基因的表达与调控(上)-——原核基因表达调控模式.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,*,Southeast University,Contents,基因表达调控的基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其他操纵子,转录后水平上的调控,1,第一节 基因表达调控的基本概念,一、基因表达的概念,gene expression,：,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,组成性表达(constitutive expression),适应性表达(adaptive expression）,二、基因表达的方式,3,三、基因表达的规律 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),。,6,7,2、空间特异性(spatial specificity),基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称,细胞或组织特异性,(cell or tissue specificity),。,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，,称之为基因表达的,空间特异性,。,8,四、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）,9,Contents,基因表达调控的基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其他操纵子,转录后水平上的调控,10,第二节 原核基因调控机制,内容提要：,原核基因表达调控环节,操纵子学说,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,11,一、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,12,13,二、操纵子学说,1、操纵子模型的提出,1961年，Monod和Jacob提出,获1965年诺贝尔生理学和医学奖,14,Jacob and Monod,15,2、操纵子的定义,操纵子,：,是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。,16,17,1、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,负转录调控,三、,原核基因调控机制的类型与特点,18,调节基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,激活蛋白,正转录调控,负转录调控,正转录调控,如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。,19,调节基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,激活蛋白,正转录调控,负转录调控,负转录调控,在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。,20,可诱导调节,：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子,分解代谢蛋白的基因,2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为,可诱导调节,和,可阻遏调节,两大类：,21,调节基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,调节基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,诱导物,mRNA,酶蛋白,酶合成的诱导操纵子模型,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。,22,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。,例：,色氨酸操纵子,合成代谢蛋白的基因,23,酶合成的阻遏操纵子模型,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,辐阻遏物,如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。,24,3、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，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；,在,负控阻遏,系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。,25,4、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，效应物分子（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，效应物分子（,辅阻遏物）,的存在使激活蛋白处于非活性状态,。,26,27,原核生物基因机制,转录水平,负转录调控（negative transcription regulation）,负控诱导,阻遏蛋白,负控阻遏,阻止结构基因转录,正转录调控（positive transcription regulation）,正控诱导,激活蛋白,正控阻遏,28,四、转录水平上调控的其他形式,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。,29,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,30,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,31,2、降解物对基因活性的调节,3、弱化子对基因活性的影响,32,Contents,基因表达调控的基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其他操纵子,转录后水平上的调控,33,第三节 乳糖操纵子,(lac operon),内容提要：,乳糖操纵子的结构,酶的诱导lac体系受调控的证据,乳糖操纵子调控模型,影响因子,Lac操纵子中的其他问题,34,一、乳糖操纵子的结构,35,Z编码-半乳糖苷酶：,将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖,Y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。,A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。,36,二、酶的诱导lac体系受调控的证据,37,安慰诱导物：,如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基-D-硫代半乳糖苷）。,38,39,40,三、乳糖操纵子调控模型,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,41,42,这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区（P），不能单独起动合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。,43,44,操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。,45,RNA聚合酶结合部位,阻遏物结合部位,46,操纵位点的回文序列,47,当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。,48,49,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。,50,51,组成型突变：,lacO,c,52,组成型突变：,lacI,-,53,不可诱导突变（超阻遏）：,54,四、影响因子,1、lac操纵子的本底水平表达,有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：,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，后者的合成有需要诱导。,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？,55,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。,56,2、大肠杆菌对乳糖的反应,培养基：甘油,按照lac操纵子本底水平的表达，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,少量乳糖,透过酶,进入细胞,-半乳糖苷酶,异构乳糖,诱导物,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,57,乳糖,58,诱导物的加入和去除对,lac,mRNA的影响,59,3、阻遏物lac I基因产物及功能,Lac 操纵子阻遏物,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操纵子在这些突变体中就不可诱导。,60,4、葡萄糖对lac操纵子的影响,如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中,，,lac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。,代谢物阻遏效应,61,5、cAMP与代谢物激活蛋白,代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（CRP）,62,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,cAMPCAP复合物,63,64,ATP,腺甘酸环化酶,cAMP（环腺甘酸）,大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；,有葡萄糖，cAMP浓度低,65,+,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,66,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，操纵子仍无转录活性。,cAMPCAP复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。,协调调节,葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称,分解代谢阻遏(catabolic repression),。,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。,67,68,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,69,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,Bind to me,Polymerase,RNA,Pol.,RNA,Pol.,Yipee!,70,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!,71,五、Lac操纵子中的其他问题,1、A基因及其生理功能,半乳糖甘分子（IPTG）,-半乳糖甘酶,分解产物（体内积累）,-半乳糖甘乙酰基转移酶,半乳糖甘分子（IPTG）,乙酰基,72,2、lac基因产物数量上的比较,-半乳糖苷酶：透过酶：乙酰基转移酶=1：0.5：0.2,翻译水平上受到调节：,（1）lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译；,（2）在 lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。,73,3、操纵子的融合与基因工程,P,O,Z,Y,A,tsx,P,O,pur结构基因,缺失,lac operon,pur operon,74,Contents,基因表达调控的基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其他操纵子,转录后水平上的调控,75,第四节 色氨酸操纵子,（trp operon）,1.代谢特点,2.结构和功能,3.转录调控机制,阻遏体系,一级开关，主管转录是否启动,弱化体系,细微调控，决定转录是否继续,76,色氨酸的代谢特点,构成蛋白质的组分,环境难以提供足够色氨酸时，细菌自身合成色氨酸；,环境能够提供足够色氨酸时，细菌减少或停止合成色氨酸，转而利用外界的色氨酸，以减轻负担。,77,trp,操纵子的基本结构,功能,碱基数,60,162,1560,1593,1350,1196,804,40,高色氨酸时,低色氨酸时,140个核苷酸,前导RNA,AUG,约7kb mRNA,结构基因,调节作用,间隔区,间隔区,trpL,trpB,trpA,P,O,trpD,trpC,trpE,弱化子,78,79,trp,操纵子的,特点,阻遏物基因,trp R,（89）和结构基因（,trpEDCBA,）不紧密连锁；,操纵基因在启动子区域内；,启动子，操纵基因不直接和结构基因毗邻，中间有一段前导序列；,有弱化子结构，在一些合成代谢的操纵子的前导区内，以辅助阻遏作用进行转录调控；,1981年Yanofsky提出了弱化模型。,80,trp,操纵区的碱基序列,81,E.coli,色氨酸合成的主要途径,82,阻遏体系调控机制,Fig.Src:,83,弱化子,DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150区）。,trpL,trpB,trpA,P,O,trpD,trpC,trpE,前导区,弱化子(123150),转录终止的区域；,若缺失可提高,trp,基因的表达；,trp,弱化子mRNA的终止区,mRNA通过自我配对形成茎环(stem-loop)结构，具有典型终止子特点,84,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。,85,mRNA前导区序列与前导肽,包括起始密码子,AUG,和终止密码子,UGA,；,第10、11位有相邻的2个色氨酸密码子,对,tRNA,Trp,浓度敏感；,编码,假设,的含14 aa的前导肽(Leader Peptide)；,Fig.Src:,86,mRNA前导序列分析,前导肽编码区,片段1、2、3、4可以2种方式配对：,A.12，34,B.23,其中34配对区位于位于终止密码子的识别区,Fig.Src:,87,Fig.Src:,88,抗终止构型,(2-3),终止构型,(3-4),暂停构型,(1-2),允许转录,终止转录,89,弱化机制,90,前导肽,转录终止结构,91,转录弱化作用,稳定结构,核糖体经过前导区继续翻译的能力控制着两种结构的转换,92,低色氨酸水平,负载有色氨酸的tRNA,Trp,少，翻译通过两个相邻,trp,condon的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区(或停留在两个相邻的Trp密码子处)，这时的前导区结构是2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，转录可继续进行,Fig.Src:,不形成终止构型,93,高色氨酸水平,核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前，核糖体就到达2区，这样使2-3不能配对，3-4区可以自由配对形成茎环状终止子结构，转录停止，,trp,操纵子中的结构基因被关闭而不再合成色氨酸,形成终止构型,94,敏感信号,感受器,作用,顺位,反应速度,阻遏体系,色氨酸浓度,阻遏质,阻遏,一级开关,较慢,弱化体系,空载tRNA,Trp,浓度,核糖体,削弱,二级细调,较快,95,转录调控机制,阻遏体系,一级开关，主管转录是否启动,弱化体系,细微调控，决定转录是否继续,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。,96,另一种,trp,操纵子：,B.subtilis,的,trp,操纵子调控模式,T-box RNA,：,对空载 tRNA,Trp,敏感,TRAP,（tryptophan-activated,trp,RNA binding attenuation protein）：,由11个亚基组成的环形结构，每个亚基可结合一分子色氨酸,可感知色氨酸浓度,97,前导区,RNA,包绕在已结合色氨酸的,TRAP,外,促成终止构型的形成,阻碍,trp,操纵子的转录；,T-box RNA,形成终止构型,关闭包含,anti-TRAP,基因的操纵子的转录,TRAP,与,RNA,前导区分离,一些,mRNA,开始形成抗终止构型,trp,操纵子的转录部分开放；,空载,tRNATrp,结合,T-box RNA,阻止终止构型形成,anti-TRAP,基因开放,合成的,anti-TRAP,与被色氨酸活化的,TRAP,结合，使之无法再与,RNA,前导区结合,trp,操纵子开放转录,98,什么是操纵子（operon)?试说明色氨酸操纵子（Trp operon)在原核基因表达调控中的调控机制和重要作用。,2003年武汉大学分子生物学试题,99,Contents,基因表达调控的基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其他操纵子,转录后水平上的调控,100,第五节 其他操纵子,、,半乳糖操纵子的调控模式,、,阿拉伯糖操纵子的调控模式,（）,rRNA操纵子,、,多启动子调控的操纵子,（2）,核糖体蛋白SI操纵子,（3）,DnaQ蛋白操纵子,、,二组分调控系统和信号转导,、,阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答,101,1、,半乳糖操纵子的调控模式,（1）,半乳糖操纵子的结构,大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)包括3个结构基因：,异构酶,(UDP-galactose-4epimerase,galE)，,半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶,(galactose transferase,galT)，,半乳糖激酶,(galactose kinase,galk)。,102,（2）,半乳糖操纵子的特点,gal,操纵子有两个启动子，,PG1,和,PG2,。两个,RNA,聚合酶结合位点,S1,和,S2,（转录起始点）,mRNA,可以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,67-53,，而不是在,P,区与结构基因之间，另一个,O,区在结构基因,galE,内部，现在已知所有操纵子中仅此一例。,103,为什么gal操纵子需要两个转录起始位点？,半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质-尿苷二磷酸半乳糖（UDP-gal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。,在没有外源半乳糖的情况下，UDP-gal是通过半乳糖差向异构酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，该酶是galE基因的产物。生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。,现在设想只有S1一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时就有能合成异构酶。假如 唯一的启动子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的情况下，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，这无疑是一种浪费。无论从必要性或经济性考虑，都需要一个不依赖于cAMP-CAP的启动子（S1）对高水平合成进行调节。,104,（3）cAMP-CRP对,半乳糖启动子的作用,从,S1,起始的转录只有当培养基中无葡萄糖（,G,）时才能进行（与,Lac,操纵子同）。,从,S2,起始的转录要依赖于葡萄糖，高水平的,cAMPCRP,（无,G),能抑制从,S2,的转录，当有,cAMPCRP,时，转录从,S1,开始，当无,cAMPCRP,时，转录从,S2,开始。,105,、,阿拉伯糖操纵子的调控模式,（1）阿拉伯糖操纵子的基因结构,在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因：,araB、araA和araD,，它们形成一个基因簇，简写为araBAD,araB基因、araA基因和araD基因分别编码阿拉伯糖代谢需要的三种酶：,核酮糖激酶,阿拉伯糖异构酶 ,核酮糖-5-磷酸差向异构酶,106,（2）AraC蛋白的正负调控作用,107,（3）AraC蛋白的两种形式,Pr是起,阻遏作用,Pj是起,诱导作用,在没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势,有阿拉伯糖存在，平衡趋向于Pi形。,108,（4）营养状况对ara操纵子活性的影响,培养基中含有葡萄糖,araC基因虽然仍有转录，但受到抑制，只有少量 AraC蛋白形成，整个系统几乎处于静止状态。,无葡萄糖，无阿拉伯糖,AraC蛋白仍以Pr形式为主，无法与操纵区B位点相结合，无ara-BAD mRNA转录。,无葡萄糖，有阿拉伯糖,大量araC基因产物以Pi形式存在，在cAMP-CAP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表达，操纵子充分激活。,109,3、,多启动子调控的操纵子,（1）,rRNA操纵子,大肠杆菌rRNA操纵子（rrnE）上有两个启动子:P1和P2。,营养充沛时，由强启动子P1起始的转录产物比由P2起始的转录产物高3-5倍。,营养匮乏时，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。,110,（2）,核糖体蛋白SI操纵子,核糖体蛋白SI操纵子（rpsA），它也受应急反应调节。RpsA有4个启动子，P1、P2是强启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表达，合成SI蛋白。P3、P4是弱启动子，只有在紧急情况下，P1、P2启动子受ppGpp的抑制，由P3、P4起始合成的SI蛋白维持了生命的最低需要。,P1,P2,P3,P4,强启动子,弱启动子,紧急情况下，受ppGpp的抑制,平时启动基因的表达,均合成SI蛋白,111,（3）,DnaQ蛋白操纵子,Dna Q蛋白是DNA聚合酶全酶的亚基之一，,其主要功能是校正DNA复制中可能出现的错误。,在RNA聚合酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子P2控制；,RNA聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子P1。,112,四、,二组分调控系统和信号转导,二组分系统,传感蛋白,（位于细胞质膜）,应答调节蛋白,（位于细胞质）,磷酸化（磷酰基团转移）,磷酸化应答调节蛋白,下游基因表达,阻遏或诱导,113,5、,阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答,SOS基因,紫外线,激活,Rec A,Lex A阻遏蛋白,与DNA 损伤修复有关的酶和蛋白质,基因表达,Lex A阻遏蛋白,操纵序列,114,固氮基因调控,1、根瘤的产生,2、固氮酶,3、,与固氮有关的基因及其调控,115,根瘤的产生,根瘤菌栖集于宿主的根毛上后，开始了侵染过程。,细菌刺激根毛细胞发生卷曲，根瘤菌在根毛卷曲处进入根毛细胞后，被宿主所分泌的一种含纤维质的物质所包围，形成一条套状的侵染线。,细菌在线内繁殖。侵染线不断向内延伸，直至皮层细胞。最终侵染线壁解体而将根瘤菌释放到宿主细胞中。,116,感染各种植物的不同根瘤菌,豌豆根瘤菌 野豌豆属、豌豆属、香豌豆属、,菜豆根瘤菌 菜豆属,车轴草根瘤菌 车轴草属,百脉根根瘤菌 百脉根属、绒毛花属,苜蓿根瘤菌 苜蓿属、草木犀属,根瘤菌 寄主植物,117,固氮酶,(1)组成：,铁蛋白+钼铁蛋白,(2)结构与功能：,铁蛋白,：,结构,：二聚体（2个相同亚基），4Fe-4S原子簇（即：一簇金属原子群集在一起）。,功能,：在电子供体和钼铁蛋白之间传递e；,与MgATP络合（与 MgATP络合后，改变铁蛋白构型，降低其还原电位。与钼铁蛋白结合后，水解MgATP，产生能量，驱动电子传递）。,钼铁蛋白,：,结构,：四聚体（,2,2,）。,功能,：络合、催化作用。,接受铁蛋白传来的电子并继续传给N2。,N2在此部位被还原成NH3。,118,（）固氮酶促反应,N2+16MgATP+8e-+8H+2NH3+16MgADP+16Pi+H2,119,与固氮有关的基因及其调控,120,Contents,基因表达调控的基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其他操纵子,转录后水平上的调控,121,翻译起始的调控,稀有密码子对翻译的影响,重叠基因对翻译起始的调控,翻译阻遏对起始的调控,魔斑核苷酸水平对翻译的影响,第六节 转录后水平上的调控,122,翻译起始的调控,RBS（核糖体结合位点）,：mRNA链上起始密码子AUG上游的一段非翻译区。,RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码子AUG之间的距离。,SD-,4-10（9）-,AUG,123,稀有密码子对翻译的影响,（稀有密码子：在基因中利用频率很低的密码子）,dnaG(引物酶)RNA引物,dnaG、rpoD和rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子,50个拷贝的dnaG蛋白、2800个拷贝的rpoD和40000个拷贝的rpsU,124,几种蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较,蛋白质,AUU/%,AUC%,AUA%,结构蛋白,37,62,1,亚基,26,74,0,DnaG蛋白,36,32,32,细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。,125,重叠基因对翻译起始的调控,trpE的终止密码子与trpD的起始密码重叠,126,TrpB,谷氨酸-异亮氨酸-终止,GAA,-,AUC,-,UG,A,-,UGG,-,AA,A,UG,-,GAA,甲硫氨酸,谷氨酸,trpA,trpE苏氨酸苯丙氨酸终止,ACU -UUC -UG,A,-UGG -CU,AUG,A,UG GCU,甲硫氨酸,-,丙氨酸-trpD,翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码子保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。,127,翻译阻遏对起始的调控,Q,噬菌体的复制酶可结合于,SD顺序,阻断核糖体在mRNA上的移动，抑制了翻译,128,魔斑核苷酸水平对翻译的影响,研究发现，在氨基酸缺乏时，rel+菌株能大量合成两种特殊的核苷酸,鸟苷四磷酸,（鸟苷5一二磷酸-3二磷酸，ppGpp）,鸟苷五磷酸,（鸟苷5一三磷酸-3二磷酸，pppGpp）,其电泳的迁移率和一般的核酸不同，而rel-菌则不能。,魔斑,魔斑,129,1、关于管家基因叙述错误的是(A)在生物个体的几乎各生长阶段持续表达(B)在生物个体的几乎所有细胞中持续表达(C)在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中表达(D)在生物个体的某一生长阶段持续表达(E)在一个物种的几乎所有个体中持续表达,D,130,2、一个操纵子（元）通常含有(A)数个启动序列和一个编码基因(B)一个启动序列和数个编码基因(C)一个启动序列和一个编码基因(D)两个启动序列和数个编码基因(E)数个启动序列和数个编码基因,B,131,3、下列情况不属于基因表达阶段特异性的是，一个基因在(A)分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的心肌细胞不表达(B)胚胎发育过程不表达，出生后表达(C)胚胎发育过程表达，在出生后不表达(D)分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的骨骼肌细胞不表达(E)分化的骨骼肌细胞不表达，在未分化的骨骼肌细胞表达,A,132,4、乳糖操纵子（元）的直接诱导剂是(A)葡萄糖(B)乳糖(C)一半乳糖苷酶(D)透酶(E)异构乳糖,E,133,5、Lac阻遏蛋白结合乳糖操纵子（元）的(A)CAP结合位点(B)O序列(C)P序列(D)Z基因(E)I基因,B,134,6、cAMP与CAP结合、CAP介导正性调节发生在(A)葡萄糖及cAMP浓度极高时(B)没有葡萄糖及cAMP较低时(C)没有葡萄糖及cAMP较高时(D)有葡萄糖及cAMP较低时(E)有葡萄糖及CAMP较高时,C,135,7、Lac阻遏蛋白由(A)Z基因编码(B)Y基因编码(C)A基因编码(D)I基因编码(E)以上都不是,D,136,8、色氨酸操纵子（元）调节过程涉及(A)转录水平调节(B)转录延长调节(C)转录激活调节(D)翻译水平调节(E)转录翻译调节,E,137,(A)Lac阻遏蛋白(B)RNA聚合酶(C)环一磷酸腺苷(D)CAP-cAMP(E),异构,乳糖,9、与O序列结合,10、与P序列结合,11、与CAP结合,12、与CAP位点结合,A,B,C,D,138,13、乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物质在基因表达调控中作用的共同特点是,A与启动子结合,B与DNA结合影响模板活性,C与RNA聚合酶结合影响其活性,D与蛋白质结合影响该蛋白质结合DNA,E与操纵基因结合,D,139,14、DNA损伤修复的SOS系统,A是一种保真性很高的复制过程,BLexA蛋白是一系列操纵子的阻遏物,CRecA蛋白是一系列操纵子的阻遏物,D它只能修复嘧啶二聚体,B,140,15、以下关于cAMP对原核基因转录的调控作用的叙述错误的是,AcAMP可与分解代谢基因活化蛋白(CAP)结合成复合物,BcAMP-CAP复合物结合在启动子前方,C葡萄糖充足时，cAMP水平不高,D葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用乳糖,E葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用葡萄糖,D,141,21、Lac 阻遏蛋白由 _ 基因编码，结合 _ 序列对 Lac 操纵子（元）起阻遏作用。,22、Trp 操纵子的精细调节包括 _ 及 _ 两种机制。,I,O,阻遏机制,弱化机制,142,