第八章 原核生物基因表達(dá)的調(diào)控-佘

第八章原核基因表達(dá)的調(diào)控1單林娜制作第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念第二節(jié)原核基因調(diào)控機(jī)制第三節(jié)乳糖操縱元第四節(jié)色氨酸操縱元第五節(jié)其他操縱元2單林娜制作第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念一、基因表達(dá)的概念基因表達(dá)(geneexpression)：是指儲(chǔ)存遺傳信息的基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯合成特定蛋白質(zhì)，進(jìn)而發(fā)揮其生物功能的整個(gè)過程。也即基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達(dá)?；虮磉_(dá)調(diào)控（geneexpressionregulation）:對(duì)基因表達(dá)過程的調(diào)節(jié)就稱為…。3單林娜制作dsDNAsupersolenoidchromatidchromosomesolenoidchromatinnucleosomestranscriptionbubbleRNAactivityofgenestructure2134564單林娜制作DNARNA5單林娜制作RNApolymerase5’5’5’codingstrandtemplatestrand

newRNAtranscriptmodelabouttranscriptionterminationforindependenttofactor6單林娜制作7單林娜制作8單林娜制作9單林娜制作(一)組成性表達(dá)(constitutiveexpression)(二)適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression）二、基因表達(dá)的方式10單林娜制作1、概念：又稱組成性基因表達(dá)(constitutivegeneexpression),是指在個(gè)體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)進(jìn)行的基因表達(dá)。其基因表達(dá)產(chǎn)物通常是對(duì)生命過程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。這類基因通常被稱為管家基因（housekeepinggene）。

（一）組成性表達(dá)11單林娜制作2.特點(diǎn)

①不易受環(huán)境變化影響,表達(dá)產(chǎn)物是整個(gè)生命過程中都持續(xù)需要的,是細(xì)胞存活所必須的。②表達(dá)水平較恒定。3.意義

維持生命12單林娜制作

1.概念

指環(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)。包括：（二）適應(yīng)性表達(dá)13單林娜制作

①誘導(dǎo)—隨環(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)；

②阻遏--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)。14單林娜制作2.特點(diǎn)

易受環(huán)境變化影響3.意義

適應(yīng)環(huán)境15單林娜制作三、基因表達(dá)的時(shí)間性和空間性1、時(shí)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(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。16單林娜制作是指多細(xì)胞生物個(gè)體在某一特定生長發(fā)育階段，同一基因的表達(dá)在不同的細(xì)胞或組織器官不同，從而導(dǎo)致特異性的蛋白質(zhì)分布于不同的細(xì)胞或組織器官。故又稱為細(xì)胞特異性或組織特異性(cellortissuespecificity)。

2、空間特異性(spatialspecificity)17單林娜制作四、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(gè)體發(fā)育與分化（真核）18單林娜制作五、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理

（一）基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控可見于從基因、轉(zhuǎn)錄到蛋白質(zhì)生物合成的各個(gè)階段，因此基因表達(dá)的調(diào)控可分為：DNA水平轉(zhuǎn)錄水平（基因激活及轉(zhuǎn)錄起始）轉(zhuǎn)錄后水平（加工及轉(zhuǎn)運(yùn)）翻譯水平翻譯后水平以轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)調(diào)控最重要。19單林娜制作（二）基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素

——順式作用元件和反式作用因子在基因轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控都是特定的蛋白質(zhì)分子和特定的DNA序列兩個(gè)因素相互作用的結(jié)果。起調(diào)控作用的DNA序列稱為順式作用元件或順式調(diào)控元件。與這些DNA序列相互作用的蛋白質(zhì)稱為反式作用因子。20單林娜制作1．順式作用元件（cis-actingelement）：又稱分子內(nèi)作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的特殊順序。21單林娜制作在原核生物中，大多數(shù)基因表達(dá)通過操縱元模型進(jìn)行調(diào)控，其順式作用元件主要由啟動(dòng)子、操縱子和調(diào)節(jié)基因組成。在真核生物中，與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的順式作用元件主要有啟動(dòng)子（promoter）、增強(qiáng)子（enhancer）和沉默子（silencer）沉默子（silencer）：可降低基因啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的一段DNA順式元件。與增強(qiáng)子作用相反。22單林娜制作基因的組織結(jié)構(gòu)及順式作用元件TranscriptionregionE.coilExonIntronEnhancer-35region-10regionEukaryotepromoterTATAInr23單林娜制作2．反式作用因子（trans-actingfactor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的蛋白質(zhì)因子。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達(dá)到對(duì)特定基因進(jìn)行調(diào)控的目的。24單林娜制作原核生物中的反式作用因子主要分為特異因子、激活蛋白和阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子通常稱為轉(zhuǎn)錄因子。反式作用因子也是基因產(chǎn)物。25單林娜制作3．順式作用元件與反式作用因子之間的相互作用大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白在與DNA結(jié)合之前，需先通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體或多聚體，然后再通過識(shí)別特定的順式作用元件，而與DNA分子結(jié)合。這種結(jié)合通常是非共價(jià)鍵結(jié)合。26單林娜制作27單林娜制作第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念第二節(jié)原核基因調(diào)控機(jī)制第三節(jié)乳糖操縱元第四節(jié)色氨酸操縱元第五節(jié)其他操縱元28單林娜制作第二節(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)操縱元學(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

29單林娜制作一、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30單林娜制作31單林娜制作二、操縱元學(xué)說1、操縱元模型的提出操縱子/元（operon

）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。1961年，由法國巴斯德研究所著名科學(xué)家Monod和Jacob首先提出。獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。32單林娜制作JacobandMonod33單林娜制作調(diào)控區(qū):I-調(diào)節(jié)基因，Repressor；P-啟動(dòng)子,Promotor；O-操縱基因,Operator（OP有一定的重疊）；CAP結(jié)合位點(diǎn)。結(jié)構(gòu)基因：Z-β半乳糖苷酶基因（β-galactosidase）；Y-半乳糖苷透酶（乳糖透酶）（β-galotosideporinerase）；A-硫代半乳糖轉(zhuǎn)乙?；福╰ransacetylase）。IRepressor34單林娜制作lacZβ—半乳糖苷酶，將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖lacY半乳糖滲透酶，幫助細(xì)菌從培養(yǎng)基中攝取乳糖；lacA半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶乳糖操縱元35單林娜制作2、操縱元（operon

）的基本組成乳糖操縱元模型被以后的許多研究實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，對(duì)其有了更深入的認(rèn)識(shí)，并且發(fā)現(xiàn)其他原核生物基因調(diào)控也有類似的操縱元組織。操縱元是原核基因表達(dá)調(diào)控的一種重要的組織形式，大腸桿菌的基因多數(shù)以操縱元的形式組成基因表達(dá)調(diào)控的單元。36單林娜制作

R

P

O

ST1ST2T

啟動(dòng)操縱調(diào)節(jié)基因基因基因結(jié)構(gòu)基因控制區(qū)

操縱元信息區(qū)操縱元模型的一般結(jié)構(gòu)啟動(dòng)子操縱子終止子37單林娜制作（1）結(jié)構(gòu)基因群操縱元中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因可稱為結(jié)構(gòu)基因(structuralgene,SG)。一個(gè)操縱元中含有2個(gè)以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達(dá)十幾個(gè)。每個(gè)結(jié)構(gòu)基因是一個(gè)連續(xù)的開放讀框(openreadingframe)，5’端有翻譯起始碼(DNA存儲(chǔ)鏈上是ATG，轉(zhuǎn)錄成mRNA就是AUG)，3’端有翻譯終止碼(DNA存儲(chǔ)鏈上是TAA、TGA或TAG，轉(zhuǎn)錄成mRNA就是UAA、UGA或UAG)。38單林娜制作（2）啟動(dòng)子啟動(dòng)子(promoter，P)是指能被RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。操縱元至少有一個(gè)啟動(dòng)子，一般在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因5′側(cè)上游，控制整個(gè)結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。比較已經(jīng)研究過的上百種原核生物的啟動(dòng)子的序列，發(fā)現(xiàn)有一些共同的規(guī)律，它們一般長40－60bp，含AT堿基對(duì)較多，某些段落是很相似的，這些相似的保守性段落稱為共有性序列(consensus

sequences)，如-10，-35序列。39單林娜制作SextamaBoxPribnowBox40單林娜制作(3)操縱子(operator)操縱子(operator)是指能與調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動(dòng)子鄰近或與啟動(dòng)子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱子序列上，會(huì)影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。操縱子也稱為操縱基因(operator

gene)。正如啟動(dòng)序列稱為啟動(dòng)子一樣，操縱序列可稱為操縱子。以前將operon譯為操縱子則可改譯為操縱元，即基因表達(dá)操縱的單元之意。41單林娜制作Operator42單林娜制作（4）調(diào)控基因調(diào)控基因(regulatory

gene)是編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。分為：阻遏蛋白：與操縱子結(jié)合后能減弱或阻止所調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)蛋白稱為阻遏蛋白(repressive

protein)。激活蛋白：與操縱子結(jié)合后能增強(qiáng)或起動(dòng)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)蛋白稱為激活蛋白(activating

pro-tein)。43單林娜制作（5）終止子終止子(terminator，T)是給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的DNA/RNA序列。在一個(gè)操縱元中至少在結(jié)構(gòu)基因群最后一個(gè)基因的后面有一個(gè)終止子。44單林娜制作1、根據(jù)操縱子對(duì)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：由激活蛋白所介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為正性調(diào)控(positive

regulation)。負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控：由阻遏蛋白所介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為負(fù)性調(diào)控(negative

regulation)。三、原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)45單林娜制作調(diào)控基因操縱子結(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46單林娜制作2、根據(jù)操縱子對(duì)效應(yīng)物的應(yīng)答，分為可誘導(dǎo)調(diào)控和可阻遏調(diào)控兩大類：效應(yīng)物：是通過調(diào)控蛋白而促使操縱子達(dá)到誘導(dǎo)狀態(tài)或阻遏狀態(tài)的小分子物質(zhì)（代謝途徑的底物或產(chǎn)物）。誘導(dǎo)物輔阻遏物47單林娜制作可誘導(dǎo)調(diào)控：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元結(jié)構(gòu)基因編碼分解代謝蛋白48單林娜制作誘導(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。調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)蛋白誘導(dǎo)物mRNA酶蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)蛋白酶合成的誘導(dǎo)操縱元模型49單林娜制作可阻遏調(diào)節(jié)：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其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。即在某些物質(zhì)的阻遏下使基因關(guān)閉。例：色氨酸操縱元結(jié)構(gòu)基因編碼合成代謝蛋白50單林娜制作酶合成的阻遏操縱元模型調(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)基因輔阻遏物輔阻遏物如果某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生合成該物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。51單林娜制作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，阻遏蛋白與誘導(dǎo)物結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白輔阻遏物結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。52單林娜制作負(fù)控誘導(dǎo)在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與誘導(dǎo)物結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；53單林娜制作負(fù)控誘導(dǎo)54單林娜制作在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與輔阻遏物結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。負(fù)控阻遏55單林娜制作負(fù)控阻遏56單林娜制作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，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，輔阻遏物的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。57單林娜制作在正控誘導(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)；正控誘導(dǎo)58單林娜制作正控誘導(dǎo)59單林娜制作在正控阻遏系統(tǒng)中，輔阻遏物的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。正控阻遏60單林娜制作正控阻遏61單林娜制作負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)阻遏阻遏阻遏阻遏62單林娜制作四、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式1、σ因子的更換2、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)3、弱化子對(duì)基因活性的影響4、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)63單林娜制作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(shí)，需要不同的因子指導(dǎo)RNA聚合酶與各種啟動(dòng)子結(jié)合。64單林娜制作大腸桿菌中的各種σ因子比較σ因子編碼基因主要功能σ70rpoD參與對(duì)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65單林娜制作溫度較高,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(dòng)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(shí)別不同基因的啟動(dòng)子,使芽孢形成有關(guān)的基因有序地表達(dá)66單林娜制作2、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)通過正調(diào)控以提高基因轉(zhuǎn)錄水平，使它由原來的低水平表達(dá)變成高水平表達(dá)。如：乳糖操縱元除負(fù)控誘導(dǎo)機(jī)制外，還存在一種正控調(diào)節(jié)機(jī)制，它受到分解代謝產(chǎn)物的阻抑作用，又稱作降解物抑制作用或葡萄糖效應(yīng)。降解物抑制作用是通過提高轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度來調(diào)節(jié)基因表達(dá)的，是一種積極的調(diào)節(jié)方式。67單林娜制作降解物抑制作用產(chǎn)生的原因如下：細(xì)胞內(nèi)存在一種降解物激活蛋白CAP。它與cAMP結(jié)合后才能與啟動(dòng)基因結(jié)合，從而促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)基因的結(jié)合與轉(zhuǎn)錄。68單林娜制作3、弱化子對(duì)基因活性的影響弱化子：位于結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)區(qū)的終止子，它能使轉(zhuǎn)錄終止。在這種調(diào)節(jié)方式中，起調(diào)節(jié)作用的信號(hào)分子的是細(xì)胞中某一氨基酸或嘧啶的濃度。弱化作用是更為精細(xì)的調(diào)節(jié)機(jī)制。69單林娜制作屬于這種調(diào)節(jié)方式的有大腸桿菌的色氨酸操縱元、丙氨酸操縱元、蘇氨酸操縱元、異亮氨酸操縱元、纈氨酸操縱元以及沙門氏菌的組氨酸操縱元和亮氨酸操縱元、嘧啶合成操縱元等等。70單林娜制作4.細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)在細(xì)菌面臨緊急狀況時(shí)，如氨基酸饑餓時(shí)，不是缺少一二種氨基酸，而是氨基酸的全面匱乏，細(xì)菌將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)急反應(yīng)，此時(shí)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)反應(yīng)過程均被停止。71單林娜制作實(shí)施這一應(yīng)急反應(yīng)的信號(hào)是鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp）。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物是空載tRNA?？蛰dtRNA會(huì)激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成。72單林娜制作Chapter8ControllingoftheGeneExpression(PartOne)第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念第二節(jié)原核基因調(diào)控機(jī)制第三節(jié)乳糖操縱元第四節(jié)色氨酸操縱元第五節(jié)其他操縱元73單林娜制作第三節(jié)乳糖操縱元(lacoperon)內(nèi)容提要：乳糖操縱元的結(jié)構(gòu)酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)乳糖操縱元調(diào)控模型影響因子74單林娜制作一、乳糖操縱元的結(jié)構(gòu)i基因POlacZlacYlacA阻遏基因CAP啟動(dòng)子操縱基因結(jié)構(gòu)基因代謝激活蛋白結(jié)合位點(diǎn)75單林娜制作乳糖操縱元的結(jié)構(gòu)LacZLacILacALacY1040351078082582repressorβ-galactosidasepermeasetransacetylase76單林娜制作圖Lac操縱元及各組分詳圖77單林娜制作乳糖操縱元的結(jié)構(gòu)1)結(jié)構(gòu)基因：分解乳糖的三種酶，使乳糖分解，產(chǎn)生能量。2)操縱基因3)

啟動(dòng)子4)

CAP5)

i基因：上游，產(chǎn)生阻遏物。78單林娜制作結(jié)構(gòu)基因lacZ編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖lacY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)。lacA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。79單林娜制作Twophysiologicallyimportantreactionscatalyzedbyβ-galactosidase?2003JohnWileyandSonsPublishers異乳糖80乳糖別乳糖IPTG結(jié)合lac阻遏物—去阻遏81單林娜制作一些化學(xué)合成的乳糖類似物，不受β-半乳糖苷酶的催化分解，卻也能與R特異性結(jié)合，使R構(gòu)象變化，誘導(dǎo)lac操縱元的開放。例如異丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiogalactoside,

IPTG)就是很強(qiáng)的誘導(dǎo)劑，不被細(xì)胞代謝而十分穩(wěn)定。X-gal(5-溴-4-氯-3-吲哚-β-半乳糖苷)也是一種人工化學(xué)合成的半乳糖苷，可被β-半乳糖苷酶水解產(chǎn)生蘭色化合物，因此可以用作β-半乳糖苷酶活性的指示劑。IPTG和X-gal（分子式見圖）都被廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)和基因工程的工作中。82單林娜制作如果某種物質(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)被稱為義務(wù)誘導(dǎo)物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。義務(wù)誘導(dǎo)物(gratuitousinducer)：CH2OHCH3HOOS－C－CH3HCH3OHHHHHOHIPTG83單林娜制作二、酶的誘導(dǎo)—lac體系受調(diào)控的證據(jù)84單林娜制作乳糖操縱元的雙調(diào)控系統(tǒng)：(1)受乳糖與阻遏蛋白調(diào)控的、可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控系統(tǒng);(2)受cAMP與CAP調(diào)節(jié)的、可誘導(dǎo)的正調(diào)控系統(tǒng)。葡萄糖通過調(diào)節(jié)cAMP的合成間接監(jiān)控這一過程。以此保證大腸桿菌靈活、經(jīng)濟(jì)、有效地適應(yīng)外界環(huán)境，只有在必需的時(shí)候（只有乳糖，沒有葡萄糖）才啟動(dòng)乳糖操縱子的表達(dá)。三、乳糖操縱元調(diào)控模型85單林娜制作（一）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)：

（分解代謝）——可誘導(dǎo)調(diào)控（二）CAP的正性調(diào)節(jié)

（三）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)86單林娜制作（一）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)

（分解代謝）——可誘導(dǎo)調(diào)控1、乳糖操縱元調(diào)控模型主要內(nèi)容2、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)：

（分解代謝）——負(fù)控誘導(dǎo)87單林娜制作1、乳糖操縱元調(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。②該mNA分子的啟動(dòng)區(qū)（P）位于阻遏基因（I）與操縱區(qū)（O）之間，不能單獨(dú)起始半乳糖苷酶和透過酶基因的高效表達(dá)；③操縱子(operater)是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。④當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。88單林娜制作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(shí)，操縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始mRNA的合成。乳糖操縱元調(diào)控模型主要內(nèi)容：89單林娜制作90單林娜制作RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位StartpointofthelacoperonRepressorandRNApolymasebindatsitethatoverlaparoudthestartpointofthelacoperon91單林娜制作GC操縱位點(diǎn)的回文序列Centerofsymmetry92單林娜制作未誘導(dǎo)：結(jié)構(gòu)基因被阻遏阻遏物四聚體LacIPOlacZlacYlacA圖當(dāng)無誘導(dǎo)物時(shí)阻遏物結(jié)合在操縱基因上93單林娜制作誘導(dǎo)：基因被打開β-半乳糖苷酶透性酶

乙酰轉(zhuǎn)移酶圖誘導(dǎo)物和阻遏物成為調(diào)節(jié)操縱元的開關(guān)94單林娜制作2、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)：

（分解代謝）——負(fù)控誘導(dǎo)1)無乳糖存在時(shí)，阻遏物可以結(jié)合在操縱基因上—→阻止轉(zhuǎn)錄過程—→基因關(guān)閉2)

有乳糖存在時(shí)，乳糖與阻遏物結(jié)合—→阻遏物變構(gòu)—→阻遏物不能結(jié)合操縱基因—→轉(zhuǎn)錄進(jìn)行—→基因開放95單林娜制作96單林娜制作可誘導(dǎo)調(diào)控的操縱元，其基因表達(dá)產(chǎn)物都是利用某種營養(yǎng)物的酶體系（分解代謝）

有營養(yǎng)物——相應(yīng)基因開放

無營養(yǎng)物——細(xì)胞就沒必要產(chǎn)生相應(yīng)的酶97單林娜制作1．調(diào)控機(jī)理：CAP：Cataboliteactivatorprotein，分解代謝活化劑蛋白，由活化劑基因(A)編碼。也叫環(huán)腺苷酸受體蛋白(cAMP

receptor

protein,CRP)。（二）CAP的正性調(diào)節(jié)98單林娜制作

cAMP：CyclicAMPATP在腺苷酸環(huán)化酶的作用下轉(zhuǎn)變成環(huán)腺苷酸(cyclicadenosinemonophosphate,cAMP)。99單林娜制作Theadenylcyclase-catalyzedsynthesisofcyclicAMP(cAMP)fromATP?2003JohnWileyandSonsPublishers100單林娜制作

CAP有2種狀態(tài)：無活性態(tài)：CAP未與cAMP結(jié)合時(shí)是沒有活性的，不能與特定的DNA序列結(jié)合?；钚詰B(tài)：

CAP與cAMP結(jié)合后，發(fā)生空間構(gòu)象的變化而活化，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合，從而增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，可使轉(zhuǎn)錄提高50倍。101單林娜制作ZYAOPDNA調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：

β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶在lac操縱元的啟動(dòng)子Plac上游端有一段與Plac部分重疊的序列，能與CAP特異結(jié)合，稱為CAP結(jié)合位點(diǎn)(CAP

binding

site)。102單林娜制作（二）CAP的正性調(diào)節(jié)103單林娜制作在什么條件下cAMP能夠與CAP結(jié)合呢？104單林娜制作當(dāng)葡萄糖濃度高時(shí)，cAMP濃度降低，CAP不能被活化，lac操縱元的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)下降（如下圖）。當(dāng)葡萄糖濃度低時(shí)，cAMP濃度升高，CAP被活化，lac操縱元的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)上升（如下圖）。105單林娜制作106單林娜制作2、CAP正調(diào)控的意義葡萄糖、乳糖同時(shí)存在時(shí)，葡萄糖先利用1）有葡萄糖存在時(shí)，cAMP↓—→cAMP-CAP↓，不能結(jié)合CAP位點(diǎn)上，—→正調(diào)控作用↓—→乳糖操縱元不能表達(dá)。（雖然有乳糖存在，乳糖操縱元不開放基因）107單林娜制作2）無葡萄糖存在時(shí)，cAMP↑—→cAMP-CAP↑—→正調(diào)控作用↑—→基因表達(dá)。CAP正調(diào)控的意義在于保證經(jīng)濟(jì)有效地利用碳源。對(duì)lac操縱元來說CAP是正性調(diào)節(jié)因素，lac阻遏蛋白是負(fù)性調(diào)節(jié)因素。兩種調(diào)節(jié)機(jī)制之間是何種關(guān)系呢？108單林娜制作CAP和lac阻遏蛋白兩種調(diào)節(jié)機(jī)制根據(jù)存在的碳源性質(zhì)及水平協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)lac操縱元的表達(dá)。當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)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，操縱元仍無轉(zhuǎn)錄活性。cAMP—CAP復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。（三）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)109單林娜制作單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，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(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對(duì)lac

操縱元的阻遏作用稱為分解代謝阻遏(catabolicrepression)。110單林娜制作111單林娜制作112單林娜制作TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP113單林娜制作TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPRNAPol.RNAPol.Yipe…!BindtomePolymerase114單林娜制作TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!115單林娜制作四、影響因子1、lac操縱元的本底水平表達(dá)2、大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)3、阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能4、葡萄糖對(duì)lac操縱元的影響5、cAMP與代謝物激活蛋白116單林娜制作1、lac操縱元的本底水平表達(dá)有兩個(gè)矛盾是操縱元理論所不能解釋的：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，后者的合成又需要誘導(dǎo)物誘導(dǎo)。解釋：一些誘導(dǎo)物可以在透過酶不存在時(shí)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？√117單林娜制作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。118單林娜制作2、大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)培養(yǎng)基：甘油按照lac操縱元本底水平的表達(dá)，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有幾個(gè)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：透過酶進(jìn)入細(xì)胞β-半乳糖苷酶異構(gòu)乳糖誘導(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)乳糖少量乳糖透過酶119單林娜制作乳糖HOHHOOHHHCH2OHHOOHHOOHOCH2CH2OHHOHOHHHOOH

別乳糖HOOHHHHOHOHHH＋H2OHHHOOHCH2OHCH2OHHOHCH2OHHOOHHOOOHH

HOHH＋OHHOHHHHHOHHOH葡萄糖半乳糖H圖乳糖分解的不同產(chǎn)物120單林娜制作BasallevelBasallevelBasallevelInducedlevel誘導(dǎo)物的加入和去除對(duì)lacmRNA的影響InducedlevelAddInducerRemoveInducer121單林娜制作3、阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能Lac操縱元阻遏物mRNA是由弱啟動(dòng)子控制下組成型合成的，每個(gè)細(xì)胞中有5-10個(gè)阻遏物分子。當(dāng)I基因由弱啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)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(gè)lac操縱元在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。122單林娜制作強(qiáng)啟動(dòng)子區(qū)123單林娜制作4、葡萄糖對(duì)lac操縱元的影響如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中，lac操縱元處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導(dǎo)；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會(huì)誘導(dǎo)lac操縱元表達(dá)分解乳糖所需的三種酶?！x物阻遏效應(yīng)124單林娜制作5、cAMP與代謝物激活蛋白(P239)細(xì)菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)：當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖分解供給能量時(shí)，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，當(dāng)環(huán)境中無葡萄糖可供利用時(shí)，cAMP含量就升高。125單林娜制作ATP腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺苷酸）大腸桿菌中：無葡萄糖，cAMP濃度高；有葡萄糖，cAMP濃度低126單林娜制作++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調(diào)控127單林娜制作第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念第二節(jié)原核基因調(diào)控機(jī)制第三節(jié)乳糖操縱元第四節(jié)色氨酸操縱元第五節(jié)其他操縱元128單林娜制作第四節(jié)色氨酸操縱元（trpoperon）

內(nèi)容提要：色氨酸操縱元的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱元的阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱元的弱化機(jī)制129單林娜制作一、色氨酸操縱元的結(jié)構(gòu)色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分。一般的環(huán)境難以給細(xì)菌提供足夠的色氨酸，細(xì)菌要生存繁殖通常需要自己經(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(huì)充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負(fù)擔(dān)。細(xì)菌所以能做到這點(diǎn)是因?yàn)橛猩彼岵倏v元(trp

operon)的調(diào)控。

130單林娜制作調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因

催化分枝酸轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>