基因的表達(dá)與調(diào)控上原核基因表達(dá)調(diào)控模式

基因的表達(dá)與調(diào)控上原核基因表達(dá)調(diào)控模式1第一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五基因的表達(dá)與調(diào)控(上)

——原核基因表達(dá)調(diào)控模式第二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第三頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念一、基因表達(dá)的概念geneexpression

：基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為generegulation

。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達(dá)第四頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五

組成性表達(dá)(constitutiveexpression)

適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression）二、基因表達(dá)的方式第五頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五

1、組成性表達(dá)：

指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達(dá)。某些基因在一個個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。第六頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五2、適應(yīng)性表達(dá)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(induciblegene)；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(repressiblegene)。

第七頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五三、基因表達(dá)的規(guī)律

——時間性和空間性1、時間特異性（temporalspecificity）按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時間特異性。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。

第八頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第九頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五2、空間特異性(spatialspecificity)基因表達(dá)伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性。第十頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義

適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（原核、真核）

維持個體發(fā)育與分化（真核）第十一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第十二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)原核基因調(diào)控機(jī)制內(nèi)容提要：原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)操縱子學(xué)說原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式

第十三頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五一、原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)1、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（transcriptionalregulation）2、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptionalregulation）①

mRNA加工成熟水平上的調(diào)控②

翻譯水平上的調(diào)控第十四頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第十五頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五二、操縱子學(xué)說1、操縱子模型的提出1961年，Monod和Jacob提出獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎第十六頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五JacobandMonod第十七頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五2、操縱子的定義操縱子：是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。第十八頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第十九頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五

1、根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應(yīng)答，可分為：正轉(zhuǎn)錄調(diào)控

負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控

三、原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)第二十頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控如果在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是關(guān)閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開啟，這樣的調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。第二十一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。第二十二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子分解代謝蛋白的基因2、根據(jù)操縱子對某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應(yīng)答，可分為可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和可阻遏調(diào)節(jié)兩大類：第二十三頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白誘導(dǎo)物mRNA酶蛋白酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型誘導(dǎo)物如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物。第二十四頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五可阻遏調(diào)節(jié)：基因平時是開啟的，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其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。例：色氨酸操縱子合成代謝蛋白的基因第二十五頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五酶合成的阻遏操縱子模型調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因mRNA酶蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因輔阻遏物輻阻遏物如果某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。第二十六頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五3、在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白（repressor），起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。根據(jù)其作用特征又可分為負(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，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（輔阻遏物）結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。第二十七頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五4、在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白（activator）。根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)和正控阻遏在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)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（輔阻遏物）的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。第二十八頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第二十九頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五原核生物基因機(jī)制

——轉(zhuǎn)錄水平負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（negativetranscriptionregulation）負(fù)控誘導(dǎo)阻遏蛋白負(fù)控阻遏阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（positivetranscriptionregulation）正控誘導(dǎo)激活蛋白正控阻遏第三十頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五四、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式1、σ因子的更換

在E.coli中,當(dāng)細(xì)胞從基本的轉(zhuǎn)錄機(jī)制轉(zhuǎn)入各種特定基因表達(dá)時，需要不同的因子指導(dǎo)RNA聚合酶與各種啟動子結(jié)合。第三十一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五大腸桿菌中的各種σ因子比較σ因子編碼基因主要功能σ70rpoD參與對數(shù)生長期和大多數(shù)碳代謝過程基因的調(diào)控σ54rpoN參與多數(shù)氮源利用基因的調(diào)控σ38rpoH分裂間期特異基因的表達(dá)調(diào)控σ32rpoS熱休克基因的表達(dá)調(diào)控σ28rpoF鞭毛趨化相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控σ24rpoE過度熱休克基因的表達(dá)調(diào)控第三十二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五溫度較高,誘導(dǎo)產(chǎn)生各種熱休克蛋白由σ32參與構(gòu)成的RNA聚合酶與熱休克應(yīng)答基因啟動子結(jié)合,誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的熱休克蛋白,適應(yīng)環(huán)境需要枯草芽孢桿菌芽孢形成有序的σ因子的替換,RNA聚合酶識別不同基因的啟動子,使芽孢形成有關(guān)的基因有序地表達(dá)第三十三頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五2、降解物對基因活性的調(diào)節(jié)3、弱化子對基因活性的影響第三十四頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第三十五頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)乳糖操縱子(lacoperon)內(nèi)容提要：乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)乳糖操縱子調(diào)控模型影響因子Lac操縱子中的其他問題第三十六頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)第三十七頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五Z編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y編碼β-半乳糖苷透過酶：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)。A編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第三十八頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五二、酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)第三十九頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五安慰誘導(dǎo)物：

如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。第四十頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第四十一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第四十二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五三、乳糖操縱子調(diào)控模型主要內(nèi)容：①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼

第四十三頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第四十四頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五②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），不能單獨(dú)起動合成β-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。第四十五頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第四十六頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五③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)。第四十七頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位第四十八頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五

操縱位點(diǎn)的回文序列第四十九頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五

④當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。

第五十頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第五十一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五⑤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。第五十二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第五十三頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五組成型突變：lacOc

第五十四頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五組成型突變：

lacI-第五十五頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五不可誘導(dǎo)突變（超阻遏）：第五十六頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五四、影響因子1、lac操縱子的本底水平表達(dá)有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的：①誘導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要透過酶，后者的合成有需要誘導(dǎo)。解釋：一些誘導(dǎo)物可以在透過酶不存在時進(jìn)入細(xì)胞？一些透過酶可以在沒有誘導(dǎo)物的情況下合成？√第五十七頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五②真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的預(yù)先存在。解釋：本底水平的組成型合成：非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成。第五十八頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五2、大腸桿菌對乳糖的反應(yīng)

培養(yǎng)基：甘油按照lac操縱子本底水平的表達(dá)，每個細(xì)胞內(nèi)有幾個分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透過酶；培養(yǎng)基：加入乳糖少量乳糖透過酶進(jìn)入細(xì)胞β-半乳糖苷酶異構(gòu)乳糖誘導(dǎo)物誘導(dǎo)lacmRNA的生物合成大量乳糖進(jìn)入細(xì)胞多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）異構(gòu)乳糖第五十九頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五乳糖第六十頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五誘導(dǎo)物的加入和去除對lacmRNA的影響第六十一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五3、阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能Lac操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的，每個細(xì)胞中有5-10個阻遏物分子。當(dāng)I基因由弱啟動子突變成強(qiáng)啟動子，細(xì)胞內(nèi)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來克服阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。第六十二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五4、葡萄糖對lac操縱子的影響

如果將葡萄糖和乳糖同時加入培養(yǎng)基中，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導(dǎo)；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會誘導(dǎo)lac操縱子表達(dá)分解乳糖所需的三種酶。代謝物阻遏效應(yīng)第六十三頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五5、cAMP與代謝物激活蛋白代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺甘酸受體蛋白（CRP）

第六十四頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五ZYAOPDNA

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶cAMP—CAP復(fù)合物第六十五頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第六十六頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五ATP腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺甘酸）

大腸桿菌中：無葡萄糖，cAMP濃度高；

有葡萄糖，cAMP濃度低第六十七頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時促進(jìn)轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，cAMP濃度低時不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調(diào)控第六十八頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。cAMP—CAP復(fù)合物與啟動子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

單純?nèi)樘谴嬖跁r，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細(xì)菌首先利用葡萄糖。第六十九頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第七十頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP第七十一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!第七十二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!第七十三頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五五、Lac操縱子中的其他問題1、A基因及其生理功能半乳糖甘分子（IPTG）β-半乳糖甘酶分解產(chǎn)物（體內(nèi)積累）β-半乳糖甘乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖甘分子（IPTG）乙?；谄呤捻?，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五2、lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較β-半乳糖苷酶：透過酶：乙?；D(zhuǎn)移酶=1：0.5：0.2翻譯水平上受到調(diào)節(jié)：（1）lacmRNA可能與翻譯過程中的核糖體相脫離，從而終止蛋白質(zhì)鏈的翻譯；（2）在lacmRNA分子內(nèi)部，A基因比Z基因更容易受內(nèi)切酶作用發(fā)生降解。第七十五頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五3、操縱子的融合與基因工程POZYAtsxPOpur結(jié)構(gòu)基因缺失lacoperonpuroperon第七十六頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第七十七頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)色氨酸操縱子（trpoperon）1. 代謝特點(diǎn)2. 結(jié)構(gòu)和功能3. 轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制阻遏體系－一級開關(guān)，主管轉(zhuǎn)錄是否啟動弱化體系－細(xì)微調(diào)控，決定轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)第七十八頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五色氨酸的代謝特點(diǎn)構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分環(huán)境難以提供足夠色氨酸時，細(xì)菌自身合成色氨酸；環(huán)境能夠提供足夠色氨酸時，細(xì)菌減少或停止合成色氨酸，轉(zhuǎn)而利用外界的色氨酸，以減輕負(fù)擔(dān)。第七十九頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五trp

操縱子的基本結(jié)構(gòu)功能堿基數(shù)60162156015931350119680440高色氨酸時低色氨酸時140個核苷酸前導(dǎo)RNAAUG約7kbmRNA結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)作用間隔區(qū)間隔區(qū)trpLtrpBtrpAPOtrpDtrpCtrpE弱化子第八十頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第八十一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五trp

操縱子的特點(diǎn)①阻遏物基因trpR（89’）和結(jié)構(gòu)基因（trpEDCBA）不緊密連鎖；②操縱基因在啟動子區(qū)域內(nèi)；③啟動子，操縱基因不直接和結(jié)構(gòu)基因毗鄰，中間有一段前導(dǎo)序列；④有弱化子結(jié)構(gòu)，在一些合成代謝的操縱子的前導(dǎo)區(qū)內(nèi)，以輔助阻遏作用進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控；1981年Yanofsky提出了弱化模型。第八十二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五trp

操縱區(qū)的堿基序列第八十三頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五E.coli色氨酸合成的主要途徑第八十四頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五阻遏體系調(diào)控機(jī)制Fig.Src:第八十五頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五弱化子

DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核甘酸序列（123-150區(qū)）。trpLtrpBtrpAPOtrpDtrpCtrpE前導(dǎo)區(qū)弱化子(123~150)轉(zhuǎn)錄終止的區(qū)域；若缺失可提高trp基因的表達(dá)；trp弱化子mRNA的終止區(qū)mRNA通過自我配對形成莖－環(huán)(stem-loop)結(jié)構(gòu)，具有典型終止子特點(diǎn)第八十六頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五前導(dǎo)序列：在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前一個長162bp的mRNA片段。第八十七頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五mRNA前導(dǎo)區(qū)序列與前導(dǎo)肽包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA；第10、11位有相鄰的2個色氨酸密碼子,對tRNATrp濃度敏感；編碼假設(shè)的含14aa的前導(dǎo)肽(LeaderPeptide)；Fig.Src:第八十八頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五mRNA前導(dǎo)序列分析前導(dǎo)肽編碼區(qū)

片段1、2、3、4可以2種方式配對：

A.1－2，3－4B.2－3其中3－4配對區(qū)位于位于終止密碼子的識別區(qū)

Fig.Src:第八十九頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五Fig.Src:第九十頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五抗終止構(gòu)型(2-3)終止構(gòu)型(3-4)暫停構(gòu)型(1-2)允許轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄第九十一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五弱化機(jī)制第九十二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五

前導(dǎo)肽轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)第九十三頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五轉(zhuǎn)錄弱化作用穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

核糖體經(jīng)過前導(dǎo)區(qū)繼續(xù)翻譯的能力控制著兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換第九十四頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五低色氨酸水平負(fù)載有色氨酸的tRNATrp少，翻譯通過兩個相鄰trpcondon的速度就會很慢，當(dāng)4區(qū)被轉(zhuǎn)錄完成時，核糖體才進(jìn)行到1區(qū)(或停留在兩個相鄰的Trp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)，轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進(jìn)行Fig.Src:不形成終止構(gòu)型第九十五頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五高色氨酸水平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)狀終止子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停止，trp操縱子中的結(jié)構(gòu)基因被關(guān)閉而不再合成色氨酸形成終止構(gòu)型第九十六頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五敏感信號感受器作用順位反應(yīng)速度阻遏體系色氨酸濃度阻遏質(zhì)阻遏一級開關(guān)較慢弱化體系空載tRNATrp

濃度核糖體削弱二級細(xì)調(diào)較快第九十七頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制阻遏體系－一級開關(guān)，主管轉(zhuǎn)錄是否啟動弱化體系－細(xì)微調(diào)控，決定轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)細(xì)菌通過弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒糇饔弥荒苁罐D(zhuǎn)錄不起始，對于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過弱化作用使之中途停下來。阻遏作用的信號是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少；弱化作用的信號則是細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少。它通過前導(dǎo)肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)這兩種作用相輔相成，體現(xiàn)著生物體內(nèi)周密的調(diào)控作用。第九十八頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五另一種trp操縱子：

B.subtilis的trp操縱子調(diào)控模式T-boxRNA：對空載tRNATrp敏感TRAP（tryptophan-activatedtrpRNAbindingattenuationprotein）：由11個亞基組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，每個亞基可結(jié)合一分子色氨酸可感知色氨酸濃度第九十九頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五前導(dǎo)區(qū)RNA包繞在已結(jié)合色氨酸的TRAP外,促成終止構(gòu)型的形成,阻礙trp操縱子的轉(zhuǎn)錄；T-boxRNA形成終止構(gòu)型,關(guān)閉包含anti-TRAP基因的操縱子的轉(zhuǎn)錄TRAP與RNA前導(dǎo)區(qū)分離,一些mRNA開始形成抗終止構(gòu)型,trp操縱子的轉(zhuǎn)錄部分開放；空載tRNATrp結(jié)合T-boxRNA,阻止終止構(gòu)型形成,anti-TRAP基因開放,合成的anti-TRAP與被色氨酸活化的TRAP結(jié)合，使之無法再與RNA前導(dǎo)區(qū)結(jié)合,trp操縱子開放轉(zhuǎn)錄第一百頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五什么是操縱子（operon)?試說明色氨酸操縱子（Trpoperon)在原核基因表達(dá)調(diào)控中的調(diào)控機(jī)制和重要作用。

2003年武漢大學(xué)分子生物學(xué)試題第一百零一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第一百零二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五第五節(jié)其他操縱子１、半乳糖操縱子的調(diào)控模式２、阿拉伯糖操縱子的調(diào)控模式

（１）rRNA操縱子３、多啟動子調(diào)控的操縱子（2）核糖體蛋白SI操縱子（3）DnaQ蛋白操縱子４、二組分調(diào)控系統(tǒng)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)５、阻遏蛋白LexA的降解與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答第一百零三頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五1、半乳糖操縱子的調(diào)控模式（1）半乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)大腸桿菌半乳糖操縱子(galactoseoperon)包括3個結(jié)構(gòu)基因：

異構(gòu)酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，

半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galactosetransferase,galT)，

半乳糖激酶(galactosekinase,galk)。第一百零四頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五（2）

半乳糖操縱子的特點(diǎn)①gal操縱子有兩個啟動子，PG1和PG2。兩個RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)S1和S2（轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)）,mRNA可以從兩個不同的起始點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄。②它有兩個O區(qū)，一個在P區(qū)上游–67~-53，而不是在P區(qū)與結(jié)構(gòu)基因之間，另一個O區(qū)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部，現(xiàn)在已知所有操縱子中僅此一例。第一百零五頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五為什么gal操縱子需要兩個轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)？半乳糖不僅可以作為唯一碳源供細(xì)胞生長，而且與之相關(guān)的物質(zhì)--尿苷二磷酸半乳糖（UDP-gal）是大腸桿菌細(xì)胞壁合成的前體。在沒有外源半乳糖的情況下，UDP-gal是通過半乳糖差向異構(gòu)酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，該酶是galE基因的產(chǎn)物。生長過程中的所有時間里細(xì)胞必須能夠合成差向異構(gòu)酶?，F(xiàn)在設(shè)想只有S1一個啟動子，那么由于這個啟動子的活性依賴于cAMP-CRP，當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時就有能合成異構(gòu)酶。假如唯一的啟動子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的情況下，半乳糖也將使操縱子處于充分誘導(dǎo)狀態(tài)，這無疑是一種浪費(fèi)。無論從必要性或經(jīng)濟(jì)性考慮，都需要一個不依賴于cAMP-CAP的啟動子（S1）對高水平合成進(jìn)行調(diào)節(jié)。第一百零六頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五（3）cAMP-CRP對半乳糖啟動子的作用①從S1起始的轉(zhuǎn)錄只有當(dāng)培養(yǎng)基中無葡萄糖（G）時才能進(jìn)行（與Lac操縱子同）。②從S2起始的轉(zhuǎn)錄要依賴于葡萄糖，高水平的cAMP—CRP（無G)能抑制從S2的轉(zhuǎn)錄，當(dāng)有cAMP—CRP時，轉(zhuǎn)錄從S1開始，當(dāng)無cAMP—CRP時，轉(zhuǎn)錄從S2開始。第一百零七頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五２、阿拉伯糖操縱子的調(diào)控模式（1）阿拉伯糖操縱子的基因結(jié)構(gòu)在大腸桿菌中阿拉伯糖的降解需要3個基因：araB、araA和araD，它們形成一個基因簇，簡寫為araBAD

araB基因、araA基因和araD基因分別編碼阿拉伯糖代謝需要的三種酶：

核酮糖激酶,阿拉伯糖異構(gòu)酶,核酮糖-5-磷酸差向異構(gòu)酶

第一百零八頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五（2）AraC蛋白的正負(fù)調(diào)控作用第一百零九頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五（3）AraC蛋白的兩種形式Pr是起阻遏作用Pj是起誘導(dǎo)作用在沒有阿拉伯糖時，Pr形式占優(yōu)勢有阿拉伯糖存在，平衡趨向于Pi形。第一百一十頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五（4）營養(yǎng)狀況對ara操縱子活性的影響培養(yǎng)基中含有葡萄糖araC基因雖然仍有轉(zhuǎn)錄，但受到抑制，只有少量AraC蛋白形成，整個系統(tǒng)幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。無葡萄糖，無阿拉伯糖AraC蛋白仍以Pr形式為主，無法與操縱區(qū)B位點(diǎn)相結(jié)合，無ara-BADmRNA轉(zhuǎn)錄。無葡萄糖，有阿拉伯糖大量araC基因產(chǎn)物以Pi形式存在，，在cAMP-CAP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表達(dá)，操縱子充分激活。第一百一十一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五3、多啟動子調(diào)控的操縱子（1）rRNA操縱子大腸桿菌rRNA操縱子（rrnE）上有兩個啟動子:P1和P2。營養(yǎng)充沛時，由強(qiáng)啟動子P1起始的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物比由P2起始的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物高3-5倍。營養(yǎng)匱乏時，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。第一百一十二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五

（2）核糖體蛋白SI操縱子核糖體蛋白SI操縱子（rpsA），它也受應(yīng)急反應(yīng)調(diào)節(jié)。RpsA有4個啟動子，P1、P2是強(qiáng)啟動子，平時主要依靠它們來啟動基因的表達(dá)，合成SI蛋白。P3、P4是弱啟動子，只有在緊急情況下，P1、P2啟動子受ppGpp的抑制，由P3、P4起始合成的SI蛋白維持了生命的最低需要。P1P2P3P4強(qiáng)啟動子弱啟動子緊急情況下，受ppGpp的抑制平時啟動基因的表達(dá)均合成SI蛋白第一百一十三頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五（3）DnaQ蛋白操縱子DnaQ蛋白是DNA聚合酶全酶的亞基之一，其主要功能是校正DNA復(fù)制中可能出現(xiàn)的錯誤。在RNA聚合酶活性較低時，操縱子的轉(zhuǎn)錄由弱啟動子P2控制；RNA聚合酶活性較高時，就開始利用強(qiáng)啟動子P1。第一百一十四頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五四、二組分調(diào)控系統(tǒng)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)二組分系統(tǒng)傳感蛋白（位于細(xì)胞質(zhì)膜）應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白（位于細(xì)胞質(zhì)）磷酸化（磷酰基團(tuán)轉(zhuǎn)移）磷酸化應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白下游基因表達(dá)阻遏或誘導(dǎo)第一百一十五頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五5、阻遏蛋白LexA的降解與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答

SOS基因紫外線激活RecALexA阻遏蛋白

與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)基因表達(dá)LexA阻遏蛋白操縱序列第一百一十六頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五固氮基因調(diào)控1、根瘤的產(chǎn)生

2、固氮酶3、與固氮有關(guān)的基因及其調(diào)控第一百一十七頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五１根瘤的產(chǎn)生根瘤菌棲集于宿主的根毛上后，開始了侵染過程。細(xì)菌刺激根毛細(xì)胞發(fā)生卷曲，根瘤菌在根毛卷曲處進(jìn)入根毛細(xì)胞后，被宿主所分泌的一種含纖維質(zhì)的物質(zhì)所包圍，形成一條套狀的侵染線。細(xì)菌在線內(nèi)繁殖。侵染線不斷向內(nèi)延伸，直至皮層細(xì)胞。最終侵染線壁解體而將根瘤菌釋放到宿主細(xì)胞中。第一百一十八頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五感染各種植物的不同根瘤菌豌豆根瘤菌野豌豆屬、豌豆屬、香豌豆屬、菜豆根瘤菌菜豆屬車軸草根瘤菌車軸草屬百脈根根瘤菌百脈根屬、絨毛花屬苜蓿根瘤菌苜蓿屬、草木犀屬

根瘤菌寄主植物第一百一十九頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五２固氮酶(1)組成：鐵蛋白+鉬鐵蛋白(2)結(jié)構(gòu)與功能：鐵蛋白：

結(jié)構(gòu)：二聚體（2個相同亞基），[4Fe-4S]原子簇（即：一簇金屬原子群集在一起）。

功能：在電子供體和鉬鐵蛋白之間傳遞e；與MgATP絡(luò)合（與MgATP絡(luò)合后，改變鐵蛋白構(gòu)型，降低其還原電位。與鉬鐵蛋白結(jié)合后，水解MgATP，產(chǎn)生能量，驅(qū)動電子傳遞）。鉬鐵蛋白：

結(jié)構(gòu)：四聚體（α2β2）。

功能：絡(luò)合、催化作用。接受鐵蛋白傳來的電子并繼續(xù)傳給N2。N2在此部位被還原成NH3。第一百二十頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五（３）固氮酶促反應(yīng)N2+16MgATP+8e-+8H+→2NH3+16MgADP+16Pi+H2第一百二十一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五３與固氮有關(guān)的基因及其調(diào)控第一百二十二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第一百二十三頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五１翻譯起始的調(diào)控２稀有密碼子對翻譯的影響３重疊基因?qū)Ψg起始的調(diào)控４翻譯阻遏對起始的調(diào)控５魔斑核苷酸水平對翻譯的影響第六節(jié)轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第一百二十四頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五１翻譯起始的調(diào)控

RBS（核糖體結(jié)合位點(diǎn)）：mRNA鏈上起始密碼子AUG上游的一段非翻譯區(qū)。

RBS的結(jié)合強(qiáng)度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼子AUG之間的距離。SD-4-10（9）-AUG

第一百二十五頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五２稀有密碼子對翻譯的影響（稀有密碼子：在基因中利用頻率很低的密碼子）dnaG(引物酶)RNA引物dnaG、rpoD和rpsU屬于大腸桿菌基因組上的同一個操縱子50個拷貝的dnaG蛋白、2800個拷貝的rpoD和40000個拷貝的rpsU第一百二十六頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五幾種蛋白質(zhì)中異亮氨酸密碼子使用頻率比較蛋白質(zhì)AUU/%AUC%AUA%結(jié)構(gòu)蛋白37621σ亞基26740DnaG蛋白363232細(xì)胞內(nèi)對應(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。第一百二十七頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五３重疊基因?qū)Ψg起始的調(diào)控trpE的終止密碼子與trpD的起始密碼重疊第一百二十八頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五TrpB–谷氨酸-異亮氨酸-終止

GAA--AUC--UGA

--UGG--AA

AUG--GAA

甲硫氨酸–谷氨酸–trpAtrpE—蘇氨酸—苯丙氨酸—終止

ACU--UUC--UGA--UGG--CUAUG

AUG–GCU

甲硫氨酸--丙氨酸--trpD翻譯終止時核糖體立即處在起始環(huán)境中，這種重疊的密碼子保證了同一核糖體對兩個連續(xù)基因進(jìn)行翻譯的機(jī)制。第一百二十九頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五４翻譯阻遏對起始的調(diào)控Qβ噬菌體的復(fù)制酶可結(jié)合于SD順序阻斷核糖體在mRNA上的移動，抑制了翻譯第一百三十頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五５魔斑核苷酸水平對翻譯的影響研究發(fā)現(xiàn)，在氨基酸缺乏時，rel+菌株能大量合成兩種特殊的核苷酸鳥苷四磷酸（鳥苷5‘一二磷酸-3’二磷酸，ppGpp）鳥苷五磷酸（鳥苷5‘一三磷酸-3’二磷酸，pppGpp）其電泳的遷移率和一般的核酸不同，而rel-菌則不能。魔斑Ⅰ魔斑Ⅱ第一百三十一頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五1、關(guān)于管家基因敘述錯誤的是

(A)在生物個體的幾乎各生長階段持續(xù)表達(dá)

(B)在生物個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)

(C)在生物個體全生命過程的幾乎所有細(xì)胞中表達(dá)

(D)在生物個體的某一生長階段持續(xù)表達(dá)

(E)在一個物種的幾乎所有個體中持續(xù)表達(dá)D第一百三十二頁，共一百四十四頁，編輯于2023年，星期五2