分子生物學(xué)表達(dá)調(diào)控

1、會(huì)計(jì)學(xué)1分子生物學(xué)表達(dá)調(diào)控分子生物學(xué)表達(dá)調(diào)控DNARNA蛋 白 質(zhì)復(fù) 制轉(zhuǎn) 錄翻 譯逆 轉(zhuǎn) 錄RNA復(fù) 制gene regulation ） 對(duì)基因表達(dá)過程的調(diào)節(jié)對(duì)基因表達(dá)過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控或基因調(diào)控就稱為基因表達(dá)調(diào)控或基因調(diào)控。第1頁/共97頁指不大受環(huán)境變動(dòng)而變化的一類基因表達(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)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)，通常被稱為胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因管家基因(housekeeping gene)。第2頁/共97頁2、適應(yīng)性表達(dá)、適應(yīng)性表達(dá)(adaptive expression）指環(huán)境的變化容易使

2、其表達(dá)水平變動(dòng)的指環(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)。一類基因表達(dá)。隨環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高隨環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)誘導(dǎo)(induction)，這類基，這類基因被稱為因被稱為可誘導(dǎo)的基因可誘導(dǎo)的基因(inducible gene)。隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象降低的現(xiàn)象稱為阻遏稱為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱為相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因可阻遏的基因(repressible gene)。 第3頁/共97頁三、基因表達(dá)的規(guī)律三、基因表達(dá)的規(guī)律- 時(shí)間性時(shí)間性和空間性和空間性 按功能需要，某一特定基

3、因的按功能需要，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，表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性?；虮磉_(dá)的時(shí)間特異性。1、時(shí)間特異性（、時(shí)間特異性（temporal specificity） 多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱異性又稱階段特異性階段特異性(stage specificity)。 第4頁/共97頁2 2、空間特異性、空間特異性(spatial (spatial specificity)specificity)在個(gè)體生長全過程，某種基因在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之

4、為基因表達(dá)的現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性空間特異性。 空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cell or tissue specificity)。第5頁/共97頁四、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)意義第6頁/共97頁第二節(jié)第二節(jié) 原核基因調(diào)控原核基因調(diào)控機(jī)制機(jī)制一、基因表達(dá)調(diào)控環(huán)一、基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)節(jié)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 regulation） mRNA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)控第7頁/共97頁二、操縱子學(xué)說二、操縱子學(xué)說1、操縱子模型

5、的提出、操縱子模型的提出 1961年，年，Monod和和Jacob提出，提出，獲獲1965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)。第8頁/共97頁2、操縱子（、操縱子（operon) 由幾個(gè)功能相關(guān)的基因成簇排列由幾個(gè)功能相關(guān)的基因成簇排列而組成的一個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同單位而組成的一個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同單位。操縱子：操縱子： 結(jié)構(gòu)基因：編碼功能蛋白結(jié)構(gòu)基因：編碼功能蛋白啟動(dòng)子（啟動(dòng)基因）：啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子（啟動(dòng)基因）：啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄操縱基因（操縱子）：控制轉(zhuǎn)錄操縱基因（操縱子）：控制轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)基因：編碼調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)基因：編碼調(diào)節(jié)蛋白(激活蛋白和阻遏蛋白）激活蛋白和阻遏蛋白） 調(diào)控操縱基因調(diào)控操縱基因第9

6、頁/共97頁二、原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特二、原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)點(diǎn)1、正轉(zhuǎn)錄調(diào)控、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)正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是物是激活蛋白激活蛋白（activator）。根據(jù)）。根據(jù)激活蛋白的作用性激活蛋白的作用性質(zhì)分為質(zhì)分為正控誘導(dǎo)正控誘導(dǎo)和和正控阻遏。正控阻遏。 沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是關(guān)閉沒有調(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)控為就被開啟，這樣的調(diào)控為正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。第10頁/共97頁2、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)基因是在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)

7、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)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)控為表達(dá)活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控為負(fù)負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控轉(zhuǎn)錄調(diào)控。 負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是物是阻遏蛋白阻遏蛋白（repressor），起著阻），起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。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負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控誘導(dǎo)和和負(fù)控阻遏。負(fù)控阻遏。第11頁/共97頁（二）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：1、可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)、可誘導(dǎo)調(diào)節(jié) 指一些基因在特殊的代謝物或化指一些基因在特殊的代謝物或化合物（誘

8、導(dǎo)物）的作用下，由原來關(guān)合物（誘導(dǎo)物）的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些閉的狀態(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。物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子，分解代謝例：大腸桿菌的乳糖操縱子，分解代謝蛋白的基因蛋白的基因誘導(dǎo)物：誘導(dǎo)物：如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質(zhì)就是菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物。誘導(dǎo)物。第12頁/共97頁2、可阻遏調(diào)節(jié)：、可阻遏調(diào)節(jié)： 基因平時(shí)是開啟的，處在產(chǎn)生蛋基因平時(shí)是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中，由于一些白質(zhì)或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物（輔阻遏物）特殊代謝物或

9、化合物（輔阻遏物）的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。表達(dá)。例：色氨酸操縱子例：色氨酸操縱子 合成代謝蛋合成代謝蛋白的基因白的基因輔阻遏物：輔阻遏物：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。第13頁/共97頁四、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、因子的更換因子的更換 在在E.coli中中,當(dāng)細(xì)胞從基本的轉(zhuǎn)錄當(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)，機(jī)制轉(zhuǎn)入各種特定基因表達(dá)時(shí)，需要不同的需要不同的 因子指導(dǎo)因子指導(dǎo)RNA聚合酶聚合酶與各種啟動(dòng)子結(jié)合。與各種啟動(dòng)子結(jié)合。2、降解物對(duì)基因活、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)性的

10、調(diào)節(jié)3、弱化子對(duì)基因活性、弱化子對(duì)基因活性的影響的影響第14頁/共97頁阻遏基因（阻遏基因（lacI）啟動(dòng)子（啟動(dòng)子（P）操縱基因（操縱基因（O）結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因: lacZ、lacY、lacA第15頁/共97頁二、乳糖操縱子調(diào)控二、乳糖操縱子調(diào)控模型模型1、主要內(nèi)容：、主要內(nèi)容： Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的子的mRNA分子所編碼分子所編碼 這個(gè)這個(gè)mRNA分子的啟動(dòng)子區(qū)位于分子的啟動(dòng)子區(qū)位于I與與O之間之間,不能單獨(dú)起始合成不能單獨(dú)起始合成-半乳糖苷酶半乳糖苷酶和透過酶的高效表達(dá)。和透過酶的高效表達(dá)。 操縱基因是操縱基因是DNA上的一小段序列（上的一小段序

11、列（僅為僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。第16頁/共97頁誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)的三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā)合，從而激發(fā)lac mRNA的合成。當(dāng)?shù)暮铣伞．?dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，操縱基因區(qū)沒有被有誘導(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)子能夠順利起阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始始mRNA的合成。的合成。第17頁/共97頁1、lac操縱子的本底水平表達(dá)操縱子的本底水平表達(dá)誘導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻誘導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要透過遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)

12、物需要透過酶，后者的合成有需要誘導(dǎo)。酶，后者的合成有需要誘導(dǎo)。解釋：解釋：一些誘導(dǎo)物可以在透過酶一些誘導(dǎo)物可以在透過酶不存在時(shí)進(jìn)不存在時(shí)進(jìn) 入細(xì)胞？入細(xì)胞？ 一些透過酶可以在沒有誘一些透過酶可以在沒有誘導(dǎo)物的情況下導(dǎo)物的情況下 合成？合成？()有兩個(gè)矛盾是操縱子理論所不能解釋的：有兩個(gè)矛盾是操縱子理論所不能解釋的：第18頁/共97頁真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，前者是在乳糖，前者是在-半乳糖甘酶的半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需催化下由乳糖形成的，因此，需要有要有-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：非誘本底水平的組

13、成型合成：非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lac mRNA合合成。成。第19頁/共97頁透過酶透過酶進(jìn)入細(xì)進(jìn)入細(xì)胞胞-半乳糖苷半乳糖苷酶酶異構(gòu)乳異構(gòu)乳糖糖誘導(dǎo)誘導(dǎo)物物誘導(dǎo)誘導(dǎo)lac mRNA的生的生物合成物合成大量乳糖進(jìn)入大量乳糖進(jìn)入細(xì)胞細(xì)胞多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）源和能源）異構(gòu)乳異構(gòu)乳糖糖少量乳糖少量乳糖培養(yǎng)基：加入乳糖培養(yǎng)基：加入乳糖第20頁/共97頁由于酶有一定由于酶有一定的壽命，在除的壽命，在除去誘導(dǎo)物后一去誘導(dǎo)物后一定的時(shí)間內(nèi)，定的時(shí)間內(nèi)，仍保持一定量仍保持一定量的濃度。的濃度。第21頁/共97頁第22頁/共97頁4、Lac操縱子基因

14、的突操縱子基因的突變變1、組成型突變、組成型突變 操縱子的調(diào)節(jié)基因或操縱基因發(fā)操縱子的調(diào)節(jié)基因或操縱基因發(fā)生突變，不能形成正常的阻遏蛋白或生突變，不能形成正常的阻遏蛋白或阻遏蛋白不能與突變的操縱基因結(jié)合阻遏蛋白不能與突變的操縱基因結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄不能被阻遏，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因，使轉(zhuǎn)錄不能被阻遏，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因的持續(xù)表達(dá)。的持續(xù)表達(dá)。2、 不可誘導(dǎo)突變（超阻遏）不可誘導(dǎo)突變（超阻遏） 調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變，形成的阻遏蛋調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變，形成的阻遏蛋白不能與誘導(dǎo)物結(jié)合，即使誘導(dǎo)物存在白不能與誘導(dǎo)物結(jié)合，即使誘導(dǎo)物存在，也不發(fā)生誘導(dǎo)作用。，也不發(fā)生誘導(dǎo)作用。第23頁/共97頁第24頁/共97頁5、cAMP與代謝物激

15、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)腺甘酸受環(huán)腺甘酸受體蛋白體蛋白(CRP）能與能與cAMP形成復(fù)合物，形成復(fù)合物，在在Lac操縱子啟動(dòng)子上游有該復(fù)合物的結(jié)操縱子啟動(dòng)子上游有該復(fù)合物的結(jié)合位點(diǎn)。該復(fù)合物與合位點(diǎn)。該復(fù)合物與 其位點(diǎn)結(jié)合，保證其位點(diǎn)結(jié)合，保證RNA聚合酶與模板穩(wěn)定結(jié)合。聚合酶與模板穩(wěn)定結(jié)合。大腸桿菌中：無葡萄糖，大腸桿菌中：無葡萄糖，cAMP濃度高濃度高 有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低濃度低cAMP濃度高與濃度高與CAP形成復(fù)合物，形成復(fù)合物，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄促進(jìn)轉(zhuǎn)錄第25頁/共97頁 CAP與阻遏蛋白協(xié)同調(diào)節(jié)乳糖操縱與阻遏蛋白協(xié)同調(diào)節(jié)乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄

16、，當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，子的轉(zhuǎn)錄，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。如無對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。CAP與阻遏蛋白協(xié)同調(diào)節(jié)與阻遏蛋白協(xié)同調(diào)節(jié) cAMPCAP復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)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。的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。第26頁/共97頁半乳糖甘分子（IPTG）-半乳糖甘酶分解產(chǎn)物（體內(nèi)積累）-半乳糖甘乙?；D(zhuǎn)移酶乙酰半乳糖甘分子 （乙酰IPTG）半乳糖甘分子（IPTG）不能被分解不能被分解避免細(xì)胞中有害代謝產(chǎn)物的堆積。避免細(xì)胞中有害代謝

17、產(chǎn)物的堆積。第27頁/共97頁翻譯水平上受到調(diào)節(jié)：翻譯水平上受到調(diào)節(jié)：（1）lac mRNA可能與翻譯過程中可能與翻譯過程中的核糖體相脫離，從而終止蛋白質(zhì)的核糖體相脫離，從而終止蛋白質(zhì)鏈的翻譯；鏈的翻譯；（2）在）在 lac mRNA分子內(nèi)部，分子內(nèi)部，A基基因比因比Z基因更容易受內(nèi)切酶作用發(fā)生基因更容易受內(nèi)切酶作用發(fā)生降解。降解。2、lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較第28頁/共97頁融合基因融合基因技術(shù)已成為基因工程中最廣泛應(yīng)用的技術(shù)。融合基因技術(shù)已成為基因工程中最廣泛應(yīng)用的技術(shù)。融合基因的發(fā)現(xiàn)為人類某些腫瘤機(jī)制的闡明提供了線索融合基因的發(fā)現(xiàn)為人類某些腫瘤機(jī)制的闡明提供了線索第

18、29頁/共97頁第30頁/共97頁 (1) trpR和和trpABCDE不緊密連不緊密連鎖；鎖； (2) 操縱基因在啟動(dòng)子內(nèi)操縱基因在啟動(dòng)子內(nèi) (3) 有衰減子有衰減子(attenuator)/弱化弱化子子 (4) 啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因不直接啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者相連，二者 被前導(dǎo)序列被前導(dǎo)序列(Leader)所所隔開隔開一、色氨酸操作子的結(jié)構(gòu)一、色氨酸操作子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn):第31頁/共97頁二、二、trp trp 操縱子的阻遏系統(tǒng)操縱子的阻遏系統(tǒng)結(jié)合操縱基因第32頁/共97頁衰減子（attenuator）/弱化子前導(dǎo)序列（leader sequence）第33頁/共97頁在在trp系統(tǒng)

19、中前導(dǎo)序列的系統(tǒng)中前導(dǎo)序列的123-150bp。DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核甘酸序列。中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核甘酸序列。研究研究Trp操縱子引起終止的操縱子引起終止的mRNA堿基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)堿基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNA通過通過自我配對(duì)可以形成自我配對(duì)可以形成莖莖-環(huán)環(huán)(發(fā)夾）發(fā)夾）結(jié)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)。構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)。第34頁/共97頁2、前導(dǎo)序列、前導(dǎo)序列 在在trp mRNA5端端trpE基因的起始基因的起始密碼前一個(gè)長密碼前一個(gè)長162bp的的mRNA片段。片段。包含前導(dǎo)肽的序列（包含前導(dǎo)肽的序列（14aa) 和弱化子。和弱化子。第35頁/共97頁3、弱化機(jī)制、弱

20、化機(jī)制低濃度低濃度trp時(shí)時(shí)，trp-tRNAtrp少，翻譯通少，翻譯通過兩個(gè)過兩個(gè)trp 密碼子的速度慢，密碼子的速度慢，4區(qū)轉(zhuǎn)錄區(qū)轉(zhuǎn)錄出來后，核糖體才到出來后，核糖體才到1區(qū)，區(qū)，2-3區(qū)形成區(qū)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄可以繼續(xù)下去，直到發(fā)夾結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄可以繼續(xù)下去，直到完成全部基因轉(zhuǎn)錄。完成全部基因轉(zhuǎn)錄。高濃度高濃度trp時(shí)時(shí)，trp-tRNAtrp多，翻譯多，翻譯通過兩個(gè)通過兩個(gè)trp 密碼子的速度快，密碼子的速度快，4區(qū)區(qū)轉(zhuǎn)錄出來后，核糖體已到轉(zhuǎn)錄出來后，核糖體已到2區(qū)，區(qū)，3-4區(qū)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)（終止子），轉(zhuǎn)錄區(qū)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)（終止子），轉(zhuǎn)錄終止。終止。原核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯時(shí)同時(shí)進(jìn)行，邊轉(zhuǎn)錄邊翻

21、譯。原核生物的轉(zhuǎn)錄和翻譯時(shí)同時(shí)進(jìn)行，邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯。第36頁/共97頁第37頁/共97頁異構(gòu)酶異構(gòu)酶(galE)乳糖乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galT)半乳糖激酶半乳糖激酶(galk)。誘導(dǎo)物為半乳糖誘導(dǎo)物為半乳糖第38頁/共97頁ara操縱子的調(diào)控有兩個(gè)特點(diǎn)：操縱子的調(diào)控有兩個(gè)特點(diǎn)：1、araC表達(dá)受到表達(dá)受到araC蛋白的自身調(diào)控蛋白的自身調(diào)控。2、AraC既是既是ara操縱子的正調(diào)節(jié)蛋白操縱子的正調(diào)節(jié)蛋白（需（需cAMP-CRP的共同參與，起始轉(zhuǎn)錄的共同參與，起始轉(zhuǎn)錄），又是其負(fù)調(diào)節(jié)蛋白。這種雙重功能），又是其負(fù)調(diào)節(jié)蛋白。這種雙重功能是通過是通過AraC蛋白的兩種異構(gòu)

22、體來實(shí)現(xiàn)蛋白的兩種異構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)的（的（Pi和和Pr)。第39頁/共97頁SOSSOS反應(yīng)的機(jī)理：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得到修復(fù)。第40頁/共97頁SD序列的微小變化，影響序列的微小變化，影響mRNA與核糖體的結(jié)合，與核糖體的結(jié)合，造成翻譯效率的差異。造成翻譯效率的差異。第41頁/共9

23、7頁dnaG(dnaG(引物酶引物酶) ) RNARNA引物引物dnaGdnaG、rpoDrpoD和和rpsUrpsU屬于大腸桿菌基屬于大腸桿菌基因組上的同一個(gè)操縱子因組上的同一個(gè)操縱子5050個(gè)拷貝的個(gè)拷貝的dnaGdnaG蛋白、蛋白、28002800個(gè)拷個(gè)拷貝的貝的rpoDrpoD和和4000040000個(gè)拷貝的個(gè)拷貝的rpsUrpsU第42頁/共97頁蛋白質(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程容易受阻，影響了蛋白質(zhì)合成的總量。稀有密碼子稀有密碼子是在一般的編碼中利用頻率很

24、低的密碼子。是在一般的編碼中利用頻率很低的密碼子。 第43頁/共97頁三、重疊基因?qū)Ψg的影三、重疊基因?qū)Ψg的影響響第44頁/共97頁trpE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 翻譯終止時(shí)核糖體即處在起始環(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。第45頁/共97頁Fe2+高，高，F(xiàn)ur蛋白表達(dá)，關(guān)閉蛋白表達(dá)，關(guān)閉Fe2+攝攝取相關(guān)的的操縱子，包括取相關(guān)的的操縱子，包括anti-bfr基因基因。第46頁/共97頁氨基酸缺乏時(shí)，蛋白質(zhì)合成停止，氨基酸缺乏時(shí)，蛋白質(zhì)合成停止，

25、GTP過剩：過剩：ppGPP影響影響RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合的專一性，抑制核糖體和其他大合的專一性，抑制核糖體和其他大分子的合成。分子的合成。第47頁/共97頁小結(jié)小結(jié)1、原核生物基因調(diào)控的類型和特點(diǎn)、原核生物基因調(diào)控的類型和特點(diǎn)2、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和調(diào)控機(jī)理、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和調(diào)控機(jī)理3、色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)理、色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)理4、基本概念、基本概念 基因表達(dá)調(diào)控，正轉(zhuǎn)錄調(diào)控，負(fù)基因表達(dá)調(diào)控，正轉(zhuǎn)錄調(diào)控，負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控，可誘導(dǎo)、可阻遏調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控，可誘導(dǎo)、可阻遏調(diào)節(jié)、操縱子，弱化子。操縱子，弱化子。第48頁/共97頁第49頁/共97頁第50頁/共97頁調(diào)節(jié)基調(diào)節(jié)基因因啟動(dòng)

26、啟動(dòng)子子操縱基操縱基因因結(jié)構(gòu)基結(jié)構(gòu)基因因第51頁/共97頁調(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)基因激活蛋激活蛋白白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控第52頁/共97頁正控誘導(dǎo)系正控誘導(dǎo)系統(tǒng)統(tǒng)正控阻遏系正控阻遏系統(tǒng)統(tǒng)效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）的存在使激活蛋白處于的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)，基因表達(dá)?；钚誀顟B(tài)，基因表達(dá)。效應(yīng)物分子（輔阻遏物）效應(yīng)物分子（輔阻遏物）的存在使激活蛋白處于非的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)，阻遏基因表達(dá)活性狀態(tài)，阻遏基因表達(dá)第53頁/共97頁調(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)基因阻遏蛋阻遏蛋白白負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控第54頁/共97頁負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)

27、系統(tǒng)負(fù)控阻遏負(fù)控阻遏系統(tǒng)系統(tǒng)阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄因轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)阻遏物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄基因不轉(zhuǎn)錄第55頁/共97頁調(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)物與阻遏誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合，抑蛋白結(jié)合，抑制其阻遏作用制其阻遏作用。第56頁/共97頁酶合成的阻遏操縱子模型酶合成的阻遏操縱子模型調(diào)節(jié)基調(diào)節(jié)基因因操縱基

28、因操縱基因結(jié)構(gòu)基結(jié)構(gòu)基因因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白調(diào)節(jié)基調(diào)節(jié)基因因操縱基操縱基因因結(jié)構(gòu)基結(jié)構(gòu)基因因輔阻遏物輔阻遏物第57頁/共97頁因子編碼基因主要功能70rpoD參與對(duì)數(shù)生長期和大多數(shù)碳代謝過程基因的調(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)控28rpoF鞭毛趨化相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控24rpoE過度熱休克基因的表達(dá)調(diào)控大腸桿菌中的各種因子比較溫度較高溫度較高,誘導(dǎo)產(chǎn)生各種熱休克蛋白誘導(dǎo)產(chǎn)生各種熱休克蛋白 由由32參與構(gòu)成的參與構(gòu)成的RNA聚合酶與熱休克應(yīng)答基因啟聚合酶與熱休克應(yīng)答基因啟動(dòng)子結(jié)合動(dòng)子結(jié)合,誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的熱休克

29、蛋白誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的熱休克蛋白,適應(yīng)環(huán)境需要適應(yīng)環(huán)境需要.第58頁/共97頁LacY編碼編碼-半乳糖苷透過酶：半乳糖苷透過酶：使外使外界的界的-半乳糖苷（如乳糖）能透過大半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)LacA編碼編碼-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶乙酰輔酶A上的乙酰基轉(zhuǎn)到上的乙?；D(zhuǎn)到-半乳糖苷上，形成半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。乙酰半乳糖。LacZ 編碼編碼-半乳糖苷酶：半乳糖苷酶：將乳糖將乳糖水解水解 成葡萄糖和半乳糖成葡萄糖和半乳糖第59頁/共97頁第60頁/共97頁第61頁/共97頁第62頁/共97頁第63頁/共97頁第64頁/共

30、97頁第65頁/共97頁原核生物基因表達(dá)的調(diào)控原核生物基因表達(dá)的調(diào)控乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(沒有乳糖時(shí)沒有乳糖時(shí)) lacZ lacY lacA 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因 啟動(dòng)子啟動(dòng)子 操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶聚合酶信使信使RNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯阻抑物與阻抑物與操縱基因操縱基因結(jié)合，結(jié)結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受阻錄受阻阻抑物阻抑物第66頁/共97頁原核生物基因表達(dá)的調(diào)控原核生物基因表達(dá)的調(diào)控乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(有乳糖時(shí)有乳糖時(shí)) lacZ lacY lacA 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因 啟動(dòng)子啟動(dòng)子 操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)

31、構(gòu)基因RNA聚合酶聚合酶信使信使RNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯阻抑物與乳糖結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生了改變，阻抑物與乳糖結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生了改變，因而不能與操縱基因結(jié)合，使得結(jié)構(gòu)因而不能與操縱基因結(jié)合，使得結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄?；蜻M(jìn)行轉(zhuǎn)錄。阻抑物阻抑物乳糖乳糖轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄半乳糖苷酶半乳糖苷酶 酶酶酶酶乳糖分解代乳糖分解代謝調(diào)控過程謝調(diào)控過程是一個(gè)自我是一個(gè)自我調(diào)控過程調(diào)控過程 第67頁/共97頁組成型突變： lacO- 第68頁/共97頁組成型突變： lacI- 第69頁/共97頁 Repressor has lost lacI S genesythesizes Iducer-binding site defective

32、repressor that cannot bind inducer; it binds perm anently 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 dom inant 第70頁/共97頁ZY AOPDNA 調(diào)控調(diào)控區(qū)區(qū)cAMPCAP復(fù)合物位點(diǎn)位點(diǎn)啟動(dòng)啟動(dòng)序列序列操縱序操縱序列列 結(jié)構(gòu)基結(jié)構(gòu)基因因Z： -半乳糖苷半乳糖苷酶酶Y： 透酶透酶A：乙酰

33、基轉(zhuǎn)移：乙酰基轉(zhuǎn)移酶酶第71頁/共97頁第72頁/共97頁+ + + + + + + + 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄錄無葡萄糖，無葡萄糖，cAMP濃濃度高時(shí)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濃濃度低時(shí)度低時(shí)不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄ZY AOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調(diào)控的正調(diào)控第73頁/共97頁The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacY LacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mR

34、NAHey man, Im constitutiveNo wayJose!CAPCAP第74頁/共97頁RepressorPromoterLacY LacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!第75頁/共97頁trpRtrp催化分枝酸催化分枝酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯鞭D(zhuǎn)變?yōu)樯彼岬拿杆岬拿?結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因調(diào)控基因調(diào)控基因L：前導(dǎo)序列：前導(dǎo)序列

35、aa:弱化子弱化子第76頁/共97頁 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16-1

36、5 E.coli trpO的 結(jié) 構(gòu) 及 其 產(chǎn) 物 所 催 化 的 色 氨 酸 合 成 反 應(yīng)第77頁/共97頁123150第78頁/共97頁第79頁/共97頁前導(dǎo)肽序列中有兩個(gè)連續(xù)的色氨酸密碼前導(dǎo)肽序列中有兩個(gè)連續(xù)的色氨酸密碼，對(duì)弱化子調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程中起著重要作，對(duì)弱化子調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程中起著重要作用。用。前導(dǎo)序列中有前導(dǎo)序列中有4個(gè)倒轉(zhuǎn)重復(fù)序列，能相互個(gè)倒轉(zhuǎn)重復(fù)序列，能相互形成不同的發(fā)夾結(jié)構(gòu)。形成不同的發(fā)夾結(jié)構(gòu)。第80頁/共97頁1-2發(fā)夾結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)錄暫停發(fā)夾結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)錄暫停2-3發(fā)夾結(jié)構(gòu)：發(fā)夾結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)錄繼續(xù)（抗終轉(zhuǎn)錄繼續(xù)（抗終止）止）3-4發(fā)夾結(jié)構(gòu)發(fā)夾結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)錄終止（：轉(zhuǎn)錄終止（終止子）終止子）

37、第81頁/共97頁第82頁/共97頁第83頁/共97頁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)開始轉(zhuǎn)錄；可從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開始轉(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)區(qū)上游，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因構(gòu)基因galE內(nèi)部。內(nèi)部。無葡萄糖時(shí)，無葡萄糖時(shí)，cAMP CRP高，促進(jìn)高，促進(jìn)S1轉(zhuǎn)錄，抑制轉(zhuǎn)錄，抑制S2 有葡萄糖時(shí)，有葡萄糖時(shí)，cAMP CRP低，促進(jìn)低，促進(jìn)S2轉(zhuǎn)錄，抑制轉(zhuǎn)錄，抑制S1調(diào)節(jié)基因距操縱子較遠(yuǎn)。調(diào)節(jié)基因距操縱子較遠(yuǎn)。第84頁/共97頁沒有沒有araC蛋白時(shí)，蛋白時(shí)， araC基因表達(dá)?；虮磉_(dá)。第85頁/共97頁無阿拉伯糖時(shí)，抑制型的無阿拉伯糖時(shí)，抑制型的araC蛋白蛋白與與araO2及及araI結(jié)合，使結(jié)合，使DNA形成回形成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，抑制轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，抑制ara