原核生物基因表達(dá)調(diào)控課件

1、原核生物基因表達(dá)調(diào)控10. Prokaryotic gene10. Prokaryotic gene regulation regulation原核生物基因表達(dá)調(diào)控10.1 Introduction of gene regulation10.1 Introduction of gene regulation 10.2 Gene regulation in Prokaryotes10.2 Gene regulation in Prokaryotes10.3 Operon10.4 lac operon regulation10.4 lac operon regulation10.5 trp Ope

2、ron10.5 trp Operon10.6 ara Operon10.6 ara Operon10.7 Post-transcription regulation10.7 Post-transcription regulation（自學(xué)）（自學(xué)）原核生物基因表達(dá)調(diào)控學(xué)習(xí)目標(biāo)要求掌握：掌握：（1 1）操縱子概念及其基本組成單位操縱子概念及其基本組成單位（2 2）LacLac操縱子機(jī)制操縱子機(jī)制（3 3）TrpTrp操縱子機(jī)制操縱子機(jī)制熟悉：熟悉：（1 1）操縱子學(xué)說操縱子學(xué)說了解：了解：（1 1）基因表達(dá)概念）基因表達(dá)概念（2 2）araara操縱子機(jī)制操縱子機(jī)制原核生物基因表達(dá)調(diào)控10.1

3、Introduction of 10.1 Introduction of gene regulation gene regulation 基因表達(dá)基因表達(dá)(gene expression)(gene expression) 儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個過程。表現(xiàn)出其生物功能的整個過程。 典型的基因表達(dá)是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻典型的基因表達(dá)是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程。但譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程。但是是rRNArRNA或或tRNAtRNA的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工產(chǎn)生成熟的加工產(chǎn)生成熟的rRNAr

4、RNA或或tRNA,tRNA,也是也是rRNArRNA或或tRNAtRNA的基因表達(dá)，因為的基因表達(dá)，因為rRNArRNA或或tRNAtRNA就具有在蛋白質(zhì)翻譯方面的功能。就具有在蛋白質(zhì)翻譯方面的功能。 原核生物基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)特點基因表達(dá)特點 生物基因組所含的全部基因并不生物基因組所含的全部基因并不是同時、全部和以同樣的強(qiáng)度都表達(dá)是同時、全部和以同樣的強(qiáng)度都表達(dá)出來的。出來的。 l基因表達(dá)的組織特異性：不同組織細(xì)基因表達(dá)的組織特異性：不同組織細(xì)胞中表達(dá)的基因數(shù)量不同，基因表達(dá)胞中表達(dá)的基因數(shù)量不同，基因表達(dá)的強(qiáng)度和種類也各不相同。的強(qiáng)度和種類也各不相同。l基因表達(dá)的時間特異性：基因表達(dá)的

5、時間特異性： 細(xì)胞分化細(xì)胞分化發(fā)育的不同時期，基因表達(dá)的情況是發(fā)育的不同時期，基因表達(dá)的情況是不相同。不相同。原核生物基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控(gene expression control)(gene expression control) 生物體內(nèi)基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制是細(xì)胞中基生物體內(nèi)基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制是細(xì)胞中基因表達(dá)在時間、空間上處于有序狀態(tài)，并對環(huán)因表達(dá)在時間、空間上處于有序狀態(tài)，并對環(huán)境條件的變化作出適應(yīng)反應(yīng)的復(fù)雜過程。境條件的變化作出適應(yīng)反應(yīng)的復(fù)雜過程。 基因水平基因水平 轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄水平 基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控 轉(zhuǎn)錄后水平轉(zhuǎn)錄后水平 翻譯水平翻譯水平 翻譯后水平翻譯后

6、水平原核生物基因表達(dá)調(diào)控 我們將集中討論細(xì)菌的相應(yīng)我們將集中討論細(xì)菌的相應(yīng)基因調(diào)控的步驟上。從基因調(diào)控基因調(diào)控的步驟上。從基因調(diào)控的一般機(jī)理和原則開始，并學(xué)習(xí)的一般機(jī)理和原則開始，并學(xué)習(xí)幾個研究較為透徹的例子幾個研究較為透徹的例子。10.2 Gene regulation in 10.2 Gene regulation in ProkaryotesProkaryotes原核生物基因表達(dá)調(diào)控10.2.1 10.2.1 原核基因表達(dá)調(diào)控總論原核基因表達(dá)調(diào)控總論 原核生物和單細(xì)胞真核生物直接暴原核生物和單細(xì)胞真核生物直接暴露在變幻莫測的環(huán)境中，食物供應(yīng)毫無露在變幻莫測的環(huán)境中，食物供應(yīng)毫無保障，只有

7、能根據(jù)環(huán)境條件的改變合成保障，只有能根據(jù)環(huán)境條件的改變合成各種不同的蛋白質(zhì)，使代謝過程適應(yīng)環(huán)各種不同的蛋白質(zhì)，使代謝過程適應(yīng)環(huán)境的變化，才能維持自身的生存和繁衍。境的變化，才能維持自身的生存和繁衍。 自然選擇傾向于保留高效率的生命自然選擇傾向于保留高效率的生命過程。過程。原核生物基因表達(dá)調(diào)控 基因的表達(dá)可在多個階段受到調(diào)控，最為基因的表達(dá)可在多個階段受到調(diào)控，最為常見的是在常見的是在轉(zhuǎn)錄起始階段轉(zhuǎn)錄起始階段。這種調(diào)控多以操。這種調(diào)控多以操縱子為單位進(jìn)行，將功能相關(guān)的基因組織在縱子為單位進(jìn)行，將功能相關(guān)的基因組織在一起，同時開啟或關(guān)閉基因表達(dá)、即經(jīng)濟(jì)有一起，同時開啟或關(guān)閉基因表達(dá)、即經(jīng)濟(jì)有效，又

8、保證其生命活動的需要。調(diào)控主要發(fā)效，又保證其生命活動的需要。調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，有正、負(fù)調(diào)控兩種機(jī)制。生在轉(zhuǎn)錄水平，有正、負(fù)調(diào)控兩種機(jī)制。 10.2.2 10.2.2 原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點原核生物基因表達(dá)調(diào)控10.2.2.1 10.2.2.1 正調(diào)控系統(tǒng)正調(diào)控系統(tǒng) 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機(jī)制轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機(jī)制 基因常常由外部信號控制。在細(xì)菌中，主要是基因常常由外部信號控制。在細(xì)菌中，主要是由培養(yǎng)基中存在的分子信號控制。這些信號由調(diào)控由培養(yǎng)基中存在的分子信號控制。這些信號由調(diào)控蛋白傳送給基因（要表達(dá)的結(jié)構(gòu)基因）。蛋白傳送給基因（要表達(dá)的結(jié)構(gòu)基因）。 調(diào)控蛋白可分為

9、兩類：調(diào)控蛋白可分為兩類：正調(diào)控蛋白或活化子正調(diào)控蛋白或活化子(activator)(activator)，負(fù)調(diào)控蛋白或抑制子，負(fù)調(diào)控蛋白或抑制子(repressor)(repressor)。這些調(diào)控蛋白通常都是這些調(diào)控蛋白通常都是DNADNA結(jié)合蛋白，它們識別受結(jié)合蛋白，它們識別受其其調(diào)控的基因上的或基因附近的特異位點?；罨釉稣{(diào)控的基因上的或基因附近的特異位點?；罨釉鰪?qiáng)受調(diào)控基因（結(jié)構(gòu)基因）的轉(zhuǎn)錄，抑制子降低或強(qiáng)受調(diào)控基因（結(jié)構(gòu)基因）的轉(zhuǎn)錄，抑制子降低或消除相應(yīng)基因（結(jié)構(gòu)基因）的轉(zhuǎn)錄。消除相應(yīng)基因（結(jié)構(gòu)基因）的轉(zhuǎn)錄。 根據(jù)調(diào)控蛋白的作用性質(zhì)，又可分為根據(jù)調(diào)控蛋白的作用性質(zhì)，又可分為可誘導(dǎo)

10、的可誘導(dǎo)的正調(diào)控正調(diào)控和和可阻遏的正調(diào)控可阻遏的正調(diào)控。 了解了解原核生物基因表達(dá)調(diào)控 調(diào)節(jié)基因編碼的激調(diào)節(jié)基因編碼的激活蛋白可與啟動子結(jié)合，活蛋白可與啟動子結(jié)合，促進(jìn)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，但當(dāng)這種激活蛋白與輔但當(dāng)這種激活蛋白與輔阻遏物結(jié)合后就失去了阻遏物結(jié)合后就失去了激活能力，使結(jié)構(gòu)基因激活能力，使結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄。不能轉(zhuǎn)錄。了解了解原核生物基因表達(dá)調(diào)控10.2.2.2 10.2.2.2 負(fù)調(diào)控系統(tǒng)負(fù)調(diào)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白阻遏蛋白。 根據(jù)其作用特征又可分為根據(jù)其作用特征又可分為可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控和和可可阻遏的負(fù)調(diào)

11、控阻遏的負(fù)調(diào)控。 調(diào)節(jié)基因編碼的阻調(diào)節(jié)基因編碼的阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，遏蛋白與操縱基因結(jié)合，可阻止結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，可阻止結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，但有誘導(dǎo)物存在時，但但有誘導(dǎo)物存在時，但有誘導(dǎo)物存在時，它與有誘導(dǎo)物存在時，它與阻遏蛋白結(jié)合從而解除阻遏蛋白結(jié)合從而解除對結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的抑制。對結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的抑制。了解了解原核生物基因表達(dá)調(diào)控 調(diào)節(jié)基因編碼的阻調(diào)節(jié)基因編碼的阻遏蛋白并不影響結(jié)構(gòu)遏蛋白并不影響結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄活性，但基因的轉(zhuǎn)錄活性，但它與輔阻遏物結(jié)合以它與輔阻遏物結(jié)合以后，則能影響操縱基后，則能影響操縱基因，抑制結(jié)構(gòu)基因的因，抑制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。輔阻遏物一般轉(zhuǎn)錄。輔阻遏物一般是合成代謝的終產(chǎn)物。

12、是合成代謝的終產(chǎn)物。了解了解原核生物基因表達(dá)調(diào)控 Jacob Jacob和和MonodMonod根據(jù)對根據(jù)對lac Z,Y,Alac Z,Y,A基基因突變體因突變體的研究的研究, ,于于19611961年提出了年提出了操縱子操縱子學(xué)說，學(xué)說，19651965年他們獲諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)年他們獲諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。獎。10.3 Operon10.3.110.3.1操縱子操縱子(operon)(operon)學(xué)說學(xué)說 一個或幾個結(jié)構(gòu)基因與一個調(diào)節(jié)基因和一個或幾個結(jié)構(gòu)基因與一個調(diào)節(jié)基因和一個操縱位點組成一個轉(zhuǎn)錄單元。這個單元一個操縱位點組成一個轉(zhuǎn)錄單元。這個單元就稱其為就稱其為操縱子操縱子。重點原核

13、生物基因表達(dá)調(diào)控l結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因(Structural Gene , SG)(Structural Gene , SG) 操縱子中被調(diào)控的、編碼蛋白質(zhì)或操縱子中被調(diào)控的、編碼蛋白質(zhì)或RNARNA的基因。的基因。 一個操縱子中含有一個操縱子中含有2 2個以上的結(jié)構(gòu)基個以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達(dá)十幾個。各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜因，多的可達(dá)十幾個。各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜接、串連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群。接、串連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群。10.3.2 10.3.2 操縱子操縱子(operon)(operon)的基本組成的基本組成原核生物基因表達(dá)調(diào)控l操縱基因操縱基因(operator)(operator) 能被調(diào)控蛋白特異

14、能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段性結(jié)合的一段DNADNA序序列，常與啟動子鄰近列，常與啟動子鄰近或與或與啟動子啟動子序列重疊，序列重疊，當(dāng)與調(diào)節(jié)基因所編碼當(dāng)與調(diào)節(jié)基因所編碼的阻遏蛋白結(jié)合時，的阻遏蛋白結(jié)合時，會影響其下游基因轉(zhuǎn)會影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的錄的強(qiáng)弱。強(qiáng)弱。原核生物基因表達(dá)調(diào)控l 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因(regulator gene)(regulator gene) 是編碼合成那些參與基因表達(dá)調(diào)控的是編碼合成那些參與基因表達(dá)調(diào)控的RNARNA和蛋白質(zhì)的特異和蛋白質(zhì)的特異DNADNA序列。序列。 調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物通過與調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物通過與DNADNA上的特定位點結(jié)合控制上的特定位點結(jié)合控制

15、轉(zhuǎn)錄是調(diào)控的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)錄是調(diào)控的關(guān)鍵。 某些特定的物質(zhì)能與調(diào)控蛋白結(jié)合，使調(diào)控蛋白的空間構(gòu)像某些特定的物質(zhì)能與調(diào)控蛋白結(jié)合，使調(diào)控蛋白的空間構(gòu)像發(fā)生變化，從而改變其對基因轉(zhuǎn)錄的影響，這些特定物質(zhì)可稱為發(fā)生變化，從而改變其對基因轉(zhuǎn)錄的影響，這些特定物質(zhì)可稱為效應(yīng)物，其中凡能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子稱為效應(yīng)物，其中凡能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子稱為誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)劑，能導(dǎo)致阻遏，能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子稱為發(fā)生的分子稱為阻遏劑或輔助阻遏劑阻遏劑或輔助阻遏劑。 l 啟動子啟動子l 終止子終止子原核生物基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)概念相關(guān)概念以上以上5 5種元件是每一個操縱子必定含有的。種元件是每一個操縱子必定含有的。 l其中啟動子、操縱

16、基因位于緊鄰結(jié)構(gòu)基因其中啟動子、操縱基因位于緊鄰結(jié)構(gòu)基因群的上游，終止子在結(jié)構(gòu)基因群之后，它群的上游，終止子在結(jié)構(gòu)基因群之后，它們都在結(jié)構(gòu)基因的附近，只能對同一條們都在結(jié)構(gòu)基因的附近，只能對同一條DNADNA鏈上的基因表達(dá)起調(diào)控作用，這種作鏈上的基因表達(dá)起調(diào)控作用，這種作用在遺傳學(xué)實驗上稱為順式作用，用在遺傳學(xué)實驗上稱為順式作用，啟動子、啟動子、操縱基因和終止子就屬于順式作用元件操縱基因和終止子就屬于順式作用元件。 了解了解原核生物基因表達(dá)調(diào)控l調(diào)控基因可以在結(jié)構(gòu)基因群附近、調(diào)控基因可以在結(jié)構(gòu)基因群附近、也可以遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)基因，它是通過其也可以遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)基因，它是通過其基因產(chǎn)物及調(diào)控蛋白來發(fā)揮作用的

17、，基因產(chǎn)物及調(diào)控蛋白來發(fā)揮作用的，因而調(diào)控基因不僅能對同一條因而調(diào)控基因不僅能對同一條DNADNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因起表達(dá)調(diào)控作用，鏈上的結(jié)構(gòu)基因起表達(dá)調(diào)控作用，而且能對不在一條而且能對不在一條DNADNA鏈上的結(jié)構(gòu)鏈上的結(jié)構(gòu)基因起作用，在遺傳學(xué)實驗上稱為基因起作用，在遺傳學(xué)實驗上稱為反式作用，反式作用，調(diào)控基因就屬于反式作調(diào)控基因就屬于反式作用元件用元件，其編碼產(chǎn)生的調(diào)控蛋白稱其編碼產(chǎn)生的調(diào)控蛋白稱為反式作用因子為反式作用因子。了解了解原核生物基因表達(dá)調(diào)控 10.3.3 10.3.3 操縱子調(diào)控的分子機(jī)理操縱子調(diào)控的分子機(jī)理Control elementStructural genes調(diào)節(jié)基因產(chǎn)

18、生調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏蛋白與的阻遏蛋白與操縱位點結(jié)合操縱位點結(jié)合從而阻礙了結(jié)從而阻礙了結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄成構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄成為為mRNA;mRNA;而而誘導(dǎo)物又可以誘導(dǎo)物又可以與阻遏蛋白相與阻遏蛋白相結(jié)合從而阻止結(jié)合從而阻止阻遏蛋白與操阻遏蛋白與操縱基因的結(jié)合縱基因的結(jié)合原核生物基因表達(dá)調(diào)控10.3.4 Several operons 乳糖操縱子模型提出以后乳糖操縱子模型提出以后, ,人們相繼了解了人們相繼了解了許多其它的操縱子許多其它的操縱子, ,這些操縱子都各有其特點。這些操縱子都各有其特點。l 半乳糖操縱子具有雙啟動子結(jié)構(gòu)半乳糖操縱子具有雙啟動子結(jié)構(gòu); ;l 阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)具有正控制和負(fù)控

19、制的雙重功能阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)具有正控制和負(fù)控制的雙重功能; ;l 色氨酸操縱子是一個可阻遏的操縱子。色氨酸操縱子是一個可阻遏的操縱子。原核生物基因表達(dá)調(diào)控10.4 lac operon regulation10.4 lac operon regulation10.4.1 10.4.1 大腸桿菌乳糖操縱子調(diào)控模型的主要內(nèi)容大腸桿菌乳糖操縱子調(diào)控模型的主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因Z Z、Y Y、A A的產(chǎn)物由同一條的產(chǎn)物由同一條多順反子的多順反子的mRNAmRNA分子所編分子所編碼；碼；啟動區(qū)啟動區(qū)P P位于阻位于阻遏基因遏基因I I與操縱基與操縱基因因OO之間；之間；操縱基因是操縱基因是D

20、NADNA上的一小段上的一小段序列，是阻遏物序列，是阻遏物結(jié)合的位點；結(jié)合的位點；原核生物基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時，當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時，lac lac mRNAmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制；的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制；誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變其三誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變其三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)合，維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)合，使使lac mRNAlac mRNA能夠合成。能夠合成。原核生物基因表達(dá)調(diào)控乳糖操縱子的三個結(jié)構(gòu)基因乳糖操縱子的三個結(jié)構(gòu)基因Z Z、Y Y和和A AlacZlacZ基因編碼基因編碼 半乳糖苷酶，催化乳糖水解為半乳糖半乳糖苷酶，催化乳糖水解為半乳糖

21、和葡萄糖；和葡萄糖；lacYlacY基因編碼半乳糖通透酶，促使環(huán)境中的乳糖進(jìn)入細(xì)基因編碼半乳糖通透酶，促使環(huán)境中的乳糖進(jìn)入細(xì)菌；菌； lacAlacA基因編碼轉(zhuǎn)乙?；?，以二聚體活性形式催化半乳基因編碼轉(zhuǎn)乙酰基酶，以二聚體活性形式催化半乳糖的乙酰化。糖的乙?；?。 由于由于z z、y y、a a三個基因頭尾相接，上一個基因的三個基因頭尾相接，上一個基因的翻譯終止碼靠近下一個基因的翻譯起始碼，因而同一翻譯終止碼靠近下一個基因的翻譯起始碼，因而同一個核糖體能沿此轉(zhuǎn)錄生成的多順反子個核糖體能沿此轉(zhuǎn)錄生成的多順反子mRNAmRNA移動，在移動，在翻譯合成了上一個基因編碼的蛋白質(zhì)后，不從翻譯合成了上一個基

22、因編碼的蛋白質(zhì)后，不從mRNAmRNA上掉下來而繼續(xù)沿上掉下來而繼續(xù)沿mRNAmRNA移動合成下一個基因編碼的移動合成下一個基因編碼的蛋白質(zhì)，一氣依次合成基因群所編碼的所有蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)，一氣依次合成基因群所編碼的所有蛋白質(zhì)。原核生物基因表達(dá)調(diào)控 lac lac操縱序列位點由具有回文結(jié)構(gòu)操縱序列位點由具有回文結(jié)構(gòu)的的28bp28bp堿基組成。操縱基因的這種反堿基組成。操縱基因的這種反向重復(fù)對稱正好與由向重復(fù)對稱正好與由4 4個相同亞基組成個相同亞基組成的乳糖阻抑物的乳糖阻抑物 (lac repressor, lacI(lac repressor, lacI編碼編碼) )的內(nèi)部對稱相匹配。的內(nèi)部

23、對稱相匹配。原核生物基因表達(dá)調(diào)控10.4.2 10.4.2 乳糖操縱子的表達(dá)調(diào)控乳糖操縱子的表達(dá)調(diào)控 轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控每一個調(diào)控蛋白分別響應(yīng)一種環(huán)境信號并將每一個調(diào)控蛋白分別響應(yīng)一種環(huán)境信號并將其傳遞給其傳遞給laclac基因。基因。l抑制子抑制子Lac repressorLac repressor的負(fù)性調(diào)控的負(fù)性調(diào)控 LacLac抑制子介導(dǎo)乳糖信號抑制子介導(dǎo)乳糖信號l活化子活化子CAP CAP (Catabolite Activator (Catabolite Activator Protein, Protein,代謝產(chǎn)物激活蛋白代謝產(chǎn)物激活蛋白) ) 的正性調(diào)控的正性調(diào)控 CA

24、PCAP介導(dǎo)葡萄糖信號介導(dǎo)葡萄糖信號重點原核生物基因表達(dá)調(diào)控10.4.2.1 Lac 10.4.2.1 Lac 抑制子的負(fù)性調(diào)控抑制子的負(fù)性調(diào)控大腸桿菌在無乳糖的環(huán)境中：大腸桿菌在無乳糖的環(huán)境中：lacIlacI基因低水平、組成性表達(dá)基因低水平、組成性表達(dá) 產(chǎn)生抑制子產(chǎn)生抑制子RepressorRepressor( (每個細(xì)胞中僅維持約每個細(xì)胞中僅維持約1010個分子個分子) ) RepressorRepressor以四聚體形式與以四聚體形式與operatoroperator結(jié)合結(jié)合( (阻礙阻礙RNARNA聚合酶與啟動子聚合酶與啟動子PlacPlac的結(jié)合的結(jié)合) ) 阻止基因轉(zhuǎn)錄起始阻止基

25、因轉(zhuǎn)錄起始 lac lac操縱子被阻遏操縱子被阻遏(Repressor(Repressor的阻遏作用不是絕的阻遏作用不是絕對的，對的，repressorrepressor與與operatoroperator偶爾解離，使細(xì)胞中還有極低偶爾解離，使細(xì)胞中還有極低水平的水平的 半乳糖苷酶及透過半乳糖苷酶及透過酶的生成。酶的生成。) ) 重點原核生物基因表達(dá)調(diào)控了解：了解： RepressorRepressor抑制作抑制作用的三種途徑用的三種途徑: :阻礙阻礙RNARNA聚合酶同聚合酶同promoterpromoter的結(jié)合。的結(jié)合。 阻止開放復(fù)合體的阻止開放復(fù)合體的形成；形成；(1)(1)阻止阻止R

26、NARNA聚合酶從聚合酶從啟動子區(qū)域的離開啟動子區(qū)域的離開原核生物基因表達(dá)調(diào)控 lac lac操縱基因序列與操縱基因序列與promoterpromoter有重疊部分有重疊部分, ,因此當(dāng)因此當(dāng)repressor repressor 同同operator operator 結(jié)合后自然結(jié)合后自然就阻礙就阻礙RNARNA聚合酶同聚合酶同promoterpromoter的結(jié)合。的結(jié)合。原核生物基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)有乳糖存在時：當(dāng)有乳糖存在時： 半乳糖苷酶催化乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳半乳糖苷酶催化乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖糖 別乳糖與別乳糖與RepressorRepressor結(jié)合結(jié)合 RepressorRepressor構(gòu)象變

27、化，失去與構(gòu)象變化，失去與operatoroperator的親和力的親和力 與與operatoroperator的解離致使轉(zhuǎn)錄的開始的解離致使轉(zhuǎn)錄的開始 半乳糖苷酶在細(xì)胞內(nèi)的含量可增半乳糖苷酶在細(xì)胞內(nèi)的含量可增加加10001000倍倍 這就是乳糖對這就是乳糖對LacLac操縱子的誘操縱子的誘導(dǎo)作用。導(dǎo)作用。10-1重點原核生物基因表達(dá)調(diào)控 一些化學(xué)合成的一些化學(xué)合成的乳糖類似物乳糖類似物，不，不受受 半乳糖苷酶的催化分解，卻半乳糖苷酶的催化分解，卻也能也能與與R R特異性結(jié)合，使特異性結(jié)合，使R R構(gòu)象變化，誘導(dǎo)構(gòu)象變化，誘導(dǎo)1ac1ac操縱子的開放操縱子的開放。 例如：例如： 異丙基硫代半乳

28、糖苷異丙基硫代半乳糖苷(IPTG)(IPTG)就是很強(qiáng)的誘導(dǎo)劑就是很強(qiáng)的誘導(dǎo)劑，不，不被細(xì)胞代謝而十分穩(wěn)定。被細(xì)胞代謝而十分穩(wěn)定。 X Xgalgal (5 (5溴溴4 4氯氯3 3吲哚吲哚 半乳糖苷半乳糖苷) )也是一種人工化學(xué)合成的半乳糖苷，可被也是一種人工化學(xué)合成的半乳糖苷，可被 半乳糖苷酶半乳糖苷酶水解產(chǎn)生藍(lán)色化合物，因此可以用作水解產(chǎn)生藍(lán)色化合物，因此可以用作 半乳糖苷酶活性半乳糖苷酶活性的指示劑。的指示劑。 IPTGIPTG和和X Xgalgal都被廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)和基因工都被廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)和基因工程的工作中。程的工作中。 了解了解原核生物基因表達(dá)調(diào)控 CAP CAP即為

29、代謝活化子蛋白即為代謝活化子蛋白(catabolic (catabolic activator protein)activator protein)，這一活化子也被稱為，這一活化子也被稱為CRP(cAMPCRP(cAMP受體蛋白，受體蛋白，cAMP receptor cAMP receptor protein)protein)。 10.4.2.2 CAP10.4.2.2 CAP的正性調(diào)控的正性調(diào)控RNARNA聚合酶在聚合酶在CAPCAP的協(xié)助下結(jié)合到的協(xié)助下結(jié)合到laclac啟動子，啟動子， l lacac啟動子啟動子被被CAPCAP激活。激活。原核生物基因表達(dá)調(diào)控 CAPCAP結(jié)合位點結(jié)合位

30、點(cap site)(cap site)的結(jié)構(gòu)同的結(jié)構(gòu)同operator operator 相似，是一段位于轉(zhuǎn)錄起始位點上游相似，是一段位于轉(zhuǎn)錄起始位點上游60 bp 60 bp 的序的序列。列。CAPCAP增強(qiáng)了增強(qiáng)了RNARNA聚合酶同啟動子的結(jié)合。聚合酶同啟動子的結(jié)合。原核生物基因表達(dá)調(diào)控了解：了解： 細(xì)菌中的細(xì)菌中的cAMPcAMP（環(huán)腺苷酸）含量與葡萄糖的分解代（環(huán)腺苷酸）含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)，當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖分解供給能量時，謝有關(guān)，當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖分解供給能量時，cAMPcAMP生成生成少而分解多，少而分解多，cAMPcAMP含量低；相反，當(dāng)環(huán)境中無葡萄糖可含量低；相反，當(dāng)

31、環(huán)境中無葡萄糖可供利用時，供利用時，cAMPcAMP含量就升高。含量就升高。 細(xì)菌中有一種能與細(xì)菌中有一種能與cAMPcAMP特異結(jié)合的特異結(jié)合的cAMPcAMP的受體蛋的受體蛋白白CAPCAP，當(dāng)，當(dāng)CAPCAP未與未與cAMPcAMP結(jié)合時它是沒有活性的，當(dāng)結(jié)合時它是沒有活性的，當(dāng)cAMPcAMP濃度升高時，濃度升高時，CAPCAP與與cAMPcAMP結(jié)合并發(fā)生空間構(gòu)象的結(jié)合并發(fā)生空間構(gòu)象的變化而活化，以二聚體的方式與特定的變化而活化，以二聚體的方式與特定的DNADNA序列結(jié)合。序列結(jié)合。 葡萄糖水平低，葡萄糖水平低，cAMPcAMP水平高，水平高，CAPCAP結(jié)合結(jié)合DNADNA，激活激

32、活laclac基因?；颉Ｔ松锘虮磉_(dá)調(diào)控葡萄糖含量低時：葡萄糖含量低時： CAPCAP特異結(jié)合特異結(jié)合CAPCAP結(jié)合位點結(jié)合位點( (在在laclac操縱子的啟動子操縱子的啟動子PlacPlac上游端有一段與上游端有一段與PlacPlac部分重疊的序列部分重疊的序列) ) RNARNA聚合酶同啟動子的結(jié)合，激活轉(zhuǎn)錄聚合酶同啟動子的結(jié)合，激活轉(zhuǎn)錄葡萄糖含量多時：葡萄糖含量多時：cAMPcAMP濃度降低，濃度降低，CAPCAP無活性無活性 laclac操縱子的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)下降操縱子的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)下降重點原核生物基因表達(dá)調(diào)控不難看出：不難看出：CAPCAP結(jié)合位點就是一種起結(jié)合位點就是一種起

33、正性調(diào)控作用的操縱基因，正性調(diào)控作用的操縱基因，CAPCAP則是對則是對轉(zhuǎn)錄起正性作用的調(diào)控蛋白及激活蛋白，轉(zhuǎn)錄起正性作用的調(diào)控蛋白及激活蛋白，編碼編碼CAPCAP的基因也是一個調(diào)控基因，不的基因也是一個調(diào)控基因，不過它并不在過它并不在laclac操縱子的附近，操縱子的附近，CAPCAP可可以對幾個操縱子都起作用。以對幾個操縱子都起作用。 原核生物基因表達(dá)調(diào)控原核生物基因表達(dá)調(diào)控總結(jié)：總結(jié)： 乳糖和葡萄糖的有無控制著乳糖和葡萄糖的有無控制著laclac基因表達(dá)的基因表達(dá)的水平。高水平表達(dá)要有乳糖的存在（也就是無水平。高水平表達(dá)要有乳糖的存在（也就是無LacLac抑制子抑制子repressorr

34、epressor），同時無葡萄糖（有活），同時無葡萄糖（有活化子化子CAPCAP），激活），激活laclac基因的轉(zhuǎn)錄?；虻霓D(zhuǎn)錄。 所以，這兩種調(diào)控蛋白聯(lián)合作用保證所以，這兩種調(diào)控蛋白聯(lián)合作用保證laclac基因基因在乳糖存在并缺少葡萄糖的環(huán)境中以顯著水平表在乳糖存在并缺少葡萄糖的環(huán)境中以顯著水平表達(dá)。達(dá)。重點原核生物基因表達(dá)調(diào)控10.510.5色氨酸操縱子色氨酸操縱子 轉(zhuǎn)錄起始后表達(dá)調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始后表達(dá)調(diào)控 色氨酸色氨酸(trp)(trp)是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，一般的環(huán)境難是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，一般的環(huán)境難以給細(xì)菌提供足夠的色氨酸，細(xì)菌要生存繁殖通常需以給細(xì)菌提供足夠的色氨酸，細(xì)菌要生存繁殖通常

35、需要自己經(jīng)過許多步驟合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠要自己經(jīng)過許多步驟合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時，細(xì)菌就會充分利用外界的色氨酸、減提供色氨酸時，細(xì)菌就會充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負(fù)擔(dān)。細(xì)菌所以少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負(fù)擔(dān)。細(xì)菌所以能做到這點是因為有色氨酸操縱子能做到這點是因為有色氨酸操縱子(trp operon)(trp operon)的的調(diào)控，調(diào)控，色氨酸操縱子負(fù)責(zé)色氨酸的生物合成色氨酸操縱子負(fù)責(zé)色氨酸的生物合成。 原核生物基因表達(dá)調(diào)控10.5.1 色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)l 結(jié)構(gòu)基因：結(jié)構(gòu)基因： 色氨酸的合成分色氨酸的合成分5 5

36、步完成。每個環(huán)節(jié)需要一種酶，步完成。每個環(huán)節(jié)需要一種酶，編碼這編碼這5 5種酶的基因緊密連鎖在一起，被轉(zhuǎn)錄在一條種酶的基因緊密連鎖在一起，被轉(zhuǎn)錄在一條多順反子多順反子mRNAmRNA上，分別以上，分別以trpEtrpE、trpDtrpD、trpCtrpC、trpBtrpB、trpAtrpA代表，編碼了鄰氨基苯甲酸合成酶、鄰代表，編碼了鄰氨基苯甲酸合成酶、鄰氨基苯甲酸焦磷酸轉(zhuǎn)移酶、鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶、色氨基苯甲酸焦磷酸轉(zhuǎn)移酶、鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油氨酸合成酶和吲哚甘油-3-3-磷酶合成酶磷酶合成酶 。原核生物基因表達(dá)調(diào)控l 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因 trpRtrpR基因以組成性方式、

37、低水平表達(dá)阻遏物基因以組成性方式、低水平表達(dá)阻遏物R,R,該基因距該基因距trptrp基因簇很遠(yuǎn)，基因簇很遠(yuǎn)，R R并沒有與并沒有與operatoroperator結(jié)合的活性，只有與色氨酸相結(jié)合才形結(jié)合的活性，只有與色氨酸相結(jié)合才形成有活性的阻遏物，因此被稱為輔阻遏蛋白成有活性的阻遏物，因此被稱為輔阻遏蛋白(aporepressor)(aporepressor) 。色氨酸則是輔抑制子。色氨酸則是輔抑制子(corepressor)(corepressor)。l 操縱基因操縱基因 trpOtrpO與與PromoterPromoter序列幾乎重合。序列幾乎重合。原核生物基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)環(huán)境能提供足夠當(dāng)

38、環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時：濃度的色氨酸時：R R與色氨酸結(jié)合與色氨酸結(jié)合 R R構(gòu)象變化而活化構(gòu)象變化而活化 與與o o特異性結(jié)合特異性結(jié)合 阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄10.5.2 色氨酸操縱子的阻遏調(diào)控色氨酸操縱子的阻遏調(diào)控原核生物基因表達(dá)調(diào)控 這是屬于一種負(fù)性調(diào)控的、可阻遏這是屬于一種負(fù)性調(diào)控的、可阻遏的操縱子的操縱子(repressible operon)(repressible operon)。 trptrp操縱子通常是開放轉(zhuǎn)錄的，當(dāng)有操縱子通常是開放轉(zhuǎn)錄的，當(dāng)有效應(yīng)物效應(yīng)物( (色氨酸為阻遏劑色氨酸為阻遏劑) )作用時，則發(fā)作用時，則發(fā)生阻遏，關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。生阻遏，關(guān)閉轉(zhuǎn)錄

39、。 細(xì)菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都細(xì)菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都屬于這種類型，其調(diào)控可使細(xì)菌處在生屬于這種類型，其調(diào)控可使細(xì)菌處在生存繁殖最經(jīng)濟(jì)最節(jié)省的狀態(tài)。存繁殖最經(jīng)濟(jì)最節(jié)省的狀態(tài)。10-2原核生物基因表達(dá)調(diào)控10.5.3 10.5.3 色氨酸操縱子的衰減子調(diào)控色氨酸操縱子的衰減子調(diào)控 弱化調(diào)控弱化調(diào)控l阻遏阻遏- -操縱機(jī)制操縱機(jī)制對色氨酸來說是一個一級開對色氨酸來說是一個一級開關(guān)，關(guān)，主管轉(zhuǎn)錄是否啟動主管轉(zhuǎn)錄是否啟動（RNARNA聚合酶卻不聚合酶卻不總是將總是將trptrp結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄會被提結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄會被提前終止），相當(dāng)于前終止），相當(dāng)于粗調(diào)開關(guān)粗調(diào)開關(guān)。ltrpt

40、rp操縱子中對應(yīng)于色氨酸生物合成的還有操縱子中對應(yīng)于色氨酸生物合成的還有另一個系統(tǒng)進(jìn)行另一個系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)控細(xì)調(diào)控，指示已經(jīng)啟動的轉(zhuǎn)，指示已經(jīng)啟動的轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)下去?？梢钥朔D(zhuǎn)錄的提前終止，錄是否繼續(xù)下去?？梢钥朔D(zhuǎn)錄的提前終止，稱為稱為衰減作用衰減作用(attenuation)(attenuation)。原核生物基因表達(dá)調(diào)控 在色氨酸操縱子在色氨酸操縱子Ptrp-oPtrp-o與第一個結(jié)構(gòu)基因與第一個結(jié)構(gòu)基因trpEtrpE之之間有間有162bp162bp的一段先導(dǎo)序列、前導(dǎo)區(qū)的一段先導(dǎo)序列、前導(dǎo)區(qū)(Leader (Leader sequence)sequence)，先導(dǎo)序列的末端、，先導(dǎo)序列

41、的末端、trpEtrpE之前，有一個典之前，有一個典型轉(zhuǎn)錄終止子的結(jié)構(gòu)特點，在型轉(zhuǎn)錄終止子的結(jié)構(gòu)特點，在RNARNA中有典型的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，中有典型的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，緊接著的是緊接著的是8 8個鳥苷酸堿基。在這一所謂的衰減子處，個鳥苷酸堿基。在這一所謂的衰減子處，轉(zhuǎn)錄通常會停止，產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)錄通常會停止，產(chǎn)生一個139bp139bp核苷酸長度的先導(dǎo)核苷酸長度的先導(dǎo)RNARNA。 實驗證明當(dāng)色氨酸達(dá)一定濃度時，實驗證明當(dāng)色氨酸達(dá)一定濃度時，RNARNA聚合酶的轉(zhuǎn)聚合酶的轉(zhuǎn)錄會終止在這里。錄會終止在這里。原核生物基因表達(dá)調(diào)控 Trp Trp前導(dǎo)區(qū)序列可分為前導(dǎo)區(qū)序列可分為1 1、2 2、3 3、4 4區(qū)域，區(qū)

42、域，這四個區(qū)域的片段能以兩種不同的方式進(jìn)行這四個區(qū)域的片段能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對，有時以堿基配對，有時以1-21-2和和3-43-4，有時只以，有時只以2-32-3配對。配對。 前導(dǎo)序列的終止區(qū)與一般的轉(zhuǎn)錄終止位點相同，具前導(dǎo)序列的終止區(qū)與一般的轉(zhuǎn)錄終止位點相同，具有潛在的二重對稱結(jié)構(gòu)能形成莖環(huán)，并具有成串的有潛在的二重對稱結(jié)構(gòu)能形成莖環(huán)，并具有成串的UU。原核生物基因表達(dá)調(diào)控TrpTrp操縱子的轉(zhuǎn)錄弱化效應(yīng)操縱子的轉(zhuǎn)錄弱化效應(yīng)a.a.高色氨酸時，高色氨酸時，3-43-4配對形成配對形成終止密碼子識別區(qū)終止密碼子識別區(qū)，只有，只有10%10%的的RNA polRNA pol繼續(xù)參與繼續(xù)參與TrpTrp操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄；操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄；b.b.低色氨酸時，核糖體停在低色氨酸時，核糖體停在色氨酸密碼子附近，使得色氨酸密碼子附近，使得2-32-3配對，因此阻止了配對，因此阻止了3-43-4終止發(fā)終止發(fā)夾的形成，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行，夾的形成，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行