：原核生物基因表達(dá)調(diào)控

1、第六章：原核生物基因表達(dá)調(diào)控一、原核生物基因表達(dá)調(diào)控總論二、乳糖操縱子三、半乳糖操縱子四、色氨酸操縱子一、原核生物基因表達(dá)調(diào)控總論原核生物基因調(diào)控一般執(zhí)行如下規(guī)律一個(gè)體系需要時(shí)被打開，不需要時(shí)被關(guān)閉?；虻拈_與關(guān)是相對的。開-關(guān)的活性可以通過轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)。 原核生物主要受到營養(yǎng)狀況和環(huán)境因素的影響真核生物主要是受發(fā)育階段和激素水平的影響基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在二個(gè)方面轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（ negative trnscription regulation) 調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（positive transcription regula

2、tion) 調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)控誘導(dǎo) 阻遏蛋白不與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)基因不轉(zhuǎn)錄。負(fù)控阻遏 阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)，基因不轉(zhuǎn)錄。正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正控誘導(dǎo) 有效應(yīng)物時(shí)，激活蛋白處于活性狀態(tài)基因轉(zhuǎn)錄。正控阻遏 有效應(yīng)物時(shí)，激活蛋白處于無活性狀態(tài)基因不轉(zhuǎn)錄。負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏正控誘導(dǎo)正控阻遏1、原核生物基因調(diào)控機(jī)制的類型a、代謝產(chǎn)物對基因活性的調(diào)節(jié)b、弱化子對基因活性的調(diào)節(jié)c、降解物對基因活性的調(diào)節(jié)d、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)A、代謝產(chǎn)物對基因活性的調(diào)節(jié)誘導(dǎo)調(diào)節(jié) 是指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由關(guān)-開。誘導(dǎo)調(diào)節(jié)阻遏調(diào)節(jié) 基因是開啟的，但由于一些特殊代謝物或化合物的積累將其關(guān)閉。阻遏調(diào)節(jié)弱化子在

3、操縱區(qū)與結(jié)構(gòu)基因之間的一段可以 終止轉(zhuǎn)錄作用的核苷酸序列，稱為弱化子。B、弱化子對基因活性的影響 前 導(dǎo) 區(qū) P O 162 bp E D C B A 123150 前導(dǎo)RNA 弱化子高色氨酸時(shí)低色氨酸時(shí) AUG 7kb mRNA 有葡萄糖的存在即使在培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖等誘導(dǎo)物，操縱子也不會啟動，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)或稱為降解物抑制作用。C、降解物對基因活性的調(diào)節(jié)因?yàn)槠咸烟鞘亲罘奖愕哪茉矗?xì)菌所需能源可從葡萄糖得到滿足，無需啟動其它基因。當(dāng)細(xì)菌生長過程中，氨基酸全面缺乏時(shí)，細(xì)菌將會產(chǎn)生應(yīng)急反應(yīng)，停止全部基因的表達(dá)。產(chǎn)生應(yīng)急反應(yīng)的信號是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸（pppGpp）

4、，是由空載的tRNA所引起的 。D、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)空載tRNA會激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成，ppGpp的出現(xiàn)會關(guān)閉許多基因，PpGpp與pppGpp的作用能夠影響一大批操縱子，所以稱他們是超級調(diào)控子或稱為魔斑。2、啟動子與轉(zhuǎn)錄起始啟動子的結(jié)構(gòu)影響了它與RNA聚合酶的親合力，從而影響基因的表達(dá)水平。-10區(qū)與-35區(qū)的最佳間距-35區(qū)與-10區(qū)之間的距離大約是1619bp，小于15bp或大于20bp都會降低啟動子的活性。 -35 171 -10-TTGACA-TATAA- 16 253、增強(qiáng)子可以提高轉(zhuǎn)錄的水平在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游約-200bp處的兩段72bp長的重復(fù)序列，能增強(qiáng)或促進(jìn)轉(zhuǎn)

5、錄的起始，去除這兩段序列會大大降低轉(zhuǎn)錄水平。4、RNA聚合酶與啟動子的相互作用（1）啟動子區(qū)的識別RNA聚合酶首先與非特異性結(jié)合位點(diǎn)相結(jié)合，形成過渡中間體，這種結(jié)合促進(jìn)了酶向啟動子移動，最終達(dá)到特異性結(jié)合，也稱為掃描式。 （2）酶與啟動子的結(jié)合RNA聚合酶與啟動子區(qū)結(jié)合，形成二元復(fù)合物，然后開始合成RNA，形成三元復(fù)合物。 二元復(fù)合物 = 酶+DNA 三元復(fù)合物 = 酶+DNA+RNA（3）因子的結(jié)合和解離因子在酶與啟動子結(jié)合的過程中起重要作用： 提高酶辨認(rèn)啟動子的能力； 降低酶與DNA的非特異性結(jié)合； 促進(jìn)DNA開鏈；提高RNA鏈合成起始的速度； 阻止酶分子聚合。 5、環(huán)腺苷酸受體蛋白對轉(zhuǎn)錄

6、的調(diào)控 cAMP受體蛋白CRP（ cAMP receptor protein ）， cAMP與CRP結(jié)合后所形成的復(fù)合物稱激活蛋白CAP（ cAMP activated protein ）。在缺乏葡萄糖時(shí)，CAP合成量增加，CAP具有激活乳糖（Lac）等啟動子的功能。一些依賴于CRP的啟動子缺乏一般啟動子所具有的典型的-35區(qū)序列特征（TTGACA）。因此RNA聚合酶難以與其結(jié)合。 CAP能提高酶與啟動子結(jié)合常數(shù)CAP起到取代-35區(qū)功能的作用。CAP還能抑制RNA聚合酶與DNA中其它位點(diǎn)的結(jié)合，從而提高與其特定啟動子結(jié)合的概率。二、乳糖操縱子法國Jacob和Monod等人1961年提出(la

7、c operon)學(xué)說 。JacobMonod乳 糖 操 縱 子 的 結(jié) 構(gòu)乳 糖 存 在 誘 導(dǎo) 基 因 轉(zhuǎn) 錄乳糖(lac)操縱子的表達(dá)調(diào)控1、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控沒有乳糖時(shí)，1ac操縱子處于阻遏狀態(tài)。i 基因在自身的啟動子Pi 控制下，產(chǎn)生阻遏蛋白R。R以四聚體形式與操縱子o結(jié)合，阻礙RNA聚合酶與啟動子P的結(jié)合。 當(dāng)有乳糖存在時(shí)，乳糖與R結(jié)合，使R四聚體解聚成單體，失去與o的親和力，與o解離，基因轉(zhuǎn)錄開放。2、CAP的正性調(diào)控 cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)，當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖供給能量時(shí)，cAMP含量降低；無葡萄糖時(shí)，cAMP含量升高。 cAMP與CRP結(jié)合變?yōu)镃AP，并以二聚體的方式

8、與特定的DNA序列結(jié)合。cAMP含量與葡萄糖的關(guān)系 CAP與DNA位點(diǎn)結(jié)合后，造成模板DNA發(fā)生大于90度彎曲有利于轉(zhuǎn)錄起始。 由于P1ac是弱啟動子，單純因乳糖的存在去阻遏使1ac操縱子轉(zhuǎn)錄開放，還不能使細(xì)胞很好利用乳糖，必須同時(shí)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。1ac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CAP的正調(diào)控作用，細(xì)菌才能充分利用乳糖。三、半乳糖（gal)操縱子不同于lac操縱子,沒有葡萄糖時(shí)可以被誘導(dǎo),有葡萄糖存在時(shí)gal也能被誘導(dǎo)，因此認(rèn)為gal中可能存在兩個(gè)啟動子。1、Gal操縱子的 結(jié)構(gòu)特征 gal操縱子有兩個(gè)啟動子，PG1

9、和PG2。兩個(gè)RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn) S1和 S2（轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)）mRNA可以從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄。 它有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游 67-73，而不是在P區(qū)與結(jié)構(gòu)基因之間，另一個(gè)O區(qū)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。2、CAP對gal操縱子的作用 從S1起始的轉(zhuǎn)錄只有當(dāng)培養(yǎng)基中無葡萄糖（G）時(shí)才能進(jìn)行（與Lac操縱子同）。從S2起始的轉(zhuǎn)錄要依賴于葡萄糖，高水平的CAP能抑制從S2的轉(zhuǎn)錄，當(dāng)有CAP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S1開始，無CAP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S2開始。3、雙啟動子的生理功能半乳糖對細(xì)菌有雙重作用；一方面可以作為碳源供細(xì)胞生長；另一方面它又是細(xì)胞壁的成分。 所以需要一個(gè)不依賴于CAP的啟動子（S2）進(jìn)行本底水平

10、的永久型合成；同時(shí)以半乳糖作為碳源供細(xì)胞生長，需要一個(gè)依賴于CAP的啟動子（S1）對高水平合成進(jìn)行調(diào)節(jié)。無G時(shí)轉(zhuǎn)錄從S1開始轉(zhuǎn)錄有G時(shí)轉(zhuǎn)錄從S2 開始四、色氨酸操縱子trp operon 細(xì)菌通常需要自己經(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(shí)，細(xì)菌就會充分利用外界的色氨酸。細(xì)菌所以能做到這點(diǎn)是因?yàn)橛衪rp operon的調(diào)控。(一) 阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控合成色氨酸所需酶類的基因E、D、C、B、A，受其上游調(diào)控蛋白R基因的調(diào)控。R并沒有與O結(jié)合的活性，只有當(dāng)環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時(shí)，R與色氨酸結(jié)合后而活化，能夠與O結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，開 關(guān)。 (二) 弱化子及其作用當(dāng)色氨酸達(dá)

11、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(shí)，產(chǎn)生色氨酸合成酶類的量已經(jīng)明顯降低，而且產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)。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)。、色氨酸（Trp)操縱子結(jié)構(gòu)特征 O與結(jié)構(gòu)基因trpE之間有140bp的一段先導(dǎo)序列。當(dāng)Trp濃度升高，能夠阻止RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄。先導(dǎo)序列含有3對反向重復(fù)序列，在被轉(zhuǎn)錄生成mRNA時(shí)都能夠形成發(fā)夾式結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)錄終止。、終止轉(zhuǎn)錄的作用（弱化機(jī)制）A. 當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)，生成的tRNAtrp量就少，使核糖體沿mRNA翻譯移動的速度慢，趕不上RNA聚合酶沿DNA移動轉(zhuǎn)錄的速度，這時(shí)核糖體占據(jù)1位的機(jī)會較多，使1、2不能配對，2、

12、3配對，阻止了3、4生成終止信號的結(jié)構(gòu)，trp操縱元處于開放狀態(tài)。 B. 當(dāng)色氨酸濃度增高時(shí)，核糖體沿mRNA翻譯移動的速度加快，占據(jù)到2段的機(jī)會增加，2、3配對的機(jī)會減少，3、4形成終止結(jié)構(gòu)的機(jī)會增多，轉(zhuǎn)錄減弱。C. 當(dāng)所有氨基酸都不足時(shí)，核糖體翻譯移動的速度就更慢，甚至不能占據(jù)1的序列，結(jié)果有利于1、2和3、4發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成，于是轉(zhuǎn)錄停止。等于告訴細(xì)菌：“整個(gè)氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能合成蛋白質(zhì)，不如不合成以節(jié)省能量 ”。停止轉(zhuǎn)錄弱化機(jī)制所有氨基酸都不足時(shí)產(chǎn)生2個(gè)終止信號停止轉(zhuǎn)錄1、關(guān)于管家基因敘述錯(cuò)誤的是 (A) 在生物個(gè)體的幾乎各生長階段持續(xù)表達(dá) (B) 在生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)

13、胞中持續(xù)表達(dá) (C)在一個(gè)物種的幾乎所有個(gè)體中持續(xù)表達(dá) (D) 在生物個(gè)體的某一生長階段持續(xù)表達(dá) D2、一個(gè)操縱子（元）通常含有 (A) 數(shù)個(gè)啟動序列和一個(gè)編碼基因 (B) 一個(gè)啟動序列和數(shù)個(gè)編碼基因 (C) 一個(gè)啟動序列和一個(gè)編碼基因 (D) 兩個(gè)啟動序列和數(shù)個(gè)編碼基因 B3、Lac阻遏蛋白結(jié)合乳糖操縱子（元）的 (A) CAP結(jié)合位點(diǎn) (B) O序列 (C) P序列 (D) I基因B4、cAMP與CRP結(jié)合、CAP介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)發(fā)生在 (A) 葡萄糖及cAMP濃度極高時(shí) (B) 沒有葡萄糖及cAMP較低時(shí) (C) 沒有葡萄糖及cAMP較高時(shí) (D) 有葡萄糖及cAMP較低時(shí) C5、Lac阻遏

14、蛋白由 (A) Z基因編碼 (B) Y基因編碼 (C) A基因編碼 (D) I基因編碼 D6、色氨酸操縱子（元）調(diào)節(jié)過程涉及 (A) 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié) (B) 轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié) (C) 翻譯水平調(diào)節(jié) (D) 轉(zhuǎn)錄翻譯調(diào)節(jié) D (A) Lac阻遏蛋白 (B) RNA聚合酶 (C) 環(huán)一磷酸腺苷 (D) CRP-cAMP 7、與O序列結(jié)合 8、與P序列結(jié)合 9、 與CRP結(jié)合 10、與CAP位點(diǎn)結(jié)合 ABCD11、乳糖、色氨酸等小分子物質(zhì)在基因表達(dá)調(diào)控中作用的共同特點(diǎn)是A與啟動子結(jié)合B與DNA結(jié)合影響模板活性C與RNA聚合酶結(jié)合影響其活性D與蛋白質(zhì)結(jié)合影響該蛋白質(zhì)結(jié)合DNAD15、以下關(guān)于cAMP對原核基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控作用的敘述錯(cuò)誤的是AcAMP可與CRP結(jié)合成復(fù)合物BcAMP-CRP復(fù)合物結(jié)合在啟動子前方C葡萄糖充足時(shí)，cAMP水平不高D葡萄糖和乳糖并存時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用乳糖D16、 Lac 阻遏蛋白由 _ 基因編碼，結(jié)合 _ 序列