原核生物基因表達(dá)調(diào)控(3)

1、關(guān)于原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 (3)第一張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月一、原核生物基因表達(dá)調(diào)控概述 基因表達(dá)(gene expression) 是指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。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。 既然從DNA到蛋白質(zhì)的過程稱為基因表達(dá)，對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控（gene regulation或gene control）?；虮磉_(dá)調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的中心課題。第二張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）基因表達(dá)調(diào)控的意義基因組(genome) 是指含有一個生物體生存、發(fā)育、

2、活動和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸。 但生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達(dá)出來的，大腸桿菌基因組含有約4000個基因，一般情況下只有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)，有的就暫時不表達(dá)。 不同組織細(xì)胞中不僅表達(dá)的基因數(shù)量不相同，而且基因表達(dá)的強(qiáng)度和種類也各不相同，這就是基因表達(dá)的組織特異性(tissue specificity)。 例如肝細(xì)胞中涉及編碼鳥氨酸循環(huán)酶類的基因表達(dá)水平高于其它組織細(xì)胞，合成的某些酶(如精氨酸酶)為肝臟所特有；胰島細(xì)胞合成胰島素；甲狀腺濾泡旁細(xì)胞(C細(xì)胞)專一分泌降血鈣素等。第三張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)胞分化發(fā)

3、育的不同時期，基因表達(dá)的情況是不相同的，這就是基因表達(dá)的階段特異性(stagespecificity)。 一個受精卵含有發(fā)育成一個成熟個體的全部遺傳信息，在個體發(fā)育分化的各個階段，各種基因極為有序地表達(dá)，一般在胚胎時期基因開放的數(shù)量最多，隨著分化發(fā)展，細(xì)胞中某些基因關(guān)閉(turn off)、某些基因轉(zhuǎn)向開放(turn on)，胚胎發(fā)育不同階段、不同部位的細(xì)胞中開放的基因及其開放的程度不一樣，合成蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量都不相同，顯示出基因表達(dá)調(diào)控在空間和時間上極高的有序性，從而逐步生成形態(tài)與功能各不相同、極為協(xié)調(diào)、巧妙有序的組織臟器。從上所述，不難看出：生物的基因表達(dá)不是雜亂無章的，而是受著嚴(yán)密、精

4、確調(diào)控的，不僅生命的遺傳信息是生物生存所必需的，而且遺傳信息的表達(dá)調(diào)控也是生命本質(zhì)所在。 第四張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月改變基因表達(dá)的情況以適應(yīng)環(huán)境，在原核生物、單細(xì)胞生物中尤其顯得突出和重要，因?yàn)榧?xì)胞的生存環(huán)境經(jīng)常會有劇烈的變化。 例如：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源，不必更多去合成利用其它糖類的酶類，當(dāng)外界沒有葡萄糖時，細(xì)菌就要適應(yīng)環(huán)境中存在的其它糖類(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)，開放能利用這些糖的酶類基因，以滿足生長的需要。 即使是內(nèi)環(huán)境保持穩(wěn)定的高等哺乳類，也經(jīng)常要變動基因的表達(dá)來適應(yīng)環(huán)境，例如與適宜溫度下生活相比較，在冷或熱環(huán)境下適應(yīng)生活的

5、動物，其肝臟合成的蛋白質(zhì)圖譜就有明顯的不同。所以，基因表達(dá)調(diào)控是生物適應(yīng)環(huán)境生存的必需。第五張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）基因表達(dá)的模式生物體內(nèi)的基因調(diào)控各不相同，基因表達(dá)隨環(huán)境變化的情況，可以大致把基因表達(dá)分成兩類：組成性表達(dá)(constitutive expression)指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達(dá)。其中某些基因表達(dá)產(chǎn)物是細(xì)胞或生物體整個生命過程中都持續(xù)需要而必不可少的，這類基因可稱為看家基因(housekeeping gene)，這些基因中不少是在生物個體其它組織細(xì)胞、甚至在同一物種的細(xì)胞中都是持續(xù)表達(dá)的，可以看成是細(xì)胞基本的基因表達(dá)。組成性基因表達(dá)也不是

6、一成不變的，其表達(dá)強(qiáng)弱也是受一定機(jī)制調(diào)控的。第六張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月適應(yīng)性表達(dá)(adaptive expression)指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動的一類基因表達(dá)。應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)(induction)，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因(inducible gene)；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(repression)，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因(repressible gene)。 第七張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（三） 原核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)與方式基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下兩方面：1轉(zhuǎn)錄水平上

7、的調(diào)控（transcriptional regulation）；2轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptional regulation），包括mRNA加工成熟水平上的調(diào)控（differential processing of RNA transcript）； 翻譯水平上的調(diào)控（differential translation of mRNA）。第八張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第九張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月原核生物中，營養(yǎng)狀況（nutritional status）和環(huán)境因素（environmental factor）對基因表達(dá)起著舉足輕重的影

8、響。真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平（hormone level）和發(fā)育階段（developmental stage）是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段，營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達(dá)的調(diào)控決定于DNA的結(jié)構(gòu)、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。第十張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 因?yàn)榧?xì)菌mRNA在形成過程中與核糖體混合在一起，所以，細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄與翻譯過程幾乎發(fā)生在同一時間間隔內(nèi)，轉(zhuǎn)錄與翻譯相耦聯(lián)（coupled transcription and translation）。 真核生物中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（primary transcript）只

9、有從核內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)到核外，才能被核糖體翻譯成蛋白質(zhì)。第十一張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月二、 操縱子學(xué)說 法國巴斯德研究院的Francois Jacob與Jacques Monod于1960年在法國科學(xué)院院報(Proceeding of the French Academy of Sciences)上發(fā)表了一篇論文，提出乳糖代謝中的兩個基因被一靠近它們的遺傳因子所調(diào)節(jié)。這二個基因?yàn)?半乳糖苷酶(-galactosidase)和半乳糖苷透過酶(galactoside permease)。 在此文中他們首先提出了操縱子(operon)和操縱基因(operator)的概念，他們的操縱子學(xué)說

10、(theory of operon)使我們得以從分子水平認(rèn)識基因表達(dá)的調(diào)控，是一個劃時代的突破，因此他們二人于1965年榮獲諾貝爾生理學(xué)獎。第十二張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）操縱子(operon) 細(xì)菌能隨環(huán)境的變化，迅速改變某些基因表達(dá)的狀態(tài)，這就是很好的基因表達(dá)調(diào)控的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。人們就是從研究這種現(xiàn)象開始，打開認(rèn)識基因表達(dá)調(diào)控分子機(jī)理的窗口的。第十三張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.操縱子的提出 大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖，當(dāng)培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長，經(jīng)過短時間的

11、適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長。第十四張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 大腸桿菌利用乳糖至少需要兩個酶：促使乳糖進(jìn)入細(xì)菌的半乳糖透過酶(lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 半乳糖苷酶( -galactosidase)。第十五張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 在環(huán)境中沒有乳糖或其他 -半乳糖苷時，大腸桿菌合成 -半乳糖苷酶量極少，加入乳糖2-3分鐘后，細(xì)菌大量合成 -半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作為唯一碳源時，菌體內(nèi)的 -半乳糖苷酶量可占到細(xì)菌總蛋白量的3%。 在上述二階段生長細(xì)菌利用乳糖再次繁殖前，也能測出細(xì)菌中 -半

12、乳糖苷酶活性顯著增高的過程。第十六張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月這種典型的誘導(dǎo)現(xiàn)象，是研究基因表達(dá)調(diào)控極好的模型。針對大腸桿菌利用乳糖的適應(yīng)現(xiàn)象，法國的Jocob和Monod等人做了一系列遺傳學(xué)和生化學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，于1961年提出乳糖操縱子（lac operon）學(xué)說。第十七張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 操縱子的基本組成 乳糖操縱子模型已被許多研究實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，對其有了更深入的認(rèn)識，并且發(fā)現(xiàn)其他原核生物基因調(diào)控也有類似的操縱子組織，操縱子是原核基因表達(dá)調(diào)控的一種重要的組織形式，大腸桿菌的基因多數(shù)以操縱子的形式組成基因表達(dá)調(diào)控的單元。 下面就以乳糖操縱子為例子說

13、明操縱子的最基本的組成元件（elements）。第十八張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(1) 結(jié)構(gòu)基因群 操縱子中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因可稱為結(jié)構(gòu)基因(structural gene, SG)。一個操縱子中含有2個以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達(dá)十幾個。每個結(jié)構(gòu)基因是一個連續(xù)的開放閱讀框(open reading frame), 5端有起始密碼ATG，3端有終止密碼TAA、TGA或TAG。各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜接、串連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群。第十九張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 至少在第一個結(jié)構(gòu)基因5側(cè)具有核糖體結(jié)合位點(diǎn)(ribosome binding site, RBS)，

14、因而當(dāng)這段含多個結(jié)構(gòu)基因的DNA被轉(zhuǎn)錄成多順反子mRNA，就能被核糖體所識別結(jié)合、并起始翻譯。核糖體沿mRNA移動，在合成完第一個編碼的多肽后，核糖體可以不脫離mRNA而繼續(xù)翻譯合成下一個基因編碼的多肽，直至合成完這條多順反子mRNA所編碼的全部多肽。第二十張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 乳糖操縱子含有、和3個結(jié)構(gòu)基因。 基因長3510bp，編碼含1170個氨基酸、分子量為135,000的多肽，以四聚體形式組成有活性的-半乳糖苷酶，催化乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴樘?allolactose)，再分解為半乳糖和葡萄糖； 第二十一張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月基因長780bp，編

15、碼有260個氨基酸、分子量為30,000的半乳糖透過酶，促使環(huán)境中的乳糖進(jìn)入細(xì)菌； 基因長825bp，編碼275氨基酸、分子量為32,000的轉(zhuǎn)乙酰基酶，以二聚體活性形式催化半乳糖的乙酰化。第二十二張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 基因5側(cè)具有大腸桿菌核糖體識別結(jié)合位點(diǎn)（RBS）特征的Shine-Dalgarno(SD)序列，因而當(dāng)乳糖操縱子開放時，核糖體能結(jié)合在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA上。 由于、三個基因頭尾相接，上一個基因的翻譯終止密碼靠近下一個基因的第二十三張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月翻譯起始密碼，因而同一個核糖體能沿此轉(zhuǎn)錄生成的多順反子（polycistron

16、）mRNA移動，在翻譯合成了上一個基因編碼的蛋白質(zhì)后，不從mRNA上掉下來而繼續(xù)沿mRNA移動合成下一個基因編碼的蛋白質(zhì)，一氣依次合成這基因群所編碼所有的蛋白質(zhì)。第二十四張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十五張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) 啟動子 啟動子(promoter, P)是指能被RNA聚合酶識別、結(jié)合并啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。操縱子至少有一個啟動子，一般在第一個結(jié)構(gòu)基因5側(cè)上游，控制整個結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。用RNA聚合酶與分離的一段DNA雙鏈混合，再加入外切核酸酶去水解DNA，結(jié)果只有被RNA聚合酶識別結(jié)合而被保護(hù)的那段DNA不被水解，由此可以

17、測出啟動子的范圍及其序列。第二十六張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月雖然不同的啟動子序列有所不同，但比較已經(jīng)研究過的上百種原核生物的啟動子的序列，發(fā)現(xiàn)有一些共同的規(guī)律，它們一般長40-60bp，含A-T bp較多，某些段落很相似的，有保守性，稱為共有性序列(consensus sequences)。 啟動子一般可分為識別(R，recognition)、結(jié)合(B，binding)和起始(I，initiation)三個區(qū)段。 第二十七張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月轉(zhuǎn)錄起始第一個堿基（通常標(biāo)記位置為+1）最常見的是A；在-10bp附近有TATAAT一組共有序列，因?yàn)檫@段共

18、有序列是Pribnow首先發(fā)現(xiàn)的，稱為Pribnow盒（Pribnow box）；在-35bp處又有TTGACA一組共有序列。第二十八張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十九張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月不同的啟動子序列不同，與RNA聚合酶的親和力不同、啟動轉(zhuǎn)錄的頻率高低不同，即不同的啟動子起動基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱不同，例如：PL、PR、PT7屬強(qiáng)啟動子，而Plac則是較弱的啟動子。第三十張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月色氨酸啟動子（Trp）色氨酸啟動子（ Trp）的阻遏蛋白在有色氨酸時，二者結(jié)合，阻遏蛋白變構(gòu)激活而與啟動子結(jié)合，阻止RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄。無

19、色氨酸時，阻遏解除，因-吲哚丙烯酸是色氨酸的競爭性抑制劑，常用作誘導(dǎo)劑，誘發(fā)色氨酸啟動子轉(zhuǎn)錄。同時，衰減子對Trp轉(zhuǎn)錄也有調(diào)節(jié)作用。第三十一張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月乳糖啟動子（Lac）無乳糖時，調(diào)節(jié)基因（I）產(chǎn)生阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，阻止RNA聚合酶結(jié)合進(jìn)而阻止轉(zhuǎn)錄；有乳糖時，乳糖能與阻遏蛋白結(jié)合，使其變構(gòu)解離而行使轉(zhuǎn)錄功能。而LacZ基因可由IPTG（異丙基硫代- -D-半乳糖）誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄。第三十二張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月Tac啟動子是由Trp啟動子和Lac啟動子構(gòu)建而成的雜合啟動子，-35區(qū)為Trp啟動子順序，-10為LacUV5啟動子順序，二者

20、之間距離為16bp者為pTrc，17bp者為pTac。該啟動子只需用IPTG誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄即可。Tac啟動子第三十三張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月噬菌體的PL和PR啟動子PL為噬菌體左向啟動區(qū)，PR為右向轉(zhuǎn)錄啟動區(qū)，與阻遏基因CI編碼的阻遏蛋白結(jié)合，可抑制操縱基因OL或OR 轉(zhuǎn)錄，但CI在42被滅活， PL或PR啟動下游基因轉(zhuǎn)錄。第三十四張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月脂蛋白啟動子（LPP）脂蛋白為細(xì)胞外膜蛋白，細(xì)菌中含量高，該啟動子表達(dá)效率高，由信號肽可將基因表達(dá)產(chǎn)物分泌到胞外，常用來構(gòu)建分泌型表達(dá)載體。第三十五張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月(3) 操

21、縱區(qū) 操縱區(qū)（operator）是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動子鄰近或與啟動子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱子序列上，會影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。第三十六張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 以前將操縱區(qū)稱為操縱基因（operator gene）。但現(xiàn)在基因定義是為蛋白質(zhì)或RNA編碼的核酸序列，而操縱序列并不是編碼蛋白質(zhì)的基因，卻是起著調(diào)控基因表達(dá)強(qiáng)弱的作用，正如啟動序列不叫啟動基因而稱為啟動子一樣，操縱序列就可稱為操縱區(qū)。operon譯為操縱子，即基因表達(dá)操縱的單元之意。第三十七張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月以乳糖操縱子中的操縱區(qū)為例，其操縱區(qū)

22、（o）序列位于啟動子（p）與被調(diào)控的基因之間，部分序列與啟動子序列重疊。 仔細(xì)分析操縱區(qū)序列，可見這段雙鏈DNA具有回文（palindrome）樣的對稱性一級結(jié)構(gòu)，能形成十字形的莖環(huán)（stem loop）構(gòu)造。不少操縱區(qū)都具有類似的對稱性序列，可能與特定蛋白質(zhì)的結(jié)合相關(guān)。第三十八張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月阻遏蛋白與操縱區(qū)結(jié)合，就妨礙了RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合及其后 -半乳糖苷酶等基因的轉(zhuǎn)錄起始，從而阻遏了這群基因的表達(dá)。 最早只把與阻遏蛋白結(jié)合、起阻遏作用的序列稱為操縱區(qū)，但其后發(fā)現(xiàn)有的操縱子中第三十九張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月同一操縱序列與不同構(gòu)像的

23、蛋白質(zhì)結(jié)合，可以分別起阻遏或激活基因表達(dá)的作用，阿拉伯糖操縱子中的操縱序列就是典型的例子。因而凡能與調(diào)控蛋白特異性結(jié)合、從而影響基因轉(zhuǎn)錄強(qiáng)弱的序列，不論其對基因轉(zhuǎn)錄的作用是減弱、阻止或增強(qiáng)、開放，都可稱為操縱區(qū)。第四十張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（4） 調(diào)控基因 調(diào)控基因(regulatory gene)是編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。調(diào)控蛋白有： 阻遏蛋白(repressive protein)：與操縱區(qū)結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控的基因轉(zhuǎn)錄，其介導(dǎo)的調(diào)控方式為負(fù)調(diào)控(negative regulation)； 第四十一張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月激活

24、蛋白(activating protein)：與操縱區(qū)結(jié)合后能增強(qiáng)或起動其調(diào)控的基因轉(zhuǎn)錄，所介導(dǎo)的調(diào)控方式為正調(diào)控(positive regulation)。第四十二張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月某些特定的物質(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)可稱為效應(yīng)物（effector）。有兩種：誘導(dǎo)劑(inducer)：能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子；阻遏劑或輔助阻遏劑(corepressor)：能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子。第四十三張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月例如在乳糖操縱子中，調(diào)控基因lac I位于Plac鄰近，有其自身的啟動子和

25、終止子，轉(zhuǎn)錄方向和結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄方向一致，編碼產(chǎn)生由347個氨基酸組成的調(diào)控蛋白R。 在環(huán)境沒有乳糖存在的情況下，R形成分子量為152,000的活性四聚體，能特異性與操縱區(qū)緊密結(jié)合，從而阻止利用乳糖的酶類基因的轉(zhuǎn)錄，所以R是乳糖操縱子的阻遏蛋白；第四十四張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)環(huán)境中有足夠的乳糖時，乳糖與R結(jié)合，使R的空間構(gòu)像變化，四聚體解聚成單體，失去與操縱區(qū)特異性緊密結(jié)合的能力，從而解除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因得以轉(zhuǎn)錄合成利用乳糖的酶類。 在這過程中乳糖就是誘導(dǎo)劑，與R結(jié)合起到去阻遏作用(derepression)，誘導(dǎo)了利用乳糖的酶類基因轉(zhuǎn)錄開放。第四十

26、五張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 許多調(diào)控蛋白都是變構(gòu)蛋白（allosteric protein），通過與上述類似的方式與效應(yīng)物結(jié)合改變空間構(gòu)像，從而改變活性，起到調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的作用。第四十六張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（5）結(jié)構(gòu)基因編碼蛋白質(zhì)的基因。第四十七張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）乳糖操縱子的表達(dá)調(diào)控 第四十八張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十九張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月大腸桿菌能以乳糖為唯一碳源生長，這是由于它能產(chǎn)生一套利用乳糖的酶。

27、這些酶受乳糖操縱子的控制。大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌DNA的一個特定區(qū)段，由調(diào)節(jié)基因I，啟動基因P，操縱基因O和結(jié)構(gòu)基因Z、Y、A組成。 P區(qū)是轉(zhuǎn)錄起始時RNA聚合酶的結(jié)合部位。 O區(qū)是阻遏蛋白的結(jié)合部位，其功能是控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。 平時I基因經(jīng)常進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生有活性的阻遏蛋白。第五十一張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 Z編碼-半乳糖苷酶；Y編碼-半乳糖苷透過酶；A編碼-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶。 -半乳糖苷酶是一種-半乳糖苷鍵的專一性酶，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。 -半乳糖苷透過酶的作用是使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。 -半乳

28、糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶的作用是把乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第五十二張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十三張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位第五十四張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控 當(dāng)大腸桿菌在沒有乳糖的環(huán)境中生存時，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)。此基因在其自身的啟動子Pi控制下，低水平、組成性表達(dá)產(chǎn)生阻遏蛋白R，每個細(xì)胞中僅維持約10個分子的阻遏蛋白。R以四聚體形式與操縱子結(jié)合，阻礙了RNA聚合酶與啟動子Plac的結(jié)合，阻止了基因的轉(zhuǎn)錄起動。R的阻遏作用不是絕對的，R與第五十五張

29、，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月偶爾解離，使細(xì)胞中還有極低水平的半乳糖苷酶及透過酶的生成。 當(dāng)有乳糖存在時，乳糖受 半乳糖苷酶的催化轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖，與R結(jié)合，使R構(gòu)象變化，R四聚體解聚成單體，失去與的親和力，與解離，基因轉(zhuǎn)錄開放，使 半乳糖苷酶在細(xì)胞內(nèi)的含量可增加1000倍。這就是乳糖對lac操縱子的誘導(dǎo)作用。第五十六張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十七張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月乳糖操縱子的控制模型，其主要內(nèi)容如下： Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼。 這個mRNA分子的啟動子緊接著O區(qū)，而位于I與O之間的啟動子區(qū)（P），

30、不能單獨(dú)起動合成-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。 操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。 當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時，lac mRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。 誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時，操縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動子能夠順利起始mRNA的合成。第五十八張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 第五十九張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 第六十張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 第六十一張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十二張，PP

31、T共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十三張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 第六十四張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 第六十五張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)一個mRNA含有編碼一個以上蛋白質(zhì)的編碼信息，而且這些蛋白質(zhì)都是以獨(dú)立的多肽被翻譯時，這樣的mRNA稱之多順反子mRNA。多順反子mRNA在細(xì)菌中是很普遍的。 多順反子lac mRNA中的lacZ，lacY，lacA經(jīng)翻譯生成的產(chǎn)物分別為LacZ（-半乳糖苷酶（-galactosidase）、LacY（-半乳糖苷通透酶（-galactoside permease）和LacA（-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙

32、酰基酶（thiogalactoside transacetylase）。第六十六張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 半乳糖是lac操縱子轉(zhuǎn)錄的活性誘導(dǎo)物，人們發(fā)現(xiàn)一個合成的、結(jié)構(gòu)上類似于別乳糖、不能被-半乳糖苷酶水解的-半乳糖苷異丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）起著lac操縱子的一個誘導(dǎo)物的作用，所以IPTG常用于誘導(dǎo)含有使用了lac啟動子的質(zhì)粒載體的細(xì)菌中的重組蛋白的表達(dá)。 第六十七張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 一些化學(xué)合成的乳糖類似物，不受 半乳糖苷酶的催化分解，卻也能與R特異性結(jié)合使R構(gòu)象變化，誘導(dǎo)lac操縱子

33、的開放。例如異丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiog-alactoside，IPTG)就是很強(qiáng)的誘導(dǎo)劑；不被細(xì)菌代謝而十分穩(wěn)定。X-gal（5-溴-4-氯-3-吲哚-半乳糖苷）也是一種人工化學(xué)合成的半乳糖苷，可被 半乳糖苷酶水解產(chǎn)生蘭色化合物，因此可以用作 半乳糖苷酶活性的指示劑。IPTG和X-gal都被廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)和基因工程的工作中。第六十八張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十九張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 lac 操縱子受LacI阻遏蛋白調(diào)控。在沒有誘導(dǎo)劑（乳糖或IPTG）存在時，LacI

34、阻遏蛋白與lac 操縱子DNA序列結(jié)合得非常緊密，lac 基因不能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。當(dāng)IPTG 存在時，IPTG與LacI阻遏蛋白相互作用，形成LacI阻遏蛋白IPTG復(fù)合物，體外研究表明，該復(fù)合物對lac 操縱基因的親和性為單獨(dú)LacI阻遏蛋白的親和性的千分之一。所以IPTG作為lac基因表達(dá)的一個誘導(dǎo)劑，起著轉(zhuǎn)錄去阻遏作用。就象（下圖）表示的那樣，RNA聚合酶的結(jié)合部位（lac操縱基因）也是LacI阻遏蛋白的結(jié)合部位，實(shí)驗(yàn)表明RNA聚合酶和LacI阻遏蛋白對操縱基因序列的結(jié)合是相互排斥的。第七十一張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十二張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月原

35、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：(沒有乳糖時) lacZ lacY lacA 調(diào)節(jié)基因啟動子操縱基因結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶信使RNA轉(zhuǎn)錄翻譯阻抑物與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受阻阻抑物第七十三張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月原核生物基因表達(dá)的調(diào)控乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(有乳糖時) lacZ lacY lacA 調(diào)節(jié)基因啟動子操縱基因結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶信使RNA轉(zhuǎn)錄翻譯阻抑物與乳糖結(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)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。阻抑物乳糖轉(zhuǎn)錄半乳糖苷酶酶酶乳糖分解代謝調(diào)控過程是一個自我調(diào)控過程 第七十四張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年

36、6月2. CAP的正調(diào)控 細(xì)菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)，當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖分解產(chǎn)生能量時，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，當(dāng)環(huán)境中無葡萄糖可供利用時，cAMP含量就升高。細(xì)菌中有一種能與cAMP特異結(jié)合的cAMP受體蛋白CRP(cAMP receptor protein)，當(dāng)CRP未與cAMP結(jié)合時它是沒有活性的，當(dāng)cAMP濃度升高時，CRP與cAMP結(jié)合并發(fā)生空間構(gòu)象的變化而活化，稱為CAP(CRP-cAMP activated protein)，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合。第七十五張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月在lac操縱子的啟動子Pl

37、ac上游端有一段序列與Plac部分重疊的序列，能與CAP特異結(jié)合，稱為CAP結(jié)合位點(diǎn)（CAP binding site）。CAP與這段序列結(jié)合時，可增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，使轉(zhuǎn)錄提高50倍。相反，當(dāng)有葡萄糖可供分解利用時，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，lac操縱子的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)下降。第七十六張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十七張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十八張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十九張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月由于Plac是弱啟動子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱子轉(zhuǎn)錄開放，還不能使細(xì)菌很好

38、利用乳糖，必需同時有CAP來加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，細(xì)菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。lac操縱子的強(qiáng)誘導(dǎo)既需要有乳糖的存在又需要沒有葡萄糖可供利用。通過這一機(jī)制，細(xì)菌是優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無葡萄糖而又有乳糖時，細(xì)菌才去充分利用乳糖。第八十張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)菌對葡萄糖以外的其他糖（如阿拉伯糖、半乳糖、麥芽糖等）的利用上也有類似對乳糖利用的情況，在含有編碼利用阿拉伯糖的酶類基因群的阿拉伯糖操縱子（ara operon）、半乳糖操縱子（gal operon）中也有CAP結(jié)合位點(diǎn)，CAP也起類似的正性調(diào)控作用。所以CAP的通用名稱是分解代謝基因激活蛋白（catabolic

39、gene activator protein）。第八十一張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月不難看出：CAP結(jié)合位點(diǎn)就是一種起正性調(diào)控作用的操縱子，CAP則是對轉(zhuǎn)錄起正性作用的調(diào)控蛋白激活蛋白，編碼CRP的基因也是一個調(diào)控基因，不過它并不在lac操縱子的附近，CAP可以對幾個操縱子都起作用。從上所述，乳糖操縱子屬于可誘導(dǎo)操縱子（inducible operon），這類操縱子通常使是關(guān)閉的，當(dāng)受效應(yīng)物作用后誘導(dǎo)開放轉(zhuǎn)錄。這類操縱子使細(xì)菌能適應(yīng)環(huán)境的變化，最有效地利用環(huán)境能提供的能源底物。第八十二張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月乳糖操縱子的誘導(dǎo) 第八十三張，PPT共一百一十

40、三頁，創(chuàng)作于2022年6月三、 色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控 第八十四張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 色氨酸是構(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(diǎn)是因?yàn)橛猩彼岵倏v子（trp operon）的調(diào)控。第八十五張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月trp操縱子的結(jié)構(gòu)trp操縱子的結(jié)構(gòu)見下圖：五個結(jié)構(gòu)基因（E、D、C、B、A）分別編碼從分支氨酸起始合成色氨酸途徑的酶或酶亞基。在結(jié)構(gòu)基因之前為調(diào)控區(qū)

41、域，包括啟動子區(qū)（P）、操縱區(qū)（O）、前導(dǎo)肽編碼區(qū)（L）和弱化子區(qū)（a）。弱化子（衰減子）：在trpE與操縱基因之間有一段前導(dǎo)序列L（162bp），它能編碼出一個內(nèi)含兩個并連的trp的14肽，由于這兩個trp的合成速度能控制核糖體在mRNA上的移動，使得前導(dǎo)序列的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA可形成特殊的結(jié)構(gòu)，類似轉(zhuǎn)錄終止信號，因此編碼該結(jié)構(gòu)區(qū)域的基因被稱為弱化子（衰減子）。 在trpA之后有兩個終止信號t和t，其中t為因子所識別，因此因子也參與了調(diào)控。Trp操縱子的調(diào)節(jié)基因（trpR）產(chǎn)生輔阻遏蛋白，遠(yuǎn)離trp操縱子。 第八十六張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu) 第八十

42、七張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第八十八張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月trp操縱子的調(diào)控：啟動子調(diào)控阻遏系統(tǒng)弱化子（衰減子）調(diào)控第八十九張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控 合成色氨酸所需要酶類的基因E、D、C、B、A等頭尾相接串連排列組成結(jié)構(gòu)基因群，受其上游的啟動子Ptrp和操縱子的調(diào)控，調(diào)控基因trpR的位置遠(yuǎn)離P-結(jié)構(gòu)基因群，在其自身的啟動子作用下，以組成性方式低水平表達(dá)其編碼分子量為47000的調(diào)控蛋白R，R并沒有與結(jié)合的活性，當(dāng)環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時，R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化，就能夠與特異性親和結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)

43、基因的轉(zhuǎn)錄。第九十張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月色氨酸操縱子的可阻遏調(diào)控第九十一張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 因此色氨酸操縱子屬于一種負(fù)性調(diào)控的、可阻遏的操縱子（repressible operon），即這操縱子通常是開放轉(zhuǎn)錄的，有效應(yīng)物（色氨酸為阻遏劑）作用時則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。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)菌處在生存繁殖最經(jīng)濟(jì)最節(jié)省的狀態(tài)。第九十二張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 弱化子及其作用 實(shí)驗(yàn)觀察表明：當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度、但還沒有高到能夠活化R使其起阻遏作用的程度時，產(chǎn)生色氨酸合成酶類的量已經(jīng)明顯降低，而且

44、產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)。仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)這種調(diào)控現(xiàn)象與色氨酸操縱子特殊的結(jié)構(gòu)有關(guān)。第九十三張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月在色氨酸操縱子Ptrp-與第一個結(jié)構(gòu)基因trpE之間有162bp的一段先導(dǎo)序列（leading sequence，L），實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)色氨酸有一定濃度時，RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄會終止在這里。 這段序列中含有編碼由14個氨基酸組成的短肽的開放閱讀框，其序列中有2個色氨酸相連，在此開放閱讀框前有核糖體識別結(jié)合位點(diǎn)（RBS）序列，提示這段短開放閱讀框在轉(zhuǎn)錄后是能被翻譯的。第九十四張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 mRNA前導(dǎo)區(qū)序列分析 trp前導(dǎo)區(qū)的堿基序

45、列已經(jīng)全部測定， 發(fā)現(xiàn)完整的前導(dǎo)序列可分為1、2、3、4區(qū)域，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（圖9-10），第九十五張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄與翻譯調(diào)控第九十六張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月有時以1-2和3-4配對，有時只以2-3方式互補(bǔ)配對。核糖體經(jīng)過前導(dǎo)區(qū)繼續(xù)翻譯的能力控制著這兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，它決定mRNA是否形成終止所需的結(jié)構(gòu)。前導(dǎo)序列的終止區(qū)與一般的轉(zhuǎn)錄第九十七張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 終止位點(diǎn)特點(diǎn)相同，具有成串的 U和潛在的能形成莖環(huán)的二重對稱結(jié)構(gòu)。通過RNaseT1降解實(shí)驗(yàn)（此酶不水解配對的RNA）表明純化的trp前導(dǎo)序列中只有1-2和3-4的配對方式。由此定位的3-4配對區(qū)正好位于終止密碼子識別區(qū)，當(dāng)這個區(qū)域發(fā)生破壞自我堿基突變，有利于轉(zhuǎn)錄的繼續(xù)進(jìn)行。 第九十八張，PPT共一百一十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 轉(zhuǎn)錄的弱化理論認(rèn)為，mRNA轉(zhuǎn)錄的終止是通過前導(dǎo)肽基因的翻譯來調(diào)節(jié)的，在前導(dǎo)肽基因中有兩個相鄰的色氨酸密碼子，在翻譯時對tRNATrp的濃度十分敏感。當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸的濃度很低時，負(fù)載有色