半乳糖操纵子-双启动子-详解课件

第八章第八章 原核生物基因的表达及其调控原核生物基因的表达及其调控v生物体的每个活细胞都含有相同的一整生物体的每个活细胞都含有相同的一整套基因。套基因。v基因表达具有高度的时空专一化：如肌基因表达具有高度的时空专一化：如肌红蛋白基因（肌细胞）红蛋白基因（肌细胞）v基因表达的调控：生物有机体对其基因基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的时空程序、表达速率等所进行的表达的时空程序、表达速率等所进行的调节和控制。调节和控制。v本底水平表达：调控处于关闭状态，只本底水平表达：调控处于关闭状态，只翻译极少量的蛋白质翻译极少量的蛋白质第八章 原核生物基因的表达及其调控生物体的每个活细胞都含有第一节第一节 原核生物基因的转录和翻译原核生物基因的转录和翻译原核生物的原核生物的DNA：单个裸露的单个裸露的DNA 不编码占不编码占5%转录和翻译同一时间，地点进行转录和翻译同一时间，地点进行 转录水平调控转录水平调控(主主)，兼有翻译水平调控，兼有翻译水平调控第一节 原核生物基因的转录和翻译原核生物的DNA：n根据基因表达产物可划分：根据基因表达产物可划分：组成型蛋白：基因表达不受时期、部位、环境组成型蛋白：基因表达不受时期、部位、环境 影响影响组成型表达。组成型表达。调节型蛋白调节型蛋白/适应型蛋白：基因表达受时期、部适应型蛋白：基因表达受时期、部位、环境影响位、环境影响非组成型表达。非组成型表达。n一一种种生生物物的的整整套套遗传密密码可可以以比比作作一一本本密密码字字典典,该种种生生物物的的每每个个细胞胞中中都都有有这本本字字典典。为什什么么基基因因只只有有在在它它应该发挥作作用用的的细胞胞内内和和应该发挥作用的作用的时间才能呈才能呈现活化状活化状态?n结论：必必然然有有一一个个基基因因调控控系系统在在发挥作作用用。根据基因表达产物可划分：组成型蛋白：基因表达不受时期、部基因基因调控主要在三个水平上控主要在三个水平上进行行:.DNA水平水平.转录水平水平.翻翻译水平水平基因调控主要在三个水平上进行:一、转录的起始一、转录的起始 转录是原核生物基因表达的主要调控点，转录是原核生物基因表达的主要调控点，主要涉及两个方面：主要涉及两个方面：1、RNA合成的酶系；合成的酶系；2、RNA合成起始和终止信号，即合成起始和终止信号，即DNA分子上的特定序列。分子上的特定序列。通过通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的聚合酶、转录因子和启动子的相互作用实现转录调控，改变细胞的表相互作用实现转录调控，改变细胞的表型，从而实现细胞生理状态和环境的变型，从而实现细胞生理状态和环境的变化。化。一、转录的起始（一）（一）RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase)：大肠杆的的大肠杆的的RNA聚合酶：由聚合酶：由5个亚基组成，即个亚基组成，即2，有时还有，有时还有2个个 亚基。以亚基。以2组成组成的酶称全酶。的酶称全酶。亚基与其他亚基结合较松弛，亚基与其他亚基结合较松弛，易从全酶上解离；其余部分易从全酶上解离；其余部分2称为核心酶称为核心酶(core enzyme)。（一）RNA聚合酶(RNA polymerase)：大肠在大肠杆菌中还发现一种新的在大肠杆菌中还发现一种新的因子，因子，称为称为因子因子，因此将含有，因此将含有亚基的全酶称为全酶亚基的全酶称为全酶I，含，含有有亚基的称为全酶亚基的称为全酶。二者的不同在于：全。二者的不同在于：全酶酶可以利用双链可以利用双链DNA为模板合成为模板合成po1yA)。亚基作用：亚基作用：参与启动子的识别和结合以及转参与启动子的识别和结合以及转录起始复合物的异构化。细胞内哪条录起始复合物的异构化。细胞内哪条DNA链被链被转录、转录方向与转录起点的选择都与转录、转录方向与转录起点的选择都与亚基亚基有关。有关。在大肠杆菌中还发现一种新的因子，称为因子，因此将含有离体实验表明：离体实验表明：全酶所转录的全酶所转录的RNA和细胞内和细胞内所转录出的所转录出的RNA，其起始点相同，序列相同，其起始点相同，序列相同，若仅用核心酶进行转录，则模扳链和起始点的若仅用核心酶进行转录，则模扳链和起始点的选择都有很大的随意性，而且往往同一段选择都有很大的随意性，而且往往同一段DNA的两条链都被转录。的两条链都被转录。由此可见：由此可见：亚基对识别亚基对识别DNA链上的转录信链上的转录信号是不可缺少的，它是核心酶和启动子之间的号是不可缺少的，它是核心酶和启动子之间的桥梁。桥梁。因子的取代在细胞发育和对环境应答因子的取代在细胞发育和对环境应答的反应中起主导作用。如在枯草杆菌中就有不的反应中起主导作用。如在枯草杆菌中就有不同相对分子质量的同相对分子质量的因子因子(P227表表91)离体实验表明：全酶所转录的RNA和细胞内所转录出的RNA，其半乳糖操纵子-双启动子-详解课件 核心酶的核心酶的亚基作用：亚基作用：对对RNA聚合酶的功能聚合酶的功能至关重要，参与至关重要，参与RNA合成、终止信号的识别。合成、终止信号的识别。由于由于亚基与亚基与RNA的前体核昔三磷酸具有很高的前体核昔三磷酸具有很高亲和力，推测它可能参与底物的结合，以及催亲和力，推测它可能参与底物的结合，以及催化磷酸二酯键的形成。化磷酸二酯键的形成。亚基作用：亚基作用：可使聚合酶结合到模板可使聚合酶结合到模板DNA上。上。亚基作用：亚基作用：游离状态，常以二聚体的形式游离状态，常以二聚体的形式存在，参与全酶同启动子的牢固结合。存在，参与全酶同启动子的牢固结合。核心酶的亚基作用：对RNA聚合酶的功能至关重要，参与RNRNA聚合酶体积很大，横跨近聚合酶体积很大，横跨近60个碱基，个碱基，而解旋的而解旋的DNA区域可能不到区域可能不到17个碱基。个碱基。当聚合酶按当聚合酶按53方向延伸方向延伸RNA链时，解链时，解旋的旋的DNA区域也随之移动。靠近区域也随之移动。靠近3端的端的DNA不断解旋。同时在不断解旋。同时在5端重新形成端重新形成DNA双链，不断将双链，不断将RNA-DNA杂合链中的杂合链中的RNA链挤出。链挤出。RNA聚合酶体积很大，横跨近60个碱基，而解旋的DNA区域可（二）启动子（二）启动子(promoter)：转录的起始是基因表达的关键阶段，启动子就转录的起始是基因表达的关键阶段，启动子就是连接在基因是连接在基因3端上游的端上游的DNA序列，其长度从序列，其长度从100 bp到到200 bp不等，是转录起始时不等，是转录起始时RNA聚聚合酶识别、结合的特定部位，但其本身并不被合酶识别、结合的特定部位，但其本身并不被转录。转录。（二）启动子(promoter)：在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常将将mRNA开始的一个核苷酸定为开始的一个核苷酸定为o点点(即即+1)由此向右常称为下游由此向右常称为下游(downstream)，其核苷，其核苷酸依次编为正序号；起始点左例称为上游酸依次编为正序号；起始点左例称为上游(upstream)其核苷酸则依次以负号表示紧其核苷酸则依次以负号表示紧接起始点左侧的核昔酸为接起始点左侧的核昔酸为-1。在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常将mRNA开始的一个原核生物启动子结构含有同源序列。整个原核生物启动子结构含有同源序列。整个启动子包括两个部分：其上游部分是启动子包括两个部分：其上游部分是CAP-cAMP结合位点，下游部分是结合位点，下游部分是RNA聚合酶聚合酶的进入位点。的进入位点。原核生物启动子结构含有同源序列。整个启动子包括两个部分：其上二、转录的终止二、转录的终止（一）终止子及其结构：（一）终止子及其结构：1、概念：、概念：DNA上提供转录停止信号的一段上提供转录停止信号的一段序列称为终止子序列称为终止子(terminator)，是一个基因的，是一个基因的末端或是一个操纵子的末端的一段特定序列。末端或是一个操纵子的末端的一段特定序列。2、类型：强终止子和弱终止子、类型：强终止子和弱终止子强终止子：强终止子：不依赖于不依赖于Rho蛋白质辅助因子而能蛋白质辅助因子而能实现终止作用，这类终止子属于强终止子；实现终止作用，这类终止子属于强终止子；弱终止子：弱终止子：依赖于依赖于Rho蛋白糖助因子才能实现蛋白糖助因子才能实现终止作用，这类终止子属于弱终止子。蛋白质终止作用，这类终止子属于弱终止子。蛋白质辅助因子称为释放因子，通常称为辅助因子称为释放因子，通常称为因子。因子。二、转录的终止所有原核生物的终止子共同的序列特征：所有原核生物的终止子共同的序列特征：即在转录终止点之前有一段回文结构，因而所即在转录终止点之前有一段回文结构，因而所产生的产生的mRNA可形成茎环状的发夹结构，它可可形成茎环状的发夹结构，它可使使RNA聚合酶的移动停止或减缓。回文结构中聚合酶的移动停止或减缓。回文结构中富含富含GC对，在回文序列的下游常有对，在回文序列的下游常有68个个AU对，因此这段终止子转录后形成的对，因此这段终止子转录后形成的RNA具有与具有与A相对应的寡聚相对应的寡聚U，是使，是使RNA聚合酶脱离模板聚合酶脱离模板的信号。的信号。所有原核生物的终止子共同的序列特征：即在转录终止点之前有一段依赖子依赖子因子的终止子因子的终止子其回文序列中其回文序列中GC对含量对含量较少，回文序列下方没有固定结构，其较少，回文序列下方没有固定结构，其AU对对含量也较低，因而是弱终止子，必需有含量也较低，因而是弱终止子，必需有因子因子存在时才发生终止作用；这也就是说依赖于存在时才发生终止作用；这也就是说依赖于因子的终止子由于其茎环结构常较短，在没有因子的终止子由于其茎环结构常较短，在没有因子时这种茎环结构不稳定。即如果没有因子时这种茎环结构不稳定。即如果没有因因子存在子存在RNA聚合酶会继续转录下去，这就称聚合酶会继续转录下去，这就称为通读为通读(read through)，当，当因子存在时，转因子存在时，转录才能终止。录才能终止。依赖子因子的终止子其回文序列中GC对含量较少，回文序列下方在强终止子中在强终止子中，由于其，由于其DNA模板上富含模板上富含GC而而使转录出的使转录出的RNA上富含上富含C和和G，于是，于是RNA与模与模板之间可以形成较强的氢键，成为板之间可以形成较强的氢键，成为DNARNA杂合分子，从而阻碍杂合分子，从而阻碍DNA聚合酶的前进而有利聚合酶的前进而有利于终止。于终止。（二）（二）因子辅助终止作用的机理因子辅助终止作用的机理在强终止子中，由于其DNA模板上富含GC而使转录出的RNA上(三)基因表达的极性现象 在正常情况下原核基因表达时，其转录出来的mRNA随即进行翻译，这时整个mRNA都覆盖着核糖体，因子无法接近mRNA而RNA聚合酶早已越过前面的基因的依赖因子的终止子，所以转录实际上并不停止而是继续转录后续基因。如果在某一基因的依赖于的终止子之前发生无义突变，核糖体便从无义密码子上解离下来，翻译停止，核糖体不再进入到mRNA上无义密码子以后的位置上。于是就可以自由进入RNA并移动，直到赶上停留在终止子上的RNA聚合酶。结果使RNA聚合酶释放，不能再转录下游基因。(三)基因表达的极性现象半乳糖操纵子-双启动子-详解课件概念：基因表达的极性现象：概念：基因表达的极性现象：在某些情况在某些情况下同一转录单位里，由于一个基因的无义突变，下同一转录单位里，由于一个基因的无义突变，阻碍了其后续基因表达的效应就称为基因表阻碍了其后续基因表达的效应就称为基因表达的极性现象。达的极性现象。除了无义突变可以导致极性现象外，插入序列除了无义突变可以导致极性现象外，插入序列IS1、IS2等等DNA片段插入到操纵子的基因中也片段插入到操纵子的基因中也会发生极性现象。会发生极性现象。概念：基因表达的极性现象：在某些情况下同一转录单位里，由于一因子也可发生突变，其效应的基本性质是使因子也可发生突变，其效应的基本性质是使终止作用出现故障。突变常可抑制极性效应，终止作用出现故障。突变常可抑制极性效应，这是因为其突变很可能减弱了这是因为其突变很可能减弱了对无义密码子对无义密码子后面的中间终止子的作用，这样翻译的终止并后面的中间终止子的作用，这样翻译的终止并不会使转录也停顿，且远离无义突变的不会使转录也停顿，且远离无义突变的DNA区区段还可以被重新覆盖的核糖体继续翻译段还可以被重新覆盖的核糖体继续翻译因子也可发生突变，其效应的基本性质是使终止作用出现故障。突(四四)抗终止作用抗终止作用 因子的作用可以被抗终止因子所抵消，因子的作用可以被抗终止因子所抵消，这样，这样，RNA聚合酶便可通过终止子聚合酶便可通过终止子(依赖依赖于于因子的因子的)继续转录后面的基因。这种继续转录后面的基因。这种现象称为抗终止作用现象称为抗终止作用(anti一一termination)。(四)抗终止作用抗终止作用最有代表性的例子见于抗终止作用最有代表性的例子见于噬菌体的噬菌体的时序控制。时序控制。噬菌体基因在裂解过程中的表达噬菌体基因在裂解过程中的表达分前早期、晚早期和晚期分前早期、晚早期和晚期3个阶段进行，其早个阶段进行，其早期基因与晚期基因以终止子相隔。期基因与晚期基因以终止子相隔。噬菌体侵噬菌体侵入敏感细胞，首先借助宿主的入敏感细胞，首先借助宿主的RNA聚合酶转录聚合酶转录前早期基因，由此获得的表达产物前早期基因，由此获得的表达产物N蛋白是一蛋白是一种抗终止因子，它与种抗终止因子，它与RNA聚合酶作用使后者越聚合酶作用使后者越过左右两个终止子继续转录，实现晚早期基因过左右两个终止子继续转录，实现晚早期基因表达。表达。抗终止作用最有代表性的例子见于噬菌体的时序控制。噬菌体基半乳糖操纵子-双启动子-详解课件三、原核生物三、原核生物RNA的加工的加工四、四、SD序列与翻译效率序列与翻译效率核糖体结合保护降解法：测定核糖体结合保护降解法：测定mRNA 上核糖体上核糖体起始蛋白质合成的部位。在抑制多肽链伸长的起始蛋白质合成的部位。在抑制多肽链伸长的条件下，当翻译起始时，核糖体与条件下，当翻译起始时，核糖体与mRNA的结的结合位点已形成稳定的复合体，于是加入核酸酶合位点已形成稳定的复合体，于是加入核酸酶使未与核糖体结合的使未与核糖体结合的 mRNA的区段降解，而有的区段降解，而有核糖体结合区域则受到保护。核糖体结合区域则受到保护。三、原核生物RNA的加工在细菌中受核糖体保护的起始序列约在细菌中受核糖体保护的起始序列约3540个个碱基长，其中包含起始密码子碱基长，其中包含起始密码子AUG。在起始密。在起始密码子上游约码子上游约47个核苷酸之前还有一段富含嘌个核苷酸之前还有一段富含嘌吟的吟的5AGGAGG3短小序列，它可以与短小序列，它可以与16S rRNA3端的端的 3UCCUCC5区段完全区段完全互补。互补。mRNA上的这段序列称为上的这段序列称为 Shine Dalgarno 序列（简称序列（简称SD序列）。序列）。在细菌中受核糖体保护的起始序列约3540个碱基长，其中包含SD序列与序列与16S rRNA序列互补的程度以及序列互补的程度以及从起始密码子从起始密码子AUG到嘌呤片段的距离也到嘌呤片段的距离也都强烈地影响翻译起始的效率。不同基都强烈地影响翻译起始的效率。不同基因的因的mRNA有不同的有不同的SD序列，它们与序列，它们与16S rRNA的结合能力也不同，从而控制的结合能力也不同，从而控制着单位时间内翻译过程中起始复合物形着单位时间内翻译过程中起始复合物形成的数目，最终控制着翻译的速度。成的数目，最终控制着翻译的速度。SD序列与16S rRNA序列互补的程度以及从起始密码子AU第二节第二节 大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控一、操纵子与操纵子模型一、操纵子与操纵子模型操纵子学说操纵子学说/操纵子模型：操纵子模型：F.Jacob J.Mond（1960）E.coli lac operon(1965诺诺贝尔医学生理学奖贝尔医学生理学奖)操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本单元，由结构基因、操作子（单元，由结构基因、操作子（O）和启动子）和启动子（P）组成。）组成。转录、翻译、合成蛋白转录、翻译、合成蛋白 结合调节蛋白结合调节蛋白 结合结合RNA聚合酶聚合酶 第二节 大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控一、操纵子与操纵子模型promoter structural genes operator启动基因启动基因 操纵基因操纵基因 结构基因结构基因操纵子操纵子(operon)(operon)模型模型promoter structural genes o调控（节）蛋白调控（节）蛋白 操纵子操纵子RNARPO structural genesDNAProtein 正调控（正调控（正调控（正调控（positive positive positive positive regulation)regulation)regulation)regulation)负调控负调控负调控负调控 (negative(negative(negative(negative regulation)regulation)regulation)regulation)调控蛋白的作用机制注：注：R R：Regulator PRegulator P：Promoter OPromoter O：OperatorOperator 正调控系统中的正调控蛋白又被称为无辅基诱导蛋白（正调控系统中的正调控蛋白又被称为无辅基诱导蛋白（apoinducer)apoinducer)负调控系统中的负调控蛋白又被称为阻遏蛋白（负调控系统中的负调控蛋白又被称为阻遏蛋白（repressor)repressor)调控（节）蛋白 二、正调控与负调控二、正调控与负调控调节基因调节基因 RNA 调节蛋白调节蛋白 正调节蛋白正调节蛋白+操作子操作子 结构基因转录、表达结构基因转录、表达 基因失活，结构基因不表达基因失活，结构基因不表达（正控制（正控制/正调节正调节）负调节蛋白负调节蛋白+操作子操作子 结构基因转录、表达结构基因转录、表达 基因失活，结构基因组成型表达基因失活，结构基因组成型表达（负控制（负控制/负调节负调节）二、正调控与负调控根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分：根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分：隐性的组成型表达隐性的组成型表达负控制系统负控制系统 结构基因处于不可诱导状态结构基因处于不可诱导状态正控制系统正控制系统 根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分：根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分：开启调控系统中结构基因的转录活性开启调控系统中结构基因的转录活性 诱导诱导 关闭调控系统中结构基因的转录活性关闭调控系统中结构基因的转录活性 阻遏阻遏 根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分：操纵子调控系统的基本类型v可诱导负控制系统v可诱导正控制系统v可阻遏负控制系统v可阻遏正控制系统操纵子调控系统的基本类型可诱导负控制系统半乳糖操纵子-双启动子-详解课件正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；控又有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；控为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。的合成。正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加:.-半半乳乳糖糖酶酶：将将乳乳糖糖分分解解成成半半乳乳糖糖和和葡葡萄萄糖糖.渗渗透透酶酶：增增加加糖糖的的渗渗透透，易易于于摄摄取取乳乳糖糖和和半乳糖半乳糖.转乙酰酶：转乙酰酶：-半乳糖转变成乙酰半乳糖半乳糖转变成乙酰半乳糖大大量量乳乳糖糖时时：大大肠肠杆杆菌菌三三种种酶酶的的数数量量急急剧剧增增加加，几几分分钟钟即即可可达达到到千千倍倍以以上上，这这三三种种酶酶能能够够成成比比例地增加例地增加.乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止.如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加:三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调控三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调控(可诱导可诱导)乳糖操纵子的组成：乳糖操纵子的组成：1个启动子个启动子(promoter)、2个操作子个操作子(operator)、3个结构基因个结构基因诱导因子：诱导因子：（异乳糖、（异乳糖、-半乳糖苷、异丙基硫半乳糖苷、异丙基硫代半乳糖苷代半乳糖苷IPDG）乳糖操纵子突变类型：无诱导因子，组成型表乳糖操纵子突变类型：无诱导因子，组成型表达，突变位点位于调节基因和操作子上。达，突变位点位于调节基因和操作子上。三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调控(可诱导)乳糖操纵元表达受阻状态（缺乏诱导物）乳糖操纵元表达受阻状态（缺乏诱导物）The lactose operon in the The lactose operon in the The lactose operon in the The lactose operon in the repressed repressed repressed repressed state(in state(in state(in state(in the absence of an inducer)the absence of an inducer)the absence of an inducer)the absence of an inducer)乳糖操纵元表达受阻状态（缺乏诱导物）A：乳糖操纵子组成部分；：乳糖操纵子组成部分；B：野生型基因型：野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),无乳糖时，基因不表达；无乳糖时，基因不表达；C.野生型基因型野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),有乳糖时，基因表达；有乳糖时，基因表达；D.调节基因突变调节基因突变(I-O+Z+Y+A+),无乳糖时，基因组成型表达；无乳糖时，基因组成型表达；E.操纵基因突变型操纵基因突变型(IOcZ+Y+A+),无乳糖时，基因组成型表达。无乳糖时，基因组成型表达。A：乳糖操纵子组成部分；半乳糖操纵子-双启动子-详解课件顺式显性（顺式显性（cis-dominant)：显性效应只：显性效应只对处于同一染色体上它所调控的结构基对处于同一染色体上它所调控的结构基因才起作用的现象，称为因才起作用的现象，称为。如。如O。P240表表9-2顺式显性（cis-dominant)：显性效应只对处于同一染P structural genes OlacZ lacY lacAlacZ lacY lacAR -半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶-半乳糖苷通透酶半乳糖苷通透酶半乳糖苷通透酶半乳糖苷通透酶-半乳糖苷乙酰基半乳糖苷乙酰基半乳糖苷乙酰基半乳糖苷乙酰基转移酶转移酶转移酶转移酶lacZ lacY lacAlacZ lacY lacA乳糖操纵子的负控制乳糖操纵子的负控制-可诱导机制可诱导机制异异异异 乳糖等诱导物乳糖等诱导物乳糖等诱导物乳糖等诱导物阻遏蛋白单体阻遏蛋白单体阻遏蛋白单体阻遏蛋白单体阻遏蛋白四聚体阻遏蛋白四聚体阻遏蛋白四聚体阻遏蛋白四聚体P structural genes OlacZ 四、大肠杆菌乳糖操纵子的正调控四、大肠杆菌乳糖操纵子的正调控葡萄糖效应葡萄糖效应培养基中有葡萄糖存在时，即使培养基中有葡萄糖存在时，即使有乳糖存在，不诱导靶基因表达。这样的操纵有乳糖存在，不诱导靶基因表达。这样的操纵子称葡萄糖敏感操纵子。这种效应由一种正控子称葡萄糖敏感操纵子。这种效应由一种正控制机制决定。制机制决定。葡萄糖抑制操纵子的原理：葡萄糖抑制操纵子的原理：葡萄糖葡萄糖 腺苷酸环化酶活性降低腺苷酸环化酶活性降低 ATP无法无法转变成转变成cAMP 不能形成不能形成CAP-cAMP复合蛋白复合蛋白 RNA酶无法结合在酶无法结合在DNA上上 结构基因不表达。结构基因不表达。四、大肠杆菌乳糖操纵子的正调控l无葡萄糖时：无葡萄糖时：ATP cAMP ATP cAMP cAMP-CAPcAMP-CAP复合物复合物 结合结合CAPCAP l乳糖操纵子：两个开关乳糖操纵子：两个开关 第一：第一：cAMP-CAPcAMP-CAP复合物复合物 受葡萄糖影响受葡萄糖影响 第二：异乳糖复合物第二：异乳糖复合物受受乳糖影响乳糖影响 无葡萄糖时：ATP cAMP 半乳糖操纵子-双启动子-详解课件第三节第三节 其他类型的操纵子其他类型的操纵子一、具有双启动子的半乳糖操纵子半乳糖（gal)操纵子组成：2个互相重叠的启动子gal P1 和gal P2、3个操作子（CAP位点、2个阻遏蛋白位点(galOe）galOi）、3个结构基因）gal P1 依赖cAMP-CAP 转录始于S1 gal P2 阻遏蛋白调节开启 转录始于S2位于CAP位点内位于galE内第三节 其他类型的操纵子一、具有双启动子的半乳糖操纵子位于C正控制可诱导系统（第一系统）：gal P1、cAMP-CAP复合物、cAMP-CAP位点 S1无葡萄糖时：ATP cAMP cAMP-CAP复合物 结合CAP 有葡萄糖时：系统关闭 负控制可诱导系统（第二系统）：galP2、阻遏蛋白-半乳糖复合物、galOe、galOi S2 无半乳糖：阻遏蛋白结合操作子阻遏 有半乳糖：复合物构象改变开启（从S2开始转录）CAP位点激活gal 操纵子，转录从S1开始，结构基因表达正控制可诱导系统（第一系统）：CAP位点激活gal 操纵子，galE galT galKP2S1P1S2a.半乳糖操纵子结构示意图galE galT galKP2S1P1S2b.只有GcAMP-CAP galactose repressor 双启动子的半乳糖操纵子galE galT galKP2S1P1S2c.只有GalgalE galT galKP2S1P1S2c.有Gal有GgalE galT galKP2S1P1S2a.半乳糖操纵子 有G，有gal：1.阻遏 2.诱导 无G，无gal：1.诱导 2.阻遏：cAMP-CAP与阻遏蛋白竞争 无G，有gal：1.诱导 2.诱导：高水平表达 有G，无gal：1.阻遏 2.阻遏 有G，有gal：1.阻遏 2.诱导二、阿拉伯糖操纵子的双向控制Ara操纵子是控制分解代谢途径的另一调控系统。特点特点：调节蛋白既可起正调控作用，又可起负调 控作用。组成组成：araC基因编码调节蛋白基因编码调节蛋白AraC蛋白；蛋白；：O1不参与调控；不参与调控；O2：AraC蛋白负调蛋白负调 控控结合位点；结合位点；：调节位点，：调节位点，CAP-cAmP复合物结合位点，复合物结合位点，AraC蛋白正调控结合位点。蛋白正调控结合位点。二、阿拉伯糖操纵子的双向控制调控：调控：.诱导物阿拉伯糖和诱导物阿拉伯糖和cAMP同时存在：同时存在：Ara与与AraC蛋白复合物结合在位点，蛋白复合物结合在位点，CAP-cAmp复合物结合复合物结合I位点，基因转录位点，基因转录开启；开启；.在没有诱导物阿拉伯糖和在没有诱导物阿拉伯糖和cAMP时：时：AraC蛋白同时与蛋白同时与I和和 O2结合，结合，DNA构型构型发生改变，形成一个紧密的环结构，抑发生改变，形成一个紧密的环结构，抑制表达。制表达。调控：半乳糖操纵子-双启动子-详解课件三、色氨酸操纵子的转录调控及衰减作用三、色氨酸操纵子的转录调控及衰减作用 1色氨酸操纵子模型：色氨酸操纵子模型：由雅各布（由雅各布（Jacob F.）和莫诺（）和莫诺（Monod J.）提出，具有合成代谢途径典型的操纵子模）提出，具有合成代谢途径典型的操纵子模型。型。操纵子：包括色氨酸合成有关的操纵子：包括色氨酸合成有关的5种酶的结种酶的结构基因；构基因；大量色氨酸时：大肠杆菌大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转录同时种酶的转录同时受到抑制；受到抑制；色氨酸不足时：这种酶的基因开始转转色氨酸不足时：这种酶的基因开始转转录；录；色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。控结构基因的转录。trp操纵子是一个典型的可阻遏操纵元操纵子是一个典型的可阻遏操纵元模型模型(repressible operon)。三、色氨酸操纵子的转录调控及衰减作用色氨酸操纵子模型结构：色氨酸操纵子模型结构：5种结构基因：种结构基因：trpE、D、C、B、A；调控结构：启动子、操纵子、前导序列、调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子；弱化子；阻遏物阻遏物trpR基因：与基因：与trp操纵子相距较远；操纵子相距较远；色氨酸操纵子模型结构：5种结构基因：trpE、D、C、2.色氨酸操纵子的负调控：色氨酸操纵子的负调控：.阻遏调控：阻遏调控：trpR基因编码无辅基阻遏物基因编码无辅基阻遏物 与色氨酸与色氨酸结合结合 形成有活性的色氨酸阻遏物形成有活性的色氨酸阻遏物 与操作与操作子结合子结合 阻止转录；阻止转录；色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化化，不能与操作子结合，操纵元开始转录；，不能与操作子结合，操纵元开始转录；色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操作子结合，阻止转空间结构发生变化，可与操作子结合，阻止转录。录。2.色氨酸操纵子的负调控：.阻遏调控：tr.弱化子调控：弱化子调控：当有色氨酸存在而当有色氨酸存在而trp操纵子受抑制时，仍操纵子受抑制时，仍有一段前导序列发生转录，可能存在另一种的有一段前导序列发生转录，可能存在另一种的机制来抑制机制来抑制trp操纵元的转录。操纵元的转录。色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列140bp长，其中有一长，其中有一28bp的弱化子区域；形成的弱化子区域；形成发夹结构，为内部终止子，发夹结构，为内部终止子，RNA酶从酶从DNA上脱上脱落，不能转录；落，不能转录；色氨酸低浓度或不存在时，色氨酸低浓度或不存在时，RNA聚合酶能聚合酶能通过弱化子区域，转录完整的多顺反子通过弱化子区域，转录完整的多顺反子mRNA序列；序列；.弱化子调控：当有色氨酸存在而trp操纵子受抑制时问题：弱化子如何进行调控？问题：弱化子如何进行调控？前前导导序序列列可可翻翻译译出出一一段段14个个氨氨基基酸酸的的短短肽肽，在在该该短短肽肽的的第第10、11位位置置上上是是两两个个色色氨氨酸酸密密码码子子；两两个个密密码码子子之之后后是是一一段段mRNA序序列列，该该序序列列可可分分为为四四个个区区段段，区区段段间间可可互互补补配配对对，形形成成不不同同的二级结构。的二级结构。原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种二级结构位置决定形成哪种二级结构,从而决定弱化子是从而决定弱化子是否可形成终止信号。否可形成终止信号。问题：弱化子如何进行调控？.当有色氨酸时，完整翻译短肽当有色氨酸时，完整翻译短肽 核糖体核糖体停留在终止密码子处，邻近区段停留在终止密码子处，邻近区段2位置位置 阻碍阻碍了了2,3配对配对 使使3,4区段配对区段配对 形成发夹结形成发夹结构终止子构终止子 RNA酶在弱化子处终止，不能向酶在弱化子处终止，不能向前移动。前移动。.当有色氨酸时，完整翻译短肽 核糖体停留在终止.如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时 由由于没有色氨酰于没有色氨酰tRNA的供应的供应 停留在该密码子位置，停留在该密码子位置，位于区段位于区段1 使区段使区段2与区段与区段3配对配对 区段区段4无对应无对应序列配对呈单链状态序列配对呈单链状态 RNA聚合酶通过弱化子，继续聚合酶通过弱化子，继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。向前移动，转录出完整的多顺反子序列。.如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时 由于没有半乳糖操纵子-双启动子-详解课件衰减作用的生物学意义衰减作用的生物学意义 从衰减机制的分析来看，它不仅能够把几种水从衰减机制的分析来看，它不仅能够把几种水平如平如DNA和和RNA的构象变化、的构象变化、mRNA上内部终上内部终止止(衰减衰减)子的重建以及核糖体上子的重建以及核糖体上tRNA对终止密对终止密码的识别等统一起来，严格控制表达，而且衰减码的识别等统一起来，严格控制表达，而且衰减子还可依细胞内某一氨基酸水平的高低而行止。子还可依细胞内某一氨基酸水平的高低而行止。所以它是一种应答灵敏、调节灵活的多重调控方所以它是一种应答灵敏、调节灵活的多重调控方式。式。衰减作用的生物学意义 就像在色氨酸操纵子中，阻遏作用与衰减机制就像在色氨酸操纵子中，阻遏作用与衰减机制一起协同控制其基因表达，显然比单一的阻遏一起协同控制其基因表达，显然比单一的阻遏负调控系统更为有效。负调控系统更为有效。一方面一方面，当有活性的阻遏物向无活性阻遏，当有活性的阻遏物向无活性阻遏物的转变速度极低时衰减系统能更迅速地作物的转变速度极低时衰减系统能更迅速地作出反应，使色氨酸从较高浓度快速下降到中出反应，使色氨酸从较高浓度快速下降到中 等浓度；等浓度；就像在色氨酸操纵子中，阻遏作用与衰减机制一起协同控制 另一方面另一方面，若外源色氨酸浓度实在太低，细，若外源色氨酸浓度实在太低，细菌本身又没有其他的内源性色氨酸合成体系，菌本身又没有其他的内源性色氨酸合成体系，以致细菌难以支持自身的生长时，就需要有衰以致细菌难以支持自身的生长时，就需要有衰减体系加以调节减体系加以调节通过不终止通过不终止mRNA的合成的合成来增加来增加Trp酶的合成从而提高内源色氨酸的浓酶的合成从而提高内源色氨酸的浓度。度。另一方面，若外源色氨酸浓度实在太低，细菌本身又可见：衰减机制在控制基因产物的量和产物种类的配比上起着快速灵敏的调节作用，使操纵基因表达更为精密、高效。可见：衰减机制在控制基因产物的量和产物种类的配比上起着快速灵第四节第四节 噬菌体基因组的表达调控噬菌体基因组的表达调控第四节 噬菌体基因组的表达调控第五节第五节 DNA重组对基因表达的调控重组对基因表达的调控在某些细菌中，特定基因的表达与基因组内在某些细菌中，特定基因的表达与基因组内DNA重排有关。重排有关。如沙门氏菌具有运动鞭毛，它是由许多相同的如沙门氏菌具有运动鞭毛，它是由许多相同的鞭毛蛋白亚基装配而成。鞭毛蛋白亚基装配而成。沙门氏菌含有两个不同的结构基因沙门氏菌含有两个不同的结构基因H1和和H2，它们编码不同的鞭毛蛋白。它们编码不同的鞭毛蛋白。第五节 DNA重组对基因表达的调控在某些细菌中，特定基因H1基因表达则产生基因表达则产生Hl型鞭毛蛋白，这时细菌就型鞭毛蛋白，这时细菌就处于处于I相相(Phase l)；若是；若是H2基因表达就产生基因表达就产生H2鞭毛蛋白，细菌处于鞭毛蛋白，细菌处于相相(Phase)。处于处于I相的细菌生长时，其中少数细菌以相的细菌生长时，其中少数细菌以103每次细胞分裂的频率而自发转变为每次细胞分裂的频率而自发转变为相细菌；相细菌；处于处于相的细菌也以同样的频率转变为相的细菌也以同样的频率转变为I相细菌，相细菌，这一过程称为相变这一过程称为相变(phase wariation)H1基因表达则产生Hl型鞭毛蛋白，这时细菌就处于I相(PhaH2基因与另一个基因基因与另一个基因rH1紧密连锁，同紧密连锁，同属于一个操纵子。并协同表达。属于一个操纵子。并协同表达。rHl编码编码Hl基因的阻遏蛋白当基因的阻遏蛋白当H2和和rH1表达时，表达时，由于由于rHl阻遏物阻止了阻遏物阻止了H1基因的表达就基因的表达就只合成只合成H2鞭毛蛋白。如果鞭毛蛋白。如果H2基因和基因和rHl基因被关闭不表达，这时基因被关闭不表达，这时H1基因便表达，基因便表达，合成合成Hl鞭毛蛋白。鞭毛蛋白。H2基因与另一个基因rH1紧密连锁，同属于一个操纵子。并协同 相变的控制取决于含相变的控制取决于含H2和和rHl基因操纵子的启基因操纵子的启动基因所处的状态。含有启动基因在内的上游动基因所处的状态。含有启动基因在内的上游DNA长长995核苷酸对，两边各有一段长核苷酸对，两边各有一段长14核苷核苷酸对的重复，即酸对的重复，即IRL和和IRR。H2基因的起始密基因的起始密码子开始于码子开始于IRR右边的第右边的第17核苷酸对处，核苷酸对处，IRL和和IRR之间的序列含有基因之间的序列含有基因hin，它的产物是相，它的产物是相变酶，可催化这段变酶，可催化这段995核昔酸对序列发生包括核昔酸对序列发生包括hin基因在内的倒位。基因在内的倒位。相变的控制取决于含H2和rHl基因操纵子的启动基因所处的状另外，在倒位前这段序列的第另外，在倒位前这段序列的第950一一983核昔酸核昔酸对区还含有一个促进下游基因转录的启动子对区还含有一个促进下游基因转录的启动子(p)，它使，它使H2和和rH1基因表达，于是细胞处于基因表达，于是细胞处于相。相。当发生倒位以后，这个启动子便被移到序列的当发生倒位以后，这个启动子便被移到序列的另一方，且方向改为朝左，另一方，且方向改为朝左，H2和和rH1失去启动失去启动子而失活，这时细胞内没有子而失活，这时细胞内没有rH1阻遏蛋白，因阻遏蛋白，因而而H1基因表达，细胞转变成基因表达，细胞转变成I相。一旦这段相。一旦这段DNA倒位依复原状，细胞又将转变为倒位依复原状，细胞又将转变为相。相。另外，在倒位前这段序列的第950一983核昔酸对区还含有一个沙门氏菌沙门氏菌H1H1或或H2H2基因选择性表达及其调控基因选择性表达及其调控沙门氏菌H1或H2基因选择性表达及其调控这种鞭毛相的变化为何不能用基因突变这种鞭毛相的变化为何不能用基因突变来解释？来解释？因为因为第一第一这种变化只发生在两种鞭毛蛋这种变化只发生在两种鞭毛蛋白类型的相互转变，而沙门氏菌的鞭毛白类型的相互转变，而沙门氏菌的鞭毛蛋白类型有十几种之多，如果是基因突蛋白类型有十几种之多，如果是基因突变，那么也应出现其他类型的鞭毛蛋白。变，那么也应出现其他类型的鞭毛蛋白。再者再者，这种变化发生的频率很高，从每，这种变化发生的频率很高，从每代每代每105个细胞中改变一个到每代每个细胞中改变一个到每代每103个细胞中改变一个；个细胞中改变一个；第三第三，实验证明：，实验证明：相变的实质是相变的实质是Hl 或或H2基因选择性表达的基因选择性表达的结果。结果。这种鞭毛相的变化为何不能用基因突变来解释？第六节第六节 蛋白质合成的自体调控蛋白质合成的自体调控一、一、RF2合成的自体调控合成的自体调控 CUU U GAC 25 26RF2充分时，核糖体翻译其充分时，核糖体翻译其mRNA到达此终止密码到达此终止密码子，子，被被RF2识别，翻译终止（不完全肽链，无识别，翻译终止（不完全肽链，无RF2活性）活性）RF2不足时，核糖体翻译其不足时，核糖体翻译其mRNA到达此终止密码到达此终止密码子，发生移位作用，跳过子，发生移位作用，跳过U，不被，不被RF2识别，翻译识别，翻译继续，直到此基因的最后的终止密码子，在继续，直到此基因的最后的终止密码子，在RF1的作用下，形成完整肽链（具的作用下，形成完整肽链（具RF2活性）活性）第六节 蛋白质合成的自体调控一、RF2合成的自体调控二、核糖体蛋白质合成的自体调控二、核糖体蛋白质合成的自体调控 实验分析：实验分析：核糖体蛋白质与核糖体蛋白质与rRNA的结合部位同编码的结合部位同编码核糖体蛋白的核糖体蛋白的mRNA的结合部位有同源性，而且某些的结合部位有同源性，而且某些核糖体蛋白的核糖体蛋白的mRNA其部分二级结构与其部分二级结构与rRNA的部分的部分二级结构相似，二者都能与起调控作用的核糖体蛋白二级结构相似，二者都能与起调控作用的核糖体蛋白质相结合，只是质相结合，只是rRNA的结合能力强于的结合能力强于mRNA。然而，。然而，一旦一旦rRNA的合成减少或停止，游离的核糖体蛋白开的合成减少或停止，游离的核糖体蛋白开始积累。这些多余的核糖体蛋白就会与本身的始积累。这些多余的核糖体蛋白就会与本身的mRNA结合，从而阻断自身的翻译，同时也阻断同一多顺反结合，从而阻断自身的翻译，同时也阻断同一多顺反子子mRNA下游其他核糖体蛋白质编码区的翻译，使核下游其他核糖体蛋白质编码区的翻译，使核糖体蛋白质的合成和糖体蛋白质的合成和rRNA的合成几乎同步地停止。的合成几乎同步地停止。但但rRNA的合成是在转录层次的调节，而核糖体蛋白的合成是在转录层次的调节，而核糖体蛋白质的合成则是在翻译层次的控制。质的合成则是在翻译层次的控制。二、核糖体蛋白质合成的自体调控三、严谨反应与核糖体合成的调控三、严谨反应与核糖体合成的调控 概念：严谨反应（概念：严谨反应（stringent response)是指细菌生长在不良营养条件下时，由是指细菌生长在不良营养条件下时，由于缺乏任何一种氨基酸等因素所导致的于缺乏任何一种氨基酸等因素所导致的蛋白质合成突然下降蛋白质合成突然下降,tRNA合成突然停止合成突然停止等一系列反应。等一系列反应。三、严谨反应与核糖体合成的调控第七节第七节 反义反义RNA在基因表达中的调控作用在基因表达中的调控作用反义反义RNA（anti-sense RNA)：指与目的：指与目的DNA或或RNA序列互补的序列互补的DNA或或RNA片段。片段。反义反义RNA与特定的与特定的mRNA结合的位点通常是结合的位点通常是SD序列、起始密码子序列、起始密码子AUG和部分和部分N端的密码子，端的密码子，从而抑制从而抑制mRNA的翻译所以又称这类的翻译所以又称这类RNA为为干扰干扰mRNA的互补的互补RNA(mRNAinterfering complementary RNA，micRNA)。第七节 反义RNA在基因表达中的调控作用反义RNA（anti