原核基因的表達(dá)調(diào)控

關(guān)于原核基因的表達(dá)調(diào)控(一)基因表達(dá)調(diào)控概念(二)基因表達(dá)的方式(三)基因表達(dá)的規(guī)律——時間性和空間性(四)基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義一、基因表達(dá)調(diào)控總論第2頁,共112頁，2024年2月25日，星期天geneexpression

：基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為generegulation

。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達(dá)(一)基因表達(dá)調(diào)控概念第3頁,共112頁，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4頁,共112頁，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)，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。第5頁,共112頁，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(induciblegene)；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6頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(三)基因表達(dá)的規(guī)律——時間性和空間性1、時間特異性（temporalspecificity）2、空間特異性(spatialspecificity)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)的時間特異性。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)?；虮磉_(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，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個體生長全過程，某種基因產(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)的空間特異性。第7頁,共112頁，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、維持生長和增殖（原核、真核）

維持個體發(fā)育與分化（真核）第8頁,共112頁，2024年2月25日，星期天二、原核基因調(diào)控機(jī)制(一)原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)(二)操縱子學(xué)說(三)原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)(四)轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式

第9頁,共112頁，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（transcriptionalregulation）2、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptionalregulation）①

mRNA加工成熟水平上的調(diào)控②

翻譯水平上的調(diào)控第10頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(二)操縱子學(xué)說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JacobandMonod第12頁,共112頁，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13頁,共112頁，2024年2月25日，星期天結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)：操縱子中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因。一個操縱子中含有2個以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達(dá)十幾個。每個結(jié)構(gòu)基因是一個連續(xù)的開放閱讀框(ORF),5’端有翻譯起始密碼，3’端有翻譯終止碼各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜接、串連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群至少在第一個結(jié)構(gòu)基因5’側(cè)具有SD序列，因而當(dāng)這段含多個結(jié)構(gòu)基因的DNA被轉(zhuǎn)錄成多順反子mRNA，就能被核糖體所識別結(jié)合、并起始翻譯第14頁,共112頁，2024年2月25日，星期天調(diào)節(jié)基因(regulatorgene)調(diào)節(jié)基因：編碼與操縱子結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因第15頁,共112頁，2024年2月25日，星期天操縱基因凡能與調(diào)控蛋白特異性結(jié)合、從而影響基因轉(zhuǎn)錄強(qiáng)弱的序列，不論其對基因轉(zhuǎn)錄的作用是減弱、阻止或增強(qiáng)、開放，都可稱為操縱基因第16頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第17頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

1、根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應(yīng)答，可分為：

(1)正轉(zhuǎn)錄調(diào)控

(2)負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控

(三)原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)第18頁,共112頁，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，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)控正轉(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。第19頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(1)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20頁,共112頁，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)物如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物。第21頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(2)可阻遏調(diào)節(jié)：基因平時是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中，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22頁,共112頁，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)基因輔阻遏物輔阻遏物如果某種物質(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23頁,共112頁，2024年2月25日，星期天3、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），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，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，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄第24頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第25頁,共112頁，2024年2月25日，星期天4、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)激活蛋白的作用性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)和正控阻遏在正控誘導(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)在正控阻遏系統(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26頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第27頁,共112頁，2024年2月25日，星期天順式作用基因活性的調(diào)控主要通過反式作用因子（通常是蛋白質(zhì)）與順式作用元件（通常在DNA上）相互作用而實現(xiàn)順式作用元件（cis-actingelement）是指對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處在一個DNA分子上的基因；同時，DNA序列通常不編碼蛋白質(zhì)，多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中，如啟動子、操縱子、終止子第28頁,共112頁，2024年2月25日，星期天反式作用反式作用因子（trans-actingfactor）是能調(diào)節(jié)與它們接觸的基因的表達(dá)的各種擴(kuò)散分子（RNA或蛋白質(zhì)），如轉(zhuǎn)錄因子；其編碼基因與其識別或結(jié)合的靶核苷酸序列不在同一個DNA分子上調(diào)控基因則屬于反式作用元件（trans-actingelement），其編碼產(chǎn)生的調(diào)控蛋白為反式作用因子（trans-actingfactor）第29頁,共112頁，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，需要不同的因子指導(dǎo)RNA聚合酶與各種啟動子結(jié)合。2、降解物對基因活性的調(diào)節(jié)3、弱化子對基因活性的影響4、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)第30頁,共112頁，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參與對數(shù)生長期和大多數(shù)碳代謝過程基因的調(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過度熱休克基因的表達(dá)調(diào)控第31頁,共112頁，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)境需要枯草芽孢桿菌芽孢形成

有序的σ因子的替換,RNA聚合酶識別不同基因的啟動子,使芽孢形成有關(guān)的基因有序地表達(dá)第32頁,共112頁，2024年2月25日，星期天三、乳糖操縱子(lacoperon)(一)乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)(二)酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)(三)乳糖操縱子調(diào)控模型(四)乳糖操縱子影響因子(五)Lac操縱子中的其他問題第33頁,共112頁，2024年2月25日，星期天一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)第34頁,共112頁，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-半乳糖苷透過酶：使外界的β-半乳糖苷（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)A編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶A上的乙酰基轉(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖第35頁,共112頁，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)第36頁,共112頁，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37頁,共112頁，2024年2月25日，星期天三、乳糖操縱子調(diào)控模型1、主要內(nèi)容：①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼。②這個mRNA分子的啟動子緊接著O區(qū)，而位于I與O之間的啟動子區(qū)（P），不能單獨(dú)起動合成β-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。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)。④當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。⑤誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(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，操縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動子能夠順利起始mRNA的合成。

RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位

操縱位點(diǎn)的回文序列第38頁,共112頁，2024年2月25日，星期天2、突變類型組成型突變：lacOc

組成型突變：lacI-不可誘導(dǎo)突變（超阻遏）第39頁,共112頁，2024年2月25日，星期天組成型突變：lacOc

第40頁,共112頁，2024年2月25日，星期天組成型突變：

lacI-

第41頁,共112頁，2024年2月25日，星期天不可誘導(dǎo)突變（超阻遏）第42頁,共112頁，2024年2月25日，星期天阻遏蛋白:

N端:

1～59aa－頭部片段：為HTH，與操縱基因DNA的大溝結(jié)合；

核心區(qū)：有6個折疊，誘導(dǎo)物就結(jié)合在兩個核心區(qū)之間的裂縫中；

C端:

為兩組亮氨酸拉鏈，形成四聚體。第43頁,共112頁，2024年2月25日，星期天1、lac操縱子的本底水平表達(dá)2、大腸桿菌對乳糖的反應(yīng)3、阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能4、葡萄糖對lac操縱子的影響5、cAMP與代謝物激活蛋白四、影響因子第44頁,共112頁，2024年2月25日，星期天1、lac操縱子的本底水平表達(dá)

有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的：①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，后者的合成又需要誘導(dǎo)。解釋：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？√第45頁,共112頁，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-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖苷酶的預(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46頁,共112頁，2024年2月25日，星期天2、大腸桿菌對乳糖的反應(yīng)培養(yǎng)基：甘油按照lac操縱子本底水平的表達(dá)，每個細(xì)胞內(nèi)有幾個分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透過酶；第47頁,共112頁，2024年2月25日，星期天透過酶進(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)乳糖培養(yǎng)基：加入乳糖少量乳糖第48頁,共112頁，2024年2月25日，星期天乳糖第49頁,共112頁，2024年2月25日，星期天誘導(dǎo)物的加入和去除對lacmRNA的影響第50頁,共112頁，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是由弱啟動子控制下組成型合成的，每個細(xì)胞中有5-10個阻遏物分子。當(dāng)I基因由弱啟動子突變成強(qiáng)啟動子，細(xì)胞內(nèi)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來克服阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。第51頁,共112頁，2024年2月25日，星期天葡萄糖和乳糖同時加入培養(yǎng)基lac操縱子阻遏狀態(tài)不能被誘導(dǎo)4、葡萄糖對lac操縱子的影響耗盡外源葡萄糖lac操縱子啟動代謝物阻遏效應(yīng)第52頁,共112頁，2024年2月25日，星期天5、cAMP與代謝物激活蛋白(1)代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺苷酸受體蛋白（CRP）

CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動序列操縱序列ZYAOPDNA

調(diào)控區(qū)

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶cAMP—CAP復(fù)合物第53頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第54頁,共112頁，2024年2月25日，星期天ATP腺苷酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺苷酸）

大腸桿菌中：無葡萄糖，有葡萄糖，(2)CAP的正調(diào)控cAMP濃度高cAMP濃度低第55頁,共112頁，2024年2月25日，星期天++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時促進(jìn)轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，cAMP濃度低時不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第56頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(3)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)

當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用如無CAP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。cAMP—CAP復(fù)合物與啟動子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。第57頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第58頁,共112頁，2024年2月25日，星期天TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP第59頁,共112頁，2024年2月25日，星期天TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!第60頁,共112頁，2024年2月25日，星期天TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!第61頁,共112頁，2024年2月25日，星期天五、Lac操縱子中的其他問題(一)A基因及其生理功能半乳糖苷分子（IPTG）β-半乳糖苷酶

分解產(chǎn)物（體內(nèi)積累）β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖苷分子（IPTG）乙?；?2頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(二)lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較

β-半乳糖苷酶:透過酶:乙?；D(zhuǎn)移酶=1:0.5:0.2

翻譯水平上受到調(diào)節(jié)：（1）lacmRNA可能與翻譯過程中的核糖體相脫離，從而終止蛋白質(zhì)鏈的翻譯；（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63頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(三)操縱子的融合與基因工程POZYAtsxPOpur結(jié)構(gòu)基因缺失lacoperonpuroperon第64頁,共112頁，2024年2月25日，星期天四、色氨酸操縱子（trpoperon）(一)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)(二)色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)(三)色氨酸操縱子的弱化機(jī)制第65頁,共112頁，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66頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第67頁,共112頁，2024年2月25日，星期天特點(diǎn):

(1)trpR和trpABCDE不連鎖；(2)操縱基因在啟動子內(nèi)(3)有衰減子(attenuator)/弱化子(4)啟動子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被前導(dǎo)序列(Leader)所隔開第68頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(二)trp操縱子的阻遏系統(tǒng)低Trp時：阻遏物不結(jié)合操縱基因;高Trp時：阻遏物+Trp

結(jié)合操縱基因第69頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(三)trp操縱子的弱化機(jī)制1、衰減子（attenuator）/弱化子2、前導(dǎo)序列（leadersequence）3、弱化機(jī)制第70頁,共112頁，2024年2月25日，星期天1、弱化子：

DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核苷酸序列（123-150區(qū)）。123~150第71頁,共112頁，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通過自我配對可以形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)。第72頁,共112頁，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長162bp的mRNA片段。第73頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第74頁,共112頁，2024年2月25日，星期天UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)

結(jié)構(gòu)基因

trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域

UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子

終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1

形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4trp密碼子

UUUU……第75頁,共112頁，2024年2月25日，星期天3、弱化機(jī)制第76頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第77頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

前導(dǎo)肽轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)第78頁,共112頁，2024年2月25日，星期天高Trp時：Trp-tRNATrp存在

核糖體通過片段1(2個Trp密碼子)

封閉片段2

片段3，4形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)類似于不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止序列

RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄,產(chǎn)生衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián),產(chǎn)生前導(dǎo)肽第79頁,共112頁，2024年2月25日，星期天高Trp時：Trp-tRNATrp存在

核糖體通過片段1(2個Trp密碼子)

封閉片段2

片段3，4形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)類似于不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止序列RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄,產(chǎn)生衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián),產(chǎn)生前導(dǎo)肽第80頁,共112頁，2024年2月25日，星期天UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽

前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制

125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNA

UUUU3’

RNA聚合酶終止第81頁,共112頁，2024年2月25日，星期天低Trp時：Trp-tRNATrp沒有供應(yīng)

核糖體翻譯停止在片段1

（2個Trp密碼子）片段2，3

形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)錄不終止RNA聚合酶繼續(xù)轉(zhuǎn)錄第82頁,共112頁，2024年2月25日，星期天UUUU……342423UUUU……核糖體

前導(dǎo)肽

前導(dǎo)mRNA

15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNA

RNA聚合酶2.當(dāng)色氨酸濃度低時

Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)第83頁,共112頁，2024年2月25日，星期天協(xié)調(diào)阻遏作用：粗調(diào)開關(guān)

阻遏物的作用是當(dāng)有大量外源色氨酸存在時，阻止非必需的先導(dǎo)mRNA的合成，它使這個合成系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)阻遏作用的信號是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少弱化作用：細(xì)調(diào)開關(guān)弱化作用的信號是Trp-tRNAtrp的多少，通過控制前導(dǎo)肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行第84頁,共112頁，2024年2月25日，星期天Negative—repressibleoperon可以被最終合成產(chǎn)物所阻遏RPOleadingseq.EDCBAtrp+為什么需要阻遏體系？當(dāng)大量Trp存在時，阻遏系統(tǒng)起作用。阻遏物與之結(jié)合，阻止先導(dǎo)mRNA合成。

經(jīng)濟(jì)第85頁,共112頁，2024年2月25日，星期天僅有少量trp時，RNApol啟動，但在L.S.處脫落，轉(zhuǎn)錄中斷RPOleadingseq.EDCBA少量trp+不足以結(jié)合

O

位點(diǎn)為什么需要弱化系統(tǒng)？當(dāng)trp濃度低時，阻遏物從有活性變?yōu)闊o活性，速度極慢，不能很快引發(fā)trp合成。因此需要一個能快速作出反應(yīng)的系統(tǒng)，以保持培養(yǎng)基中適當(dāng)?shù)腡rp水平。第86頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

細(xì)菌通過弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因為阻遏作用只能使轉(zhuǎn)錄不起始，對于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過弱化作用使之中途停下來。阻遏作用的信號是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少；弱化作用的信號則是細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少。它通過前導(dǎo)肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)這兩種作用相輔相成，體現(xiàn)著生物體內(nèi)周密的調(diào)控作用。第87頁,共112頁，2024年2月25日，星期天原核生物衰減作用的普遍性第88頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(一)半乳糖操縱子(galactoseoperon)(二)阿拉伯糖操縱子（arabinoseoperon)(三)阻遏蛋白LexA的降解與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答五、其他操縱子第89頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(一)半乳糖操縱子(galactoseoperon)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)第90頁,共112頁，2024年2月25日，星期天gal操縱子的特點(diǎn)：它有兩個啟動子，其mRNA可從兩個不同的起始點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄；它有兩個O區(qū)，一個在P區(qū)上游，另一個在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。第91頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

分析gal操縱子P-O區(qū)的DNA序列發(fā)現(xiàn)，該操縱子確實存在兩個相距僅5bp的啟動子，可以分別起始mRNA的合成。每個啟動子擁有各自的RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)S1和S2。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，RNA聚合酶與S1的結(jié)合需要半乳糖、CRP和較高濃度的cAMP。從S2起始的轉(zhuǎn)錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CRP能抑制由這個啟動子起始的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)有cAMP-CRP時，轉(zhuǎn)錄從S1開始，當(dāng)無cAMP-CRP時，轉(zhuǎn)錄從S2開始。

第92頁,共112頁，2024年2月25日，星期天

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)--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）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，UDP-gal是通過半乳糖差向異構(gòu)酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，該酶是galE基因的產(chǎn)物。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S1一個啟動子，那么由于這個啟動子的活性依賴于cAMP-CRP，當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時就不能合成異構(gòu)酶。假如唯一的啟動子是S2，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)，這無疑是一種浪費(fèi)。無論從必要性或經(jīng)濟(jì)性考慮，都需要一個依賴于cAMP-CAP的啟動子（S1）對高水平合成進(jìn)行調(diào)節(jié)。

雙啟動子的生理功能第93頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(二)阿拉伯糖操縱子（arabinoseoperon)araB基因、araA基因和araD,形成一個基因簇，簡寫為araBAD三個基因的表達(dá)受到ara操縱子中araC基因產(chǎn)物AraC蛋白的調(diào)控。

第94頁,共112頁，2024年2月25日，星期天ara操縱子的調(diào)控有兩個特點(diǎn)：第一，araC表達(dá)受到AraC的自身調(diào)控。第二，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AraC蛋白的兩種異構(gòu)體來實現(xiàn)的（Pi和Pr)。第95頁,共112頁，2024年2月25日，星期天營養(yǎng)狀況對ara操縱子活性的影響

●有葡萄糖時，不轉(zhuǎn)錄

●無葡萄糖，也無阿拉伯糖時，不轉(zhuǎn)錄

●無葡葡糖，有阿拉伯糖時，araBAD

基因表達(dá)第96頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第97頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第98頁,共112頁，2024年2月25日，星期天第99頁,共112頁，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)動因子。在單鏈DNA和ATP存在時，RecA蛋白被激活，表現(xiàn)出水解酶活性，分解LexA阻遏物。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100頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(一)翻譯起始的調(diào)控(二)稀有密碼子對翻譯的影響(三)重疊基因?qū)Ψg的影響(四)魔斑核苷酸水平對翻譯的影響-應(yīng)急調(diào)控(五)小分子RNA的翻譯調(diào)節(jié)六轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控第101頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(一)翻譯起始的調(diào)控

起始密碼子：AUGGUGUUGAUURBS（核糖體結(jié)合位點(diǎn)）：mRNA鏈上起始密碼子AUG上游的一段非翻譯區(qū)。

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-

4-10（9）-AUG第102頁,共112頁，2024年2月25日，星期天(二)稀有密碼子對翻譯的影響dnaG(引物酶)RNA引物dnaG、rpoD和rpsU屬于大腸桿菌基因組上的同一個操縱子50個拷貝的dnaG蛋白、2800個拷貝的rpoD和40000個拷貝的rpsU第103頁,共112頁，2024年2月25日，