加，增加，-半乳糖苷酶活性被半乳糖苷酶活性被诱导

26、，一度停止生长的细胞又诱导，一度停止生长的细胞又恢复分裂。恢复分裂。如果将细菌放在缺乏碳源如果将细菌放在缺乏碳源的培养基中，细胞内的培养基中，细胞内cAMPcAMP浓度浓度就很高；若在含葡萄糖的培养就很高；若在含葡萄糖的培养基中培养，细菌中的基中培养，细菌中的cAMPcAMP浓度浓度就会很低；如果将细菌置于甘就会很低；如果将细菌置于甘油或乳糖等不进行糖酵解的碳油或乳糖等不进行糖酵解的碳源培养基中，细菌中源培养基中，细菌中cAMPcAMP的浓的浓度也会很高。度也会很高。0 50 100 1300.30.80.70.50.60.4150020005001000细胞总数半乳糖苷酶活性时间时间/min

27、 研究证实，葡萄糖所引起的代谢物抑研究证实，葡萄糖所引起的代谢物抑制现象的实质是该代谢物降低了细胞中制现象的实质是该代谢物降低了细胞中cAMPcAMP的含量。事实上，的含量。事实上，cAMP-CAPcAMP-CAP复合物是复合物是laclac体系的体系的positive regulatorpositive regulator，它们不能，它们不能代替代替lacIlacI和和lacOlacO的功能的功能(negative(negative regulator)regulator)。cAMP-CAP cAMP-CAP能与能与DNADNA相结合，造成双螺旋相结合，造成双螺旋弯曲，易于形成三元转录起始复

28、合物。弯曲，易于形成三元转录起始复合物。6.lac6.lac操纵子操纵子DNADNA的调控区域的调控区域 P P、O O区区 lac Plac P（启动子区）从（启动子区）从I I基因结束到基因结束到mRNAmRNA转录起始转录起始位点止，共长位点止，共长82bp82bp（-82-82+1+1）。）。O O区就是阻遏物结合区，位于区就是阻遏物结合区，位于P P区后半部分和转区后半部分和转录起始区（录起始区（-7-7+28+28），该区序列有对称性，其），该区序列有对称性，其对称中心点在对称中心点在+11+11位。位。P P区的区的cAMP-CAPcAMP-CAP结合区（结合区（-67-67-5

29、2-52）也有对称性，）也有对称性，其对称位点在其对称位点在-60-60-59-59之间。之间。7.7.laclac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题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、透过酶半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶的拷贝数比例为，这个比例在一定程及乙酰基转移酶的拷贝数比例为，这个比例在一定程度上反映了以度上反映了以-半乳糖苷作为唯一碳源时细胞的需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翻译水平上受要。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。到调节所致。lac mRNA lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离

30、，从而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决于每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基因更易受内切酶基因更易受内切酶作用发生降解，因此，在任何时候作用发生降解，因此，在任何时候Z Z基因的完整拷贝基因的完整拷贝数要比数要比A A基因多。基因多。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

31、operon)负责色氨酸的生负责色氨酸的生物合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子物合成，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，自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，trptrp基因表达，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（而不是诱导过程）中起作用。由于是诱导过程）中起作用。由于trptrp体系参与生物合成而体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CRPcAMP-CRP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。有步完成。有7 7个基因参与整个

32、过程。个基因参与整个过程。trpEtrpE、trpGtrpG编码邻氨基苯甲酸合酶，编码邻氨基苯甲酸合酶，trpFtrpF编码邻氨基编码邻氨基苯甲酸异构酶，苯甲酸异构酶，trpCtrpC编码吲哚甘油磷酸合酶，编码吲哚甘油磷酸合酶，trpDtrpD编编码邻氨基苯甲酸核糖转移酶，码邻氨基苯甲酸核糖转移酶，trpBtrpB、trpAtrpA编码色氨酸编码色氨酸合成酶的合成酶的亚基和亚基和亚基。亚基。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trpEtrpE紧邻的是紧邻的是启动子区和操纵区。另外，前导区和弱化子区分别启动子区和操纵区。另外，前导区和弱化子区分别被定名被定名t

33、rpLtrpL和和trpatrpa（不是（不是trpAtrpA）。）。trptrp操纵子中产生操纵子中产生阻遏物的基因是阻遏物的基因是trpRtrpR，该基因距，该基因距trptrp基因簇很远，后基因簇很远，后者在大肠杆菌染色体图上者在大肠杆菌染色体图上25min25min处，而前者则位于处，而前者则位于90min90min处。处。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，由于存在时，由于弱化子弱化子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核苷核苷酸的前导酸的前导RNARNA；当；当TrpTrp浓度较低时，弱化子不起作用

34、，浓度较低时，弱化子不起作用，转录得以正常进行，生成长约转录得以正常进行，生成长约7kb7kb的的mRNAmRNA，操纵子中，操纵子中第一个结构基因的起始密码子第一个结构基因的起始密码子AUGAUG在在+162+162处。处。1 1trptrp操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统 trpR trpR基因突变常引起基因突变常引起trp mRNAtrp mRNA的永久型合成，的永久型合成，该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白(aporepressor)(aporepressor)。除非培养基中有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会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

35、合。辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有与操纵区结合。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活性的阻遏物，与操纵区结合并使之关闭转录trp trp mRNAmRNA。阻遏阻遏-操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，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。主管转录是否启动，相当于粗调开关。trptrp操纵子中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调控是通过

36、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止来实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频率。的频率。2 2弱化子与前导肽弱化子与前导肽 在在trp mRNA 5trp mRNA 5端端trpEtrpE基因的起始密码前有一个基因的起始密码前有一个长长162bp162bp的的mRNAmRNA片段被称为前导区，研究发现，当片段被称为前导区，研究发现，当mRNAmRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，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，产生一个仅有转录总是在这个区域终止，产生一个仅有140140个核苷个核苷酸的酸的RNARN

37、A分子，终止分子，终止trptrp基因转录。因为转录终止发基因转录。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。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分析前导肽序列，发现它包括起始密码子AUGAUG和和终止密码子终止密码子UGAUGA，编码了一个，编码了一个1414个氨基酸的多肽。该个氨基酸的多肽。该多肽有一个特征，其第多肽有一个特征，其第1010位和位和1111位有相邻的两个色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

38、都有这种现象）调控了蛋氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有这种现象）调控了蛋白质的合成。白质的合成。当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的酸的tRNATrptRNATrp也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当密码子的速度就会很慢，当4 4区被转录完成时，核糖区被转录完成时，核糖体才进行到体才进行到1 1区（或停留在两个相邻的区（或停留在两个相邻的trptrp密码子处）密码子处），这时的前导区结构是，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配对的配对的终止结构，所以转录可继续进行，

39、直到将终止结构，所以转录可继续进行，直到将trptrp操纵子操纵子中的结构基因全部转录。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，在通过两个相邻的色氨酸密码子，在4 4区被转录之前就区被转录之前就到达到达2 2区，使区，使2-32-3区不能配对，区不能配对，3-43-4区自由配对形成基区自由配对形成基一环终止子结构，转录被终止，一环终止子结构，转录被终止，trptrp操纵子被关闭。操纵子被关闭。三、三、其他操纵子的调控机制其他操纵子的调控机制 1.1.半乳糖操纵子半乳糖操纵子 大肠杆菌半乳糖操纵子大肠杆菌半

40、乳糖操纵子(galactose operon)包括包括3 3个结构基因：个结构基因：异构酶异构酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，半乳糖半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose transferase,galT)，半乳糖激酶半乳糖激酶(galactose kinase,galk)。这这3 3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-1-磷酸。磷酸。galR与与galE、T、K及操纵区及操纵区O等离得很远，而等离得很远，而galR产物对产物对galO的作用与的作用与lacI-lacO的作用相同。的作用相同。galg

41、al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。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操纵子仍可被操纵子仍可被诱导。诱导。现已分离到一些突变株，其中一类突变现已分离到一些突变株，其中一类

42、突变株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合成半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（乳糖代谢酶类（galgal结构基因高效表达）；而结构基因高效表达）；而另一类突变株中另一类突变株中galgal基因的表达完全依赖于葡基因的表达完全依赖于葡萄糖，培养基中如无葡萄糖存在，这些细菌萄糖，培养基中如无葡萄糖存在，这些细菌的的galgal基因不表达，不合成半乳糖代谢酶类。基因不表达，不合成半乳糖代谢酶类。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，可以的启动子，可以分别起始分别起始

43、mRNAmRNA的合成。每个启动子拥有各自的合成。每个启动子拥有各自的的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的结合的结合需要半乳糖、需要半乳糖、CRPCRP和较高浓度的和较高浓度的cAMPcAMP。从。从S2S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的cAMP-CRPcAMP-CRP能抑制由这个启动子起始的转录。能抑制由这个启动子起始的转录。当有当有cAMP-CRPcAMP-CRP时，转

44、录从时，转录从S1S1开始，当无开始，当无cAMP-CRPcAMP-CRP时，转录从时，转录从S2S2开始。开始。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相关的物质-尿苷二磷酸半乳糖（尿苷二磷酸半乳糖（UDPgalUDPgal）是大肠杆）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，菌细胞壁合成的前体。在没有外源半乳糖的情况下，UDP-galUDP-gal是通过是通过半乳糖差向异构酶半乳糖差向异构酶的作用由的作用由UDP-UDP-葡萄葡萄糖合成的

45、，该酶是糖合成的，该酶是galEgalE基因的产物。生长过程中的所基因的产物。生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。现在设想只有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。现在设想只有有S1S1一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于cAMP-CRPcAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时就不能合成异，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构酶。假如唯一的启动子是S2S2，那么，即使在葡萄糖，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

46、论从必要性或经济性考虑，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都需要一个不依赖于cAMP-CAPcAMP-CAP的启动子（的启动子（S1S1）对高水）对高水平合成进行调节。平合成进行调节。2 2 阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子 阿拉伯糖阿拉伯糖(arabinose)(arabinose)是另一个可以为代谢提供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碳源的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3 3个基因：个基因：araBaraB、araAaraA和和araDaraD，分别编码，分别编码3 3个酶：个酶：araB araB基因编码基因编码核酮糖

47、激酶核酮糖激酶，araA araA编码编码L-L-阿拉伯糖异构酶阿拉伯糖异构酶，araD araD编码编码L-L-核酮糖核酮糖-5-5-磷酸磷酸-4-4-差向异构酶差向异构酶。与与araBADaraBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因个调节基因araCaraC，这个，这个AraCAraC蛋白同时显示正、负调蛋白同时显示正、负调节因子的功能。节因子的功能。AraBADAraBAD和和araCaraC基因的转录是分别在基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的。在标准的遗传学图两条链上以相反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上，谱上，araBADaraB

48、AD基因簇从启动子基因簇从启动子PBADPBAD开始向左进行转开始向左进行转录，而录，而araCaraC基因则是从基因则是从PcPc向右转录。向右转录。AraC AraC蛋白作为蛋白作为P PBADBAD活性正、负调节因子的双重功活性正、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。能是通过该蛋白的两种异构体来实现的。PrPr是起阻是起阻遏作用的形式，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位遏作用的形式，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，而点相结合，而PiPi是起诱导作用的形式，它通过与是起诱导作用的形式，它通过与P PBADBAD启动子结合进行调节。在没有阿拉伯糖时，启动子结合进行调节。

49、在没有阿拉伯糖时，PrPr形式形式占优势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与占优势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与AraCAraC蛋蛋白结合，使平衡趋向于白结合，使平衡趋向于PiPi形式。这样，阿拉伯糖的形式。这样，阿拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与PrPr的结合，使的结合，使PrPr离开它的结合位点，然后，产生大量的离开它的结合位点，然后，产生大量的PiPi，并与启，并与启动子结合。动子结合。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没有没有与操纵区位点相结合，与操纵区位点相结合，AraCAraC蛋白处于蛋白处于P

50、rPr形式并与形式并与A A位位点结合，点结合，RNARNA聚合酶很少再与聚合酶很少再与PcPc结合，结合，araCaraC基因虽然基因虽然仍有转录，但受到抑制，只有少量仍有转录，但受到抑制，只有少量 AraC AraC蛋白形成，蛋白形成，整个系统几乎处于静止状态。整个系统几乎处于静止状态。没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖，因为没有诱导没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖，因为没有诱导物，尽管有物，尽管有cAMP-CAPcAMP-CAP与操纵区位点相结合，与操纵区位点相结合，AraCAraC蛋蛋白仍以白仍以PrPr形式为主，无法与操纵区形式为主，无法与操纵区B B位点相结合，无位点相结合，无araBAD mR