第7章基因的表達(dá)與調(diào)控(上)

1、第七章第七章原核基因表達(dá)調(diào)控原核基因表達(dá)調(diào)控Expression and regulation of Gene in Prokaryotes 概述概述一、基因表達(dá)的概念一、基因表達(dá)的概念gene expression ：基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。對：基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為這個過程的調(diào)節(jié)就稱為gene regulation 。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達(dá)。的過程也屬于基因表達(dá)。 組成性表達(dá)組成性表達(dá)(constitutive expression) 適應(yīng)性表達(dá)適應(yīng)性表達(dá)(adaptive expression）二、基因表達(dá)的方式二

2、、基因表達(dá)的方式 1、組成型表達(dá)：、組成型表達(dá)： 指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達(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)，某些基因在一個個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為通常被稱為管家基因管家基因(housekeeping gene)。無論表達(dá)水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影無論表達(dá)水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。區(qū)別于其他基部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達(dá)被視為因，這類基因表達(dá)被視為組成型表達(dá)組成

3、型表達(dá)(constitutive expression)。 2、適應(yīng)性表達(dá)、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)?；虮磉_(dá)。n 應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為應(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)誘導(dǎo)(induction)，這類基因被稱為，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因可誘導(dǎo)的基因(inducible gene)；n相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏象稱為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱為，相應(yīng)的基因被稱為可阻可阻遏的基因遏的基因(repressibl

4、e gene)。 n在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為，即為協(xié)調(diào)表達(dá)協(xié)調(diào)表達(dá)(coordinate expression)，這種調(diào)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinate regulation)。三、基因表達(dá)的規(guī)律三、基因表達(dá)的規(guī)律 時間性和空間性時間性和空間性1、時間特異性（、時間特異性（temporal specificity）按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按按功能需要，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

5、特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時間時間特異性。特異性。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時間特異性又稱多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時間特異性又稱階階段特異性段特異性(stage specificity)。 2、空間特異性、空間特異性(spatial specificity)基因表達(dá)伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分基因表達(dá)伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，布差異，實際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性細(xì)胞或組織特異性(cell or tissue specificity)。在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體在個體生長全過程，某種基

6、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)的空間特異性空間特異性。四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義n適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（原核、真核）（原核、真核）n維持個體發(fā)育與分化維持個體發(fā)育與分化（真核）（真核）五、基因表達(dá)調(diào)控的層次五、基因表達(dá)調(diào)控的層次轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄水平 基因結(jié)構(gòu)活化基因結(jié)構(gòu)活化轉(zhuǎn)錄起始（基因表達(dá)基本控制點）轉(zhuǎn)錄起始（基因表達(dá)基本控制點） 轉(zhuǎn)錄后水平轉(zhuǎn)錄后水平轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄后加工轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)翻譯水平翻譯水平翻譯調(diào)控翻譯調(diào)控翻譯后加工翻譯后加工蛋白質(zhì)降解蛋白質(zhì)降解六、六、轉(zhuǎn)

7、錄水平轉(zhuǎn)錄水平-基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素 （一）（一） 特異特異DNA序列序列 （二）（二） 調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白 （三）（三） RNA聚合酶聚合酶原核生物的特異原核生物的特異DNA序列序列 原核生物基因表達(dá)與調(diào)控是通過操縱子機(jī)制來實現(xiàn)的。原核生物基因表達(dá)與調(diào)控是通過操縱子機(jī)制來實現(xiàn)的。 操縱子操縱子 是由功能上相關(guān)聯(lián)的多個編碼序列（結(jié)構(gòu)基因）及其上游的是由功能上相關(guān)聯(lián)的多個編碼序列（結(jié)構(gòu)基因）及其上游的調(diào)控序列成簇串聯(lián)在一起構(gòu)成的一個轉(zhuǎn)錄協(xié)調(diào)單位。調(diào)控序列成簇串聯(lián)在一起構(gòu)成的一個轉(zhuǎn)錄協(xié)調(diào)單位。 調(diào)控序列調(diào)控序列 包括操縱序列包括操縱序列(O)、啟動序列、啟動序列(P)和調(diào)

8、節(jié)基因和調(diào)節(jié)基因(I/R)等組件。等組件。 （一）特異（一）特異DNA序列序列 操縱子操縱子調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因 啟動序列啟動序列 操縱序列操縱序列 編碼序列（編碼序列（結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因） 表達(dá)表達(dá) 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄ICAPPOZYA阻遏蛋白阻遏蛋白結(jié)合部位結(jié)合部位RNA聚合酶聚合酶結(jié)合部位結(jié)合部位啟動序列（啟動序列（P）：）： 其中的其中的-35區(qū)區(qū) -10區(qū)區(qū)是是RNA聚合酶識別并結(jié)合的部位。聚合酶識別并結(jié)合的部位。 多順反子多順反子mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白（負(fù)性調(diào)節(jié)）（負(fù)性調(diào)節(jié)） （ 正性調(diào)節(jié)）正性調(diào)節(jié)）多種蛋白質(zhì)多種蛋白質(zhì) 真核生物的特異真核生物的特異DNA序列序列 真核生物基因組中含有可以調(diào)控自

9、身基因表達(dá)的真核生物基因組中含有可以調(diào)控自身基因表達(dá)的特異特異DNA序列，稱為順式作用元件。序列，稱為順式作用元件。 順式作用元件能夠被各種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白特異識順式作用元件能夠被各種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白特異識別和結(jié)合，從而影響基因表達(dá)活性。別和結(jié)合，從而影響基因表達(dá)活性。 啟動子啟動子 順式作用元件又分順式作用元件又分 增強(qiáng)子增強(qiáng)子 沉默子沉默子1) 順式作用元件順式作用元件(cis-acting element)可影響自身基因表達(dá)活性的可影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列序列BADNA編碼序列編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點轉(zhuǎn)錄起始點不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列

10、一些共有序列 ，如，如TATA盒、盒、CAAT盒等，這盒等，這些共有序列是些共有序列是RNA聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的聚合酶或特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點。結(jié)合位點。（二）調(diào)節(jié)蛋白（二）調(diào)節(jié)蛋白原核生物的調(diào)節(jié)蛋白（原核生物的調(diào)節(jié)蛋白（3類）類）特異因子特異因子 決定決定RNA聚合酶對啟動序列的特異識別和結(jié)合能力；聚合酶對啟動序列的特異識別和結(jié)合能力； (如，如，RNA聚合酶的聚合酶的 因子因子)阻遏蛋白阻遏蛋白 通過與操縱序列結(jié)合，阻遏基因轉(zhuǎn)錄，發(fā)揮負(fù)性調(diào)控作用；通過與操縱序列結(jié)合，阻遏基因轉(zhuǎn)錄，發(fā)揮負(fù)性調(diào)控作用； （由調(diào)節(jié)基因表達(dá)的阻遏蛋白）（由調(diào)節(jié)基因表達(dá)的阻遏蛋白）激活蛋白激活蛋白 與啟動子上游與

11、啟動子上游DNA序列結(jié)合，促進(jìn)序列結(jié)合，促進(jìn)RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄活性，聚合酶轉(zhuǎn)錄活性，發(fā)揮正性調(diào)控作用。發(fā)揮正性調(diào)控作用。(如，如，CAP分解代謝物基因活化蛋白分解代謝物基因活化蛋白) 2. 真核生物的調(diào)節(jié)蛋白真核生物的調(diào)節(jié)蛋白 反式作用因子反式作用因子 能直接或間接與順式作用元件相互作用，進(jìn)而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄能直接或間接與順式作用元件相互作用，進(jìn)而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的一類調(diào)節(jié)蛋白，統(tǒng)稱為反式（作用）因子。的一類調(diào)節(jié)蛋白，統(tǒng)稱為反式（作用）因子。(trans-acting factor) 按其功能不同，常有以下三類：按其功能不同，常有以下三類： 基本轉(zhuǎn)錄因子基本轉(zhuǎn)錄因子 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子 共調(diào)節(jié)因子

12、共調(diào)節(jié)因子 （1） 基本轉(zhuǎn)錄因子（基本轉(zhuǎn)錄因子（TF） 是指能夠在啟動子部位與核心序列是指能夠在啟動子部位與核心序列TATA盒和盒和RNA Pol結(jié)合，形成轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物（結(jié)合，形成轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物（PIC）的一類調(diào)節(jié)蛋白，以起）的一類調(diào)節(jié)蛋白，以起動轉(zhuǎn)錄。動轉(zhuǎn)錄。 與與RNA聚合酶聚合酶(RNA Pol )結(jié)合的結(jié)合的(基本基本)轉(zhuǎn)錄因子有：轉(zhuǎn)錄因子有：TFA，TFB，TFD，TFE，TFF，TFH, TFJ 等。等。 首先由首先由TFD與啟動子與啟動子TATA盒結(jié)合，然后按一定的時空順盒結(jié)合，然后按一定的時空順序依次結(jié)合序依次結(jié)合RNA Pol和其它轉(zhuǎn)錄因子，形成和其它轉(zhuǎn)錄因子，形成PI

13、C。 (2) (2) 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子 這類調(diào)節(jié)蛋白能識別并結(jié)合轉(zhuǎn)錄起始點上游的調(diào)控序列或遠(yuǎn)這類調(diào)節(jié)蛋白能識別并結(jié)合轉(zhuǎn)錄起始點上游的調(diào)控序列或遠(yuǎn)端的增強(qiáng)子元件，通過蛋白質(zhì)端的增強(qiáng)子元件，通過蛋白質(zhì)- -DNA相互作用而影響轉(zhuǎn)錄活性。相互作用而影響轉(zhuǎn)錄活性。 起激活轉(zhuǎn)錄作用起激活轉(zhuǎn)錄作用轉(zhuǎn)錄激活因子；轉(zhuǎn)錄激活因子； 起阻遏轉(zhuǎn)錄作用起阻遏轉(zhuǎn)錄作用轉(zhuǎn)錄阻遏因子。轉(zhuǎn)錄阻遏因子。（3 3） 共調(diào)節(jié)因子共調(diào)節(jié)因子 另有一類與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子發(fā)生蛋白蛋白相互作用，進(jìn)而影另有一類與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子發(fā)生蛋白蛋白相互作用，進(jìn)而影響它們的分子構(gòu)象，影響轉(zhuǎn)錄活性，稱共調(diào)節(jié)因子。響它們的分子構(gòu)象，影響轉(zhuǎn)錄活性，稱共調(diào)節(jié)

14、因子。 如果與轉(zhuǎn)錄激活因子有協(xié)同作用如果與轉(zhuǎn)錄激活因子有協(xié)同作用共激活因子；共激活因子； 與轉(zhuǎn)錄阻遏因子有協(xié)同作用與轉(zhuǎn)錄阻遏因子有協(xié)同作用共阻遏因子。共阻遏因子。7.1原核基因表達(dá)調(diào)控總論原核基因表達(dá)調(diào)控總論7.1.1 原核基因表達(dá)調(diào)控的類型與特點原核基因表達(dá)調(diào)控的類型與特點1、根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白、根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白(阻遏蛋白或激活蛋白阻遏蛋白或激活蛋白) 的應(yīng)答，的應(yīng)答，正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因RNA調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因激活蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(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

15、，加入如果在沒有調(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。正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白阻遏蛋白負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)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。負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。 根據(jù)輔因子根據(jù)輔因子(小分子小分子)結(jié)合后調(diào)控效果，可分：結(jié)合后調(diào)控效果，可分： 開啟調(diào)控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄活性開啟調(diào)控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)

16、基因的轉(zhuǎn)錄活性 誘導(dǎo)誘導(dǎo)關(guān)閉調(diào)控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄活性關(guān)閉調(diào)控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄活性 阻遏阻遏 操縱子調(diào)控系統(tǒng)的基本類型操縱子調(diào)控系統(tǒng)的基本類型v可誘導(dǎo)負(fù)控制系統(tǒng)可誘導(dǎo)負(fù)控制系統(tǒng)v可誘導(dǎo)正控制系統(tǒng)可誘導(dǎo)正控制系統(tǒng)v可阻遏負(fù)控制系統(tǒng)可阻遏負(fù)控制系統(tǒng)v可阻遏正控制系統(tǒng)可阻遏正控制系統(tǒng)幾個概念：幾個概念：n誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物(inducer)：指當(dāng)作用于細(xì)胞群體時指當(dāng)作用于細(xì)胞群體時,通過誘通過誘導(dǎo)機(jī)制、能增加特定基因轉(zhuǎn)錄的導(dǎo)機(jī)制、能增加特定基因轉(zhuǎn)錄的mRNA含量的一含量的一種化學(xué)因子或物理因子種化學(xué)因子或物理因子,n輔阻遏物輔阻遏物(corepressor )：一種能與阻遏蛋白形成一種能與阻遏蛋白形

17、成功能阻遏物，而使合成代謝的操縱子受到阻遏的功能阻遏物，而使合成代謝的操縱子受到阻遏的代謝終產(chǎn)物。代謝終產(chǎn)物。 n正調(diào)控與負(fù)調(diào)控并非互相排斥的兩種機(jī)制，而正調(diào)控與負(fù)調(diào)控并非互相排斥的兩種機(jī)制，而是生物體適應(yīng)環(huán)境的需要，有的系統(tǒng)既有正調(diào)是生物體適應(yīng)環(huán)境的需要，有的系統(tǒng)既有正調(diào)控又有負(fù)調(diào)控；控又有負(fù)調(diào)控；原核生物以負(fù)調(diào)控為主，真核生物以正調(diào)原核生物以負(fù)調(diào)控為主，真核生物以正調(diào)控為主；控為主；降解代謝途徑中既有正調(diào)控又有負(fù)調(diào)控；降解代謝途徑中既有正調(diào)控又有負(fù)調(diào)控；合成代謝途徑中一般以負(fù)調(diào)控來控制產(chǎn)物自身合成代謝途徑中一般以負(fù)調(diào)控來控制產(chǎn)物自身的合成。的合成。n可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)n可阻遏調(diào)節(jié)7.1.2 原核基

18、因表達(dá)調(diào)控的主要特點原核基因表達(dá)調(diào)控的主要特點7.1.3 弱化子對基因活性的影響弱化子對基因活性的影響7.1.4 降解物對基因活性的影響降解物對基因活性的影響7.1.5 細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)1、Discovery of Operon n1961年年, F. Jacob & J.Monod提出提出, 此后不斷完善。此后不斷完善。獲獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎n1940年，年， Monod發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時，細(xì)菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳上生長時，細(xì)菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖

19、；在糖源轉(zhuǎn)變期，細(xì)菌的生長會出現(xiàn)停頓。即產(chǎn)生糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細(xì)菌的生長會出現(xiàn)停頓。即產(chǎn)生n細(xì)胞中存在兩種酶，即組成酶與誘導(dǎo)酶細(xì)胞中存在兩種酶，即組成酶與誘導(dǎo)酶n1947年，報告：年，報告：“酶的適應(yīng)現(xiàn)象及其在細(xì)胞分化中的意義酶的適應(yīng)現(xiàn)象及其在細(xì)胞分化中的意義”Francis Jacob Jacques Monod 7.2 乳糖操縱子與負(fù)乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)控誘導(dǎo)系統(tǒng)n1951年，年，Monod與與Jacob合作，發(fā)現(xiàn)兩對基因：合作，發(fā)現(xiàn)兩對基因：Z基因基因：與合成：與合成-半乳糖苷酶有關(guān)；半乳糖苷酶有關(guān)；I基因基因：決定細(xì)胞對誘導(dǎo)物的反應(yīng)。：決定細(xì)胞對誘導(dǎo)物的反應(yīng)。nSzilard：I基

20、因決定阻遏物的合成，當(dāng)阻遏物存在基因決定阻遏物的合成，當(dāng)阻遏物存在時，酶無法合成，只有有誘導(dǎo)物存在，才能去掉時，酶無法合成，只有有誘導(dǎo)物存在，才能去掉該阻遏物。該阻遏物。n Jacob：結(jié)構(gòu)基因旁有開關(guān)基因（：結(jié)構(gòu)基因旁有開關(guān)基因（操縱基因操縱基因），），阻遏物通過與開關(guān)基因的結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因的阻遏物通過與開關(guān)基因的結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。表達(dá)。n操縱子操縱子是一種完整的具有特定功能的細(xì)菌基因是一種完整的具有特定功能的細(xì)菌基因表達(dá)和調(diào)節(jié)的單位，包括表達(dá)和調(diào)節(jié)的單位，包括調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因，操縱位點操縱位點，結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因，組成一個控制單元。，組成一個控制單元。 結(jié)構(gòu)基因：結(jié)構(gòu)基因：產(chǎn)生產(chǎn)生

21、mRNA,合成蛋白質(zhì)合成蛋白質(zhì) 操縱位點操縱位點 operator：啟動子結(jié)合位點：啟動子結(jié)合位點 調(diào)節(jié)基因：產(chǎn)生調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)基因：產(chǎn)生調(diào)節(jié)蛋白（與操縱位點結(jié)合）（與操縱位點結(jié)合） 結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄 誘導(dǎo)物存在時，可與阻遏蛋白結(jié)合誘導(dǎo)物存在時，可與阻遏蛋白結(jié)合 結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄2、操縱子的定義、操縱子的定義7.2.1 酶的誘導(dǎo)酶的誘導(dǎo)lac體系受調(diào)控的證據(jù)體系受調(diào)控的證據(jù)n細(xì)菌對乳糖的利用及其相關(guān)的酶細(xì)菌對乳糖的利用及其相關(guān)的酶: 乳糖乳糖 (在通透酶作用下進(jìn)入細(xì)菌）在通透酶作用下進(jìn)入細(xì)菌） -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 別構(gòu)乳糖別構(gòu)乳糖 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 葡萄糖葡萄糖+半

22、乳糖半乳糖 -半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶1) lac操縱子的本底水平操縱子的本底水平(basal level)表達(dá)表達(dá)有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的：有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的：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)。需要透過酶，后者的合成有需要誘導(dǎo)。真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，前者是在真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，前者是在-半乳糖甘半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有-半乳糖甘酶的半乳糖甘酶的預(yù)先存在。預(yù)先存在。 一些誘導(dǎo)物

23、可以在透過酶不存在時進(jìn)入細(xì)胞？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？一些透過酶可以在沒有誘導(dǎo)物的情況下合成？解釋：解釋：本底水平的組成型合成：非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的本底水平的組成型合成：非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lac mRNA合成。合成。分解底物的酶只有在分解底物的酶只有在底物存在時才出現(xiàn)！底物存在時才出現(xiàn)！n無乳糖時，幾個無乳糖時，幾個b b-gal/cell 加入乳糖時，加入乳糖時，5000個個 n乳糖的誘導(dǎo)作用是由酶前體乳糖的誘導(dǎo)作用是由酶前體轉(zhuǎn)化而來，還是誘導(dǎo)新酶合轉(zhuǎn)化而來，還是誘導(dǎo)新酶合成？成？ 培養(yǎng)基（培養(yǎng)基（35S-aa, 無乳糖）無乳糖）

24、E. coli繁殖繁殖 培養(yǎng)基（無培養(yǎng)基（無35S -aa, 加入乳加入乳糖）糖） -gal(無無35S)大腸桿菌對乳糖的反應(yīng)大腸桿菌對乳糖的反應(yīng) 培養(yǎng)基：甘油培養(yǎng)基：甘油 按照按照lac操縱子本底水平的表達(dá)，每個細(xì)胞內(nèi)有幾個操縱子本底水平的表達(dá)，每個細(xì)胞內(nèi)有幾個分子的分子的-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷透過酶；半乳糖苷透過酶；培養(yǎng)基：加入乳糖培養(yǎng)基：加入乳糖少量乳糖少量乳糖透過酶透過酶進(jìn)入細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞-半乳糖苷酶半乳糖苷酶異構(gòu)乳糖異構(gòu)乳糖誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物誘導(dǎo)誘導(dǎo)lac mRNA的生物合成的生物合成大量乳糖進(jìn)入細(xì)胞大量乳糖進(jìn)入細(xì)胞多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）多數(shù)被降解為葡萄糖和半

25、乳糖（碳源和能源）異構(gòu)乳糖異構(gòu)乳糖乙?；D(zhuǎn)移酶乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶操縱位點操縱位點調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因7.2.2 lac Operon的模型及其影響因子的模型及其影響因子nZ編碼編碼-半乳糖苷酶：半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖半乳糖nY編碼編碼-半乳糖苷透過酶：半乳糖苷透過酶：使外界的使外界的-半乳糖半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)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)。膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。nA編碼編碼-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)到上的乙?；D(zhuǎn)到-半乳糖苷上，

26、形成乙酰半乳半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。糖。mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時沒有乳糖存在時阻遏蛋白的調(diào)節(jié)阻遏蛋白的調(diào)節(jié)阻遏基因阻遏基因1.乳糖操縱子調(diào)控模型乳糖操縱子調(diào)控模型mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在時有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖乳糖別構(gòu)乳糖別構(gòu)乳糖 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶（1）mRNA分子的啟動子緊接著分子的啟動子緊接著O區(qū)，而位于區(qū)，而位于I與與O之間之間的啟動子區(qū)的啟動子區(qū)(P)，不能單獨(dú)起動合成，不能單獨(dú)起動合成-半乳糖苷酶和透半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。過酶的生理過程。2. 乳糖操縱子調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子調(diào)控機(jī)

27、制阻遏物阻遏物lac I基因產(chǎn)物及功能基因產(chǎn)物及功能 lac 操縱子阻遏物操縱子阻遏物mRNA是是由弱啟動子控制下組成型合成由弱啟動子控制下組成型合成的，每個細(xì)胞中有的，每個細(xì)胞中有5-10個阻遏個阻遏物分子。物分子。 當(dāng)當(dāng)I基因由弱啟動子基因由弱啟動子突變成強(qiáng)啟動子，細(xì)胞內(nèi)就不突變成強(qiáng)啟動子，細(xì)胞內(nèi)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來克服可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來克服阻遏狀態(tài)，整個阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。這些突變體中就不可誘導(dǎo)。RNA聚合酶結(jié)合部位聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位（2）操縱基因是）操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為上的一小段序列（僅為26bp

28、），是阻），是阻遏物的結(jié)合位點。遏物的結(jié)合位點。操縱位點的回文序列操縱位點的回文序列 未誘導(dǎo)：結(jié)構(gòu)基因被阻遏 阻遏物 四聚體 LacI P O lacZ lacY lacA 圖 16- 當(dāng)無誘導(dǎo)物時阻遏物結(jié)合在操縱基因上 （3）當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時，）當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時，lac mRNA的轉(zhuǎn)錄起的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。始受到抑制。（4）誘導(dǎo)物通過與阻遏物）誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)合，使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā)從而激發(fā)lac mRNA的合的合成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時，成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時，操縱基因區(qū)沒有被阻遏物操縱基因區(qū)沒有被

29、阻遏物占據(jù)，所以啟動子能夠順占據(jù)，所以啟動子能夠順利起始利起始mRNA的合成。的合成。 阻遏蛋白單體的結(jié)構(gòu)阻遏蛋白單體的結(jié)構(gòu) Helix-turn-helix Core domain1 Core domain2 1 51 80 360 DNA binding Hinge Inducer binding Oligomerization 圖 16- 阻遏蛋白單體的結(jié)構(gòu)和功能阻遏蛋白單體阻遏蛋白單體的三級結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu) Active repressor cannot bind to O c mutant operantor Operon is transcribed and translated l

30、acI O c operantor -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉(zhuǎn)移酶 圖 16-7 操縱基因發(fā)生組成型突變，操縱子組成型表達(dá) 乳糖乳糖（5）誘導(dǎo)物不是乳糖）誘導(dǎo)物不是乳糖乳糖代謝乳糖代謝生成生成lac誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物Allolctose 異構(gòu)乳糖異構(gòu)乳糖 別構(gòu)乳糖別構(gòu)乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶nIPTG，異丙基，異丙基- D-硫代硫代半乳糖苷半乳糖苷nTMG ，巰甲基半乳糖苷，巰甲基半乳糖苷nONPG, O-硝基半乳糖苷硝基半乳糖苷在研究誘導(dǎo)作用時，很少使用乳糖在研究誘導(dǎo)作用時，很少使用乳糖安慰誘導(dǎo)物安慰誘導(dǎo)物(gratuitous inducer)： 如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)如果某種物質(zhì)能夠促

31、使細(xì)菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這生酶而本身又不被分解，這種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物，種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物，如如:-complementation lacZM15 基因是缺失了編基因是缺失了編碼碼 -半乳糖苷酶中第半乳糖苷酶中第 11-41 個個氨基酸的氨基酸的 lacZ 基因，無酶學(xué)基因，無酶學(xué)活性。對于只編碼活性。對于只編碼 N-端端 140 個氨基酸的個氨基酸的 lacZ 基因基因 （稱為（稱為 lacZ） ，其產(chǎn)物也沒有酶學(xué)，其產(chǎn)物也沒有酶學(xué)活性。但這兩個無酶學(xué)活性的活性。但這兩個無酶學(xué)活性的產(chǎn)物混合在一起時，可恢產(chǎn)物混合在一起時，可恢復(fù)復(fù) -半乳糖苷酶的活性，實半乳糖苷酶的活性，實現(xiàn)基因

32、內(nèi)互補(bǔ)?，F(xiàn)基因內(nèi)互補(bǔ)。在在 lacZ 編碼區(qū)上游插入一小編碼區(qū)上游插入一小段段 DNA 片段（如片段（如 51 個堿基個堿基對的多克隆位點），不影響對的多克隆位點），不影響 -半乳糖苷酶的功能內(nèi)互補(bǔ)。半乳糖苷酶的功能內(nèi)互補(bǔ)。但是，若在該但是，若在該 DNA 小片段中小片段中再插入一個片段，將幾乎不可再插入一個片段，將幾乎不可避免地導(dǎo)致產(chǎn)生無避免地導(dǎo)致產(chǎn)生無-互補(bǔ)能力互補(bǔ)能力的的 -半乳糖苷酶片段。利用半乳糖苷酶片段。利用這一互補(bǔ)性質(zhì)，可用于篩選在這一互補(bǔ)性質(zhì)，可用于篩選在載體上插入了外源片段的重組載體上插入了外源片段的重組質(zhì)粒。在相應(yīng)的載體系統(tǒng)中，質(zhì)粒。在相應(yīng)的載體系統(tǒng)中，lacZM15 放在

33、放在 F 質(zhì)粒上質(zhì)粒上, 隨隨宿主傳代；宿主傳代； lacZ 放在載體上放在載體上, 作為篩選標(biāo)記。作為篩選標(biāo)記。XL1-Blue菌株基因型：菌株基因型：endA1 gyrA96(nalR) thi-1 recA1 relA1 lac glnV44 FTn10 proAB+ lacIq (lacZ)M15 hsdR17(rK- mK+)+ glucose- glucoseTime (hr)Units of b-galactosidase+ lactoseGlucose added（6）葡萄糖對）葡萄糖對lac操縱子的影響操縱子的影響代謝物阻遏效應(yīng)代謝物阻遏效應(yīng)實驗，在實驗，在LacGlu培養(yǎng)基

34、上培養(yǎng)基上 E.coli只利用只利用G，只有，只有G 耗盡時，才會利用耗盡時，才會利用lacn葡萄糖抑制葡萄糖抑制lac mRNA的轉(zhuǎn)錄：的轉(zhuǎn)錄： 可阻止誘導(dǎo)物引起的阻遏物失活效應(yīng)，僅去掉可阻止誘導(dǎo)物引起的阻遏物失活效應(yīng)，僅去掉阻遏物并不能啟動阻遏物并不能啟動lac基因表達(dá)基因表達(dá),有其它因素參與有其它因素參與分解代謝阻遏分解代謝阻遏(catabolite repression)n只有當(dāng)以乳糖為唯一碳源時，只有當(dāng)以乳糖為唯一碳源時，-半乳糖苷酶的合成才增半乳糖苷酶的合成才增加。但是在以乳糖和葡萄糖為碳源時，如果加入加。但是在以乳糖和葡萄糖為碳源時，如果加入cAMP，-半乳糖苷酶的合成速率也會大

35、大提高，可達(dá)到只用半乳糖苷酶的合成速率也會大大提高，可達(dá)到只用乳糖為碳源時的水平。這說明，乳糖為碳源時的水平。這說明，cell內(nèi)內(nèi)cAMP的濃度能影的濃度能影響到響到-半乳糖苷酶的合成速率。半乳糖苷酶的合成速率。n葡萄糖對葡萄糖對lac操縱子表達(dá)的抑制是間接的操縱子表達(dá)的抑制是間接的 ATP腺甘酸環(huán)化酶腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺甘酸）（環(huán)腺甘酸） 大腸桿菌中：無葡萄糖，大腸桿菌中：無葡萄糖，cAMP濃度高；濃度高； 有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低濃度低cAMP（環(huán)化腺苷一磷酸，（環(huán)化腺苷一磷酸，cyclic AMP）1965年，年，B. Magasonik發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌中也含有發(fā)現(xiàn)在大腸桿

36、菌中也含有cAMP，而且菌株內(nèi)而且菌株內(nèi)cAMP的含量常隨細(xì)胞的生理狀態(tài)發(fā)生變化，的含量常隨細(xì)胞的生理狀態(tài)發(fā)生變化，即當(dāng)細(xì)胞處于碳源饑餓條件下，即當(dāng)細(xì)胞處于碳源饑餓條件下，cAMP水平顯著提高，水平顯著提高，反之在細(xì)胞生長的培養(yǎng)基中含有大量葡萄糖時，反之在細(xì)胞生長的培養(yǎng)基中含有大量葡萄糖時，cAMP水平明顯降低；水平明顯降低；腺苷環(huán)化酶腺苷環(huán)化酶腺苷酸環(huán)化酶位于細(xì)胞膜上，腺苷酸環(huán)化酶位于細(xì)胞膜上，其活性與葡萄糖運(yùn)輸?shù)拿赣衅浠钚耘c葡萄糖運(yùn)輸?shù)拿赣嘘P(guān)，因此關(guān)，因此cAMP調(diào)控乳糖、調(diào)控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等其他糖半乳糖、阿拉伯糖等其他糖類代謝有關(guān)的酶。類代謝有關(guān)的酶。 n葡萄糖的降解是通過葡萄糖

37、的降解是通過cAMP與與 CAP結(jié)合起作用。結(jié)合起作用。 CAP, catabolite activator protein，由由crp編碼編碼CRP, catabolite receptor protein代謝物激活蛋白（代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺甘酸受體蛋白（環(huán)腺甘酸受體蛋白（CRP）CAP激活轉(zhuǎn)錄激活轉(zhuǎn)錄? （1）可能直接和）可能直接和RNA Pol相互作用；相互作用； （2）作用于）作用于DNA，改變其結(jié)構(gòu)，從而幫助，改變其結(jié)構(gòu)，從而幫助RNA Pol結(jié)合。結(jié)合。CAP結(jié)合位點結(jié)合位點nCAP為二聚體，為二聚體， 45KD ，被，被cAMP激活激活n結(jié)合位點結(jié)合位點22bp I -

38、70 -50 II -50 -40CAP的結(jié)合對的結(jié)合對DNA構(gòu)型的影響構(gòu)型的影響nDNA彎曲彎曲n彎曲點位于彎曲點位于CAP結(jié)合位點二重對稱的中心結(jié)合位點二重對稱的中心n彎曲使彎曲使CAP能與啟動子上的能與啟動子上的RNA pol 接觸接觸+ + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，無葡萄糖，cAMP濃度高時濃度高時促進(jìn)轉(zhuǎn)錄促進(jìn)轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低時濃度低時不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調(diào)控的正調(diào)控當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用如無如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列

39、結(jié)合，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。操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。 cAMPCAP復(fù)合物與啟動復(fù)合物與啟動子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。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)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)葡萄糖對葡萄糖對 lac 操縱子的阻遏作用稱操縱子的阻遏作用稱分解代分解代謝阻遏謝阻遏(catabolic repression)。 單純?nèi)樘谴嬖跁r，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若單純?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有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細(xì)菌首先乳糖共同存在時，細(xì)菌首先利用葡萄糖。利用葡萄糖。ZYAOPDNA 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點結(jié)合位點啟動序列啟動序列操縱序列操縱序列

40、 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 通透酶通透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰基轉(zhuǎn)移酶cAMPCAP復(fù)合物復(fù)合物The lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CAPThe Lac Operon:When Glucose And Lactose

41、 Are PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great, I can transcribe!Some transcription occurs, but at a slow rateThis lactose has bent me out of shapeThe lac Operon:When Lactose Is Present But Not Gl

42、ucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLa

43、cALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through!Summary of lac operon regulationGlucosecAMPLactoseTranscription of lac mRNAHighLowPresent

44、low rate of expressionHighLowAbsentessentially noneLowHighAbsentessentially noneLowHighPresenthigh rate of expressionlac operon 的其它問題的其它問題nlac operon的功能是在的功能是在正負(fù)正負(fù)兩個調(diào)控體系的協(xié)調(diào)作用兩個調(diào)控體系的協(xié)調(diào)作用(coordinate regulation)下實現(xiàn)的。下實現(xiàn)的。阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP不發(fā)揮作用；如沒有不發(fā)揮作用；如沒有CAP加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，即使阻遏蛋加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，即使阻遏蛋白從白從P上解聚仍無轉(zhuǎn)錄活性上解聚仍

45、無轉(zhuǎn)錄活性nCAP組成型合成，所以組成型合成，所以cAMPCAP復(fù)合物取決于復(fù)合物取決于cAMP含量含量n腺苷酸環(huán)化酶位于細(xì)胞膜上，其活性與葡萄糖運(yùn)輸?shù)南佘账岘h(huán)化酶位于細(xì)胞膜上，其活性與葡萄糖運(yùn)輸?shù)拿赣嘘P(guān)，因此酶有關(guān)，因此cAMPCAP調(diào)控乳糖、半乳糖、阿拉伯調(diào)控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖類代謝有關(guān)的酶糖等糖類代謝有關(guān)的酶n降解物敏感型操縱子：只要有葡萄糖存在，這些操縱降解物敏感型操縱子：只要有葡萄糖存在，這些操縱子就不表達(dá)子就不表達(dá)2. A基因及其生理功能基因及其生理功能 編碼編碼b-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶，使半乳糖苷乙?；０肴樘擒找阴；D(zhuǎn)移酶，使半乳糖苷乙?；?。該酶不參與乳糖代謝！該酶不參

46、與乳糖代謝！ 生理意義：在細(xì)胞中有許多能被半乳糖苷酶降解的生理意義：在細(xì)胞中有許多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷類物質(zhì)，其分解產(chǎn)物不能進(jìn)一步代謝，積半乳糖苷類物質(zhì)，其分解產(chǎn)物不能進(jìn)一步代謝，積累，抑制細(xì)胞生長。半乳糖苷乙酰化后，即無毒累，抑制細(xì)胞生長。半乳糖苷乙?；?，即無毒. 所以所以lacA雖不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害雖不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物質(zhì)的積累物質(zhì)的積累3. lac基因產(chǎn)物數(shù)量基因產(chǎn)物數(shù)量， 1：0.5：0.2 不同酶的數(shù)量差異不同酶的數(shù)量差異,是由于在翻譯水平上的調(diào)節(jié)是由于在翻譯水平上的調(diào)節(jié). 方方式有二：式有二：核糖體脫離；核糖體脫離；多順反子的差別性翻譯多順

47、反子的差別性翻譯 內(nèi)切酶作用內(nèi)切酶作用: 在在lac mRNA分子內(nèi)部，分子內(nèi)部，a基因比基因比z基基因更易受內(nèi)切酶作用因更易受內(nèi)切酶作用總結(jié)總結(jié)-乳糖操縱子的作用機(jī)制乳糖操縱子的作用機(jī)制1、乳糖操縱子的組成：大腸桿菌乳糖操縱子含、乳糖操縱子的組成：大腸桿菌乳糖操縱子含Z、Y、A三三個結(jié)構(gòu)基因，分別編碼半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰個結(jié)構(gòu)基因，分別編碼半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶，此外還有一個操縱序列轉(zhuǎn)移酶，此外還有一個操縱序列O，一個啟動子，一個啟動子P和一個和一個調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因I。2、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)：沒有乳糖存在時，、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)：沒有乳糖存在時，I基因編碼的阻基因編碼

48、的阻遏蛋白結(jié)合于操縱序列遏蛋白結(jié)合于操縱序列O處，乳糖操縱子處于阻遏狀態(tài)，處，乳糖操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能合成分解乳糖的三種酶；有乳糖存在時，乳糖作為誘不能合成分解乳糖的三種酶；有乳糖存在時，乳糖作為誘導(dǎo)物誘導(dǎo)阻遏蛋白變構(gòu)，不能結(jié)合于操縱序列，乳糖操縱導(dǎo)物誘導(dǎo)阻遏蛋白變構(gòu)，不能結(jié)合于操縱序列，乳糖操縱子被誘導(dǎo)開放合成分解乳糖的三種酶。所以，乳糖操縱子子被誘導(dǎo)開放合成分解乳糖的三種酶。所以，乳糖操縱子的這種調(diào)控機(jī)制為可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控。的這種調(diào)控機(jī)制為可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控。3、CAP的正調(diào)節(jié)：在啟動子上游有的正調(diào)節(jié)：在啟動子上游有CAP結(jié)合位點，當(dāng)大腸結(jié)合位點，當(dāng)大腸桿菌從以葡萄糖為碳源的環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀樘?/p>

49、為碳源的環(huán)境桿菌從以葡萄糖為碳源的環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀樘菫樘荚吹沫h(huán)境時，時，cAMP濃度升高，與濃度升高，與CAP結(jié)合，使結(jié)合，使CAP發(fā)生變構(gòu)，發(fā)生變構(gòu)，CAP結(jié)合于乳糖操縱子啟動序列附近的結(jié)合于乳糖操縱子啟動序列附近的CAP結(jié)合位點，激結(jié)合位點，激活活RNA聚合酶活性，促進(jìn)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合于聚合酶活性，促進(jìn)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合于操縱子后促進(jìn)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，對乳糖操縱子實行正調(diào)控操縱子后促進(jìn)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，對乳糖操縱子實行正調(diào)控，加速合成分解乳糖的三種酶。，加速合成分解乳糖的三種酶。4、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)：乳糖操縱子中的、協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)：乳糖操縱子中的I基因編碼的阻遏蛋白的負(fù)調(diào)基因編碼的阻遏蛋白的

50、負(fù)調(diào)控與控與CAP的正調(diào)控兩種機(jī)制，互相協(xié)調(diào)、互相制約。的正調(diào)控兩種機(jī)制，互相協(xié)調(diào)、互相制約?？偨Y(jié)總結(jié)-乳糖操縱子的作用機(jī)制乳糖操縱子的作用機(jī)制7.4 其他操縱子其他操縱子Galactose OperonArabinose Operon7.4.1半乳糖操縱子半乳糖操縱子大腸桿菌半乳糖操縱子大腸桿菌半乳糖操縱子(galactose operon)包括包括3個結(jié)構(gòu)基因：個結(jié)構(gòu)基因： n異構(gòu)酶異構(gòu)酶(UDP-galactose-4epimerase, galE)，n半乳糖半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galactose transferase, galT)n半乳糖激酶半乳糖激酶(

51、galactose kinase, galk)。Map of the E. coli gal operon and nucleotide sequence of the regulatory region 3個酶的作用：使半乳糖變成葡萄糖個酶的作用：使半乳糖變成葡萄糖-1-磷酸。磷酸。galR與與galE、T、K及操縱區(qū)及操縱區(qū)O等離得很遠(yuǎn)，而等離得很遠(yuǎn)，而galR產(chǎn)物對產(chǎn)物對galO的作用與的作用與lacI-lacO的的作用相同。作用相同。gal操縱子的特點：操縱子的特點：n 它有兩個啟動子，其它有兩個啟動子，其mRNA可從兩個不同的起始點可從兩個不同的起始點開始轉(zhuǎn)錄；開始轉(zhuǎn)錄；n 它有兩個

52、它有兩個O區(qū)，一個在區(qū)，一個在P區(qū)上游區(qū)上游-67-53，另一個在結(jié)，另一個在結(jié)構(gòu)基因構(gòu)基因galE內(nèi)部。內(nèi)部。CAP, catabolite activator protein，由由crp編碼編碼CRP, catabolite receptor protein代謝物激活蛋白（代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺甘酸受體蛋白（環(huán)腺甘酸受體蛋白（CRP）n因為半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人們猜想葡萄糖因為半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人們猜想葡萄糖存在時半乳糖操縱子不被誘導(dǎo)，但實際上有葡萄糖存存在時半乳糖操縱子不被誘導(dǎo)，但實際上有葡萄糖存在時，在時，gal操縱子仍可被誘導(dǎo)。操縱子仍可被誘導(dǎo)。n現(xiàn)已分離到

53、一些突變株，其中一類突變株能在不含葡現(xiàn)已分離到一些突變株，其中一類突變株能在不含葡萄糖的培養(yǎng)基中高水平合成半乳糖代謝酶類（萄糖的培養(yǎng)基中高水平合成半乳糖代謝酶類（gal結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基因高效表達(dá)）；基因高效表達(dá)）；n而另一類突變株中而另一類突變株中g(shù)al基因的表達(dá)完全依賴于葡萄糖，基因的表達(dá)完全依賴于葡萄糖，培養(yǎng)基中如無葡萄糖存在，這些細(xì)菌的培養(yǎng)基中如無葡萄糖存在，這些細(xì)菌的gal基因不表達(dá)基因不表達(dá)，不合成半乳糖代謝酶類。，不合成半乳糖代謝酶類。n分析分析gal操縱子操縱子P-O區(qū)的區(qū)的DNA序列發(fā)現(xiàn)，該操縱子確實存在兩個相距序列發(fā)現(xiàn)，該操縱子確實存在兩個相距僅僅5bp的啟動子，可以分別起始的啟動

54、子，可以分別起始mRNA的合成。每個啟動子擁有各的合成。每個啟動子擁有各自的自的RNA聚合酶結(jié)合位點聚合酶結(jié)合位點S1和和S2。n從從S1起始的轉(zhuǎn)錄只有在培養(yǎng)基中無葡萄糖時，才能順利進(jìn)行，起始的轉(zhuǎn)錄只有在培養(yǎng)基中無葡萄糖時，才能順利進(jìn)行，RNA聚合酶與聚合酶與S1的結(jié)合需要半乳糖、的結(jié)合需要半乳糖、CAP和較高濃度的和較高濃度的cAMP。n從從S2起始的轉(zhuǎn)錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的起始的轉(zhuǎn)錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制能抑制由這個啟動子起始的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)有由這個啟動子起始的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)有cAMP-CAP時，轉(zhuǎn)錄從時，轉(zhuǎn)錄從S1開始，當(dāng)開始，當(dāng)無無cAMP-CAP時，轉(zhuǎn)錄從時，

55、轉(zhuǎn)錄從S2開始。開始。1. cAMP-CRP對對gal啟動子的作用啟動子的作用為什么為什么gal操縱子需要兩個轉(zhuǎn)錄起始位點？操縱子需要兩個轉(zhuǎn)錄起始位點？n半乳糖不僅可以作為唯一碳源供細(xì)胞生長，而且與之相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)關(guān)的物質(zhì)-尿苷二磷酸半乳糖（尿苷二磷酸半乳糖（UDP-gal）是大腸桿菌細(xì)）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，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)酶的作用由是通過半乳糖差向異構(gòu)酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，葡萄糖合成的，該酶是該酶是galE基因的產(chǎn)物。基因的產(chǎn)物。n異構(gòu)酶異構(gòu)酶(

56、UDP-galactose-4epimerase, galE)，n 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。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)想只有現(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一個啟動子，那么由于這個啟動子的活性依賴于賴于cAMP-CRP，當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時就有能合成異，當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時就有能合成異構(gòu)酶。構(gòu)酶。n 假如唯一的啟動子是假如唯一的啟動子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的情況，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

57、論從必要性或經(jīng)濟(jì)性考慮，都需要一個不依賴于浪費(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（的啟動子（S1）對高水平合成進(jìn)行調(diào)節(jié)。）對高水平合成進(jìn)行調(diào)節(jié)。 在在E. coli中阿拉伯糖的降解需要中阿拉伯糖的降解需要3個基因：個基因：araB、araA和和araD，形成，形成一個基因簇，簡寫為一個基因簇，簡寫為araBAD 分別編碼阿拉伯糖代謝需要的三種酶：分別編碼阿拉伯糖代謝需要的三種酶：核酮糖激酶（核酮糖激酶（ribulose kinase），），阿拉伯糖異構(gòu)酶阿拉伯糖異構(gòu)酶（arabinose isomerase） 核酮糖核酮糖-5-磷酸差向異構(gòu)酶磷酸差向異構(gòu)酶(

58、ribulose-5-phosphate eimerase)7.4.2 阿拉伯糖操縱子阿拉伯糖操縱子 araBAD和和araC基因的轉(zhuǎn)錄是以相反的方向進(jìn)行的。在標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄是以相反的方向進(jìn)行的。在標(biāo)準(zhǔn)的遺傳學(xué)圖譜上，準(zhǔn)的遺傳學(xué)圖譜上，araBAD基因簇從啟動子基因簇從啟動子PBAD開始向右進(jìn)開始向右進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，而行轉(zhuǎn)錄，而araC基因則是從基因則是從Pc向左轉(zhuǎn)錄。向左轉(zhuǎn)錄。復(fù)合啟動子區(qū)主要有：復(fù)合啟動子區(qū)主要有：1、PBAD區(qū)：區(qū)：Ara BAD啟動子區(qū)啟動子區(qū)2、araC位點：位點：C蛋白蛋白阿拉伯糖復(fù)合物與操縱子結(jié)合區(qū)阿拉伯糖復(fù)合物與操縱子結(jié)合區(qū)3、-280區(qū)：是區(qū)：是C蛋白與操縱子結(jié)合區(qū)蛋

59、白與操縱子結(jié)合區(qū)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):具有正負(fù)調(diào)節(jié)功能的操縱子具有正負(fù)調(diào)節(jié)功能的操縱子與與araB、araA和和araD這這3結(jié)構(gòu)基因相鄰的是一個復(fù)合啟動子區(qū)和一個調(diào)節(jié)基結(jié)構(gòu)基因相鄰的是一個復(fù)合啟動子區(qū)和一個調(diào)節(jié)基因因C，由調(diào)節(jié)基因，由調(diào)節(jié)基因C合成的合成的AraC蛋白是一個自我調(diào)節(jié)蛋白蛋白是一個自我調(diào)節(jié)蛋白(autoregulated protein)，它既是，它既是ara操縱子的正調(diào)節(jié)蛋白，又是操縱子的正調(diào)節(jié)蛋白，又是ara操縱子的負(fù)調(diào)節(jié)蛋白。操縱子的負(fù)調(diào)節(jié)蛋白。1. 阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制nara操縱子的調(diào)控有三個特點：操縱子的調(diào)控有三個特點：n第一，第一，araC表達(dá)受到

60、表達(dá)受到AraC的自動調(diào)控。的自動調(diào)控。n第二，第二，AraC既可充當(dāng)阻遏物，也可作為激活劑。既可充當(dāng)阻遏物，也可作為激活劑。n第三，第三，AraC與與CAP結(jié)合可充分誘導(dǎo)結(jié)合可充分誘導(dǎo)ara操縱子。操縱子。n AraC蛋白作為蛋白作為PBAD活性正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的雙重功能是活性正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的雙重功能是通過該蛋白的通過該蛋白的兩種異構(gòu)體兩種異構(gòu)體來實現(xiàn)的。來實現(xiàn)的。Pr是起阻遏作用是起阻遏作用的形的形式，而式，而Pi是起誘導(dǎo)作用是起誘導(dǎo)作用的形式，它通過與的形式，它通過與PBAD啟動子結(jié)合啟動子結(jié)合進(jìn)行調(diào)節(jié)。進(jìn)行調(diào)節(jié)。n 在沒有阿拉伯糖時，在沒有阿拉伯糖時，Pr形式占優(yōu)勢；一旦有阿拉伯糖形式占優(yōu)勢；一