第六章原核基因表達調(diào)控1

第六章原核基因表達調(diào)控模式一.概述

2.基因表達的方式按對刺激的反應(yīng)可分為：(1)

組成性表達

管家基因（housekeepinggene）

在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因。其蛋白質(zhì)被稱為

組成型蛋白質(zhì)。此類基因表達只受啟動子序列或啟動子與RNA聚合酶相互作用的影響，不受其他機制的調(diào)節(jié)。目前一頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式一.概述

誘導(dǎo)和阻遏表達

與管家基因不同是它們的表達易受環(huán)境變化影響。隨外界環(huán)境信號變化,其基因表達水平可呈現(xiàn)升高或降低的現(xiàn)象。

*這二類基因除受啟動子序列或啟動子與RNA聚合酶相互作用的影響外，還受其他機制的調(diào)節(jié),通?；虻恼{(diào)控序列中含有

特異剌激的反應(yīng)元件。目前二頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式一.概述

根據(jù)細菌酶的合成對環(huán)境的反應(yīng)不同，分為:

組成酶

細菌酶

誘導(dǎo)酶適應(yīng)酶阻遏酶目前三頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式一.概述

原核基因表達的多級調(diào)控四個基本調(diào)控點:

基因活化最有效的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控

轉(zhuǎn)錄起始---DNA元件與調(diào)控蛋白相互作用調(diào)控mRNA加工成熟水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控

翻譯及翻譯后水平的調(diào)控目前四頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式一.概述

目前五頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式一.概述

4.原核基因調(diào)控機制的分類p.232

原核生物的基因調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，根據(jù)調(diào)控機制的不同可以分為：P.232-234負轉(zhuǎn)錄調(diào)控

調(diào)控機制

正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負控誘導(dǎo)負控阻遏正控誘導(dǎo)正控阻遏調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物-激活蛋白調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物-阻遏蛋白(為主)目前六頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式一.概述

目前七頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式一.概述

5.原核基因表達調(diào)控的主要特點

原核生物通過特殊代謝物調(diào)節(jié)基因活性主要分為可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和阻遏調(diào)節(jié)。

1）可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)是指一些基因在特殊代謝物或化合物的作用下，由原來的關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)。這類基因中最典型的例子是大腸桿菌的乳糖操縱子。

2）可阻遏調(diào)節(jié)這一類基因平時都是開啟的，處于合成蛋白質(zhì)或酶的工作狀態(tài)，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。最典型的例子是大腸桿菌的色氨酸操縱子。目前八頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制1.乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)

誘導(dǎo)型操縱子p.237-半乳糖苷酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶CAP位點ICAPPO控制區(qū)結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)基因操縱序列*CAP

環(huán)腺苷酸受體蛋白CAP位點:cAMP-CAP復(fù)合物結(jié)合位點。

阻遏蛋白作用的部位目前九頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制I乳糖操縱子的調(diào)節(jié)基因和控制區(qū)I–調(diào)節(jié)基因,編碼阻遏蛋白。P–啟動子,RNA聚合酶結(jié)合的DNA序列。O–阻遏蛋白結(jié)合位點。結(jié)合后,抑制轉(zhuǎn)錄啟始。CAP位點

–cAMP-CAP復(fù)合物結(jié)合位點。結(jié)合后，促進轉(zhuǎn)錄。目前十頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制CAP(cataboliteactivatorprotein)

—分解代謝物激活蛋白(環(huán)腺苷酸受體蛋白，CRP)結(jié)構(gòu)特點：-同二聚體-具有與CAP位點結(jié)合的區(qū)域-具有與cAMP(環(huán)腺苷酸)結(jié)合位點

cAMP—環(huán)腺苷酸特點:在大腸桿菌中，cAMP的濃度受到葡萄糖代謝的調(diào)節(jié)。-葡萄糖(+)抑制腺苷酸環(huán)化酶活性,cAMP合成量減少；-葡萄糖(–)腺苷酸環(huán)化酶活性提高,cAMP合成量增加。*CAP蛋白只有與cAMP蛋白形成復(fù)合物,才能與操縱子上CAP位點結(jié)合，促進轉(zhuǎn)化。目前十一頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制目前十二頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制2.乳糖操縱子調(diào)控機制1)阻遏蛋白的負控誘導(dǎo)（1）葡萄糖(+),乳糖(–)時,-乳糖(–)時,無別乳糖存在，阻遏蛋白與操縱子上的O序列結(jié)合,使操縱子處于關(guān)閉狀態(tài)，三個結(jié)構(gòu)基因不表達。

-葡萄糖(+)及cAMP濃度低時，CAP活性低,無cAMP-CAP復(fù)合物形成。目前十三頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制無誘導(dǎo)物時葡萄糖(+),乳糖(–)結(jié)構(gòu)基因表達關(guān)閉

阻遏蛋白的負控誘導(dǎo)目前十四頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制（2）葡萄糖(–),乳糖(+)時,-乳糖(+)時細胞內(nèi)存在別乳糖，阻遏蛋白與別乳糖結(jié)合，操縱子從關(guān)閉開啟。

目前十五頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制

效應(yīng)物:能與阻遏蛋白或激活蛋白結(jié)合,使它們的空間構(gòu)象發(fā)生變化,從而改變其對基因轉(zhuǎn)錄的影響,這些特定物質(zhì)被稱為效應(yīng)物(effector).誘導(dǎo)劑:凡是能引起誘導(dǎo)發(fā)生的效應(yīng)物稱為誘導(dǎo)劑。別誘導(dǎo)劑阻遏蛋白()目前十六頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制別乳糖：效應(yīng)物

誘導(dǎo)劑(inducer):別乳糖、半乳糖、IPTG（異丙基巰基半乳糖苷）TMG（巰甲基半乳糖苷）ONPG（O-硝基半乳糖苷）

乳糖類似物非半乳糖苷酶底物是安慰性誘導(dǎo)劑目前十七頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制葡萄糖()時cAMP濃度高時,CAP活性高,形成cAMP-CAP復(fù)合物，cAMP-CAP復(fù)合物與操縱子上的CAP位點序列結(jié)合，促進轉(zhuǎn)錄的起始，三個基因高水平表達，大量合成三種乳糖酶。

激活蛋白:與操縱子結(jié)合后能夠增強基因表達的調(diào)節(jié)蛋白稱為激活蛋白----CAP。

正性調(diào)節(jié):激活蛋白所介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為正性調(diào)節(jié)。

CAP的正性調(diào)節(jié)。cAMP-CAP：是一個正調(diào)控因子。但它的形成與阻遏體系無關(guān)。目前十八頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制-半乳糖苷酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶有誘導(dǎo)物時阻遏蛋白的負控誘導(dǎo)與CAP的正性調(diào)節(jié)葡萄糖(–),乳糖(+)*lac操縱子上的結(jié)構(gòu)基因稱為可誘導(dǎo)基因,基因所編碼的酶

稱為誘導(dǎo)酶,可誘導(dǎo)基因的表達過程稱為酶的誘導(dǎo)合成。目前十九頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱縱子調(diào)節(jié)機制（3）

葡萄糖(+),乳糖(+)共存時,-乳糖(+)別乳糖與阻遏蛋白結(jié)合。-葡萄糖(+)cAMP濃度低,CAP活性低,無CAP的正性調(diào)控。

葡萄糖(-),乳糖(+)時,

-乳糖(+)別乳糖與阻遏蛋白結(jié)合。

-葡萄糖(-)cAMP濃度高,CAP活性高,出現(xiàn)CAP正性調(diào)控。此時，操縱子上的基因表達，大量合成三種與乳糖代謝相關(guān)的酶,細菌以乳糖作為碳源。

此時，操縱子處于開啟狀態(tài)，但基因不表達，細菌以葡萄糖作為碳源,消耗葡萄糖。目前二十頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制轉(zhuǎn)錄水平低,沒有乳糖酶的合成--乳糖(+)時,葡萄糖（+）目前二十一頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制-半乳糖苷酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶有誘導(dǎo)物時阻遏蛋白的負控誘導(dǎo)與CAP的正性調(diào)節(jié)葡萄糖(–),乳糖(+)*lac操縱子上的結(jié)構(gòu)基因稱為可誘導(dǎo)基因,基因所編碼的酶

稱為誘導(dǎo)酶,可誘導(dǎo)基因的表達過程稱為酶的誘導(dǎo)合成。目前二十二頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制當在葡萄糖和乳糖同時存在：細菌優(yōu)先利用葡萄糖，而不啟動乳糖操縱子合成乳糖酶,這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)或分解代謝物阻遏。

在葡萄糖消耗完后,操縱子轉(zhuǎn)錄合成三種乳糖酶。目前二十三頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制結(jié)論:

乳糖操縱子強的誘導(dǎo)作用只有在以乳糖為碳源時才會出現(xiàn)。也就是說，乳糖操縱子的功能是在阻遏蛋白的負控誘導(dǎo)與CAP的正性調(diào)節(jié)兩個相互獨立的調(diào)控體系作用下實現(xiàn)的。目前二十四頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制2)乳糖操縱子的本底水平表達

在研究乳糖操縱子時發(fā)現(xiàn)有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的。

第一，誘導(dǎo)物需要穿過細胞膜才能和阻遏蛋白結(jié)合，而轉(zhuǎn)運誘導(dǎo)物是需要通透酶，后者的合成又需要誘導(dǎo)。第一個誘導(dǎo)物如何進入細胞，分析有兩個可能：一些誘導(dǎo)物在沒有通透酶存在時，也可以進入細胞；

一些通透酶可以在沒有誘導(dǎo)物存在的情況下合成。已有研究表明：第二種解釋是正確的。目前二十五頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制第二，研究發(fā)現(xiàn)乳糖不能夠與阻遏蛋白結(jié)合，真正的誘導(dǎo)物是乳糖的異構(gòu)體——別乳糖（異構(gòu)乳糖），而別乳糖是在-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。乳糖誘導(dǎo)-半乳糖苷酶的合成需要有-半乳糖苷酶的預(yù)先存在。對這一現(xiàn)象的解釋同樣是：在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的乳糖操縱子的mRNA合成（每一世代中合成1-5個mRNA分子）。這種合成被稱之為本底水平的永久型合成。目前二十六頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制目前二十七頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式二.乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制誘導(dǎo)物的加入和去除

對lacmRNA合成的影響

加入誘導(dǎo)物mRNA迅速合成，隨之酶滯后合成。

-當去除誘導(dǎo)物時mRNA的合成很快停止，但酶的合成延遲停止。

P.241目前二十八頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制

1.色氨酸(trp)操縱子的結(jié)構(gòu)

阻遏型操縱子O–操縱序列L–前導(dǎo)肽編碼序列(trpL)a–弱化子序列(trpa)trpR-該基因距trp操縱子上的結(jié)構(gòu)基因很遠。編碼輔阻遏蛋白,輔阻遏蛋白+色氨酸→具有活性的阻遏物,關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。trpR基因p.246目前二十九頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制

目前三十頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制色氨酸操縱子的啟動子(P)和操縱序列(O)目前三十一頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制色氨酸操縱子的前導(dǎo)肽編碼序列(L)和弱化子(a)前導(dǎo)肽編碼序列弱化子前導(dǎo)肽編碼序列--具有起始密碼子AUG和終止密碼子UGA，翻譯后應(yīng)該產(chǎn)生一條含有14個氨基酸的多肽,這一多肽稱為前導(dǎo)肽。目前三十二頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制2.特點:(1)trpR(89’)和trpABCDE(25’)不連鎖(2)操縱序列在啟動子內(nèi)(3)有弱化子(attenuator)(4)啟動子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被前導(dǎo)區(qū)順序(Leader)所隔開目前三十三頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制

色氨酸(-)時:

RNA聚合酶與操縱子上的啟動子結(jié)合結(jié)構(gòu)基因開始轉(zhuǎn)錄輔阻遏物單體二聚體前導(dǎo)序列弱化子2.色氨酸操縱子的調(diào)控機制1)輔阻遏蛋白的負控阻遏目前三十四頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制

輔阻遏蛋白與色氨酸結(jié)合形成二聚體。-二聚體與操縱子上的O位點結(jié)合,阻礙了RNA聚合酶與啟動子結(jié)合。-結(jié)構(gòu)基因不表達。trpR結(jié)構(gòu)基因阻遏物二聚體色氨酸輔阻遏物二聚體輔阻遏物單體RNA聚合酶色氨酸(+)時:目前三十五頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制

在trp操縱子的阻遏過程中,

效應(yīng)物→色氨酸←阻遏物可阻遏基因:trp操縱子上的色氨酸合酶基因的表達可以被它合成的最終產(chǎn)物(色氨酸)所關(guān)閉。這些基因被稱為可阻遏基因。阻遏酶:trp操縱子上的結(jié)構(gòu)基因所編碼的酶稱為阻遏酶。目前三十六頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制

2)

trp操縱子的弱化(衰減)調(diào)節(jié)在研究trp操縱子時發(fā)現(xiàn)-在色氨酸高濃度和低濃度下觀察到trp操縱子的表達水平相差約600倍;

-使輔阻遏物失活突變,不能完全消除色氨酸對trp操縱子表達的影響。推測trp操縱子的表達受其他調(diào)控機制調(diào)控,這種調(diào)控與阻遏物的控制無關(guān)。*推測trp操縱子的表達受其他調(diào)控機制調(diào)控,這種調(diào)控與阻遏物的控制無關(guān)。實驗:如果將O序列和trpE基因之間刪除123-150位堿基序列,結(jié)果發(fā)現(xiàn):trp基因表達可提高6-10倍。目前三十七頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制前導(dǎo)肽序列

具有起始密碼子AUG和終止密碼子UGA，翻譯后應(yīng)該產(chǎn)生一條含有14個氨基酸的多肽,這一多肽稱為前導(dǎo)肽。

第10和第11位上有相鄰的兩個色氨酸。這兩個色氨酸密碼子參與trp操縱子的弱化調(diào)節(jié)。弱化子前導(dǎo)肽編碼序列與結(jié)構(gòu)基因trpE之間的一段序列,類似終止子序列,具有轉(zhuǎn)錄終止作用,又稱為內(nèi)部終子。

弱化子前導(dǎo)肽編碼區(qū)前導(dǎo)肽目前三十八頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制弱化子形成的莖-環(huán)結(jié)構(gòu)目前三十九頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制前導(dǎo)肽區(qū)和弱化子mRNA的特點

第一個結(jié)構(gòu)基因4個片段可以兩種不同的方式進行堿基配對形成RNA二級結(jié)構(gòu):

1-2兩片段配對

2-3兩片段配對

3-4兩片段配對目前四十頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制

當培養(yǎng)基中色氨酸濃度低時

色氨酰-tRNATrp少，翻譯通過前導(dǎo)序列中兩個相鄰色氨酸密碼子的速度很慢，核糖體停留在兩個trp密碼子處。

前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)為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)進行。核糖體Trp密碼子轉(zhuǎn)錄繼續(xù)目前四十一頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制當培養(yǎng)基中色氨酸濃度高時色氨酰-tRNATrp多，核糖體可以順利通過兩個相鄰的色氨酸密碼子,到達2區(qū)，使得2-3區(qū)之間不能配對,而3-4區(qū)可以配對形成莖-環(huán)狀終止子結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)錄停止。核糖體莖-環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄停止終止碼目前四十二頁\總數(shù)五十二頁\編于九點圖11-22弱化子調(diào)控機制

目前四十三頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制

弱化子(衰減子)作用目前四十四頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制

轉(zhuǎn)錄的弱化(衰減)作用：轉(zhuǎn)錄的弱化理論認為mRNA轉(zhuǎn)錄的終止是通過前導(dǎo)肽基因的翻譯來調(diào)節(jié)的。因為在前導(dǎo)肽基因中有兩個相鄰的色氨酸密碼子，所以前導(dǎo)肽的翻譯必定對tRNATrp的濃度敏感。弱化子對RNA聚合酶的影響依賴于前導(dǎo)肽翻譯中核糖體所處的位置。目前四十五頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式三.色氨酸操縱子調(diào)節(jié)機制

在色氨酸操縱子調(diào)控中:-負控阻遏系統(tǒng)粗調(diào)開關(guān),負責(zé)轉(zhuǎn)錄是否啟動。阻遏作用的信號是細胞內(nèi)色氨酸。-弱化作用微調(diào)開關(guān),細菌通過弱化作用彌補阻遏作用的不足，因為阻遏作用只能使轉(zhuǎn)錄不起始，而對己經(jīng)啟動的轉(zhuǎn)錄是否停止轉(zhuǎn)錄，只能通過弱化作用來決定。

這種微調(diào)節(jié)是通過轉(zhuǎn)錄達到第一個結(jié)構(gòu)基因之前的終止來實現(xiàn)的(又稱過早終止)。弱化作用的信號是細胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少。

在細胞內(nèi)這兩種調(diào)節(jié)作用是相輔相成的。目前四十六頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式四.半乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制

大腸桿菌半乳糖操縱子上有三個結(jié)構(gòu)基因：p.255

異構(gòu)酶半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷酸轉(zhuǎn)移酶半乳糖激酶三個酶的作用是催化：

半乳糖葡萄糖-1-磷酸目前四十七頁\總數(shù)五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調(diào)控模式四.半乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制

1.半乳糖操縱子（galoperon）的結(jié)構(gòu)1)有兩個啟動子（P1和P2），mRNA可從兩個不同的起始點開始轉(zhuǎn)錄。2)有兩個O區(qū)域，