基因的表達(dá)與調(diào)控(上)

1、第六章第六章 基因的表達(dá)與調(diào)控基因的表達(dá)與調(diào)控( (上上) ) 原核基因表達(dá)調(diào)控模式原核基因表達(dá)調(diào)控模式DNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第一節(jié)第一節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念 ：基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程。對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱為gene regulationgene regulation 。 組成性表達(dá)(constitutive expression) 適應(yīng)性表達(dá)(adapti

2、ve expression）二、基因表達(dá)的方式二、基因表達(dá)的方式 1 1、組成性表達(dá)：組成性表達(dá)： 指不大受環(huán)境變動(dòng)而變化的一類基因表達(dá)。某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為通常被稱為管家基因管家基因(housekeeping gene)。 2、適應(yīng)性表達(dá)適應(yīng)性表達(dá)指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類基因表達(dá)。指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類基因表達(dá)。 應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)導(dǎo)(induction)，這類基因被稱為，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因可誘導(dǎo)的基因(ind

3、ucible gene)； 相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏象稱為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱為，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的可阻遏的基因基因(repressible gene)。 三、基因表達(dá)的規(guī)律三、基因表達(dá)的規(guī)律 時(shí)間性和空間性時(shí)間性和空間性1、時(shí)間特異性（、時(shí)間特異性（temporal specificitytemporal specificity）按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間時(shí)間特異性特異性。

4、多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階階段特異性段特異性(stage specificity)。 2、空間特異性、空間特異性(spatial specificity)基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性細(xì)胞或組織特異性(cell or tissue specificity)。在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，按不同組織空間順序出現(xiàn)，

5、稱之為基因表達(dá)的稱之為基因表達(dá)的空間特異性空間特異性。四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義 適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖（原核、真核） 維持個(gè)體發(fā)育與分化（真核）Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第二節(jié)第二節(jié) 原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制內(nèi)容提要：原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)操縱子學(xué)說(shuō)操縱子學(xué)說(shuō)原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式 一、原核

6、基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)一、原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)1 1、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（transcriptional regulationtranscriptional regulation）2 2、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptional regulationpost-transcriptional regulation） mRNAmRNA加工成熟水平上的調(diào)控加工成熟水平上的調(diào)控 翻譯水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控二、操縱子學(xué)說(shuō)二、操縱子學(xué)說(shuō)1 1、操縱子模型的提出、操縱子模型的提出19611961年，年，MonodMonod和和JacobJacob提出提

7、出獲獲19651965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)Jacob and Monod2、操縱子的定義、操縱子的定義操縱子操縱子：是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動(dòng)子、操縱是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動(dòng)子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。1 1、根據(jù)操縱子對(duì)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）、根據(jù)操縱子對(duì)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的應(yīng)答，可分為：的應(yīng)答，可分為： 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控 負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控 三、三、原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)原核基因調(diào)控機(jī)制的類型

8、與特點(diǎn)調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控如果在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是關(guān)閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開啟，這樣的調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。 可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)（P196）：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來(lái)關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化。

9、例：大腸桿菌的乳糖操縱子 分解代謝蛋白的基因2、根據(jù)操縱子對(duì)某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應(yīng)答，可分為可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和可阻遏調(diào)節(jié)兩大類：調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白阻遏蛋白調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白阻遏蛋白誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型誘導(dǎo)物如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來(lái)分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物。 可阻遏調(diào)節(jié)（可阻遏調(diào)節(jié)（P197）：）：基因平時(shí)是開啟的，處在產(chǎn)基因平時(shí)是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過(guò)程中，由于一些特殊代謝物生蛋白質(zhì)或酶的工作過(guò)程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，

10、阻遏了基因的表達(dá)?；蚧衔锏姆e累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。 例：例：色氨酸操縱子色氨酸操縱子 合成代謝蛋白的基因酶合成的酶合成的阻遏阻遏操縱子模型操縱子模型調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因輔阻遏物輔阻遏物輻阻遏物如果某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。3、在、在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋阻遏蛋白白（repressor），起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。），起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。 根據(jù)其作用特征又可分為根據(jù)其作用特征又可分為

11、負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控誘導(dǎo)和和負(fù)控阻遏負(fù)控阻遏： 在在負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄； 在在負(fù)控阻遏負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。4 4、在、在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋激活蛋白白（activator）。）。 根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)正控誘導(dǎo)和和正控阻遏正控阻遏 在在正控誘導(dǎo)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）的存在系統(tǒng)中，效應(yīng)物

12、分子（誘導(dǎo)物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；使激活蛋白處于活性狀態(tài)； 在在正控阻遏正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（輔阻遏物）輔阻遏物）的存的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。四、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式四、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式1、因子的更換 在E.coli中,當(dāng)細(xì)胞從基本的轉(zhuǎn)錄機(jī)制轉(zhuǎn)入各種特定基因表達(dá)時(shí)，需要不同的因子指導(dǎo)RNA聚合酶與各種啟動(dòng)子結(jié)合。大腸桿菌中的各種因子比較因子編碼基因主要功能70rpoD參與對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期和大多數(shù)碳代謝過(guò)程基因的調(diào)控54rpoN參與多數(shù)氮源利用基因的調(diào)控38rpoH分裂間期特異基因的表達(dá)調(diào)控32rpoS熱休克基因的表達(dá)調(diào)

13、控28rpoF鞭毛趨化相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控24rpoE過(guò)度熱休克基因的表達(dá)調(diào)控 溫度較高,誘導(dǎo)產(chǎn)生各種熱休克蛋白 由32參與構(gòu)成的RNA聚合酶與熱休克應(yīng)答基因啟動(dòng)子結(jié)合,誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的熱休克蛋白,適應(yīng)環(huán)境需要 枯草芽孢桿菌芽孢形成 有序的因子的替換,RNA聚合酶識(shí)別不同基因的啟動(dòng)子,使芽孢形成有關(guān)的基因有序地表達(dá)2、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)3、弱化子對(duì)基因活性的影響Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第三節(jié)第三節(jié) 乳糖操縱子乳糖操縱子( (la

14、clac operonoperon) )內(nèi)容提要：內(nèi)容提要：乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)酶的誘導(dǎo)酶的誘導(dǎo)laclac體系受調(diào)控的證據(jù)體系受調(diào)控的證據(jù)乳糖操縱子調(diào)控模型乳糖操縱子調(diào)控模型影響因子影響因子LacLac操縱子中的其他問(wèn)題操縱子中的其他問(wèn)題一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu) Z編碼-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖 Y編碼-半乳糖苷透過(guò)酶：使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透過(guò)大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。 A編碼-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶A上的乙酰基轉(zhuǎn)到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。二、酶的誘導(dǎo)二、酶的誘導(dǎo)laclac體系受調(diào)控的證據(jù)體系受調(diào)控的證據(jù) 安慰誘導(dǎo)

15、物： 如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物，如IPTG（異丙基- D-硫代半乳糖苷）。 CH2OH CH3 HO O SCCH3 H CH3 OH HH H H OH圖 16-6 異丙基-硫代半乳糖苷的分子結(jié)構(gòu)三、乳糖操縱子調(diào)控模型三、乳糖操縱子調(diào)控模型主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼分子所編碼 這個(gè)這個(gè)mRNA分子的啟動(dòng)子緊接著分子的啟動(dòng)子緊接著O區(qū)，而位于區(qū)，而位于I與與O之間的啟動(dòng)子區(qū)（之間的啟動(dòng)子區(qū)（P），不能單獨(dú)起動(dòng)合），不能單獨(dú)起動(dòng)合成成-半乳糖苷酶和透過(guò)酶的生理過(guò)程。半乳

16、糖苷酶和透過(guò)酶的生理過(guò)程。 操縱基因是操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為上的一小段序列（僅為26bp），），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。RNA聚合酶結(jié)合部位聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位 操縱位點(diǎn)的回文序列 當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，laclac mRNA mRNA的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。錄起始受到抑制。 未誘導(dǎo)：結(jié)構(gòu)基因被阻遏 阻遏物 四聚體 LacI P O lacZ lacY lacA 圖 16- 當(dāng)無(wú)誘導(dǎo)物時(shí)阻遏物結(jié)合在操縱基因上 誘導(dǎo)物通過(guò)與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，誘導(dǎo)物通過(guò)與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)

17、合，從而激發(fā)使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā)lac mRNA的合成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，操縱基因區(qū)沒有被的合成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，操縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始mRNA的的合成。合成。 誘導(dǎo)：基因被打開 -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉(zhuǎn)移酶 圖 16-7 誘導(dǎo)物和阻遏物成為調(diào)節(jié)操縱子的開關(guān) 組成型突變： lacOc 組成型突變： lacI- Repressor has lost lacI S genesythesizes Iducer-binding site defective repressor that cannot bind induce

18、r; it binds permanently to operator lacI S Operantor lacI + wild-type repressor does not influence DNA-binding of LacS repressor 圖圖 16- Uninducible lac S mutations are dominant 不可誘導(dǎo)突變（超阻遏）：四、影響因子四、影響因子1、lac操縱子的本底水平表達(dá)有兩個(gè)矛盾是操縱子理論所不能解釋的：誘導(dǎo)物需要穿過(guò)細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要透過(guò)酶，后者的合成有需要誘導(dǎo)。解釋：一些誘導(dǎo)物可以在透過(guò)酶不存在時(shí)進(jìn)入細(xì)胞？

19、一些透過(guò)酶可以在沒有誘導(dǎo)物的情況下合成？真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，前者是在真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)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- -半乳糖甘酶的預(yù)先存在。半乳糖甘酶的預(yù)先存在。解釋：解釋：本底水平的組成型合成：非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的本底水平的組成型合成：非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lac mRNA合成。合成。2、大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng) 培養(yǎng)基：甘油培養(yǎng)基：甘油 按照按照l(shuí)ac操縱子本底水平的表達(dá)，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有幾個(gè)操縱子本底水平的表達(dá)，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有幾個(gè)分子的分子的-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷透過(guò)酶；半乳糖苷透過(guò)酶

20、；培養(yǎng)基：加入乳糖培養(yǎng)基：加入乳糖少量乳糖少量乳糖透過(guò)酶透過(guò)酶進(jìn)入細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞-半乳糖苷酶半乳糖苷酶異構(gòu)乳糖異構(gòu)乳糖誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物誘導(dǎo)誘導(dǎo)lac mRNA的生物合成的生物合成大量乳糖進(jìn)入細(xì)胞大量乳糖進(jìn)入細(xì)胞多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）異構(gòu)乳糖異構(gòu)乳糖 H OH HO H OH H H CH2OH H O OH HO O H O CH2 CH2OH H OH OH H HO O H 別乳糖 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

21、 OH H OH H HO H H H H OH H OH 葡萄糖 半乳糖 圖 16- 乳糖分解的不同產(chǎn)物乳糖誘導(dǎo)物的加入和去除對(duì)lac mRNA的影響3、阻遏物lac I基因產(chǎn)物及功能 Lac Lac 操縱子阻遏物操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動(dòng)子控制下組是由弱啟動(dòng)子控制下組成型合成的，每個(gè)細(xì)胞中有成型合成的，每個(gè)細(xì)胞中有5-10個(gè)阻遏物分子。個(gè)阻遏物分子。 當(dāng)當(dāng)I基因由弱啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)就不基因由弱啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來(lái)克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來(lái)克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)lac操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。4

22、、葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響 如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中， laclac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導(dǎo)；一旦耗盡操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導(dǎo)；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會(huì)誘導(dǎo)外源葡萄糖，乳糖就會(huì)誘導(dǎo)laclac操縱子表達(dá)分操縱子表達(dá)分解乳糖所需的三種酶。解乳糖所需的三種酶。 代謝物阻遏效應(yīng)代謝物阻遏效應(yīng)5 5、cAMPcAMP與代謝物激活蛋白與代謝物激活蛋白代謝物激活蛋白（代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺甘酸受體蛋白（環(huán)腺甘酸受體蛋白（CRP） ZYAOPDNA 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列操縱序列操縱序列 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因Z：

23、-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰基轉(zhuǎn)移酶cAMPCAP復(fù)合物ATPATP腺甘酸環(huán)化酶腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺甘酸）（環(huán)腺甘酸） 大腸桿菌中：無(wú)葡萄糖，大腸桿菌中：無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高；濃度高； 有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低濃度低+ + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)濃度高時(shí)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄促進(jìn)轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)濃度低時(shí)不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調(diào)控的正調(diào)控當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用如無(wú)如無(wú)CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱

24、序列結(jié)合，存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。 cAMPCAP復(fù)合物與啟動(dòng)復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)葡萄糖對(duì)葡萄糖對(duì) lac 操縱子的阻遏作用稱操縱子的阻遏作用稱分解代分解代謝阻遏謝阻遏(catabolic repression)。 單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)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/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。用葡萄糖。The Lac Operon:When Glucose Is Present B

25、ut Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CAPCAPThe Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im

26、constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepres

27、sor mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through!五、五、LacLac操縱子中的其他問(wèn)題操縱子中的其他問(wèn)題1、A基因及其生理功能半乳糖甘分子（IPTG）-半乳糖甘酶分解產(chǎn)物（體內(nèi)積累）-半乳糖甘乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖甘分子（IPTG）乙?；?、lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較-半乳糖苷酶：透過(guò)酶：乙?；D(zhuǎn)移酶=1：0.5：0.2翻譯水平上受到調(diào)節(jié)：（1）lac mRNA可能與翻譯過(guò)程中的核糖體相脫離，從而終止

28、蛋白質(zhì)鏈的翻譯；（2）在 lac mRNA分子內(nèi)部，A基因比Z基因更容易受內(nèi)切酶作用發(fā)生降解。3、操縱子的融合與基因工程P OZYAtsxPOpur結(jié)構(gòu)基因缺失lac operonpur operonContents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第四節(jié) 色氨酸操縱子（trp operon）內(nèi)容提要：內(nèi)容提要： 色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu) 色氨酸操縱子的色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng) 色氨酸操縱子的弱化機(jī)制一、色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)一、色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)

29、 調(diào)控基因調(diào)控基因 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 催化分枝酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼岽呋种λ徂D(zhuǎn)變?yōu)樯彼?的酶的酶trpRtrp 分支酸 鄰氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷酸 色氨酸 鄰氨基苯甲酸 鄰氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼酸合成酶 鏈 鏈 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：起動(dòng)子；O：操縱子； l：前導(dǎo)序列； a：衰減子； t,t ：終止子 圖 16-15 E.coli trpO 的結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)物所催化的色氨酸合

30、成反應(yīng) 特點(diǎn): (1) trpR和trpABCDE不連鎖； (2) 操縱基因在啟動(dòng)子內(nèi) (3) 有衰減子(attenuator)/弱化子 (4) 啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被 前導(dǎo)序列(Leader)所隔開 trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA 蛋白 TrpR(無(wú)活性) 活化的 阻遏蛋白 阻遏物 (Trp) 圖 16-27 TrpR 被 Trp 激活后可阻遏trp 操縱子的轉(zhuǎn)錄 (仿 B.Lewin:GENES，1990, Fig .13.16) 二、trp 操縱子的阻遏系統(tǒng)三、trp 操縱子的弱化機(jī)制衰減子（attenuator）/弱化子前導(dǎo)序

31、列（leader sequence）1、弱化子： DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過(guò)早終止的一段核甘酸序列（123-150區(qū)）。123150 研究引起終止的研究引起終止的mRNAmRNA堿基序列堿基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNAmRNA通過(guò)通過(guò)自我配對(duì)可以形成自我配對(duì)可以形成莖莖- -環(huán)環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的結(jié)構(gòu)，有典型的終止子終止子特點(diǎn)。特點(diǎn)。2、前導(dǎo)序列：在trp mRNA5端trpE基因的起始密碼前一個(gè)長(zhǎng)162bp的mRNA片段。 鄰氨基苯 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 啟動(dòng)子 操縱基因 前導(dǎo)順序 衰減子 pppN26AUGAAA

32、GCAAUUUUCGUACUGAAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43A UUUUUUUU 富含 G-C 的發(fā) G C Leader peptide 夾結(jié)構(gòu) / 富含 C G U 的單鏈末端 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 圖 16-28 trp 操縱子含有 5 個(gè)結(jié)構(gòu)基因和 1 個(gè)控制區(qū)?？刂茀^(qū)由啟動(dòng)子、操縱基因、前導(dǎo)順序和衰減子構(gòu)成。前導(dǎo)區(qū)編碼 14 個(gè)氨基酸，其中有 2 個(gè)是色氨酸。(仿 B.Lewin:GENES,19

33、97, Fig .12.38) 3、弱化機(jī)制、弱化機(jī)制前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu) 細(xì)菌通過(guò)弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒艏?xì)菌通過(guò)弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒糇饔弥荒苁棺饔弥荒苁罐D(zhuǎn)錄不起始轉(zhuǎn)錄不起始，對(duì)于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只，對(duì)于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過(guò)弱化作用使之中途停下來(lái)。阻遏作用的信號(hào)能通過(guò)弱化作用使之中途停下來(lái)。阻遏作用的信號(hào)是是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少；弱化作用的信號(hào)則是；弱化作用的信號(hào)則是細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少的多少。它通過(guò)前導(dǎo)肽的翻。它通過(guò)前導(dǎo)肽的翻譯來(lái)控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)這兩種作用相譯來(lái)控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，在細(xì)菌細(xì)

34、胞內(nèi)這兩種作用相輔相成，體現(xiàn)著生物體內(nèi)周密的調(diào)控作用。輔相成，體現(xiàn)著生物體內(nèi)周密的調(diào)控作用。 什么是操縱子（operon)?試說(shuō)明色氨酸操縱子（Trp operon)在原核基因表達(dá)調(diào)控中的調(diào)控機(jī)制和重要作用。 2003年武漢大學(xué)分子生物學(xué)試題Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第五節(jié) 其他操縱子一、半乳糖操縱子( (galactosegalactose operonoperon) )異構(gòu)酶異構(gòu)酶(galE)乳糖乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶磷酸

35、尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galT)半乳糖激酶半乳糖激酶(galk)。gal操縱子的特點(diǎn)：操縱子的特點(diǎn)： 它有兩個(gè)啟動(dòng)子，其它有兩個(gè)啟動(dòng)子，其mRNA可從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開可從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄；始轉(zhuǎn)錄； 它有兩個(gè)它有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因區(qū)上游，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。內(nèi)部。二、阿拉伯糖操縱子（二、阿拉伯糖操縱子（arabinosearabinose operonoperon) ) araB基因、araA基因和araD, 形成一個(gè)基因簇，簡(jiǎn)寫為araBAD 三個(gè)基因的表達(dá)受到ara操縱子中araC基因產(chǎn)物AraC蛋白的調(diào)控。ara操縱子的調(diào)控有兩個(gè)特點(diǎn)： 第

36、一，araC表達(dá)受到AraC的自身調(diào)控。 第二，AraC既是ara操縱子的正調(diào)節(jié)蛋白（需cAMP-CRP的共同參與，起始轉(zhuǎn)錄），又是其負(fù)調(diào)節(jié)蛋白。這種雙重功能是通過(guò)AraC蛋白的兩種異構(gòu)體來(lái)實(shí)現(xiàn)的（Pi和Pr)。三、阻遏蛋白LexA的降解與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答SOS反應(yīng)的機(jī)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修復(fù)系統(tǒng)所有基因的阻遏物RecA蛋白：是SOS反應(yīng)的最初的發(fā)動(dòng)因子。在單鏈DNA和ATP存在時(shí)，RecA蛋白被激活，表現(xiàn)出水解酶活性，分解LexA阻遏物。當(dāng)RecA水解LexA阻遏物后，導(dǎo)致SOS體系（包括recA基因）高效表達(dá)，DNA

37、得到修復(fù)Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控一、翻譯起始的調(diào)控 RBS（核糖體結(jié)合位點(diǎn)）：mRNA鏈上起始密碼子AUG上游的一段非翻譯區(qū)。 RBS的結(jié)合強(qiáng)度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼子AUG之間的距離。 SD- 4-10（9）-AUG第六節(jié)第六節(jié) 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控二、稀有密碼子對(duì)翻譯的影響dnaG(引物酶) RNA引物dnaG、rpoD和rpsU屬于大腸桿菌基因組上的同一個(gè)操縱子50個(gè)拷貝的dnaG蛋白、2800

38、個(gè)拷貝的rpoD和40000個(gè)拷貝的rpsU幾種蛋白質(zhì)中異亮氨酸密碼子使用頻率比較蛋白質(zhì)AUU/%AUC%AUA%結(jié)構(gòu)蛋白37621亞基26740DnaG蛋白363232細(xì)胞內(nèi)對(duì)應(yīng)于稀有密碼子的tRNA較少，高頻率使用這些密碼子的基因翻譯過(guò)程容易受阻，影響了蛋白質(zhì)合成的總量。三、重疊基因?qū)Ψg的影響三、重疊基因?qū)Ψg的影響TrpB 谷氨酸- 異亮氨酸-終止 GAA - AUC - UGA - UGG - AA AUG - GAA 甲硫氨酸 谷氨酸t(yī)rpAtrpE蘇氨酸苯丙氨酸終止 ACU - UUC - UGA - UGG - CU AUG AUG GCU 甲硫氨酸 - 丙氨酸- trpD 翻

39、譯終止時(shí)核糖體立即處在起始環(huán)境中，這種重疊的密碼子保證了同一核糖體對(duì)兩個(gè)連續(xù)基因進(jìn)行翻譯的機(jī)制。1、關(guān)于管家基因敘述錯(cuò)誤的是、關(guān)于管家基因敘述錯(cuò)誤的是 (A) 在生物個(gè)體的幾乎各生長(zhǎng)階段持續(xù)表達(dá)在生物個(gè)體的幾乎各生長(zhǎng)階段持續(xù)表達(dá) (B) 在生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)在生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá) (C) 在生物個(gè)體全生命過(guò)程的幾乎所有細(xì)胞中在生物個(gè)體全生命過(guò)程的幾乎所有細(xì)胞中表達(dá)表達(dá) (D) 在生物個(gè)體的某一生長(zhǎng)階段持續(xù)表達(dá)在生物個(gè)體的某一生長(zhǎng)階段持續(xù)表達(dá) (E) 在一個(gè)物種的幾乎所有個(gè)體中持續(xù)表達(dá)在一個(gè)物種的幾乎所有個(gè)體中持續(xù)表達(dá) D2、一個(gè)操縱子（元）通常含有、一個(gè)操縱子（元）通

40、常含有 (A) 數(shù)個(gè)啟動(dòng)序列和一個(gè)編碼基因數(shù)個(gè)啟動(dòng)序列和一個(gè)編碼基因 (B) 一個(gè)啟動(dòng)序列和數(shù)個(gè)編碼基因一個(gè)啟動(dòng)序列和數(shù)個(gè)編碼基因 (C) 一個(gè)啟動(dòng)序列和一個(gè)編碼基因一個(gè)啟動(dòng)序列和一個(gè)編碼基因 (D) 兩個(gè)啟動(dòng)序列和數(shù)個(gè)編碼基因兩個(gè)啟動(dòng)序列和數(shù)個(gè)編碼基因 (E) 數(shù)個(gè)啟動(dòng)序列和數(shù)個(gè)編碼基因數(shù)個(gè)啟動(dòng)序列和數(shù)個(gè)編碼基因 B3、下列情況不屬于基因表達(dá)階段特異性的是，、下列情況不屬于基因表達(dá)階段特異性的是，一個(gè)基因在一個(gè)基因在 (A) 分化的骨骼肌細(xì)胞表達(dá)，在未分化的心肌分化的骨骼肌細(xì)胞表達(dá)，在未分化的心肌細(xì)胞不表達(dá)細(xì)胞不表達(dá) (B) 胚胎發(fā)育過(guò)程不表達(dá)，出生后表達(dá)胚胎發(fā)育過(guò)程不表達(dá)，出生后表達(dá) (C) 胚胎發(fā)育過(guò)程表達(dá)，在出生后不表達(dá)胚胎發(fā)育過(guò)程表達(dá)，在出生后不表達(dá) (D) 分化的骨骼肌細(xì)胞表達(dá)，在未分化的骨骼分化的