第四章 原核基因表達(dá)調(diào)控模式

1、現(xiàn)代分子生物學(xué)第三章第三章 原核基因表達(dá)調(diào)控模式原核基因表達(dá)調(diào)控模式現(xiàn)代分子生物學(xué)原核生物細(xì)胞的基因和蛋白質(zhì)種類(lèi)較少，如大腸桿菌基因組約為4.20106bp共有4 288個(gè)開(kāi)放讀碼框（表6-1）。據(jù)估計(jì)，一個(gè)細(xì)胞中總共含有107個(gè)蛋白質(zhì)分子。現(xiàn)代分子生物學(xué)現(xiàn)代分子生物學(xué)每個(gè)大腸桿菌細(xì)胞有約15 000個(gè)核糖體，50種核糖體蛋白、糖酵解體系的酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代謝過(guò)程中必需的，其合成速率不受環(huán)境變化或代謝狀態(tài)的影響，這一類(lèi)蛋白質(zhì)被稱(chēng)為永久型（constitutive）合成的蛋白質(zhì)?，F(xiàn)代分子生物學(xué)另一類(lèi)則被稱(chēng)為適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型（adaptive or regulated），因?yàn)檫@類(lèi)

2、蛋白質(zhì)的合成速率明顯地受環(huán)境的影響而改變。如大腸桿菌細(xì)胞中一般只有15個(gè)-半乳糖苷酶，但若將細(xì)胞培養(yǎng)在只含乳糖的培養(yǎng)基中，每細(xì)胞中這個(gè)酶的量可高達(dá)幾萬(wàn)個(gè)分子?，F(xiàn)代分子生物學(xué)補(bǔ)一第三章 原核基因表達(dá)調(diào)控模式.ppt現(xiàn)代分子生物學(xué)3. 1 原核基因表達(dá)調(diào)控總論隨著生物個(gè)體的發(fā)育，DNA分子能有序地將其所承載的遺傳信息，通過(guò)密碼子-反密碼子系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，執(zhí)行各種生理生化功能?？茖W(xué)家把從DNA到蛋白質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為基因表達(dá)（gene expression），對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱(chēng)為基因表達(dá)調(diào)控（gene regulation或gene control）?，F(xiàn)代分子生物學(xué)現(xiàn)代分子生物學(xué)基因表達(dá)(gene e

3、xpression)是指儲(chǔ)存遺傳信息的基因經(jīng)過(guò)一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個(gè)過(guò)程。典型的基因表達(dá)是基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過(guò)程。rRNA或tRNA的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工產(chǎn)生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表達(dá)，因?yàn)閞RNA或tRNA就具有在蛋白質(zhì)翻譯方面的功能?，F(xiàn)代分子生物學(xué)基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性1時(shí)間特異性 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，這是基因表達(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(chēng)階段特異性。2空間特異性 在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，這就是基因表達(dá)的空間特異性。又稱(chēng)細(xì)胞

4、特異性或組織特異性。現(xiàn)代分子生物學(xué)基因表達(dá)的方式基因表達(dá)的方式1組成性表達(dá)組成性表達(dá) 某些基因產(chǎn)物對(duì)生命全過(guò)程是必需的或必不可少的。這類(lèi)基因某些基因產(chǎn)物對(duì)生命全過(guò)程是必需的或必不可少的。這類(lèi)基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱(chēng)為管家在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱(chēng)為管家基因。管家基因較少受環(huán)境因素影響，在個(gè)體各個(gè)生長(zhǎng)階段的基因。管家基因較少受環(huán)境因素影響，在個(gè)體各個(gè)生長(zhǎng)階段的幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。2誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo)和阻遏表達(dá) 與管家基因不同，有一些基因表達(dá)極易受環(huán)境變化影響。在特與管家基因不同，有一些基因表達(dá)極

5、易受環(huán)境變化影響。在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因是可誘導(dǎo)的，稱(chēng)為這種基因是可誘導(dǎo)的，稱(chēng)為誘導(dǎo)誘導(dǎo)。相反，如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)。相反，如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的，稱(chēng)為應(yīng)答時(shí)被抑制，基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的，稱(chēng)為阻遏阻遏。 誘導(dǎo)和誘導(dǎo)和阻遏是同一事物的兩種表現(xiàn)形式，在生物界普遍存在，也是生阻遏是同一事物的兩種表現(xiàn)形式，在生物界普遍存在，也是生物體適應(yīng)環(huán)境的基本途徑。物體適應(yīng)環(huán)境的基本途徑。現(xiàn)代分子生物學(xué)基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下二方面：基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下二方面：轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控

6、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptional regulation)；轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控(post-transcriptional regulation)，包括包括:（1）mRNA加工成熟水平調(diào)控（differential processing of RNA transcrpt）；（2）翻譯水平調(diào)控（differential translation of mRNA）?，F(xiàn)代分子生物學(xué)細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄與翻譯過(guò)程幾乎發(fā)生在同一時(shí)間間隔內(nèi)，轉(zhuǎn)錄與翻譯相耦聯(lián)（coupled transcription and translation）。真核生物中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（primary transcr

7、ipt）只有從核內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)到核外，才能被核糖體翻譯成蛋白質(zhì)（圖6-2）?，F(xiàn)代分子生物學(xué)現(xiàn)代分子生物學(xué)原核生物的基因調(diào)控主要是轉(zhuǎn)錄調(diào)控，包括負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控和正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。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），阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。根據(jù)其作用特征又分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏二大類(lèi)?，F(xiàn)代分子生物學(xué)在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白不與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄；在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白作用于操縱區(qū)。現(xiàn)代分子生物學(xué)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)其作用特性分為正控誘導(dǎo)系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)。在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，

8、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)物分子的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)（圖6-3，表6-2）?，F(xiàn)代分子生物學(xué)現(xiàn)代分子生物學(xué)為了區(qū)分調(diào)控過(guò)程中的調(diào)控成分和其調(diào)控的基因，又使用結(jié)構(gòu)基因(Structural gene)和調(diào)控基因(Regulator gene)的概念。結(jié)構(gòu)基因是編碼蛋白質(zhì)或RNA的任何基因。結(jié)構(gòu)基因編碼大量結(jié)構(gòu)和功能各異的蛋白質(zhì)，包括結(jié)構(gòu)蛋白、具有催化活性的酶和調(diào)控蛋白。調(diào)控基因是參與其它基因表達(dá)調(diào)控的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因?，F(xiàn)代分子生物學(xué)調(diào)控的關(guān)鍵是調(diào)控基因編碼的蛋白質(zhì)通過(guò)與DNA 上的特異位點(diǎn)的結(jié)合來(lái)調(diào)控轉(zhuǎn)錄。這種相互作用可以通過(guò)正(Positi

9、ve)調(diào)控的方式(打開(kāi)基因的作用)和負(fù)(Negative)調(diào)控的形式(關(guān)閉基因的作用)來(lái)調(diào)控一個(gè)靶基因(Target gene)。現(xiàn)代分子生物學(xué)細(xì)菌中對(duì)于轉(zhuǎn)錄調(diào)控的最初概念是細(xì)菌中對(duì)于轉(zhuǎn)錄調(diào)控的最初概念是1961年由年由Jacob和和Monod以關(guān)于基因表達(dá)調(diào)控的模型這一經(jīng)典的形式提出的。以關(guān)于基因表達(dá)調(diào)控的模型這一經(jīng)典的形式提出的。它們將它們將DNA 序列分成兩種類(lèi)型：序列分成兩種類(lèi)型：編碼反式作用因子編碼反式作用因子(trans-acting factor)的序列的序列和功能?chē)?yán)和功能?chē)?yán)格限制在格限制在DNA 內(nèi)部的內(nèi)部的順式作用元件順式作用元件(cis-acting element)。基因

10、的活性調(diào)控主要通過(guò)反式作用因子基因的活性調(diào)控主要通過(guò)反式作用因子(通常是通常是蛋白質(zhì)蛋白質(zhì))和順式和順式作用元件作用元件(通常在通常在DNA 上上)的特異性相互作用而實(shí)現(xiàn)的。的特異性相互作用而實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)代分子生物學(xué)更多的正式術(shù)語(yǔ)：更多的正式術(shù)語(yǔ)：基因是編碼可擴(kuò)散產(chǎn)物的基因是編碼可擴(kuò)散產(chǎn)物的DNA序列，這種產(chǎn)物可以是蛋白質(zhì)序列，這種產(chǎn)物可以是蛋白質(zhì)(大大多數(shù)基因都編碼蛋白質(zhì)多數(shù)基因都編碼蛋白質(zhì))，也可以是，也可以是RNA (tRNA和和rRNA)。最重要的特點(diǎn)是基因產(chǎn)物將從合成的場(chǎng)所擴(kuò)散到其發(fā)揮作用的場(chǎng)最重要的特點(diǎn)是基因產(chǎn)物將從合成的場(chǎng)所擴(kuò)散到其發(fā)揮作用的場(chǎng)所。所。游離基因產(chǎn)物游離基因產(chǎn)物擴(kuò)散至

11、其目標(biāo)場(chǎng)所的過(guò)程稱(chēng)為反式作用擴(kuò)散至其目標(biāo)場(chǎng)所的過(guò)程稱(chēng)為反式作用(trans-acting)。順式作用順式作用(cis-acting)的概念用于任一不轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏纹渌问降牡母拍钣糜谌我徊晦D(zhuǎn)變?yōu)槿魏纹渌问降腄NA 序列序列，它只在，它只在原位原位發(fā)揮發(fā)揮DNA 序列的作用，僅影響與其在物序列的作用，僅影響與其在物理上相連的理上相連的DNA(有時(shí)順式調(diào)控序列最終發(fā)揮作用的分子不是有時(shí)順式調(diào)控序列最終發(fā)揮作用的分子不是DNA，而是，而是RNA)?，F(xiàn)代分子生物學(xué)細(xì)菌的傳統(tǒng)控制機(jī)制是負(fù)調(diào)控：阻遏細(xì)菌的傳統(tǒng)控制機(jī)制是負(fù)調(diào)控：阻遏蛋白阻止基因表達(dá)。蛋白阻止基因表達(dá)。RNA聚合酶能夠識(shí)別它的啟動(dòng)子，聚合酶能夠

12、識(shí)別它的啟動(dòng)子，使這種基因得到表達(dá)。與啟動(dòng)子相鄰使這種基因得到表達(dá)。與啟動(dòng)子相鄰的另一個(gè)順式作用位點(diǎn)稱(chēng)為操縱基因的另一個(gè)順式作用位點(diǎn)稱(chēng)為操縱基因(Operator)，它是阻遏蛋白的靶位，它是阻遏蛋白的靶位點(diǎn)。當(dāng)阻遏蛋白和操縱基因結(jié)合時(shí)，點(diǎn)。當(dāng)阻遏蛋白和操縱基因結(jié)合時(shí)，就會(huì)阻止就會(huì)阻止RNA 聚合酶啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，基聚合酶啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，基因的表達(dá)因而被關(guān)閉。因的表達(dá)因而被關(guān)閉。圖示：圖示： 在負(fù)調(diào)控中，反式阻遏蛋白結(jié)合到順式作用的操縱子上，從而關(guān)閉了轉(zhuǎn)錄。在負(fù)調(diào)控中，反式阻遏蛋白結(jié)合到順式作用的操縱子上，從而關(guān)閉了轉(zhuǎn)錄。原核生物中多個(gè)基因調(diào)控是協(xié)同進(jìn)行的。原核生物中多個(gè)基因調(diào)控是協(xié)同進(jìn)行的?，F(xiàn)代分子生物學(xué)

13、圖示：圖示： 在正調(diào)控中，為了能使在正調(diào)控中，為了能使RNA 聚合酶在啟動(dòng)子處起始轉(zhuǎn)錄，反式作用聚合酶在啟動(dòng)子處起始轉(zhuǎn)錄，反式作用因子必須與順式作用元件結(jié)合。在真核生物中，各個(gè)結(jié)構(gòu)基因是單獨(dú)調(diào)控的。因子必須與順式作用元件結(jié)合。在真核生物中，各個(gè)結(jié)構(gòu)基因是單獨(dú)調(diào)控的。除了負(fù)調(diào)控，還有正調(diào)控。在細(xì)菌除了負(fù)調(diào)控，還有正調(diào)控。在細(xì)菌中，正調(diào)控和負(fù)調(diào)控使用的頻率也中，正調(diào)控和負(fù)調(diào)控使用的頻率也許大致相等。許大致相等。但在真核生物中，最常見(jiàn)的調(diào)控方但在真核生物中，最常見(jiàn)的調(diào)控方式是正調(diào)控。式是正調(diào)控。真核的基因不具活性：真核的基因不具活性：RNA 聚合酶聚合酶不能在啟動(dòng)子處單獨(dú)開(kāi)始轉(zhuǎn)錄。反不能在啟動(dòng)子處單

14、獨(dú)開(kāi)始轉(zhuǎn)錄。反式作用因子在啟動(dòng)子附近有作用位式作用因子在啟動(dòng)子附近有作用位點(diǎn)，其中的一些或所有因子的結(jié)合點(diǎn)，其中的一些或所有因子的結(jié)合使使RNA 聚合酶能起始轉(zhuǎn)錄。聚合酶能起始轉(zhuǎn)錄。現(xiàn)代分子生物學(xué)正調(diào)控和負(fù)調(diào)控的共同點(diǎn)是調(diào)控蛋白正調(diào)控和負(fù)調(diào)控的共同點(diǎn)是調(diào)控蛋白(Regulatory protein)(Regulatory protein)都是反式作用因子，它通常識(shí)別位于基因上游的順式作用都是反式作用因子，它通常識(shí)別位于基因上游的順式作用元件。這種識(shí)別的結(jié)果是根據(jù)調(diào)控蛋白的類(lèi)型決定的，激元件。這種識(shí)別的結(jié)果是根據(jù)調(diào)控蛋白的類(lèi)型決定的，激活活(Activate)(Activate)或阻遏或阻遏(R

15、epress)(Repress)基因的表達(dá)。盡管調(diào)控蛋白基因的表達(dá)。盡管調(diào)控蛋白結(jié)合結(jié)合DNA DNA 的實(shí)際長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但它僅識(shí)別的實(shí)際長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但它僅識(shí)別DNA DNA 上很短的序列，上很短的序列，一般小于一般小于10bp10bp。細(xì)菌的啟動(dòng)子就是一個(gè)例子：雖然。細(xì)菌的啟動(dòng)子就是一個(gè)例子：雖然RNA RNA 聚聚合酶在轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，覆蓋大于合酶在轉(zhuǎn)錄起始時(shí)，覆蓋大于70bp 70bp 的的DNADNA，但其識(shí)別的關(guān)，但其識(shí)別的關(guān)鍵序列是位于鍵序列是位于-35-35和和-10 -10 中心處中心處6 6個(gè)堿基的序列。個(gè)堿基的序列?，F(xiàn)代分子生物學(xué)原核生物和真核生物的基因的組織形式差異很大，原核生物

16、和真核生物的基因的組織形式差異很大，細(xì)菌的結(jié)構(gòu)基因一般成簇細(xì)菌的結(jié)構(gòu)基因一般成簇(Cluster)(Cluster)排列，而真排列，而真核生物的基因則是獨(dú)立存在。成簇排列的結(jié)構(gòu)基核生物的基因則是獨(dú)立存在。成簇排列的結(jié)構(gòu)基因能受單一啟動(dòng)子共同控制：結(jié)果使整套基因或因能受單一啟動(dòng)子共同控制：結(jié)果使整套基因或者表達(dá)或者都不表達(dá)者表達(dá)或者都不表達(dá)?，F(xiàn)代分子生物學(xué)6. 2. 1 酶的誘導(dǎo)lac體系受調(diào)控的證據(jù)一般情況下，lac+基因型大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)-半乳糖苷酶和透過(guò)酶的濃度很低，每個(gè)細(xì)胞只有12個(gè)酶分子。但是，在乳糖培養(yǎng)基上酶的濃度很快達(dá)到細(xì)胞總蛋白量的6%或7%，超過(guò)105個(gè)酶分子/細(xì)胞?，F(xiàn)代分子生物

17、學(xué)在無(wú)葡萄糖有乳糖的培養(yǎng)基中，lac+細(xì)菌中將同時(shí)合成-半乳糖苷酶和透過(guò)酶。用32P標(biāo)記的mRNA與模板DNA進(jìn)行定量分子雜交，表明培養(yǎng)基中加入乳糖12分鐘后，編碼-半乳糖苷酶和透過(guò)酶的lacmRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，lac mRNA量立即下降?，F(xiàn)代分子生物學(xué)現(xiàn)代分子生物學(xué)3. 2. 2 操縱子模型及其影響因子操縱子模型及其影響因子1961年年 Jacob和Monod認(rèn)為誘導(dǎo)酶（他們當(dāng)時(shí)稱(chēng)為適應(yīng)酶）現(xiàn)象是個(gè)基因調(diào)控問(wèn)題，而且可以用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究，他們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)及分析，建立了現(xiàn)在已經(jīng)被人們廣泛接受的乳糖操縱子的控制模型?，F(xiàn)代分子生物學(xué)乳糖操縱子控制模型的主要內(nèi)容：乳糖操縱子控制模型的

18、主要內(nèi)容：包括結(jié)構(gòu)基因和控制其表達(dá)的整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)調(diào)控單位稱(chēng)為操包括結(jié)構(gòu)基因和控制其表達(dá)的整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)調(diào)控單位稱(chēng)為操縱子縱子(Operator)。操縱子的活性是由調(diào)控基因控制的，其蛋白產(chǎn)物和順式作用調(diào)控操縱子的活性是由調(diào)控基因控制的，其蛋白產(chǎn)物和順式作用調(diào)控元件相互作用。元件相互作用。根據(jù)對(duì)突變的影響來(lái)區(qū)分結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控基因。根據(jù)對(duì)突變的影響來(lái)區(qū)分結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控基因。結(jié)構(gòu)基因突變只引起其編碼的特定蛋白質(zhì)失活。結(jié)構(gòu)基因突變只引起其編碼的特定蛋白質(zhì)失活。調(diào)控基因的突變則影響其控制的所有結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。調(diào)控基因的突變則影響其控制的所有結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。調(diào)控基因的突變揭示了調(diào)控的類(lèi)型。調(diào)控基因的突

19、變揭示了調(diào)控的類(lèi)型。lacZYA 基因的轉(zhuǎn)錄受基因的轉(zhuǎn)錄受lacI 基因指導(dǎo)合成的調(diào)控蛋白控制基因指導(dǎo)合成的調(diào)控蛋白控制.現(xiàn)代分子生物學(xué)圖圖. . 乳糖操縱子長(zhǎng)約為乳糖操縱子長(zhǎng)約為6000bp6000bp。左端的。左端的LacILacI基因有它自己的啟動(dòng)子和終止子，基因有它自己的啟動(dòng)子和終止子，LacILacI基因的末基因的末端緊接啟動(dòng)子端緊接啟動(dòng)子P P。操作基因。操作基因O O 占據(jù)占據(jù)LacZLacZ 基因的前基因的前26bp26bp，LacZLacZ基因之后是基因之后是LacYLacY基因和基因和LacALacA基因基因以及終止子。以及終止子。乳糖操縱子的控制屬負(fù)調(diào)控：即它被調(diào)控蛋白關(guān)

20、閉轉(zhuǎn)錄。調(diào)控因子的失活突變導(dǎo)致功能基因乳糖操縱子的控制屬負(fù)調(diào)控：即它被調(diào)控蛋白關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。調(diào)控因子的失活突變導(dǎo)致功能基因保持表達(dá)狀態(tài)。保持表達(dá)狀態(tài)。laclacI I 的表達(dá)產(chǎn)物稱(chēng)為乳糖操縱子阻遏蛋白的表達(dá)產(chǎn)物稱(chēng)為乳糖操縱子阻遏蛋白(Repressor)(Repressor)，因?yàn)樗墓δ苁亲?，因?yàn)樗墓δ苁亲柚菇Y(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。止結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。阻遏蛋白通過(guò)與阻遏蛋白通過(guò)與lacZYA 基因簇開(kāi)始處的操縱基因結(jié)合發(fā)揮功能。操縱基因位于啟動(dòng)子和結(jié)基因簇開(kāi)始處的操縱基因結(jié)合發(fā)揮功能。操縱基因位于啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因構(gòu)基因(lacZYA)之間。阻遏蛋白和操縱基因結(jié)合時(shí)，能阻止之間。阻遏蛋白和操縱基因結(jié)合時(shí)

21、，能阻止RNA 聚合酶在啟動(dòng)子上的轉(zhuǎn)聚合酶在啟動(dòng)子上的轉(zhuǎn)錄錄.現(xiàn)代分子生物學(xué) 3個(gè)結(jié)構(gòu)基因各決定一種酶： Z編碼編碼-半乳糖苷酶半乳糖苷酶； Y編碼編碼-半乳糖苷透過(guò)酶；半乳糖苷透過(guò)酶； A編碼編碼-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶。半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶?，F(xiàn)代分子生物學(xué)-半乳糖苷酶是一種-半乳糖苷鍵的專(zhuān)一性酶，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，還能水解其他-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。-半乳糖苷透過(guò)酶的作用是使外界的-半乳糖苷透過(guò)大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶的作用是把乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖?，F(xiàn)代分子生物學(xué)1.Z、Y、A基因產(chǎn)物由同一條多順?lè)醋觤

22、RNA分子所編碼。2.該mRNA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(guò)酶基因的高效表達(dá)。3. 操縱區(qū)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)阻遏物與操縱區(qū)相結(jié)合時(shí)，lac mRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。5.誘導(dǎo)物通過(guò)與阻遏物結(jié)合，改變其三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)相結(jié)合，誘發(fā)lac mRNA的合成?，F(xiàn)代分子生物學(xué)下面就以乳糖操縱子為例子說(shuō)明操縱子的下面就以乳糖操縱子為例子說(shuō)明操縱子的最基本的組成元件最基本的組成元件（elements）結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因(structural gene):操縱子中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因。啟動(dòng)子啟

23、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（序列）基因操縱（序列）基因(operator，O)是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列。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。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序列?，F(xiàn)代分子生物學(xué)在乳糖操縱子中，這種應(yīng)答誘導(dǎo)物在乳糖操縱子中，這種應(yīng)答誘導(dǎo)物的成分就是的成分就是laclacI I編碼的阻遏蛋白。編碼的阻遏蛋白。它在應(yīng)答環(huán)境變化時(shí)控制結(jié)構(gòu)基因它在應(yīng)答環(huán)境變化時(shí)控制結(jié)構(gòu)基因laclacZYAZYA轉(zhuǎn)錄

24、的作用。轉(zhuǎn)錄的作用。阻遏蛋白的狀態(tài)決定啟動(dòng)子是開(kāi)啟阻遏蛋白的狀態(tài)決定啟動(dòng)子是開(kāi)啟還是關(guān)閉：還是關(guān)閉：缺乏誘導(dǎo)物時(shí)，由于阻遏蛋白具有缺乏誘導(dǎo)物時(shí)，由于阻遏蛋白具有結(jié)合操縱基因的活性。結(jié)構(gòu)基因不結(jié)合操縱基因的活性。結(jié)構(gòu)基因不被轉(zhuǎn)錄。被轉(zhuǎn)錄。而加入誘導(dǎo)物后，阻遏蛋白變成非而加入誘導(dǎo)物后，阻遏蛋白變成非活性形式離開(kāi)操縱基因，因此轉(zhuǎn)錄活性形式離開(kāi)操縱基因，因此轉(zhuǎn)錄從啟動(dòng)子開(kāi)始，并通過(guò)結(jié)構(gòu)基因，從啟動(dòng)子開(kāi)始，并通過(guò)結(jié)構(gòu)基因，一直轉(zhuǎn)錄到位于一直轉(zhuǎn)錄到位于laclacA A 邊上的終止邊上的終止子，轉(zhuǎn)錄成一條子，轉(zhuǎn)錄成一條mRNAmRNA。圖。 阻遏蛋白與操縱子結(jié)合，使乳糖操縱子處于失活狀態(tài)，加入誘導(dǎo)物以后，

25、阻遏蛋白被釋放出來(lái)，才允許RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄?，F(xiàn)代分子生物學(xué)現(xiàn)代分子生物學(xué)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(dòng)子控制下永久型合成的，該阻遏蛋白有4個(gè)相同的亞基，每個(gè)亞基均含有347個(gè)氨基酸殘基，并能與1分子IPTG結(jié)合,每個(gè)細(xì)胞中有510個(gè)阻遏物分子?，F(xiàn)代分子生物學(xué)-半乳糖苷酶在乳糖代謝中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中，大腸桿菌在耗盡外源葡萄糖之前不會(huì)誘發(fā)lac操縱子（圖6-11）?，F(xiàn)代分子生物學(xué)現(xiàn)代分子生物學(xué)CAP的正調(diào)控 細(xì)菌中的細(xì)菌中的cAMPcAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)，cAMPcAM

26、P 通過(guò)與通過(guò)與capcap基基因產(chǎn)物結(jié)合，使代謝產(chǎn)物調(diào)控的操縱子的表達(dá)與因產(chǎn)物結(jié)合，使代謝產(chǎn)物調(diào)控的操縱子的表達(dá)與cAMPcAMP 水平成正比。水平成正比。capcap基因產(chǎn)物稱(chēng)為分解代謝物激活蛋白基因產(chǎn)物稱(chēng)為分解代謝物激活蛋白(Catabolite(Catabolite activator activator proteinprotein，CAP)CAP)。capcap基因突變可阻止操縱子的激活，而在葡萄糖基因突變可阻止操縱子的激活，而在葡萄糖缺乏時(shí)，這些操縱子能被正常表達(dá)。缺乏時(shí)，這些操縱子能被正常表達(dá)。CAPCAP是一正調(diào)控因子，在依賴(lài)是一正調(diào)控因子，在依賴(lài)CAPCAP的啟動(dòng)子上起始轉(zhuǎn)

27、錄必須有的啟動(dòng)子上起始轉(zhuǎn)錄必須有CAPCAP參加。只有參加。只有cAMPcAMP 存在時(shí)，存在時(shí)，CAPCAP才有活性才有活性. .現(xiàn)代分子生物學(xué)某大腸桿菌突變體，它不能將葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，該細(xì)菌的lac基因能在葡萄糖存在時(shí)被誘導(dǎo)合成。所以，不是葡萄糖而是它的某些降解產(chǎn)物抑制lacmRNA的合成，科學(xué)上把葡萄糖的這種效應(yīng)稱(chēng)之為代謝物阻遏效應(yīng)（cataboliterepression）?，F(xiàn)代分子生物學(xué)cAMP與代謝物激活蛋白cAMP是在腺苷酸環(huán)化酶的作用下由ATP轉(zhuǎn)變而來(lái)的，在真核生物的激素調(diào)節(jié)過(guò)程中也起著十分重要的作用。將細(xì)菌放在含葡萄糖的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，cAMP的濃度就低

28、；如果培養(yǎng)基中只有甘油或乳糖等不進(jìn)行糖酵解途徑的碳源，cAMP的濃度就會(huì)很高?，F(xiàn)代分子生物學(xué)大腸桿菌中的代謝物激活蛋白，由Crp基因編碼，能與cAMP形成復(fù)合物。CRP和cAMP都是合成lacmRNA所必需的，cAMP-CRP是一個(gè)不同于阻遏物的正調(diào)控因子，而lac操縱子的功能是在這兩個(gè)相互獨(dú)立的調(diào)控體系作用下實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)代分子生物學(xué)圖6-13 gal，lac和ara操縱子上游啟動(dòng)子區(qū)與CRP-cAMP結(jié)合位點(diǎn)的相對(duì)位置分析現(xiàn)代分子生物學(xué)半乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等在降解過(guò)程中均轉(zhuǎn)化成葡萄糖或糖酵解途徑中的其他中間產(chǎn)物，這些糖代謝中有關(guān)的酶都是由可誘導(dǎo)操縱子控制的，被稱(chēng)為降解物敏感型操縱子

29、(catabolitesensitive operon），由cAMP-CRP調(diào)控?，F(xiàn)代分子生物學(xué)現(xiàn)代分子生物學(xué)cAMP-CRP復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合是lacmRNA合成起始所必需的，因?yàn)檫@個(gè)復(fù)合物結(jié)合于啟動(dòng)子上游，能使DNA雙螺旋發(fā)生彎曲，有利于形成穩(wěn)定的開(kāi)放型啟動(dòng)子-RNA聚合酶結(jié)構(gòu)。阻遏物則是一個(gè)抗解鏈蛋白，阻止形成開(kāi)放結(jié)構(gòu)，從而抑制RNA聚合酶的功能?，F(xiàn)代分子生物學(xué)現(xiàn)代分子生物學(xué)6. 2. 3 lac操縱子的調(diào)控區(qū)域P、O區(qū)P區(qū)（即啟動(dòng)子區(qū)）一般是從I基因結(jié)束到mRNA轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)下游5-10bp，而O區(qū)（即阻遏物結(jié)合區(qū)）位于-7+28位，該區(qū)的堿基序列有對(duì)稱(chēng)性，其對(duì)稱(chēng)軸在+11位堿基對(duì)

30、?，F(xiàn)代分子生物學(xué)現(xiàn)代分子生物學(xué)3. 2. 4 lac操縱子中的其他問(wèn)題1、lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較在完全被誘導(dǎo)的細(xì)胞中，-半乳糖苷酶、透過(guò)酶及乙?；D(zhuǎn)移酶的拷貝數(shù)比例為1：0.5：0.2，這個(gè)比例在一定程度上反映了以-半乳糖苷作為唯一碳源時(shí)細(xì)胞的需要。不同的酶在數(shù)量上的差異是由于在翻譯水平上受到調(diào)節(jié)所致?，F(xiàn)代分子生物學(xué)lacmRNA可能與翻譯過(guò)程中的核糖體相脫離，從而終止蛋白質(zhì)鏈的翻譯。因此，存在著從mRNA的5末端到3末端的蛋白質(zhì)合成梯度?，F(xiàn)代分子生物學(xué)在lacmRNA分子內(nèi)部，A基因比Z基因更易受內(nèi)切酶作用發(fā)生降解，因此，在任何時(shí)候Z基因的完整拷貝數(shù)要比A基因多?，F(xiàn)代分子生物學(xué)2、操縱子的融合與基因工程pur操縱子在染色體上位于lac操縱子沿轉(zhuǎn)錄方向的下游，中間只隔了一個(gè)控制細(xì)胞對(duì)T6噬菌體敏感性的tsx基因。pur操縱子被“嫁接”到lac啟動(dòng)子上，形成融合