基因表達(dá)調(diào)控學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1基因表達(dá)基因表達(dá)(biod)調(diào)控調(diào)控第一頁，共119頁。本章主要(zhyo)內(nèi)容 基因表達(dá)調(diào)控總論 原核基因表達(dá)調(diào)控總論 乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng) 色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng) 操縱子的其他調(diào)控形式 轉(zhuǎn)錄水平(shupng)上的其他調(diào)控方式 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控第1頁/共118頁第二頁，共119頁。第2頁/共118頁第三頁，共119頁。典型的基因表達(dá)是儲典型的基因表達(dá)是儲存遺傳信息的基因，在一定存遺傳信息的基因，在一定調(diào)節(jié)機(jī)制控制下，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、調(diào)節(jié)機(jī)制控制下，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物翻譯，產(chǎn)生有生物(shngw)(shngw)活性的蛋白質(zhì)或成熟的活性的蛋白質(zhì)或成熟的rRNArRNA和和tRNAt

2、RNA的過程。的過程。一、基因(jyn)表達(dá)第3頁/共118頁第四頁，共119頁。 典型的哺乳類細(xì)胞中開放轉(zhuǎn)錄的基因約在1萬個上下(shngxi)， 即使蛋白質(zhì)合成量比較多、基因開放比例較高的肝細(xì)胞，一般也只有不超過20%的基因處于表達(dá)狀態(tài)。 生物基因組的遺傳信息并不是同時(tngsh)全部都表達(dá)出來的 大腸桿菌基因組（約4000個基因)，一般(ybn)情況下只有510%在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達(dá)，或者暫時不表達(dá)。 人的基因組約含有10萬個基因，但在一個組織細(xì)胞中通常只有一部分基因表達(dá)，多數(shù)基因處在沉靜狀態(tài).第4頁/共118頁第五頁，共119頁。二、基因二、基因(jyn)

3、(jyn)表達(dá)的規(guī)律表達(dá)的規(guī)律 - -時間性及空間性時間性及空間性（1 1）時間）時間(shjin)(shjin)特異性特異性按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時時間特異性。間特異性。 多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時間特異性又稱多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時間特異性又稱階段特異性。階段特異性。第5頁/共118頁第六頁，共119頁。（2 2）空間）空間(kngjin)(kngjin)特異性特異性基因表達(dá)伴隨時間順序基因表達(dá)伴隨時間順序(shnx)(shnx)所表現(xiàn)出的這種所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是

4、由細(xì)胞在器官的分布決定的，所分布差異，實際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性。以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性。在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織體按不同組織(zzh)(zzh)空間順序出現(xiàn)，稱之為基空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性。因表達(dá)的空間特異性。第6頁/共118頁第七頁，共119頁。三、基因表達(dá)三、基因表達(dá)(biod)(biod)的的方式方式1.基因組中表達(dá)的基因分為兩類：管家（持家）基因（house keeping gene）:維持細(xì)胞基本生命活動(hu dng)所必須的基因。某些基因在一個某些基因在

5、一個個體的幾乎所有細(xì)胞中個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)持續(xù)(chx)(chx)表達(dá)，通常被表達(dá)，通常被稱為管家基因。稱為管家基因。第7頁/共118頁第八頁，共119頁。奢侈基因: 在特別細(xì)胞類型中大量(通常(tngchng)表達(dá)并編碼特殊功能產(chǎn)物的基因。 奢侈基因（luxury gene）: 是指導(dǎo)合成組織特異性蛋白的基因，對分化有重要影響，稱組織特異性(tissue-specific gene)表達(dá)(biod)的基因，如表皮的角蛋白基因。第8頁/共118頁第九頁，共119頁。（1 1）組成）組成(z chn)(z chn)性表達(dá)性表達(dá)無論表達(dá)水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素?zé)o論表達(dá)水平高低，管家基

6、因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎(jh)全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。區(qū)別于其全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)。他基因，這類基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)。2. 2.按對刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)按對刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)(biod)(biod)的方式分的方式分為：為：第9頁/共118頁第十頁，共119頁。（2 2）誘導(dǎo)）誘導(dǎo)(yudo)(yudo)和阻遏表達(dá)和阻遏表達(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)水平變動的一類平變動的一類(y li)(y l

7、i)基因表達(dá)?；虮磉_(dá)。 在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)(biod)產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因。如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是是可阻遏基因可阻遏基因。第10頁/共118頁第十一頁，共119頁。 是指在特定環(huán)境因素刺激下，可誘導(dǎo)基因被激活，從而(cng r)使基因的表達(dá)產(chǎn)物增加。誘導(dǎo)(yudo)表達(dá) 如:DNA發(fā)生損傷(snshng)時，修復(fù)酶的基因被誘導(dǎo)激活。 第11頁/共118頁第十二頁，共119頁?？勺瓒艋?jyn)表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏。阻遏(z )如：周圍有充足的葡萄糖，細(xì)菌就可以利用葡萄糖作能源和碳

8、源，不必更多去合成利用其它(qt)糖類的酶類，如乳糖操縱子被阻遏、關(guān)閉。第12頁/共118頁第十三頁，共119頁。（一）基因表達(dá)調(diào)控的方式：多級調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平(shupng)（基因激活及轉(zhuǎn)錄起始）轉(zhuǎn)錄后水平(shupng)（加工及轉(zhuǎn)運(yùn)）翻譯水平(shupng)翻譯后水平(shupng)第13頁/共118頁第十四頁，共119頁。指揮系統(tǒng)多樣性第14頁/共118頁第十五頁，共119頁。（二）基因轉(zhuǎn)錄(zhun l)激活調(diào)節(jié)基本要素：第15頁/共118頁第十六頁，共119頁。第16頁/共118頁第十七頁，共119頁。2反式作用(zuyng)因子：第17頁/共118頁第十八頁，共119頁。3順式作用元件

9、(yunjin)與反式作用因子之間的相互作用第18頁/共118頁第十九頁，共119頁。調(diào)節(jié)基因(jyn)編碼的蛋白質(zhì)結(jié)合在DNA的特定位點以調(diào)控其轉(zhuǎn)錄第19頁/共118頁第二十頁，共119頁。第20頁/共118頁第二十一頁，共119頁。第21頁/共118頁第二十二頁，共119頁。一、原核(yun h)生物基因表達(dá)的調(diào)控方式1.DNA水平的調(diào)控2.轉(zhuǎn)錄(zhun l)水平的調(diào)控3.翻譯水平的調(diào)控第22頁/共118頁第二十三頁，共119頁。第23頁/共118頁第二十四頁，共119頁。調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始二、原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點二、原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點（1 1）因

10、子決定因子決定RNARNA聚合酶識別聚合酶識別(shbi)(shbi)特異特異性性 只有一種只有一種RNA-polRNA-pol，但是有很，但是有很多種多種因子因子（2 2）操縱子模型的普遍性）操縱子模型的普遍性 功能功能(gngnng)(gngnng)相關(guān)基因成簇串聯(lián)通過單相關(guān)基因成簇串聯(lián)通過單個啟動子協(xié)調(diào)表達(dá)個啟動子協(xié)調(diào)表達(dá)（3 3）阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性）阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性 原核生物主要原核生物主要(zhyo)(zhyo)以這種負(fù)調(diào)節(jié)方以這種負(fù)調(diào)節(jié)方式為主式為主第24頁/共118頁第二十五頁，共119頁。三、調(diào)控機(jī)制的類型(lixng)與特點第25頁/共118頁第二十六頁，共

11、119頁。（一）負(fù)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)第26頁/共118頁第二十七頁，共119頁。2.激活蛋白（activator）3.分類正控誘導(dǎo)：調(diào)節(jié)物為誘導(dǎo)物正控阻遏：調(diào)節(jié)物為阻遏物（二）正控制系統(tǒng)(kn zh x tn)第27頁/共118頁第二十八頁，共119頁。（2）誘導(dǎo)（induction）:小分子使基因的轉(zhuǎn)錄活性開啟的作用和過程（3）誘導(dǎo)物（inducer）:產(chǎn)生(chnshng)誘導(dǎo)作用的小分子；可能的作用方式：使無活性的激活蛋白激活或使有活性的阻遏蛋白失活四、正、負(fù)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)對操縱元的控制（一）可誘導(dǎo)(yudo)操縱元第28頁/共118頁第二十九頁，共119

12、頁。（二）可阻遏(z )操縱元第29頁/共118頁第三十頁，共119頁。第三節(jié)第三節(jié) 乳糖乳糖(r tn)(r tn)操縱子操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制調(diào)節(jié)機(jī)制第30頁/共118頁第三十一頁，共119頁。71961年，法國人Jacob & Monod提出(t ch)乳糖操縱子學(xué)說。7獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。Francis Jacob Jacques Monod 一、原核一、原核(yun h)(yun h)生物生物 操縱子操縱子(operon)(operon)第31頁/共118頁第三十二頁，共119頁。操縱子：是原核生物基因表達(dá)的協(xié)調(diào)(xitio)單位，它包括啟動子、操縱序列以及在功能上彼此

13、相關(guān)的幾個結(jié)構(gòu)基因。操縱子一般含有26個基因，它們一起被轉(zhuǎn)錄，構(gòu)成一個轉(zhuǎn)錄單位。第32頁/共118頁第三十三頁，共119頁。2.2.乳糖乳糖(r tn)(r tn)操縱子操縱子(lac operon)(lac operon)的結(jié)的結(jié)構(gòu)構(gòu) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因Z Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y：半乳糖苷透過酶：半乳糖苷透過酶A A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶：乙?；D(zhuǎn)移酶 調(diào)控調(diào)控區(qū)區(qū)CAPCAP結(jié)合位點結(jié)合位點啟動序啟動序列列操縱序列操縱序列Z ZY YA AO OP PDNADNACatabolite gene activator protein第33頁/共118頁第三十四頁，共119頁。第34頁/共11

14、8頁第三十五頁，共119頁。操縱序列(xli)和啟動子的相對位置關(guān)系第35頁/共118頁第三十六頁，共119頁。（1）細(xì)菌半乳糖(r tn)苷酶合成的誘導(dǎo)有乳糖(r tn)供應(yīng)，無葡萄糖 3.酶的誘導(dǎo)酶的誘導(dǎo)(yudo)lac體系受調(diào)控的證據(jù)體系受調(diào)控的證據(jù)第36頁/共118頁第三十七頁，共119頁。（2）安慰誘導(dǎo)物:具有(jyu)誘導(dǎo)效應(yīng)，而本身又不被分解的誘導(dǎo)物。常用：IPTG（異丙基巰基半乳糖苷）、 TMG（巰甲基半乳糖苷）半乳糖半乳糖第37頁/共118頁第三十八頁，共119頁。1、Lac操縱子的本底水平表達(dá)2、大腸桿菌(d chn n jn)對乳糖的反應(yīng)3、阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能

15、4、 cAMP與代謝物激活蛋白5、葡萄糖對lac操縱子的影響6、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)第38頁/共118頁第三十九頁，共119頁。 1、乳糖操縱子本底水平(shupng)的表達(dá)外周胞質(zhì)外周胞質(zhì)乳乳糖糖細(xì)胞內(nèi)面細(xì)胞內(nèi)面乳乳糖糖透(性)酶透(性)酶半乳糖苷酶葡萄糖半乳糖內(nèi)膜Z： -半乳糖苷酶Y：半乳糖苷透過(tu u)酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶第39頁/共118頁第四十頁，共119頁。第40頁/共118頁第四十一頁，共119頁。u半乳糖苷酶的作用u 催化乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)楫悩?gòu)乳糖。異構(gòu)乳糖是一種(y zhn)強(qiáng)誘導(dǎo)物u原因一：一些誘導(dǎo)物可以以另一種(y zhn)攝取系統(tǒng)進(jìn)入細(xì)胞u原因二：阻遏蛋白與lacO的結(jié)合是動態(tài)平衡u 本

16、底水平的永久型合成:在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的 lac mRNA合成。第41頁/共118頁第四十二頁，共119頁。第42頁/共118頁第四十三頁，共119頁。2、大腸桿菌(d chn n jn)對乳糖的反應(yīng)沒有乳糖沒有乳糖(r tn)存在時存在時有乳糖有乳糖(r tn)存在時存在時第43頁/共118頁第四十四頁，共119頁。3、阻遏物lacI基因(jyn)產(chǎn)物及功能第44頁/共118頁第四十五頁，共119頁。阻抑蛋白的作用(zuyng)機(jī)制第45頁/共118頁第四十六頁，共119頁。vN端159aa,頭部片段HTH，與操縱基因DNA的大溝結(jié)合；v2個核心區(qū)：每個有6個折疊，誘導(dǎo)物結(jié)合在兩個核心區(qū)之

17、間的裂縫(li fng)中；vC端為一組a-螺旋（1） 阻遏蛋白(dnbi)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系核心結(jié)構(gòu)域核心結(jié)構(gòu)域1核心結(jié)構(gòu)域核心結(jié)構(gòu)域2HTH鉸鏈區(qū)鉸鏈區(qū)頭部頭部尾部聚合尾部聚合第46頁/共118頁第四十七頁，共119頁。4個亞基的核心片段接觸(jich)形成四聚體該阻遏蛋白(dnbi)有4個相同的亞基，每個亞基均含有347個氨基酸殘基，并能與1分子IPTG結(jié)合。第47頁/共118頁第四十八頁，共119頁。（2） 阻抑蛋白與特異(ty)DNA（操縱基因）的結(jié)合位點對稱軸：+11第48頁/共118頁第四十九頁，共119頁。（3） 阻抑蛋白對DNA的特異結(jié)合作用(zuyng)：非誘導(dǎo)條件下，阻抑

18、蛋白都結(jié)合在DNA上，特異位點的親和力高，非特異位點的親和力低。誘導(dǎo)物的加入改變了阻抑蛋白的分布。第49頁/共118頁第五十頁，共119頁。（4）阻抑蛋白對RNA聚合酶的影響(yngxing) 轉(zhuǎn) 錄 起 始 點 DNA 解 鏈 區(qū) 50 40 30 20 10 1 10 20 30 RNA 聚 合 酶 結(jié) 合 的 起 動 子 區(qū) 阻 遏 物 結(jié) 合 的 操 縱 基 因 區(qū) 圖 16-4 在 lac 操 縱 子 上 阻 遏 物 結(jié) 合 區(qū) 和 RNA 聚 合 酶 結(jié) 合 區(qū) 的 重 疊 阻抑蛋白結(jié)合阻抑蛋白結(jié)合區(qū)區(qū)阻抑蛋白和RNA pol可同時與DNA結(jié)合(jih)；阻抑蛋白存在增強(qiáng)了RNA

19、pol的結(jié)合(jih)： RNA pol 與啟動子結(jié)合(jih)的平衡常數(shù) 1.9 X 107；有阻抑蛋白時，2.5 X 109。雖然阻抑蛋白存在使得RNA pol不能轉(zhuǎn)錄。但加入誘導(dǎo)物后，釋放出阻抑蛋白，閉合復(fù)合體變成為開放復(fù)合體，立即起始轉(zhuǎn)錄。第50頁/共118頁第五十一頁，共119頁。4、cAMP與代謝物激活蛋白第51頁/共118頁第五十二頁，共119頁。CAP降解降解(jin ji)物基因活化蛋白物基因活化蛋白 CAP-cAMP復(fù)合復(fù)合物物CAP+ + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，無葡萄糖，cAMP濃度濃度(nngd)高時高時有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度濃度(nngd

20、)低時低時（1）CAP的正性調(diào)節(jié)的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第52頁/共118頁第五十三頁，共119頁。第53頁/共118頁第五十四頁，共119頁。第54頁/共118頁第五十五頁，共119頁。 由于pLac是弱啟動子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱元轉(zhuǎn)錄開放，還不能使細(xì)菌(xjn)很好利用乳糖，必需同時有CAP來加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，細(xì)菌(xjn)才能合成足夠的酶來利用乳糖。CAP存在(cnzi)原因：第55頁/共118頁第五十六頁，共119頁。乳糖乳糖第56頁/共118頁第五十七頁，共119頁。5、葡萄糖對lac操縱子的影響(yngxing)第57頁/共11

21、8頁第五十八頁，共119頁。 葡萄糖 ATP 減少 cAMP ATP 活化的 CAP 失活的 CAP ATP 轉(zhuǎn)錄 不轉(zhuǎn)錄 圖 16-17 圖 16-17 通過減少 cAMP 的水平葡萄糖導(dǎo)致了分解代謝的阻遏 cAMP-CAP復(fù)合物對lac操縱子的正調(diào)控(dio kn)葡萄糖效應(yīng)：葡萄糖的存在降低(jingd)了cAMP的量，不能形成cAMP-CAP復(fù)合物，lac操縱子關(guān)閉第58頁/共118頁第五十九頁，共119頁。 調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄(zhun l)翻譯阻遏蛋白R，R與操縱基因結(jié)合，阻止結(jié)合在啟動子上的RNA-pol前移，結(jié)構(gòu)基因不被轉(zhuǎn)錄(zhun l) 。1）無乳糖(r tn)也無葡萄糖存在時：

22、2）當(dāng)無乳糖(r tn)，有葡萄糖時： 由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操縱子關(guān)閉，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調(diào)節(jié)不起作用。小結(jié)：所以：無乳糖時，無論有無葡萄糖，操縱子關(guān)閉OPOP第59頁/共118頁第六十頁，共119頁。 由于葡萄糖降解物能降低cAMP含量，不與CAP形成復(fù)合物， CAP不能結(jié)合到啟動子附近，RNA聚合酶不能有效轉(zhuǎn)錄，使細(xì)菌只能(zh nn)利用葡萄糖。3）既有乳糖(r tn)，又有葡萄糖時： 乳糖(r tn)與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白變構(gòu)，失去與操縱基因結(jié)合的能力而脫落。O第60頁/共118頁第六十一頁，共119頁。 細(xì)胞內(nèi)cAMP含量高，cAMP與

23、CAP結(jié)合成復(fù)合物，與DNA結(jié)合，并推動RNA-pol向前移動，促進(jìn)(cjn)轉(zhuǎn)錄。 4）有乳糖(r tn)，無葡萄糖時：mRNARNA-polO 乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白變構(gòu)，失去與操縱基因結(jié)合的能力而脫落，結(jié)合在啟動子上的RNA-pol向前(xin qin)移動，結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄翻譯，合成與乳糖代謝有關(guān)的酶類從而利用乳糖。所以：有乳糖時，沒有葡萄糖，操縱子才開放,有葡萄糖存在，操縱子關(guān)閉第61頁/共118頁第六十二頁，共119頁。6.協(xié)調(diào)(xitio)調(diào)節(jié) 阻遏蛋白阻遏蛋白(dnbi)封閉轉(zhuǎn)錄時，封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；發(fā)揮作用； 沒有阻遏蛋白沒有阻遏蛋白(

24、dnbi)與操縱序列結(jié)合，如無與操縱序列結(jié)合，如無CAP存在存在加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r，細(xì)菌利用乳糖作碳源。單純?nèi)樘谴嬖跁r，細(xì)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/ /乳糖共同存在時，細(xì)乳糖共同存在時，細(xì)菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對葡萄糖對laclac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏。操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏。第62頁/共118頁第六十三頁，共119頁。第63頁/共118頁第六十四頁，共119頁。（1）阻遏蛋白調(diào)控系統(tǒng)對trp酶系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄活性的影響系統(tǒng)對trp酶系統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄起始頻率有70倍的調(diào)控范圍（2）弱化

25、子系統(tǒng)對trp酶系統(tǒng)活性的影響弱化子系統(tǒng)對trp酶系統(tǒng)活性的有10倍的影響（3）弱化子系統(tǒng)存在的意義對轉(zhuǎn)錄體系(tx)產(chǎn)生更為精細(xì)的調(diào)節(jié)1.色氨酸操縱子：trp體系(tx)參與生物合成而不是降解一、色氨酸操縱子概述一、色氨酸操縱子概述(i sh)第64頁/共118頁第六十五頁，共119頁。2.色氨酸的合成(hchng) 在微生物、植物的芳香族氨基酸的生物合成系統(tǒng)中作為(zuwi)中間體位于重要分支點的化合物。 在生物體內(nèi)由莽草酸經(jīng)5磷酸-3-烯醇丙酮酸莽草酸而合成。從分支酸經(jīng)過預(yù)苯酸合成苯丙氨酸和酪氨酸，經(jīng)鄰氨基苯酸合成色氨酸。 此外，也可作為(zuwi)前體物質(zhì)參于氨基安息香酸、輔酶Q等生理

26、活性物質(zhì)的合成。第65頁/共118頁第六十六頁，共119頁。3.色氨酸操縱子的雙重(shungchng)調(diào)控體系（操縱子與弱化子）第66頁/共118頁第六十七頁，共119頁。trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表，編碼了鄰氨基(nj)苯甲酸合成酶、鄰氨基(nj)苯甲酸焦磷酸轉(zhuǎn)移酶、鄰氨基(nj)苯甲酸異構(gòu)酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油-3-磷酶合成酶在大腸桿菌中：trpGD 和trpCF 基因(jyn)融合。trpE和trpG編碼鄰氨基苯甲酸合酶, trpD編碼鄰氨基苯甲酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶, trpC編碼吲哚甘油磷酸合酶, trpF編碼異構(gòu)酶, trpA和trpB分別編碼色氨酸合酶的和

27、亞基。第67頁/共118頁第六十八頁，共119頁。1.Trp的作用（1）對已有的酶起反饋抑制（feedback inhibition）（2）作為trp無活性的阻遏(z )蛋白的輔阻遏(z )物2.TrpR的作用（1）TrpR的活性形式阻遏(z )蛋白TrpR單體：12.5KDTrpR活性形式:四聚體TrpR與Trp結(jié)合后才能與trpO結(jié)合阻抑蛋白的阻遏(z )能力低，是LacR的1/1000（2）TrpR的作用機(jī)制TrpR作用機(jī)制： trpO 位于trpP內(nèi)，活性TrpR與trpO的結(jié)合完全排斥了RNA聚合酶的結(jié)合第68頁/共118頁第六十九頁，共119頁。 t r p R t r p P t

28、 r p O t r p E t r p D t r p C t r p B t r p A 蛋 白 T r p R ( 無 活 性 ) 活 化 的 阻 遏 蛋 白 阻 遏 物 ( T r p ) 圖 1 6 - 2 7 T r p R 被 T r p 激 活 后 可 阻 遏t r p 操 縱 子 的 轉(zhuǎn) 錄 (仿 B .L ew in: G E N E S ， 1 9 9 0 , F ig .1 3 .1 6 ) 輔阻遏物當(dāng)缺乏色氨酸時當(dāng)缺乏色氨酸時,該操縱子開放該操縱子開放(kifng)表達(dá)表達(dá) trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA 蛋 白 Trp

29、R(無 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) 阻遏物阻遏物當(dāng)存在當(dāng)存在(cnzi)色氨酸時，該操縱子關(guān)閉色氨酸時，該操縱子關(guān)閉第69頁/共118頁第七十頁，共119頁。三、色氨酸操縱子中弱化(ru hu)子的調(diào)控弱化子(attenuator) ：也稱內(nèi)部終止子， DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核甘酸序列（123-150bp）。弱化作用(attenuation) ：弱化子控制RNA聚合酶通讀弱化能力的調(diào)

30、控機(jī)制(jzh)。前導(dǎo)序列 trp L (leader sequence) :在trp mRNA 5端trpE基因的起始密碼前一個長162bp的mRNA片段。起著隨色氨酸濃度升高降低轉(zhuǎn)錄的作用；第70頁/共118頁第七十一頁，共119頁。trpP與一般原核生物基因的啟動子一樣，具有正常(zhngchng)的-10序序列和 -35序列，-10序列完全位于trpO內(nèi)。trpO是反向重復(fù)序列，它是非連鎖trpR基因編碼的阻遏蛋白的結(jié)合 位點；trpP范圍（-40+18）、trpO范圍（-21+1）trpL是一段162bp的序列，轉(zhuǎn)錄到mRNA中成為引導(dǎo)序列，對操縱 子的轉(zhuǎn)錄起著調(diào)控作用；在trpE和

31、trpL之間有弱化子（attenuator），約123150bp，富含AT堿基。 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 啟動子 操縱基因 前導(dǎo)順序 衰減子 pppN26AUGAAAGCAAUUUUCGUACUGAAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43A 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

32、A G C C G A C G U U A A 圖 16-28 trp 操縱子含有 5 個結(jié)構(gòu)基因和 1 個控制區(qū)?？刂茀^(qū)由啟動子、操縱基因、前導(dǎo)順序和衰減子構(gòu)成。前導(dǎo)區(qū)編碼14個氨基酸，其中有2 個是色氨酸。(仿B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.38) 第71頁/共118頁第七十二頁，共119頁。 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 啟動子 操縱基因 前導(dǎo)順序 衰減子 pppN26AUGAAAGCAAUUUUCGUACUGAAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43A UUUUUU

33、UU 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 個結(jié)構(gòu)基因和 1 個控制區(qū)?？刂茀^(qū)由啟動子、操縱基因、前導(dǎo)順序和衰減子構(gòu)成。前導(dǎo)區(qū)編碼14個氨基酸，其中有2 個是色氨酸。(仿B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.38) 弱化子弱化子第72頁/共118頁第七十三頁，共119頁。 前導(dǎo)肽：Trp操縱子翻

34、譯(fny)時包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA，能產(chǎn)生一個含有14個氨基酸的多肽，這個假設(shè)的多肽被稱為。在前導(dǎo)序列的第10和第11位上有相鄰的兩個色氨酸密碼子。組氨酸操縱子含有7個相鄰的組氨酸密碼子，苯丙氨酸操縱子也有7個苯丙氨酸密碼子，這些密碼子參與了操縱子中的轉(zhuǎn)錄弱化機(jī)制。第73頁/共118頁第七十四頁，共119頁。第74頁/共118頁第七十五頁，共119頁。trp前導(dǎo)區(qū)的堿基序列已經(jīng)全部測定，引人注目的是其中4個分別以1、2、3和4表示的片段能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對(jin j pi du)，有時以1-2和3-4配對，有時只以2-3方式互補(bǔ)配對。第75頁/共118頁第七十六頁

35、，共119頁。UUUUUUUU調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 trpROP前導(dǎo)前導(dǎo)(qindo)(qindo)序列序列 衰減子區(qū)域衰減子區(qū)域 UUUU前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA1234終止密碼子終止密碼子 14aa前導(dǎo)(qindo)肽編碼區(qū):包含序列1,第10、11密碼子為trp密碼子 形成形成(xngchng)(xngchng)發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱: :序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密碼子密碼子 衰減子結(jié)構(gòu) UUUU第76頁/共118頁第七十七頁，共119頁。2.色氨酸操縱子的弱化(ru hu)作用/衰減作用第77頁/共118頁第七十八頁，共119

36、頁。第78頁/共118頁第七十九頁，共119頁。（1）普遍性 結(jié)構(gòu)共性O(shè)RF，終止子序列，相應(yīng)aa的密碼子，可能存在的的二級結(jié)構(gòu) 作用機(jī)制共性前導(dǎo)肽翻譯作用不存在時，轉(zhuǎn)錄在弱化子處終止（2）弱化子的作用機(jī)制可被看作是一種可阻遏的正調(diào)控激活物：核糖體; 輔阻遏物：相應(yīng)的氨酰基-tRNA（3）弱化子調(diào)控的生物學(xué)意義 調(diào)控更為靈敏 對代謝產(chǎn)物的反應(yīng)更為直接(zhji) 調(diào)控更為精細(xì)第79頁/共118頁第八十頁，共119頁。四、trp操縱子的其他調(diào)控(dio kn)機(jī)制Trp操縱子中trpG-D和trpC-F為融合基因，翻譯出的多肽具有雙重(shungchng)功能。有兩個啟動子控制整個操縱子的轉(zhuǎn)錄，

37、能夠感受trp和無負(fù)載的tRNATrp的濃度變化。大腸桿菌與枯草大腸桿菌與枯草(k co)埃希菌色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)比較埃希菌色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)比較第80頁/共118頁第八十一頁，共119頁。第81頁/共118頁第八十二頁，共119頁。大腸桿菌與枯草大腸桿菌與枯草(k co)埃希菌色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)比較埃希菌色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)比較第82頁/共118頁第八十三頁，共119頁。TRAP:RNA結(jié)合(jih)蛋白第83頁/共118頁第八十四頁，共119頁。第四節(jié)第四節(jié) 操縱子的其他調(diào)控操縱子的其他調(diào)控(dio (dio kn)kn)形式形式第84頁/共118頁第八十五頁，共119頁。 1.半乳糖代謝(

38、dixi)相關(guān)的酶（1）半乳糖激酶（2）半乳糖轉(zhuǎn)移酶（3）半乳糖表異構(gòu)酶一、具有(jyu)雙啟動子的半乳糖操縱子（一）半乳糖代謝(dixi)第85頁/共118頁第八十六頁，共119頁。（1）半乳糖+ATP 半乳糖1-磷酸(ln sun)+ADP+H（2）半乳糖1-磷酸(ln sun)+UDPGlu UDPGal+葡萄糖1-磷酸(ln sun)（3） UDPGal UDPGlu總反應(yīng)：半乳糖+ATP 葡萄糖1-磷酸(ln sun)+ADP+H2.代謝(dixi)步驟半乳糖激酶半乳糖轉(zhuǎn)移酶半乳糖表異構(gòu)酶第86頁/共118頁第八十七頁，共119頁。1.gal操縱子組成（1）結(jié)構(gòu)基因(jyn)（gal

39、K，galT，galE）（2）調(diào)節(jié)基因(jyn)（galR）與結(jié)構(gòu)基因(jyn)相距很遠(yuǎn)galR突變造成組成型表達(dá)（3）P/O位點galOC突變造成組成型表達(dá)（4）誘導(dǎo)物：半乳糖（二）半乳糖（gal）操縱子第87頁/共118頁第八十八頁，共119頁。gal P1：轉(zhuǎn)錄起始位置(wi zhi)： S1（+1）轉(zhuǎn)錄依賴cAMP-CAP功能：葡萄糖不存在時負(fù)責(zé)gal操縱子的轉(zhuǎn)錄gal P2：轉(zhuǎn)錄起始位置：S2（-5）轉(zhuǎn)錄不依賴cAMP-CAP功能：葡萄糖存在(cnzi)時負(fù)責(zé) gal操縱子的轉(zhuǎn)錄第88頁/共118頁第八十九頁，共119頁。1.半乳糖的雙重作用（1）作為細(xì)菌(xjn)的碳源（2）UDP

40、Gal是細(xì)菌(xjn)細(xì)胞壁的重要前體2.雙啟動子的作用（1）galP1保證細(xì)菌(xjn)可以利用半乳糖作為碳源（2）galP2保證有葡萄糖存在時，細(xì)菌(xjn)可以合成UDPGal（三）gal操縱子雙啟動子的意義(yy)第89頁/共118頁第九十頁，共119頁。 二、阿拉伯糖操縱子：具有雙重(shungchng)功能的調(diào)節(jié)蛋白 （正調(diào)控和負(fù)調(diào)控） 阿拉伯糖是另一個可以為代謝提供碳源的五碳糖。與araBAD相鄰的是一個復(fù)合的啟動子區(qū)域和一個調(diào)節(jié)基因araC， araC 產(chǎn)生的AraC蛋白同時(tngsh)顯示正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的功能。araB：核酮糖激酶(jmi)araA ：L-阿拉伯糖異構(gòu)酶ar

41、aD ：L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構(gòu)酶（一）阿拉伯糖操縱子的結(jié)構(gòu)（一）阿拉伯糖操縱子的結(jié)構(gòu)第90頁/共118頁第九十一頁，共119頁。 AraC蛋白通過兩種異構(gòu)體（ Pr和Pi ）來實現(xiàn)正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的雙重功能。 在沒有阿拉伯糖時，Pr形式占優(yōu)勢，可以與現(xiàn)在尚未鑒定的類操縱區(qū)位點相結(jié)合， 起阻遏作用。 一旦有阿拉伯糖存在，它就能夠與AraC蛋白結(jié)合，使Pr離開操縱基因位點，構(gòu)象平衡趨向于Pi形式。 Pi是起誘導(dǎo)(yudo)作用的形式，它通過與啟動子結(jié)合促進(jìn)RNA-pol開始轉(zhuǎn)錄，發(fā)揮正向調(diào)節(jié)作用。（二）（二）AraC蛋白蛋白(dnbi)的兩種形的兩種形式式第91頁/共118頁第九十二頁，

42、共119頁。無阿拉伯糖時，無阿拉伯糖時，Pr形式占優(yōu)勢，起阻遏形式占優(yōu)勢，起阻遏(z )作用作用有阿拉伯糖存在(cnzi)，Pi起誘導(dǎo)作用促進(jìn)(cjn)RNA聚合酶與araBAD的結(jié)合并形成開放性啟動子復(fù)合物第92頁/共118頁第九十三頁，共119頁。（1）有葡萄糖時，無AraC及cAMP-CAP時，araC轉(zhuǎn)錄(zhun l)，但很快會被Pr所阻遏（自身調(diào)控）（2）沒有葡萄糖也沒有阿拉伯糖時，有AraC（Pr），cAMP-CAP時，araBAD和araC均不轉(zhuǎn)錄(zhun l)（3）無葡萄糖，有阿拉伯糖時，有AraC（Pi），cAMP-CAP時，araBAD轉(zhuǎn)錄(zhun l)3. 營養(yǎng)狀況

43、對araBAD操縱子的調(diào)控(dio kn)第93頁/共118頁第九十四頁，共119頁。 三、阻遏(z )蛋白LexA的降解與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答細(xì)菌DNA遭到破壞時，細(xì)胞內(nèi)會啟動一個被稱為SOS的誘導(dǎo)型DNA修復(fù)系統(tǒng)。參與(cny)SOS-DNA修復(fù)系統(tǒng)的基因都受LexA阻遏蛋白的抑制，SOS體系的誘導(dǎo)表達(dá)過程中LexA阻遏蛋白被移開。第94頁/共118頁第九十五頁，共119頁。四、二組分(zfn)調(diào)控系統(tǒng)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第95頁/共118頁第九十六頁，共119頁。第96頁/共118頁第九十七頁，共119頁。大腸桿菌(d chn n jn)rrnE上有兩個啟動子（P1和P2）隨著ppGpp濃度增加，P

44、1逐漸關(guān)閉，而P2活性不變五、 多啟動子調(diào)控(dio kn)的操縱子第97頁/共118頁第九十八頁，共119頁。六、固氮基因(jyn)調(diào)控第98頁/共118頁第九十九頁，共119頁。第99頁/共118頁第一百頁，共119頁。起始識別(shbi)因子第100頁/共118頁第一百零一頁，共119頁。因子本身的活性受到蛋白水解酶的調(diào)控，也能被同源的抗因子失活。F以非活性形式存在于細(xì)胞中，環(huán)境刺激導(dǎo)致(dozh)SpoIIAA抗-抗因子去磷酸化，并特異性地與抗因子SpoIIAB結(jié)合，釋放出活性的F?；钚訤促使早期孢子形成相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄。Bacillus孢子(boz)形成期F的兩種存在形式第101頁/共1

45、18頁第一百零二頁，共119頁。 階段 細(xì)菌的狀況0 營養(yǎng)期細(xì)菌 DNA 復(fù)制 隔膜形成 孢子內(nèi)陷 孢子外殼形成 母細(xì)胞裂解 孢子釋放 圖 16-33 細(xì)菌孢子的形成和釋放 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .11.23)在孢子形成的第二階段，細(xì)胞產(chǎn)生了兩個獨立的被分隔的部分，這就是母細(xì)胞和前孢子（forespore）。這個過程約花8小時(xiosh)，它可以被看成為是一種原始的分化類型。在這種類型中，現(xiàn)代細(xì)胞產(chǎn)生兩種發(fā)育命運(yùn)不同的子細(xì)胞，一個是母細(xì)胞，一個是前孢子，當(dāng)前孢子被釋放時，母細(xì)胞最終被裂解，孢子的結(jié)構(gòu)完全不同于原來的細(xì)菌。第102頁/共118頁第一百零三頁，共119頁。 前孢子 母細(xì)胞 43 H 磷酸化激活了 全酶含有43 F和proE 和H 的合成 F pro-E F 取代了核 心酶上的43 F-核心酶復(fù)合 E被活化并取 體轉(zhuǎn)錄孢子形成 代了43 的早期基因 G 早期基因產(chǎn) 產(chǎn)生了K基因 生了G E轉(zhuǎn)錄K基因 K G被活化并取代 K被激活并 了F 取代了E 活化的G負(fù)責(zé) 活化的K負(fù)責(zé) 轉(zhuǎn)錄晚期基因 轉(zhuǎn)錄晚期基因 圖