第7章-原核生物基因表达的调控ppt课件.ppt

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1、 第七章第七章 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控1105l 基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念l 乳糖操纵子乳糖操纵子l 色氨酸操纵子色氨酸操纵子l 其它操纵子其它操纵子l 转录后水平的调控转录后水平的调控 本章主要内容本章主要内容21051 基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念基因表达（基因表达（gene expressiongene expression）:基因转录及翻译基因转录及翻译的过程，或的过程，或基因指导下基因指导下RNARNA和蛋白质的合成过程。和蛋白质的合成过程。rRNArRNA、tRNAtRNA编码基因转录合成编码基因转录合成RNARNA的过程也

2、属于的过程也属于基因表达基因表达 组成性表达组成性表达(constitutive expression)(constitutive expression)：不易受不易受环境变化而变化的一类基因的表达。环境变化而变化的一类基因的表达。基因的差别表达基因的差别表达(differential gene expression):(differential gene expression):在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达，在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达，而另一些基因在该条件下却关闭。而另一些基因在该条件下却关闭。3105 基因表达的时、空特异性基因表达的时、空特异性 时间特异

3、性（时间特异性（temporal specificitytemporal specificity）：）：某些基因的表达某些基因的表达严格按照特定的时间顺序进行。严格按照特定的时间顺序进行。空间特异性空间特异性(spatial specificity)(spatial specificity)：某些基因在个体不某些基因在个体不同组织细胞中同组织细胞中按照一定的顺序按照一定的顺序表达。又称细胞或组织特异性表达。又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)(cell or tissue specificity)。持持(看看)家基因家基因(house keeping g

4、enes):(house keeping genes):始终或经常性开启始终或经常性开启的基因的基因,是维持细胞基本生命活动所必须的，是维持细胞基本生命活动所必须的，如编码组成性如编码组成性蛋白的基因。蛋白的基因。奢侈基因（奢侈基因（luxury geneluxury gene），），指编码组织特异性蛋白的基指编码组织特异性蛋白的基因因(tissue-specific gene)(tissue-specific gene)，对细胞分化有重要影响，如角，对细胞分化有重要影响，如角蛋白基因、肌动蛋白基因和血红蛋白基因等。蛋白基因、肌动蛋白基因和血红蛋白基因等。4105 基因表达调控的意义基因表达调

5、控的意义：适应环境、维持个体的生长发：适应环境、维持个体的生长发育、分化和增殖。育、分化和增殖。基因表达的调控水平：基因表达的调控水平：转录水平转录水平（transcriptional transcriptional regulationregulation）的调控；转录后水平的调控；转录后水平（post-transcriptional post-transcriptional regulationregulation）的调控的调控（RNARNA加工水平上的调控；翻译水平上的加工水平上的调控；翻译水平上的调控）。调控）。组成性酶与诱导酶组成性酶与诱导酶 组成性酶：组成性酶：不经诱导就经常而大量

6、地存在于细胞中。不经诱导就经常而大量地存在于细胞中。诱导酶：诱导酶：需经诱导才能（大量）产生。需经诱导才能（大量）产生。5105 调节蛋白（转录调节因子）：调节蛋白（转录调节因子）：由调节基因所编由调节基因所编码的蛋白因子。码的蛋白因子。负调节蛋白：负调节蛋白：阻遏蛋白阻遏蛋白 正调节蛋白：正调节蛋白：激活蛋白激活蛋白 根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答情况，可分为：正转录调控（的应答情况，可分为：正转录调控（正控制）正控制）和负和负转录调控（转录调控（负控制）。负控制）。6105补：转录水平调控的类型补：转录水平调控的类型正正调控（调控

7、（positive regulation）负调控（负调控（negative regulation）inhibitorgenegeneactivator调控蛋白调控蛋白结构基因表达结构基因表达正调控正调控负调控负调控 负调控负调控：抑制基因表达的调控方式：抑制基因表达的调控方式 正调控正调控：促进基因表达的调控方式：促进基因表达的调控方式A、正调控和负调控、正调控和负调控7105inducergenegene诱导诱导(induction)阻阻遏遏(repression)repressor特殊代谢物特殊代谢物结构基因表达结构基因表达诱导诱导阻遏阻遏诱导物、可诱导基因诱导物、可诱导基因阻遏物、可阻遏

8、基因阻遏物、可阻遏基因B、特殊代谢物的调控、特殊代谢物的调控8105诱导诱导:在某些代谢物或化合物的作用下，基在某些代谢物或化合物的作用下，基因由原来的关闭状态转变为工作状态因由原来的关闭状态转变为工作状态诱导物诱导物：能引起诱导发生的分子能引起诱导发生的分子可诱导基因可诱导基因：诱导调节中被活化的基因：诱导调节中被活化的基因9105阻遏阻遏：在某些代谢物或化合物的作用下，基在某些代谢物或化合物的作用下，基因由原来的工作状态转变为关闭状态因由原来的工作状态转变为关闭状态阻遏物阻遏物：能导致阻遏发生的分子能导致阻遏发生的分子可阻遏基因可阻遏基因：阻遏调节中被关闭的基因：阻遏调节中被关闭的基因10

9、105 特殊代谢物调控的分子机理特殊代谢物调控的分子机理 特殊代谢物是特殊代谢物是调控蛋白的变构剂，与调控蛋白调控蛋白的变构剂，与调控蛋白结合可使调控蛋白的空间构像发生变化，从而结合可使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录的影响。改变其对基因转录的影响。11105n调控蛋白和代谢物的共同作用调控蛋白和代谢物的共同作用调控蛋白调控蛋白结构基因表达结构基因表达正调控正调控负调控负调控特殊代谢物特殊代谢物诱导诱导阻遏阻遏12105C、原核生物基因转录调控的、原核生物基因转录调控的4种类型种类型（1）负负控控诱导系统诱导系统13105（2）正控诱导系统）正控诱导系统14105（3）负）负控

10、阻遏控阻遏系统系统15105（4）正）正控控阻遏系统阻遏系统161052 2 大肠杆菌的乳糖操纵子大肠杆菌的乳糖操纵子2.1 2.1 二度生长现象二度生长现象（葡萄糖效应葡萄糖效应，降解物阻遏效应降解物阻遏效应）当葡萄糖和另一种须经诱导才能利用的糖同时存在当葡萄糖和另一种须经诱导才能利用的糖同时存在时，时，E.coliE.coli总是首先利用葡萄糖做碳源而生长，直到葡总是首先利用葡萄糖做碳源而生长，直到葡萄糖消耗完毕后，才开始利用另一种糖。萄糖消耗完毕后，才开始利用另一种糖。-半乳糖苷酶的诱导半乳糖苷酶的诱导17105 laclac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

11、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，而转运诱导物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，而后者的合成也需要诱导。需要透过酶，而后者的合成也需要诱导。解释解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？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？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？()真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在-半乳糖半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有-半乳糖苷酶的半乳糖苷酶的预

12、先存在。预先存在。解释：解释：在本底水平上在本底水平上,有有-半乳糖苷酶的组成型合成半乳糖苷酶的组成型合成,即即,在在非诱导状态下非诱导状态下,laclac Z Z操纵子有本底水平操纵子有本底水平上上的表达（有少量的表达（有少量laclac mRNAmRNA合成及翻译）。合成及翻译）。18105 安慰性诱导物：安慰性诱导物：如果某种物质能够促使细菌产生如果某种物质能够促使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，酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如如IPTGIPTG（异丙基（异丙基-D-D-硫代半乳糖苷）和硫代半乳糖苷）和TMG(TMG(巯巯甲基半乳糖苷甲基半乳糖苷)等

13、。等。19105乳糖的结构乳糖的结构201052.22.2 E.coli E.coli laclac操纵子学说的提出操纵子学说的提出 操纵子：操纵子：由启动子、操纵基因及其控制下的一组功能相由启动子、操纵基因及其控制下的一组功能相关的结构基因所组成的转录单位。关的结构基因所组成的转录单位。操纵基因受调节基操纵基因受调节基因产物的控制。因产物的控制。21105 乳糖操纵子调控模型乳糖操纵子调控模型 Z Z、Y Y、A A基因的产物由同一条多顺反子基因的产物由同一条多顺反子mRNAmRNA分子所编码。分子所编码。启动子区启动子区(P)(P)紧接着操纵区紧接着操纵区(O)(O)区。区。操纵区操纵区(

14、O)(O)是一小段序列（是一小段序列（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，laclac mRNA mRNA转录起始受到抑制。转录起始受到抑制。Z Z编码编码-半乳糖苷酶：半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。Y Y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-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。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：乙酰辅酶乙酰辅酶A A上的乙酰基转到

15、上的乙酰基转到-半乳糖苷半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。上，形成乙酰半乳糖。2210523105操纵基因的操纵基因的结构特征：结构特征：长长21bp21bp，与启动子，与启动子-10-10区和编码区和编码链部分重叠，含反向重复序列。链部分重叠，含反向重复序列。操纵位点的回文序列操纵位点的回文序列24105 阻遏蛋白与操纵基因的结合方式：阻遏蛋白与操纵基因的结合方式：每个单体靠次每个单体靠次级键与操纵基因的一半相结合。级键与操纵基因的一半相结合。阻遏蛋白为二聚阻遏蛋白为二聚体。体。25105DNADNA结合蛋白与结合蛋白与DNADNA之间的相互作用之间的相互作用2610527105乳糖代谢基因表达调

16、控图解：乳糖代谢基因表达调控图解：(没有乳糖时没有乳糖时)lacZlacYlacA调节基因调节基因启动子启动子 操纵基因操纵基因结构基因结构基因RNA聚合酶聚合酶信使信使RNA转录转录翻译翻译阻抑物阻抑物与操纵基因与操纵基因结合，结构基因转结合，结构基因转录受阻录受阻阻抑物阻抑物2828105105乳糖代谢基因表达调控图解：乳糖代谢基因表达调控图解：(有乳糖时有乳糖时)lacZlacYlacA调节基因调节基因启动子启动子 操纵基因操纵基因结构基因结构基因RNA聚合酶聚合酶信使信使RNA转录转录翻译翻译阻抑物阻抑物与乳糖结合后构象发生了改变，与乳糖结合后构象发生了改变，因而不能与操纵基因结合，使

17、得结构因而不能与操纵基因结合，使得结构基因进行转录。基因进行转录。阻抑物阻抑物乳糖乳糖转录转录半乳半乳糖苷糖苷酶酶酶酶酶酶乳糖分解代乳糖分解代谢调控过程谢调控过程是一个自我是一个自我调控过程调控过程 2929105105现象：现象：培养基中含培养基中含 葡萄糖、葡萄糖、乳糖乳糖 lacZ等等 低表达低表达 无葡萄糖、有乳糖无葡萄糖、有乳糖 lacZ等等 高表达高表达2.3 葡萄糖对乳糖操纵子的影响葡萄糖对乳糖操纵子的影响lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI问题：是否有另外的调控途径？问题：是否有另外的调控途径？301052.3.1 cAMP-CRP结合位点（另一调控元件）

18、结合位点（另一调控元件）（1）位于启动子）位于启动子Plac上游，与上游，与Plac部分重叠部分重叠（2）能与）能与cAMP-CRP特异结合特异结合（3）cAMP-CRP与该位点的结合是与该位点的结合是lac mRNA合合成起始所必需的成起始所必需的Plac/RNA polymerase-50-30-1010130-20-4020-60CRP bindingOlac/repressor31105 2.3.2 CRP：cAMP receptor protein(cAMP受体蛋白受体蛋白)又称又称CAP:Catabolite activator protein(降解物激活蛋白降解物激活蛋白)（1）

19、由）由CRP基因编码基因编码（2）可通过与）可通过与 cAMP 结合而激活，即结合而激活，即CRP只有与只有与cAMP结合才有活性结合才有活性32105glucoseCRP-cAMPCRPcAMPcAMP receptor protein331052.3.3 cAMP-CRP 的的作用作用CRP-cAMP 与与cAMP-CRP结合位点结合位点结合，增结合，增强了强了RNA聚合酶与启动聚合酶与启动子的结合力，使转录效子的结合力，使转录效率提高率提高50倍。倍。CRP的结合引起的结合引起DNA链发生链发生90的弯曲的弯曲34105附：葡萄糖水平与附：葡萄糖水平与CRP的关系的关系 CRP只有与只有

20、与cAMP结合才有活性，结合才有活性，而而cAMP 受葡萄糖水平的控制。受葡萄糖水平的控制。葡萄糖含量高葡萄糖含量高-cAMP水平低水平低 葡萄糖含量低葡萄糖含量低-cAMP水平高水平高35105361052.3.4 葡萄糖对乳糖操纵子影响的机制葡萄糖对乳糖操纵子影响的机制37105（1）培养基中含）培养基中含 葡萄糖、葡萄糖、乳糖乳糖-cAMP水平低水平低（2）没有）没有cAMP结合的结合的CRP没有活性没有活性（3）CRP不与不与Plac结合结合（4）RNA聚合酶不能与启动子牢固结合聚合酶不能与启动子牢固结合（5）lacZ，lacY，lacA低低表达表达葡萄糖对乳糖操纵子的影响机制（一）葡

21、萄糖对乳糖操纵子的影响机制（一）3810539105葡萄糖对乳糖操纵子影响机制（二）葡萄糖对乳糖操纵子影响机制（二）（1）培养基中）培养基中 无葡萄糖、无葡萄糖、有乳糖有乳糖-cAMP水平高水平高（2）cAMP与与CRP结合形成有活性的结合形成有活性的 CRP-cAMP 复合复合物物（3）CRP-cAMP 与与Plac结合结合（4）增强了）增强了RNA聚合酶与启动子的结合聚合酶与启动子的结合（5）lacZ，lacY、lacA高高表达表达4010541105 乳糖、乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、基存在与否及与操纵子正、负控因素、基因开放与关闭情况如下：因开放与关闭情况如下：葡萄糖（葡萄

22、糖（G）乳糖乳糖 基因开放基因开放 基因关闭基因关闭 机理简述（学生填充）机理简述（学生填充）细菌优先用细菌优先用G，无，无CRP结合，无诱导物去阻遏结合，无诱导物去阻遏 CRP正控、乳糖去阻遏、基因开放、转录进行正控、乳糖去阻遏、基因开放、转录进行 无诱导物去阻遏，无诱导物去阻遏，CRP即使结合，基因未开放即使结合，基因未开放 cAMP-CRP复合物无，复合物无，CRP位点空，去阻遏位点空，去阻遏 也无也无RNA pol结合结合42105TheLacOperon:WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOpe

23、ratorCRPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCome on,let me throughNowayJose!CRPCRP43105TheLacOperon:WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCRPBindingRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCRPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose

24、 has bent me out of shapeCRPcAMPCRPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yippee!44105TheLacOperon:WhenNeitherGlucoseNorLactoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCRPBindingCRPcAMPCRPcAMPCRPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveRepressorSTOPRight there

25、PolymeraseCome on,let me through!45105TheLacOperon:WhenGlucoseandLactosearePresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCRPBindingRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCRPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeRNAPol.461053 3 色氨酸操纵子色氨酸操纵子 细菌基因组中含有负责某些物质合成的操纵子，细菌基因组中含有负责某些物

26、质合成的操纵子，如负责如负责AAAA合成的操纵子。当无外源合成的操纵子。当无外源AAAA时，这类操纵子时，这类操纵子表达，使细胞内有足够的表达，使细胞内有足够的AAAA以进行蛋白质的合成；有以进行蛋白质的合成；有外源外源AAAA时，细菌就不必自己合成，这类操纵子就受到时，细菌就不必自己合成，这类操纵子就受到阻遏。阻遏。这类可被最终合成产物所阻遏的操纵子叫做可这类可被最终合成产物所阻遏的操纵子叫做可阻遏操纵子。阻遏操纵子。色氨酸操纵子就是一个典型的可阻遏操色氨酸操纵子就是一个典型的可阻遏操纵子。纵子。471053.1 组成组成3.1.1 结构基因结构基因（1）基因）基因E、D、C、B、A（2 2

27、）编码色氨酸合成所需要酶类编码色氨酸合成所需要酶类（3）头尾相接串连排列组成结构基因群）头尾相接串连排列组成结构基因群（4）组成一个转录单元）组成一个转录单元（5）多顺反子）多顺反子mRNA48105 3.1.2 调节基因调节基因trpR（1 1）位置位置:远离远离P-结构基因群结构基因群（2 2）编码调控蛋白）编码调控蛋白R（3）R没有与操纵元件没有与操纵元件结合的活性结合的活性（4 4）当环境能提供足够浓度的色氨酸）当环境能提供足够浓度的色氨酸时，时，R与与色氨酸结合后构象变化而活化色氨酸结合后构象变化而活化（5）R与与特异性结合，抑制结构基因的转录特异性结合，抑制结构基因的转录49105

28、 3.1.3 操纵元件操纵元件（1）含有）含有18bp的回文结构的回文结构（2）与色氨酸启动子）与色氨酸启动子Ptrp序列（序列（-40 +18）在在-21 +1碱基之间重叠碱基之间重叠（3 3）Trp-R与与o o的特异性结合，可以阻遏结构的特异性结合，可以阻遏结构基因的转录基因的转录50105现象：现象：培养基中培养基中Trp 浓度较低时浓度较低时-基因基因E、D、C、B、A高表达高表达 Trp 浓度较高时浓度较高时-基因基因E、D、C、B、A低表达低表达3.2 色氨酸操纵子与转录调控色氨酸操纵子与转录调控51105Trp操纵子与操纵子与负控阻遏系统负控阻遏系统 Low Trp52105

29、3.2.1 Trp操纵子与负控阻遏系统（一）操纵子与负控阻遏系统（一）（1）培养基）培养基中中Trp 浓度较低浓度较低（2 2）调控蛋白）调控蛋白R不能被活化不能被活化（3）未活化的）未活化的调控蛋白调控蛋白R不能与操纵元件结合不能与操纵元件结合（4）基因）基因E、D、C、B、A高表达高表达53105Trp操纵子与操纵子与负控阻遏系统负控阻遏系统Trp High Trp541053.2.2 Trp操纵子与负控阻遏系统（二）操纵子与负控阻遏系统（二）（1）培养基中）培养基中Trp 浓度较高浓度较高（2 2）调控蛋白）调控蛋白R与与Trp结合结合（3）Trp-R复合物与操纵子结合复合物与操纵子结合

30、（4）基因）基因E、D、C、B、A低表达低表达551053.3 色氨酸操纵子总结色氨酸操纵子总结1、通常是开放转录的，有效应物（色氨酸）作用、通常是开放转录的，有效应物（色氨酸）作用时则阻遏关闭转录。时则阻遏关闭转录。2、负控阻遏型操纵子。、负控阻遏型操纵子。3、色氨酸可以作为共阻遏物起作用，并通过终产、色氨酸可以作为共阻遏物起作用，并通过终产物抑制自身的合成（负反馈调节）。物抑制自身的合成（负反馈调节）。4、细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类、细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。省的状态。56

31、105n实验观察表明：实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能够活化够活化R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。与色氨酸浓度呈负相关。n这种调控现象与色氨酸操纵子特殊的结构这种调控现象与色氨酸操纵子特殊的结构-衰减子衰减子有关。有关。571053.4 转录终止的调控转录终止的调控衰减子（衰减子（Attenuator）位于转录起始部位的位于转录起始部位的终止子，终止子，即即可导致转录可导致转录过早终止的一段核苷酸序列。

32、过早终止的一段核苷酸序列。G-C区区poly(U)E D C B APromoter Operator Leader Attenuator RNA*Trp Trp*58105（一）衰减子（一）衰减子（attenuator）1、位置：在、位置：在trpE起始密码子上游，前导序列的末端。起始密码子上游，前导序列的末端。2、特点：、特点：（1）是一个不依赖）是一个不依赖因子的因子的终终止子区域止子区域（2）在富含在富含GC的回文的回文结结构之后构之后是是8个个连续连续的的U残基残基（3）在在RNA转录转录物中物中可能可能形成形成发夹结发夹结构构3、作用：作用：衰减作用（阻碍结构基因转录）衰减作用（阻

33、碍结构基因转录）591051、在、在trp mRNA5端端trpE基因的起始密码前一个长基因的起始密码前一个长162bp的的mRNA片段，片段，序列分析发现，其中序列分析发现，其中4个片段进行配对，形成不同的二个片段进行配对，形成不同的二级结构。级结构。3与与4-衰减子（终止子）衰减子（终止子）发夹结构发夹结构（二）前导序列（二）前导序列（leading sequence）G-C区区poly(U)4AB60105（二）前导序列（二）前导序列（leading sequence）611052、前导、前导RNA序列编码序列编码14个氨基酸的前导肽，第个氨基酸的前导肽，第10和第和第11个密码子编码个

34、密码子编码连续的色氨酸残基连续的色氨酸残基*Trp Trp*RNA62105S312POE4321LDNARNAAUGUGA2 trp codons1432前导肽14aa63105（三）三）Attenuation(衰减作用）衰减作用）使正在进行的操纵子转录在到达结构基因以使正在进行的操纵子转录在到达结构基因以前就中途停止的基因调控作用。前就中途停止的基因调控作用。现象：现象：培养基中培养基中Trp含量较低时含量较低时-转录不在衰减子上终止，结构基因表达。转录不在衰减子上终止，结构基因表达。Trp含量较高时含量较高时-转录在衰减子上终止，结构基因不表达。转录在衰减子上终止，结构基因不表达。衰减子

35、怎样对色氨酸含量做出应答反应呢？衰减子怎样对色氨酸含量做出应答反应呢？64105（四）衰减作用机制（四）衰减作用机制转录到达衰减子时，终止子转录到达衰减子时，终止子（衰减子）衰减子）发夹结构能发夹结构能否形成（转录终止否形成（转录终止/通读）是衰减作用的关键。通读）是衰减作用的关键。4AB前导序列前导序列mRNA能形成能形成两种形式的发夹结构两种形式的发夹结构A、终止子发夹结构可终止子发夹结构可 形成（形成（3与与4）B、终止子发夹结构不终止子发夹结构不 能形成能形成65105n前导肽合成时核糖体在转录物上所在位置控制前导肽合成时核糖体在转录物上所在位置控制着两种着两种发夹结构发夹结构形式的转

36、换形式的转换Trp TrpTrpTrp2334Trp含量较高时含量较高时Trp含量较低时含量较低时66105（五）色氨酸操纵子衰减作用机制（五）色氨酸操纵子衰减作用机制67105色氨酸浓度高时色氨酸浓度高时1 1、tRNAtrp-色氨酸供给充足，核糖体迅速通过色色氨酸供给充足，核糖体迅速通过色氨酸密码子到达氨酸密码子到达2 2区区2、3区和区和4区形成发夹结构（终止信号）区形成发夹结构（终止信号）3、衰减作用发生，转录终止，、衰减作用发生，转录终止，RNA聚合酶释放，聚合酶释放，不能完成结构基因的转录不能完成结构基因的转录6810569105色氨酸浓度低时色氨酸浓度低时1 1、tRNAtrp-

37、色氨酸供给不足，核糖体遇到色氨酸密色氨酸供给不足，核糖体遇到色氨酸密码子时就停顿码子时就停顿2、在、在4区转录未完成时，区转录未完成时，2区和区和3区就形成发夹结构区就形成发夹结构3、3区和区和4区不能形成发夹结构（终止信号），导区不能形成发夹结构（终止信号），导致转录通读；致转录通读；RNA聚合酶继续沿聚合酶继续沿DNA移动，完成移动，完成结构基因的转录结构基因的转录70105Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNAOPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNARNA聚合酶聚合酶 RNARNA聚合酶聚合酶 补：色氨酸操纵子动画补：色氨酸操纵子动画色氨酸操纵子色氨酸操纵子711

38、05UUUU342423UUUU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 RNARNA聚合酶聚合酶 1.1.当当色色氨酸浓度低时氨酸浓度低时 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 72105UUUUUUUU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

39、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 UUUU73105UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA2.2.当当色色氨酸浓度高时氨酸浓度高时 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 RNARNA聚合酶聚合酶 终止终止74105（六）衰减作用和负控阻遏的关系（六）衰减作用和负控阻遏的关系1、负控负控阻遏系统和衰减作用同样对色氨酸水平应

40、答阻遏系统和衰减作用同样对色氨酸水平应答2、衰减作用使色氨酸操纵子结构基因的转录被抑制了、衰减作用使色氨酸操纵子结构基因的转录被抑制了10倍（细调）；倍（细调）；3、色氨酸阻遏蛋白的阻遏作用使转录被抑制了、色氨酸阻遏蛋白的阻遏作用使转录被抑制了70倍（粗倍（粗调）；调）；4、色氨酸水平对色氨酸操纵子结构基因的表达施加了、色氨酸水平对色氨酸操纵子结构基因的表达施加了700倍的调节效果。倍的调节效果。原核生物细致的精细调控机制原核生物细致的精细调控机制增强原核生物对环境的适应性增强原核生物对环境的适应性75105（七）衰减作用的重要性（衰减子的生物学意义）（七）衰减作用的重要性（衰减子的生物学意义

41、）1.活性阻遏蛋白和非活性阻遏蛋白的转变可能较慢，活性阻遏蛋白和非活性阻遏蛋白的转变可能较慢，而而tRNA负载与否可能更为灵敏；负载与否可能更为灵敏；2.aa主要用途是合成蛋白质，因而以主要用途是合成蛋白质，因而以tRNA负载情况负载情况为标准来进行控制可能更为恰当；为标准来进行控制可能更为恰当；3.大多数这样的操纵子又同时需要阻遏蛋白。大多数这样的操纵子又同时需要阻遏蛋白。76105 再论弱化子（再论弱化子（attenuator)attenuator)与弱化作用与弱化作用(attenuation)(attenuation)弱化子是指弱化子是指TrpTrp等操纵子前导序列的末端部分，等操纵子前

42、导序列的末端部分，具有减弱转录的功能。当具有减弱转录的功能。当TrpTrp过剩时过剩时,前导肽的翻前导肽的翻译合成到达前导译合成到达前导mRNAmRNA的终止密码子处的终止密码子处,这时这时,弱化弱化子形成终止子发夹以阻遏下游相应氨基酸操纵子子形成终止子发夹以阻遏下游相应氨基酸操纵子的转录，即的转录，即,使正在进行的操纵子转录在到达结构使正在进行的操纵子转录在到达结构基因以前就中途停止基因以前就中途停止弱化作用弱化作用。771054.1 4.1 组氨酸等的操纵子组氨酸等的操纵子 HisHis操纵子可单独依靠弱化子的结构实现其操纵子可单独依靠弱化子的结构实现其控制作用。只有一种负控制作用（即弱化

43、作用）。控制作用。只有一种负控制作用（即弱化作用）。4 其它操纵子其它操纵子781054.2 4.2 大肠杆菌大肠杆菌半乳糖操纵子半乳糖操纵子(galactosegalactose operonoperon)galgal operonoperon包括包括3 3个结构基因个结构基因:galgalE E编码编码:异构酶异构酶(UDP-galactose-4-epimerase)(UDP-galactose-4-epimerase)galgalT T编码编码: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(galactosegalactose transferasetransferase)g

44、algalk k编码编码:半乳糖激酶半乳糖激酶(galactosegalactose kinasekinase)这这3 3个酶的作用是使半乳糖转变成葡萄糖个酶的作用是使半乳糖转变成葡萄糖-1-1-磷酸。磷酸。galgalR R与与galgalE E、T T、K K及操纵区及操纵区O O等离得很远，而等离得很远，而galgalR R产物对产物对galgalO O的作用与的作用与laclacI-I-laclacO O的作用相的作用相同。同。79105galgal操纵子的特点：操纵子的特点：两个启动子，其两个启动子，其mRNAmRNA可从两个不同的起始点开始转录可从两个不同的起始点开始转录 两个两个

45、O O区，一个在区，一个在P P区上游，另一个在结构基因区上游，另一个在结构基因galgalE E内部。内部。两两个启动子分别拥有各自的个启动子分别拥有各自的RNARNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点S1S1和和S2S2。当。当有有cAMPcAMP-CAP-CAP时，转录从时，转录从S1S1开始；当无开始；当无cAMPcAMP-CAP-CAP时，转录从时，转录从S2S2开开始。始。801054.3 4.3 阿拉伯糖操纵子（阿拉伯糖操纵子（arabinosearabinose operonoperon)araBaraB基因、基因、araaraA A基因和基因和araaraD D,形成一个基因簇，简

46、形成一个基因簇，简写为写为araBADaraBAD。三个基因的表达受到三个基因的表达受到araara操纵子中操纵子中araCaraC基基因产物因产物AraCAraC蛋白的调控。蛋白的调控。81105 结构结构（1 1）结构基因）结构基因B B、A A、D D。（2 2）基因）基因c c编码编码C C蛋白蛋白调控蛋白，调控蛋白，C C蛋白既是正蛋白既是正调节蛋白，又是阻遏物调节蛋白，又是阻遏物(负调节蛋白负调节蛋白)。（3 3）调节基因）调节基因c c与结构基因的转录方向相反。与结构基因的转录方向相反。82105 调控机制（调控机制（C C蛋白和蛋白和CAPCAP的双重调控）的双重调控）8310

47、5841054.4 4.4 多启动子调控的操纵子多启动子调控的操纵子 大肠杆菌大肠杆菌rRNArRNA操纵子（操纵子（rrnErrnE）上有两个启动子，）上有两个启动子，P1P1和和P2P2。P1P1是强启动子，营养充沛时，由是强启动子，营养充沛时，由P1P1起始的起始的转录产物比由转录产物比由P2P2起始的转录产物高起始的转录产物高3-53-5倍。当营养匮倍。当营养匮乏时，乏时，P1P1的作用被抑制，但的作用被抑制，但P2P2仍有功能。仍有功能。(1)(1)rRNArRNA操纵子操纵子85105 DnaDna Q Q蛋白是蛋白是DNADNA聚合酶全酶的亚基之一，其主要功能是校聚合酶全酶的亚基

48、之一，其主要功能是校正正DNADNA复制中可能出现的错误。在复制中可能出现的错误。在RNARNA聚合酶活性较低时，操纵聚合酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子子的转录由弱启动子P2P2控制；而控制；而RNARNA聚合酶活性较高时，就开聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子始利用强启动子P1P1。(2)(2)DnaDna Q Q蛋白操纵子蛋白操纵子86105 阻遏蛋白阻遏蛋白LexALexA的降解与细菌中的的降解与细菌中的SOSSOS应答应答 SOSSOS反应的机理：反应的机理：由由RecARecA蛋白和蛋白和LexALexA阻遏物的相阻遏物的相互作用引起的。当互作用引起的。当RecARecA水解

49、水解LexALexA阻遏物后，阻遏物后，LexALexA阻阻遏效应被解除，导致遏效应被解除，导致SOSSOS体系（包括体系（包括recrecA A基因）高基因）高效表达，效表达，DNADNA得到修复。得到修复。LexALexA阻遏物：阻遏物：是是SOS DNASOS DNA修复系统所有基因的阻修复系统所有基因的阻遏物。遏物。RecARecA蛋白：蛋白：是是SOSSOS反应的最初的发动因子。在单反应的最初的发动因子。在单链链DNADNA和和ATPATP存在时，存在时，RecARecA蛋白被激活，表现出水解蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解酶活性，分解LexALexA阻遏物。阻遏物。871055

50、5 固氮基因调控（简介）固氮基因调控（简介）5.1 5.1 生物固氮简介生物固氮简介 微生物利用自己独特的固氮酶系统，将从光合作用产微生物利用自己独特的固氮酶系统，将从光合作用产物或其它碳水化合物得到的电子和能量传递给氮（物或其它碳水化合物得到的电子和能量传递给氮（N N2 2），），使其还原成氨，这就是生物固氮。使其还原成氨，这就是生物固氮。生物固氮主要包括自生固氮和共生固氮两大类生物固氮主要包括自生固氮和共生固氮两大类。自生固氮自生固氮是指有些固氮微生物在土壤或培养基中能够是指有些固氮微生物在土壤或培养基中能够独立地完成固定大气中的分子态氮的作用，其固氮量远远独立地完成固定大气中的分子态氮