原核生物基因表达的调控.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单林娜 制作,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单林娜 制作,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单林娜 制作,*,9.1 基因表达调控的基本概念,9.2 原核基因调控机制,9.3 乳糖操纵元,9.4 色氨酸操纵元,9.5 其他操纵元,Chapter 9 Controlling of the Gene Expression,1,单林娜 制作,9.1 基因表达调控的基本概念,一、基因表达的概念,gene expression,：是指储存遗传信息的基因经过转录、翻译合成特定蛋白质，进而发挥其生物功能的整个过程。也即基因转录及翻译的过程。,对这个过程的调节就称为,gene regulation,。,rRNA、tRNA,编码基因转录合成,RNA,的,过程也属于基因表达。,2,单林娜 制作,3,单林娜 制作,2.特点,不易受环境变化影响,表达产物是整个生命过程中都持续需要的,是细胞存活所必须的。,表达水平较恒定。,3.意义,维持生命,6,单林娜 制作,1.概念,指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。包括：,（二）,适应性表达,7,单林娜 制作,诱导,随环境条件变化基因表达水平增高的现象,称为,诱导,(induction),，这类基因被称为,可诱导的基因,(inducible gene),；,阻遏,-,相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为,阻遏,(repression),，相应的基因被称为,可阻遏的基因(repressible gene)。,8,单林娜 制作,2.特点,易受环境变化影响,3.意义,适应环境,9,单林娜 制作,三、基因表达的时间性和空间性,1、时间特异性,（,temporal specificity）,按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。,多细胞生物基因表达的时间特异性又称,阶段特异性(stage specificity,),。,10,单林娜 制作,图9-1,11,单林娜 制作,图9-2,12,单林娜 制作,是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。故又称为,细胞特异性或组织特异性(cell or tissue specificity),。,2、空间特异性,(spatial specificity),13,单林娜 制作,四、基因表达调控的生物学意义,适应环境、维持生长和增殖,（原核、真核）,维持个体发育与分化,（真核）,14,单林娜 制作,五、基因表达调控的基本原理,（一）基因表达的多级调控,基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为,转录水平（基因激活及转录起始）,转录后水平（加工及转运）,翻译水平,翻译后水平,以转录水平的基因表达调控最重要。,15,单林娜 制作,（二）基因转录激活调节基本要素,顺式作用元件和反式作用因子,在基因转录水平上的调控都是特定的蛋白质分子和特定的DNA序列两个因素相互作用的结果。,起调控作用的DNA序列称为,顺式作用元件,或顺式调控元件。,与这些DNA序列相互作用的蛋白质称为,反式作用因子,。,16,单林娜 制作,1,顺式作用元件,（,cis-acting element,）：又称,分子内,作用元件，指存在于,DNA,分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序,。,17,单林娜 制作,在,原核生物,中，大多数基因表达通过操纵元模型进行调控，其顺式作用元件主要由,启动子、操纵子和调节基因,组成。,在,真核生物,中，与基因表达调控有关的顺式作用元件主要有,启动子（,promoter,）、增强子（,enhancer,）和沉默子（,silencer,）,18,单林娜 制作,基因的组织结构及顺式作用元件,Transcription region,E.coil,Exon,Intron,Enhancer,-35 region,-10 region,Eukaryote,promoter,TATA,Inr,19,单林娜 制作,2反式作用因子,（trans-acting factor）,又称为,分子间,作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。,反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。,20,单林娜 制作,原核生物中的反式作用因子主要分为,特异因子、激活蛋白,和,阻遏蛋白,；,而真核生物中的反式作用因子通常称为,转录因子,。,反式作用因子也是基因产物。,21,单林娜 制作,3顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用,大多数调节蛋白在与,DNA,结合之前，需先通过,蛋白质-,蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，,然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA,分子结合。这种结合通常是,非共价键,结合。,22,单林娜 制作,23,单林娜 制作,Contents,9.1 基因表达调控的基本概念,9.2 原核基因调控机制,9.3 乳糖操纵元,9.4 色氨酸操纵元,9.5 其他操纵元,24,单林娜 制作,9.2 原核基因调控机制,内容提要,：,原核基因表达调控环节,操纵元学说,原核基因调控机制的类型与特点,转录水平上调控的其他形式,25,单林娜 制作,一、原核基因表达调控环节,1、转录水平上的调控,（,transcriptional regulation,）,2、转录后水平上的调控,（,post-transcriptional regulation,）,mRNA加工成熟水平上的调控,翻译水平上的调控,26,单林娜 制作,27,单林娜 制作,二、操纵元学说,1、操纵元模型的提出,操纵子,/,元（,operon,）学说是关于原核生物基因结构及其表达调控的学说。,1961,年，,由法国巴斯德研究所著名科学家,Monod,和,Jacob,首先提出。,获,1965,年诺贝尔生理学和医学奖。,28,单林娜 制作,Jacob and Monod,29,单林娜 制作,lacZ,半乳糖苷酶，将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖,lacY,半乳糖渗透酶，帮助细菌从培养基中摄取乳糖；,lacA,半乳糖苷转乙酰酶,乳糖操纵元,30,单林娜 制作,2、操纵元,（operon,）,的基本组成,乳糖操纵元模型被以后的许多研究实验所证实，对其有了更深入的认识，并且发现其他原核生物基因调控也有类似的操纵元组织。,操纵元是原核基因表达调控的一种重要的组织形式，大肠杆菌的基因多数以操纵元的形式组成基因表达调控的单元。,31,单林娜 制作,R,P,O,ST,1,ST2,T,启动 操纵,调节基因 基因 基因 结构基因,控制区,操纵元,信息区,操纵元模型的一般结构,启动子,操纵子,终止子,32,单林娜 制作,（1）结构基因群,操纵元中被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因(structural gene,SG)。,一个操纵元中含有2个以上的结构基因，多的可达十几个。,每个结构基因是一个连续的开放读框(open reading frame)，5端有翻译起始码(DNA存储链上是ATG，转录成mRNA就是AUG)，3端有翻译终止码(DNA存储链上是TAA、TGA或TAG，转录成mRNA就是UAA、UGA或UAG)。,33,单林娜 制作,34,单林娜 制作,（2）启动子,启动子(promoter，P)是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。,操纵元至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5侧上游，控制整个结构基因群的转录。,比较已经研究过的上百种原核生物的启动子的序列，发现有一些共同的规律，它们一般长4060bp，含AT碱基对较多，某些段落是很相似的，这些相似的保守性段落称为共有性序列(consensussequences)，如-10，-35序列。,35,单林娜 制作,Sextama Box,Pribnow Box,36,单林娜 制作,(3)操纵子(operator),操纵子(operator)是指能与调控蛋白特异性结合的一段DNA序列,，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。,操纵子也称为操纵基因(operatorgene)。正如启动序列称为启动子一样，操纵序列可称为操纵子。,以前将operon译为操纵子则可改译为操纵元，即基因表达操纵的单元之意。,37,单林娜 制作,Operator,38,单林娜 制作,（4）调控基因,调控基因(regulatorygene),是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。,分为：,阻遏蛋白,：,与操纵子结合后能减弱或阻止所调控基因转录的调节蛋白称为,阻遏蛋白(repressiveprotein)。,激活蛋白,：,与操纵子结合后能增强或起动调控基因转录的调节蛋白称为,激活蛋白(activatingpro-tein),。,39,单林娜 制作,（5）终止子,终止子(terminator，T),是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA/RNA序列。,在一个操纵元中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。,40,单林娜 制作,1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答，可分为：,正转录调控：,由,激活蛋白,所介导的调控方式称为,正性调控(positiveregulation),。,负转录调控：,由,阻遏蛋白,所介导的调控方式称为,负性调控(negativeregulation),。,三、原核基因调控机制的类型与特点,41,单林娜 制作,调控基因,操纵子,结构基因,阻遏蛋白,激活蛋白,正转录调控,负转录调控,42,单林娜 制作,2、根据操纵子对效应物的应答，分为,可诱导调控,和,可阻遏调控,两大类：,效应物：,是通过调控蛋白而促使操纵子达到诱导状态或阻遏状态的小分子物质（代谢途径的底物或产物）。,诱导物,辅阻遏物,43,单林娜 制作,可诱导调控,：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即,在某些物质的诱导下使基因活化,。,例：,大肠杆菌的乳糖操纵元,结构基因编码分解代谢蛋白,44,单林娜 制作,诱导物,如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是,诱导物,。,调节基因,操纵基因,结构基因,调节蛋白,诱导物,mRNA,酶蛋白,调节基因,操纵基因,结构基因,调节蛋白,酶合成的诱导操纵元模型,45,单林娜 制作,可阻遏调节,：,基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。,即,在某些物质的阻遏下使基因关闭,。,例：色氨酸操纵元,结构基因编码,合成代谢蛋白,46,单林娜 制作,酶合成的阻遏操纵元模型,调节基因,操纵基因,结构基因,mRNA,酶蛋白,调节基因,操纵基因,结构基因,辅阻遏物,辅阻遏物,如果某种物质能够阻止细菌产生合成该物质的酶，这种物质就是,辅阻遏物,。,47,单林娜 制作,3、在,负转录调控系统,中，调节基因的产物是,阻遏蛋白（,repressor,），起着阻止结构基因转录的作用。,根据其作用特征又可分为,负控诱导,和,负控阻遏：,在,负控诱导,系统中，阻遏蛋白与诱导物结合时，结构基因转录；,在,负控阻遏,系统中，阻遏蛋白辅阻遏物结合时，结构基因不转录。,48,单林娜 制作,负控诱导,在,负控诱导,系统中，阻遏蛋白与诱导物结合时，结构基因转录；,49,单林娜 制作,负控诱导,50,单林娜 制作,在,负控阻遏,系统中，阻遏蛋白与辅阻遏物结合时，结构基因不转录。,负控阻遏,51,单林娜 制作,负控阻遏,52,单林娜 制作,4、在,正转录调控,系统中，调节基因的产物是,激活蛋白（,activator,）,。,根据激活蛋白的作用性质分为,正控诱导,和,正控阻遏：,在,正控诱导,系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态；,在,正控阻遏,系统中，,辅阻遏物,的存在使激活蛋白处于非活性状态,。,53,单林娜 制作,在,正控诱导,系统中，效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状态；,正控诱导,54,单林娜 制作,正控诱导,55,单林娜 制作,在,正控阻遏,系统中，,辅阻遏物,的存在使激活蛋白处于非活性状态,。,正控阻遏,56,单林娜 制作,正控阻遏,57,单林娜 制作,负转录调控系统 正转录调控系统,阻遏,阻遏,阻遏,阻遏,58,单林娜 制作,四、转录水平上调控的其他形式,1、,因子的更换,2、降解物对基因活性的调节,3、弱化子对基因活性的影响,4、细菌的应急反应,59,单林娜 制作,1、,因子的更换,在,E.coli,中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。,60,单林娜 制作,大肠杆菌中的各种,因子比较,因子,编码基因,主要功能,70,rpo,D,参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控,54,rpoN,参与多数氮源利用基因的调控,38,rpoH,分裂间期特异基因的表达调控,32,rpoS,热休克基因的表达调控,28,rpoF,鞭毛趋化相关基因的表达调控,24,rpoE,过度热休克基因的表达调控,61,单林娜 制作,温度较高,诱导产生各种热休克蛋白,由,32,参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要,枯草芽孢杆菌芽孢形成,有序的,因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达,62,单林娜 制作,2、降解物对基因活性的调节,通过正调控以提高基因转录水平，使它由原来的低水平表达变成高水平表达。,如：乳糖操纵元除负控诱导机制外，还存在一种正控调节机制，它受到分解代谢产物的阻抑作用，又称作降解物抑制作用或葡萄糖效应。,降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，是一种积极的调节方式。,63,单林娜 制作,降解物抑制作用产生的原因如下：细胞内存在一种降解物激活蛋白CAP。它与cAMP结合后才能与启动基因结合，从而促进RNA聚合酶与启动基因的结合与转录。,64,单林娜 制作,3、弱化子对基因活性的影响,弱化子：位于结构基因前导区的终止子，它能使转录终止。,在这种调节方式中，起调节作用的信号分子的是细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度。弱化作用是更为精细的调节机制。,65,单林娜 制作,属于这种调节方式的有大肠杆菌的色氨酸操纵元、丙氨酸操纵元、苏氨酸操纵元、异亮氨酸操纵元、缬氨酸操纵元以及沙门氏菌的组氨酸操纵元和亮氨酸操纵元、嘧啶合成操纵元等等。,66,单林娜 制作,4.细菌的应急反应,在细菌面临紧急状况时，如氨基酸饥饿时，不是缺少一二种氨基酸，而是氨基酸的全面匮乏，细菌将会产生一个应急反应，此时生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。,67,单林娜 制作,实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp）。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。空载tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。,68,单林娜 制作,9.1 基因表达调控的基本概念,9.2 原核基因调控机制,9.3 乳糖操纵元,9.4 色氨酸操纵元,9.5 其他操纵元,Chapter 9 Controlling of the Gene Expression(,Part One),69,单林娜 制作,9.3 乳糖操纵元(lac operon),内容提要：,乳糖操纵元的结构,酶的诱导lac体系受调控的证据,乳糖操纵元调控模型,影响因子,70,单林娜 制作,一、乳糖操纵元的结构,i基因 P O,lacZ lacY lacA,阻遏,基因,CAP,启动子,操纵基因,结构基因,代谢激活蛋白结合位点,71,单林娜 制作,乳糖操纵元的结构,LacZ,LacI,LacA,LacY,1040,3510,780,825,82,repressor,-,galactosidase,permease,transacetylase,72,单林娜 制作,图 Lac操纵元及各组分详图,73,单林娜 制作,乳糖操纵元的结构,1)结构基因：,分解乳糖的三种酶，使乳糖分解，产生能量。,2)操纵基因,3)启动子,4)CAP,5)i基因：上游，产生阻遏物。,74,单林娜 制作,结构基因,lacZ编码-半乳糖苷酶：,将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖,lacY编码-半乳糖苷透过酶：,使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。,lacA编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：,乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,75,单林娜 制作,Two physiologically important reactions catalyzed by,-galactosidase,2003 John Wiley and Sons Publishers,异乳糖,76,乳糖,别乳糖,IPTG,结合lac阻遏物去阻遏,77,单林娜 制作,一些化学合成的乳糖类似物，不受-半乳糖苷酶的催化分解，却也能与R特异性结合，使R构象变化，诱导lac操纵元的开放。例如异丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiogalactoside,IPTG)就是很强的诱导剂，不被细胞代谢而十分稳定。,X-gal(5-溴-4-氯-3-吲哚-半乳糖苷)也是一种人工化学合成的半乳糖苷，可被-半乳糖苷酶水解产生兰色化合物，因此可以用作-半乳糖苷酶活性的指示剂。IPTG和X-gal（分子式见图）都被广泛应用在分子生物学和基因工程的工作中。,78,单林娜 制作,如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为义务诱导物，如,IPTG,（异丙基-D-硫代半乳糖苷）。,义务诱导物(gratuitous inducer)：,CH,2,OH CH,3,HO O,S,C,CH,3,H CH,3,OH H,H,H,H OH,IPTG,79,单林娜 制作,二、酶的诱导lac体系受调控的证据,80,单林娜 制作,乳糖操纵元的双调控系统：,(1)受乳糖与阻遏蛋白调控的、可诱导的负调控系统;,(2)受cAMP与CAP调节的、可诱导的正调控系统。葡萄糖通过调节cAMP的合成间接监控这一过程。,以此保证大肠杆菌灵活、经济、有效地适应外界环境，只有在必需的时候（只有乳糖，没有葡萄糖）才启动乳糖操纵子的表达。,三、乳糖操纵元调控模型,81,单林娜 制作,（一）阻遏蛋白的负性调节：（分解代谢）可诱导调控,（二）CAP的正性调节,（三）协调调节,82,单林娜 制作,（一）阻遏蛋白的负性调节 （分解代谢）可诱导调控,1、乳糖操纵元调控模型主要内容,2、阻遏蛋白的负性调节：（分解代谢）负控诱导,83,单林娜 制作,1、乳糖操纵元调控模型主要内容,Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。,该mNA分子的 启动区（P）位于阻遏基因（I）与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达；,操纵子(operater),是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。,当,阻遏物与操纵基因,结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。,84,单林娜 制作,诱导物通过与阻遏物,结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。,乳糖操纵元调控模型主要内容：,85,单林娜 制作,86,单林娜 制作,RNA聚合酶结合部位,阻遏物结合部位,Startpoint of the lac operon,Repressor and RNA polymase bind at site that overlap aroud the startpoint of the lac operon,87,单林娜 制作,G,C,操纵位点的回文序列,Center of symmetry,88,单林娜 制作,未诱导：结构基因被阻遏,阻遏物,四聚体,LacI P O,lacZ,lacY,lacA,图 当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上,89,单林娜 制作,诱导：基因被打开,-半乳糖苷酶,透性酶,乙酰转移酶,图 诱导物和阻遏物成为调节操纵元的开关,90,单林娜 制作,2、阻遏蛋白的负性调节：（分解代谢）负控诱导,1)无乳糖存在时，阻遏物可以结合在操纵基因上,阻止转录过程,基因关闭,2)有乳糖存在时，乳糖与阻遏物结合,阻遏物变构,阻遏物不能结合操纵基因,转录进行,基因开放,91,单林娜 制作,92,单林娜 制作,可诱导调控的操纵元，其基因表达产物都是利用某种营养物的酶体系（分解代谢）,有营养物 相应基因开放,无营养物 细胞就没必要产生相应的酶,93,单林娜 制作,1调控机理：,CAP,：Catabolite activator protein，分解代谢活化剂蛋白，由活化剂基因(A)编码。也叫,环腺苷酸受体蛋白(,cAMP,receptorprotein,CRP)。,（二）CAP的正性调节,94,单林娜 制作,cAMP,：,Cyclic AMP,ATP在腺苷酸环化酶的作用下转变成环腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)。,95,单林娜 制作,The adenyl cyclase-catalyzed synthesis of cyclic AMP(cAMP)from ATP,2003 John Wiley and Sons Publishers,96,单林娜 制作,CAP,有,2,种状态：,无活性态：,CAP,未与,cAMP,结合时是没有活性的，不能与,特定的,DNA,序列,结合。,活性态：,CAP,与,cAMP,结合后，发生空间构象的变化而活化，能以二聚体的方式与,特定的,DNA,序列,结合，从而增强,RNA,聚合酶的转录活性，可使转录提高,50,倍。,97,单林娜 制作,Z,Y,A,O,P,DNA,调控区,CAP结合位点,启动序列,操纵序列,结构基因,Z：,-,半乳糖苷酶,Y：透酶,A：乙酰基转移酶,在lac操纵元的启动子Plac上游端有一段与Plac部分重叠的序列，能与CAP特异结合，称为,CAP结合位点(CAPbindingsite),。,98,单林娜 制作,（二）CAP的正性调节,99,单林娜 制作,在什么条件下cAMP能够与CAP结合呢？,100,单林娜 制作,当葡萄糖浓度高时，cAMP浓度降低，CAP不能被活化，lac操纵元的结构基因表达下降（如下图）。,当葡萄糖浓度低时，cAMP浓度升高，CAP被活化，lac操纵元的结构基因表达上升（如下图）。,101,单林娜 制作,102,单林娜 制作,2、CAP正调控的意义,葡萄糖、乳糖同时存在时，葡萄糖先利用,1,）有葡萄糖存在时，,cAMP,cAMP,-CAP,，不能结合,CAP,位点上，,正调控作用,乳糖操纵元不能表达。,（,虽然有乳糖存在，乳糖操纵元不开放基因,）,103,单林娜 制作,2）无葡萄糖存在时，cAMP,cAMP-CAP,正调控作用基因表达。,CAP正调控的意义在于保证经济有效地利用碳源。,对lac操纵元来说,CAP,是正性调节因素，,lac阻遏蛋白,是负性调节因素。两种调节机制之间是何种关系呢？,104,单林娜 制作,CAP,和,lac,阻遏蛋白,两种调节机制根据存在的碳源性质及水平协调调节,lac,操纵元的表达。,当阻遏蛋白封闭转录时，,CAP,对该系统不能发挥作用,如无,CAP,存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵元仍无转录活性。,cAMP,CAP,复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。,（三）协调调节,105,单林娜 制作,单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖,/,乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。,葡萄糖对,lac,操纵元的阻遏作用称为分解代谢阻遏,(catabolic repression),。,106,单林娜 制作,107,单林娜 制作,108,单林娜 制作,The,Lac,Operon:,When Glucose Is Present But Not Lactose,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,RNA,Pol.,Repressor,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,Come on,let me through,No way,Jose!,CAP,109,单林娜 制作,The,Lac,Operon:,When Lactose Is Present But Not Glucose,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,CAP,cAMP,Lac,Repressor,Repressor,X,This lactose has,bent me,out of shape,CAP,cAMP,CAP,cAMP,RNA,Pol.,RNA,Pol.,Yipe!,Bind to me,Polymerase,110,单林娜 制作,The,Lac,Operon:,When Neither Lactose Nor Glucose Is Present,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,CAP,cAMP,CAP,cAMP,CAP,cAMP,Bind to me,Polymerase,RNA,Pol.,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,Repressor,STOP,Right there,Polymerase,Alright,Im off to,the races.,Come on,let,me through!,111,单林娜 制作,四、影响因子,1、lac操纵元的本底水平表达,2、大肠杆菌对乳糖的反应,3、阻遏物lac I基因产物及功能,4、葡萄糖对lac操纵元的影响,5、cAMP与代谢物激活蛋白(P239),112,单林娜 制作,1、lac操纵元的本底水平表达,有两个矛盾是操纵元理论所不能解释的：,诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成又需要诱导物诱导。,解释：,一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？,一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？,113,单林娜 制作,真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在,-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有-半乳糖甘酶的预先存在。,解释：,本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lac mRNA合成。,114,单林娜 制作,2、大肠杆菌对乳糖的反应,培养基：甘油,按照lac操纵元本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的-半乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶；,培养基：加入乳糖：,透过酶,进入细胞,-半乳糖苷酶,异构乳糖,诱导,lac mRNA的生物合成,大量乳糖进入细胞,多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）,异构乳糖,少量乳糖,透过酶,115,单林娜 制作,乳糖,H OH,HO,OH H,H,CH,2,OH H O OH,HO O,H O CH2,CH,2,OH H OH,OH H,HO O H,别乳糖,H O OH H,H,H OH,OH H,H,H,2,O,H,H,H O OH CH,2,OH,CH,2,OH,H OH CH,2,OH H O OH HO O OH,H,H,OH H,OH,HO H,H H,H,H OH H OH,葡萄糖,半乳糖,H,图 乳糖分解的不同产物,116,单林娜 制作,Basal level,Basal level,Basal level,Induced level,诱导物的加入和去除对,lac,mRNA的影响,Induced level,Add Inducer,Remove Inducer,117,单林娜 制作,3、阻遏物,lac I,基因产物及功能,Lac 操纵元阻遏物,mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。,当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵元在这些突变体中就不可诱导。,118,单林娜 制作,强启动子区,119,单林娜 制作,4、葡萄糖对lac操纵元的影响,如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中,，,lac操纵元处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵元表达分解乳糖所需的三种酶。,代谢物阻遏效应,120,单林娜 制作,5、cAMP与代谢物激活蛋白,(P239),细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关：,当细菌利用葡萄糖分解供给能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；,相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。,121,单林娜 制作,ATP,腺甘酸环化酶,cAMP（环腺苷酸）,大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；,有葡萄糖，cAMP浓度低,122,单林娜 制作,+,转录,无葡萄糖，cAMP浓度高时,促进转录,有葡萄糖，cAMP浓度低时,不促进转录,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP的正调控,123,单林娜 制作,9.1 基因表达调控的基本概念,9.2 原核基因调控机制,9.3 乳糖操纵元,9.4 色氨酸操纵元,9.5 其他操纵元,Chapter 9 Controlling of the Gene Expression(,Part One),124,单林娜 制作,9.4 色氨酸操纵元,（trp operon）,内容提要：,色氨酸操纵元的结构,色氨酸操纵元的,阻遏系统,色氨酸操纵元的弱化机制,125,单林娜 制作,一、色氨酸操纵元的结构,色氨酸是构成蛋白质的组分。,一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸。,但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。,细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵元(trpoperon)的调控。,126,单林娜 制作,调控基因,结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸 的酶,一、色氨酸操纵元的结构,trpR,trpR,P,Leader,前导序列,127,单林娜 制作,128,单林娜 制作,(1),trpR,和,trpABCDE,不连锁；,(2)操纵基因在启动子内,(3)有衰减子(attenuator)/弱化子,(4)启动子和结构基因不直接相连，二者被,前导序列(Leader)所隔开,色氨酸操纵元的特点,129,单林娜 制作,二、trp 操纵元的阻遏系统,低Trp时：,阻遏物不结合操纵基因;,高Trp时,：,阻遏物+Trp 结合操纵基因,trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA,蛋白,TrpR(,无活性,),活化的,阻遏蛋白,阻遏物,(Trp),图,16,-,27 TrpR,被,Trp,激活后可阻遏,trp,操纵元的转录,(,仿,B.Lewin:,GENES,，,1990,Fig.13.16),130,单林娜 制作,trp 操纵元的阻遏系统,trpR,trp,trpR,P,调控基因,结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸 的酶,131,三、trp 操纵元的弱化机制,衰减子（attenuator）/弱化子,前导序列（leader sequence）,132,单林娜 制作,现象：,实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度，但还没有高到能够活化R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。,机制：,仔细研究发现这种调控现象与色氨酸操纵元特殊的结构有关。,133,单林娜 制作,1、弱化子：,DNA中可导致转录过早终止的一段核苷酸序列（123-150区）。,123150,Attenuator sequence,134,单林娜 制作,研究引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自我配对可以形成,茎,-,环,结构，有典型的,终止子,特点。,图 trp弱化子mRNA的终止区,135,单林娜 制作,2、前导序列,：在trp mRNA5端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。,136,单林娜 制作,137,单林娜 制作,3、弱化机制,（P244）,138,单林娜 制作,139,单林娜 制作,a),如果当其他氨基酸短缺(注意：短开放读框编码的14肽中多数氨基酸能由环境充分供应的机会是不多的)或所有的氨基酸都不足时，核糖体翻译移动的速度就更慢，甚至不能占据1的序列，,结果有利于1和2、3和4发夹结构的形成，于是RNA聚合酶停止转录，等于告诉细菌：“整个氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能合成蛋白质，不如不合成以节省能量”。,140,单林娜 制作,b)Low tryptophan levels,当色氨酸浓度低时，生成的tRNA,trp,就少，核糖体在序列1的trp密码子处暂停，序列2和3之间形成配对结构，阻止了衰减，因为序列3不再与序列4之间形成衰减结构，RNA聚合酶得以沿DNA前进，继续去转录其后trpE等基因，trp操纵元就处于开放状态。,141,单林娜 制作,当色氨酸浓度增高时，tRNA,trp,浓度随之升高，核糖体快速翻译序列1(前导肽阅读框)，占据到2的机会增加，1和2,生成发夹结构的机会减少，3和4形成类似终止子的衰减子结构的机会增多，导致RNA聚合酶终止转录。,c)High tryptophan levels,142,单林娜 制作,前导肽,转录终止结构,143,单林娜 制作,细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。,阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的,tRNA,的多少，它通过前导肽的翻译来控制转录的进行。,在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。,144,单林娜 制作,在trp操纵元中，对结构基因的转录，,阻遏蛋白,的负调控起到,粗调,的作用，而,衰减子,起到,细调,的作用。,细菌其他氨基酸合成系统的许多操纵元(如组氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等操纵元)中也有类似的衰减子存在。,145,单林娜 制作,9.1 基因表达调控的基本概念,9.2 原核基因调控机制,9.3 乳糖操纵元,9.4 色氨酸操纵元,9.5 其他操纵元,Chapter 9 Controlling of the Gene Expression(,Part One),146,单林娜 制作,第五节 其他操纵元,一、半乳糖操纵元,二、阿拉伯糖操纵元,147,单林娜 制作,一、半乳糖操纵元(galactose operon),异构酶(galE),乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT),半乳糖激酶(galk)。,148,单林娜 制作,gal操纵元的结构,149,单林娜 制作,gal操纵元的特点：,它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；,它有两个O区，一个在P区上游，另一个在结构基因,galE,内部。,150,单林娜 制作,二、阿拉伯糖操纵元 （arabinose operon),araB基因、araA基因和araD,形成一个基因簇，简写为araBAD,三个基因的表达受到ara操纵元中araC基因产物AraC蛋白的调控。,151,单林娜 制作,ara操纵元的调控有两个特点：,第一，araC表达受到AraC的自身调控。,第二，AraC既是ara操纵元的正调节蛋白（需cAMP-CRP的共同参与，起始转录），又是其负调节蛋白。这种双重功能是通过AraC蛋白的两种异构体来实现的（Pi和P