原核基因表達(dá)和調(diào)控

1、關(guān)于原核基因的表達(dá)與調(diào)控第1頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四 物質(zhì)代謝調(diào)控與基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)系物質(zhì)代謝調(diào)控的實(shí)質(zhì)就是對(duì)酶的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)水平：細(xì)胞水平激素水平：激素調(diào)節(jié)整體調(diào)節(jié)：神經(jīng)體液調(diào)節(jié)酶分子結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié) 細(xì)胞內(nèi)酶的分隔分布酶分子降解調(diào)節(jié)酶含量的調(diào)節(jié)第2頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Control of Gene Expression in ProkaryotesE. coli has about 4,000 genes.Some genes are only active under certain conditions.How does the

2、 cell regulate which genes are “on” and which genes are “off”?Transcriptional control第3頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四在細(xì)胞內(nèi)有許多種蛋白質(zhì)其數(shù)量幾乎不受外界環(huán)境的影響,這些蛋白質(zhì)稱為組成蛋白質(zhì)(constitutive proteins);另一類型則被稱為適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型，因?yàn)檫@類蛋白蛋白質(zhì)的合成明顯受環(huán)境的影響而改變。第4頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四組成型表達(dá)(constitutive expression):幾乎不受環(huán)境變動(dòng)影響的一類基因表達(dá)，其中某些

3、基因表達(dá)產(chǎn)物是細(xì)胞或生物體整個(gè)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)。適應(yīng)型表達(dá)(adaptive expression):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)。第5頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四第一節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控總論基因表達(dá)調(diào)控的水平：轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控包括：mRNA加工水平調(diào)控； 翻譯水平的調(diào)控第6頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四原核生物基因表達(dá)調(diào)控的各個(gè)水平第7頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四原核生物基因調(diào)控與外部信號(hào)：營

4、養(yǎng)狀況和環(huán)境因素除光合自養(yǎng)細(xì)菌外,一般細(xì)菌如大腸桿菌所需的碳源首先是葡萄糖,利用葡萄糖發(fā)酵獲得能量,維持生存。在缺乏葡萄糖時(shí),細(xì)菌也可以利用其它糖類如乳糖作為碳源,維持生活。第8頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四應(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9頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四一、 原核基因調(diào)控機(jī)制的類型和特點(diǎn)

5、正轉(zhuǎn)錄調(diào)控，負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控調(diào)節(jié)蛋白(regulatory protein)是一些特殊蛋白質(zhì),它們決定著其他蛋白質(zhì)的合成。有兩種基本類型:即正調(diào)節(jié)蛋白(positive regulator)及負(fù)調(diào)節(jié)蛋白(negative regulator)。負(fù)調(diào)節(jié)蛋白或稱阻遏蛋白(repressor),會(huì)使其靶蛋白的合成受到抑制,即不表達(dá)。正調(diào)節(jié)蛋白是激活蛋白(activator)。對(duì)靶蛋白的合成有促進(jìn)作用。因此,激活蛋白存在時(shí)被控制的基因可表達(dá)。第10頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Regulation can be negative or positiveNegative Contro

6、l mRNA在不存在調(diào)控因素的時(shí)候合成較快Positive Control mRNA的合成需要調(diào)控因素的存在第11頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四負(fù)控下的基因的表達(dá)可以由阻遏蛋白所關(guān)閉。通常阻遏蛋白可以與DNA結(jié)合以阻止轉(zhuǎn)錄發(fā)生，也可以與mRNA結(jié)合阻止翻譯起始。Structural gene clusters are coordinately controlled.第12頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四正控下的基因的表達(dá)只能發(fā)生在調(diào)節(jié)蛋白有活性的情況下。阻遏蛋白可以與DNA結(jié)合以阻止轉(zhuǎn)錄發(fā)生。正調(diào)節(jié)蛋白與DNA及RNA聚合酶相互作用，協(xié)助轉(zhuǎn)錄起

7、始的發(fā)生。正調(diào)控蛋白通常稱為激活蛋白（activator)。第13頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四1、負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，阻遏蛋白失效，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)，調(diào)節(jié)基因不轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白作用的部位是操縱區(qū)。第14頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四2、正轉(zhuǎn)錄調(diào)控調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白。可以根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，效應(yīng)物的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；在正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)第15頁，共112頁

8、，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四第16頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四調(diào)節(jié)蛋白 阻遏蛋白激活蛋白游離時(shí)無活性（正控誘導(dǎo)）游離時(shí)有活性（正控阻遏）游離時(shí)無活性（負(fù)控阻遏）游離時(shí)有活性（負(fù)控誘導(dǎo)）負(fù)誘活 正誘死 第17頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四The lac operon is an exampleThe lac genes are controlled by a repressor.The lac operon can be induced.3、可誘導(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，由原來的關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，

9、即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化。第18頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四a regulatory system in E. coli that controls the synthesis of enzymes required for the metabolism of lactoseLac operon was discovered by Francois Jacob and Jaques Monod in the 1960sdisaccharideFirst model for control of gene expression - the lac operon

10、in E.coli -第19頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四E.coli growing on glucoseCells stop growing when all glucose is used up第20頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四E.coli growing on glucose and lactoseCells stop growing when all glucose is used upAfter a lag period, the cells start to grow on lactoseLag period第21頁，共112

11、頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四4、可阻遏調(diào)節(jié)：這類基因平時(shí)是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將關(guān)閉。Tryptophan operon is an example Histidine operon 第22頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四二、 弱化子對(duì)基因活性的影響大腸桿菌：trp操縱子，phe操縱子，thr操縱子，ile操縱子，ala操縱子沙門氏菌：his操縱子，嘧啶合成操縱子弱化子：第23頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四三、 降解物對(duì)基因活性的影響葡萄糖效應(yīng)（降解物抑制作用）：有葡萄糖存在

12、的情況下，即使在細(xì)菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麥芽糖等誘導(dǎo)物，與其相對(duì)應(yīng)的操縱子也不會(huì)啟動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生出代謝這些糖的酶類。降解物基因激活蛋白（CAP, catabolite activator protein, or, cyclic AMP receptor protein, 環(huán)腺苷酸受體蛋白，CRP）：葡萄糖降解物抑制腺苷酸環(huán)化酶 活性，cAMP-CAP對(duì)細(xì)菌糖代謝發(fā)揮正調(diào)控作用。第24頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四四、 細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)細(xì)菌在面臨營養(yǎng)物質(zhì)（如氨基酸）全面匱乏時(shí)，細(xì)菌會(huì)啟動(dòng)一個(gè)應(yīng)急反應(yīng)，包括生產(chǎn)各種RNA、糖、脂肪和蛋白質(zhì)在內(nèi)的幾乎全部生物化學(xué)

13、反應(yīng)過程均停止。這一過程要有鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp）作為信號(hào)。第25頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四What is the stringent response?Amino acid starvation (stringent conditions) leads to rapid drop in stable RNA (tRNA and rRNA ) synthesis (10-20 fold)Total mRNA also drops (3 fold)Some mRNAs increase e.g. amino acid operons第2

14、6頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四What stimulates the stringent response?An uncharged tRNA entering the acceptor (A) site causing the ribosome to stallA sitemRNAaminoacylated tRNAA sitemRNAunchargedtRNAstallAmino acid stringentSignal to shut down stable RNA synthesis第27頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)pp

15、pGpp、ppGpp等幾種鳥苷多磷酸，可降低rRNA和tRNA合成的速度，這是在氨基酸缺乏時(shí)細(xì)菌的一種適應(yīng)性反應(yīng)，稱為嚴(yán)謹(jǐn)反應(yīng)。在大腸桿菌，當(dāng)氨基酸貧乏時(shí)，ppGpp與RNA聚合酶結(jié)合，形成ppGppRNA聚合酶復(fù)合物，并使RNA聚合酶構(gòu)象改變，活性降低，rRNA和tRNA合成減少或停止第28頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp）作用范圍十分廣泛，超級(jí)調(diào)控因子Amino acid starvation induces synthesis of phosphorylated guanine nucleotides pppGpp

16、 and ppGppGTPATPpppGppppGppmajor pathwayminor pathwayGDPATP+(p)ppGpp synthetaseUnchargre tRNA(+)RNA polymeraseppGpp-RNA polymerase complex (inactived)(+)第29頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四第二節(jié) 操縱子和負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)操縱子學(xué)說：是法國巴斯德研究所Jacob和Monod在研究E.coli乳糖代謝調(diào)節(jié)時(shí)被發(fā)現(xiàn)的。Jacques Monod Francois Jacob 第30頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1

17、分，星期四Operon is a unit of bacterial gene expression and regulation, including structural genes and control elements in DNA recognized by regulator gene product(s).Operator is the site on DNA at which a repressor protein binds to prevent transcription from initiating at the adjacent promoter.Repressor

18、 protein binds to operator on DNA or RNA to prevent transcription or translation, respectively.Structural gene codes for any RNA or protein product other than a regulator.第31頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四SUGAR METABOLISM IN E.coliThe operons for thegal, lac and ara genesare organized in thesame fashio

19、n, in tandem.第32頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Prokaryotic Gene Regulation第33頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四During the lag period, new enzymes are synthesised -galactosidase (lacZ) - splits lactose into glucose and galactoselactose permease (lacY) - transports lactose across the cell membranelactose trans

20、acetylase (lacA) -inactivates toxic galactosides乳糖操縱子控制細(xì)菌對(duì)碳源乳糖的利用第34頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四How does the cell know lactose is present?How does it switch on enzyme production?How does it switch on the production of all three enzymes coordinately?The three enzymes are produced only when the cell n

21、eeds to use lactose as a carbon source.酶的誘導(dǎo)合成第35頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Figure：The lac operon occupies 6000 bp of DNA. At the left the lacI gene has its own promoter and terminator. The end of the lacI region is adjacent to the promoter, P. The operator, O, occupies the first 26 bp of the long l

22、acZ gene, followed by the lacY and lacA genes and a terminator. Structural gene clusters are coordinately controlled第36頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Figure ：Repressor and RNA polymerase bind at sites that overlap around the startpoint of the lac operon. 第37頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四大腸桿菌乳糖操縱子(lactose

23、 operon)包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：lacZ、lacY和lacA，以及啟動(dòng)子、控制子和阻遏子等。第38頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四LACTOSE OPERON IN E.coliThe lactose operon transcribes a polycistronic mRNA.It is transcribed as a single mRNA chain that is subjected to coordinate regulation i.e. that all genes are expressed at the same time.第39頁，共112頁，

24、2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四-半乳糖苷酶：-半乳糖苷鍵的專一性酶，能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。-半乳糖苷透過酶：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)。-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：把乙酰輔酶A上的乙酰基轉(zhuǎn)到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第40頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四 誘導(dǎo) Definition: results in synthesis of an enzyme if E.coli isgrown on the appropriate substrate.if E.coli grows on glucoseno b-gal

25、actoside in the mediumno need for the b-galactosidase enzyme5000 molecules/cell5-10% of total proteins in the cell一、 酶的誘導(dǎo)-lac體系受調(diào)控的證據(jù)第41頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四誘導(dǎo)物INDUCERDefinition: small molecule that causes the synthesis of enzymes able to metabolize it.第42頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四在不含乳糖及-半乳

26、糖苷的培養(yǎng)基中，lac+基因型每個(gè)大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)大約只有1-2個(gè)酶分子。如果在培養(yǎng)基中加入乳糖，酶的濃度很快達(dá)到細(xì)胞總蛋白量的6%或7%，每個(gè)細(xì)胞中可有超過105個(gè)酶分子。 第43頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四INDUCER AT THE MOLECULAR LEVEL discovered by Jacob and Monod in 1960 using bacteria with mutations in the lacZ, lacY and lacI genes.1. The repressor is translated from the inducibili

27、ty gene (I). It is a tetrameric protein.2. The repressor binds with great affinity to the operator (O) region of the promoter.3. Once bound, it prevents the binding of the RNA polymerase and transcription of the downstream genes. 1. If a small molecule such as lactose (THE INDUCER) is present, it bi

28、nds with great affinity to the repressor.2. The complexed repressor can no longer bind to the operator region.3. RNA polymerase binds to the promoter and transcribes the genes.EXCELLENT EXAMPLE OF NEGATIVE REGULATION第44頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四ORGANIZATION OF THE PROMOTER REGION第45頁，共112頁，2022年，5

29、月20日，7點(diǎn)1分，星期四LABORATORY EXPERIMENTSGrowth of E.coli with and without induction.You will make use of a inducer i.e. IPTG:IPTG can induce galactosidase synthesis but willnot metabolize it, since galactosidase cannot cleave a -S- linkage.第46頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四 乳糖操縱子在現(xiàn)代分子生物學(xué)試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用galactosidase

30、 可以用作一些實(shí)驗(yàn)的指示物In molecular cloning:bacteria are grown on medium +IPTG andX-gal (chromophore). The galactosidase activitybreaks down the X-gal.No insert: bacteria are blue+ insert: it will interrupt the coding region ofthe -galactosidase, therefore no enzyme will beproduced. The bacteria will remain w

31、hite.第47頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四載體帶有一個(gè)大腸桿菌的DNA的短區(qū)段，其中有-半乳糖苷酶基因（lacZ）的調(diào)控序列和前146個(gè)氨基酸的編碼信息。在這個(gè)編碼區(qū)中插入了一個(gè)多克隆位點(diǎn)（MCS），它并不破壞讀框，但可使少數(shù)幾個(gè)氨基酸插入到-半乳糖苷酶的氨基端而不影響功能，這種載體適用于可編碼-半乳糖苷酶C端部分序列的宿主細(xì)胞。因此，宿主和質(zhì)粒編碼的片段雖都沒有酶活性，但它們同時(shí)存在時(shí)，可形成具有酶學(xué)活性的蛋白質(zhì)。這樣，lacZ基因在缺少近操縱基因區(qū)段的宿主細(xì)胞與帶有完整近操縱基因區(qū)段的質(zhì)粒之間實(shí)現(xiàn)了互補(bǔ)，稱為-互補(bǔ)。由-互補(bǔ)而產(chǎn)生的LacZ+細(xì)菌在誘導(dǎo)劑IPT

32、G的作用下，在生色底物X-Gal存在時(shí)產(chǎn)生藍(lán)色菌落，因而易于識(shí)別。然而，當(dāng)外源DNA插入到質(zhì)粒的多克隆位點(diǎn)后，幾乎不可避免地導(dǎo)致無-互補(bǔ)能力的氨基端片段，使得帶有重組質(zhì)粒的細(xì)菌形成白色菌落。這種重組子的篩選，又稱為藍(lán)白斑篩選。如用藍(lán)白斑篩選則經(jīng)連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的鈣化菌平板37溫箱倒置培養(yǎng)12-16hr后，有重組質(zhì)粒的細(xì)菌形成白色菌落。 第48頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四安慰誘導(dǎo)物第49頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四二、 操縱子模型及影響因子Jacob與Monod所提出的關(guān)于基因表達(dá)調(diào)控的操縱子學(xué)說可以簡述如下:有一個(gè)專一的阻遏分子(蛋白質(zhì))結(jié)合

33、在靠近半乳糖苷酶基因上面,這段DNA他們稱之為操縱基因。由于阻遏分子結(jié)合在DNA的操縱基因上,從而阻止了RNA聚合酶合成半乳糖苷酶的mRNA。乳糖為誘導(dǎo)物,當(dāng)乳糖結(jié)合到阻遏分子上時(shí),即阻止阻遏分子與操縱基因的結(jié)合,mRNA就可以轉(zhuǎn)錄出來。如果去掉乳糖時(shí),阻遏分子又恢復(fù)其活力,與操縱基因DNA結(jié)合,將乳糖基因關(guān)閉。第50頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四1、lac 操縱子Three sets of genes next to each other on chromosomePlus DNA transcriptional elements 第51頁，共112頁，2022年，

34、5月20日，7點(diǎn)1分，星期四lac 轉(zhuǎn)錄元件Promoter, a DNA sequence recognized and binded by RNA PolymeraseTells it where to start transcription of the DNAOperator, lac O, a sequence that helps regulate transcription of a geneRegulatory element, lac I, a separate transcription unitConstitutively (always) expressed, unre

35、gulatedProduces the lac repressor proteinRegulates specifically the lac operon第52頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四lac 操縱子的功能When no lactose is present:Dont need to make enzymes to metabolize lactoseRepressor proteins from lac I gene bind the promoter and lac O (Operator) DNA sequence of the lac Operon RN

36、A Polymerase is unable to bind the lac promoter DNA sequenceThe expression of the lac operon is repressedNo Permease or -galactosidase enzymes are produced第53頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四No lactose present第54頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Lactose PresentLactose present: expression of operon is neededNee

37、d to eliminate repressor blockingSome of the lactose binds the repressor proteinsNo longer binds the operator DNA sequenceThe repressor is an allosteric protein: Changes shape on binding another molecule第55頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Lactose Present第56頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Inducible Operon Neg

38、ative Control The repressor protein Inhibits transcription and gene expressionThe operon is off in absence of external inducer But Lactose acts to stimulate transcription and expression of the geneTherefore, The operon is inducibleAnd the lactose is the inducer第57頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Addition

39、 of inducer results in rapid induction of lac mRNA, and is followed after a short lag by synthesis of the enzymes; removal of inducer is followed by rapid cessation of synthesis. Repressor is controlled by a small molecule inducer 第58頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Repressor is controlled by a small mol

40、ecule inducer 第59頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Figure ：Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to the operator; addition of inducer releases the repressor, and thereby allows RNA polymerase to initiate transcription.第60頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Cis-acting and trans-ac

41、ting順式作用與反式作用Cis-acting: affects genes only on the same DNA moleculeDNA sequenceTrans-acting: affects genes on same or different DNA moleculesProtein (diffusible)第61頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Cis-acting DNA sequencesOcLacZ- / O+ LacZ+: inducibleEcoli operator mutated第62頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四T

42、rans-acting proteinsLacI+ LacZ / LacI LacZ+: inducible*第63頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四第64頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Repressor blocks the binding of RNA polymerase to the adjacent promoterRNA polymerase and repressor can bind together to the lac promoter. Repressor may lock the polymerase into a non

43、productive state (more likely to be right)第65頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四DNA-Binding proteins“Helix-turn-helix motif”: alpha-helical regions separated by a turn in the protein structureFits into major groove of DNAMost repressor proteins are HTHs第66頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四The crystal structure o

44、f a monomer of Lac repressorHTHheadpiececoreC-terminalOligomeriationInducer bidingOperator biding第67頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四第68頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四第69頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四DNA binding by tetramers of lac repressorThe lac operator sequence is a nearly perfect inverted repeat centere

45、d around the GC base pair at position + 11. 第70頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Figure 10.16 When a repressor tetramer binds to two operators, the stretch of DNA between them is forced into a tight loop. (The blue structure in the center of the looped DNA represents CAP, another regulator protein that bi

46、nds in this region). Photograph kindly provided by Mitchell Lewis. 第71頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四三、乳糖操縱子的其它影響因子 葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響：讓大腸桿菌生長在葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上，細(xì)菌生長曲線如右圖：第72頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Catabolite repression describes the decreased expression of many bacterial operons that results from addition of

47、 glucose. It is caused by a decrease in the level of cyclic AMP, which in turn inactivates the CAP regulator.代謝物阻遏效應(yīng)與操縱子的正調(diào)控有關(guān)第73頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Figure : Cyclic AMP has a single phosphate group connected to both the 3 and 5 positions of the sugar ring. Catabolite repression involves posi

48、tive regulation at the promoter 第74頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四cAMP and Catabolite Repressioncyclic AMP (cAMP) 在無葡萄糖時(shí)積累.Adenylcyclase被葡萄糖抑制.cAMP 磷酸二酯酶(phosphodiesterase )可被 glucose激活A(yù)TPcAMPAMPAdenylcyclasePhosphodiesterase Glucose（-）（+）第75頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四What happens when both glucose an

49、d lactose are present?Bacteria will not activate lac operon when glucose is still availablecAMP senses the depletion of glucose levelcAMP acts by binding to catabolite activator protein (CAP) or cAMP receptor protein (CRP).Adenylcyclase第76頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Figure:Glucose causes catabolite

50、repression by reducing the level of cyclic AMP. Catabolite repression involves positive regulation at the promoter cAMP-CAP復(fù)合物，該復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合是lac mRNA合成所必需的。cAMP第77頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Figure :The CAP protein can bind at different sites relative to RNA polymerase. Catabolite repression involves

51、positive regulation at the promoter 第78頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四第79頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Figure : The consensus sequence for CAP contains the well conserved pentamer TGTGA and (sometimes) an inversion of this sequence (TCANA). 第80頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Cooperative binding of cAMP-CAP a

52、nd RNAP on the lac promoter第81頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四第82頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四90C第83頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Figure ：CAP bends DNA 90 around the center of symmetry. Catabolite repression involves positive regulation at the promoter 第84頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四CAPCAPRNAP第85頁，共112頁，20

53、22年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四葡萄糖通過其某個(gè)代謝產(chǎn)物影響cAMP的形成,cAMP-CAP復(fù)合物可與lac操作子結(jié)合第86頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四葡萄糖，乳糖：lac mRNA第87頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四葡萄糖，乳糖+：lac mRNA第88頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四葡萄糖-，乳糖+：lac mRNA+第89頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四第三節(jié) 色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏體系Tryptophan(trp) operon: 合成代謝途徑的調(diào)控 E. coli 可以在需要時(shí)合

54、成 tryptophan tryptophan存在,trp operon的表達(dá)下降第90頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四第91頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四色氨酸操縱子(tryptophane operon)負(fù)責(zé)色氨酸的生物合成;當(dāng)培養(yǎng)基中有足夠的色氨酸時(shí)，這個(gè)操縱子自動(dòng)關(guān)閉，缺乏色氨酸時(shí)操縱子被打開，trp基因表達(dá);色氨酸或與其代謝有關(guān)的某種物質(zhì)在阻遏過程（而不是誘導(dǎo)過程）中起作用,在這個(gè)意義上講,它是一個(gè)負(fù)調(diào)控阻遏系統(tǒng)。trp體系參與生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CAP的調(diào)控。第92頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)

55、1分，星期四trpE基因是第一個(gè)被翻譯的基因，和trpE緊臨的是啟動(dòng)子區(qū)和操縱區(qū)，前導(dǎo)區(qū)和弱化子區(qū)為trpL 和trpa。trp操縱子中產(chǎn)生阻遏物的基因是trpR，該基因距trp基因簇很遠(yuǎn)。 第93頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四第94頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四阻遏作用使轉(zhuǎn)錄水平下降70倍,但是色氨酸操縱子的調(diào)控能力在700倍左右阻遏機(jī)制對(duì)色氨酸來說是一個(gè)一級(jí)開關(guān)，主管轉(zhuǎn)錄是否啟動(dòng)，相當(dāng)于粗調(diào)開關(guān)。trp操縱子中對(duì)應(yīng)于色氨酸生物合成的還有另一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)控,弱化作用。弱化作用是通過轉(zhuǎn)錄達(dá)到第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因之前的過早終止來實(shí)現(xiàn)的，由色氨酸的濃

56、度來調(diào)節(jié)。弱化子與前導(dǎo)肽第95頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四L區(qū)編碼了前導(dǎo)肽，當(dāng)有高濃度Trp存在時(shí)，由于弱化子a的作用，轉(zhuǎn)錄迅速減弱停止，生成140核苷酸的前導(dǎo)RNA；當(dāng)Trp濃度較低時(shí)，弱化子不起作用，轉(zhuǎn)錄得以正常進(jìn)行，生成長約7kb的mRNA，操縱子中第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因的起始密碼子AUG在+163處.前導(dǎo)肽第96頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四前導(dǎo) RNA 結(jié)構(gòu) 前導(dǎo) RNA 結(jié)構(gòu)包含4個(gè)互補(bǔ)的區(qū) (序列 1,2,3,4)第97頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四第98頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期

57、四第四節(jié) 阿拉伯糖操縱子(arabinose operon)第99頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四The arabinose operon features a single protein which acts as both a positive and a negative transcriptional regulator, depending upon the binding of particular ligands (Figure 26.39).阿拉伯糖操縱子(arabinose operon),在葡萄糖饋乏時(shí),它能利用阿拉伯糖作為能源。阿拉伯糖C基因編碼

58、一種C蛋白,它能激活阿拉伯糖BAD操縱子的轉(zhuǎn)錄,此操縱子由araB,araA及araD基因組成。第100頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四 第五節(jié) 阻遏蛋白Lex A的降解與細(xì)菌的SOS應(yīng)答 當(dāng)細(xì)菌DNA遭到較大破壞時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)會(huì)啟動(dòng)一個(gè)稱為SOS的誘導(dǎo)型DNA修復(fù)系統(tǒng) 。參與SOS DNA修復(fù)系統(tǒng)的許多基因分散在染色體的各個(gè)部位，同時(shí)受LexA 阻遏蛋白的抑制，平時(shí)表達(dá)水平很低。SOS體系的誘導(dǎo)表達(dá)過程其實(shí)就是把LexA 阻遏蛋白從基因的上游調(diào)控區(qū)移開的過程。第101頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四Lex A repressor binds to a site where RNA polymerase binds, and thereby prevents transcription of SOS genesLexA binding site-35 -10 mRNARNA pol. binding sitesSOS gene第102頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四第103頁，共112頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)1分，星期四The SOS regulon30多個(gè)基因