原核生物的基因表达调控.ppt

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1、原核生物的基因表达调控现在学习的是第1页，共137页10.1原核基因表达调控概述原核基因表达调控概述10.2操纵子学说操纵子学说10.3乳糖操纵子乳糖操纵子10.4色氨酸操纵子色氨酸操纵子10.5阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子10.6组氨酸操纵子组氨酸操纵子10.7正调控系统和负调控系统正调控系统和负调控系统现在学习的是第2页，共137页 10.1 10.1 原核生物基因表达调控概述原核生物基因表达调控概述 基因表达调控是生物体内基因表达的基因表达调控是生物体内基因表达的调节控制机制，是细胞中基因表达的过程调节控制机制，是细胞中基因表达的过程在时间、空间上处于有序状态，并对环境在时间、空间上处于

2、有序状态，并对环境条件的变化作出适当反应的复杂过程。条件的变化作出适当反应的复杂过程。现在学习的是第3页，共137页 基因表达的调控可在多个层次上进基因表达的调控可在多个层次上进行，包括行，包括DNA(DNA(基因基因)水平、转录水平、水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后加工水转录后水平、翻译水平和翻译后加工水平的调控。平的调控。基因表达调控是生物体内细胞分化、基因表达调控是生物体内细胞分化、形态发生和个体发育的分子基础。形态发生和个体发育的分子基础。现在学习的是第4页，共137页10.1.1 10.1.1 基因表达调控的意义基因表达调控的意义 根据生物体的复杂程度，每个细胞中根据生物

3、体的复杂程度，每个细胞中的的DNADNA分子可以携带分子可以携带几千到几万几千到几万个基因不个基因不等。例如大肠杆菌是单细胞生物，它的等。例如大肠杆菌是单细胞生物，它的全基因组序列长全基因组序列长4104106 6 bpbp，假定一个基，假定一个基因约为因约为l0l03 3bp,bp,则一个大肠杆菌就有约则一个大肠杆菌就有约40004000个基因个基因,至少能编码至少能编码30003000多个蛋白质多个蛋白质.现在学习的是第5页，共137页低等的真核生物如酿酒酵母，基因组序低等的真核生物如酿酒酵母，基因组序列长为列长为1.3101.3107 7bpbp，携带大约，携带大约58005800个基因

4、，个基因，至少编码至少编码 5000 5000 多种蛋白质；多种蛋白质；更复杂的多细胞真核生物更复杂的多细胞真核生物(如人类如人类)，基，基因组长度约为因组长度约为3103109 9 bpbp，至少应编码几，至少应编码几万种蛋白质。万种蛋白质。现在学习的是第6页，共137页 但在对大肠杆菌各种蛋白质的相对细但在对大肠杆菌各种蛋白质的相对细胞含量分析表明，在每个细胞中有些蛋白胞含量分析表明，在每个细胞中有些蛋白质分子的数量不到质分子的数量不到1010个分子，而另一些蛋个分子，而另一些蛋白质却多达白质却多达5105105 5个分子，相差近个分子，相差近 5 5 万倍；万倍；现在学习的是第7页，共1

5、37页 说明在生物体生命活动中并不是所有的基说明在生物体生命活动中并不是所有的基因都同时表达；因都同时表达；代谢过程中所需要的各种酶和蛋白质基因代谢过程中所需要的各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的；正常情况下是经常表达的；现在学习的是第8页，共137页 而与生物发育过程有关的基因则要在特而与生物发育过程有关的基因则要在特定的时空才表达；定的时空才表达；还有许多基因被暂时的或永久的关闭而还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不表达，只在合适的时期才表达。不表达，只在合适的时期才表达。现在学习的是第9页，共137页即使细胞携

6、带着基本相同的基因，但同一有即使细胞携带着基本相同的基因，但同一有机体各个细胞的形态和功能都不一样，基因机体各个细胞的形态和功能都不一样，基因表达的水平也不尽相同。表达的水平也不尽相同。现在学习的是第10页，共137页正是因为生物体能够根据其本身固有的正是因为生物体能够根据其本身固有的遗传信息表达与调控，以及对环境的适遗传信息表达与调控，以及对环境的适应，才产生了各种特异功能的蛋白质分应，才产生了各种特异功能的蛋白质分子来体现生命现象和执行生物功能，使子来体现生命现象和执行生物功能，使得从低等到高等的生物界呈现出五彩缤得从低等到高等的生物界呈现出五彩缤纷的生命现象。纷的生命现象。现在学习的是第

7、11页，共137页10.1.2 10.1.2 原核基因表达调控的特点与方式原核基因表达调控的特点与方式 原核生物基因的表达调控存在于转录原核生物基因的表达调控存在于转录和翻译的每一步骤中。这种调控多以操纵和翻译的每一步骤中。这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达，既经济一起，同时开启或关闭基因表达，既经济有效，又保证其生命活动的需要。有效，又保证其生命活动的需要。现在学习的是第12页，共137页 细胞要控制各种蛋白质在不同时期细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：的表达水平，有两条途径：现在学习的是第

8、13页，共137页第一条途径是细胞控制从其第一条途径是细胞控制从其DNADNA模板上转模板上转录特异的录特异的mRNAmRNA的速度，这是生物在长期的速度，这是生物在长期的进化过程中自然选择的结果。这种控的进化过程中自然选择的结果。这种控制称为转录水平制称为转录水平(transcriptional(transcriptional level)level)的调控。的调控。大多数基因表达都属于转录水平的调控。大多数基因表达都属于转录水平的调控。现在学习的是第14页，共137页第二条途径是在第二条途径是在mRNAmRNA合成后，控制从合成后，控制从mRNAmRNA翻翻译成多肽链的速度。这种蛋白质合成

9、及基因表译成多肽链的速度。这种蛋白质合成及基因表达的控制称为翻译水平达的控制称为翻译水平(trans1a-tional(trans1a-tional level)level)的调控。的调控。现在学习的是第15页，共137页10.1.310.1.3原核基因表达调控的几个重要概念原核基因表达调控的几个重要概念1 1、细菌细胞对营养的适应、细菌细胞对营养的适应2 2顺式作用组件和反式作用因子顺式作用组件和反式作用因子3 3结构基因和调节基因结构基因和调节基因4 4操纵基因和阻遏蛋白操纵基因和阻遏蛋白5 5组成蛋白和调节蛋白组成蛋白和调节蛋白现在学习的是第16页，共137页 生长在以葡萄糖为惟一碳源的

10、细菌中的酶类生长在以葡萄糖为惟一碳源的细菌中的酶类至少有至少有600600800800种；种；1 1、细菌细胞对营养的适应、细菌细胞对营养的适应现在学习的是第17页，共137页降解葡萄糖第一步的酶、产生降解葡萄糖第一步的酶、产生ATP所需所需要的酶、与合成氨基酸与核苷酸有关的要的酶、与合成氨基酸与核苷酸有关的酶、用以构建细胞壁、细胞膜以及核糖酶、用以构建细胞壁、细胞膜以及核糖体的各种结构蛋白等的酶，都以相当大体的各种结构蛋白等的酶，都以相当大的数量存在。的数量存在。制造辅酶的酶类等物质则只是微量存在。制造辅酶的酶类等物质则只是微量存在。现在学习的是第18页，共137页 在对在对E.coli E

11、.coli 细胞中稀有的和丰富的蛋白细胞中稀有的和丰富的蛋白质的拷贝数研究中，对质的拷贝数研究中，对-半乳糖苷酶的研半乳糖苷酶的研究最详尽。究最详尽。-半乳糖苷酶能将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖苷酶能将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖。它是相对分子质量为半乳糖。它是相对分子质量为460 000460 000的四的四聚体蛋白。由于乳糖不能用作碳源和能源，聚体蛋白。由于乳糖不能用作碳源和能源，必须先被分解成简单的葡萄糖和半乳糖。必须先被分解成简单的葡萄糖和半乳糖。现在学习的是第19页，共137页 生长在以乳糖为惟一碳源的生长在以乳糖为惟一碳源的E.coliE.coli中通中通常含有常含有30003000个个-

12、半乳糖苷酶分子，占其总半乳糖苷酶分子，占其总蛋白的蛋白的1.51.5，是调节酶中所能合成的最大数，是调节酶中所能合成的最大数量。其他丰富的蛋白质包括核糖体蛋白约量。其他丰富的蛋白质包括核糖体蛋白约5353种，占总蛋白的种，占总蛋白的20%20%。E.coliE.coli中含量最丰富中含量最丰富的是蛋白质合成的延长因子的是蛋白质合成的延长因子EF-TuEF-Tu，每个细，每个细胞中存在胞中存在10105 5个分子左右。个分子左右。现在学习的是第20页，共137页现在学习的是第21页，共137页 2 2顺式作用组件和反式作用因子顺式作用组件和反式作用因子 基因活性的调节主要通过顺式作用组基因活性的

13、调节主要通过顺式作用组件与反式作用因子的相互作用而实现。件与反式作用因子的相互作用而实现。反式作用因子：反式作用因子：是指远离受影响的基因是指远离受影响的基因之外的基因所编码的产物，又称为转录之外的基因所编码的产物，又称为转录因子。它有非特异性和特异性之分。因子。它有非特异性和特异性之分。现在学习的是第22页，共137页 顺式作用组件（因子）：顺式作用组件（因子）：是指对基因表是指对基因表达有调节活性的达有调节活性的DNADNA序列，序列，如启动子、增如启动子、增强子等。强子等。其活性只影响与其自身同处在其活性只影响与其自身同处在一个一个DNADNA分子上的基因。分子上的基因。这种这种DNAD

14、NA序列通常不编码蛋白质，多位于序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。位于转录单位开基因旁侧或内含子中。位于转录单位开始和结束位置上的启动子和终止子等，始和结束位置上的启动子和终止子等，都属于顺式作用元件。都属于顺式作用元件。现在学习的是第23页，共137页3 3结构基因和调节基因结构基因和调节基因 结构基因结构基因(structural gene)(structural gene)是编码蛋白质是编码蛋白质或或RNARNA的基因。结构基因编码大量功能各异的蛋的基因。结构基因编码大量功能各异的蛋白质，其中有组成细胞和组织器官基本成分的结白质，其中有组成细胞和组织器官基本成分的结构蛋白、

15、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。构蛋白、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。细菌的结构基因一般成簇排列，多个结构细菌的结构基因一般成簇排列，多个结构基因受单一启动子共同控制，使整套基因或都基因受单一启动子共同控制，使整套基因或都表达或者都不表达。表达或者都不表达。现在学习的是第24页，共137页 调节基因调节基因(regulator gene)(regulator gene)是编码合是编码合成那些参与基因表达调控的成那些参与基因表达调控的RNARNA和蛋白质和蛋白质的特异的特异DNADNA序列。序列。调节基因编码的调节物调节基因编码的调节物(蛋白蛋白)通过与通过与DNADNA上的特定位点结合控制转

16、录是调控的关上的特定位点结合控制转录是调控的关键。键。现在学习的是第25页，共137页4 4操纵基因和阻遏蛋白操纵基因和阻遏蛋白操纵基因操纵基因(operator)(operator)是操纵子中的控制基因，是操纵子中的控制基因，在操纵子上一般与启动子相邻，通常处于在操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态，使开放状态，使RNARNA聚合酶通过并作用于启动子聚合酶通过并作用于启动子启动的转录。启动的转录。但当它与调节基因所编码的阻遏蛋白结合但当它与调节基因所编码的阻遏蛋白结合时，就从开放状态逐渐转变为关闭状态，时，就从开放状态逐渐转变为关闭状态，使转录过程不能发生。使转录过程不能发生。现在学习

17、的是第26页，共137页5 5组成蛋白和调节蛋白组成蛋白和调节蛋白细胞内有许多种蛋白质的含量几乎不受外界环细胞内有许多种蛋白质的含量几乎不受外界环境的影响，这些蛋白质称为境的影响，这些蛋白质称为组成蛋白。组成蛋白。例如大肠杆菌中的组成蛋白，它们的合成速例如大肠杆菌中的组成蛋白，它们的合成速度是遗传上规定的，主要有以下几个方面的度是遗传上规定的，主要有以下几个方面的影响：影响：(1)(1)启动子的天然效率；启动子的天然效率；(2)(2)核糖体阅核糖体阅读信使的速度；读信使的速度；(3)mRNA(3)mRNA的稳定性。的稳定性。现在学习的是第27页，共137页 调节蛋白调节蛋白是一类特殊的蛋白质，

18、是一类特殊的蛋白质，是调节基是调节基因的产物，因的产物，它们可以影响一种或多种基它们可以影响一种或多种基因的表达。因的表达。有两种类型的调节蛋白，即起正调节作用有两种类型的调节蛋白，即起正调节作用的的激活蛋白（物）激活蛋白（物）和起负调节作用的和起负调节作用的阻阻遏蛋白（物）遏蛋白（物）。现在学习的是第28页，共137页10.210.2 操纵子学说操纵子学说(theory of operon)(theory of operon)在细菌基因组中，编码功能相关的结构蛋在细菌基因组中，编码功能相关的结构蛋白的基因通常成簇排列在一起。白的基因通常成簇排列在一起。例如，同一个代谢途径的酶的基因一般例如，

19、同一个代谢途径的酶的基因一般成簇排列。成簇排列。现在学习的是第29页，共137页 操纵子学说是关于原核生物基因结构操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控的学说。及其表达调控的学说。现在学习的是第30页，共137页操纵子操纵子：是是原核生物原核生物DNA上的一段区域，上的一段区域，它包括共转录到一条它包括共转录到一条mRNA上的多个结上的多个结构基因和这些基因转录所需的顺式作用构基因和这些基因转录所需的顺式作用序列，这些序列包括启动子、操纵基因序列，这些序列包括启动子、操纵基因和转录调控有关的序列。和转录调控有关的序列。现在学习的是第31页，共137页通过调节基因编码的调节蛋白或与诱导通过

20、调节基因编码的调节蛋白或与诱导物、辅阻遏物协同作用，开启或关闭操物、辅阻遏物协同作用，开启或关闭操纵基因，对操纵子结构基因的表达进行纵基因，对操纵子结构基因的表达进行正、负控制。正、负控制。现在学习的是第32页，共137页10.3 10.3 乳糖操纵子乳糖操纵子10.3.1 10.3.1 乳糖操纵子的调节机制乳糖操纵子的调节机制10.3.2 10.3.2 小分子效应物的作用小分子效应物的作用10.3.3 10.3.3 降解物对基因活性的调节降解物对基因活性的调节10.3.4 10.3.4 阻遏蛋白的作用机制阻遏蛋白的作用机制 现在学习的是第33页，共137页10.3.1 10.3.1 乳糖操纵

21、子的调节机制乳糖操纵子的调节机制 大肠杆菌的乳糖操纵子大肠杆菌的乳糖操纵子(1actose operon(1actose operon，laclac)长约长约50005000个碱基对，是目前对操纵子研究个碱基对，是目前对操纵子研究最详尽的例子，也是研究转录水平调控规律的最详尽的例子，也是研究转录水平调控规律的基本模式。基本模式。现在学习的是第34页，共137页 大肠杆菌乳糖操纵子有大肠杆菌乳糖操纵子有3 3个结构基因，个结构基因，可编码可编码3 3种酶。分别为种酶。分别为-半乳糖苷酶基因半乳糖苷酶基因(lacZlacZ)，功能是将乳糖水解为葡萄糖和半，功能是将乳糖水解为葡萄糖和半乳糖乳糖;-半

22、乳糖苷透性酶基因半乳糖苷透性酶基因(lacYlacY)，能，能促进促进-半乳糖苷进入细胞；半乳糖苷进入细胞；-半乳糖苷半乳糖苷转乙酰基酶基因转乙酰基酶基因(lacAlacA)，催化将乙酰基团，催化将乙酰基团从乙酰辅酶从乙酰辅酶A A转移到转移到-半乳糖苷分子上。半乳糖苷分子上。现在学习的是第35页，共137页这三个有关分解代谢的酶的基因在乳糖这三个有关分解代谢的酶的基因在乳糖操纵子中成簇排列，以利于上游调控元操纵子中成簇排列，以利于上游调控元件的调控件的调控(见图见图)。现在学习的是第36页，共137页POP(蛋白蛋白)现在学习的是第37页，共137页 大肠杆菌在有葡萄糖作为碳源的培养基中大肠

23、杆菌在有葡萄糖作为碳源的培养基中生长时，不能代谢乳糖，因为缺少乳糖代生长时，不能代谢乳糖，因为缺少乳糖代谢的酶。谢的酶。当生长在没有葡萄糖只有乳糖的培养基中当生长在没有葡萄糖只有乳糖的培养基中时，代谢乳糖的酶量从几个分子迅速增加时，代谢乳糖的酶量从几个分子迅速增加近千倍。即细菌在短时间内合成了能够利近千倍。即细菌在短时间内合成了能够利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳糖作为用乳糖的一系列酶，具备了利用乳糖作为碳源的能力，在这种培养基上生存了下来。碳源的能力，在这种培养基上生存了下来。现在学习的是第38页，共137页 细菌获得这一能力的原因是在乳糖的诱导细菌获得这一能力的原因是在乳糖的诱导作用下开启

24、了乳糖操纵子，表达了与代谢作用下开启了乳糖操纵子，表达了与代谢乳糖相关的一系列酶所致。乳糖相关的一系列酶所致。象乳糖这样一类加入培养基中能专一性地象乳糖这样一类加入培养基中能专一性地增加某些酶数量的物质称为增加某些酶数量的物质称为诱导物诱导物(indu-(indu-cer)cer)，这种酶称为，这种酶称为诱导酶诱导酶 (inducible(inducible enzyme)enzyme)。称这类基因为。称这类基因为可诱导基因可诱导基因，这种，这种代谢过程作为代谢过程作为酶的诱导过程酶的诱导过程。现在学习的是第39页，共137页 乳糖操纵子调控机制是：乳糖操纵子调控机制是：当培养基中没有乳糖时，

25、存在于操纵当培养基中没有乳糖时，存在于操纵子上游的调节基因编码表达的阻遏蛋白结子上游的调节基因编码表达的阻遏蛋白结合到操纵子中的操纵基因上，阻止了结构合到操纵子中的操纵基因上，阻止了结构基因的表达基因的表达(即即lacO lacO 基因被调节基因编码基因被调节基因编码表达的阻遏蛋白所阻遏表达的阻遏蛋白所阻遏)。此时，在细胞中。此时，在细胞中只有几个只有几个-半乳糖苷酶分子。半乳糖苷酶分子。现在学习的是第40页，共137页当培养基中存在乳糖时，当培养基中存在乳糖时，由于诱导物分子由于诱导物分子结合在阻遏蛋白的特异部位，引起阻遏蛋白构结合在阻遏蛋白的特异部位，引起阻遏蛋白构象改变，不能结合到操纵基

26、因上，使象改变，不能结合到操纵基因上，使RNARNA聚合酶聚合酶能够正常通过操纵子到达结构基因，即操纵子被能够正常通过操纵子到达结构基因，即操纵子被诱导表达，诱导表达，-半乳糖苷酶分子数量迅速增加。半乳糖苷酶分子数量迅速增加。现在学习的是第41页，共137页在这个系统中的诱导物分子不是乳糖本在这个系统中的诱导物分子不是乳糖本身，而是乳糖的同分异构体身，而是乳糖的同分异构体-异乳糖，异乳糖，因为乳糖进入大肠杆菌细胞后被转化成因为乳糖进入大肠杆菌细胞后被转化成了异乳糖。了异乳糖。现在学习的是第42页，共137页异乳糖异乳糖乳糖乳糖葡萄糖葡萄糖+半乳糖半乳糖 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶现在学习的是第43

27、页，共137页 由下图可以看出，由下图可以看出，lac ZYA lac ZYA 基因的转录受基因的转录受lac I lac I 基因编码合成的调控蛋白（阻遏蛋基因编码合成的调控蛋白（阻遏蛋白）的控制。白）的控制。Lac I Lac I 的表达产物是乳糖操的表达产物是乳糖操纵子的阻遏蛋白，它的功能是阻止结构基纵子的阻遏蛋白，它的功能是阻止结构基因的表达，通过与因的表达，通过与lac ZYA lac ZYA 基因簇开始处基因簇开始处的操纵基因结合发挥作用。的操纵基因结合发挥作用。现在学习的是第44页，共137页在阻遏蛋白上有二个结合位点在阻遏蛋白上有二个结合位点:一个是操纵基因结合位点一个是操纵基

28、因结合位点;另一个是诱导物结合位点。另一个是诱导物结合位点。当诱导物与其结合位点结合后，改变了当诱导物与其结合位点结合后，改变了阻遏蛋白的构型，从而影响与操纵基因阻遏蛋白的构型，从而影响与操纵基因结合的活性。结合的活性。现在学习的是第45页，共137页阻遏蛋白阻遏蛋白(物物)阻遏蛋白阻遏蛋白(物物)现在学习的是第46页，共137页 lacI lacI 基因与其后的结构基因虽然相邻，基因与其后的结构基因虽然相邻，但它们属于不同的转录单位，它有其自身的但它们属于不同的转录单位，它有其自身的启动子和终止序列，能独立地进行转录，形启动子和终止序列，能独立地进行转录，形成单顺反子成单顺反子mRNA,mR

29、NA,转录的速度受转录的速度受lacIlacI基因的基因的启动子与启动子与RNARNA聚合酶活力大小的控制。聚合酶活力大小的控制。lacI lacI 编码可扩散的表达产物，属于反式作用调节编码可扩散的表达产物，属于反式作用调节因子因子。现在学习的是第47页，共137页 实验室里常用含硫的乳糖类似物实验室里常用含硫的乳糖类似物丙基硫丙基硫代代-D-D-半乳糖苷半乳糖苷(impropylthio-D-(impropylthio-D-galac-tosidegalac-toside，IPTG)IPTG)代替乳糖来研究诱代替乳糖来研究诱导作用。导作用。这种能诱导酶基因的表达但不是半乳糖这种能诱导酶基因

30、的表达但不是半乳糖苷酶底物的分子称为苷酶底物的分子称为义务诱导物义务诱导物(gra-(gra-tuitous inducer)tuitous inducer)。现在学习的是第48页，共137页 以上所述的调节是一种协同调节过程以上所述的调节是一种协同调节过程(co-(co-ordinate regulation)ordinate regulation)。mRNAmRNA从从55端依次端依次翻译，表达产物翻译，表达产物-半乳糖苷酶、半乳糖苷酶、-半乳糖半乳糖苷酶透性酶和半乳糖苷转乙酰基酶均依次出苷酶透性酶和半乳糖苷转乙酰基酶均依次出现，三种酶共享一条现，三种酶共享一条mRNAmRNA链作为翻译的

31、模板。链作为翻译的模板。现在学习的是第49页，共137页10.3.2 10.3.2 小分子效应物的作用小分子效应物的作用 调节蛋白是否具有活性有时取决于它是调节蛋白是否具有活性有时取决于它是否与一个小分子物质结合，能够结合于否与一个小分子物质结合，能够结合于蛋白并改变其性质的小分子物质称作效蛋白并改变其性质的小分子物质称作效应物。应物。细菌细胞有细菌细胞有两种类型的效应物：诱导物两种类型的效应物：诱导物和辅阻遏物。和辅阻遏物。现在学习的是第50页，共137页 (1)(1)诱导物：与阻遏蛋白结合，启动诱导物：与阻遏蛋白结合，启动操纵子转录的效应物称作诱导物。操纵子转录的效应物称作诱导物。无诱导物

32、存在时，阻遏蛋白与操纵基无诱导物存在时，阻遏蛋白与操纵基因牢固结合，阻止因牢固结合，阻止RNARNA聚合酶进入启动子聚合酶进入启动子区域，操纵子被关闭，结构基因不能转区域，操纵子被关闭，结构基因不能转录。录。现在学习的是第51页，共137页 有诱导物存在时，诱导物与阻遏蛋白有诱导物存在时，诱导物与阻遏蛋白结合，促使后者空间构象变化，使阻遏蛋结合，促使后者空间构象变化，使阻遏蛋白与操纵基因亲和力下降而解离下来，白与操纵基因亲和力下降而解离下来，RNARNA聚合酶能够进入启动子区域，开启了聚合酶能够进入启动子区域，开启了结构基因的转录表达。结构基因的转录表达。现在学习的是第52页，共137页 因诱

33、导物的存在而使基因表达开放的调因诱导物的存在而使基因表达开放的调节称为节称为可诱导的调节可诱导的调节。最典型的例子是。最典型的例子是大肠杆菌的乳糖操纵子。大肠杆菌的乳糖操纵子。现在学习的是第53页，共137页 (2)(2)辅阻遏物辅阻遏物：能与阻遏物（蛋白）：能与阻遏物（蛋白）结合而阻断转录的效应物称为辅阻遏物。结合而阻断转录的效应物称为辅阻遏物。有些阻遏蛋白本身不具有结合操纵基有些阻遏蛋白本身不具有结合操纵基因的活性，在自然状态下操纵子是开放的，因的活性，在自然状态下操纵子是开放的，能正常表达。当细胞中有辅阻遏物存在时，能正常表达。当细胞中有辅阻遏物存在时，它可以结合到阻遏蛋白分子上，提高阻

34、遏它可以结合到阻遏蛋白分子上，提高阻遏蛋白与操纵基因的亲和性。这与诱导物的蛋白与操纵基因的亲和性。这与诱导物的作用相反。作用相反。现在学习的是第54页，共137页 由辅阻遏物参与引起的调节又称为由辅阻遏物参与引起的调节又称为可阻可阻遏的调节遏的调节，即这类基因在正常情况下都，即这类基因在正常情况下都是开启的，处于正在合成蛋白质或酶的是开启的，处于正在合成蛋白质或酶的状态下，由于一些代谢终产物或化合物状态下，由于一些代谢终产物或化合物的积累将其关闭，阻遏了基因的表达，的积累将其关闭，阻遏了基因的表达，所以称为所以称为可阻遏的基因表达调控可阻遏的基因表达调控。现在学习的是第55页，共137页10.

35、3.3 10.3.3 降解物对基因活性的调节降解物对基因活性的调节有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基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、阿拉伯糖、麦芽糖等中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖、麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动产诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动产生代谢这些糖的酶。生代谢这些糖的酶。现在学习的是第56页，共137页这是因为葡萄糖是最常用的碳源，细菌这是因为葡萄糖是最常用的碳源，细菌所需要的能量主要从葡萄糖获得，在这所需要的能量主要从葡萄糖获得，在这种情况下，细菌无需开动一些不常用的种情况下，细菌无需开动一些不常用的基因去利用这些稀有的糖类。基因去利

36、用这些稀有的糖类。现在学习的是第57页，共137页 葡萄糖的存在可抑制细菌细胞中的腺葡萄糖的存在可抑制细菌细胞中的腺苷酸环化酶活性，从而减少环腺苷酸苷酸环化酶活性，从而减少环腺苷酸(cAMP)(cAMP)的合成，与它结合的受体蛋白的合成，与它结合的受体蛋白质质CAPCAP因找不到配体而不能形成复合物因找不到配体而不能形成复合物（cAMP-CAPcAMP-CAP）。）。现在学习的是第58页，共137页 cAMP-CAPcAMP-CAP是一个重要的正调节物质，可以是一个重要的正调节物质，可以与操纵子上的启动子区结合，启动基因转与操纵子上的启动子区结合，启动基因转录。录。葡萄糖存在时，由于不易形成复

37、合物葡萄糖存在时，由于不易形成复合物cAMP-CAPcAMP-CAP，受其调控的基因就不表达。，受其调控的基因就不表达。现在学习的是第59页，共137页如果培养基中葡萄糖的含量下降，腺苷如果培养基中葡萄糖的含量下降，腺苷酸环化酶活力就会相应提高，酸环化酶活力就会相应提高，cAMPcAMP合成合成增加，增加，cAMPcAMP与与CAPCAP形成复合物并与启动子形成复合物并与启动子结合，促进乳糖操纵子的表达。结合，促进乳糖操纵子的表达。现在学习的是第60页，共137页10.3.4 10.3.4 阻遏蛋白的作用机制阻遏蛋白的作用机制1 1阻遏蛋白识别并特异结合阻遏蛋白识别并特异结合DNADNA的方式

38、的方式2 2、诱导物对阻遏蛋白结合操纵基因的影响、诱导物对阻遏蛋白结合操纵基因的影响3 3阻遏蛋白对阻遏蛋白对RNARNA聚合酶功能的影响聚合酶功能的影响现在学习的是第61页，共137页1 1阻遏蛋白识别并特异结合阻遏蛋白识别并特异结合DNADNA的方式的方式 阻遏蛋白识别操纵基因阻遏蛋白识别操纵基因DNA特异序列是特异序列是通过阻遏蛋白的识别位点进行的，它们的共同通过阻遏蛋白的识别位点进行的，它们的共同特点是具有对称性。特点是具有对称性。现在学习的是第62页，共137页如图如图10-310-3所示，以所示，以+11+11为对称轴，每边为两段各为对称轴，每边为两段各6bp6bp的对称序列，的对

39、称序列，TGTGTGTGTGTG和和AATTGTAATTGT。靠近对称。靠近对称轴的一对反向重复序列在阻遏蛋自结合过程轴的一对反向重复序列在阻遏蛋自结合过程中起主要作用。中起主要作用。现在学习的是第63页，共137页现在学习的是第64页，共137页 阻遏蛋白的结构具有对称性，它是同阻遏蛋白的结构具有对称性，它是同样亚基组成的四聚体，每个亚基都有同样样亚基组成的四聚体，每个亚基都有同样的的DNADNA结合位点。许多原核生物基因的阻结合位点。许多原核生物基因的阻遏蛋白都具有类似超二级结构的螺旋一转遏蛋白都具有类似超二级结构的螺旋一转角一螺旋角一螺旋DNADNA结合基序结合基序(见图见图11-4)1

40、1-4)。现在学习的是第65页，共137页现在学习的是第66页，共137页 由于螺旋能插入到由于螺旋能插入到DNADNA双螺旋的大沟双螺旋的大沟中，因此能特异性地识别并以氢键形式中，因此能特异性地识别并以氢键形式结合于结合于DNADNA碱基序列上。碱基序列上。现在学习的是第67页，共137页2 2、诱导物对阻遏蛋白结合操纵基因的影响、诱导物对阻遏蛋白结合操纵基因的影响诱导物可以与游离阻遏蛋白结合，也可以与阻遏诱导物可以与游离阻遏蛋白结合，也可以与阻遏蛋白和操纵基因的复合物结合。蛋白和操纵基因的复合物结合。诱导物的结合可以使阻遏蛋白产生变化，使其从诱导物的结合可以使阻遏蛋白产生变化，使其从操纵基

41、因上释放。操纵基因上释放。现在学习的是第68页，共137页 体外实验表明，加入体外实验表明，加入IPTGIPTG能很快引起能很快引起阻遏蛋白与操纵基因复合物不稳定。阻遏蛋白与操纵基因复合物不稳定。现在学习的是第69页，共137页3 3阻遏蛋白对阻遏蛋白对RNARNA聚合酶功能的影响聚合酶功能的影响 阻遏蛋白和阻遏蛋白和RNARNA聚合酶可同时与聚合酶可同时与DNADNA结合，结合，且且阻遏蛋白与阻遏蛋白与DNADNA的结合能增强的结合能增强RNARNA聚合酶结聚合酶结合合DNADNA的能力的能力。现在学习的是第70页，共137页 RNARNA聚合酶和阻遏蛋白同时与聚合酶和阻遏蛋白同时与DNAD

42、NA结合，结合，形成形成RNARNA聚合酶聚合酶-阻遏蛋白阻遏蛋白-DNA-DNA三元复合三元复合物物，不发生转录作用。，不发生转录作用。当加入诱导物后，释放出阻遏蛋白，关当加入诱导物后，释放出阻遏蛋白，关闭的复合物转变成开放的复合物，起始闭的复合物转变成开放的复合物，起始转录。转录。现在学习的是第71页，共137页现在学习的是第72页，共137页10.410.4 色氨酸操纵子色氨酸操纵子(trp)(trp)大肠杆菌的色氨酸操纵子是受阻遏物负大肠杆菌的色氨酸操纵子是受阻遏物负调控的生物合成操纵子的典型实例。色氨酸调控的生物合成操纵子的典型实例。色氨酸操纵子包括操纵子包括5 5个结构基因个结构基

43、因(trpA(trpA、B B、C C、D D、E)E)负责色氨酸的生物合成。负责色氨酸的生物合成。现在学习的是第73页，共137页 色氨酸的合成分色氨酸的合成分5 5步完成。每步需要一步完成。每步需要一种酶，编码这种酶，编码这5 5种酶的基因紧密连锁在一起，种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子被转录在一条多顺反子mRNAmRNA分子上。分子上。现在学习的是第74页，共137页 邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲酸焦邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油一氨酸合成酶和吲哚甘油一3-3-磷酸合成酶，磷酸合成

44、酶，分别以分别以trpEtrpE、trpDtrpD、trpCtrpC、trpBtrpB、trpAtrpA表示，和表示，和trpEtrpE紧邻的是启动子区和操纵紧邻的是启动子区和操纵子区子区(见图见图10.4)10.4)。现在学习的是第75页，共137页a现在学习的是第76页，共137页10.4.1 10.4.1 色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的阻遏系统TrpTrp操纵子中产生阻遏物（蛋白）的基因操纵子中产生阻遏物（蛋白）的基因 trpR trpR 距距trptrp基因簇较远，编码合成一个相对分子质量基因簇较远，编码合成一个相对分子质量为为5800058000阻遏蛋白；阻遏蛋白；色氨酸水平很

45、低时，色氨酸水平很低时，这个阻遏蛋白以游离形式存这个阻遏蛋白以游离形式存在，不能结合到操纵基因上。此时在，不能结合到操纵基因上。此时操纵子操纵子能够能够转录和表达，使细菌细胞合成色氨酸。转录和表达，使细菌细胞合成色氨酸。现在学习的是第77页，共137页 当在培养基中的色氨酸过量时，它能与当在培养基中的色氨酸过量时，它能与阻遏蛋白形成复合物，并结合到操纵基阻遏蛋白形成复合物，并结合到操纵基因上阻止结构基因转录，这种以终产物因上阻止结构基因转录，这种以终产物阻止基因转录的机理称为阻止基因转录的机理称为反馈抑制反馈抑制。此此终产物终产物(色氨酸色氨酸)称为称为辅阻遏物辅阻遏物(见图见图10-10-5

46、)5)。现在学习的是第78页，共137页aa现在学习的是第79页，共137页 由色氨酸操纵子调节基因碱基序列由色氨酸操纵子调节基因碱基序列图图(图图10-6)10-6)可以看出，启动子与操纵区可以看出，启动子与操纵区域有很大程度的重叠，使域有很大程度的重叠，使色氨酸色氨酸-阻遏蛋阻遏蛋白复合体和白复合体和RNARNA聚合酶聚合酶结合结合DNADNA分子具有分子具有竞争性，体外实验表明，竞争性，体外实验表明，如果先加入色如果先加入色氨酸氨酸-阻遏蛋白复合体，阻遏蛋白复合体，RNARNA聚合酶不能聚合酶不能与启动子结合，否则反之与启动子结合，否则反之。现在学习的是第80页，共137页现在学习的是第

47、81页，共137页 色氨酸操纵子的色氨酸操纵子的阻遏系统阻遏系统是色氨酸生物是色氨酸生物合成途径的合成途径的第一水平调控第一水平调控(初调初调)，它主，它主要调节转录的启动与否。要调节转录的启动与否。色氨酸操纵子的色氨酸操纵子的第二水平控制第二水平控制(细调细调)是是色氨酸操纵子的色氨酸操纵子的弱化系统弱化系统，它决定着已，它决定着已经启动的转录是否能够继续进行下去。经启动的转录是否能够继续进行下去。现在学习的是第82页，共137页10.4.2 10.4.2 色氨酸操纵子的弱化系统色氨酸操纵子的弱化系统1.1.前导肽及其序列结构前导肽及其序列结构2.mRNA2.mRNA前导区序列分析前导区序列

48、分析3.3.转录的弱化效应转录的弱化效应4.4.细菌的应急反应细菌的应急反应现在学习的是第83页，共137页1 1、前导肽及其序列结构、前导肽及其序列结构 Yanofsky Yanofsky 发现了色氨酸生物合成途径的发现了色氨酸生物合成途径的第二水平调控。在色氨酸第二水平调控。在色氨酸mRNA 5mRNA 5端端trp E trp E 起起始密码子前有一段始密码子前有一段162bp162bp的的DNADNA序列和核糖体结序列和核糖体结合位点，称为合位点，称为前导区前导区(1eader)(1eader)，实验表明如，实验表明如果果123-150123-150位位碱基序列缺失，色氨酸操纵子基因碱

49、基序列缺失，色氨酸操纵子基因表达量可提高表达量可提高6 6倍。倍。现在学习的是第84页，共137页现在学习的是第85页，共137页 当当mRNAmRNA转录起始后转录起始后 如果培养基中存在一定水平的色氨酸，如果培养基中存在一定水平的色氨酸，转录能够被启动，但在这个区域转录能够被启动，但在这个区域(弱化子弱化子)停止，产生一个停止，产生一个140nt140nt的的RNARNA分子；分子；现在学习的是第86页，共137页如果没有色氨酸存在，则转录继续进行，如果没有色氨酸存在，则转录继续进行，合成合成trp E mRNAtrp E mRNA。所以，这个区域参与。所以，这个区域参与了色氨酸操纵子基因

50、表达的调节。了色氨酸操纵子基因表达的调节。现在学习的是第87页，共137页 研究还发现，当研究还发现，当mRNAmRNA合成起始以后，除非合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，否则转录总是在这个培养基中完全没有色氨酸，否则转录总是在这个区域终止。因为转录终止发生在这一区域，并且区域终止。因为转录终止发生在这一区域，并且这种终止能被调节，因此这个区域被称为这种终止能被调节，因此这个区域被称为弱化弱化子子(attenuator)(attenuator)或衰减子。或衰减子。现在学习的是第88页，共137页对引起终止的对引起终止的mRNA碱基序列研究发现，碱基序列研究发现，这一区域的这一区域的mR