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1、分子生物学第1页，本讲稿共158页第六章第六章 基因表达的调控（上）基因表达的调控（上）1原核生物基因表达调控原理原核生物基因表达调控原理 1.1 启动子与转录起始启动子与转录起始 1.1.1 启动子的基本结构启动子的基本结构1.1.2 启动子对转录起始的调节启动子对转录起始的调节1.1.3 增强子对转录起始的调节增强子对转录起始的调节1.1.4 因子对转录起始的调控因子对转录起始的调控1.1.5 环状腺苷酸受体蛋白对转录的调控环状腺苷酸受体蛋白对转录的调控第2页，本讲稿共158页1.2 操纵子调控模型操纵子调控模型1.2.1 操纵子基因表达调控的基本原理操纵子基因表达调控的基本原理1.2.1

2、.1 操纵子学说操纵子学说1.2.1.2 正调控与负调控正调控与负调控1.2.2 乳糖操纵子乳糖操纵子1.2.2.1 lac基因的诱导表达基因的诱导表达1.2.2.2 lac操纵子模型操纵子模型1.2.2.3 lac操纵子的正调控操纵子的正调控第3页，本讲稿共158页1.2.3 半乳糖操纵子半乳糖操纵子1.2.3.1 cAMP-CAP对对gal启动子的作用启动子的作用1.2.3.2 双启动子的生理功能双启动子的生理功能1.2.3.3 gal阻遏蛋白的作用阻遏蛋白的作用1.2.4 阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子1.2.5 色氨酸操纵子色氨酸操纵子1.2.5.1 trp操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系

3、统1.2.5.2 弱化子的调控系统弱化子的调控系统第4页，本讲稿共158页1.2.6 噬菌体操纵子噬菌体操纵子 1.2.6.1 噬菌体的溶原和溶菌途径噬菌体的溶原和溶菌途径1.2.6.2 噬菌体的基因组及调控蛋白噬菌体的基因组及调控蛋白1.2.6.3 溶菌途径的建立溶菌途径的建立1.2.6.4 溶原途径的建立溶原途径的建立1.3 翻译水平的调控翻译水平的调控 1.3.1 稀有密码子对翻译的影响稀有密码子对翻译的影响 1.3.2 重叠基因对翻译的影响重叠基因对翻译的影响第5页，本讲稿共158页1.3.3 终止子对翻译的影响终止子对翻译的影响1.3.4 翻译的阻遏翻译的阻遏1.3.5 RNA高级结

4、构对翻译的影响高级结构对翻译的影响1.3.6 反义反义RNA对翻译的影响对翻译的影响1.3.7 魔斑核苷酸水平对翻译的影响魔斑核苷酸水平对翻译的影响第6页，本讲稿共158页第六章第六章 基因表达的调控基因表达的调控 n我我们们知知道道，所所有有生生物物的的遗遗传传信信息息都都是是以以基基因因的的形形式式储储藏藏在在DNA（或或RNA）分分子子中中的的。随随着着个个体体的的发发育育，DNA分分子子能能有有序序地地将将其其所所承承载载的的遗遗传传信信息息通通过过密密码码子子与与反反密密码码子子系系统统转转变变成成蛋蛋白白质质分分子子，执执行行各各种种生生理生化功能，完成生命的全过程。理生化功能，完

5、成生命的全过程。第7页，本讲稿共158页n我我们们把把从从DNA到到蛋蛋白白质质的的过过程程称称为为基基因因表表达达，对对这个过程的调节就称为基因表达调控。这个过程的调节就称为基因表达调控。n基基因因表表达达的的调调控控是是现现阶阶段段分分子子生生物物学学研研究究的的中中心心课课题题。要要了了解解动动、植植物物生生长长发发育育的的规规律律、形形态态结结构构特特征征和和生生物物学学功功能能，就就必必须须弄弄清清楚楚基基因因表表达达调调控控的的时时间和空间概念，掌握基因表达调控的秘密。间和空间概念，掌握基因表达调控的秘密。第8页，本讲稿共158页n原原核核生生物物和和单单细细胞胞真真核核生生物物直

6、直接接暴暴露露在在变变幻幻莫莫测测的的环环境境中中，食食物物供供应应毫毫无无保保障障，只只有有根根据据环环境境条条件件的的改改变变合合成成不不同同的的蛋蛋白白质质，使使代代谢谢过过程程适适应应环环境境的的变变化化，才才能能维维持持自自身身的的生生存存和和繁繁衍衍。高高等等真真核核生生物物代代谢谢途途经经和和食食物物来来源源比比较较稳稳定定，但但由由于于它它们们是是多多细细胞胞有有机机体体，在在个个体体发发育育过过程程中中出出现现细细胞胞分分化化，形形成成各各种种组组织织和和器器官官，而而不不同同的的细细胞胞所所合合成成的的蛋蛋白白质质在在质质和和量量上上是是不不同同的的，而而且且在在不不同同的

7、的发发育育过程中表达不同的基因，合成不同的蛋白质。过程中表达不同的基因，合成不同的蛋白质。第9页，本讲稿共158页n因因此此，不不论论是是原原核核生生物物还还是是真真核核生生物物都都有有一一套套准准确确的的调调节基因表达和蛋白质合成的机制。节基因表达和蛋白质合成的机制。n基基因因表表达达的的调调控控主主要要表表现现为为：转转录录水水平平上上的的调调控控；mRNA加加工工成成熟熟水水平平上上的的调调控控；翻翻译译水水平平上上的的调控等等。调控等等。第10页，本讲稿共158页n基基因因调调控控的的指指挥挥系系统统也也是是多多样样的的，不不同同的的生生物物使使用用不不同的信号来指挥基因调控。同的信号

8、来指挥基因调控。n原原核核生生物物中中，营营养养状状况况和和环环境境因因素素对对基基因因表表达达的的调调控控有着举足轻重的影响。有着举足轻重的影响。n真真核核生生物物尤尤其其是是高高等等真真核核生生物物中中，激激素素水水平平和和发发育育阶阶段段是是基基因因表表达达调调控控的的最最主主要要手手段段，营营养养和和环环境境因因素的影响力大为下降。素的影响力大为下降。第11页，本讲稿共158页n到到目目前前为为止止，原原核核生生物物基基因因表表达达调调控控的的研研究究已已经经相相当当彻彻底底，许许多多问问题题已已经经解解决决，而而对对真真核核生生物物基基因因表表达达调调控控的的研研究究还还刚刚刚刚开开

9、始始，不不少少情情况况下下人人们们只只能能以以原原核核生生物物中中学学到到的的知知识识来来推推测测真真核核生生物物的的机机理理。其其次次，为为了了更更好好地地了了解解真真核核生生物物基基因因调调控控机机理理的的复复杂杂性性，也也很很有有必必要要看看看看原原核核生生物物的的情情况况。所所以以在在这这一一章章中中我我们们先先介介绍绍原原核核生生物物基基因因表表达达的的调控。调控。第12页，本讲稿共158页1 1原核生物基因表达调控原理原核生物基因表达调控原理 n原原核核生生物物细细胞胞的的基基因因和和蛋蛋白白质质种种类类较较少少，如如大大肠肠杆杆菌菌基基因因组组约约为为4106bp，假假如如平平均

10、均每每个个基基因因长长1000bp，一一个个细细胞胞就就有有4000个个左左右右的的基基因因，能能合合成成4000种种左左右右的的蛋蛋白白质质。据据估估计计，一一个个细细胞胞中中总总共共含含有有107个个蛋蛋白白质质分分子子，如如果果每每个个基基因因都都等等同同翻翻译译的的话话，任任何何一一个个多多肽肽应应有有2500个个拷拷贝贝，但但是是这些蛋白质并不是以相同拷贝数存在于细胞中的。这些蛋白质并不是以相同拷贝数存在于细胞中的。第13页，本讲稿共158页n有有些些蛋蛋白白质质的的数数目目相相当当固固定定。例例如如，每每个个大大肠肠杆杆菌菌细细胞胞可可以以有有约约15000个个核核糖糖体体，与与其

11、其结结合合的的约约50种种核核糖糖体体蛋蛋白白质质数数量量是是十十分分稳稳定定的的。糖糖分分解解体体系系的的酶酶含含量量很很大大，其其数数目目也也极极恒恒定定。此此外外，DNA聚聚合合酶酶、RNA聚聚合合酶酶等等都都有有是是代代谢谢过过程程中中十十分分必必需需的的酶酶或或蛋蛋白白质质，其其合合成成速速率不受环境变化或代谢状态的影响。率不受环境变化或代谢状态的影响。l在正常情况下经常合成的蛋白质称为永久型蛋白质。在正常情况下经常合成的蛋白质称为永久型蛋白质。第14页，本讲稿共158页n另另一一类类蛋蛋白白质质的的合合成成速速率率明明显显受受环环境境的的影影响响。例例如如，一一般般情情况况下下，一

12、一个个大大肠肠杆杆菌菌中中只只有有15个个分分子子的的-半半乳乳糖糖苷苷酶酶，但但若若将将细细胞胞培培养养在在只只含含乳乳糖糖的的培培养养基基中中，每每个个细细胞胞中中这这种种酶酶的的数数量量可可高高达达几几万万个个分分子子。其其他他糖糖代代谢谢的的酶酶、氨氨基基酸酸、核核苷苷酸酸合合成成系系统统的的酶酶类类，其其合合成成速速度度和和总总量量也也都随培养条件的变化而改变。都随培养条件的变化而改变。l合合成成速速率率明明显显受受环环境境的的影影响响蛋蛋白白质质称称为为适适应应型型或或调调节节型蛋白质。型蛋白质。第15页，本讲稿共158页n细细菌菌所所利利用用的的调调节节机机制制主主要要是是转转录

13、录水水平平的的调调控控，即即一一个个体体系系的的基基因因在在需需要要时时被被打打开开，大大量量合合成成mRNA，从从而而合合成大量的蛋白质；不需要时被关闭。成大量的蛋白质；不需要时被关闭。n所所谓谓关关闭闭并并不不是是说说干干脆脆不不合合成成mRNA，而而是是只只合合成成极极少少量量的的mRNA，常常常常是是每每个个世世代代每每个个细细胞胞只只合合成成12个个mRNA分子，因而可合成少量的蛋白质。分子，因而可合成少量的蛋白质。第16页，本讲稿共158页u 1.1 启动子与转录起始启动子与转录起始 n转转录录是是基基因因表表达达的的关关键键性性步步骤骤。在在RNA聚聚合合酶酶作作用用下下，转转录

14、录从从一一个个特特异异的的起起点点开开始始，按按照照碱碱基基配配对对原原则则准准确确地地转转录录DNA序列，到特异的终止部位结束，合成出一条序列，到特异的终止部位结束，合成出一条RNA链。链。n为为RNA聚聚合合酶酶提提供供识识别别、结结合合和和开开始始转转录录信信号号的的一一段段DNA序序列列称称为为启启动动子子（promoter）。提提供供转转录录终终止止信信号号的的一一段段DNA序序列列称称为为终终止止子子（terminator）。从从启启动动子子开开始始到到终终止子结束的止子结束的DNA序列称为转录单元。序列称为转录单元。n在细菌中，一个转录单元可以是一个基因，也可以是几个基因。在细菌

15、中，一个转录单元可以是一个基因，也可以是几个基因。第17页，本讲稿共158页n转转录录是是由由RNA聚聚合合酶酶催催化化完完成成的的。原原核核生生物物的的RNA聚聚合合酶酶全全酶酶由由五五个个亚亚基基组组成成，可可表表示示为为“2”。没没有有因因子子的的酶酶叫叫做做核核心心酶酶，可可表表示示为为“2”。因因子子（亚亚基基）的的功功能能在在于于识识别别启启动动子子，并并使使RNA聚聚合合酶酶全全酶酶能能稳稳定定地地结结合合到到DNA的的启启动动子子上上。单单独独的的核核心心酶酶也也能能与与DNA结结合合，但但不不能能找找到到模模板板DNA上上的的起起始始位位点点，因因为为没没有有固固定定的的起起

16、始始位位点点，而而且且两两条条链链都都可可以以作作为为模模板板，所所以以合合成成的的产产物物是是不均一的。不均一的。第18页，本讲稿共158页n因因子子能能够够改改变变RNA聚聚合合酶酶与与DNA之之间间的的亲亲合合力力，它它极极大大地地减减少少了了酶酶与与一一般般序序列列的的结结合合常常数数和和停停留留时时间间，同同时时又又极极大大地地增增加加了了酶酶与与DNA启启动动子子的的结结合合常常数数和和停停留留时时间间。这这样样就就使使得得全全酶酶能能迅迅速速地地找找到到启启动动子子并并与与之之相相结结合合。所所以以，只只有有带带有有因因子子的的全全酶酶才才能能专专一一地地与与DNA上上的的启启动

17、动子子结结合合，选选择择其其中中一一条条链链作作模模板板，合合成成均均一一的的产产物物。因因子子的的作作用用也也只只是是起起始始而而已已，一一旦旦转转录录开开始始，它它就就离离开开了了起起始复合物，而由核心酶负责始复合物，而由核心酶负责RNA链的延伸。链的延伸。n因因此此，全全酶酶的的作作用用是是选选择择和和起起始始，核核心心酶酶的的作作用用是是链链的的延延长。长。第19页，本讲稿共158页n转转录录的的起起始始是是基基因因表表达达的的关关键键阶阶段段，这这一一阶阶段段的的重重要要问问题是题是RNA聚合酶与启动子的相互作用。聚合酶与启动子的相互作用。n启启动动子子的的结结构构影影响响了了它它与

18、与RNA聚聚合合酶酶的的亲亲合合力力，从从而而影影响基因的表达水平。响基因的表达水平。n许许多多调调控控因因素素也也正正是是通通过过改改变变启启动动子子与与RNA聚聚合合酶酶的亲合力来调控基因表达的的亲合力来调控基因表达的。第20页，本讲稿共158页u 1.1.1 启动子的基本结构启动子的基本结构 n启启动动子子是是RNA聚聚合合酶酶的的识识别别和和结结合合区区，其其结结构构直直接接关关系系到到转录的效率。转录的效率。nPribnow设设计计的的实实验验证证明明了了启启动动子子的的结结构构特特征征：让让RNA聚聚合合酶酶全全酶酶与与DNA结结合合后后，用用DNase水水解解DNA，然然后后用用

19、苯苯酚酚抽抽提提，沉沉淀淀纯纯化化后后得得到到一一段段被被RNA聚聚合合酶酶保保护护下下来来的的DNA片片段段，再再对对此此片片段段进进行行序序列列分分析析和和比比较较。Pribnow以以及及其其他他一一些些科科学学家家经经过过多多年年的的努努力力，分分析析比比较较了了几几十十种种大大杆杆肠肠启启动动子子和和多多种种噬噬菌菌体体的的启启动动子子序序列列，证证实实原原核核生生物物的的所有启动子都有两段共同序列，即所有启动子都有两段共同序列，即-10序列和序列和-35序列。序列。第21页，本讲稿共158页n通通常常将将转转录录起起点点的的第第一一个个核核苷苷酸酸以以+1来来表表示示，从从近近到到远

20、远以以正正数数计计，称称为为下下游游；起起点点前前一一个个核核苷苷酸酸以以-1来来表表示示，从从近近到远以负数计，称为上游。到远以负数计，称为上游。n大大肠肠杆杆菌菌的的-10处处有有一一个个6bp的的保保守守序序列列TATAAT，称称为为Pribnow框框或或-10序序列列，-35处处又又有有一一个个6bp的的保保守守序序列列TTGACA，称为识别区域或，称为识别区域或-35序列。序列。第22页，本讲稿共158页n实实验验证证明明，-35序序列列的的突突变变将将降降低低RNA聚聚合合酶酶与与启启动动子子结结合合的的速速度度，但但不不影影响响转转录录起起点点附附近近DNA的的解解链链速速度度；

21、而而-10序序列列的的突突变变不不影影响响RNA聚聚合合酶酶与与启启动动子子结结合合的的速速度度，可是会降低可是会降低DNA的解链速度。的解链速度。n因因此此认认为为：-35-35序序列列是是RNARNA聚聚合合酶酶的的结结合合部部位位，RNARNA聚聚合合酶酶与与启启动动子子结结合合的的强强弱弱程程度度就就取取决决于于该该序序列列的的变变化化。而而-10-10序序列列是是DNADNA的的解解链链部部位位，-10-10序序列列含含有有较较多多的的A A、T T碱碱基基对对，因而从此位置解链所需要的能量比较低。因而从此位置解链所需要的能量比较低。第23页，本讲稿共158页u 1.1.2 启动子对

22、转录起始的调节启动子对转录起始的调节 n启启动动子子的的核核苷苷酸酸序序列列影影响响着着RNARNA聚聚合合酶酶与与启启动动子子的的亲亲合合力，从而直接影响着转录的起始频率。力，从而直接影响着转录的起始频率。l例例如如，在在大大肠肠杆杆菌菌中中，有有些些基基因因每每秒秒钟钟可可转转录录1次次，而而另另一一些些基基因因每每代代才才转转录录1次次。这这种种转转录录起起始始频频率率的的不不同同，归归因因于于启启动动子子序序列列的的差差异异，在在没没有有调调节节蛋蛋白白的的情情况况下下，不不同同核核苷苷酸酸序序列列的的启启动动子子启启动动转转录录的的频频率相差率相差1 000倍以上。倍以上。第24页，

23、本讲稿共158页n这这样样就就存存在在着着强强弱弱启启动动子子之之分分，在在基基因因工工程程操操作作中中，为为了了提提高高外外源源基基因因在在宿宿主主细细胞胞中中的的表表达达水水平平，一一般般采采用用强强启启动动子子，如如一一些些原原核核表表达达载载体体中中的的T7启启动动子子、Lac启动子等都是较强的启动子。启动子等都是较强的启动子。n此此外外，启启动动子子的的核核苷苷酸酸序序列列还还影影响响转转录录起起始始的的准准确确性性。启启动动子子突突变变不不仅仅影影响响转转录录效效率率，某某些些突突变变还还可可能使正确转录本的得率大大降低。能使正确转录本的得率大大降低。第25页，本讲稿共158页u在

24、细菌中常见两种启动子突变。在细菌中常见两种启动子突变。n一一种种叫叫下下降降突突变变，可可降降低低转转录录水水平平，甚甚至至丧丧失失转转录录功能。功能。n例例如如把把-10序序列列从从TATAAT变变成成AATAAT就就会会大大大大降降低低其其结构基因的转录水平。结构基因的转录水平。n另另一一种种叫叫上上升升突突变变，这这种种突突变变是是增增加加-10序序列列的的同同源源性。性。n例例如如，在在乳乳糖糖操操纵纵子子中中，将将其其-10序序列列从从TATGTT变变成成TATAAT，就就会会提提高高启启动动子子的的效效率率，提提高高乳乳糖糖操操纵纵子子的的转录水平。转录水平。第26页，本讲稿共15

25、8页n启动子保守序列之间的距离也影响着转录的起始频率。启动子保守序列之间的距离也影响着转录的起始频率。n原原核核生生物物强强启启动动子子的的-10和和-35区区域域之之间间的的间间隔隔为为171bp，增增大大或或减减小小明明显显影影响响启启动动子子的的强强度度。这这可可以以解解释释为为-35区区相相对对-10区区旋旋转转所所产产生生的的超超螺螺旋旋发发生生了了改改变变，增增减减一一个个bp会会使使两两者者之之间间的的夹夹角角发发生生36的的改改变变。在在这这情情况况下下，要要使使酶酶与与DNA在在这这个个区区域域内内具具有有正正确确的的取取向向，则则必必须须使使二二者者之之一一发发生扭曲，这就

26、需要增加结合自由能。生扭曲，这就需要增加结合自由能。n所所以以，保保持持启启动动子子这这两两个个区区段段序序列列和和它它们们之之间间的的距距离离是是十十分分重重要的，否则就会改变它所控制基因的表达。要的，否则就会改变它所控制基因的表达。第27页，本讲稿共158页u 1.1.3 增强子对转录起始的调节增强子对转录起始的调节 n近近年年来来还还发发现现了了与与转转录录起起始始有有关关的的另另一一序序列列。这这个个序序列列是是1980年年首首先先在在SV40的的转转录录单单元元上上发发现现的的，位位于于转转录录起起始始点点上上游游约约200bp处处有有两两段段72 bp长长的的重重复复序序列列，它它

27、能能增增强强转转录录的的起起始始，除除去去这这两两段段序序列列会会大大大大降降低低细细胞胞内内的的转转录录水水平平，但但若若保保留留其其中中之之一或将其取出插至一或将其取出插至DNA分子的任何部位，转录都能保持正常。分子的任何部位，转录都能保持正常。n将这种能强化转录起始的序列称为增强子或强化子。将这种能强化转录起始的序列称为增强子或强化子。第28页，本讲稿共158页n除除SV40外外，还还在在反反转转录录病病毒毒基基因因和和真真核核生生物物的的免免疫疫球球蛋蛋白白基基因因、胰胰岛岛素素基基因因、胰胰糜糜乳乳蛋蛋白白酶酶基基因因等等许许多多基基因因中中陆陆续发现了增强子的存在。续发现了增强子的

28、存在。n有有实实验验证证明明，若若把把-珠珠蛋蛋白白基基因因置置于于带带72bp序序列列的的DNA分分子子上上，发发现现它它在在体体内内的的转转录录水水平平可可提提高高200倍倍，这这段段72 bp序序列列被被放放在在转录起始点上游转录起始点上游1 400 bp或下游或下游3 300 bp处，仍具有增强作用。处，仍具有增强作用。n所以，增强子的作用可能不受位置的影响。所以，增强子的作用可能不受位置的影响。n当当然然，也也不不是是所所有有的的启启动动子子都都对对增增强强子子敏敏感感，-珠珠蛋蛋白白基基因的启动子不受因的启动子不受SV40的的72 bp序列的影响。序列的影响。第29页，本讲稿共15

29、8页n增增强强子子的的作作用用机机制制还还不不清清楚楚，它它可可能能是是通通过过影影响响染染色色体体DNA蛋蛋白白质质结结构构或或改改变变超超螺螺旋旋的的密密度度而而改改变变模模板板的整体结构，来达到增强转录目的的。的整体结构，来达到增强转录目的的。第30页，本讲稿共158页u 1.1.4 因子对转录起始的调控因子对转录起始的调控 n因因 子子 是是 细细 菌菌 RNA聚聚 合合 酶酶 的的 一一 个个 亚亚 基基（全全 酶酶 形形 式式 为为：“2”），它它在在RNA聚聚合合酶酶与与启启动动子子的的特特异异性性结结合合过过程程中中起起了了极极其其重重要要的的作作用用。因因子子能能极极大大地地

30、增增加加RNA聚聚合合酶酶与与启启动动子子序序列列的的结结合合常常数数和和停停留留时时间间，能能极极大大地地降降低低酶酶与与DNA非非特特异异性性序序列列的的结结合合常常数数和和停停留留时时间间。由由于于电电荷荷作作用用，核核心心酶酶（可可表表示示为为：“2”）本本身身也也与与DNA也也有亲合力，但这种亲合力缺乏序列特性。有亲合力，但这种亲合力缺乏序列特性。第31页，本讲稿共158页n因因子子的的存存在在则则极极大大地地提提高高了了酶酶对对启启动动子子区区的的特特异异性性结结合合力力，同时又降低了与非特异性同时又降低了与非特异性DNA结合力。结合力。n实实验验证证明明，具具有有因因子子的的全全

31、酶酶与与非非特特异异性性DNA的的结结合合常常数数是是核核心心酶酶的的万万分分之之一一，全全酶酶与与非非特特异异性性DNA复复合合物物的的半半衰衰期期小小于于1s，而而核核心心酶酶与与非非特特异异性性DNA复复合合物物的的半半衰衰期期为为1h。实实验验还还发发现现，全全酶酶与与特特异异性性序序列列结结合合的的平平均均能能力力比比核核心心酶酶高高1000倍倍，全全酶酶与与启启动动子子复合物的半衰期为几小时。复合物的半衰期为几小时。n在在某某些些细细菌菌的的细细胞胞内内含含有有不不同同的的因因子子，它它们们能能识识别别不不同同的的启启动动子子，因因而而具具有有调调控控不不同同基基因因转转录录的的作

32、作用用，以以适适应应生生长长发发育育不不同同阶阶段和不同环境条件的要求。段和不同环境条件的要求。第32页，本讲稿共158页l例例如如，在在大大肠肠杆杆菌菌中中，由由rpoD基基因因编编码码的的70（右右上上角角数数字字代代表表相相对对分分子子质质量量，103）是是细细胞胞生生命命活活动动过过程程中中最最常常见见的的调调控控因因子子，由由rpoH基基因因编编码码的的32是是与与热热休休克克基基因因转转录录表表达达有有关关的的特特异异性性因因子子，而而rpoN基基因因编编码码的的54则则参参与与细细胞胞的的氮氮代代谢谢（表表5-1）。在在热热休休克克情情况况下下，70被被32所所取取代代，RNA聚

33、聚合合酶酶则则不不能能结结合合在在标标准准的的启启动动子子上上，却却特特异异的的结结合合在在另另一一类类控控制制热热休休克克反反应应基基因因的的启动子上，启动热休克反应。启动子上，启动热休克反应。第33页，本讲稿共158页u 1.1.5 环状腺苷酸受体蛋白对转录的调控环状腺苷酸受体蛋白对转录的调控 n环环状状腺腺苷苷酸酸（cAMP）受受体体蛋蛋白白（CRP）又又称称为为降降解解物物基基因因活活化化蛋蛋白白（分分解解代代谢谢物物激激活活蛋蛋白白，CAP）。CRP是是一一种种正正调调节节因因子子，当当它它与与启启动动子子结结合合后后，可可促促进进基基因因的的转转录录。但但它它与与启动子结合时必须要

34、有配体分子启动子结合时必须要有配体分子cAMP的存在。的存在。n例例如如，大大肠肠杆杆菌菌生生长长在在缺缺乏乏葡葡萄萄糖糖的的培培养养基基中中时时，cAMP合合成成量量增增加加（葡葡萄萄糖糖酵酵解解的的某某些些中中间间产产物物可可能能抑抑制制细细菌菌的的腺腺苷苷酸酸环环化化酶酶活活性性），cAMP与与CRP结结合合形形成成的的cAMP-CRP复复合合物物具具有有激激活活乳乳糖糖（lac）、半半乳乳糖糖（gal）和和麦麦芽芽糖糖（mal）等等启启动子的功能。动子的功能。第34页，本讲稿共158页nCRP是是由由两两个个相相同同的的亚亚基基组组成成的的二二聚聚体体，每每个个亚亚基基含含有有210个

35、个氨氨基基酸酸残残基基，分分为为两两个个结结构构域域。氨氨基基末末端端结结构构域域与与cAMP结结合合，羧羧基基末末端端结结构构域域与与DNA结结合合。cAMP的的结结合合能能提提高高CRP对对DNA的的亲亲合合力，而力，而CRP与启动子的结合是激活转录的必要条件。与启动子的结合是激活转录的必要条件。n研研究究表表明明，一一些些依依赖赖于于CRP的的启启动动子子缺缺乏乏一一般般启启动动子子所所具具有有的的典典型型的的-35区区序序列列特特征征，因因此此，大大肠肠杆杆菌菌RNA聚聚合合酶酶难难以以与与其其结结合合，而而CRP的的存存在在能能显显著著提提高高酶酶与与启启动动子子的的结结合合常常数数

36、。当当CRP与与乳乳糖糖启启动动子子结结合合后后，使使DNA做做90180的的弯弯曲曲，为为酶酶分分子子提提供供了了结结合合部位。部位。第35页，本讲稿共158页n另另一一方方面面，酶酶的的存存在在又又能能提提高高cAMP-CRP与与乳乳糖糖和和半半乳乳糖糖启启动动子子的的亲亲合合力力，在在cAMP存存在在的的情情况况下下，酶酶能能与与CRP共共沉沉淀淀，这些事实说明，酶与这些事实说明，酶与CRP可以发生相互作用。可以发生相互作用。n由由此此推推想想，CRP通通过过改改变变启启动动子子构构象象以以及及与与酶酶的的相相互互作作用用帮帮助助酶酶分分子子正正确确定定向向以以便便与与-10区区结结合合

37、，起起到到了了替替代代-35区功能的作用。区功能的作用。n此此外外，CRP还还能能抑抑制制RNA聚聚合合酶酶与与DNA中中其其他他位位点点的的结结合合，从而提高与某一特定启动子结合的概率。从而提高与某一特定启动子结合的概率。第36页，本讲稿共158页u 1.2.1 操纵子基因表达调控的基本原理操纵子基因表达调控的基本原理u1.2.1.1 操纵子学说操纵子学说n操操纵纵子子学学说说是是关关于于原原核核生生物物基基因因结结构构及及其其表表达达调调控控的的学学说说，它它是是由由法法国国巴巴斯斯德德研研究究所所的的著著名名科科学学家家Jacob和和Monod在在1961年年得得出出的的，并并在在10年

38、年内内经经过过许许多多科科学学家的补充和修正才得以逐步完善。家的补充和修正才得以逐步完善。第37页，本讲稿共158页n此此学学说说认认为为，在在细细菌菌中中，为为一一个个代代谢谢途途经经所所需需要要的的几几种种酶酶的的结结构构基基因因，可可沿沿DNA直直线线排排列列在在一一起起，并并受受一一个个共共同同的的启启动动基基因因和和操操纵纵基基因因的的控控制制，把把这这样样的的启启动动基基因因、操纵基因和结构基因可以看做一个单位，称为操纵子。操纵基因和结构基因可以看做一个单位，称为操纵子。n在在转转录录时时，RNA聚聚合合酶酶必必须须结结合合在在启启动动基基因因上上，通通过过操操纵纵基因才能转录结构

39、基因，从而合成多顺反子基因才能转录结构基因，从而合成多顺反子mRNA。n转录调控就是在启动基因和操纵基因上进行的。转录调控就是在启动基因和操纵基因上进行的。启动基因启动基因（P）操纵基因操纵基因（O）结构基因结构基因35RNA聚合酶聚合酶第38页，本讲稿共158页u 1.2.1.2 正调控与负调控正调控与负调控 n操操纵纵基基因因是是调调节节基基因因的的产产物物（调调节节蛋蛋白白）的的结结合合位位点点。调调节节基基因因的的产产物物有有两两类类：阻阻遏遏蛋蛋白白（阻阻遏遏物物）和激活蛋白（激活物）。和激活蛋白（激活物）。n阻阻遏遏蛋蛋白白与与DNA结结合合后后，使使转转录录处处在在关关闭闭状状态

40、态，称称为为负负调调控控。阻阻遏遏蛋蛋白白分分为为有有活活性性型型和和无无活活性性型型两两种种形形式式，前前者者可与可与DNA分子结合，后者则不能与分子结合，后者则不能与DNA分子结合。分子结合。第39页，本讲稿共158页n调调节节物物分分子子（信信号号分分子子，可可分分为为诱诱导导物物和和抑抑制制物物两两类类）可可改改变变阻阻遏遏蛋蛋白白的的构构象象和和性性质质：抑抑制制物物（辅辅阻阻遏遏物物，如如途途径径产产物物）与与无无活活性性的的阻阻遏遏蛋蛋白白结结合合后后，可可使使其其转转变变为为有有活活性性形形式式，从从而而关关闭闭基基因因的的转转录录；诱诱导导物物（如如途途径径的的底底物物）与与

41、有有活活性性的的阻阻遏遏蛋蛋白白结结合合后后，可可使使其其转转变变为为无无活活性性形形式式，从从而而开开启启基基因因的的转转录录。第40页，本讲稿共158页n激激活活蛋蛋白白与与DNA结结合合后后，使使转转录录处处在在开开启启状状态态，称称为为正正调调控控。激激活活蛋蛋白白也也分分为为有有活活性性型型和和无无活活性性型型两两种种形形式式。前者可与前者可与DNA分子结合，后者则不能与分子结合，后者则不能与DNA分子结合。分子结合。n激激活活蛋蛋白白的的构构象象和和性性质质也也受受调调节节物物分分子子的的影影响响：诱诱导导物物与与无无活活性性的的激激活活蛋蛋白白结结合合后后，可可使使其其转转变变为

42、为有有活活性性形形式式，从从而而开开启启基基因因的的转转录录；抑抑制制物物与与有有活活性性的的激激活活蛋蛋白白结结合合后后，可可使使其其转转变变为为无无活活性性形形式式，从从而而关闭基因的转录。关闭基因的转录。第41页，本讲稿共158页n在在降降解解代代谢谢途途经经中中，途途经经的的底底物物（如如乳乳糖糖操操纵纵子子中中的的乳乳糖糖）往往往往是是代代谢谢的的调调节节物物，它它决决定定着着是是否否合合成成途途经经中中的的各各种种酶酶。相相反反，在在合合成成代代谢谢中中，最最终终产产物物（如如色色氨氨酸酸操操纵子中的色氨酸）则往往是调节物。纵子中的色氨酸）则往往是调节物。第42页，本讲稿共158页

43、u 1.2.2 乳糖操纵子（乳糖操纵子（lactose operon）n大大肠肠杆杆菌菌乳乳糖糖操操纵纵子子包包括括3个个结结构构基基因因：Z、Y和和A，以以及启动子、操纵基因和调节基因（阻遏子）等。及启动子、操纵基因和调节基因（阻遏子）等。乙酰转移酶乙酰转移酶透过酶透过酶-半乳糖苷半乳糖苷酶酶阻遏蛋白阻遏蛋白功能功能二聚体二聚体6.0104膜蛋白膜蛋白3.0104四聚体四聚体5.0105三聚体三聚体1.14105蛋白质蛋白质3.0 1043.0 1041.25 1053.8104多肽多肽lacA825lacY780lacZ3510P O82lacI1040DNAmRNA第43页，本讲稿共15

44、8页n3个个结结构构基基因因各各决决定定一一种种酶酶：Z编编码码-半半乳乳糖糖苷苷酶酶；Y编编码码-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；A编码编码-半乳糖苷乙酰转移酶。半乳糖苷乙酰转移酶。n转转录录时时，RNA聚聚合合酶酶首首先先与与启启动动区区（P）结结合合，通通过过操操纵纵区区（O）向向右右转转录录。转转录录从从O区区的的中中间间开开始始，按按ZYA的的方方向向进进行行，每每次次转转录录出出的的一一条条mRNA上上都都带带有有这这3个个基基因因。转转录录的的调调控控是是在在启启动动区区和和操操纵纵区区进进行的。行的。第44页，本讲稿共158页n-半半乳乳糖糖苷苷酶酶是是一一种种-半半乳乳糖糖苷

45、苷健健的的专专一一性性水水解解酶酶，除除能能水水解解乳乳糖糖成成为为葡葡萄萄糖糖和和半半乳乳糖糖外外，还还能能催催化化乳乳糖糖异异构构化化成成为为异异构构乳乳糖糖。-半半乳乳糖糖苷苷透透过过酶酶的的作作用用是是使使外外界界的的-半半乳乳糖糖苷苷（如如乳乳糖糖）能能透透过过大大肠肠杆杆菌菌细细胞胞壁壁和和原原生生质质膜膜进进入入细细胞胞内内。所所以以大大肠肠杆杆菌菌如如果果以以乳乳糖糖为为碳碳源源或或能能源源的的话话，以以上上两两种种酶酶是是必必需需的的。-半半乳乳糖糖苷苷乙乙酰酰转转移移酶酶的的作作用用是是把把乙乙酰酰CoA上上的的乙乙酰酰基基转转移移到到-半半乳乳糖糖苷苷上上，形成乙酰半乳糖

46、，它在乳糖的利用中并非是必需的。形成乙酰半乳糖，它在乳糖的利用中并非是必需的。第45页，本讲稿共158页u 1.2.2.1 lac基因的诱导表达基因的诱导表达 n乳糖代谢体系的开启和关闭过程如下：乳糖代谢体系的开启和关闭过程如下：l 在在不不含含乳乳糖糖及及-半半乳乳糖糖苷苷的的培培养养基基中中，lac+基基因因型型大大肠肠杆杆菌菌细细胞胞内内-半半乳乳糖糖苷苷酶酶和和透透过过酶酶的的浓浓度度很很低低，每每个个细细胞胞内内大大约约只只有有12个个酶酶分分子子。但但是是，如如果果在在培培养养基基中中加加入入乳乳糖糖（但但无无葡葡萄萄糖糖存存在在），酶酶浓浓度度很很快快就就达达到到了了细细胞胞总总

47、蛋蛋白白量量的的6%或或7%，每每个个细细胞胞中中可可有有超超过过105个个酶分子。酶分子。第46页，本讲稿共158页l 在在有有乳乳糖糖而而无无葡葡萄萄糖糖的的培培养养基基上上，lac+细细菌菌的的-半半乳乳糖糖苷苷酶酶和和透透过过酶酶将将同同时时合合成成。进进一一步步用用32P标标记记的的mRNA与与模模板板DNA进进行行定定量量分分子子杂杂交交，表表明明培培养养基基中中加加入入乳乳糖糖12min后后，编编码码-半半乳乳糖糖苷苷酶酶和和透透过过酶酶的的lac mRNA量量就就明明显显迅迅速速增增加加。去去掉掉乳乳糖糖后后，lac mRNA量量立立即即下下降降到到几几乎乎无无法法检检测测的的

48、程程度度，表表明明乳乳糖糖确确实实能能激激发发lac mRNA的的合合成。成。第47页，本讲稿共158页第48页，本讲稿共158页l 如如果果将将葡葡萄萄糖糖和和乳乳糖糖同同时时加加入入到到培培养养基基中中，大大肠肠杆杆菌菌在在耗耗尽尽外外源源葡葡萄萄糖糖之之前前不不会会诱诱发发lac操操纵纵子子，这这是是因因为为，葡葡萄萄糖糖的的某某些些降降解解产产物物抑抑制制了了lac mRNA的的合合成成，没没有有lac mRNA的的合合成成，也也就就没没有有-半半乳乳糖糖苷苷酶酶产产生生，把把葡葡萄萄糖糖的的这这种种效效应应称称之之为为代代谢谢阻阻遏遏物物效效应。应。第49页，本讲稿共158页u 1.

49、2.2.2 lac操纵子模型操纵子模型 nlac操纵子已被人们广泛接受，其主要内容如下：操纵子已被人们广泛接受，其主要内容如下：lZ、Y、A基基因因的的产产物物由由同同一一条条多多顺顺反反子子mRNA分分子所编码。子所编码。l 这这个个mRNA分分子子的的启启动动子子（P）紧紧接接着着操操纵纵基基因因（O）区区，而而位位于于调调节节基基因因（I）与与O区区之之间间。该该启启动动子子不不能能单单独独起起动动合合成成-半半乳乳糖糖苷苷酶酶和和透透过过酶酶的的生生理过程。理过程。第50页，本讲稿共158页l操操纵纵基基因因是是DNA上上的的一一小小段段序序列列（仅仅为为26bp），是是阻阻遏物（阻遏

50、蛋白）的结合位点。遏物（阻遏蛋白）的结合位点。l当当阻阻遏遏物物与与操操纵纵基基因因结结合合时时，lac mRNA转转录录的的起起始始过程受到抑制。过程受到抑制。l 诱诱导导物物通通过过与与阻阻遏遏物物结结合合，改改变变它它的的三三维维构构象象，使使之之不不能能与与操操纵纵基基因因结结合合，从从而而激激发发lac mRNA的的合合成成。这这就就是是说说，有有诱诱导导物物存存在在时时，操操纵纵基基因因没没有有被被阻阻遏遏物物占占据据，所以启动子能够顺利起始所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。的合成。第51页，本讲稿共158页n这这一一简简单单模模型型解解释释了了lac体体系系及及其其它它负负调