原核基因表達(dá)調(diào)控上

關(guān)于原核基因表達(dá)調(diào)控上基因表達(dá)=基因轉(zhuǎn)錄+翻譯基因表達(dá)的調(diào)控:

生物體隨時(shí)調(diào)整不同基因的表達(dá)狀態(tài),以適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和發(fā)育需要。第2頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天本章內(nèi)容基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第3頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因的表達(dá)調(diào)控包括基因水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物加工的調(diào)控mRNA從細(xì)胞核向胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控以及翻譯后的加工等第4頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天環(huán)境改變，mRNA和蛋白質(zhì)的量也會(huì)發(fā)生變化。原核生物-----營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境真核生物-----激素水平和發(fā)育階段第5頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

細(xì)菌的調(diào)控機(jī)制，體系在需要時(shí)打開，不需要時(shí)關(guān)閉，這種開-關(guān)活性是通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄來(lái)建立的，即mRNA的合成可被調(diào)節(jié)。第6頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念一、基因表達(dá)的概念

基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程，從DNA到蛋白質(zhì)或功能RNA的過(guò)程稱為基因表達(dá)，對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱為表達(dá)調(diào)控。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過(guò)程也屬于基因表達(dá)。第7頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

組成性表達(dá)(constitutiveexpression)適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression）二、基因表達(dá)的方式第8頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、組成性表達(dá)：

指不大受環(huán)境變動(dòng)而變化的一類基因表達(dá)。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)，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。第9頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、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(dòng)的一類基因表達(dá)。

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)(induction)，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因。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)。

第10頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、基因表達(dá)的規(guī)律

——時(shí)間性和空間性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，稱為基因表達(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。

第11頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天胚胎期胎兒期成人期第12頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、空間特異性

基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)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細(xì)胞或組織特異性。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)，稱為基因表達(dá)的空間特異性。第13頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(zhǎng)和增殖（原核、真核）

維持個(gè)體發(fā)育與分化（真核）了解生物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和生物學(xué)功能。第14頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二節(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)操縱子學(xué)說(shuō)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

第15頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因表達(dá)的調(diào)控方式

阻遏負(fù)調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列基因的表達(dá)

(相應(yīng)蛋白質(zhì)降低)

促進(jìn)正調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列基因的表達(dá)

(相應(yīng)蛋白質(zhì)增加)第16頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天原核生物基因表達(dá)的調(diào)控方式特點(diǎn)調(diào)控機(jī)制

--操縱子正調(diào)控負(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)快速乳糖操縱子--負(fù)、正調(diào)控

轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

色氨酸操縱子--負(fù)調(diào)控

轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控第17頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

一個(gè)操縱子=編碼序列（2-6）+啟動(dòng)序列+操縱序列+(其他調(diào)節(jié)序列)

操縱子：原核生物中幾個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列組成的一個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同單位。第18頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天啟動(dòng)子操縱序列多個(gè)結(jié)構(gòu)基因終止子5’3’調(diào)控區(qū)結(jié)合RNA聚合酶和調(diào)節(jié)蛋白編碼功能相關(guān)的蛋白質(zhì)介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄出多順?lè)醋觤RNA，翻譯后得到多種蛋白質(zhì)操縱子的基本結(jié)構(gòu)第19頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、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

2、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控

①

mRNA加工成熟水平上的調(diào)控②

翻譯水平上的調(diào)控第20頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第21頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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

負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控

二、原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)第22頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天調(diào)節(jié)基因操縱基因結(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)控第23頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控

沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表達(dá)的，加入調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉，為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。

正轉(zhuǎn)錄調(diào)控沒(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，為正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。第24頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天可誘導(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)，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子分解代謝蛋白的基因2、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：第25頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白誘導(dǎo)物mRNA酶蛋白酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型誘導(dǎo)物某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來(lái)分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物。第26頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天可阻遏調(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，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。例：色氨酸操縱子合成代謝蛋白的基因第27頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天酶合成的阻遏操縱子模型調(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)基因輔阻遏物輻阻遏物：某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。第28頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、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，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，阻遏蛋白與效應(yīng)物（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，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。第29頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第30頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.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。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)；正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（輔阻遏物）的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。第31頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第32頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式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。第33頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天大腸桿菌中的各種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(zhǎng)期和大多數(shù)碳代謝過(guò)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(guò)度熱休克基因的表達(dá)調(diào)控第34頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天溫度較高,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?？莶菅挎邨U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)。第35頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、弱化子對(duì)基因活性的影響3、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)又稱葡萄糖阻遏或分解代謝產(chǎn)生阻遏作用。葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代謝產(chǎn)物阻遏某些誘導(dǎo)酶體系編碼的基因轉(zhuǎn)錄的現(xiàn)象。

第36頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上，在葡萄糖沒(méi)有被利用完之前，乳糖操縱子就一直被阻遏，乳糖不能被利用；直到葡萄糖被利用完后，乳糖操縱子才進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，形成利用乳糖的酶。第37頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天五、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)信號(hào)：鳥苷四磷酸ppGpp,ppGpp，會(huì)關(guān)閉很多基因。第38頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第三節(jié)乳糖操縱子

內(nèi)容提要：乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)乳糖操縱子調(diào)控模型影響因子Lac操縱子中的其他問(wèn)題第39頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、操縱子學(xué)說(shuō)1、操縱子模型的提出1961年，Monod和Jacob提出，獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。第40頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第41頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、操縱子的定義操縱子：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。第42頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天Lac操縱子主要組分分析mRNA多肽蛋白質(zhì)功能第43頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)第44頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天Z編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y編碼β-半乳糖苷透過(guò)酶：使外界的β-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)。A編碼β-半乳糖苷乙酰基轉(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。第45頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)加入乳糖

去掉乳糖第46頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天安慰誘導(dǎo)物：

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)被稱為安慰誘導(dǎo)物，如IPTG（異丙基-β-D-硫代半乳糖苷）。第47頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天β-半乳糖苷酶結(jié)合lac阻遏物第48頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、乳糖操縱子調(diào)控模型主要內(nèi)容：①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順?lè)醋拥膍RNA分子所編碼

Protein第49頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天②這個(gè)mRNA分子的啟動(dòng)子緊接著O區(qū)，而位于I與O之間的啟動(dòng)子區(qū)（P），不能單獨(dú)起動(dòng)合成β-半乳糖苷酶和透過(guò)酶的生理過(guò)程。第50頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天③操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。第51頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天Lac操縱子的起點(diǎn)處的抑制子和RNA聚合酶位點(diǎn)重合RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位第52頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第53頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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。

第54頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第55頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天⑤誘導(dǎo)物通過(guò)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(méi)有被阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始mRNA的合成。第56頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第57頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天組成型突變：lacOc

第58頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天組成型突變：lacI-

第59頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天不可誘導(dǎo)突變（超阻遏）：第60頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、影響因子1、lac操縱子的本底水平表達(dá)有兩個(gè)矛盾是操縱子理論不能解釋的：①誘導(dǎo)物需要穿過(guò)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(guò)酶，后者的合成有需要誘導(dǎo)。解釋：一些誘導(dǎo)物可以在透過(guò)酶不存在時(shí)進(jìn)入細(xì)胞？一些透過(guò)酶可以在沒(méi)有誘導(dǎo)物的情況下合成？√第61頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天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。第62頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

2、大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)培養(yǎng)基：甘油

按照l(shuí)ac操縱子本底水平的表達(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(guò)酶。培養(yǎng)基：加入乳糖少量乳糖透過(guò)酶進(jìn)入細(xì)胞β-半乳糖苷酶異構(gòu)乳糖誘導(dǎo)物誘導(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)乳糖第63頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天乳糖第64頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天誘導(dǎo)物的加入和去除對(duì)lacmRNA的影響第65頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、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(lái)克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)lac操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。第66頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天4、葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響

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)lac操縱子表達(dá)分解乳糖所需的三種酶。

代謝物阻遏效應(yīng)第67頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第68頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天5、cAMP與代謝物激活蛋白代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺甘酸受體蛋白（CRP）

cAMP在真核生物的激素調(diào)節(jié)中起作用。第69頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天ATP腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺甘酸）

大腸桿菌中：無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高；

有葡萄糖，cAMP濃度低。第70頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天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?；D(zhuǎn)移酶cAMP—CAP復(fù)合物第71頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第72頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天++++

轉(zhuǎn)錄無(wú)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)控第73頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(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(wú)CAP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。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。協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)第74頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天葡萄糖對(duì)lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏。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。第75頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第76頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天五、Lac操縱子中的其他問(wèn)題1、A基因及其生理功能半乳糖苷分子（IPTG）β-半乳糖甘酶分解產(chǎn)物（體內(nèi)積累）β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶乙?；肴樘擒辗肿樱↖PTG）乙?；?7頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較β-半乳糖苷酶：透過(guò)酶：乙酰基轉(zhuǎn)移酶=1：0.5：0.2第78頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天翻譯水平上受到調(diào)節(jié)：（1）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；第79頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）在lacmRNA分子內(nèi)部，A基因比Z基因更容易受內(nèi)切酶作用發(fā)生降解。第80頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、操縱子的融合與基因工程POZYAtsxPOpur結(jié)構(gòu)基因缺失乳糖lacoperon負(fù)責(zé)嘌呤合成puroperonLac啟動(dòng)子是強(qiáng)啟動(dòng)子，可以用于增加蛋白表達(dá)量。第81頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第四節(jié)色氨酸操縱子（trpoperon）內(nèi)容提要：色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子的弱化機(jī)制第82頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)

調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因

催化分枝酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼岬拿?/p>

trpRtrp第83頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第84頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天特點(diǎn):(1)trpR和trpABCDE不連鎖；

(2)操縱基因在啟動(dòng)子內(nèi)

(3)有衰減子(attenuator)/弱化子(4)啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被前導(dǎo)序列(Leader)所隔開

P：起動(dòng)子；O：操縱子；l：前導(dǎo)序列；a：衰減子第85頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、trp

操縱子的阻遏系統(tǒng)低Trp時(shí)：阻遏物不結(jié)合操縱基因;高Trp時(shí)：阻遏物+Trp,結(jié)合操縱基因第86頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、trp

操縱子的弱化機(jī)制衰減子/弱化子前導(dǎo)序列（leadersequence）第87頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天123~1501、弱化子：

DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過(guò)早終止的一段核甘酸序列（123-150區(qū)）。第88頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

研究引起終止的mRNA堿基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNA通過(guò)自我配對(duì)可以形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)。

Trp弱化子mRNA終止區(qū)第89頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、前導(dǎo)序列：在trpmRNA5’端trpE基因的起始密碼前

一個(gè)長(zhǎng)162bp的mRNA片段。第90頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

trp操縱子控制區(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。

第91頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、弱化機(jī)制第92頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

前導(dǎo)肽轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)第93頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天阻遏作用使轉(zhuǎn)錄降低70倍弱化作用使轉(zhuǎn)錄降低600倍第94頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天弱化子存在的意義？阻遏物：無(wú)活性→有活性，速度慢

弱化子通過(guò)抗終止子的方法增加trp基因的表達(dá)，可迅速提高內(nèi)源色氨酸濃度。第95頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

細(xì)菌通過(guò)弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，阻遏作用只能使轉(zhuǎn)錄不起始，對(duì)于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過(guò)弱化作用使之中途停下來(lái)。弱化子存在的意義第96頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天阻遏作用的信號(hào)是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少；弱化作用的信號(hào)則是細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少,通過(guò)前導(dǎo)肽的翻譯來(lái)控制轉(zhuǎn)錄進(jìn)行。

在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)這兩種作用相輔相成。第97頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第五節(jié)其他操縱子一、半乳糖操縱子

異構(gòu)酶(galE)乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galT)

半乳糖激酶(galk)半乳糖葡萄糖-1-磷酸第98頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天gal操縱子的特點(diǎn)：①有兩個(gè)啟動(dòng)子，其mRNA可從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄；②有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。第99頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天培養(yǎng)基中無(wú)葡萄糖，有cAMP-CRP，S1轉(zhuǎn)錄開始；培養(yǎng)基中有葡萄糖，無(wú)cAMP-CRP，S2轉(zhuǎn)錄開始；

體現(xiàn)必要性和經(jīng)濟(jì)性第100頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、阿拉伯糖操縱子araB基因、araA基因和araD,形成一個(gè)基因簇，簡(jiǎn)寫為araBAD三個(gè)基因的表達(dá)受到ara操縱子中araC基因產(chǎn)物AraC蛋白的調(diào)控。

第101頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天ara操縱子的調(diào)控有兩個(gè)特點(diǎn)：1.araC表達(dá)受到AraC的自身調(diào)控。2.AraC既是ara操縱子的正調(diào)節(jié)蛋白（需cAMP-CRP的共同參與，起始轉(zhuǎn)錄），又是其負(fù)調(diào)節(jié)蛋白，這種雙重功能是通過(guò)AraC蛋白的兩種異構(gòu)體來(lái)實(shí)現(xiàn)的（Pi和Pr)。第102頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第103頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天有葡萄糖，但阿拉伯糖水平低時(shí)：Pr阻遏發(fā)生，負(fù)調(diào)控第104頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天有阿拉伯糖，無(wú)葡萄糖時(shí)：Pi轉(zhuǎn)錄進(jìn)行，可以利用阿拉伯糖第105頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、阻遏蛋白LexA的降解與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答

細(xì)菌DNA受破壞時(shí)，SOS應(yīng)答啟動(dòng)誘導(dǎo)型DNA修復(fù)系統(tǒng)。第106頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天SOS反應(yīng)的機(jī)理：由RecA蛋白和LexA阻遏物的相互作用引起的。LexA阻遏物：是SOSDNA修復(fù)系統(tǒng)所有基因的阻遏物RecA蛋白：是SOS反應(yīng)的最初的發(fā)動(dòng)因子。在單鏈DNA和ATP存在時(shí)，RecA蛋白被激活，表現(xiàn)出水解酶活性，分解LexA阻遏物。第107頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

當(dāng)RecA水解LexA阻遏物后，導(dǎo)致SOS體系（包括recA基因）高效表達(dá)，DNA得到修復(fù)。第108頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、多啟動(dòng)子調(diào)控的操縱子1.rRNA操縱子P1P2rrnE饑餓狀態(tài)下ppGpp濃度增加，P1被關(guān)閉，P2仍可以啟動(dòng)。第109頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.DnaQ蛋白操縱子DnaQ蛋白校正DNA復(fù)制。P1P2dnaQRNA聚合酶活性低時(shí)，弱啟動(dòng)子P2控制DnaQ合成；RNA聚合酶活性高時(shí)，強(qiáng)啟動(dòng)子P1被激活。第110頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天五、固氮基因調(diào)控

生物固氮（將氮?dú)膺€原為氨）是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重要的氮源之一，也是地球化學(xué)中氮素循環(huán)的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，以豆科植物和根瘤菌的共生固氮為主，可占生物固氮量的1/2。第111頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天大氣中的N2尿素及動(dòng)植物遺體NO3-土壤中的微生物NH3NO3-氮素化肥氮循環(huán)

第112頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

生物固氮農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重要的氮源之一，也是地球化學(xué)中氮素循環(huán)的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)；以豆科植物和根瘤菌的共生固氮為主，可占生物固氮量的1/2，每年固定2-5億噸的氮。第113頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天由于多數(shù)農(nóng)作物缺乏共生固氮作用和大多數(shù)土壤缺乏氮素，因而氮肥往往成為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的限制因素。20世紀(jì)40年代以來(lái)，氮肥工業(yè)合成的發(fā)展使農(nóng)田單產(chǎn)迅速大幅度提高。第114頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天

1970年代以來(lái)，人工合成氮素化肥的能源耗費(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題開始顯露出來(lái)，各先進(jìn)國(guó)家近年來(lái)正力圖減少氮肥的使用，于是生物固氮研究更加受到世界各國(guó)的重視，成為一個(gè)全球性的戰(zhàn)略課題，它對(duì)環(huán)境、糧食、人口等問(wèn)題有著重要意義。第115頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天生物固氮研究基因酶細(xì)胞生態(tài)系水平第116頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天研究生物固氮的途徑和機(jī)理最終目的提高現(xiàn)有固氮生物的固氮能力；提供高效優(yōu)質(zhì)的微生物肥料，為農(nóng)業(yè)開發(fā)肥源；用分子生物學(xué)等方法促使不固氮作物固氮；人工模擬固氮酶在常溫常壓下還原分子氮，使氨的工業(yè)合成有一個(gè)歷史性突破。

第117頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天生物固氮的調(diào)控生物固氮只限于原核類微生物(細(xì)菌和放線菌)；所有不同種類的固氮微生物都由共同的固氮基因(nif)控制著固氮特性遺傳，nif基因和固氮酶只存在于固氮菌體中；具有共生固氮特性的高等植物僅提供宿主條件，以便固氮菌的固氮效能得到充分表達(dá)。

第118頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、克氏肺炎桿菌的固氮基因

克氏肺炎桿菌中存在著17～18個(gè)nif基因，這些基因都位于其染色體上:固氮酶結(jié)構(gòu)基因nifKDH;調(diào)節(jié)基因nifAL;固氮酶合成后的加工基因nifB;其它與電子傳遞相關(guān)的基因。第119頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、根瘤菌的固氮基因根瘤菌中的nif基因和結(jié)瘤基因都被定位在質(zhì)粒上。在根瘤菌的質(zhì)粒中除了固氮基因之外還存在著結(jié)瘤基因(nod)，使宿主的根毛變形彎曲的基因(hac)、根瘤起始基因(noi)、產(chǎn)生色素的基因(pig)等。

第120頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、nif

操縱子的結(jié)構(gòu)和功能QBALFMVSUXNEYKDHJnif第121頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天nifAL基因控制整個(gè)固氮系統(tǒng)的表達(dá)與活性。nifA和nifL基因產(chǎn)物分別是nif操縱子的正負(fù)調(diào)控因子。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)沒(méi)有NifL蛋白時(shí)，nifA基因產(chǎn)物足以激活其它nif基因的表達(dá)，甚至在有NH3和O2存在時(shí)也如此。第122頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天有活性失活

nifA

nifA

nifL

nifL肺炎克氏桿菌氮過(guò)量氮源少第123頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天第六節(jié)轉(zhuǎn)錄水平上的其他調(diào)控方式一、σ因子的調(diào)節(jié)作用原核生物RNA聚合酶的一個(gè)亞基，是轉(zhuǎn)錄起始所必需的因子，主要影響RNA聚合酶對(duì)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的正確識(shí)別。

第124頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天特殊的σ因子調(diào)控不同的基因σ32調(diào)控?zé)嵝菘嘶颚?4調(diào)控氮代謝基因σF調(diào)控鞭毛基因σ43調(diào)控噬菌體基因第125頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天不同的時(shí)期起作用的σ因子不同如Bacillus在營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)形成孢子，孢子的形成需要4種不同的σ因子，σ因子活性受蛋白水解酶的調(diào)控。第126頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、組蛋白類似蛋白的調(diào)節(jié)作用細(xì)菌中非特異性的DNA結(jié)合蛋白，用來(lái)維持DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)，稱為組蛋白類似蛋白。抑制轉(zhuǎn)錄第127頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的作用定義：可以基因的啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起激活或抑制作用的DNA結(jié)合蛋白。激活抑制第128頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天大腸桿菌中300多個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子第129頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、抗終止因子的調(diào)節(jié)作用抗終止因子：能夠在特定位點(diǎn)阻止轉(zhuǎn)錄終止的一類蛋白質(zhì)。第130頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、mRNA自身結(jié)構(gòu)元件對(duì)翻譯起始的調(diào)控

核糖體結(jié)合位點(diǎn)RBS：mRNA鏈上起始密碼子AUG上游的一段非翻譯區(qū)。其它的起始密碼子：UUG、GUG、AUU

第七節(jié)轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控3%14%第131頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天RBS的結(jié)合強(qiáng)度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼子AUG之間的距離，SD序列改變導(dǎo)致表達(dá)效率改變。第132頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、mRNA穩(wěn)定性對(duì)轉(zhuǎn)錄水平的影響

細(xì)胞內(nèi)的一系列核酸酶用于清除無(wú)用的mRNA。糖原合成被抑制不穩(wěn)定構(gòu)象glgmRNA降解第133頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、調(diào)節(jié)蛋白的調(diào)控作用mRNA結(jié)合蛋白可激活靶基因的翻譯；mRNA特異性抑制蛋白通過(guò)與核糖體競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合mRNA來(lái)抑制翻譯起始。第134頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天核糖體蛋白對(duì)自身mRNA翻譯的抑制作用第135頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、反義RNA對(duì)翻譯的影響1983年，Mizuno等發(fā)現(xiàn)反義RNA的調(diào)節(jié)作用，從而揭示了一種新的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制。反義RNA:指具有互補(bǔ)序列的RNA,可調(diào)節(jié)mRNA的翻譯。第136頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天反義RNA對(duì)翻譯的抑制第137頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天反義RNA有三種作用方式：1、與mRNA5’端非翻譯區(qū)包括SD序列相結(jié)合，直接抑制翻譯。2、與mRNA5’端編碼區(qū)起始密碼子AUG結(jié)合，抑制mRNA翻譯起始。3、與mRNA的非編碼區(qū)互補(bǔ)結(jié)合，使mRNA構(gòu)象改變，影響其與核糖體結(jié)合，間接抑制了mRNA的翻譯。第138頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天反義RNA對(duì)bfr基因翻譯的抑制作用鐵離子濃度低鐵離子濃度高細(xì)菌鐵蛋白第139頁(yè),共152頁(yè)，2024年2月25日，星期天五、稀有密碼子對(duì)翻譯的影響dnaG(引物酶)RNA引物dnaG、rpoD和rpsU屬于大腸桿菌基因