第六章原核生物基因表达调控-课件1

第六章第六章 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控前言前言一、基因表达一、基因表达(gene expression)在一定调节机制控制下，基因通过转在一定调节机制控制下，基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其产生其RNARNA产物，如产物，如tRNAtRNA、rRNArRNA等的过程等的过程 。大多数基因的表达产物是大多数基因的表达产物是蛋白质蛋白质,部分基部分基因如因如tRNAtRNA和和rRNArRNA基因表达产物是基因表达产物是RNARNA。一个典型的原核生物基因的结构一个典型的原核生物基因的结构二、基因表达调控二、基因表达调控围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都通称为方式都通称为基因表达调控基因表达调控.转录水平的调控转录水平的调控转录后的调控转录后的调控翻译水平的调控翻译水平的调控DNADNA水平水平 基因丢失；基因丢失；基因扩增基因扩增基因重排；基因重排；甲基化修饰；甲基化修饰；染色质的结构状态染色质的结构状态RNARNA水平水平转录水平调控转录水平调控；RNARNA的转录后加工；的转录后加工；mRNAmRNA从核内向胞浆转运；从核内向胞浆转运；mRNAmRNA稳定性稳定性蛋白质水平蛋白质水平翻译过程；翻译过程；翻译后加工；翻译后加工；蛋白质的稳定性蛋白质的稳定性三、基因表达的特性：三、基因表达的特性：1）时间特异性或阶段特异性）时间特异性或阶段特异性2）空间特异性或组织细胞特异性）空间特异性或组织细胞特异性1 1、时间特异性、时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶阶段特异性段特异性(stage specificity)。n2 2、空间特异性（、空间特异性（spatial specificityspatial specificity）:在在个个体体生生长长全全过过程程，某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现，称称之之为为基基因因表表达达的的空间特异性空间特异性(spatial specificity)。基基因因表表达达伴伴随随时时间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种分分布布差差异异，实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的的，所所以以空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞或或组组织织特特异异性性(cell or tissue specificity)。四、基因表达的方式四、基因表达的方式组成性基因表达组成性基因表达适应性表达（诱导和阻遏表达）适应性表达（诱导和阻遏表达）1、组成性基因表达、组成性基因表达 某些基因在一个生物个体的几乎所有细某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为胞中持续表达，通常被称为管家基因管家基因(house-keeping gene)。无论表达水平高低，管家基因无论表达水平高低，管家基因较少受环较少受环境因素影响境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性表达组成性表达。2、诱导和阻遏表达、诱导和阻遏表达诱导表达诱导表达（inductioninduction）指在特定环境因素刺激下，）指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。因称为可诱导基因。阻遏表达阻遏表达（repressionrepression）指在特定环境因素刺激下，）指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。因称为可阻遏基因。在一定机制控制下，功能上相关的一组在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为致、共同表达，即为协调表达协调表达(coordinate(coordinate expression)expression)，这种调节称为协调调节这种调节称为协调调节(coordinate regulation)(coordinate regulation)。协调表达协调表达五、基因表达调控的基本原理：五、基因表达调控的基本原理：1.基因表达调控的多层次和复杂性基因表达调控的多层次和复杂性2.基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素1.1.基因表达调控的多层次和复杂性基因表达调控的多层次和复杂性四个基本调控点四个基本调控点（1 1）基因结构的活化）基因结构的活化（2 2）转录起始：最有效的调节环节）转录起始：最有效的调节环节（3 3）转录后加工及转运）转录后加工及转运（4 4）翻译及翻译后加工）翻译及翻译后加工DNADNA水平水平 基因丢失；基因丢失；基因扩增基因扩增基因重排；基因重排；甲基化修饰；甲基化修饰；染色质的结构状态染色质的结构状态RNARNA水平水平转录水平调控转录水平调控；RNARNA的转录后加工；的转录后加工；mRNAmRNA从核内向胞浆转运；从核内向胞浆转运；mRNAmRNA稳定性稳定性蛋白质水平蛋白质水平翻译过程；翻译过程；翻译后加工；翻译后加工；蛋白质的稳定性蛋白质的稳定性2.基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素 基因表达的调节与基因表达的调节与基因基因的结构、性质，生的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外物个体或细胞所处的内、外环境环境，以及细胞内，以及细胞内所存在的转录所存在的转录调节蛋白调节蛋白有关。有关。三个基本要素：三个基本要素：1 1）特异的）特异的DNADNA调节序列调节序列2 2）调节蛋白）调节蛋白3 3）RNARNA聚合酶聚合酶基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素1 1、特异、特异DNADNA序列序列原核生物的原核生物的操纵子操纵子操纵子操纵子真核生物的真核生物的顺式作用元件顺式作用元件 （cis-cis-acting elementacting element）2 2、调节蛋白、调节蛋白-操纵子操纵子(operon)结构基因结构基因 启动子启动子 操纵基因操纵基因 调节基因调节基因 (promoter)(operator)阻抑蛋白阻抑蛋白-操纵子操纵子(operon)-操纵子操纵子(operon)由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因转录受操纵成的功能单位，其中结构基因转录受操纵基因所控制。基因所控制。操纵基因是顺式控制元件，阻抑蛋白是反操纵基因是顺式控制元件，阻抑蛋白是反式作用因子式作用因子 是指可影响自身基因表达活性的特异是指可影响自身基因表达活性的特异DNA 序列。通常是非编码序列。包括启动子、增强序列。通常是非编码序列。包括启动子、增强子及沉默子等。子及沉默子等。真核生物的真核生物的顺式作用元件顺式作用元件BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点2 2、调节蛋白、调节蛋白 是调节基因转录的蛋白因子，如原核是调节基因转录的蛋白因子，如原核生物的阻遏蛋白和生物的阻遏蛋白和CAPCAP蛋白（蛋白（降解物基因活降解物基因活化蛋白化蛋白）、真核生物的基本转录因子和特异）、真核生物的基本转录因子和特异转录因子等。转录因子等。3 3、RNARNA聚合酶聚合酶 启动序列影响其与启动序列影响其与RNA聚合酶的亲和力，而聚合酶的亲和力，而亲和力大小则直接影响转录起动的频率。亲和力大小则直接影响转录起动的频率。原核原核启动序列或启动序列或真核真核启动子是由转录起始点、启动子是由转录起始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录的调节组件组聚合酶结合位点及控制转录的调节组件组成。成。真核生物真核生物RNARNA聚合酶聚合酶六、基因表达调控的生物学意义六、基因表达调控的生物学意义1、适应环境、维持生长和增殖、适应环境、维持生长和增殖2、维持个体发育与分化、维持个体发育与分化第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论533355DNARNA转录方向转录方向反义链反义链 模板链、模板链、（）链（）链正义链、正义链、编码链、编码链、（+）链）链基因表达基因表达l l转录水平上的调控转录水平上的调控转录水平上的调控转录水平上的调控l l转录后水平上的调控转录后水平上的调控转录后水平上的调控转录后水平上的调控基因表达调控基因表达调控原原核核生生物物主主要要是是在在转转录录水水平平上上调调控控基基因因的的表达。表达。当当需需要要某某种种基基因因产产物物时时，就就大大量量合合成成这这种种mRNAmRNA，当当不不需需要要这这种种基基因因产产物物时时就就抑抑制制这这种种mRNAmRNA的转录，就是让相应的基因不表达。的转录，就是让相应的基因不表达。通常所说的基因不表达，并不是说这个基通常所说的基因不表达，并不是说这个基因就完全不转录为因就完全不转录为mRNAmRNA，而是转录的水平，而是转录的水平很低，维持在一个基础水平（本底水平）。很低，维持在一个基础水平（本底水平）。基因表达完全关闭的情况使极为少见的。基因表达完全关闭的情况使极为少见的。l真核生物基因表达的调控可发生在不同水平上一、原核基因调控机制的类型与特点一、原核基因调控机制的类型与特点（一）原核基因调控机制的类型（一）原核基因调控机制的类型负调控负调控正调控正调控gene ON gene ON OFFOFF阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白gene OFF gene OFF ONON激活蛋白激活蛋白激活蛋白激活蛋白基因表达量基因表达量基因表达量基因表达量特别低特别低特别低特别低1、负调控、负调控 negative regulation在没有调节蛋白质存在时在没有调节蛋白质存在时在没有调节蛋白质存在时在没有调节蛋白质存在时基因是表达基因是表达基因是表达基因是表达的，加入的，加入的，加入的，加入某种调节蛋白质后某种调节蛋白质后某种调节蛋白质后某种调节蛋白质后基因活性就被关闭基因活性就被关闭基因活性就被关闭基因活性就被关闭，这样的控，这样的控，这样的控，这样的控制系统就叫做负控系统制系统就叫做负控系统制系统就叫做负控系统制系统就叫做负控系统 。其调节蛋白质叫做阻遏蛋白其调节蛋白质叫做阻遏蛋白其调节蛋白质叫做阻遏蛋白其调节蛋白质叫做阻遏蛋白 两种类型：两种类型：两种类型：两种类型：负控诱导负控诱导负控诱导负控诱导和和和和负控阻遏负控阻遏负控阻遏负控阻遏负控诱导系统负控诱导系统负控阻遏系统负控阻遏系统2、正调控、正调控 positive regulation在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控制系统就叫做正控系统。制系统就叫做正控系统。制系统就叫做正控系统。制系统就叫做正控系统。其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白)两种类型两种类型两种类型两种类型:正控诱导和正控阻遏系统正控诱导和正控阻遏系统正控诱导和正控阻遏系统正控诱导和正控阻遏系统（二）特殊代谢物调节基因表达的类型（二）特殊代谢物调节基因表达的类型可诱导调节可诱导调节可阻遏调节可阻遏调节1 1、可诱导调节、可诱导调节l一些基因在一些基因在特殊的代谢物或化合物特殊的代谢物或化合物的作用的作用下，由原来下，由原来关闭的状态关闭的状态转变为转变为工作状态工作状态，即，即在某些物质的在某些物质的诱导下使基因活化诱导下使基因活化.l调节分解代谢的操纵子，同时受调节分解代谢的操纵子，同时受cAMP-CAPcAMP-CAP的活性调节的活性调节l可诱导调节可诱导调节可诱导调节可诱导调节无诱导物无诱导物无诱导物无诱导物时时时时gene OFFgene OFFl可诱导调节可诱导调节可诱导调节可诱导调节有诱导物有诱导物有诱导物有诱导物时时时时gene ONgene ON+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时lCAPCAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP2 2、可阻遏调节、可阻遏调节l一些基因在一些基因在特殊的代谢物或化合物特殊的代谢物或化合物的作用下，的作用下，由原来由原来开启的状态开启的状态转变为转变为关闭状态关闭状态，基因的表，基因的表达被阻遏达被阻遏.l调节合成代谢的操纵子调节合成代谢的操纵子（三）原核生物基因表达调控的特点（三）原核生物基因表达调控的特点l调节的主要环节在调节的主要环节在调节的主要环节在调节的主要环节在转录水平转录水平转录水平转录水平上进行上进行上进行上进行l因子因子因子因子决定决定决定决定RNARNARNARNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性l主要通过主要通过主要通过主要通过操纵子模式操纵子模式操纵子模式操纵子模式进行调节进行调节进行调节进行调节l阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍存在的负调控作用普遍存在的负调控作用普遍存在的负调控作用普遍存在的负调控作用第六章原核生物基因表达调控第六章原核生物基因表达调控几个作用相关的基因在染色体上串连排列在几个作用相关的基因在染色体上串连排列在一起，由同一个调控系统来控制。一起，由同一个调控系统来控制。这样的一个整体称为一个操纵元这样的一个整体称为一个操纵元(operon)(operon)。原原 核核 在在在在 转转转转 录录录录水水水水 平平平平 上上上上 调调调调 控控控控 因子因子大肠杆菌至少有大肠杆菌至少有6 6种种因子因子70负责识别一般的启动子负责识别一般的启动子54识别与氮代谢有关的基因启动子识别与氮代谢有关的基因启动子32识别热激（识别热激（heat shock）蛋白质基因启动子）蛋白质基因启动子二、弱化子对基因活性的影响二、弱化子对基因活性的影响1、弱化子、弱化子在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.UUUU RNA RNA聚合酶聚合酶 起调节作用的是某种氨酰起调节作用的是某种氨酰起调节作用的是某种氨酰起调节作用的是某种氨酰-tRNA-tRNA的浓度的浓度的浓度的浓度RNA分子在分子内采用不同的碱基配对方式，形分子在分子内采用不同的碱基配对方式，形成不同的二级结构而参与调控。成不同的二级结构而参与调控。当不同的结构对是否允许终止存在差异时，改变当不同的结构对是否允许终止存在差异时，改变二级结构可对转录终止进行调控二级结构可对转录终止进行调控2、弱化子作用机制、弱化子作用机制UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 弱化子区域弱化子区域 UUUU前导前导mRNA1234弱化子结构弱化子结构 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 UUUU5 trp trp mRNA mRNA trptrpL L1 21 23 43 4寡聚寡聚寡聚寡聚U U区区区区trpE(a)(a)正常正常正常正常 (b)(b)高高高高 TrpTrp1 12 2转录终止转录终止转录终止转录终止3 4(C)(C)低低低低Trp Trp 1 12 32 34 4转录延伸转录延伸转录延伸转录延伸UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1.1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 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 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止UUUU342423UUUU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 RNA RNA聚合酶聚合酶 2.2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 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 三、降解物对基因活性的调节三、降解物对基因活性的调节1 1、葡萄糖效应（降解物抑制作用）、葡萄糖效应（降解物抑制作用）、葡萄糖效应（降解物抑制作用）、葡萄糖效应（降解物抑制作用）是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时源时源时源时葡萄糖总是优先被利用葡萄糖总是优先被利用葡萄糖总是优先被利用葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的存在，葡萄糖的存在，葡萄糖的存在，葡萄糖的存在阻止了其它糖类的利用的现象阻止了其它糖类的利用的现象阻止了其它糖类的利用的现象阻止了其它糖类的利用的现象。2 2、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通过降低葡萄糖通过降低cAMP的含量而抑制基因表达的含量而抑制基因表达四、细菌的应急反应四、细菌的应急反应指细菌在恶劣生长环境中关闭指细菌在恶劣生长环境中关闭指细菌在恶劣生长环境中关闭指细菌在恶劣生长环境中关闭tRNAtRNA和核糖体形成的能力。和核糖体形成的能力。和核糖体形成的能力。和核糖体形成的能力。1、细菌的应急反应、细菌的应急反应2、细菌的应急反应的机制、细菌的应急反应的机制应急信号：应急信号：应急信号：应急信号：鸟苷四磷酸（鸟苷四磷酸（鸟苷四磷酸（鸟苷四磷酸（ppGppppGpp）、）、）、）、鸟苷五磷酸（鸟苷五磷酸（鸟苷五磷酸（鸟苷五磷酸（pppGpppppGpp）诱导物：诱导物：诱导物：诱导物：空载空载空载空载tRNAtRNA焦磷酸焦磷酸转移酶转移酶第二节第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统一、乳糖操纵子一、乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成的结构与组成 调控区调控区阻遏基因阻遏基因启动子启动子操纵基因操纵基因 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNAI 启启 动动 子子 RNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点 调节基因调节基因 CAP结合位点结合位点 操操 纵纵 基基 因因 Z基基 阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点 mRNA LacLac操纵子调控区域操纵子调控区域乳糖操纵子的结构基因及其表达产物乳糖操纵子的结构基因及其表达产物二、酶的诱导二、酶的诱导-lac体系受调控的证据体系受调控的证据oo在不含乳糖及在不含乳糖及在不含乳糖及在不含乳糖及-半乳糖苷的培养基中，半乳糖苷的培养基中，半乳糖苷的培养基中，半乳糖苷的培养基中，laclac+基因型每个大基因型每个大基因型每个大基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有肠杆菌细胞内大约只有肠杆菌细胞内大约只有肠杆菌细胞内大约只有1 12 2个酶分子。个酶分子。个酶分子。个酶分子。oo如果在培养基中如果在培养基中如果在培养基中如果在培养基中加入乳糖加入乳糖加入乳糖加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋，酶的浓度很快达到细胞总蛋，酶的浓度很快达到细胞总蛋，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的白量的白量的白量的6%6%或或或或7%7%，每个细胞中可有超过，每个细胞中可有超过，每个细胞中可有超过，每个细胞中可有超过105105个酶分子。个酶分子。个酶分子。个酶分子。1 1、实验证据、实验证据2 2、实验用诱导物、实验用诱导物乳糖乳糖IPTG(异丙基巯基半乳糖苷异丙基巯基半乳糖苷)TMG(巯甲基半乳糖苷巯甲基半乳糖苷)ONPG(O-硝基半乳糖苷硝基半乳糖苷)pUC18AprlacZoriAp+X-galAp+X-gal重组子（重组子（ApAprr+lacZ+lacZ-）基因工程的基因工程的蓝白斑筛选蓝白斑筛选蓝白显色筛选法蓝白显色筛选法三、三、lac操纵子模型及其影响因子操纵子模型及其影响因子（一）（一）Lac操纵子模型操纵子模型控制区控制区信息区信息区 1961 1961年由莫诺（年由莫诺（Monod,J.Monod,J.法法)和雅各和雅各布布(Jacob,F.(Jacob,F.法法)提出，用来阐述大肠杆提出，用来阐述大肠杆菌乳糖代谢中基因表达的调控机制。菌乳糖代谢中基因表达的调控机制。获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖乳糖操纵子模型的建立乳糖操纵子模型的建立乳糖操纵子模型的建立乳糖操纵子模型的建立(Jacob and Monod,1961)(Jacob and Monod,1961)(Jacob and Monod,1961)(Jacob and Monod,1961)Francois JacobJacquces Monod获获19651965年年诺贝尔奖诺贝尔奖乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型1 1 1 1、Z Z Z Z、Y Y Y Y、A A A A基因的产物为一条多顺反子基因的产物为一条多顺反子基因的产物为一条多顺反子基因的产物为一条多顺反子mRNAmRNAmRNAmRNAlacZ：编码：编码-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；葡萄糖；lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；细胞壁；lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。2 2 2 2、P P P P区位于区位于区位于区位于I I I I与与与与O O O O之间，之间，之间，之间，O O O O为阻遏物结合位点为阻遏物结合位点为阻遏物结合位点为阻遏物结合位点 启启启启 动动动动 子子子子 RNARNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点聚合酶结合位点聚合酶结合位点 调节基因调节基因调节基因调节基因 CAPCAP结合位点结合位点结合位点结合位点 操操操操 纵纵纵纵 基基基基 因因因因 Z Z基因基因基因基因 阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点 第第六六章章原原核核生生物物基基因因表表达达调调控控Lac操纵子操纵子P、O区的重叠区的重叠阻遏物与阻遏物与阻遏物与阻遏物与OO区的结合影响了区的结合影响了区的结合影响了区的结合影响了RNARNA聚合酶与启动子区结合形聚合酶与启动子区结合形聚合酶与启动子区结合形聚合酶与启动子区结合形成转录起始复合物的效率。成转录起始复合物的效率。成转录起始复合物的效率。成转录起始复合物的效率。4 4、CAPCAP的正性调节的正性调节第六章原核生物基因表达调控oATP在腺苷酸环化在腺苷酸环化酶的作用下转变酶的作用下转变成环式成环式AMP(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)。The adenyl cyclase-catalyzed synthesis of cyclic AMP(cAMP)from ATP 2003 John Wiley and Sons Publishers第六章原核生物基因表达调控 Catabolite activating protein,CAP 代谢激活蛋白，是代谢激活蛋白，是cAmp的受体蛋白的受体蛋白 (cyclic Amp receptor protein,CRP)cAmp-CAP复合物，是复合物，是lac操纵元的操纵元的正调控因子正调控因子第六章原核生物基因表达调控第六章原核生物基因表达调控 5 5、协调调节协调调节 当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAPCAPCAPCAP对该系统不能发挥作用；对该系统不能发挥作用；对该系统不能发挥作用；对该系统不能发挥作用；如无如无如无如无CAPCAPCAPCAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子 仍无转录活性。仍无转录活性。仍无转录活性。仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO(二二)乳糖操纵子的影响因子乳糖操纵子的影响因子1、lac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达乳乳糖糖因为诱导物需要穿过细因为诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，胞膜才能与阻遏物结合，而运转诱导物需要透过而运转诱导物需要透过酶。酶。在非诱导状态下有少量在非诱导状态下有少量在非诱导状态下有少量在非诱导状态下有少量（1-51-5个个个个mRNAmRNA分子）分子）分子）分子）lac mRNAlac mRNA合成合成合成合成-本底本底本底本底水平组成型合成。水平组成型合成。水平组成型合成。水平组成型合成。laclac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达3、阻遏物、阻遏物lacI基因产物及功能基因产物及功能mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因阻遏基因弱启动子控制的弱启动子控制的组成型合成组成型合成4、葡萄糖对、葡萄糖对lac操纵子的影响操纵子的影响葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖 腺苷酸环化酶活性降低腺苷酸环化酶活性降低腺苷酸环化酶活性降低腺苷酸环化酶活性降低 ATP ATP 无法转变成无法转变成无法转变成无法转变成 cAMP cAMP 不能形成不能形成不能形成不能形成 CAP-cAMP CAP-cAMP 复合蛋白复合蛋白复合蛋白复合蛋白 RNA RNA 酶无酶无酶无酶无法结合在法结合在法结合在法结合在 DNA DNA 上上上上 结构基因不表达。结构基因不表达。结构基因不表达。结构基因不表达。代谢物阻遏效应代谢物阻遏效应研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制lac mRNAlac mRNA的的的的合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应.葡葡萄萄糖糖效效应应5、cAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白Catabolite gene activation protein site-10 site-35 siteCACCCCAGGCTTTACACTTTATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTGAGCGGATAACAATTTCACACCTCATTAGGACTCGATTGAGTGTAATTA53Operon region20bpRNA polymerase binding region or promoter regionPrimary structure of lac operon regulation region5 TATAAT 3Pribnow boxCRP结合结合位点位点cAMP-CRPcAMP-CRP复合物与启动复合物与启动复合物与启动复合物与启动子区的结合子区的结合子区的结合子区的结合lac mRNAlac mRNA合合合合成起始所必需成起始所必需成起始所必需成起始所必需的，有利于形的，有利于形的，有利于形的，有利于形成稳定的开放成稳定的开放成稳定的开放成稳定的开放型启动子型启动子型启动子型启动子-RNARNA聚合酶结聚合酶结聚合酶结聚合酶结构。构。构。构。四、四、lac操纵子操纵子DNA的调控区域的调控区域P、O区区控制区控制区信息区信息区-82+1-7+28五、五、lac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题（一）（一）A A基因及其生理功能基因及其生理功能-半乳糖苷酶半乳糖苷酶透过酶透过酶乙酰基转移酶乙酰基转移酶乙酰化的半乙酰化的半乳糖苷降低乳糖苷降低对细胞的危对细胞的危害害（二）（二）laclac基因产物数量上的比较基因产物数量上的比较Z、Y、A三个基因产物的拷贝数比例为三个基因产物的拷贝数比例为1：0.5：0.21、Lac mRNA可能在翻译过程中的核糖体相脱离，可能在翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译。从而终止蛋白质链的翻译。原因：在翻译水平上的调节原因：在翻译水平上的调节2、Lac mRNA分子内部，分子内部，A基因比基因比Z基因更易受基因更易受内切酶作用发生降解，故内切酶作用发生降解，故Z基因的完整拷贝数要比基因的完整拷贝数要比A基因多。基因多。原因：在翻译水平上的调节原因：在翻译水平上的调节降解（三）操纵子的融合与基因工程（三）操纵子的融合与基因工程操纵子的融合：操纵子的融合：由较弱启动子和强启动由较弱启动子和强启动子的基因形成的融合基子的基因形成的融合基因，可以通过强启动子因，可以通过强启动子使弱启动子的转录增强，使弱启动子的转录增强，增加蛋白表达量。增加蛋白表达量。第三节第三节 色氨酸操纵子与负控阻遏系色氨酸操纵子与负控阻遏系统统l可诱导调节：调节可诱导调节：调节分解代谢分解代谢的操纵子，同的操纵子，同时受时受cAMP-CAPcAMP-CAP的活性调节的活性调节l可阻遏调节：调节可阻遏调节：调节合成代谢合成代谢的操纵子的操纵子特殊代谢物调节基因活性的类型特殊代谢物调节基因活性的类型一、一、trp操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统（一）（一）trp操纵子的研究背景操纵子的研究背景酶合成阻遏的现象酶合成阻遏的现象Jacob and Monod的工作的工作 （二）（二）trp操纵子的结构操纵子的结构阻遏型操纵子阻遏型操纵子trpAtrpBtrpCtrpEtrpDP Ptrp trp O Otrptrp前导序列前导序列 aTrp Trp 阻抑物阻抑物阻抑物阻抑物 色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸激活激活激活激活RNAtrpE trpD trpC trpB trpA色氨酸合成所需的酶色氨酸合成所需的酶色氨酸合成所需的酶色氨酸合成所需的酶trpR酶阻遏的操纵子模型酶阻遏的操纵子模型辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构基因表达基因表达.调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白.辅阻遏蛋白辅阻遏蛋白（三）（三）trp操纵子的阻遏调控机制操纵子的阻遏调控机制l l色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏缺乏缺乏缺乏色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸时，此时，此时，此时，此操纵子开放操纵子开放操纵子开放操纵子开放，而当细胞内合成的，而当细胞内合成的，而当细胞内合成的，而当细胞内合成的色氨酸过多色氨酸过多色氨酸过多色氨酸过多时，此时，此时，此时，此操纵子被关闭操纵子被关闭操纵子被关闭操纵子被关闭。l l色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。l l而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭纵基因结合而使基因转录关闭纵基因结合而使基因转录关闭纵基因结合而使基因转录关闭。Trp Trp 浓度高时浓度高时 Trp浓度浓度低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸操纵子阻遏调节阻遏调节二、二、弱化子与前导肽弱化子与前导肽（一）弱化子（一）弱化子在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 弱化子区域弱化子区域 UUUU前导前导mRNA1234UUUU RNA RNA聚合酶聚合酶 起调节作用的是某种氨酰起调节作用的是某种氨酰起调节作用的是某种氨酰起调节作用的是某种氨酰-tRNA-tRNA的浓度的浓度的浓度的浓度（二）前导肽（二）前导肽UUUU342423UUUU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 RNA RNA聚合酶聚合酶 当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 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 （三）（三）mRNA前导区的序列分析前导区的序列分析前导区前导区mRNA上有两个连续的色氨酸密码子；前上有两个连续的色氨酸密码子；前导序列上有导序列上有4个分别以个分别以1、2、3、4表示的片断能表示的片断能以两种不同的方式进行碱基配对，有时以以两种不同的方式进行碱基配对，有时以12和和34配对，有时只以配对，有时只以23方式互补配对方式互补配对.UUUU前导前导mRNA1234（四）转录的弱化作用（四）转录的弱化作用mRNA转录的终止是通过前导肽基因转录的终止是通过前导肽基因的翻译来调节的。的翻译来调节的。在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子，故这个前导肽的翻译必定对码子，故这个前导肽的翻译必定对tRNATrp 的浓度敏感。的浓度敏感。（五）衰减子的生物学意义（五）衰减子的生物学意义l活性阻遏物和非活性阻遏物的转变可能较慢，而tRNA负载与否可能更为灵敏；l氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而以tRNA负载情况为标准来进行控制可能更为恰当.l当细胞内氨基酸高于某一水平时，可以实现完全的阻遏；而只有低于这一水平时，才需用衰减子这个调节系统来进行调节，阻遏蛋白和衰减子调节机制都是为了避免浪费，提高效率。第四节第四节 其他操纵子（自学）其他操纵子（自学）第五节第五节 固氮基因调控（自学）固氮基因调控（自学）第六节第六节 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 1、SDSD序列对翻译的影响序列对翻译的影响SD序列：序列：mRNA起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。的序列。(9-12bp)5-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3SD序列的顺序及位置对翻译的影响序列的顺序及位置对翻译的影响SD与与AUG之间相距一般以之间相距一般以4-10个核苷酸为佳，个核苷酸为佳，9个个核苷酸最佳。核苷酸最佳。RBS2、mRNA的二级结构对翻译起始的调控的二级结构对翻译起始的调控SD sequenceAUG10basesUAAGGAGGU:complementary with 16s rRNA16s rRNA16s rRNA16s rRNA5l实验证据实验证据RNA引物由引物由dnaG基因编码的引物酶催化合成基因编码的引物酶催化合成dnaG、rpoD及及rpsU属于大肠杆菌基因组上的属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子同一个操纵子基因转录出来的三个蛋白相应的基因转录出来的三个蛋白相应的mRNA拷贝数拷贝数大体相同，由于翻译的调控使得蛋白的拷贝数发大体相同，由于翻译的调控使得蛋白的拷贝数发生了很大的变化。生了很大的变化。二、稀有密码子对翻译的影响二、稀有密码子对翻译的影响l由于细胞内对应于稀有密码子的由于细胞内对应于稀有密码子的tRNA较较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。三、重叠基因对翻译的影响三、重叠基因对翻译的影响A基因基因B基因A基因终止密码子与基因终止密码子与B基因的起始密码子重叠基因的起始密码子重叠重叠的密码保证了同一核糖体对两个连重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。续基因进行翻译的机制。偶联翻译是保证两个基因产物在数量上偶联翻译是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段。相等的重要手段。l重叠基因对翻译的影响重叠基因对翻译的影响trp操纵子操纵子trpE基因与基因与trpD基因的翻译偶联机制基因的翻译偶联机制trpE苏氨酸苯丙氨酸终止ACU-UUC-UGA-UGG-CUAUG-GCU甲硫氨酸丙氨酸trpD五、翻译的阻遏五、翻译的阻遏六、魔斑核苷酸水平对翻译的影响六、魔斑核苷酸水平对翻译的影响空载氨酰空载氨酰-tRNA-tRNA对蛋白质和对蛋白质和RNARNA的合成速度进行调控的合成速度进行调控（一）严紧控制和松散控制（一）严紧控制和松散控制1 1、严紧控制（基因型、严紧控制（基因型、严紧控制（基因型、严紧控制（基因型relrel）当细菌处于饥饿条件下，缺乏维持蛋白质合成的氨基酸，当细菌处于饥饿条件下，缺乏维持蛋白质合成的氨基酸，其大部分活性区域将被关闭，此称之为严紧控制。其大部分活性区域将被关闭，此称之为严紧控制。严紧控制导致两种特殊的核苷酸积累：严紧控制导致两种特殊的核苷酸积累：PPGpp、pppGppcAMP条件恢复，条件恢复，Spot基因基因催化催化ppGpp迅速降解迅速降解2 2、松弛控制（基因型、松弛控制（基因型、松弛控制（基因型、松弛控制（基因型relrel-）l松弛突变株（松弛突变株（基因型基因型基因型基因型rel-rel-）去除了严禁控制反应；）去除了严禁控制反应；l蛋白质合成停止，但蛋白质合成停止，但RNA的合成速度没有下降；的合成速度没有下降；l氨基酸的匮乏不会导致（氨基酸的匮乏不会导致（p）ppGpp的合成；的合成；l若有严紧因子存在，也能合成（若有严紧因子存在，也能合成（p）ppGpp.（二）调控机制（二）调控机制应急信号：应急信号：应急信号：应急信号：鸟苷四磷酸（鸟苷四磷酸（鸟苷四磷酸（鸟苷四磷酸（ppGppppGpp）、）、）、）、鸟苷五磷酸（鸟苷五磷酸（鸟苷五磷酸（鸟苷五磷酸（pppGpppppGpp）诱导物：诱导物：诱导物：诱导物：空载空载空载空载tRNAtRNA原核生物基因表达调控机制原核生物基因表达调控机制l转录激活水平上的调控l转录后调控