第五章原核基因表達(dá)調(diào)控1

1、第六章第六章 基因的表達(dá)與調(diào)控基因的表達(dá)與調(diào)控( (上上) ) 原核基因表達(dá)調(diào)控模式原核基因表達(dá)調(diào)控模式Contentsv基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念v原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制v乳糖操縱子乳糖操縱子v色氨酸操縱子色氨酸操縱子v其他操縱子其他操縱子v轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第一節(jié)第一節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念一、基因表達(dá)的概念一、基因表達(dá)的概念gene expression gene expression ：基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程。：基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程。對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱為對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱為gene regulation gene

2、regulation 。rRNArRNA、tRNAtRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNARNA的過(guò)的過(guò)程也屬于基因表達(dá)。程也屬于基因表達(dá)。Translation基因表達(dá)基因表達(dá) ( gene ( gene expression)expression) 生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過(guò)程，傳信息，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過(guò)程，合成具有特定的生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)合成具有特定的生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)的蛋白質(zhì)的全過(guò)程。的蛋白質(zhì)的全過(guò)程。一、基因表達(dá)的概念一、基因表達(dá)的概念二、基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性二、基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性（一）時(shí)

3、間特異性（一）時(shí)間特異性 按功能需要某一特定基因表達(dá)按功能需要某一特定基因表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生。如病嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生。如病毒感染。毒感染。（二）空間特異性（二）空間特異性 指在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因指在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體不同組織器官表達(dá)存在差產(chǎn)物在個(gè)體不同組織器官表達(dá)存在差異。又稱細(xì)胞或組織特異性。異。又稱細(xì)胞或組織特異性。 按對(duì)刺激的反應(yīng)性分為兩大類按對(duì)刺激的反應(yīng)性分為兩大類：（一）基本（組成性）表達(dá)（一）基本（組成性）表達(dá) (constitutive gene (constitutive gene expression)expression) 基因較少受環(huán)

4、境因素影響，而是在個(gè)基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長(zhǎng)階段的大多數(shù)或幾乎全部組織體各個(gè)生長(zhǎng)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。如管家基因。中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。如管家基因。三、基因表達(dá)的方式三、基因表達(dá)的方式管家基因管家基因(housekeeping gene)某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)。胞中持續(xù)表達(dá)。bcl-2-actin1 2常用的管家基因常用的管家基因中文名稱中文名稱 英文縮寫英文縮寫B(tài)eta肌動(dòng)蛋白肌動(dòng)蛋白 -actin甘油醛甘油醛3-磷酸脫氫酶磷酸脫氫酶 GAPDHTATA Box結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白 TBP18s 核

5、糖體核糖核酸核糖體核糖核酸 18s rRNA微管蛋白微管蛋白 -Tubulin（二）適應(yīng)性表達(dá)（二）適應(yīng)性表達(dá)誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo)和阻遏表達(dá) 在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，有些在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，有些基因的表達(dá)表現(xiàn)為開放或增強(qiáng)?；虻谋磉_(dá)表現(xiàn)為開放或增強(qiáng)。誘導(dǎo)表達(dá)誘導(dǎo)表達(dá)(induction expression)(induction expression) 在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，有些基在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，有些基因的表達(dá)表現(xiàn)為關(guān)閉或下降。因的表達(dá)表現(xiàn)為關(guān)閉或下降。阻遏表達(dá)阻遏表達(dá)(repression expression)(repression expression) 在一定機(jī)制下，功能相關(guān)的一組

6、在一定機(jī)制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)?；?，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)。（三）（三）協(xié)調(diào)表達(dá)協(xié)調(diào)表達(dá)(coordinance expression)(coordinance expression) 四、基因表達(dá)的調(diào)控的概念四、基因表達(dá)的調(diào)控的概念 機(jī)體各種細(xì)胞中含有的相同遺傳信息機(jī)體各種細(xì)胞中含有的相同遺傳信息(相同的結(jié)構(gòu)基因相同的結(jié)構(gòu)基因)，根據(jù)機(jī)體的不同發(fā)育，根據(jù)機(jī)體的不同發(fā)育階段、不同的組織細(xì)胞及不同的功能狀態(tài)階段、不同的組織細(xì)胞及不同的功能狀態(tài)，選擇性、程序性地表達(dá)特定數(shù)量的特定，選擇性、程序性地表達(dá)特定數(shù)量的特定基因的過(guò)程?；虻倪^(guò)程。 基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義基因表達(dá)調(diào)控的

7、生物學(xué)意義n適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖（原核、真核）適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖（原核、真核）n維持個(gè)體發(fā)育與分化（真核）維持個(gè)體發(fā)育與分化（真核）五、基因表達(dá)的調(diào)控因子：五、基因表達(dá)的調(diào)控因子： 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) ( 主要主要 ) 小分子小分子RNA ( 某些環(huán)節(jié)某些環(huán)節(jié) )六、基因表達(dá)的調(diào)控水平六、基因表達(dá)的調(diào)控水平v 基因組基因組v 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄v 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后后v 翻譯翻譯v 翻譯后翻譯后DNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制中心法則中心法則(central dogma) 第一節(jié)第一節(jié)原核生物基因表達(dá)的調(diào)控原核生物基因表達(dá)的調(diào)控 原核生物基因表達(dá)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄原核生物基因表達(dá)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平

8、，其次是翻譯水平。水平，其次是翻譯水平。 本節(jié)主要以大腸桿菌為例介紹原核生本節(jié)主要以大腸桿菌為例介紹原核生物基因表達(dá)的調(diào)控。物基因表達(dá)的調(diào)控。Contentsv基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念v原核基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制原核基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制v乳糖操縱子乳糖操縱子v色氨酸操縱子色氨酸操縱子v其他操縱子其他操縱子v轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制原核基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制內(nèi)容提要：內(nèi)容提要：原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)操縱子學(xué)說(shuō)操縱子學(xué)說(shuō)原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)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)控的其他形式轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式 一、原

9、核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)一、原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)1 1、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（transcriptional regulationtranscriptional regulation）2 2、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptional regulationpost-transcriptional regulation） mRNA mRNA加工成熟水平上的調(diào)控加工成熟水平上的調(diào)控 翻譯水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控1 1、操縱子模型的提出、操縱子模型的提出19611961年，年，MonodMonod和和JacobJacob提出提出獲獲19651965年

10、諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)二、操縱子學(xué)說(shuō)二、操縱子學(xué)說(shuō)Francis Jacob Jacques Monod n19611961年年, F. Jacob & J.Monod, F. Jacob & J.Monod提出提出, , 此后不此后不斷完善。獲斷完善。獲19651965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)n19401940年，年， Monod Monod發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌在含葡萄糖和發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)時(shí)，細(xì)菌先利用葡萄乳糖的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)時(shí)，細(xì)菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細(xì)

11、菌的生長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)停頓。即產(chǎn)生轉(zhuǎn)變期，細(xì)菌的生長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)停頓。即產(chǎn)生“二次生長(zhǎng)曲線二次生長(zhǎng)曲線”。2 2、操縱子的定義、操縱子的定義操縱子：是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，操縱子：是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動(dòng)子、操縱基因及其所控制的一組由啟動(dòng)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。因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。是原核生物的轉(zhuǎn)錄單位。是原核生物的轉(zhuǎn)錄單位。 tayz opStructural genepromoter啟動(dòng)子啟動(dòng)子 promoter promoter terminator終止子終止子 terminator terminato

12、roperator操縱元件操縱元件 operator operator操縱子結(jié)構(gòu)示意圖操縱子結(jié)構(gòu)示意圖二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能n啟動(dòng)子是結(jié)合啟動(dòng)子是結(jié)合RNA聚合酶的聚合酶的DNA序列序列n強(qiáng)：強(qiáng)：-35TTGACA、-10TATAATn弱：弱：-35區(qū)共有序列區(qū)共有序列n -10Pribnow不一致不一致-35區(qū)與區(qū)與-10區(qū)距離：區(qū)距離：17bp二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能n操縱基因是結(jié)合阻遏物的部位，位于啟操縱基因是結(jié)合阻遏物的部位，位于啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因之間，可與啟動(dòng)子部分動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因之間，可與啟動(dòng)子部分重疊。是重疊。是RNA聚合酶是否能通過(guò)的開關(guān)。

13、聚合酶是否能通過(guò)的開關(guān)。 n無(wú)阻遏物時(shí)，無(wú)阻遏物時(shí)，O區(qū)開放讓酶通過(guò)并轉(zhuǎn)錄區(qū)開放讓酶通過(guò)并轉(zhuǎn)錄下游的結(jié)構(gòu)基因下游的結(jié)構(gòu)基因 n有阻遏物時(shí)酶就不能通過(guò)有阻遏物時(shí)酶就不能通過(guò)二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能二、操縱子的結(jié)構(gòu)與功能n阻遏物基因阻遏物基因 ： 產(chǎn)生阻遏物，位于離操縱產(chǎn)生阻遏物，位于離操縱子較遠(yuǎn)的上游區(qū)。子較遠(yuǎn)的上游區(qū)。關(guān)閉的基因由代謝底物開放（誘導(dǎo)）關(guān)閉的基因由代謝底物開放（誘導(dǎo)）-阻遏物失活阻遏物失活開放的基因由代謝底物關(guān)閉（阻遏）開放的基因由代謝底物關(guān)閉（阻遏）-阻遏物激活阻遏物激活1 1、根據(jù)操縱子對(duì)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或、根據(jù)操縱子對(duì)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）激活蛋白） 的應(yīng)答，可分為

14、：的應(yīng)答，可分為： 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控 激活蛋白激活蛋白 負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控 阻遏蛋白阻遏蛋白三、原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)三、原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)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激活蛋白激活蛋白正轉(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)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控如果在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是關(guān)閉的，如果在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)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)控稱正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。樣的調(diào)控稱正轉(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激活蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)

15、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)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表達(dá)的，加入在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)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)控為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。樣的調(diào)控為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。n可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)：指一些基因在特殊的代謝物或化合可誘導(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(lái)關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，物的作用下，由原來(lái)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。即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化。n 例：大腸桿菌的乳糖操縱子例：大腸桿菌的乳糖操縱子n 分解代謝蛋白的基因分解代謝蛋白的基因 2 2、根據(jù)操縱子

16、對(duì)某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的、根據(jù)操縱子對(duì)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：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：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誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物如果某種物質(zhì)能夠促使如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來(lái)分解它，細(xì)菌產(chǎn)生酶來(lái)分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物。這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物。n可阻遏調(diào)節(jié)：基因平時(shí)是開啟的，處在產(chǎn)生可阻遏調(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(guò)程中，由于一些特殊代

17、蛋白質(zhì)或酶的工作過(guò)程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。因的表達(dá)。n 例：色氨酸操縱子例：色氨酸操縱子n 合成代謝蛋白的基因合成代謝蛋白的基因2 2、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中，如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中， lac lac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導(dǎo)；一旦耗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(huì)誘導(dǎo)盡外源葡萄糖，乳糖就會(huì)誘導(dǎo)laclac操縱子表達(dá)操縱子表達(dá)分解乳糖所需的三種酶。分解乳糖所需的三種酶。葡萄糖效應(yīng)或降解物抑制作用葡萄糖效應(yīng)或降解物

18、抑制作用3 3、弱化子對(duì)基因活性的影響、弱化子對(duì)基因活性的影響 當(dāng)操縱子被阻礙，當(dāng)操縱子被阻礙，RNARNA合成被終合成被終止時(shí)，起終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)作用的一段止時(shí)，起終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)作用的一段核甘酸被稱為弱化子。核甘酸被稱為弱化子。4 4、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)應(yīng)急反應(yīng)信號(hào)是鳥甘酸四磷酸（應(yīng)急反應(yīng)信號(hào)是鳥甘酸四磷酸（ppGppppGpp）和鳥）和鳥甘酸五磷酸（甘酸五磷酸（ppGppppGpp）。）。當(dāng)氨基酸缺乏時(shí)，當(dāng)氨基酸缺乏時(shí)，tRNAtRNA會(huì)激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，會(huì)激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使使 ppGpp ppGpp大量合成，而大量合成，而ppGppppGpp將關(guān)閉許多基因，將關(guān)閉許多基因，同時(shí)也

19、將打開一些合成氨基酸的基因，以應(yīng)付同時(shí)也將打開一些合成氨基酸的基因，以應(yīng)付緊急情況。緊急情況。Contentsv基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念v原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制v乳糖操縱子乳糖操縱子v色氨酸操縱子色氨酸操縱子v阿拉伯糖操縱子阿拉伯糖操縱子v轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中，如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中， lac lac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導(dǎo)；一旦耗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(huì)誘導(dǎo)盡外源葡萄糖，乳糖就會(huì)誘導(dǎo)laclac操縱子表達(dá)操縱子表達(dá)分解乳糖所需的三種酶。分解乳糖所需的三種酶。葡

20、萄糖效應(yīng)或降解物抑制作用葡萄糖效應(yīng)或降解物抑制作用乳糖操縱子乳糖操縱子nZ Z編碼編碼-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖萄糖和半乳糖nY Y編碼編碼-半乳糖苷透過(guò)酶：使外界的半乳糖苷透過(guò)酶：使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透過(guò)大腸桿菌細(xì)半乳糖苷（如乳糖）能透過(guò)大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。nA A編碼編碼-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶輔酶A A上的乙?；D(zhuǎn)到上的乙酰基轉(zhuǎn)到-半乳糖苷上，半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。形成乙酰半乳糖。-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Nogalactosidasewasproducedga

21、lactosidasewasproducedE.coliGlucoseE.colilactose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)lac operonlac operon的正調(diào)控的正調(diào)控（1 1）代謝物阻遏效應(yīng)）代謝物阻遏效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)，在laclacGluGlu培養(yǎng)基上培養(yǎng)基上E.coliE.coli只利用只利用G G，只有，只有G G耗盡時(shí)，才會(huì)利用耗盡時(shí)，才會(huì)利用laclac。誘導(dǎo)現(xiàn)象誘導(dǎo)現(xiàn)象n酶的誘導(dǎo)是生物進(jìn)化中的一種合理、經(jīng)酶的誘導(dǎo)是生物進(jìn)化中的一種合理、經(jīng)濟(jì)地利用有限資源的本能。濟(jì)地利用有限資源的本能。n酶的誘導(dǎo)是低等生物的普遍現(xiàn)象。酶的誘導(dǎo)是低等生物的普遍現(xiàn)

22、象。n酶誘導(dǎo)的本質(zhì)：代謝物對(duì)催化本身代謝酶誘導(dǎo)的本質(zhì)：代謝物對(duì)催化本身代謝的酶的合成量調(diào)節(jié)。的酶的合成量調(diào)節(jié)。n葡萄糖對(duì)葡萄糖對(duì)laclac操縱元表達(dá)的抑制是間接的。操縱元表達(dá)的抑制是間接的。n葡萄糖的降解是通過(guò)葡萄糖的降解是通過(guò)cAMPcAMP與與 CAP CAP結(jié)合起作用結(jié)合起作用的。的。n cAMP: cAMP:環(huán)化腺苷酸環(huán)化腺苷酸n CAP, catabolite activator protein CAP, catabolite activator proteinn 由由crpcrp編碼編碼n CRP, catabolite receptor protein CRP, catabol

23、ite receptor proteinn 代謝物激活蛋白（代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺甘酸受體環(huán)腺甘酸受體蛋白（蛋白（CRP）ATPATP腺甘酸環(huán)化酶腺甘酸環(huán)化酶cAMPcAMP（環(huán)腺甘酸）（環(huán)腺甘酸） 大腸桿菌中：無(wú)葡萄糖，大腸桿菌中：無(wú)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。ZYAOPDNA調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列操縱序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透過(guò)酶透過(guò)酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶：乙?；D(zhuǎn)移酶cAMPCAPcAMPCAP復(fù)合物復(fù)合物一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)Lac Lac 操縱子及各部分

24、祥圖操縱子及各部分祥圖 （3）CAP的結(jié)合對(duì)DNA構(gòu)型的影響nDNADNA彎曲；彎曲；n彎曲點(diǎn)位于彎曲點(diǎn)位于CAPCAP結(jié)合位點(diǎn)二重對(duì)稱的中心；結(jié)合位點(diǎn)二重對(duì)稱的中心；n彎曲使彎曲使CAPCAP能與啟動(dòng)子上的能與啟動(dòng)子上的RNA pol RNA pol 接觸。接觸。+ + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高濃度高時(shí)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄時(shí)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)濃度低時(shí)不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP（5 5）CAPCAP的正調(diào)控的正調(diào)控 當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAPCAP對(duì)該系統(tǒng)不能對(duì)該系統(tǒng)不

25、能發(fā)揮作用。如無(wú)發(fā)揮作用。如無(wú)CAPCAP存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。 cAMPCAPcAMPCAP復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。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(duì)葡萄糖對(duì) lac lac 操縱子的阻遏作用稱分解代操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏謝阻遏(catabolic repression)(catabolic repression)。 When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLac

26、ALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,ImconstitutiveComeon,letmethroughNo way!CAPCAPThe Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRNAPol.RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,ImconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThisla

27、ctosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.Yipee!The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,ImconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlri

28、ght,Imofftotheraces.Comeon,letmethrough!第四節(jié) 色氨酸操縱子（trp operon）內(nèi)容提要：內(nèi)容提要：色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子的弱化機(jī)制色氨酸操縱子的弱化機(jī)制 調(diào)控基因調(diào)控基因 結(jié)構(gòu)基結(jié)構(gòu)基因因 催化分枝酸轉(zhuǎn)變?yōu)榇呋种λ徂D(zhuǎn)變?yōu)樯彼岬拿干彼岬拿竧rpRtrp一、色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)一、色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)基因組成基因組成ntrpR, trpR, 阻遏蛋白阻遏蛋白nP P，-40+18 -40+18 nO, -21+1O, -21+1nL, +1+162L, +1+162n結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基

29、因 分支酸 鄰氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷酸 色氨酸 鄰氨基苯甲酸 鄰氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼酸合成酶 鏈 鏈 60，000 60，000 4 5，000 50，000 29，000 P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t 1560 1620 1353 1191 804 36P：起動(dòng)子；O：操縱子； l：前導(dǎo)序列； a：衰減子； t,t ：終止子 圖16-15 E.coli trpO 的結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)物所催化的色氨酸合成反應(yīng)t, At, A下游下游36bp, 36bp, 不依賴不依賴p p t, tt, t下游下游250b

30、p250bp，依賴，依賴p p 分支酸 鄰氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷酸 色氨酸 鄰氨基苯甲酸 鄰氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼 酸 合 成 酶 鏈 鏈 60，000 60，000 4 5，000 50，000 29，000 P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t 1560 1620 1353 1191 804 36P：起動(dòng)子；O：操縱子； l：前導(dǎo)序列； a：衰減子； t,t ：終止子 圖 16-15 E.coli trpO 的結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)物所催化的色氨酸合成反應(yīng)trpR 分支酸 鄰氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油

31、-磷酸 色氨酸 鄰氨基苯甲酸 鄰氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼酸合成酶 鏈 鏈 60，000 60，000 4 5，000 50，000 29，000 P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t 1560 1620 1353 1191 804 36P：起動(dòng)子；O：操縱子； l：前導(dǎo)序列； a：衰減子； t,t ：終止子 圖 16-15 E.coli trpO 的結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)物所催化的色氨酸合成反應(yīng)n特點(diǎn)特點(diǎn): :n (1) trpR (1) trpR和和trpABCDEtrpABCDE不連鎖；不連鎖；n (2) (2) 操縱基因在啟動(dòng)子內(nèi)；操縱基因

32、在啟動(dòng)子內(nèi)；n (3) (3) 有衰減子有衰減子(attenuator)/(attenuator)/弱化子；弱化子；n (4) (4) 啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被被n 前導(dǎo)序列前導(dǎo)序列(Leader)(Leader)所隔開所隔開 。二、trp 操縱子的阻遏系統(tǒng)低低TrpTrp時(shí)：時(shí)：阻遏物不結(jié)合阻遏物不結(jié)合操縱基因操縱基因; ;高高TrpTrp時(shí)：時(shí)：阻遏物阻遏物+Trp +Trp 結(jié)合操縱基因結(jié)合操縱基因1 1、Trp R Trp R 四聚體四聚體阻遏蛋白阻遏蛋白trp trp 有活性的阻遏物有活性的阻遏物nSNE299trp O trp O 不轉(zhuǎn)錄不

33、轉(zhuǎn)錄3 3、阻遏系統(tǒng)、阻遏系統(tǒng)n主管轉(zhuǎn)錄是否啟動(dòng)，主管轉(zhuǎn)錄是否啟動(dòng)， 粗調(diào)開關(guān)粗調(diào)開關(guān)三、trp 操縱子的弱化機(jī)制衰減子（衰減子（attenuatorattenuator）/ /弱化子弱化子前導(dǎo)序列（前導(dǎo)序列（leader sequenceleader sequence）1. 1.弱化子：弱化子： DNA DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過(guò)早終止的一中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過(guò)早終止的一段核甘酸序列（段核甘酸序列（123-150bp123-150bp區(qū)）。區(qū)）。123150Repressor mRNAtrp repressor 研究引起終止的研究引起終止的mRNAmRNA堿堿基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNAmRN

34、A通過(guò)自我配對(duì)可以形成通過(guò)自我配對(duì)可以形成莖莖- -環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)。止子特點(diǎn)。POE4321LDNARNAATGTGA2trpcodons14322.2.前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽14aa14aa 分支酸 鄰氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷酸 色氨酸 鄰氨基苯甲酸 鄰氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼酸合成酶 鏈 鏈 60，000 60，000 4 5，000 50，000 29，000 P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t 1560 1620 1353 1191 804 36P：起動(dòng)子；O：操縱子；

35、l：前導(dǎo)序列； a：衰減子； t,t ：終止子 圖16-15 E.coli trpO 的結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)物所催化的色氨酸合成反應(yīng) 分支酸 鄰氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷酸 色氨酸 鄰氨基苯甲酸 鄰氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼 酸 合 成 酶 鏈 鏈 60，000 60，000 4 5，000 50，000 29，000 P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t 1560 1620 1353 1191 804 36P：起動(dòng)子；O：操縱子； l：前導(dǎo)序列； a：衰減子； t,t ：終止子 圖 16-15 E.coli trpO 的結(jié)構(gòu)

36、及其產(chǎn)物所催化的色氨酸合成反應(yīng) 鄰氨基苯 吲哚甘油 色氨酸合成酶 甲酸合成酶 硼酸合成酶 TrpE terpD trpC trpB trpA t t 啟動(dòng)子 操縱基因 前導(dǎo)順序 衰減子 pppN26AUGAAAGCAAUUUUCGUACUGAAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43AUUUUUUUU 富含 G-C 的發(fā) GC Leader peptide 夾結(jié)構(gòu) / 富含 CG U 的單鏈末端 CG Aaaaaa CG MetLysAlyIlePheValLeuLysGlyTrpTrpArgThrSer A GC CG A CG U U AA 圖 16-28 trp 操縱子含有 5

37、個(gè)結(jié)構(gòu)基因和 1 個(gè)控制區(qū)?？刂茀^(qū)由啟動(dòng)子、操縱基因、前導(dǎo)順序和衰減子構(gòu)成。前導(dǎo)區(qū)編碼 14 個(gè)氨基酸，其中有 2 個(gè)是色氨酸。(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.38) 分支酸 鄰氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷酸 色氨酸 鄰氨基苯甲酸 鄰氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼酸合成酶 鏈 鏈 60，000 60，000 4 5，000 50，000 29，000 P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t 1560 1620 1353 1191 804 36P：起動(dòng)子；O：操縱子； l：前導(dǎo)序列； a：衰減子；

38、 t,t ：終止子 圖16-15 E.coli trpO 的結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)物所催化的色氨酸合成反應(yīng) 分支酸 鄰氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷酸 色氨酸 鄰氨基苯甲酸 鄰氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼 酸 合 成 酶 鏈 鏈 60，000 60，000 4 5，000 50，000 29，000 P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t 1560 1620 1353 1191 804 36P：起動(dòng)子；O：操縱子； l：前導(dǎo)序列； a：衰減子； t,t ：終止子 圖 16-15 E.coli trpO 的結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)物所催化的色氨酸合成反

39、應(yīng)3.3.前導(dǎo)序列：在前導(dǎo)序列：在trp mRNA5trp mRNA5端端trpEtrpE基因的基因的起始密碼前一個(gè)長(zhǎng)起始密碼前一個(gè)長(zhǎng)162bp162bp的的mRNAmRNA片段。片段。3 3、弱弱化化機(jī)機(jī)制制TrpTrp高時(shí)高時(shí)Trp低時(shí)低時(shí)mRNA OPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 轉(zhuǎn)錄衰減轉(zhuǎn)錄衰減色氨酸操縱子色氨酸操縱子UUUUUUUU調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 trpROP前導(dǎo)序列前導(dǎo)序列 衰減子區(qū)域衰減子區(qū)域 UUUU前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)衰減子結(jié)構(gòu)第第1010、1111密碼子為密碼子為trptrp密碼

40、子密碼子 終止密碼子終止密碼子 14aa14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū)前導(dǎo)肽編碼區(qū): : 包含序列包含序列1 1 形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱： 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密碼子密碼子 UUUUUUUU34UUUU334核糖體核糖體 前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽 前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA1. 1.當(dāng)色氨酸濃度高時(shí)當(dāng)色氨酸濃度高時(shí) 轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制 125 trp 密碼子密碼子 衰減子結(jié)構(gòu)衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子就是終止子可使轉(zhuǎn)錄可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)前導(dǎo)DNAUUUU3 RNA RNA聚合酶聚合酶 終止終止UUUU342423UUUU核糖體核糖體 前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽 前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA15 trp 密碼子密碼子 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)前導(dǎo)DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 2. 2.當(dāng)色氨酸濃度低