7-原核生物基因表達(dá)調(diào)控課件

7基因的表達(dá)與調(diào)控（上）

——原核基因表達(dá)調(diào)控模式11/26/202217基因的表達(dá)與調(diào)控（上）

——原核基因表達(dá)調(diào)控11/26/2022211/25/202227.1原核基因表達(dá)調(diào)控總論基因表達(dá)（geneexpression）

：指基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子或RNA產(chǎn)物的過程。對(duì)這個(gè)過程的調(diào)節(jié)稱為基因表達(dá)調(diào)控（generegulation或genecontrol）組成型基因(constitutivegenes)調(diào)控型基因(regulatedgenes)11/26/202237.1原核基因表達(dá)調(diào)控總論基因表達(dá)（geneexpres組成型基因(constitutivegenes)又稱管家基因(housekeepinggenes)是維持細(xì)胞生存必需的一類基因，在各類細(xì)胞中都處于活性狀態(tài)。

管家基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，這類基因表達(dá)只受啟動(dòng)程序或啟動(dòng)子與RNA聚合酶相互作用的影響，而不受其它機(jī)制的調(diào)節(jié)。管家基因的表達(dá)水平不同，但無論水平高低，它們都較少受環(huán)境變化的影響，而且在個(gè)體各個(gè)不同的生長階段幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很少。由于:（1）啟動(dòng)子的天然效率，靠它制造mRNA；（2）核糖體閱讀信使的速度；（3）其信使被核酸酶降解的敏感性（mRNA的壽命）。11/26/20224組成型基因(constitutivegenes)調(diào)控型基因(regulatedgenes)又稱奢侈基因(luxurygenes)在不同組織細(xì)胞中選擇表達(dá)的基因。根據(jù)細(xì)胞生長、發(fā)育的需要或環(huán)境因素的改變，其活性受到調(diào)控。11/26/20225調(diào)控型基因(regulatedgenes)又稱奢侈基因(l11/26/2022611/25/20226基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptionalregulation)；轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptionalregulation），包括①mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(differentialprocessingofRNAtranscript)；②翻譯水平上的調(diào)控(differentialtranslationofmRNA)。11/26/20227基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：11/25/20指揮基因調(diào)控的信號(hào)原核生物：營養(yǎng)狀況、環(huán)境因素真核生物：激素水平、發(fā)育階段11/26/20228指揮基因調(diào)控的信號(hào)11/25/20228基因表達(dá)調(diào)控的時(shí)間性和空間性11/26/20229基因表達(dá)調(diào)控的時(shí)間性和空間性11/25/202297.1.1原核基因調(diào)控分類

原核生物的基因調(diào)控主要是轉(zhuǎn)錄調(diào)控，包括負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控和正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。正調(diào)控（positivecontrol）：

在操縱子中，結(jié)構(gòu)基因本來不表達(dá)，可當(dāng)調(diào)節(jié)蛋白（無輔基誘導(dǎo)蛋白）出現(xiàn)時(shí)，使該結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行表達(dá)。這樣的調(diào)控叫正調(diào)控。負(fù)調(diào)控（negativecontrol）：在操縱子中，結(jié)構(gòu)基因本來是表達(dá)的，當(dāng)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白）出現(xiàn)時(shí)，使該結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)。這樣的調(diào)控叫負(fù)調(diào)控。11/26/2022107.1.1原核基因調(diào)控分類原核生物的基因調(diào)控在正調(diào)控中，反式作用因子必須結(jié)合在順式作用元件上以促進(jìn)RNA聚合酶在啟動(dòng)子位置起始轉(zhuǎn)錄。11/26/202211在正調(diào)控中，反式作用因子必須結(jié)合在順式作用元件上以促在負(fù)調(diào)控系統(tǒng)中，阻遏物結(jié)合在順式作用元件上以阻止轉(zhuǎn)錄。11/26/202212在負(fù)調(diào)控系統(tǒng)中，阻遏物結(jié)合在順式作用元件上以阻止轉(zhuǎn)錄。11/順式作用元件（cis-actingelement）：DNA元件是指DNA上的一段序列，它只能作用于同一條DNA，故稱為順式作用元件。結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）：編碼RNA或蛋白產(chǎn)物的基因，如酶和結(jié)構(gòu)蛋白的基因，叫結(jié)構(gòu)基因。11/26/202213順式作用元件（cis-actingele調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）：編碼的產(chǎn)物能夠調(diào)節(jié)其他基因的表達(dá)，這樣的基因叫調(diào)節(jié)基因。調(diào)節(jié)蛋白（regulatoryprotein）：調(diào)節(jié)基因的表達(dá)產(chǎn)物，叫調(diào)節(jié)蛋白。包括正調(diào)節(jié)蛋白，又叫激活蛋白（activator）；負(fù)調(diào)節(jié)蛋白，又叫阻遏蛋白(repressor)。由于調(diào)節(jié)蛋白（RNA）能夠自由地與其相應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，故又稱為反式作用因子（trans-actingelement）。11/26/202214調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）：編碼的產(chǎn)物能夠調(diào)負(fù)調(diào)控根據(jù)作用特征負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏正調(diào)控根據(jù)作用特征正控誘導(dǎo)正控阻遏11/26/202215負(fù)調(diào)控根據(jù)作用特征負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏正調(diào)控根據(jù)作用特征正控誘導(dǎo)細(xì)菌中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控體系。a.負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)；b.正控誘導(dǎo)系統(tǒng)；c.負(fù)控阻遏系統(tǒng)；d.正控阻遏系統(tǒng)。11/26/202216細(xì)菌中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控體系。11/25/2022167.1.2原核基因調(diào)控的主要特點(diǎn)可誘導(dǎo)的調(diào)控：在可誘導(dǎo)的操縱子中，加入對(duì)基因表達(dá)有調(diào)節(jié)作用的小分子物質(zhì)（誘導(dǎo)物），則開啟基因的轉(zhuǎn)錄活性?？勺瓒舻恼{(diào)控：在可阻遏的操縱子中，加入對(duì)基因表達(dá)有調(diào)節(jié)作用的小分子物質(zhì)（輔阻遏物），則關(guān)閉基因的轉(zhuǎn)錄活性。11/26/2022177.1.2原核基因調(diào)控的主要特點(diǎn)可誘導(dǎo)的調(diào)控：在可誘導(dǎo)的操7.2操縱子學(xué)說（theoryofoperon）1940年，Monod發(fā)現(xiàn)：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時(shí)，細(xì)菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗盡后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細(xì)菌的生長會(huì)出現(xiàn)停頓，即產(chǎn)生“二次生長曲線”。11/26/2022187.2操縱子學(xué)說（theoryofoperon）194乳糖對(duì)－半乳糖苷酶的合成有誘導(dǎo)作用。葡萄糖對(duì)－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。11/26/202219乳糖對(duì)－半乳糖苷酶的合成有誘導(dǎo)作用。11/25/20221

由法國科學(xué)家Jacob和Monod于1960年提出的一個(gè)有關(guān)原核基因表達(dá)調(diào)控的模型——操縱子模型。獲得1965年諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965."fortheirdiscoveriesconcerninggeneticcontrolofenzyme"11/26/202220由法國科學(xué)家Jacob和Monod于11.基本概念(Keytermsdefinedinthissection)

◆操縱子（operon）：原核生物中幾個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列組成的一個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同單位（DNA序列）。一個(gè)操縱子＝編碼序列（2-6）+啟動(dòng)序列+操縱序列+(其他調(diào)節(jié)序列)結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子操縱序列其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)11/26/2022211.基本概念(Keytermsdefinedint11/26/20222211/25/20222211/26/20222311/25/2022232.乳糖操縱子（1）乳糖操縱子（lactoseopron）結(jié)構(gòu)大腸桿菌乳糖操縱子是一種可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控系統(tǒng)。大腸桿菌乳糖操縱子（lactoseoperon）包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：Z、Y和A，以及啟動(dòng)子、控制子和阻遏子等。轉(zhuǎn)錄的調(diào)控是在啟動(dòng)區(qū)和操縱區(qū)進(jìn)行的。11/26/2022242.乳糖操縱子（1）乳糖操縱子（lactoseopron乳糖操縱子（lactoseopron）結(jié)構(gòu)IPOZYA調(diào)控基因控制位點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因DNA阻遏蛋白啟動(dòng)序列cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)操縱序列β半乳糖苷酶通透酶乙?；D(zhuǎn)移酶RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)（－67~－59）（－7~＋28）11/26/202225乳糖操縱子（lactoseopron）結(jié)構(gòu)IPOZYA調(diào)11/26/20222611/25/202226

Z——β-半乳糖苷酶；Y——β-半乳糖苷透過酶；A——β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶。

β-半乳糖苷酶是一種β-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外，還能水解其他β-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。

β-半乳糖苷透過酶的作用是使外界的β-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)。

β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶的作用是把乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。11/26/202227Z——β-半乳糖苷酶；Y——β-半乳糖操縱基因的鑒定（foot-printing）1）P-O區(qū)FootprintingidentifiesDNA-bindingsitesforproteinsbytheirprotectionagainstnicking.

11/26/202228操縱基因的鑒定（foot-printing）1）P-O區(qū)F內(nèi)切酶

SDSSDS11/26/202229內(nèi)切酶SDS操縱基因的結(jié)構(gòu)Thelacoperatorhasasymmetricalsequence.Thesequenceisnumberedrelativetothestartpointfortranscriptionat+1.Theregionsofdyadsymmetryareindicatedbytheshadedblocks.11/26/202230操縱基因的結(jié)構(gòu)Thelacoperatorhas操縱基因的位置11/26/202231操縱基因的位置11/25/202231Operatorsmaylieatvariouspositionsrelativetothepromoter.11/26/202232OperatorsmaylieatvariouspFigure9.10RNApolymeraseinitiallycontactstheregionfrom-55to+20.Whensigmadissociates,thecoreenzymecontractsto-30;whentheenzymemovesafewbasepairs,itbecomesmorecompactlyorganizedintothegeneralelongationcomplex.

11/26/202233Figure9.10RNApolymeraseiniPromotor:-84+1Operator:-7+28兩者有7bp重疊，使這段序列可能無法同時(shí)結(jié)合RNA聚合酶和阻遏蛋白，也可能雖然可以同時(shí)結(jié)合，但無法形成開放的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。11/26/202234Promotor:-84+111/25/11/26/20223511/25/2022352）Lac阻遏物的作用負(fù)調(diào)控調(diào)節(jié)蛋白的基本結(jié)構(gòu)11/26/2022362）Lac阻遏物的作用負(fù)調(diào)控調(diào)節(jié)蛋白的基本結(jié)構(gòu)11/2Figure10.14Thecrystal(晶體)structureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.

11/26/202237Figure10.14Thecrystal(晶體)sFigure10.15InducerchangesthestructureofthecoresothattheheadpiecesofarepressordimerarenolongerinanorientationthatpermitsbindingtoDNA.11/26/202238Figure10.15Inducerchangest11/26/20223911/25/20223911/26/20224011/25/2022402）Lac阻遏物的作用負(fù)調(diào)控11/26/2022412）Lac阻遏物的作用負(fù)調(diào)控11/25/202241Lac阻遏物的作用負(fù)調(diào)控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)阻遏基因11/26/202242Lac阻遏物的作用負(fù)調(diào)控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAmRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖別乳糖β-半乳糖苷酶11/26/202243mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄11/26/20224411/25/20224411/26/20224511/25/202245安慰誘導(dǎo)物gratuitousinducer：能高效誘導(dǎo)酶的合成但不被所誘導(dǎo)的酶分解的分子。如：IPTG（異丙基硫代半乳糖苷）11/26/202246安慰誘導(dǎo)物gratuitousinducer：能高效誘3、乳糖操縱子學(xué)說（LacOperonTheory）一個(gè)或幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因與一個(gè)調(diào)節(jié)基因和一個(gè)操縱基因組成一個(gè)操縱子。調(diào)節(jié)基因編碼調(diào)節(jié)蛋白，調(diào)節(jié)蛋白與操縱基因結(jié)合，從而調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。乳糖為誘導(dǎo)物。當(dāng)有乳糖存在時(shí)，乳糖與有活性的調(diào)節(jié)蛋白（阻遏物）結(jié)合時(shí)，阻遏物失活，則不能與操縱基因結(jié)合，解除對(duì)β-半乳糖苷酶基因（結(jié)構(gòu)基因）的抑制，開始表達(dá)。如果去掉乳糖時(shí)，阻遏物又恢復(fù)其活力，與操縱基因DNA結(jié)合，將三個(gè)結(jié)構(gòu)基因關(guān)閉。

但這種關(guān)閉或開啟并不是100%！11/26/2022473、乳糖操縱子學(xué)說（LacOperonTheory）11/26/20224811/25/2022484、CAP-cAMP復(fù)合物在乳糖操縱子表達(dá)中的作用

——乳糖操縱子的正調(diào)控11/26/2022494、CAP-cAMP復(fù)合物在乳糖操縱子表達(dá)中的作用

某大腸桿菌突變體，它不能將葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，該細(xì)菌的lac基因能在葡萄糖存在時(shí)被誘導(dǎo)合成。所以，不是葡萄糖而是它的某些降解產(chǎn)物抑制lacmRNA的合成，科學(xué)上把葡萄糖的這種效應(yīng)稱之為代謝物阻遏效應(yīng)（cataboliterepression）。1965年，Sutherland發(fā)現(xiàn)大腸桿菌培養(yǎng)液中葡萄糖的含量總是與cAMP含量成反比。1968年，發(fā)現(xiàn)大腸桿菌培養(yǎng)液中加入cAMP可增加半乳糖苷酶的產(chǎn)量。11/26/202250某大腸桿菌突變體，它不能將葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為下一步代謝中cAMP與代謝物激活蛋白cAMP是在腺苷酸環(huán)化酶的作用下由ATP轉(zhuǎn)變而來的，在真核生物的激素調(diào)節(jié)過程中也起著十分重要的作用。將細(xì)菌放在含葡萄糖的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，cAMP的濃度就低；如果培養(yǎng)基中只有甘油或乳糖等不進(jìn)行糖酵解途徑的碳源，cAMP的濃度就會(huì)很高。11/26/202251cAMP與代謝物激活蛋白cAMP是在腺苷酸環(huán)化酶的作用下由A11/26/20225211/25/202252大腸桿菌中的代謝物激活蛋白，由Crp基因編碼，能與cAMP形成復(fù)合物。CRP和cAMP都是合成lacmRNA所必需的，cAMP-CRP是一個(gè)不同于阻遏物的正調(diào)控因子，而lac操縱子的功能是在這兩個(gè)相互獨(dú)立的調(diào)控體系作用下實(shí)現(xiàn)的。11/26/202253大腸桿菌中的代謝物激活蛋白，由Crp基因編碼，能與cAMP形CAP的作用機(jī)制cAMP-CAP通過與RNA聚合酶α亞基CTD相互作用，促進(jìn)RNA聚合酶同啟動(dòng)子的結(jié)合。cAMP-CAP結(jié)合DNA后，使其彎曲。使RNA聚合酶結(jié)合更緊密，也促進(jìn)了cAMP-CAP同RNA聚合酶的結(jié)合，有利于形成開放型起始復(fù)合物，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄起始。11/26/202254CAP的作用機(jī)制cAMP-CAP通過與RNA聚合酶α亞基CTCAP-cAMP激活作用的模型11/26/202255CAP-cAMP激活作用的模型11/25/202255促進(jìn)RNA聚合酶對(duì)-35和-10序列的識(shí)別和結(jié)合，有利于形成開放型起始復(fù)合物CAP11/26/202256促進(jìn)RNA聚合酶對(duì)-35和-10序列的識(shí)別和結(jié)合，有利于形成11/26/20225711/25/20225711/26/20225811/25/202258lac操縱子正負(fù)調(diào)控的協(xié)調(diào)作用兩種調(diào)控機(jī)制根據(jù)存在的C源性質(zhì)和水平協(xié)調(diào)的調(diào)節(jié)lac操縱子的表達(dá)。負(fù)調(diào)控：受乳糖和阻遏蛋白調(diào)節(jié)正調(diào)控：受cAMP和CAP調(diào)節(jié)11/26/202259lac操縱子正負(fù)調(diào)控的協(xié)調(diào)作用兩種調(diào)無乳糖:阻遏蛋白結(jié)合于操縱基因，轉(zhuǎn)錄不能起始。有乳糖:阻遏蛋白失活，轉(zhuǎn)錄起始。有葡萄糖:cAMP↓，CAP失活，不能激活基因轉(zhuǎn)錄，lac操縱子本底水平轉(zhuǎn)錄。有乳糖:阻遏蛋白失活，轉(zhuǎn)錄起始。無葡萄糖:CAP活化，激活基因轉(zhuǎn)錄，lac操縱子高水平轉(zhuǎn)錄。11/26/202260無乳糖:阻遏蛋白結(jié)合于操縱基因，轉(zhuǎn)錄不能起始。有乳糖:阻遏蛋7.3色氨酸（Trp）操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)色氨酸合成步驟trpE&trpG——鄰氨基苯甲酸合酶；trpD——鄰氨基苯甲酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶；trpF——異構(gòu)酶；trpC——吲哚甘油磷酸合酶；trpA、trpB則分別編碼色氨酸合酶的α和β亞基。11/26/2022617.3色氨酸（Trp）操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)色氨酸合成步驟111/26/20226211/25/202262Trp操縱子是合成代謝途徑中最具代表性的例子。它控制著5個(gè)結(jié)構(gòu)基因（編碼3種酶）的表達(dá)，分別為trpE，D（鄰氨基苯甲酸合成酶），C（吲哚甘油硼酸合成酶），B、A（色氨酸合成酶B鏈和A鏈）。當(dāng)色氨酸低或缺乏時(shí)，這5個(gè)鄰近的基因才開始轉(zhuǎn)錄成mRNA。

11/26/202263Trp操縱子是合成代謝途徑中最具代表性的例子。它控制1.結(jié)構(gòu)與功能Figure10.41trp操縱子包含5個(gè)相鄰的結(jié)構(gòu)基因，這五個(gè)結(jié)構(gòu)基因上游是前導(dǎo)序列、操縱基因、啟動(dòng)子序列和衰減子。11/26/2022641.結(jié)構(gòu)與功能Figure10.41trp操縱子包含結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）阻遏物基因trpR和結(jié)構(gòu)基因trpEDCBA不緊密連鎖；（2）操縱基因在啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)；（3）啟動(dòng)子、操縱基因不直接和結(jié)構(gòu)基因毗鄰，而和前導(dǎo)序列直接相連；（4）有衰減子結(jié)構(gòu)。在合成代謝的操縱子的前導(dǎo)區(qū)內(nèi)，存在著類似終止子結(jié)構(gòu)的一段DNA序列，該序列可以輔助阻遏作用，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控，故稱為衰減子（attenuator）。由于Trp操縱子是一個(gè)合成體系，與糖的分解代謝無關(guān)，所以，與Glu的存在與否沒有關(guān)系，也就不存在cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)。11/26/202265結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）阻遏物基因trpR和結(jié)構(gòu)基因trp2.調(diào)控方式——可阻遏的負(fù)調(diào)控trpRmRNAA:B:無活性mRNAsTrptrpRmRNARNApol11/26/2022662.調(diào)控方式——可阻遏的負(fù)調(diào)控trpRmRNAA:B:無活3.衰減作用經(jīng)測(cè)序后發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因（trpE）的5’-端有一個(gè)長160bp的前導(dǎo)序列（leadersequence）。當(dāng)此序列缺失130~160bp時(shí)，mRNA總是最高水平的（6-10倍）。而當(dāng)trp存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄總是在這個(gè)區(qū)域終止，產(chǎn)生一個(gè)僅有140個(gè)核苷酸的RNA分子，終止trp基因轉(zhuǎn)錄。。因?yàn)檗D(zhuǎn)錄終止發(fā)生在這一區(qū)域，并且這種終止是被調(diào)節(jié)的，這個(gè)區(qū)域就被稱為弱化子。11/26/2022673.衰減作用經(jīng)測(cè)序后發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因（tr?前導(dǎo)肽（Leaderpeptide）：推測(cè)前導(dǎo)區(qū)mRNA可編碼14個(gè)氨基酸組成的多肽，其中第10和第11位均為色氨酸。?有四個(gè)富含GC的區(qū)段，相鄰的區(qū)段之間可形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)。11/26/202268?前導(dǎo)肽（Leaderpeptide）：推測(cè)前導(dǎo)區(qū)mRNA弱化子（attenuator）：一段位于結(jié)構(gòu)基因上游前導(dǎo)區(qū)，具有終止子結(jié)構(gòu)的短序列，通過前導(dǎo)序列轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA形成類似于終止子的二級(jí)結(jié)構(gòu)，達(dá)到轉(zhuǎn)錄終止的目的。11/26/202269弱化子（attenuator）：一段位于結(jié)構(gòu)基因上游前表.衰減子控制的氨基酸合成的操縱子中前導(dǎo)肽的氨基酸序列操縱子前導(dǎo)肽的氨基酸序列色氨酸MetLysAlaIlePheValLysGlyTrpTrpArgThrSer蘇氨酸MetLysArgIleSerThrThrIleThrThrThrIleThrIleThrThrGlyAsnGlyAlaGly組氨酸MetThrArgValGlnPheLysHisHisHisHisHisHisHisProAsp異亮氨酸MetThrAlaLeuLeuArgValIleSerLeuValValIleSerValValVaLIle·纈氨酸GEDA

…

IleIleProProCysGlyAlaAlaLeuGlyArgGlyLysAla…亮氨酸MetSerHisIleValArgPheThrGlyLeuLeuLeuLeuAsnAlaPheIleVei…

…ArgGlyArgProValGlyGlyIleGlnHis苯丙氨酸MetLysHisIleProPhePhePheAlaPhePhePheThrPhePro異亮氨酸-纈氨酸B

MetThrThrSerMetLeuAsnAlaLysLeuLeuProThrAlaProSerAla…

…AlaValValValValArgValValValVaLValGlyAsnAlaPro11/26/202270表.衰減子控制的氨基酸合成的操縱子中前導(dǎo)肽的氨基酸序11/26/20227111/25/20227111/26/20227211/25/202272

高Trp時(shí)：Trp-tRNATrp存在

核糖體通過片段1(2個(gè)Trp密碼子)

封閉片段2

片段3，4形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)

類似于不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止序列RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄,產(chǎn)生衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián),產(chǎn)生前導(dǎo)肽11/26/202273高Trp時(shí)：Trp-tRNATrp存在轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián),

低Trp時(shí)：Trp-tRNATrp沒有供應(yīng)核糖體翻譯停止在片段1

（2個(gè)Trp密碼子）

片段2，3形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)錄不終止

RNA聚合酶繼續(xù)轉(zhuǎn)錄11/26/202274低Trp時(shí)：Trp-tRNATrp沒有供應(yīng)1111/26/20227511/25/202275衰減子調(diào)控系統(tǒng)的生物學(xué)意義：（1）活性阻遏物與非活性阻遏物之間的轉(zhuǎn)換可能較慢，而tRNA的荷載與否可能更快捷；（2）氨基酸的主要用途是合成蛋白質(zhì)，所以，以tRNA的荷載情況為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行調(diào)控可能更為合適；（3）阻遏蛋白與衰減子共同作用，提高了效率，避免了氨基酸的浪費(fèi)。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)氨基酸高于某一水平時(shí)，可完全實(shí)現(xiàn)阻遏；而低于該水平時(shí)，則啟用衰減子進(jìn)行微細(xì)調(diào)控。某些氨基酸操縱子僅使用衰減子即可實(shí)現(xiàn)調(diào)控。11/26/202276衰減子調(diào)控系統(tǒng)的生物學(xué)意義：（1）活性阻遏物與非活性阻遏物之7.4阿拉伯糖操縱子（ArabinoseOperon）

阿拉伯糖操縱子是調(diào)控阿拉伯糖分解代謝所需酶系的操縱子。它具有正調(diào)控和負(fù)調(diào)控的功能。參與阿拉伯糖分解代謝的酶系共由三個(gè)操縱子編碼，這三個(gè)操縱子分別是：araBAD、araE和araF。它們由一個(gè)共同的araC調(diào)節(jié)基因進(jìn)行調(diào)控。（1）araBAD：包括三個(gè)基因：araB、araA和araD。分別編碼L-核酮糖激酶、L-阿拉伯糖異構(gòu)酶和L-核酮糖-5-磷酸-4-表面異構(gòu)酶。（2）araE和araF：編碼膜結(jié)合蛋白，與阿拉伯糖的結(jié)合與轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。11/26/2022777.4阿拉伯糖操縱子（ArabinoseOperon）1.結(jié)構(gòu)與功能araCaraO2araO1/PcaraIParaBaraAaraDC蛋白mRNA

mRNAKinaseIsomeraseEpimerase阿拉伯糖核酮糖核酮糖-5-P木酮糖-5-P11/26/2022781.結(jié)構(gòu)與功能araCaraO2araO1/PcaraI（1）C蛋白具有雙功能：它單獨(dú)與araO1(-100~-144bp)結(jié)合，起阻遏作用，包括其自身的表達(dá)；C與阿拉伯糖結(jié)合形成Cind復(fù)合物，即誘導(dǎo)型C蛋白。它結(jié)合在araI區(qū)(-40~-78bp)，使RNA聚合酶結(jié)合于PBAD位點(diǎn)（+40bp），轉(zhuǎn)錄B、A和D三個(gè)基因。（2）C蛋白的兩種狀態(tài)：Cind和Crep，功能不同，結(jié)合的位點(diǎn)也不同。前者結(jié)合于araI，后者結(jié)合于araO1和araO2。（3）C蛋白還可以調(diào)節(jié)分散的基因：araE和araF。SonamedRegulon。（4）有兩個(gè)啟動(dòng)子：PC和PBAD。PC啟動(dòng)子與araO1重疊。11/26/202279（1）C蛋白具有雙功能：它單獨(dú)與araO1(-100~-142.調(diào)控方式（1）當(dāng)存在Ara和Glu時(shí)，araC轉(zhuǎn)錄少量C蛋白并與araO1結(jié)合，反饋性抑制araC的轉(zhuǎn)錄。（2）當(dāng)有Ara而無Glu時(shí)，Ara可作為糖源。此時(shí)Ara與少量的C蛋白結(jié)合，形成誘導(dǎo)型C蛋白Cind，它作為正調(diào)控因子與araI結(jié)合，促進(jìn)了araPBAD的轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生了3種酶，促進(jìn)Ara的分解。（3）當(dāng)無Ara或用完后，C蛋白（Crep

）與araO1結(jié)合，阻礙RNA聚合酶在此區(qū)域結(jié)合，關(guān)閉操縱子；或與araI和araO2

結(jié)合，形成環(huán)狀，阻遏了PBAD和PC啟動(dòng)。11/26/2022802.調(diào)控方式（1）當(dāng)存在Ara和Glu時(shí)，araCaraDaraAaraBPBADCindAracAMPCAPRNApolaraDaraAaraBaraO2araIA:

誘導(dǎo)B:阻遏CC

CC+1-100-200-30011/26/202281araDaraAaraBPBADCindAracAMP7.5翻譯水平的調(diào)控7.5.1翻譯的自我調(diào)控1、翻譯產(chǎn)物的蛋白質(zhì)作為調(diào)控分子，直接結(jié)合在mRNA的翻譯起始位點(diǎn)，調(diào)節(jié)翻譯的效率，如核糖體蛋白。11/26/2022827.5翻譯水平的調(diào)控7.5.1翻譯的自我調(diào)控11/25/在核糖體組裝時(shí)，與rRNA結(jié)合的蛋白為關(guān)鍵蛋白，它對(duì)核糖體蛋白的合成起調(diào)控作用。每一個(gè)操縱子編碼自己的關(guān)鍵蛋白，它抑制整個(gè)操縱子的表達(dá)。11/26/202283在核糖體組裝時(shí)，與rRNA結(jié)合的蛋白為關(guān)鍵蛋白，它

某種r蛋白合成過快時(shí)，r蛋白可與其模板mRNA上的SD序列結(jié)合，而使其不能與核糖體結(jié)合，導(dǎo)致mRNA的降解而使這種r蛋白合成速度降低。11/26/202284某種r蛋白合成過快時(shí)，r蛋白可與其模板mRN11/26/20228511/25/2022852、mRNA形成特定的二級(jí)結(jié)構(gòu)，起調(diào)控作用。11/26/2022862、mRNA形成特定的二級(jí)結(jié)構(gòu)，起調(diào)控作用。11/25/211/26/20228711/25/2022873.重疊基因?qū)Ψg的影響重疊的密碼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。偶聯(lián)翻譯是保證兩個(gè)基因產(chǎn)物在數(shù)量上相等的重要手段。A基因B基因A基因終止密碼子與B基因的起始密碼子重疊11/26/2022883.重疊基因?qū)Ψg的影響重疊的密碼保證了同一核糖體對(duì)兩個(gè)連trp操縱子trpE基因與trpD基因的翻譯偶聯(lián)機(jī)制trpE－蘇氨酸－苯丙氨酸－終止ACUUUCUGAUGGCUAUGGCU甲硫氨酸－丙氨酸－trpD11/26/202289trp操縱子trpE基因與trpD基因的翻譯偶聯(lián)機(jī)制trpE4、稀有密碼子對(duì)翻譯的影響11/26/2022904、稀有密碼子對(duì)翻譯的影響11/25/202290實(shí)驗(yàn)證據(jù)RNA引物由dnaG基因編碼的引物酶催化合成；dnaG、rpoD及rpsU屬于大腸桿菌基因組上的同一個(gè)操縱子；基因轉(zhuǎn)錄出來的三個(gè)蛋白相應(yīng)的mRNA拷貝數(shù)大體相同，由于翻譯的調(diào)控使得蛋白的拷貝數(shù)發(fā)生了很大的變化。11/26/202291實(shí)驗(yàn)證據(jù)11/25/202291由于細(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。11/26/202292由于細(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5、反義RNA的調(diào)節(jié)作用反義RNA（antisenseRNA）：能與mRNA互補(bǔ)結(jié)合，從而阻斷mRNA翻譯的RNA分子11/26/2022935、反義RNA的調(diào)節(jié)作用反義RNA（antisenseRNmRNA5’反義RNAAUG+1S-D3’

以大腸桿菌外膜蛋白的表達(dá)為例，說明反義RNA的調(diào)控作用。大腸桿菌外膜蛋白有兩種：OmpC和OmpF。它們的表達(dá)受滲透壓的調(diào)節(jié)。滲透壓高：OmpC合成增多，OmpF的合成受到控制；滲透壓低：OmpF合成增多，OmpC的合成受到控制。11/26/202294mRNA5’反義RNAAUG+1S-D3’圖10.46滲透壓增加使EnvZ活化，該酶激活OmpR,OmpR引起micF和ompC的轉(zhuǎn)錄。micFRNA(174nt)與ompFmRNA的5’端互補(bǔ)，阻止ompFmRNA的轉(zhuǎn)錄。

11/26/202295圖10.4611/25/202295Figure10.45反義RNA可影響目標(biāo)RNA的功能和穩(wěn)定性。1）調(diào)控翻譯的起始；2）調(diào)控RNA的穩(wěn)定性；3）調(diào)控轉(zhuǎn)錄的終止。11/26/202296Figure10.45反義RNA可影響目標(biāo)RNA的Figure10.48AntisenseRNAcanbegeneratedbyreversingtheorientationofagenewithrespecttoitspromoter,andcananneal（退火）withthewild-typetranscripttoformduplexRNA.

11/26/202297Figure10.48AntisenseRNAcan6.魔斑核苷酸水平對(duì)翻譯的影響科學(xué)上，把培養(yǎng)基中營養(yǎng)缺乏，蛋白質(zhì)合成停止后，RNA合成也趨于停止這種現(xiàn)象稱為嚴(yán)緊控制（rel+）；反之則稱為松散控制（rel-）。研究發(fā)現(xiàn)，在氨基酸缺乏時(shí)，rel+菌株能合成鳥苷四磷酸（ppGpp）和五磷酸（pppGpp），而rel-菌則不能。11/26/2022986.魔斑核苷酸水平對(duì)翻譯的影響科學(xué)上，把培養(yǎng)基中營養(yǎng)缺乏，提問與解答環(huán)節(jié)QuestionsAndAnswers提問與解答環(huán)節(jié)謝謝聆聽·學(xué)習(xí)就是為了達(dá)到一定目的而努力去干,是為一個(gè)目標(biāo)去戰(zhàn)勝各種困難的過程,這個(gè)過程會(huì)充滿壓力、痛苦和挫折LearningIsToAchieveACertainGoalAndWorkHard,IsAProcessToOvercomeVariousDifficultiesForAGoal謝謝聆聽LearningIsToAchieveAC7基因的表達(dá)與調(diào)控（上）

——原核基因表達(dá)調(diào)控模式11/26/20221017基因的表達(dá)與調(diào)控（上）

——原核基因表達(dá)調(diào)控11/26/202210211/25/202227.1原核基因表達(dá)調(diào)控總論基因表達(dá)（geneexpression）

：指基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)分子或RNA產(chǎn)物的過程。對(duì)這個(gè)過程的調(diào)節(jié)稱為基因表達(dá)調(diào)控（generegulation或genecontrol）組成型基因(constitutivegenes)調(diào)控型基因(regulatedgenes)11/26/20221037.1原核基因表達(dá)調(diào)控總論基因表達(dá)（geneexpres組成型基因(constitutivegenes)又稱管家基因(housekeepinggenes)是維持細(xì)胞生存必需的一類基因，在各類細(xì)胞中都處于活性狀態(tài)。

管家基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，這類基因表達(dá)只受啟動(dòng)程序或啟動(dòng)子與RNA聚合酶相互作用的影響，而不受其它機(jī)制的調(diào)節(jié)。管家基因的表達(dá)水平不同，但無論水平高低，它們都較少受環(huán)境變化的影響，而且在個(gè)體各個(gè)不同的生長階段幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很少。由于:（1）啟動(dòng)子的天然效率，靠它制造mRNA；（2）核糖體閱讀信使的速度；（3）其信使被核酸酶降解的敏感性（mRNA的壽命）。11/26/2022104組成型基因(constitutivegenes)調(diào)控型基因(regulatedgenes)又稱奢侈基因(luxurygenes)在不同組織細(xì)胞中選擇表達(dá)的基因。根據(jù)細(xì)胞生長、發(fā)育的需要或環(huán)境因素的改變，其活性受到調(diào)控。11/26/2022105調(diào)控型基因(regulatedgenes)又稱奢侈基因(l11/26/202210611/25/20226基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptionalregulation)；轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptionalregulation），包括①mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(differentialprocessingofRNAtranscript)；②翻譯水平上的調(diào)控(differentialtranslationofmRNA)。11/26/2022107基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：11/25/20指揮基因調(diào)控的信號(hào)原核生物：營養(yǎng)狀況、環(huán)境因素真核生物：激素水平、發(fā)育階段11/26/2022108指揮基因調(diào)控的信號(hào)11/25/20228基因表達(dá)調(diào)控的時(shí)間性和空間性11/26/2022109基因表達(dá)調(diào)控的時(shí)間性和空間性11/25/202297.1.1原核基因調(diào)控分類

原核生物的基因調(diào)控主要是轉(zhuǎn)錄調(diào)控，包括負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控和正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。正調(diào)控（positivecontrol）：

在操縱子中，結(jié)構(gòu)基因本來不表達(dá)，可當(dāng)調(diào)節(jié)蛋白（無輔基誘導(dǎo)蛋白）出現(xiàn)時(shí)，使該結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行表達(dá)。這樣的調(diào)控叫正調(diào)控。負(fù)調(diào)控（negativecontrol）：在操縱子中，結(jié)構(gòu)基因本來是表達(dá)的，當(dāng)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白）出現(xiàn)時(shí)，使該結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)。這樣的調(diào)控叫負(fù)調(diào)控。11/26/20221107.1.1原核基因調(diào)控分類原核生物的基因調(diào)控在正調(diào)控中，反式作用因子必須結(jié)合在順式作用元件上以促進(jìn)RNA聚合酶在啟動(dòng)子位置起始轉(zhuǎn)錄。11/26/2022111在正調(diào)控中，反式作用因子必須結(jié)合在順式作用元件上以促在負(fù)調(diào)控系統(tǒng)中，阻遏物結(jié)合在順式作用元件上以阻止轉(zhuǎn)錄。11/26/2022112在負(fù)調(diào)控系統(tǒng)中，阻遏物結(jié)合在順式作用元件上以阻止轉(zhuǎn)錄。11/順式作用元件（cis-actingelement）：DNA元件是指DNA上的一段序列，它只能作用于同一條DNA，故稱為順式作用元件。結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）：編碼RNA或蛋白產(chǎn)物的基因，如酶和結(jié)構(gòu)蛋白的基因，叫結(jié)構(gòu)基因。11/26/2022113順式作用元件（cis-actingele調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）：編碼的產(chǎn)物能夠調(diào)節(jié)其他基因的表達(dá)，這樣的基因叫調(diào)節(jié)基因。調(diào)節(jié)蛋白（regulatoryprotein）：調(diào)節(jié)基因的表達(dá)產(chǎn)物，叫調(diào)節(jié)蛋白。包括正調(diào)節(jié)蛋白，又叫激活蛋白（activator）；負(fù)調(diào)節(jié)蛋白，又叫阻遏蛋白(repressor)。由于調(diào)節(jié)蛋白（RNA）能夠自由地與其相應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，故又稱為反式作用因子（trans-actingelement）。11/26/2022114調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）：編碼的產(chǎn)物能夠調(diào)負(fù)調(diào)控根據(jù)作用特征負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏正調(diào)控根據(jù)作用特征正控誘導(dǎo)正控阻遏11/26/2022115負(fù)調(diào)控根據(jù)作用特征負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏正調(diào)控根據(jù)作用特征正控誘導(dǎo)細(xì)菌中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控體系。a.負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)；b.正控誘導(dǎo)系統(tǒng)；c.負(fù)控阻遏系統(tǒng)；d.正控阻遏系統(tǒng)。11/26/2022116細(xì)菌中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控體系。11/25/2022167.1.2原核基因調(diào)控的主要特點(diǎn)可誘導(dǎo)的調(diào)控：在可誘導(dǎo)的操縱子中，加入對(duì)基因表達(dá)有調(diào)節(jié)作用的小分子物質(zhì)（誘導(dǎo)物），則開啟基因的轉(zhuǎn)錄活性。可阻遏的調(diào)控：在可阻遏的操縱子中，加入對(duì)基因表達(dá)有調(diào)節(jié)作用的小分子物質(zhì)（輔阻遏物），則關(guān)閉基因的轉(zhuǎn)錄活性。11/26/20221177.1.2原核基因調(diào)控的主要特點(diǎn)可誘導(dǎo)的調(diào)控：在可誘導(dǎo)的操7.2操縱子學(xué)說（theoryofoperon）1940年，Monod發(fā)現(xiàn)：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時(shí)，細(xì)菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗盡后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細(xì)菌的生長會(huì)出現(xiàn)停頓，即產(chǎn)生“二次生長曲線”。11/26/20221187.2操縱子學(xué)說（theoryofoperon）194乳糖對(duì)－半乳糖苷酶的合成有誘導(dǎo)作用。葡萄糖對(duì)－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。11/26/2022119乳糖對(duì)－半乳糖苷酶的合成有誘導(dǎo)作用。11/25/20221

由法國科學(xué)家Jacob和Monod于1960年提出的一個(gè)有關(guān)原核基因表達(dá)調(diào)控的模型——操縱子模型。獲得1965年諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965."fortheirdiscoveriesconcerninggeneticcontrolofenzyme"11/26/2022120由法國科學(xué)家Jacob和Monod于11.基本概念(Keytermsdefinedinthissection)

◆操縱子（operon）：原核生物中幾個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列組成的一個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同單位（DNA序列）。一個(gè)操縱子＝編碼序列（2-6）+啟動(dòng)序列+操縱序列+(其他調(diào)節(jié)序列)結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子操縱序列其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)11/26/20221211.基本概念(Keytermsdefinedint11/26/202212211/25/20222211/26/202212311/25/2022232.乳糖操縱子（1）乳糖操縱子（lactoseopron）結(jié)構(gòu)大腸桿菌乳糖操縱子是一種可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控系統(tǒng)。大腸桿菌乳糖操縱子（lactoseoperon）包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：Z、Y和A，以及啟動(dòng)子、控制子和阻遏子等。轉(zhuǎn)錄的調(diào)控是在啟動(dòng)區(qū)和操縱區(qū)進(jìn)行的。11/26/20221242.乳糖操縱子（1）乳糖操縱子（lactoseopron乳糖操縱子（lactoseopron）結(jié)構(gòu)IPOZYA調(diào)控基因控制位點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因DNA阻遏蛋白啟動(dòng)序列cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)操縱序列β半乳糖苷酶通透酶乙?；D(zhuǎn)移酶RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)（－67~－59）（－7~＋28）11/26/2022125乳糖操縱子（lactoseopron）結(jié)構(gòu)IPOZYA調(diào)11/26/202212611/25/202226

Z——β-半乳糖苷酶；Y——β-半乳糖苷透過酶；A——β-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶。

β-半乳糖苷酶是一種β-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外，還能水解其他β-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。

β-半乳糖苷透過酶的作用是使外界的β-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)。

β-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶的作用是把乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。11/26/2022127Z——β-半乳糖苷酶；Y——β-半乳糖操縱基因的鑒定（foot-printing）1）P-O區(qū)FootprintingidentifiesDNA-bindingsitesforproteinsbytheirprotectionagainstnicking.

11/26/2022128操縱基因的鑒定（foot-printing）1）P-O區(qū)F內(nèi)切酶

SDSSDS11/26/2022129內(nèi)切酶SDS操縱基因的結(jié)構(gòu)Thelacoperatorhasasymmetricalsequence.Thesequenceisnumberedrelativetothestartpointfortranscriptionat+1.Theregionsofdyadsymmetryareindicatedbytheshadedblocks.11/26/2022130操縱基因的結(jié)構(gòu)Thelacoperatorhas操縱基因的位置11/26/2022131操縱基因的位置11/25/202231Operatorsmaylieatvariouspositionsrelativetothepromoter.11/26/2022132OperatorsmaylieatvariouspFigure9.10RNApolymeraseinitiallycontactstheregionfrom-55to+20.Whensigmadissociates,thecoreenzymecontractsto-30;whentheenzymemovesafewbasepairs,itbecomesmorecompactlyorganizedintothegeneralelongationcomplex.

11/26/2022133Figure9.10RNApolymeraseiniPromotor:-84+1Operator:-7+28兩者有7bp重疊，使這段序列可能無法同時(shí)結(jié)合RNA聚合酶和阻遏蛋白，也可能雖然可以同時(shí)結(jié)合，但無法形成開放的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。11/26/2022134Promotor:-84+111/25/11/26/202213511/25/2022352）Lac阻遏物的作用負(fù)調(diào)控調(diào)節(jié)蛋白的基本結(jié)構(gòu)11/26/20221362）Lac阻遏物的作用負(fù)調(diào)控調(diào)節(jié)蛋白的基本結(jié)構(gòu)11/2Figure10.14Thecrystal(晶體)structureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.

11/26/2022137Figure10.14Thecrystal(晶體)sFigure10.15InducerchangesthestructureofthecoresothattheheadpiecesofarepressordimerarenolongerinanorientationthatpermitsbindingtoDNA.11/26/2022138Figure10.15Inducerchangest11/26/202213911/25/20223911/26/202214011/25/2022402）Lac阻遏物的作用負(fù)調(diào)控11/26/20221412）Lac阻遏物的作用負(fù)調(diào)控11/25/202241Lac阻遏物的作用負(fù)調(diào)控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)阻遏基因11/26/2022142Lac阻遏物的作用負(fù)調(diào)控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAmRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖別乳糖β-半乳糖苷酶11/26/2022143mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄11/26/202214411/25/20224411/26/202214511/25/202245安慰誘導(dǎo)物gratuitousinducer：能高效誘導(dǎo)酶的合成但不被所誘導(dǎo)的酶分解的分子。如：IPTG（異丙基硫代半乳糖苷）11/26/2022146安慰誘導(dǎo)物gratuitousinducer：能高效誘3、乳糖操縱子學(xué)說（LacOperonTheory）一個(gè)或幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因與一個(gè)調(diào)節(jié)基因和一個(gè)操縱基因組成一個(gè)操縱子。調(diào)節(jié)基因編碼調(diào)節(jié)蛋白，調(diào)節(jié)蛋白與操縱基因結(jié)合，從而調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。乳糖為誘導(dǎo)物。當(dāng)有乳糖存在時(shí)，乳糖與有活性的調(diào)節(jié)蛋白（阻遏物）結(jié)合時(shí)，阻遏物失活，則不能與操縱基因結(jié)合，解除對(duì)β-半乳糖苷酶基因（結(jié)構(gòu)基因）的抑制，開始表達(dá)。如果去掉乳糖時(shí)，阻遏物又恢復(fù)其活力，與操縱基因DNA結(jié)合，將三個(gè)結(jié)構(gòu)基因關(guān)閉。

但這種關(guān)閉或開啟并不是100%！11/26/20221473、乳糖操縱子學(xué)說（LacOperonTheory）11/26/202214811/25/2022484、CAP-cAMP復(fù)合物在乳糖操縱子表達(dá)中的作用

——乳糖操縱子的正調(diào)控11/26/20221494、CAP-cAMP復(fù)合物在乳糖操縱子表達(dá)中的作用

某大腸桿菌突變體，它不能將葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，該細(xì)菌的lac基因能在葡萄糖存在時(shí)被誘導(dǎo)合成。所以，不是葡萄糖而是它的某些降解產(chǎn)物抑制lacmRNA的合成，科學(xué)上把葡萄糖的這種效應(yīng)稱之為代謝物阻遏效應(yīng)（cataboliterepression）。1965年，Sutherland發(fā)現(xiàn)大腸桿菌培養(yǎng)液中葡萄糖的含量總是與cAMP含量成反比。1968年，發(fā)現(xiàn)大腸桿菌培養(yǎng)液中加入cAMP可增加半乳糖苷酶的產(chǎn)量。11/26/2022150某大腸桿菌突變體，它不能將葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為下一步代謝中cAMP與代謝物激活蛋白cAMP是在腺苷酸環(huán)化酶的作用下由ATP轉(zhuǎn)變而來的，在真核生物的激素調(diào)節(jié)過程中也起著十分重要的作用。將細(xì)菌放在含葡萄糖的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，cAMP的濃度就低；如果培養(yǎng)基中只有甘油或乳糖等不進(jìn)行糖酵解途徑的碳源，cAMP的濃度就會(huì)很高。11/26/2022151cAMP與代謝物激活蛋白cAMP是在腺苷酸環(huán)化酶的作用下由A11/26/202215211/25/202252大腸桿菌中的代謝物激活蛋白，由Crp基因編碼，能與cAMP形成復(fù)合物。CRP和cAMP都是合成lacmRNA所必需的，cAMP-CRP是一個(gè)不同于阻遏物的正調(diào)控因子，而lac操縱子的功能是在這兩個(gè)相互獨(dú)立的調(diào)控體系作用下實(shí)現(xiàn)的。11/26/2022153大腸桿菌中的代謝物激活蛋白，由Crp基因編碼，能與cAMP形CAP的作用機(jī)制cAMP-CAP通過與RNA聚合酶α亞基CTD相互作用，促進(jìn)RNA聚合酶同啟動(dòng)子的結(jié)合。cAMP-CAP結(jié)合DNA后，使其彎曲。使RNA聚合酶結(jié)合更緊密，也促進(jìn)了cAMP-CAP同RNA聚合酶的結(jié)合，有利于形成開放型起始復(fù)合物，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄起始。11/26/2022154CAP的作用機(jī)制cAMP-CAP通過與RNA聚合酶α亞基CTCAP-cAMP激活作用的模型11/26/2022155CAP-cAMP激活作用的模型11/25/202255促進(jìn)RNA聚合酶對(duì)-35和-10序列的識(shí)別和結(jié)合，有利于形成開放型起始復(fù)合物CAP11/26/2022156促進(jìn)RNA聚合酶對(duì)-35和-10序列的識(shí)別和結(jié)合，有利于形成11/26/202215711/25/20225711/26/202215811/25/202258lac操縱子正負(fù)調(diào)控的協(xié)調(diào)作用兩種調(diào)控機(jī)制根據(jù)存在的C源性質(zhì)和水平協(xié)調(diào)的調(diào)節(jié)lac操縱子的表達(dá)。負(fù)調(diào)控：受乳糖和阻遏蛋白調(diào)節(jié)正調(diào)控：受cAMP和CAP調(diào)節(jié)11/26/2022159lac操縱子正負(fù)調(diào)控的協(xié)調(diào)作用兩種調(diào)無乳糖:阻遏蛋白結(jié)合于操縱基因，轉(zhuǎn)錄不能起始。有乳糖:阻遏蛋白失活，轉(zhuǎn)錄起始。有葡萄糖:cAMP↓，CAP失活，不能激活基因轉(zhuǎn)錄，lac操縱子本底水平轉(zhuǎn)錄。有乳糖:阻遏蛋白失活，轉(zhuǎn)錄起始。無葡萄糖:CAP活化，激活基因轉(zhuǎn)錄，lac操縱子高水平轉(zhuǎn)錄。11/26/2022160無乳糖:阻遏蛋白結(jié)合于操縱基因，轉(zhuǎn)錄不能起始。有乳糖:阻遏蛋7.3色氨酸（Trp）操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)色氨酸合成步驟trpE&trpG——鄰氨基苯甲酸合酶；trpD——鄰氨基苯甲酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶；trpF——異構(gòu)酶；trpC——吲哚甘油磷酸合酶；trpA、trpB則分別編碼色氨酸合酶的α和β亞基。11/26/20221617.3色氨酸（Trp）操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)色氨酸合成步驟111/26/202216211/25/202262Trp操縱子是合成代謝途徑中最具代表性的例子。它控制著5個(gè)結(jié)構(gòu)基因（編碼3種酶）的表達(dá)，分別為trpE，D（鄰氨基苯甲酸合成酶），C（吲哚甘油硼酸合成酶），B、A（色氨酸合成酶B鏈和A鏈）。當(dāng)色氨酸低或缺乏時(shí)，這5個(gè)鄰近的基因才開始轉(zhuǎn)錄成mRNA。

11/26/2022163Trp操縱子是合成代謝途徑中最具代表性的例子。它控制1.結(jié)構(gòu)與功能Figure10.41trp操縱子包含5個(gè)相鄰的結(jié)構(gòu)基因，這五個(gè)結(jié)構(gòu)基因上游是前導(dǎo)序列、操縱基因、啟動(dòng)子序列和衰減子。11/26/20221641.結(jié)構(gòu)與功能Figure10.41trp操縱子包含結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）阻遏物基因trpR和結(jié)構(gòu)基因trpEDCBA不緊密連鎖；（2）操縱基因在啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)；（3）啟動(dòng)子、操縱基因不直接和結(jié)構(gòu)基因毗鄰，而和前導(dǎo)序列直接相連；（4）有衰減子結(jié)構(gòu)。在合成代謝的操縱子的前導(dǎo)區(qū)內(nèi)，存在著類似終止子結(jié)構(gòu)的一段DNA序列，該序列可以輔助阻遏作用，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控，故稱為衰減子（attenuator）。由于Trp操縱子是一個(gè)合成體系，與糖的分解代謝無關(guān)，所以，與Glu的存在與否沒有關(guān)系，也就不存在cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)。11/26/2022165結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）阻遏物基因trpR和結(jié)構(gòu)基因trp2.調(diào)控方式——可阻遏的負(fù)調(diào)控trpRmRNAA:B:無活性mRNAsTrptrpRmRNARNApol11/26/20221662.調(diào)控方式——可阻遏的負(fù)調(diào)控trpRmRNAA:B:無活3.衰減作用經(jīng)測(cè)序后發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因（trpE）的5’-端有一個(gè)長160bp的前導(dǎo)序列（leadersequence）。當(dāng)此序列缺失130~160bp時(shí)，mRNA總是最高水平的（6-10倍）。而當(dāng)trp存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄總是在這個(gè)區(qū)域終止，產(chǎn)生一個(gè)僅有140個(gè)核苷酸的RNA分子，終止trp基因轉(zhuǎn)錄。。因?yàn)檗D(zhuǎn)錄終止發(fā)生在這一區(qū)域，并且這種終止是被調(diào)節(jié)的，這個(gè)區(qū)域就被稱為弱化子。11/26/20221673.衰減作用經(jīng)測(cè)序后發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因（tr?前導(dǎo)肽（Leaderpeptide）：推測(cè)前導(dǎo)區(qū)mRNA可編碼14個(gè)氨基酸組成的多肽，其中第10和第11位均為色氨酸。?有四個(gè)富含GC的區(qū)段，相鄰的區(qū)段之間可形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)。11/26/2022168?前導(dǎo)肽（Leaderpeptide）：推測(cè)前導(dǎo)區(qū)mRNA弱化子（attenuator）：一段位于結(jié)構(gòu)基因上游前導(dǎo)區(qū)，具有終止子結(jié)構(gòu)的短序列，通過前導(dǎo)序列轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA形成類似于終止子的二級(jí)結(jié)構(gòu)，達(dá)到轉(zhuǎn)錄終止的目的。11/26/2022169弱化子（attenuator）：一段位于結(jié)構(gòu)基因上游前表.衰減子控制的氨基酸合成的操縱子中前導(dǎo)肽的氨基酸序列操縱子前導(dǎo)肽的氨基酸序列色氨酸MetLysAlaIlePheValLysGlyTrpTrpArgThrSer蘇氨酸MetLysArgIleSerThrThrIleThrThrThrIleThrIleThrThrGlyAsnGlyAlaGly組氨酸MetThrArgValGlnPheLysHisHisHisHisHisHisHisProAsp異亮氨酸MetThrAlaLeuLeuArgValIleSerLeuValValIleSerValValVaLIle·纈氨酸GEDA

…

IleIleProProCysGlyAlaAlaLeuGlyArgGlyLysAla…亮氨酸MetSerHisIleValArgPheThrGlyLeuLeuLeuLeuAsnAlaPheIleVei…

…ArgGlyArgProValGlyGlyIleGlnHis苯丙氨酸MetLysHisIleProPhePhePheAlaPhePhePheThrPhePro異亮氨酸-纈氨酸B

MetThrThrSerMetLeuAsnAlaLysLeuLeuProThrAlaProSerAla…

…AlaValValValValArgValValValVaLValGlyAsnAlaPro11/26/2022170表.衰減子控制的氨基酸合成的操縱子中前導(dǎo)肽的氨基酸序11/26/202217111/25/20227111/26/202217211/25/202272

高Trp時(shí)：Trp-tRNATrp存在

核糖體通過片段1(2個(gè)Trp密碼子)

封閉片段2

片段3，4形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)

類似于不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止序列RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄,產(chǎn)生衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián),產(chǎn)生前導(dǎo)肽11/26/2022173高Trp時(shí)：Trp-tRNATrp存在轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián),

低Trp時(shí)：Trp-tRNATrp沒有供應(yīng)核糖體翻譯停止在片段1

（2個(gè)Trp密碼子）

片段2，3形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)錄不終止

RNA聚合酶繼續(xù)轉(zhuǎn)錄11/26/2022174低Trp時(shí)：Trp-tRNATrp沒有供應(yīng)1111/26/202217511/25/202275衰減子調(diào)控系統(tǒng)的生物學(xué)意義：（1）活性阻遏物與非活性阻遏物之間的轉(zhuǎn)換可能較慢，而tRNA的荷載與否可能更快捷；（2）氨基酸的主要用途是合成蛋白質(zhì)，所以，以tRNA的荷載情況為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行調(diào)控可能更為合適；（3）阻遏蛋白與衰減子共同作用，提高了效率，避免了氨基酸的浪費(fèi)。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)氨基酸高于某一水平時(shí)，可完全實(shí)現(xiàn)阻遏；而低于該水平時(shí)，則啟用衰減子進(jìn)行微細(xì)調(diào)控。某些氨基酸操縱子僅使用衰減子即可實(shí)現(xiàn)調(diào)控。11/26/2022176衰減子調(diào)控系統(tǒng)的生物學(xué)意義：（1）活性阻遏物與非活性阻遏物之7.4阿拉伯糖操縱子（ArabinoseOperon）

阿拉伯糖操縱子是調(diào)控阿拉伯糖分解代謝所需酶系的操縱子。它具有正調(diào)控和負(fù)調(diào)控的功能。參與阿拉伯糖分解代謝的酶系共由三個(gè)操縱子編碼，這三個(gè)操縱子分別是：araBAD、araE和araF。它們由一個(gè)共同的araC調(diào)節(jié)基因進(jìn)行調(diào)控。（1）araBAD：包括三個(gè)基因：araB、araA和araD。分別編碼L-核酮糖激酶、L-阿拉伯糖異構(gòu)酶和L-核酮糖-5-磷酸-4-表面異構(gòu)酶。（2）araE和araF：編碼膜結(jié)合蛋白，與阿拉伯糖的結(jié)合與轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。11/26/20221777.4阿拉伯糖操縱子（ArabinoseOperon）1.結(jié)構(gòu)與功能araCaraO2araO1/PcaraIParaBaraAaraDC蛋白mRNA

mRNAKinaseIsomeraseEpimerase阿拉伯糖核酮糖核酮糖-5-P木酮糖-5-P11/26/20221781.結(jié)構(gòu)與功能araCaraO2araO1/PcaraI（1）C蛋白具有雙功能：它單獨(dú)與araO1(-100~-144bp)結(jié)合，起阻遏作用，包括其自身的表達(dá)；C與阿拉伯糖結(jié)合形成Cind復(fù)合物，即誘導(dǎo)型C蛋白。它結(jié)合在araI區(qū)(-40~-78bp)，使RNA聚合酶結(jié)合于PBAD位點(diǎn)（+40bp），轉(zhuǎn)錄B、A和D三個(gè)基因。（2）C蛋白的兩種狀態(tài)：Cind和Crep，功能不同，結(jié)合的位點(diǎn)也不同。前者結(jié)合于araI，后者結(jié)合于araO1和araO2。（3）C蛋白還可以調(diào)節(jié)分散的基因：araE和araF。Sonamed