分子生物学--4原核生物基因表达调控-6课时课件

分子生物学分子生物学生命科学与农学学院生命科学与农学学院王雪芹王雪芹mailto:mailto:Tel: Tel: 周口师范学院生命科学与农学学院周口师范学院生命科学与农学学院分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时第十章第十章 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时第一节第一节 基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念 ：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为gene regulationgene regulation 。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时 组成性表达(constitutive expression) 适应性表达(adaptive expression）二、基因表达的方式二、基因表达的方式分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时 1 1、组成性表达：组成性表达： 指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时 2、适应性表达适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。n 应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导导(induction)，这类基因被称为，这类基因被称为可诱导的基因可诱导的基因(inducible gene)；n 相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为，相应的基因被称为可阻遏可阻遏的基因的基因(repressible gene)。 分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时三、基因表达的规律三、基因表达的规律 时间性和空间性时间性和空间性1、时间特异性（、时间特异性（temporal specificitytemporal specificity）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。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)。 分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时2、空间特异性、空间特异性(spatial specificity)基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的称之为基因表达的空间特异性空间特异性。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义n适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）n维持个体发育与分化（真核）分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时五、顺式作用元件和反式作用因子五、顺式作用元件和反式作用因子n顺式作用元件：顺式作用元件： 存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列。顺式作用元件包括启动子、增强子、调控序列和可诱导元件等，它们的作用是参与基因表达的调控。顺式作用元件本身不编码任何蛋白质,仅仅提供一个作用位点，要与反式作用因子相互作用而起作用。 n反式作用因子：反式作用因子：是指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的蛋白质。eg,RNA聚合酶 。03年武汉大学年武汉大学考研真题考研真题分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时六、操纵基因和阻遏蛋白六、操纵基因和阻遏蛋白n操纵基因：操纵基因：控制结构基因的转录，位于结构基因的附近，本身不能转录成mRNA。n阻遏蛋白：阻遏蛋白：调节基因所编码的一种蛋白质，在原核生物中具有抑制特定基因产生特征蛋白质的作用。由于它能识别特定的操纵基因（即操纵子是阻遏蛋白的结合位点），当操纵序列结合阻遏蛋白时会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻遏转录，介导负性调节。 分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时第二节第二节 原核基因调控机制原核基因调控机制内容提要：原核基因表达调控环节原核基因表达调控环节操纵子学说操纵子学说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转录水平上调控的其他形式转录水平上调控的其他形式 分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时一、原核基因表达调控环节一、原核基因表达调控环节1 1、转录水平上的调控、转录水平上的调控（transcriptional regulationtranscriptional regulation）2 2、转录后水平上的调控、转录后水平上的调控（post-transcriptional post-transcriptional regulationregulation） mRNAmRNA加工成熟水平上的调控加工成熟水平上的调控 翻译翻译水平上的调控水平上的调控分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时二、操纵子二、操纵子学说学说1 1、操纵子模型的提出、操纵子模型的提出19611961年，年，MonodMonod和和JacobJacob提出提出获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时Jacob and Monod分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时2、操纵子的定义、操纵子的定义操纵子操纵子(operon)：原核生物在分子水平上调控基因原核生物在分子水平上调控基因表达的单位，由调节基因、启动子表达的单位，由调节基因、启动子、操纵基因及其、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。基因受调节基因产物的控制。03年武汉大学年武汉大学考研真题考研真题分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时1 1、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，可分为：的应答，可分为： 正转录调控正转录调控 负转录调控负转录调控 三、三、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分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控正转录调控正转录调控如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白负转录调控负转录调控负转录调控负转录调控在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时n可诱导调节（P260）：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。 例：大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物诱导物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的诱导操纵子模型酶合成的诱导操纵子模型诱导物如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时n可阻遏调节（可阻遏调节（P260）：基因平时是开启的，处在产基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：例：色氨酸操纵子色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时酶合成的阻遏操纵子模型酶合成的阻遏操纵子模型调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时3、在、在负转录调控系统负转录调控系统中，调节基因的产物是中，调节基因的产物是阻遏蛋阻遏蛋白白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用），起着阻止结构基因转录的作用。 根据其作用特征又可分为根据其作用特征又可分为负控诱导负控诱导和和负控阻遏负控阻遏：n在在负控诱导负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；结合时，结构基因转录；n在在负控阻遏负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。）结合时，结构基因不转录。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时4 4、在、在正转录调控正转录调控系统中，调节基因的产物是系统中，调节基因的产物是激活蛋激活蛋白白（activator）。）。 根据激活蛋白的作用性质分为根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导正控诱导和和正控阻遏正控阻遏n在在正控诱导正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；使激活蛋白处于活性状态；n在在正控阻遏正控阻遏系统中，效应物分子（系统中，效应物分子（辅阻遏物）辅阻遏物）的存的存在使激活蛋白处于非活性状态在使激活蛋白处于非活性状态。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时四、转录水平上调控的其他形式四、转录水平上调控的其他形式1、因子的更换(P286) 在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时大肠杆菌中的各种因子比较因子编码基因主要功能70rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控54rpoN参与多数氮源利用基因的调控38rpoH分裂间期特异基因的表达调控32rpoS热休克基因的表达调控28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控24rpoE过度热休克基因的表达调控分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时n 温度较高,诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要。n 枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时武汉大学武汉大学2011年考研真题年考研真题1. Chromatin remodeling2. Internal ribosome entry site3. Alternative splicing4. Non-autonomous transposon5. Shine-Dalgarno sequence6. Realtime PCR 7. Ribozyme8. SOS response9. Telomerase10. Suppressor mutation分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时武汉大学武汉大学2011年考研真题年考研真题1. Chromatin remodeling 染色质重塑染色质重塑一种重要的表观遗传学机制，是由染色质重塑复合物介导的一系列以染色质上核小体变化为基本特殊的生物学过程。P3012. Internal ribosome entry site 内部核糖体插入位点内部核糖体插入位点-是一段核酸序列，它的存在能够使蛋白质翻译起始不依赖于5帽结构，从而使直接从信使RNA（mRNA）中间起始翻译成为可能。3. Alternative splicing 选择性剪接选择性剪接一个mRNA前体中通过不同的剪接方式（选择不同的剪接位点组合）产生不同的mRNA剪接异构体的过程，而最终的蛋白产物会表现出不同的功能和结构特性。P193分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时4. Non-autonomous transposon 非自主转座子需要在自主元件存在时才能够转座。P1305. Shine-Dalgarno sequence SD序列序列-细菌mRNA起始密码子AUG上游10个碱基左右处，有一段富含嘌呤的碱基序列，能与细菌16SrRNA3端识别，帮助从起始AUG处开始翻译。P2326. Realtime PCR 实时荧光定量实时荧光定量PCR-是指在PCR反应体系中加入荧光基团，利用荧光信号累积实时监测整个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法。被广泛用于监测细胞mRNA表达量的变化；比较不同组织的mRNA表达差异。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时7. Ribozyme 核酶核酶指某些RNA的特殊结构具有催化功能，能催化它自身或其它RNA分子进行多种类型的反应。P248. SOS response 应急反应应急反应造成DNA损伤或抑制DNA复制的过程能引起的一系列复杂的诱导反应。包括诱导DNA损伤修复、诱变效应、抑制细胞分裂等。 P1109. Telomerase端粒酶端粒酶-在细胞中负责端粒的延长的一种酶，是基本的核蛋白逆转录酶，可将端粒DNA加至真核细胞染色体末端。P9610. Suppressor mutation 抑制突变抑制突变第二次突变，它可以抑制或减轻第一次突变的表型效应。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时武汉大学武汉大学2011年考研真题年考研真题二、简答题二、简答题 1. 简述色氨酸操纵子的调控机制。简述色氨酸操纵子的调控机制。 2. DNA在复制过程中如何保持准确性？在复制过程中如何保持准确性？ 3. 分别阐述克隆载体和表达载体（各分别阐述克隆载体和表达载体（各5种）及其特点和用种）及其特点和用途。途。 4. 什么是什么是RNA editing？它的机制是什么？它的机制是什么？ 5. 什么是染色体步移？它的作用是什么？什么是染色体步移？它的作用是什么？分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时武汉大学武汉大学2011年考研真题年考研真题三、论述题三、论述题 1. 真核生物转录调控因子的类型和特点？阐述根据一种转真核生物转录调控因子的类型和特点？阐述根据一种转录调控因子的特点建立的分子生物学技术的及其应用。录调控因子的特点建立的分子生物学技术的及其应用。 2. 真核生物和原核生物的基因组的特点及差异？已知某基真核生物和原核生物的基因组的特点及差异？已知某基因的因的cDNA（长（长14Kb），如何用实验证明该生物基因还），如何用实验证明该生物基因还有内含子？如何确定内含子在全长中的比例？如何用实有内含子？如何确定内含子在全长中的比例？如何用实验确定某未知基因的功能？验确定某未知基因的功能？ 3. 某种基因某种基因a是诱导表达基因，在分子是诱导表达基因，在分子B（小分子化合物（小分子化合物）的作用下可以诱导表达。已知该基因的序列，该基因）的作用下可以诱导表达。已知该基因的序列，该基因上启动子的序列。已知某调控元件的序列为上启动子的序列。已知某调控元件的序列为ACGTCG，基因，基因c表达的蛋白表达的蛋白C可以结合在该调控元件上，试用可以结合在该调控元件上，试用三种方法证明该调控元件可以诱导基因三种方法证明该调控元件可以诱导基因a表达。表达。 分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时第三节第三节 乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)(lac operon)内容提要：内容提要：乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构酶的诱导酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据乳糖操纵子调控模型乳糖操纵子调控模型影响因子影响因子LacLac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题2011中科院生中科院生物化学与分子物化学与分子生物学试题生物学试题分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时一、乳糖操纵子的结构一、乳糖操纵子的结构分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时nZ编码-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖nY编码-半乳糖苷透性酶：使外界的-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。nA编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时二、酶的诱导二、酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时n安慰诱导物： 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，如IPTG（异丙基- D-硫代半乳糖苷）。 CH2OH CH3 HO O SCCH3 H CH3 OH HH H H OH图 16-6 异丙基-硫代半乳糖苷的分子结构分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时 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(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。三、乳糖操纵子调控模型三、乳糖操纵子调控模型分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时RNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位阻遏物结合部位阻遏物结合部位分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时 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区和编码链部区和编码链部分重叠，含反向重复序列。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分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时 未诱导：结构基因被阻遏 阻遏物 四聚体 LacI P O lacZ lacY lacA 图 16- 当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上 分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发使之不能与操纵基因结合，从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的的合成。合成。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时 诱导：基因被打开 -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶 图 16-7 诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关 分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时四、影响因子四、影响因子1、lac操纵子的本底水平表达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，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成有需要诱导。解释：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？分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时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- -半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有需要有- -半乳糖甘酶的预先存在。半乳糖甘酶的预先存在。解释：解释：本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lac mRNA合成。合成。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时2、大肠杆菌对乳糖的反应 培养基：甘油培养基：甘油 按照按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的分子的-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；培养基：加入乳糖培养基：加入乳糖少量乳糖少量乳糖透过酶透过酶进入细胞进入细胞-半乳糖苷酶半乳糖苷酶异构乳糖异构乳糖诱导物诱导物诱导诱导lac mRNA的生物合成的生物合成大量乳糖进入细胞大量乳糖进入细胞多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）异构乳糖异构乳糖分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时 H OH HO H OH H H CH2OH H O OH HO O H O CH2 CH2OH H OH OH H HO O H 别乳糖 H O OH H H H OH OH H H H2O H H H O OH CH2OH CH2OH H OH CH2OH H O OH HO O OH H H OH H OH H HO H H H H OH H OH 葡萄糖 半乳糖 图 16- 乳糖分解的不同产物乳糖乳糖分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时3、阻遏物lac I基因产物及功能 Lac 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组控制下组成型合成的，每个细胞中有成型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。个阻遏物分子。 当当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。操纵子在这些突变体中就不可诱导。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时62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4 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？分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时634.1 cAMP-CRP结合位点（另一调控元件）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 / repressor分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时64 4.2 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）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分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时65glucoseCRP-cAMPCRPcAMPcAMP receptor protein分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时665 cAMP-CRP 的作用的作用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的弯曲的弯曲分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时67附：葡萄糖水平与附：葡萄糖水平与CRP的关系的关系 CRP只有与只有与cAMP结合才有活性，而结合才有活性，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ZYAOPDNA 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 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cAMPCAP复合物分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时ATPATP腺甘酸环化酶腺甘酸环化酶cAMP（环腺甘酸）（环腺甘酸） 大肠杆菌中：无葡萄糖，大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；浓度高； 有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低浓度低分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时促进转录促进转录有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时不促进转录不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正调控的正调控分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，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。操纵子仍无转录活性。 cAMPCAP复合物与启动复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。子区的结合是转录起始所必需的。协调调节协调调节葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。用葡萄糖。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CAPCAP分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时The Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through!分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时第四节 色氨酸操纵子（trp operon）内容提要：内容提要：n色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构n色氨酸操纵子的色氨酸操纵子的阻遏系统n色氨酸操纵子的弱化机制2003、2011年武汉大学年武汉大学考研真题考研真题分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时一、色氨酸操纵子的结构一、色氨酸操纵子的结构 调控基因调控基因 结构基因结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸催化分枝酸转变为色氨酸 的酶的酶trpRtrp分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时 分支酸 邻氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷酸 色氨酸 邻氨基苯甲酸 邻氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼酸合成酶 链 链 60，000 60，000 4 5，000 50，000 29，000 P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t 1560 1620 1353 1191 804 36P：起动子；O：操纵子； l：前导序列； a：衰减子； t,t ：终止子 图 16-15 E.coli trpO 的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时n特点: (1) trpR和trpABCDE不连锁； (2) 操纵基因在启动子内 (3) 有衰减子(attenuator)/弱化子 (4) 启动子和结构基因不直接相连，二者被 前导序列(Leader)所隔开 分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时 trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA 蛋白 TrpR(无活性) 活化的 阻遏蛋白 阻遏物 (Trp) 图 16-27 TrpR 被 Trp 激活后可阻遏trp 操纵子的转录 (仿 B.Lewin:GENES，1990, Fig .13.16) 二、trp 操纵子的阻遏系统分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时83Trp Trp 高时高时 Trp 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 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三、trp 操纵子的弱化机制衰减子（attenuator）/弱化子前导序列（leader sequence）分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时1、弱化子： DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150区）。123150分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时 研究引起终止的研究引起终止的mRNAmRNA碱基序列碱基序列，发现该区发现该区mRNAmRNA通过通过自我配对可以形成自我配对可以形成茎茎- -环环结构，有典型的结构，有典型的终止子终止子特点特点。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时2、前导序列：在trp mRNA5端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时 邻氨基苯 吲哚甘油 色氨酸合成酶 甲酸合成酶 硼酸合成酶 TrpE terpD trpC trpB trpA t t 启动子 操纵基因 前导顺序 衰减子 pppN26AUGAAAGCAAUUUUCGUACUGAAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43A UUUUUUUU 富含 G-C 的发 G C Leader peptide 夹结构 / 富含 C G U 的单链末端 C G Aaaaaa C G Met Lys Aly Ile Phe Val Leu Lys Gly Trp Trp Arg Thr Ser A G C C G A C G U U A A 图 16-28 trp 操纵子含有 5 个结构基因和 1 个控制区。控制区由启动子、操纵基因、前导顺序和衰减子构成。前导区编码 14 个氨基酸，其中有 2 个是色氨酸。(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.38) 分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时3、弱化机制、弱化机制分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时前导肽前导肽转录终止结构转录终止结构分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时91UUUU342423UUUU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 1. 1.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 分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时92UUUUUUUU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 UUUU分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时93UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA2. 2.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 细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使遏作用只能使转录不起始转录不起始，对于已经起始的转录，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是号是细胞内色氨酸的多少细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是；弱化作用的信号则是细细胞内载有色氨酸的胞内载有色氨酸的tRNA的多少的多少。它通过前导肽的。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时n什么是操纵子（operon)?试说明色氨酸操纵子（Trp operon)在原核基因表达调控中的调控机制和重要作用。 2003年武汉大学分子生物学试题分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时第五节 其他操纵子一、半乳糖操纵子(galactose operon)(galactose operon)异构酶异构酶(galE)乳糖乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)半乳糖激酶半乳糖激酶(galk)。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时gal操纵子的特点：操纵子的特点： 它有两个启动子，其它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开可从两个不同的起始点开始转录；始转录； 它有两个它有两个O区，一个在区，一个在P区上游，另一个在结构基因区上游，另一个在结构基因galE内部。内部。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时二、阿拉伯糖操纵子（二、阿拉伯糖操纵子（arabinose operon)arabinose operon)naraB基因、araA基因和araD, 形成一个基因簇，简写为araBAD 三个基因的表达受到ara操纵子中araC基因产物AraC蛋白的调控。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时ara操纵子的调控有两个特点：n第一，araC表达受到AraC的自身调控。n第二，AraC既是ara操纵子的正调节蛋白（需cAMP-CRP的共同参与，起始转录），又是其负调节蛋白。这种双重功能是通过AraC蛋白的两种异构体来实现的（Pi和Pr)。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时三、阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答SOS反应的机理：由 RecA 蛋白和 LexA 阻遏物的相互作用引起的。LexA阻遏物：是SOS DNA修复系统所有基因的阻遏物RecA蛋白：是SOS反应的最初的发动因子。在单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解LexA阻遏物。当RecA水解LexA阻遏物后，导致SOS体系（包括recA基因）高效表达，DNA得到修复分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时一、翻译起始的调控 RBS（核糖体结合位点）：mRNA链上起始密码子AUG上游的一段非翻译区。 RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码子AUG之间的距离。 SD- 4-10（9）-AUG第六节第六节 转录后水平上的调控转录后水平上的调控分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时二、稀有密码子对翻译的影响dnaG(引物酶) RNA引物dnaG、rpoD和rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子50个拷贝的dnaG蛋白、2800个拷贝的rpoD和40000个拷贝的rpsU分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时几种蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较蛋白质AUU/%AUC%AUA%结构蛋白37621亚基26740DnaG蛋白363232细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，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。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时三、重叠基因对翻译的影响三、重叠基因对翻译的影响分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时TrpB 谷氨酸- 异亮氨酸-终止 GAA - AUC - UGA - UGG - AA AUG - GAA 甲硫氨酸 谷氨酸trpAtrpE苏氨酸苯丙氨酸终止 ACU - UUC - UGA - UGG - CU AUG AUG GCU 甲硫氨酸 - 丙氨酸- trpD 翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码子保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。分子生物学-4原核生物基因表达调控-6课时