第五章第五章 原核基因表达调控模式原核基因表达调控模式蛋白质合成的类型：蛋白质合成的类型：永久型永久型：是指蛋白质的合成不受环境变化或代：是指蛋白质的合成不受环境变化或代谢状态的影响，始终维持在恒定水平。谢状态的影响，始终维持在恒定水平。适应型或调节型适应型或调节型：是指蛋白质的合成速度明显：是指蛋白质的合成速度明显地受环境的影响。地受环境的影响。第一节第一节 原核生物基因表达调控的概述原核生物基因表达调控的概述第二节第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统第三节第三节 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第四节第四节 其它操纵子其它操纵子第五节第五节 转录后的调控转录后的调控9/5/20242第一节第一节 原核生物基因表达调控的概述原核生物基因表达调控的概述基因表达（基因表达（gene expression)：是指：是指DNA分子所承分子所承载的遗传信息，通过密码子载的遗传信息，通过密码子 反密码子系统，转变反密码子系统，转变成蛋白质或功能成蛋白质或功能RNA分子的过程，称为基因表达。分子的过程，称为基因表达。基因表达调控（基因表达调控（gene regulation or gene control): 是指对基因表达过程的调节。是指对基因表达过程的调节。9/5/20243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：1、转录水平上的调控（、转录水平上的调控（transcriptional regulation);2、mRNA加工成熟水平上的调控（加工成熟水平上的调控（differential processing of RNA transcription);3、翻译水平上的调控（、翻译水平上的调控（differential translation of mRNA)9/5/20244基因调控的指挥系统：基因调控的指挥系统：原核生物原核生物营养水平（营养水平（nutritional status)环境因素环境因素( environmental factors)真核生物真核生物激素水平（激素水平（hormone level)发育阶段（发育阶段（developmental stage)9/5/20245一、原核基因调控机制的类型与特点根据调控机制的不同：根据调控机制的不同： 正转录调控（正转录调控（positive transcription regulation）：）：调节基因的产物是调节基因的产物是激活蛋白激活蛋白（activator），起着提高起着提高结构基因转录水平的作用。结构基因转录水平的作用。负转录调控（负转录调控（negative transcription regulation）：）：调节基因的产物是调节基因的产物是阻遏蛋白（阻遏蛋白（reppressor），起着起着阻止结构基因转录的作用。阻止结构基因转录的作用。9/5/20246根据作用特征：根据作用特征：诱导（诱导（induction）：）：调节因子与效应物结合后，开调节因子与效应物结合后，开启基因的转录活性称为启基因的转录活性称为 诱导（诱导（induction）；阻遏（阻遏（repression）：）：调节因子与效应物结合后，调节因子与效应物结合后，关闭基因的转录活性称为关闭基因的转录活性称为 阻遏（阻遏（repression）。9/5/202479/5/202489/5/20249调节基因产物调节基因产物 调节基因产物与效应物结合调节基因产物与效应物结合 基因基因表达表达基因基因不表达不表达阻遏阻遏蛋白蛋白负控负控诱导诱导系统系统 负控负控阻遏阻遏系统系统 激活激活蛋白蛋白正控正控诱导诱导系统系统 正控正控阻遏阻遏系统系统 9/5/202410 因子因子是参与大肠杆菌基因表达调控最常见是参与大肠杆菌基因表达调控最常见的蛋白质。的蛋白质。6 种种 因子：因子： 70、 54、 38、 32、 28、 24。 除除54 外，其余外，其余5种种 因子在结构上均具有同源因子在结构上均具有同源性，统称为性，统称为70 家族。家族。9/5/202411TTGACATATAAT- 35- 10Startpoint16-19 bp5-9 bp70 因子识别并结合在所调控基因上游的区域因子识别并结合在所调控基因上游的区域CTGGNATTGCA- 24- 12Startpoint 7 - 9 bp6-8 bp54 因子识别并结合在所调控基因上游的区域因子识别并结合在所调控基因上游的区域9/5/2024121 、 特殊代谢物对基因活性的调节特殊代谢物对基因活性的调节可诱导调节可诱导调节：是指一些基因在某些代谢物的诱导：是指一些基因在某些代谢物的诱导下使其活化，由原来的关闭状态转变为开放状态。下使其活化，由原来的关闭状态转变为开放状态。如：大肠杆菌的乳糖操纵子如：大肠杆菌的乳糖操纵子可可阻遏调节阻遏调节：是指一些基因由于某些代谢物的积：是指一些基因由于某些代谢物的积累，而使其由原来的开放状态转变为关闭状态。累，而使其由原来的开放状态转变为关闭状态。如：色氨酸操纵子如：色氨酸操纵子二、二、原核基因调节的主要特点原核基因调节的主要特点9/5/202413无诱导物时，基因关闭诱导物开启基因可可诱导的操纵子诱导的操纵子：是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白：是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因；的基因；9/5/202414可可阻遏的操纵子阻遏的操纵子：是一些合成各种细胞代谢过程中所：是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质。必须的小分子物质。9/5/2024152、弱化子对基因活性的调节、弱化子对基因活性的调节弱化弱化子子(attenuator)：是指起转录终止信号的一段是指起转录终止信号的一段核苷酸序列核苷酸序列。trp 操纵子操纵子mRNA 前导序列结构前导序列结构9/5/202416细胞中某一细胞中某一氨基酸或嘧啶氨基酸或嘧啶的浓度发生改变的浓度发生改变氨氨酰酰 tRNA的的浓度变化浓度变化核糖体在转录产物核糖体在转录产物RNA上的上的结合位置结合位置不同，不同，使得使得RNA形成特定的二级结构形成特定的二级结构由由RNA的的二级结构二级结构判断基因能否继续转录判断基因能否继续转录调节机理调节机理：9/5/202417色氨酸含量和核糖体位置对弱化子结构的影响色氨酸含量和核糖体位置对弱化子结构的影响当色氨酸充足时，前导序当色氨酸充足时，前导序列的合成正常进行，核糖列的合成正常进行，核糖体占据体占据 1 区和部分区和部分2 区，区，2、3 不能有效配对；不能有效配对；3、4 配对形成终止子的配对形成终止子的发卡结构，转录终止。发卡结构，转录终止。Trp+ + 转录终止转录终止9/5/202418当缺乏色氨酸时，当缺乏色氨酸时， 翻译翻译在双色氨酸密码子处中在双色氨酸密码子处中止；核糖体仅占据止；核糖体仅占据 1 区，区，2、3 区配对；区配对；3、4 区不能形成发卡结区不能形成发卡结构，转录继续。构，转录继续。Trp- 转录继续转录继续9/5/202419前导区的转录前导区的转录无色氨酸时，转无色氨酸时，转录可持续进行录可持续进行有色氨酸存在时，有色氨酸存在时，转录在弱化子区域转录在弱化子区域终止终止9/5/2024203、降解物对基因活性的调节、降解物对基因活性的调节葡萄糖效应或降解物抑制作用葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在：细菌培养基中在葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。葡萄糖葡萄糖抑制抑制腺苷酸环化酶的腺苷酸环化酶的活性活性导致导致环腺苷酸的环腺苷酸的合成合成减少减少环腺苷酸环腺苷酸代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白复合物复合物复合物结合在启动子区域是乳复合物结合在启动子区域是乳糖、半乳糖等糖类糖、半乳糖等糖类mRNA转录转录所必需的。所必需的。9/5/2024214、细菌的应急反应、细菌的应急反应 是是指指细菌在供给物全面匮乏的情况下，难以找细菌在供给物全面匮乏的情况下，难以找到代用物，所作出的一种反应，帮助细菌渡过难关。到代用物，所作出的一种反应，帮助细菌渡过难关。应急反应的机理应急反应的机理：空载的空载的 tRNA激活激活焦焦磷酸转移酶磷酸转移酶鸟苷四鸟苷四磷酸磷酸 ppGpp鸟苷五磷酸鸟苷五磷酸 pppGpp大大量量合合成成关闭一些基因关闭一些基因打开一些基因打开一些基因9/5/202422 1 1、原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点 正转录调控正转录调控 负转录调控负转录调控 诱导诱导 阻遏阻遏2、原核基因调节的主要特点、原核基因调节的主要特点 a 、特殊代谢物对基因表达的调节、特殊代谢物对基因表达的调节 b、弱化子对基因活性的调节、弱化子对基因活性的调节 c、降解物对基因活性的调节、降解物对基因活性的调节 d、细菌的应急反应、细菌的应急反应小小 结结9/5/202423-半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶透过酶透过酶透过酶透过酶转乙酰酶转乙酰酶转乙酰酶转乙酰酶阻遏阻遏阻遏阻遏物物第二节第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统9/5/202424p 阻遏蛋白基因（阻遏蛋白基因（I）属于组成型的调控，是经常表属于组成型的调控，是经常表达的，因此，达的，因此，lac操纵子通常是处于关闭状态的。操纵子通常是处于关闭状态的。 lac 操纵子的结构操纵子的结构阻遏蛋白基因阻遏蛋白基因（I）启动区启动区（P）操纵区（操纵区（O）CAP-cAMP 结合部位结合部位三个结构基因三个结构基因ZYA9/5/202425一、酶的诱导一、酶的诱导 lac 体系受调控的证据体系受调控的证据E. coli 在不含乳糖的培养基生在不含乳糖的培养基生长时，长时，-半乳糖苷酶含量极半乳糖苷酶含量极低；当加入乳糖或半乳糖后，低；当加入乳糖或半乳糖后，则迅速升高。则迅速升高。两种含硫的乳糖类似物：两种含硫的乳糖类似物：异丙基巯基半异丙基巯基半乳糖苷乳糖苷（IPTG）巯巯甲基半乳糖苷甲基半乳糖苷（TMG）9/5/202426诱导物（诱导物（inducer）：）：如果某物质能促使细胞产生如果某物质能促使细胞产生一特定的酶，该物质就叫做一特定的酶，该物质就叫做诱导物诱导物；安慰诱导物（安慰诱导物（gratuitous inducers）：）：可诱导酶的合可诱导酶的合成，但不被所诱导的酶降解的物质称为成，但不被所诱导的酶降解的物质称为安慰诱导物安慰诱导物。IPTG（异丙基巯基半乳糖苷）是异丙基巯基半乳糖苷）是laclac 基因的安慰诱基因的安慰诱导物。导物。辅阻遏物（辅阻遏物（corepressor）如果某物质能阻止细胞产如果某物质能阻止细胞产生一特定的酶，该物质就叫做生一特定的酶，该物质就叫做辅阻遏物辅阻遏物。9/5/202427二、乳糖操纵子的模型及其影响因子二、乳糖操纵子的模型及其影响因子 操纵子模型操纵子模型： 一个或几个结构基因与一个调节一个或几个结构基因与一个调节基因、一个操纵区组成一个操纵单元。这个单元基因、一个操纵区组成一个操纵单元。这个单元称为称为操纵子操纵子（operon）。-半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶透过酶透过酶透过酶透过酶转乙酰酶转乙酰酶转乙酰酶转乙酰酶阻遏阻遏阻遏阻遏物物9/5/202428 操纵区位于启动子与结构基因之间，与启操纵区位于启动子与结构基因之间，与启动子部分重叠，阻遏物结合于操作区时，即阻动子部分重叠，阻遏物结合于操作区时，即阻止止RNA 聚合酶起始转录。聚合酶起始转录。9/5/202429乳糖操纵子控制模型的主要内容：乳糖操纵子控制模型的主要内容：操纵区位于启动子与结构基因之间，不能单独起始操纵区位于启动子与结构基因之间，不能单独起始结构基因的表达；结构基因的表达；操纵区是一小段操纵区是一小段DNA序列，是阻遏物结合位点；序列，是阻遏物结合位点；操纵与启动子部分重叠，操纵与启动子部分重叠，当当阻遏物与操纵区结合时，阻遏物与操纵区结合时，即阻止即阻止RNA 聚合酶起始转录；聚合酶起始转录；诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区结合，从而激发不能与操纵区结合，从而激发mRNA的合成。的合成。一条多顺反子一条多顺反子mRNA编码编码Z、Y、A基因；基因；9/5/2024309/5/202431调节基因调节基因调节基因调节基因阻遏蛋白产生产生产生产生结合结合结合结合操纵区操纵区操纵区操纵区相邻相邻相邻相邻启动区启动区乳糖操纵子中调节基因的作用过程：乳糖操纵子中调节基因的作用过程：乳糖操纵子中诱导物的作用机理：乳糖操纵子中诱导物的作用机理：诱导物作用的对象是诱导物作用的对象是阻遏蛋白阻遏蛋白。阻碍阻碍RNARNA聚合酶与启动子区的正常结合聚合酶与启动子区的正常结合聚合酶与启动子区的正常结合聚合酶与启动子区的正常结合结构基因转录成结构基因转录成结构基因转录成结构基因转录成 mRNAmRNA并合成蛋白质并合成蛋白质并合成蛋白质并合成蛋白质抑制抑制抑制抑制9/5/202432（一）、一）、lac 操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达诱导物诱导物的形成需要有的形成需要有-半乳糖苷酶半乳糖苷酶的存在的存在的存在的存在；诱导物诱导物作用需要跨膜，跨膜需要作用需要跨膜，跨膜需要透过酶透过酶的存在；的存在；透过酶透过酶的产生又需要的产生又需要诱导物诱导物的存在；的存在；-半乳糖苷酶半乳糖苷酶的产生又需要的产生又需要诱导物诱导物的存在；的存在； 在在非非诱导的状态下仍有少量的诱导的状态下仍有少量的 lac mRNA合成，合成，这种合成被称为本底水平的这种合成被称为本底水平的组成型合成组成型合成（background level constitutive synthesis)。9/5/202433（二）、大肠杆菌对乳糖的反应二）、大肠杆菌对乳糖的反应乳糖乳糖本底本底水平透过酶水平透过酶进入细菌细胞进入细菌细胞结合结合阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白失活，阻遏蛋白失活， -半乳糖苷酶和透过酶表达半乳糖苷酶和透过酶表达半乳糖苷酶和透过酶表达半乳糖苷酶和透过酶表达细胞吸收大量乳糖细胞吸收大量乳糖去向去向葡萄糖葡萄糖半半乳糖乳糖异构异构乳糖乳糖结合结合阻遏蛋白阻遏蛋白当当阻遏蛋白的浓度阻遏蛋白的浓度超过超过异构乳糖的浓度，细胞重新建异构乳糖的浓度，细胞重新建立阻遏状态，导致立阻遏状态，导致 lac mRNA 的的合成被抑制。合成被抑制。本底本底水平水平-半乳糖苷酶半乳糖苷酶葡萄糖葡萄糖-1,6-半乳糖半乳糖诱导物诱导物9/5/202434（三）、阻遏物三）、阻遏物 lac I 基因产物及功能基因产物及功能 Lac 操纵子阻遏物操纵子阻遏物 mRNA 是由是由弱启动子弱启动子控制下控制下组组成型合成成型合成的，该阻遏蛋白具有的，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚个相同的亚基，每个亚基均含基均含347个氨基酸残基。个氨基酸残基。lacI 基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获得较多的阻遏蛋白；得较多的阻遏蛋白；-半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶透过酶透过酶透过酶透过酶转乙酰酶转乙酰酶转乙酰酶转乙酰酶阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物9/5/202435调节基因调节基因调节基因调节基因 lacIlacI 的突变也可导致乳糖操的突变也可导致乳糖操的突变也可导致乳糖操的突变也可导致乳糖操纵子基因的组成型表达。纵子基因的组成型表达。纵子基因的组成型表达。纵子基因的组成型表达。9/5/202436操纵区操纵区操纵区操纵区 lacOlacO 的突变（的突变（的突变（的突变（lacOlacO c c）可导致乳可导致乳可导致乳可导致乳糖操纵子基因的组成型表达。糖操纵子基因的组成型表达。糖操纵子基因的组成型表达。糖操纵子基因的组成型表达。9/5/202437（四）、葡萄糖对四）、葡萄糖对 lac 操纵子的影响操纵子的影响 在葡萄糖存在时，在葡萄糖存在时，E. coli 优先利用葡萄糖；此时优先利用葡萄糖；此时即使培养基中含有乳糖，乳糖操纵子蛋白仍然含量即使培养基中含有乳糖，乳糖操纵子蛋白仍然含量很低。很低。 这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种效应称为效应称为降解物抑制（降解物抑制（catabolite repression）。9/5/202438葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸甘油甘油某些代谢产物抑制活性某些代谢产物抑制活性腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶ATPcAMPCrp基因基因编码编码代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白 CAPcAMP-CAP 葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对cAMP的抑制完成的。的抑制完成的。（五）、五）、cAMP与与代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白9/5/202439 代谢物活化蛋白：代谢物活化蛋白：CAP（ Catabolite gene activator protein ； cAMP receptor protein ）是一些启动子起始转是一些启动子起始转录必需的正调控因子。录必需的正调控因子。 CAP 只有与只有与 cAMP 结合后才能与结合后才能与其结合区域结合。其结合区域结合。9/5/202440CAPCAP的结合部位的结合部位的结合部位的结合部位 CAPCAP结合部位结合部位结合部位结合部位不太固定，方向也不太固定，方向也不太固定，方向也不太固定，方向也可以不同。可以不同。可以不同。可以不同。半乳糖操纵子半乳糖操纵子半乳糖操纵子半乳糖操纵子乳糖操纵子乳糖操纵子乳糖操纵子乳糖操纵子阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子9/5/202441三、三、lac operon 的其它问题的其它问题 lac operon的功能是在的功能是在正负两个调控体系正负两个调控体系的协调作用下实现的。阻遏蛋白封闭转录时，的协调作用下实现的。阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用；如没有不发挥作用；如没有CAP加强转录，即加强转录，即使阻遏蛋白从使阻遏蛋白从operator上解聚仍无转录活性；上解聚仍无转录活性； CAP组成型合成，所以组成型合成，所以cAMPCAP复合复合物取决于物取决于cAMP含量含量; 9/5/202442腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，因此糖运输的酶有关，因此cAMPCAP调控乳调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶;降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在，降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在，这些操纵元就不表达。这些操纵元就不表达。9/5/2024432. A基因及其生理功能基因及其生理功能 编码编码 -半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！ 生理意义生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒。所以乙酰化后，即无毒。所以lacA虽不在乳糖降解虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累。中起作用，但可抑制有害物质的积累。9/5/2024443. lac基因产物数量基因产物数量， 1：0.5：0.2 不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上的调节。的调节。 方式有二方式有二: 核糖体脱离核糖体脱离: 多顺反子的差别性翻译多顺反子的差别性翻译; 内切酶作用内切酶作用: 在在lac mRNA分子内部，分子内部，a基基因比因比z基因更易受内切酶作用基因更易受内切酶作用.9/5/2024459/5/202446Summary of lac operon regulationGlucosecAMPLactoseTranscription of lac mRNAHighLowPresentlow rate of expressionHighLowAbsentessentially noneLowHighAbsentessentially noneLowHighPresenthigh rate of expression9/5/202447 生物细胞中的氨基酸合成，生物细胞中的氨基酸合成， 也受操纵元的调节。细胞需也受操纵元的调节。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。经济的原则。第三节 色氨酸操纵子与负控阻遏系统9/5/202448trp操纵子的组成操纵子的组成邻氨基苯甲酸邻氨基苯甲酸合成酶合成酶吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸合成酶邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶9/5/202449p trpR, 阻遏蛋白阻遏蛋白p P，-40+18 p O, -21+1p L, +1+162p 结构基因结构基因一、一、 trp操纵子的结构操纵子的结构大肠肝菌中的大肠肝菌中的大肠肝菌中的大肠肝菌中的 trptrp 操纵子操纵子操纵子操纵子9/5/202450trp操纵子的结构操纵子的结构操纵区操纵区启动子区（启动子区（P）操纵子操纵子（O）弱化子区（弱化子区（a）结构基因结构基因E : 邻氨基苯甲酸合成酶邻氨基苯甲酸合成酶（与（与G基因为融合基因）基因为融合基因）C : 吲哚甘油磷酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶B : 色氨酸合成酶色氨酸合成酶亚基亚基 D : 邻氨基苯甲酸磷酸核糖邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶转移酶A : 色氨酸合成酶色氨酸合成酶亚基亚基 前导区前导区 (L)9/5/202451二、二、Trp operon 的阻遏系统的阻遏系统1、Trp R 四聚体四聚体9/5/202452阻遏蛋白阻遏蛋白trptrp 有活性的阻遏物有活性的阻遏物有活性的阻遏物有活性的阻遏物trp O 不转录不转录9/5/2024532、阻遏蛋白的结合位点、阻遏蛋白的结合位点 trpO -21 +1，反向重复序列反向重复序列trpP -40 +18活性阻遏物与活性阻遏物与trpO 的结合，的结合，RNA pol与启动子的结合发生竞争。与启动子的结合发生竞争。9/5/2024543、阻遏系统、阻遏系统 主管转录是否启动，主管转录是否启动， 在缺乏在缺乏Trp时，时， mRNA起始起始合成，但不能自动延伸，一般在合成，但不能自动延伸，一般在trpE之前终止转录。之前终止转录。 粗调开关粗调开关9/5/202455 色氨酸操纵子色氨酸操纵子: 由与色氨酸合成相关的由与色氨酸合成相关的 基因基因及其及其调控序列调控序列组成。当缺乏色氨酸时，组成。当缺乏色氨酸时，trp 操纵子基因表操纵子基因表达；当外源色氨酸含量较高时，操纵子中的基因受达；当外源色氨酸含量较高时，操纵子中的基因受到阻遏。到阻遏。trp操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统 色氨酸调节（色氨酸调节（trpR） 基因突变会引起基因突变会引起 trp mRNA的组成型合成的组成型合成。只有在色氨酸存在的情况下，阻遏只有在色氨酸存在的情况下，阻遏蛋白与之结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合蛋白与之结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合关闭关闭trp mRNA的转录。的转录。9/5/202456三、三、弱化子弱化子对基因表达的调节对基因表达的调节 阻遏发生时，转录的起始频率下降到阻遏发生时，转录的起始频率下降到阻遏发生时，转录的起始频率下降到阻遏发生时，转录的起始频率下降到 1/701/701/701/70，但但但但 trptrptrptrp 酶系统活性却下降到酶系统活性却下降到酶系统活性却下降到酶系统活性却下降到 1/6001/6001/6001/600。弱化作用（弱化作用（attenuation）：是指控制一些细菌操纵是指控制一些细菌操纵子转录终止的调节。子转录终止的调节。弱化子（弱化子（attenuator）：是指弱化所发生的终止子序是指弱化所发生的终止子序列，并且这种终止是被调节的，这段序列就称为列，并且这种终止是被调节的，这段序列就称为弱弱化子化子。1、弱化子弱化子（attenuator）9/5/2024572、前导区前导区：在：在 trp mRNA 5 端端 trpE 基因的起始密码子基因的起始密码子前有一个长前有一个长162 bp 的的 mRNA片段，被称为片段，被称为前导区前导区。 前导肽前导肽：由前导序列指导合成的含有：由前导序列指导合成的含有14个氨基酸残基个氨基酸残基的肽称为的肽称为前导肽前导肽。 前导序列结构前导序列结构特点特点：第：第10和和11位两个密码子为位两个密码子为色氨酸色氨酸密码子。密码子。9/5/202458 弱化子，衰减子，弱化子，衰减子， 前导前导RNA，140bp9/5/202459弱化子，弱化子，弱化子，弱化子，衰减子，衰减子，衰减子，衰减子， 9/5/202460 前导肽前导肽14aa14aa9/5/2024613、trp mRNA 前导序列结构前导序列结构9/5/202462trptrp 缺乏缺乏tRNAtrp也少也少 核糖体通过两个核糖体通过两个trp 密码密码子的速度慢，占据前导子的速度慢，占据前导序列的序列的trp 1区区2区与区与3区配对，不区配对，不能形成终止子结构能形成终止子结构结构基因转录结构基因转录4、转录的弱化作用、转录的弱化作用9/5/202463trp 浓度高浓度高前导肽中前导肽中trp 合成速度快合成速度快前导肽一直合成至其末端前导肽一直合成至其末端 核糖体占据核糖体占据1区和区和2区区3区与区与4区配对，形成终止区配对，形成终止子结构，使转录终止子结构，使转录终止9/5/202464弱化子对转录调控的关键弱化子对转录调控的关键l空间结构，空间结构，10th and 11th codons encode trp residues (rare AA)l时间，核糖体停顿在时间，核糖体停顿在2个个Trp 密码子上时，产生延密码子上时，产生延迟，迟， 此时此时4区未转录出来区未转录出来9/5/202465R P O leading seq. E D C B Atrp+为什么需要阻遏体系？为什么需要阻遏体系？ 当大量当大量Trp 存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，阻止先导合，阻止先导mRNA合成。合成。 经济经济Negativerepressible Negativerepressible operonoperon可以被最终合成产物所阻遏可以被最终合成产物所阻遏四、 阻遏作用与弱化作用的协调9/5/202466R P O leading seq. E D C B A少量少量trp+不足以结合不足以结合 O 位点位点为什么需要弱化系统？为什么需要弱化系统？ 当当trp浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发不能很快引发trp 合成。因此需要一个能快速作出反应的系合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基中适当的统，以保持培养基中适当的Trp水平。水平。9/5/202467p大肠肝菌中共有大肠肝菌中共有5个基因个基因参与色氨酸生物合成，构成参与色氨酸生物合成，构成色氨酸操纵子。其中色氨酸操纵子。其中trp G-D，trp C-F为融合基因，为融合基因，翻译出的多肽具有双重功能。翻译出的多肽具有双重功能。p有两个启动子，一个位于操纵子有两个启动子，一个位于操纵子5，一个位于，一个位于trp G-D编码区。编码区。p大肠肝菌色氨酸操纵子受到由色氨酸激活的负阻遏大肠肝菌色氨酸操纵子受到由色氨酸激活的负阻遏蛋白的调节作用。一旦转录越过前导区，开始结构蛋白的调节作用。一旦转录越过前导区，开始结构基因的转录，又会受弱化子的调控，感受无负载的基因的转录，又会受弱化子的调控，感受无负载的tRNATrp的变化。使转录机器在前导区附近停止或继的变化。使转录机器在前导区附近停止或继续结构基因的转录。续结构基因的转录。9/5/202468结构基因结构基因结构基因结构基因gal E : 异构酶异构酶gal T : 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gal K : 半乳糖激酶半乳糖激酶作用：作用：作用：作用：半乳糖半乳糖葡萄糖葡萄糖 1 磷磷酸酸第四节第四节 其他操纵子其他操纵子一、一、 半乳糖（半乳糖（gal ）操纵子）操纵子9/5/202469 无外源葡萄糖时，细菌也可利用半乳糖。无外源葡萄糖时，细菌也可利用半乳糖。gal 操操纵子的调控与乳糖操纵子基本相同，但稍有差别：纵子的调控与乳糖操纵子基本相同，但稍有差别：q 双启动子双启动子;q 双操纵区双操纵区,一个在一个在P区上游区上游 67 73 ，另一，另一个在结构基因个在结构基因gal E 内部内部q 调节基因距离结构基因很远；调节基因距离结构基因很远；q 在有外源葡萄糖时，仍然可以被低水平诱导。在有外源葡萄糖时，仍然可以被低水平诱导。9/5/202470S2 S1S2 S1转录方向转录方向转录方向转录方向-10-101、 cAMP CAP 对对 gal 启动子的作用启动子的作用qq S1 S1 起始起始起始起始依赖于依赖于依赖于依赖于 cAMPcAMP-CAP-CAP，只有当葡萄糖只有当葡萄糖只有当葡萄糖只有当葡萄糖不存不存不存不存在在在在时才可转录，需要有半乳糖、时才可转录，需要有半乳糖、时才可转录，需要有半乳糖、时才可转录，需要有半乳糖、CAPCAP和较高浓度的和较高浓度的和较高浓度的和较高浓度的cAMPcAMP; ;q S2 S2 起始起始起始起始不依赖于不依赖于不依赖于不依赖于 cAMPcAMP-CAP-CAP，只有当葡萄糖只有当葡萄糖只有当葡萄糖只有当葡萄糖存在存在存在存在时才可转录。时才可转录。时才可转录。时才可转录。9/5/2024712、双启动子的生理功能、双启动子的生理功能半半半半乳糖乳糖乳糖乳糖作为惟一碳源供细胞生长作为惟一碳源供细胞生长作为惟一碳源供细胞生长作为惟一碳源供细胞生长半乳糖差半乳糖差半乳糖差半乳糖差向异构酶的向异构酶的向异构酶的向异构酶的作用作用作用作用UDP - UDP - 葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖UDP - UDP - 半乳糖半乳糖半乳糖半乳糖不不不不依赖于依赖于依赖于依赖于cAMPcAMP- -CAPCAP启动子启动子启动子启动子S2S2依赖于依赖于依赖于依赖于 cAMPcAMP- -CAP CAP 启动子启动子启动子启动子S1S1是大肠肝菌细胞壁合成的前体是大肠肝菌细胞壁合成的前体9/5/202472二、二、ara 操纵子操纵子阿拉伯糖降解阿拉伯糖降解阿拉伯糖降解阿拉伯糖降解araBaraB : : 核酮糖激酶核酮糖激酶核酮糖激酶核酮糖激酶araAaraA：L-L-阿拉伯糖异构酶阿拉伯糖异构酶阿拉伯糖异构酶阿拉伯糖异构酶araDaraD：L-L-核酮糖核酮糖核酮糖核酮糖-5-5-磷酸磷酸磷酸磷酸-4-4-差向异构差向异构差向异构差向异构酶酶酶酶Operator 2Operator 1regulate genearaBADaraBADCRP 结合位点结合位点9/5/202473araC 与与 araBAD相邻，但转录方向相反。相邻，但转录方向相反。araC 与与 araBAD 的结构的结构C 蛋白有三个结合位点：蛋白有三个结合位点：O1, O2, IC 基因为自我调节基因：基因为自我调节基因：缺乏缺乏 C 蛋白时，蛋白时，araC表达；表达；当当C蛋白含量升高时，抑制蛋白含量升高时，抑制 araC 的表达。的表达。具有正、负调节作用。具有正、负调节作用。9/5/202474（1）当葡萄糖水平较高、阿拉伯糖水平较低时，）当葡萄糖水平较高、阿拉伯糖水平较低时，C蛋白与操纵区蛋白与操纵区O2及及araI诱导因子结合区上半区结合，诱导因子结合区上半区结合，形成形成DNA回转结构，回转结构，araBAD 基因不表达；基因不表达；（2）当体系中有阿拉伯糖、无葡萄糖时，）当体系中有阿拉伯糖、无葡萄糖时，Ara C 与与阿拉伯糖相结合，改变构象成为阿拉伯糖相结合，改变构象成为激活蛋白激活蛋白， Ara C 同源体分别与同源体分别与araO1和和araI区结合。区结合。RNA聚合酶在聚合酶在Ara C 蛋白和蛋白和CRP- cAMP的作用下，起始的作用下，起始BAD 基基因表达。因表达。9/5/202475第五节第五节 转录水平上的其它调控方式转录水平上的其它调控方式一、一、因子的调节作用因子的调节作用 不同不同因子的选择；因子的选择；因子本身活性的调节；因子本身活性的调节；二、组蛋白类似蛋白的调节作用二、组蛋白类似蛋白的调节作用 在细菌细胞中存在的用来维持在细菌细胞中存在的用来维持DNA高级结构的高级结构的非特异性非特异性DNA结合蛋白，称为组蛋白类似蛋白。结合蛋白，称为组蛋白类似蛋白。9/5/202476三、转录调控因子的作用三、转录调控因子的作用 转录调控因子：指与基因的启动子区结转录调控因子：指与基因的启动子区结合，对基因的转录起激活或抑制作用的合，对基因的转录起激活或抑制作用的DNA结合蛋白称为转录调控因子。结合蛋白称为转录调控因子。四、抗终止因子的调节作用四、抗终止因子的调节作用 抗终止因子是能够在特定位点阻止转录终抗终止因子是能够在特定位点阻止转录终止的一类蛋白质。这种调节作用主要见于噬菌止的一类蛋白质。这种调节作用主要见于噬菌体和少数细菌中。参与大肠肝菌抗终止作用的体和少数细菌中。参与大肠肝菌抗终止作用的蛋白是蛋白是Nus蛋白。蛋白。9/5/202477第七节第七节 转录后调控转录后调控一、翻译起始的调控一、翻译起始的调控（1）起始密码子）起始密码子AUG，GUG，UUG，AUU，这些不常见起始密码子翻译起始效率较低；这些不常见起始密码子翻译起始效率较低；（2）SD序列的结构及其与起始密码子序列的结构及其与起始密码子AUG之间之间的距离，的距离，SD序列与序列与AUG之间的距离一般为之间的距离一般为410个核苷酸为佳，个核苷酸为佳，9个核苷酸最佳。个核苷酸最佳。9/5/202478（3） mRNA 的二级结构的二级结构 30S亚基与亚基与mRNA结合，要求结合，要求mRNA 5，端有一定的端有一定的空间结构空间结构，核苷酸序列的变化会，核苷酸序列的变化会改变改变mRNA的二级结构，的二级结构，影响影响核糖体与核糖体与mRNA的的结合结合，从而，从而造成造成蛋白质合成效率的蛋白质合成效率的差异。差异。9/5/202479二、二、mRNA稳定性对转录水平的影响稳定性对转录水平的影响 细胞内无用的细胞内无用的mRNA均被核酸酶水解。均被核酸酶水解。大肠肝菌大肠肝菌CsrAB调节系统。调节系统。CsrABCsrA为为RNA结合蛋白结合蛋白CsrB 为非编码的为非编码的RNA分子分子结合结合mRNA分子分子降解速度加快降解速度加快结合结合导致导致9/5/202480三、调节蛋白的调控作用三、调节蛋白的调控作用 调节蛋白的表达本身也受到调控。调节蛋白的表达本身也受到调控。四、反义四、反义RNA的调节作用的调节作用 细菌细胞中一些非编码的小细菌细胞中一些非编码的小RNA，与，与mRNA中特定序列配对，改变所配对中特定序列配对，改变所配对mRNA分子的构象，导致翻译过程的开启或关闭。分子的构象，导致翻译过程的开启或关闭。9/5/202481五、稀有密码子对翻译的影响五、稀有密码子对翻译的影响 使用稀有密码子频率较高的蛋白质，其表达率使用稀有密码子频率较高的蛋白质，其表达率较低。较低。 在细胞内使用稀有密码子频率较高的蛋白大多在细胞内使用稀有密码子频率较高的蛋白大多是一些调控蛋白，而结构基因使用稀有密码子的频是一些调控蛋白，而结构基因使用稀有密码子的频率较低。率较低。9/5/202482六、重叠基因对翻译的影响六、重叠基因对翻译的影响 细菌中重叠基因的存在，保证了同一核糖体对细菌中重叠基因的存在，保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的通畅及数量上的一致。两个连续基因进行翻译的通畅及数量上的一致。七、翻译的阻遏七、翻译的阻遏 在在 Q噬菌体中，纯化的复制酶可与外壳蛋白的噬菌体中，纯化的复制酶可与外壳蛋白的翻译起始区结合，抑制蛋白质的合成。翻译起始区结合，抑制蛋白质的合成。9/5/202483八、魔斑核苷酸水平对翻译的影响八、魔斑核苷酸水平对翻译的影响 细菌细胞生长过程中既要合成蛋白质，细菌细胞生长过程中既要合成蛋白质，又要合成又要合成rRNA。 严紧控制型（基因型严紧控制型（基因型rel+)：在缺少任何：在缺少任何一种氨基酸的培养基上生长时，不但蛋白质一种氨基酸的培养基上生长时，不但蛋白质的合成速度下降，的合成速度下降，RNA合成速度也下降。合成速度也下降。 松散控制型（基因型松散控制型（基因型rel-)：当氨基酸供：当氨基酸供应不足时，蛋白质合成虽然停止了，但应不足时，蛋白质合成虽然停止了，但RNA的合成速度却没有下降。的合成速度却没有下降。9/5/202484 除上述生理现象不同之外，除上述生理现象不同之外， rel+能合成能合成鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸和鸟苷五磷酸(pppGpp), rel-则不能合成鸟苷酸。鸟苷四磷酸则不能合成鸟苷酸。鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸和鸟苷五磷酸(pppGpp）是在色谱上检出的）是在色谱上检出的斑点，称为斑点，称为魔斑魔斑。9/5/202485总总 结结一、原核生物基因表达调控的概述一、原核生物基因表达调控的概述 基因表达基因表达 基因表达调控基因表达调控 正转录调控正转录调控 负转录调控负转录调控 诱导诱导 阻遏阻遏特殊代谢物对基因活性的调节特殊代谢物对基因活性的调节弱化子对基因活性的调节弱化子对基因活性的调节降解物对基因活性的调节降解物对基因活性的调节细菌的应急反应细菌的应急反应9/5/202486二、乳糖操纵子的负控诱导系统二、乳糖操纵子的负控诱导系统Lac 操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达大肠肝菌对乳糖的反应大肠肝菌对乳糖的反应阻遏物阻遏物 Lac I 基因的产物及功能基因的产物及功能葡萄糖对葡萄糖对Lac操纵子的影响操纵子的影响cAMP 与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白9/5/202487三、色氨酸操纵子与负控阻遏系统三、色氨酸操纵子与负控阻遏系统trp 操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统弱化子对弱化子对基因表达的调节基因表达的调节弱化弱化弱化子弱化子gal 操纵子操纵子ara 操纵子操纵子四、其他操纵子四、其他操纵子9/5/202488六、转录后调控六、转录后调控翻译起始的调控翻译起始的调控mRNA稳定性对转录水平的影响稳定性对转录水平的影响调节蛋白的调控作用调节蛋白的调控作用反义反义RNA的调节作用的调节作用稀有密码子对翻译的影响稀有密码子对翻译的影响重叠基因重叠基因翻译的阻遏翻译的阻遏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9/5/202489作 业一、名词解释一、名词解释一、名词解释一、名词解释正正正正转录调控转录调控转录调控转录调控负负转录调控转录调控诱导诱导阻遏阻遏1、弱化子对基因活性影响原理？、弱化子对基因活性影响原理？2、降解物对基因活性的调节？、降解物对基因活性的调节？3、简述乳糖操纵子中负调控基本模式？、简述乳糖操纵子中负调控基本模式？弱化子弱化子二、简答题二、简答题4、简述色氨酸操纵子负调控基本模式？、简述色氨酸操纵子负调控基本模式？9/5/202490