原核生物的基因表達(dá)調(diào)控

原核生物的基因表達(dá)調(diào)控第1頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.1原核基因表達(dá)調(diào)控概述10.2操縱子學(xué)說10.3乳糖操縱子10.4色氨酸操縱子10.5阿拉伯糖操縱子10.6組氨酸操縱子10.7正調(diào)控系統(tǒng)和負(fù)調(diào)控系統(tǒng)第2頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.1

原核生物基因表達(dá)調(diào)控概述

基因表達(dá)調(diào)控是生物體內(nèi)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制機(jī)制，是細(xì)胞中基因表達(dá)的過程在時間、空間上處于有序狀態(tài)，并對環(huán)境條件的變化作出適當(dāng)反應(yīng)的復(fù)雜過程。第3頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

基因表達(dá)的調(diào)控可在多個層次上進(jìn)行，包括DNA(基因)水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平、翻譯水平和翻譯后加工水平的調(diào)控。基因表達(dá)調(diào)控是生物體內(nèi)細(xì)胞分化、形態(tài)發(fā)生和個體發(fā)育的分子基礎(chǔ)。第4頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.1.1基因表達(dá)調(diào)控的意義

根據(jù)生物體的復(fù)雜程度，每個細(xì)胞中的DNA分子可以攜帶幾千到幾萬個基因不等。例如大腸桿菌是單細(xì)胞生物，它的全基因組序列長4×106bp，假定一個基因約為l03bp,則一個大腸桿菌就有約4000個基因,至少能編碼3000多個蛋白質(zhì).第5頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三低等的真核生物如釀酒酵母，基因組序列長為1.3×107bp，攜帶大約5800個基因，至少編碼5000多種蛋白質(zhì)；更復(fù)雜的多細(xì)胞真核生物(如人類)，基因組長度約為3×109bp，至少應(yīng)編碼幾萬種蛋白質(zhì)。第6頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

但在對大腸桿菌各種蛋白質(zhì)的相對細(xì)胞含量分析表明，在每個細(xì)胞中有些蛋白質(zhì)分子的數(shù)量不到10個分子，而另一些蛋白質(zhì)卻多達(dá)5×105個分子，相差近5萬倍；第7頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

說明在生物體生命活動中并不是所有的基因都同時表達(dá)；代謝過程中所需要的各種酶和蛋白質(zhì)基因以及構(gòu)成細(xì)胞化學(xué)成分的各種編碼基因，正常情況下是經(jīng)常表達(dá)的；

第8頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

而與生物發(fā)育過程有關(guān)的基因則要在特定的時空才表達(dá)；還有許多基因被暫時的或永久的關(guān)閉而不表達(dá)，只在合適的時期才表達(dá)。第9頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三即使細(xì)胞攜帶著基本相同的基因，但同一有機(jī)體各個細(xì)胞的形態(tài)和功能都不一樣，基因表達(dá)的水平也不盡相同。第10頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

正是因為生物體能夠根據(jù)其本身固有的遺傳信息表達(dá)與調(diào)控，以及對環(huán)境的適應(yīng)，才產(chǎn)生了各種特異功能的蛋白質(zhì)分子來體現(xiàn)生命現(xiàn)象和執(zhí)行生物功能，使得從低等到高等的生物界呈現(xiàn)出五彩繽紛的生命現(xiàn)象。第11頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.1.2原核基因表達(dá)調(diào)控的特點與方式

原核生物基因的表達(dá)調(diào)控存在于轉(zhuǎn)錄和翻譯的每一步驟中。這種調(diào)控多以操縱子為單位進(jìn)行，將功能相關(guān)的基因組織在一起，同時開啟或關(guān)閉基因表達(dá)，既經(jīng)濟(jì)有效，又保證其生命活動的需要。第12頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

細(xì)胞要控制各種蛋白質(zhì)在不同時期的表達(dá)水平，有兩條途徑：

第13頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第一條途徑是細(xì)胞控制從其DNA模板上轉(zhuǎn)錄特異的mRNA的速度，這是生物在長期的進(jìn)化過程中自然選擇的結(jié)果。這種控制稱為轉(zhuǎn)錄水平(transcriptionallevel)的調(diào)控。大多數(shù)基因表達(dá)都屬于轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控。第14頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第二條途徑是在mRNA合成后，控制從mRNA翻譯成多肽鏈的速度。這種蛋白質(zhì)合成及基因表達(dá)的控制稱為翻譯水平(trans1a-tionallevel)的調(diào)控。第15頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.1.3原核基因表達(dá)調(diào)控的幾個重要概念1、細(xì)菌細(xì)胞對營養(yǎng)的適應(yīng)2．順式作用組件和反式作用因子3．結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因4．操縱基因和阻遏蛋白5．組成蛋白和調(diào)節(jié)蛋白第16頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

生長在以葡萄糖為惟一碳源的細(xì)菌中的酶類至少有600～800種；1、細(xì)菌細(xì)胞對營養(yǎng)的適應(yīng)第17頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三降解葡萄糖第一步的酶、產(chǎn)生ATP所需要的酶、與合成氨基酸與核苷酸有關(guān)的酶、用以構(gòu)建細(xì)胞壁、細(xì)胞膜以及核糖體的各種結(jié)構(gòu)蛋白等的酶，都以相當(dāng)大的數(shù)量存在。制造輔酶的酶類等物質(zhì)則只是微量存在。第18頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

在對E.coli細(xì)胞中稀有的和豐富的蛋白質(zhì)的拷貝數(shù)研究中，對β-半乳糖苷酶的研究最詳盡。

β-半乳糖苷酶能將乳糖分解為葡萄糖和半乳糖。它是相對分子質(zhì)量為460000的四聚體蛋白。由于乳糖不能用作碳源和能源，必須先被分解成簡單的葡萄糖和半乳糖。第19頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

生長在以乳糖為惟一碳源的E.coli中通常含有3000個β-半乳糖苷酶分子，占其總蛋白的1.5％，是調(diào)節(jié)酶中所能合成的最大數(shù)量。其他豐富的蛋白質(zhì)包括核糖體蛋白約53種，占總蛋白的20%。E.coli中含量最豐富的是蛋白質(zhì)合成的延長因子EF-Tu，每個細(xì)胞中存在105個分子左右。第20頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第21頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三2．順式作用組件和反式作用因子

基因活性的調(diào)節(jié)主要通過順式作用組件與反式作用因子的相互作用而實現(xiàn)。

反式作用因子：是指遠(yuǎn)離受影響的基因之外的基因所編碼的產(chǎn)物，又稱為轉(zhuǎn)錄因子。它有非特異性和特異性之分。第22頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

順式作用組件（因子）：是指對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，如啟動子、增強(qiáng)子等。其活性只影響與其自身同處在一個DNA分子上的基因。這種DNA序列通常不編碼蛋白質(zhì)，多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中。位于轉(zhuǎn)錄單位開始和結(jié)束位置上的啟動子和終止子等，都屬于順式作用元件。第23頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三3．結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因

結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)是編碼蛋白質(zhì)或RNA的基因。結(jié)構(gòu)基因編碼大量功能各異的蛋白質(zhì)，其中有組成細(xì)胞和組織器官基本成分的結(jié)構(gòu)蛋白、有催化活性的酶和各種調(diào)節(jié)蛋白等。細(xì)菌的結(jié)構(gòu)基因一般成簇排列，多個結(jié)構(gòu)基因受單一啟動子共同控制，使整套基因或都表達(dá)或者都不表達(dá)。第24頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

調(diào)節(jié)基因(regulatorgene)是編碼合成那些參與基因表達(dá)調(diào)控的RNA和蛋白質(zhì)的特異DNA序列。調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物(蛋白)通過與DNA上的特定位點結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄是調(diào)控的關(guān)鍵。第25頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三4．操縱基因和阻遏蛋白操縱基因(operator)是操縱子中的控制基因，在操縱子上一般與啟動子相鄰，通常處于開放狀態(tài)，使RNA聚合酶通過并作用于啟動子啟動的轉(zhuǎn)錄。但當(dāng)它與調(diào)節(jié)基因所編碼的阻遏蛋白結(jié)合時，就從開放狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，使轉(zhuǎn)錄過程不能發(fā)生。第26頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三5．組成蛋白和調(diào)節(jié)蛋白細(xì)胞內(nèi)有許多種蛋白質(zhì)的含量幾乎不受外界環(huán)境的影響，這些蛋白質(zhì)稱為組成蛋白。例如大腸桿菌中的組成蛋白，它們的合成速度是遺傳上規(guī)定的，主要有以下幾個方面的影響：(1)啟動子的天然效率；(2)核糖體閱讀信使的速度；(3)mRNA的穩(wěn)定性。第27頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

調(diào)節(jié)蛋白是一類特殊的蛋白質(zhì)，是調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物，它們可以影響一種或多種基因的表達(dá)。有兩種類型的調(diào)節(jié)蛋白，即起正調(diào)節(jié)作用的激活蛋白（物）和起負(fù)調(diào)節(jié)作用的阻遏蛋白（物）。第28頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.2

操縱子學(xué)說(theoryofoperon)

在細(xì)菌基因組中，編碼功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)蛋白的基因通常成簇排列在一起。例如，同一個代謝途徑的酶的基因一般成簇排列。第29頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

操縱子學(xué)說是關(guān)于原核生物基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控的學(xué)說。第30頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三操縱子：是原核生物DNA上的一段區(qū)域，它包括共轉(zhuǎn)錄到一條mRNA上的多個結(jié)構(gòu)基因和這些基因轉(zhuǎn)錄所需的順式作用序列，這些序列包括啟動子、操縱基因和轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的序列。第31頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三通過調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白或與誘導(dǎo)物、輔阻遏物協(xié)同作用，開啟或關(guān)閉操縱基因，對操縱子結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)進(jìn)行正、負(fù)控制。第32頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.3乳糖操縱子10.3.1乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制10.3.2小分子效應(yīng)物的作用10.3.3降解物對基因活性的調(diào)節(jié)10.3.4阻遏蛋白的作用機(jī)制

第33頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.3.1乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制

大腸桿菌的乳糖操縱子(1actoseoperon，lac)長約5000個堿基對，是目前對操縱子研究最詳盡的例子，也是研究轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控規(guī)律的基本模式。第34頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

大腸桿菌乳糖操縱子有3個結(jié)構(gòu)基因，可編碼3種酶。分別為β-半乳糖苷酶基因(lacZ)，功能是將乳糖水解為葡萄糖和半乳糖;β-半乳糖苷透性酶基因(lacY)，能促進(jìn)β-半乳糖苷進(jìn)入細(xì)胞；β-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；富?lacA)，催化將乙?；鶊F(tuán)從乙酰輔酶A轉(zhuǎn)移到β-半乳糖苷分子上。第35頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三這三個有關(guān)分解代謝的酶的基因在乳糖操縱子中成簇排列，以利于上游調(diào)控元件的調(diào)控(見圖)。第36頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三POP(蛋白)第37頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

大腸桿菌在有葡萄糖作為碳源的培養(yǎng)基中生長時，不能代謝乳糖，因為缺少乳糖代謝的酶。當(dāng)生長在沒有葡萄糖只有乳糖的培養(yǎng)基中時，代謝乳糖的酶量從幾個分子迅速增加近千倍。即細(xì)菌在短時間內(nèi)合成了能夠利用乳糖的一系列酶，具備了利用乳糖作為碳源的能力，在這種培養(yǎng)基上生存了下來。第38頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

細(xì)菌獲得這一能力的原因是在乳糖的誘導(dǎo)作用下開啟了乳糖操縱子，表達(dá)了與代謝乳糖相關(guān)的一系列酶所致。象乳糖這樣一類加入培養(yǎng)基中能專一性地增加某些酶數(shù)量的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物(indu-cer)，這種酶稱為誘導(dǎo)酶

(inducibleenzyme)。稱這類基因為可誘導(dǎo)基因，這種代謝過程作為酶的誘導(dǎo)過程。第39頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

乳糖操縱子調(diào)控機(jī)制是：當(dāng)培養(yǎng)基中沒有乳糖時，存在于操縱子上游的調(diào)節(jié)基因編碼表達(dá)的阻遏蛋白結(jié)合到操縱子中的操縱基因上，阻止了結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)(即lacO基因被調(diào)節(jié)基因編碼表達(dá)的阻遏蛋白所阻遏)。此時，在細(xì)胞中只有幾個β-半乳糖苷酶分子。第40頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

當(dāng)培養(yǎng)基中存在乳糖時，由于誘導(dǎo)物分子結(jié)合在阻遏蛋白的特異部位，引起阻遏蛋白構(gòu)象改變，不能結(jié)合到操縱基因上，使RNA聚合酶能夠正常通過操縱子到達(dá)結(jié)構(gòu)基因，即操縱子被誘導(dǎo)表達(dá)，β-半乳糖苷酶分子數(shù)量迅速增加。第41頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

在這個系統(tǒng)中的誘導(dǎo)物分子不是乳糖本身，而是乳糖的同分異構(gòu)體—-異乳糖，因為乳糖進(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞后被轉(zhuǎn)化成了異乳糖。第42頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

異乳糖

乳糖葡萄糖+半乳糖

β-半乳糖苷酶第43頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

由下圖可以看出，lacZYA基因的轉(zhuǎn)錄受lacI基因編碼合成的調(diào)控蛋白（阻遏蛋白）的控制。LacI的表達(dá)產(chǎn)物是乳糖操縱子的阻遏蛋白，它的功能是阻止結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，通過與lacZYA基因簇開始處的操縱基因結(jié)合發(fā)揮作用。

第44頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三在阻遏蛋白上有二個結(jié)合位點:一個是操縱基因結(jié)合位點;另一個是誘導(dǎo)物結(jié)合位點。當(dāng)誘導(dǎo)物與其結(jié)合位點結(jié)合后，改變了阻遏蛋白的構(gòu)型，從而影響與操縱基因結(jié)合的活性。第45頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三阻遏蛋白(物)阻遏蛋白(物)第46頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

lacI基因與其后的結(jié)構(gòu)基因雖然相鄰，但它們屬于不同的轉(zhuǎn)錄單位，它有其自身的啟動子和終止序列，能獨立地進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，形成單順反子mRNA,轉(zhuǎn)錄的速度受lacI基因的啟動子與RNA聚合酶活力大小的控制。lacI編碼可擴(kuò)散的表達(dá)產(chǎn)物，屬于反式作用調(diào)節(jié)因子。第47頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

實驗室里常用含硫的乳糖類似物丙基硫代-β-D-半乳糖苷(impropylthio-β-D-galac-toside，IPTG)代替乳糖來研究誘導(dǎo)作用。這種能誘導(dǎo)酶基因的表達(dá)但不是半乳糖苷酶底物的分子稱為義務(wù)誘導(dǎo)物(gra-tuitousinducer)。第48頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

以上所述的調(diào)節(jié)是一種協(xié)同調(diào)節(jié)過程(co-ordinateregulation)。mRNA從5′端依次翻譯，表達(dá)產(chǎn)物β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷酶透性酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；妇来纬霈F(xiàn)，三種酶共享一條mRNA鏈作為翻譯的模板。第49頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.3.2小分子效應(yīng)物的作用

調(diào)節(jié)蛋白是否具有活性有時取決于它是否與一個小分子物質(zhì)結(jié)合，能夠結(jié)合于蛋白并改變其性質(zhì)的小分子物質(zhì)稱作效應(yīng)物。細(xì)菌細(xì)胞有兩種類型的效應(yīng)物：誘導(dǎo)物和輔阻遏物。第50頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

(1)誘導(dǎo)物：與阻遏蛋白結(jié)合，啟動操縱子轉(zhuǎn)錄的效應(yīng)物稱作誘導(dǎo)物。無誘導(dǎo)物存在時，阻遏蛋白與操縱基因牢固結(jié)合，阻止RNA聚合酶進(jìn)入啟動子區(qū)域，操縱子被關(guān)閉，結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄。

第51頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

有誘導(dǎo)物存在時，誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合，促使后者空間構(gòu)象變化，使阻遏蛋白與操縱基因親和力下降而解離下來，RNA聚合酶能夠進(jìn)入啟動子區(qū)域，開啟了結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。第52頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

因誘導(dǎo)物的存在而使基因表達(dá)開放的調(diào)節(jié)稱為可誘導(dǎo)的調(diào)節(jié)。最典型的例子是大腸桿菌的乳糖操縱子。第53頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

(2)輔阻遏物：能與阻遏物（蛋白）結(jié)合而阻斷轉(zhuǎn)錄的效應(yīng)物稱為輔阻遏物。有些阻遏蛋白本身不具有結(jié)合操縱基因的活性，在自然狀態(tài)下操縱子是開放的，能正常表達(dá)。當(dāng)細(xì)胞中有輔阻遏物存在時，它可以結(jié)合到阻遏蛋白分子上，提高阻遏蛋白與操縱基因的親和性。這與誘導(dǎo)物的作用相反。第54頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

由輔阻遏物參與引起的調(diào)節(jié)又稱為可阻遏的調(diào)節(jié)，即這類基因在正常情況下都是開啟的，處于正在合成蛋白質(zhì)或酶的狀態(tài)下，由于一些代謝終產(chǎn)物或化合物的積累將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)，所以稱為可阻遏的基因表達(dá)調(diào)控。第55頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.3.3降解物對基因活性的調(diào)節(jié)有葡萄糖存在的情況下，即使在細(xì)菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖、麥芽糖等誘導(dǎo)物，與其相對應(yīng)的操縱子也不會啟動產(chǎn)生代謝這些糖的酶。第56頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三這是因為葡萄糖是最常用的碳源，細(xì)菌所需要的能量主要從葡萄糖獲得，在這種情況下，細(xì)菌無需開動一些不常用的基因去利用這些稀有的糖類。第57頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

葡萄糖的存在可抑制細(xì)菌細(xì)胞中的腺苷酸環(huán)化酶活性，從而減少環(huán)腺苷酸(cAMP)的合成，與它結(jié)合的受體蛋白質(zhì)CAP因找不到配體而不能形成復(fù)合物（cAMP-CAP）。第58頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

cAMP-CAP是一個重要的正調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以與操縱子上的啟動子區(qū)結(jié)合，啟動基因轉(zhuǎn)錄。葡萄糖存在時，由于不易形成復(fù)合物cAMP-CAP，受其調(diào)控的基因就不表達(dá)。第59頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三如果培養(yǎng)基中葡萄糖的含量下降，腺苷酸環(huán)化酶活力就會相應(yīng)提高，cAMP合成增加，cAMP與CAP形成復(fù)合物并與啟動子結(jié)合，促進(jìn)乳糖操縱子的表達(dá)。第60頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.3.4阻遏蛋白的作用機(jī)制1．阻遏蛋白識別并特異結(jié)合DNA的方式2、誘導(dǎo)物對阻遏蛋白結(jié)合操縱基因的影響3．阻遏蛋白對RNA聚合酶功能的影響第61頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三1．阻遏蛋白識別并特異結(jié)合DNA的方式

阻遏蛋白識別操縱基因DNA特異序列是通過阻遏蛋白的識別位點進(jìn)行的，它們的共同特點是具有對稱性。第62頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三如圖10-3所示，以+11為對稱軸，每邊為兩段各6bp的對稱序列，TGTGTG和AATTGT?？拷鼘ΨQ軸的一對反向重復(fù)序列在阻遏蛋自結(jié)合過程中起主要作用。第63頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第64頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

阻遏蛋白的結(jié)構(gòu)具有對稱性，它是同樣亞基組成的四聚體，每個亞基都有同樣的DNA結(jié)合位點。許多原核生物基因的阻遏蛋白都具有類似超二級結(jié)構(gòu)的螺旋一轉(zhuǎn)角一螺旋DNA結(jié)合基序(見圖11-4)。第65頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第66頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

由于螺旋能插入到DNA雙螺旋的大溝中，因此能特異性地識別并以氫鍵形式結(jié)合于DNA堿基序列上。第67頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三2、誘導(dǎo)物對阻遏蛋白結(jié)合操縱基因的影響誘導(dǎo)物可以與游離阻遏蛋白結(jié)合，也可以與阻遏蛋白和操縱基因的復(fù)合物結(jié)合。誘導(dǎo)物的結(jié)合可以使阻遏蛋白產(chǎn)生變化，使其從操縱基因上釋放。第68頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

體外實驗表明，加入IPTG能很快引起阻遏蛋白與操縱基因復(fù)合物不穩(wěn)定。

第69頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三3．阻遏蛋白對RNA聚合酶功能的影響

阻遏蛋白和RNA聚合酶可同時與DNA結(jié)合，且阻遏蛋白與DNA的結(jié)合能增強(qiáng)RNA聚合酶結(jié)合DNA的能力。第70頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

RNA聚合酶和阻遏蛋白同時與DNA結(jié)合，形成RNA聚合酶-阻遏蛋白-DNA三元復(fù)合物，不發(fā)生轉(zhuǎn)錄作用。當(dāng)加入誘導(dǎo)物后，釋放出阻遏蛋白，關(guān)閉的復(fù)合物轉(zhuǎn)變成開放的復(fù)合物，起始轉(zhuǎn)錄。第71頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第72頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.4

色氨酸操縱子(trp)

大腸桿菌的色氨酸操縱子是受阻遏物負(fù)調(diào)控的生物合成操縱子的典型實例。色氨酸操縱子包括5個結(jié)構(gòu)基因(trpA、B、C、D、E)負(fù)責(zé)色氨酸的生物合成。第73頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

色氨酸的合成分5步完成。每步需要一種酶，編碼這5種酶的基因緊密連鎖在一起，被轉(zhuǎn)錄在一條多順反子mRNA分子上。第74頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

鄰氨基苯甲酸合成酶、鄰氨基苯甲酸焦磷酸轉(zhuǎn)移酶、鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油一3-磷酸合成酶，分別以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA表示，和trpE緊鄰的是啟動子區(qū)和操縱子區(qū)(見圖10.4)。第75頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三a第76頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.4.1色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)Trp操縱子中產(chǎn)生阻遏物（蛋白）的基因trpR距trp基因簇較遠(yuǎn)，編碼合成一個相對分子質(zhì)量為58000阻遏蛋白；色氨酸水平很低時，這個阻遏蛋白以游離形式存在，不能結(jié)合到操縱基因上。此時操縱子能夠轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，使細(xì)菌細(xì)胞合成色氨酸。第77頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

當(dāng)在培養(yǎng)基中的色氨酸過量時，它能與阻遏蛋白形成復(fù)合物，并結(jié)合到操縱基因上阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，這種以終產(chǎn)物阻止基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)理稱為反饋抑制。此終產(chǎn)物(色氨酸)稱為輔阻遏物(見圖10-5)。第78頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三aa第79頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

由色氨酸操縱子調(diào)節(jié)基因堿基序列圖(圖10-6)可以看出，啟動子與操縱區(qū)域有很大程度的重疊，使色氨酸-阻遏蛋白復(fù)合體和RNA聚合酶結(jié)合DNA分子具有競爭性，體外實驗表明，如果先加入色氨酸-阻遏蛋白復(fù)合體，RNA聚合酶不能與啟動子結(jié)合，否則反之。第80頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第81頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)是色氨酸生物合成途徑的第一水平調(diào)控(初調(diào))，它主要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的啟動與否。色氨酸操縱子的第二水平控制(細(xì)調(diào))是色氨酸操縱子的弱化系統(tǒng)，它決定著已經(jīng)啟動的轉(zhuǎn)錄是否能夠繼續(xù)進(jìn)行下去。第82頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.4.2色氨酸操縱子的弱化系統(tǒng)1.前導(dǎo)肽及其序列結(jié)構(gòu)2.mRNA前導(dǎo)區(qū)序列分析3.轉(zhuǎn)錄的弱化效應(yīng)4.細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)第83頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三1、前導(dǎo)肽及其序列結(jié)構(gòu)

Yanofsky發(fā)現(xiàn)了色氨酸生物合成途徑的第二水平調(diào)控。在色氨酸mRNA5′端trpE起始密碼子前有一段162bp的DNA序列和核糖體結(jié)合位點，稱為前導(dǎo)區(qū)(1eader)，實驗表明如果123-150位堿基序列缺失，色氨酸操縱子基因表達(dá)量可提高6倍。第84頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第85頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

當(dāng)mRNA轉(zhuǎn)錄起始后如果培養(yǎng)基中存在一定水平的色氨酸，轉(zhuǎn)錄能夠被啟動，但在這個區(qū)域(弱化子)停止，產(chǎn)生一個140nt的RNA分子；

第86頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三如果沒有色氨酸存在，則轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行，合成trpEmRNA。所以，這個區(qū)域參與了色氨酸操縱子基因表達(dá)的調(diào)節(jié)。第87頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)mRNA合成起始以后，除非培養(yǎng)基中完全沒有色氨酸，否則轉(zhuǎn)錄總是在這個區(qū)域終止。因為轉(zhuǎn)錄終止發(fā)生在這一區(qū)域，并且這種終止能被調(diào)節(jié)，因此這個區(qū)域被稱為弱化子(attenuator)或衰減子。第88頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

對引起終止的mRNA堿基序列研究發(fā)現(xiàn)，這一區(qū)域的mRNA堿基序列可通過自我配對形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，具有典型的終止子結(jié)構(gòu)特點(圖10-7)。第89頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第90頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

對前導(dǎo)肽的研究表明，弱化或衰減作用需要有負(fù)載的tRNATrp參與，說明前導(dǎo)序列的某些部分在轉(zhuǎn)錄的同時也被翻譯了。第91頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

分析前導(dǎo)序列，發(fā)現(xiàn)它包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA，當(dāng)翻譯起始于此處的AUG，則產(chǎn)生一個含有14個氨基酸的多肽，稱為前導(dǎo)肽。第92頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三2、mRNA前導(dǎo)區(qū)序列分析

trp前導(dǎo)區(qū)的堿基序列已經(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10-8)，有時以1-2和3-4配對，有時只以2-3方式互補(bǔ)配對。第93頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第94頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第95頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第96頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三3．轉(zhuǎn)錄的弱化效應(yīng)

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。第97頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸的濃度很低時，負(fù)載有色氨酸的tRNATrp也很少，由此推斷，翻譯通過兩個相鄰色氨酸密碼子的速度就會很慢。第98頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)4區(qū)被轉(zhuǎn)錄完成時，核糖體才移動到1區(qū)(或停留在兩個相鄰的色氨酸密碼子處)，這時的前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)是2-3配對，不形成3-4配對的終止結(jié)構(gòu)，所以轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進(jìn)行，直到將色氨酸操縱子中的結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄完為止。第99頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第100頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三第101頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三測定結(jié)果發(fā)現(xiàn):在缺乏色氨酸時所有的RNA聚合酶都能經(jīng)過弱化子繼續(xù)參與轉(zhuǎn)錄，表達(dá)量提高10倍加上取消阻遏增加的約70倍的表達(dá)總表達(dá)量可增加約700倍（10*70）第102頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸濃度高時，核糖體可順利通過兩個相鄰的色氨酸密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前，核糖體就到達(dá)2區(qū)，這樣使2-3不能配對，3-4區(qū)可以自由配對形成莖．環(huán)式的終止子結(jié)構(gòu)，使得只有約10％的RNA聚合酶能繼續(xù)參與色氨酸操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄(圖10-8)。第103頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

由此可見，弱化子對RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄的終止依賴于前導(dǎo)肽翻譯中核糖體所處的位置，而細(xì)胞中色氨酸的存在與否，決定了mRNA轉(zhuǎn)錄的弱化子結(jié)構(gòu)，使弱化子中1、2、3、4區(qū)域呈現(xiàn)競爭性配對，從而產(chǎn)生了弱化效應(yīng)，這是色氨酸操縱子第二水平調(diào)控的機(jī)制。第104頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

色氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸和纈氨酸操縱子，以及沙門氏菌屬的組氨酸和亮氨酸的操縱子、嘧啶合成操縱子等，都采取弱化子調(diào)節(jié)這種方式。每個操縱子的前導(dǎo)肽中都含有該操縱子所要調(diào)控的重復(fù)密碼子(表10-2)。第105頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三操縱子前導(dǎo)肽的氨基酸序列色氨酸蘇氨酸組氨酸異亮氨酸-纈氨酸GEDA亮氨酸

苯丙氨酸異亮氨酸纈氨酸BMetLysAlaIlePheValLeuLysGlyTrpTrpArgThrSerMetLysArgIleSerThrThrIleThrThrIleThrIleThrThrGlyAsnGlyAlaGlyMetThrArgValClnPheLysHisHisHisHisHisHisHisProAspMetThrAlaLeuLeuArgValIleSerLeuValValIleValValValIle……IleIleProProGysGlyAlaAlaLeuGlyArgGlyLysAlaMetSerHisIleValArgPheThrGlyLeuLeuLeuLeuAsnAlaPheIleVel……ArgGlyArgProValGlyIleGlnHisMetLysHisIleProPhePhePheAlaPhePhePheThrPheProMetThrThrSerMetLeuAsnAlaLysLeuLeuProThrAlaProSetAla……AlaValValValValArgValValValValValGlyAsnAlaPro第106頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號作用的是細(xì)胞中某一氨基酸的濃度和有特殊負(fù)載的氨基酰-tRNA的濃度。色氨酸操縱子當(dāng)色氨酸缺乏時是開啟的，但如果在培養(yǎng)基中加入了色氨酸后，大腸桿菌可以在2-3min內(nèi)完全關(guān)閉色氨酸操縱子。第107頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

弱化作用:是控制RNA聚合酶通讀弱化子能力的調(diào)控作用機(jī)制。弱化子是位于轉(zhuǎn)錄單位開始區(qū)的一種內(nèi)部終止子。弱化子mRNA可以在分子內(nèi)采取不同的堿基配對方式，形成特殊的二級結(jié)構(gòu)參與對轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控。第108頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三弱化作用的共同特點是通過形成內(nèi)部終止子所需的發(fā)夾結(jié)構(gòu)來調(diào)控RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因?？刂迫趸饔玫亩壗Y(jié)構(gòu)的改變由核糖體在mRNA上的位置所決定。第109頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三4.細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)

細(xì)菌有時會遇到能源十分缺乏的狀況，例如當(dāng)氨基酸饑餓而全面匱乏時，即合成各種RNA、蛋白質(zhì)、糖和脂肪在內(nèi)的幾乎全部生物化學(xué)反應(yīng)過程都被停止。第110頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

為了生存，在體內(nèi)可立即產(chǎn)生一種應(yīng)急應(yīng)答反應(yīng)，發(fā)出這種應(yīng)急反應(yīng)信號的物質(zhì)是位于核糖體A位點上的未裝載氨基酸的tRNA(空載tRNA)。第111頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

應(yīng)急應(yīng)答反應(yīng)引起ppGpp和pppGpp兩種異常核苷酸大量增加。這些核苷酸是典型的小分子效應(yīng)物，能與相應(yīng)的目標(biāo)蛋白結(jié)合，使其活性發(fā)生改變。將它們合稱為(p)ppGpp。第112頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)氨基酸饑餓時，細(xì)胞中存在大量的沒有攜帶氨基酸的tRNA。這種空載的tRNA會激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使(p)ppGpp大量合成，其濃度在短時內(nèi)可增加到10倍以上。第113頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三(p)ppGpp的產(chǎn)生能關(guān)閉許多基因的表達(dá)，只開放個別必須要合成氨基酸的基因，以應(yīng)對其生存危機(jī)。(p)ppGpp與RNA聚合酶的不同構(gòu)象結(jié)合可識別不同的啟動子區(qū)域。第114頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

在基因的轉(zhuǎn)錄起點附近有一些保守序列，是(p)ppGpp或有關(guān)調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)合位點。當(dāng)這些位點上的啟動子與(p)ppGpp結(jié)合后，就使它們不再與RNA聚合酶結(jié)合，基因表達(dá)被關(guān)閉。第115頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三

細(xì)菌處于極差的生存條件下，由于缺乏足夠的氨基酸，蛋白質(zhì)合成受到抑制，關(guān)閉了大量的代謝過程。這種應(yīng)急調(diào)控過程是細(xì)菌為了渡過困難時期而存活下來的一種適應(yīng)性表現(xiàn)。第116頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三應(yīng)急應(yīng)答使rRNA和tRNA的合成下降到原來6％左右，使得總RNA合成的量僅為應(yīng)答前的5％～10％，某些mRNA的合成也下降至原有水平的30％，核苷酸、糖和脂類等的合成量也下降，而蛋白質(zhì)降解速度加快。第117頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.5阿拉伯糖操縱子1.阿拉伯糖操縱子概述2.阿拉伯糖操縱子的正、負(fù)調(diào)節(jié)作用第118頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.6組氨酸操縱子

組氨酸降解代謝的途徑由多重調(diào)節(jié)的操縱子控制，有兩個啟動子，兩個操縱區(qū)及兩個正調(diào)節(jié)蛋白。第119頁，共137頁，2023年，2月20日，星期三10.7正調(diào)控系統(tǒng)和負(fù)調(diào)控系統(tǒng)1.正調(diào)控系統(tǒng)2.負(fù)調(diào)控系統(tǒng)

第120頁