第六章原核生物基因表达调控.pptx

第六章原核生物基因表达调控前言前言一、基因表达一、基因表达(gene expression)在一定调节机制控制下在一定调节机制控制下,基因通过转录和基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物翻译而产生其蛋白质产物,或转录后直接产生其或转录后直接产生其RNARNA产物产物,如如tRNAtRNA、rRNArRNA等得过程等得过程 。大多数基因得表达产物就是蛋白质大多数基因得表达产物就是蛋白质,部分基部分基因如因如tRNAtRNA和和rRNArRNA基因表达产物就是基因表达产物就是RNARNA。一个典型得原核生物基因得结构一个典型得原核生物基因得结构二、基因表达调控二、基因表达调控围绕基因表达过程中发生得各种各样得调节围绕基因表达过程中发生得各种各样得调节方式都通称为基因表达调控、方式都通称为基因表达调控、转录水平得调控转录水平得调控转录后得调控转录后得调控翻译水平得调控翻译水平得调控DNADNA水平水平 基因丢失基因丢失;基因扩增基因扩增基因重排基因重排;甲基化修饰甲基化修饰;染色质得结构状态染色质得结构状态RNARNA水平水平转录水平调控转录水平调控;RNARNA得转录后加工得转录后加工;mRNAmRNA从核内向胞浆转运从核内向胞浆转运;mRNAmRNA稳定性稳定性蛋白质水平蛋白质水平翻译过程翻译过程;翻译后加工翻译后加工;蛋白质得稳定性蛋白质得稳定性大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静三、基因表达得特性三、基因表达得特性:1)时间特异性或阶段特异性时间特异性或阶段特异性2)空间特异性或组织细胞特异性空间特异性或组织细胞特异性1 1、时间特异性、时间特异性按功能需要按功能需要,某一特定基因得表达严格按特某一特定基因得表达严格按特定得时间顺序发生定得时间顺序发生,称之为基因表达得称之为基因表达得时间特异时间特异性性(temporal specificity)。多细胞生物基因表达得时间特异性又称阶多细胞生物基因表达得时间特异性又称阶段特异性段特异性(stage specificity)。n2 2、空间特异性、空间特异性(spatial specificityspatial specificity):在在个个体体生生长长全全过过程程,某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现,称称之之为为基基因因表表达达得得空空间间特异性特异性(spatial specificity)。基基因因表表达达伴伴随随时时间间顺顺序序所所表表现现出出得得这这种种分分布布差差异异,实实际际上上就就是是由由细细胞胞在在器器官官得得分分布布决决定定得得,所所以以空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞或或组组织织特特异异性性(cell or tissue specificity)。四、基因表达得方式四、基因表达得方式组成性基因表达组成性基因表达适应性表达适应性表达(诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达)1、组成性基因表达、组成性基因表达 某些基因在一个生物个体得几乎所有细某些基因在一个生物个体得几乎所有细胞中持续表达胞中持续表达,通常被称为管家基因通常被称为管家基因(house-keeping gene)。无论表达水平高低无论表达水平高低,管家基因较少受环境管家基因较少受环境因素影响因素影响,而就是在个体各个生长阶段得大而就是在个体各个生长阶段得大多数或几乎全部组织中持续表达多数或几乎全部组织中持续表达,或变化很或变化很小。区别于其她基因小。区别于其她基因,这类基因表达被视为这类基因表达被视为组成性表达。组成性表达。2、诱导和阻遏表达、诱导和阻遏表达诱导表达诱导表达(induction)(induction)指在特定环境因素刺激下指在特定环境因素刺激下,基基因被激活因被激活,从而使基因得表达产物增加。这类基因称从而使基因得表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。为可诱导基因。阻遏表达阻遏表达(repression)(repression)指在特定环境因素刺激下指在特定环境因素刺激下,基基因被抑制因被抑制,从而使基因得表达产物减少。这类基因称从而使基因得表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。为可阻遏基因。在一定机制控制下在一定机制控制下,功能上相关得一组基功能上相关得一组基因因,无论其为何种表达方式无论其为何种表达方式,均需协调一致、均需协调一致、共同表达共同表达,即为协调表达即为协调表达(coordinate(coordinate expression),expression),这种调节称为协调调节这种调节称为协调调节(coordinate regulation)(coordinate regulation)。协调表达协调表达五、基因表达调控得基本原理五、基因表达调控得基本原理:1、基因表达调控得多层次和复杂、基因表达调控得多层次和复杂性性2、基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素1 1、基因表达调控得多层次和复杂性、基因表达调控得多层次和复杂性四个基本调控点四个基本调控点(1)(1)基因结构得活化基因结构得活化(2)(2)转录起始转录起始:最有效得调节环节最有效得调节环节(3)(3)转录后加工及转运转录后加工及转运(4)(4)翻译及翻译后加工翻译及翻译后加工DNADNA水平水平 基因丢失基因丢失;基因扩增基因扩增基因重排基因重排;甲基化修饰甲基化修饰;染色质得结构状态染色质得结构状态RNARNA水平水平转录水平调控转录水平调控;RNARNA得转录后加工得转录后加工;mRNAmRNA从核内向胞浆转运从核内向胞浆转运;mRNAmRNA稳定性稳定性蛋白质水平蛋白质水平翻译过程翻译过程;翻译后加工翻译后加工;蛋白质得稳定性蛋白质得稳定性2、基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素 基因表达得调节与基因得结构、性质基因表达得调节与基因得结构、性质,生物生物个体或细胞所处得内、外环境个体或细胞所处得内、外环境,以及细胞内所以及细胞内所存在得转录调节蛋白有关。存在得转录调节蛋白有关。三个基本要素三个基本要素:1)1)特异得特异得DNADNA调节序列调节序列2)2)调节蛋白调节蛋白3)RNA3)RNA聚合酶聚合酶基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素1 1、特异、特异DNADNA序列序列原核生物得原核生物得操纵子操纵子操纵子操纵子真核生物得真核生物得顺式作用元件顺式作用元件(cis-cis-acting element)acting element)2 2、调节蛋白、调节蛋白-操纵子操纵子(operon)结构基因结构基因 启动子启动子 操纵基因操纵基因 调节基因调节基因 (promoter)(operator)阻抑蛋白阻抑蛋白-操纵子操纵子(operon)-操纵子操纵子(operon)由操纵基因以及相邻得若干结构基因所组由操纵基因以及相邻得若干结构基因所组成得功能单位成得功能单位,其中结构基因转录受操纵基其中结构基因转录受操纵基因所控制。因所控制。操纵基因就是顺式控制元件操纵基因就是顺式控制元件,阻抑蛋白就是阻抑蛋白就是反式作用因子反式作用因子 就是指可影响自身基因表达活性得特异就是指可影响自身基因表达活性得特异DNA 序列。通常就是非编码序列。包括启动子、增序列。通常就是非编码序列。包括启动子、增强子及沉默子等。强子及沉默子等。真核生物得真核生物得顺式作用元件顺式作用元件BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点2 2、调节蛋白、调节蛋白 就是调节基因转录得蛋白因子就是调节基因转录得蛋白因子,如原核生如原核生物得阻遏蛋白和物得阻遏蛋白和CAPCAP蛋白蛋白(降解物基因活化降解物基因活化蛋白蛋白)、真核生物得基本转录因子和特异转、真核生物得基本转录因子和特异转录因子等。录因子等。3 3、RNA RNA聚合酶聚合酶 启动序列影响其与启动序列影响其与RNA聚合酶得亲和力聚合酶得亲和力,而亲而亲和力大小则直接影响转录起动得频率。和力大小则直接影响转录起动得频率。原核原核启动序列或启动序列或真核真核启动子就是由转录起始启动子就是由转录起始点、点、RNA聚合酶结合位点及控制转录得调节组聚合酶结合位点及控制转录得调节组件组成。件组成。真核生物真核生物RNARNA聚合酶聚合酶六、基因表达调控得生物学意义六、基因表达调控得生物学意义1、适应环境、维持生长和增殖、适应环境、维持生长和增殖2、维持个体发育与分化、维持个体发育与分化第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论533355DNARNA转录方向转录方向反义链反义链 模板链、模板链、()链链正义链、正义链、编码链、编码链、(+)链链基因表达基因表达l l转录水平上得调控转录水平上得调控转录水平上得调控转录水平上得调控l l转录后水平上得调控转录后水平上得调控转录后水平上得调控转录后水平上得调控基因表达调控基因表达调控原原核核生生物物主主要要就就是是在在转转录录水水平平上上调调控控基基因因得表达。得表达。当当需需要要某某种种基基因因产产物物时时,就就大大量量合合成成这这种种mRNA,mRNA,当当不不需需要要这这种种基基因因产产物物时时就就抑抑制制这这种种mRNAmRNA得转录得转录,就就是让相应得基因不表达。就就是让相应得基因不表达。通常所说得基因不表达通常所说得基因不表达,并不就是说这个基并不就是说这个基因就完全不转录为因就完全不转录为mRNA,mRNA,而就是转录得水平而就是转录得水平很低很低,维持在一个基础水平维持在一个基础水平(本底水平本底水平)。基因表达完全关闭得情况使极为少见得。基因表达完全关闭得情况使极为少见得。l真核生物基因表达得调控可发生在不同水平上一、原核基因调控机制得类型与特点一、原核基因调控机制得类型与特点(一一)原核基因调控机制得类型原核基因调控机制得类型负调控负调控正调控正调控gene ON gene ON OFFOFF阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白gene OFF gene OFF ONON激活蛋白激活蛋白激活蛋白激活蛋白基因表达量基因表达量基因表达量基因表达量特别低特别低特别低特别低1、负调控、负调控 negative regulation在没有调节蛋白质存在时基因就是表达得在没有调节蛋白质存在时基因就是表达得在没有调节蛋白质存在时基因就是表达得在没有调节蛋白质存在时基因就是表达得,加入加入加入加入某种调节蛋白质后基因活性就被关闭某种调节蛋白质后基因活性就被关闭某种调节蛋白质后基因活性就被关闭某种调节蛋白质后基因活性就被关闭,这样得控这样得控这样得控这样得控制系统就叫做负控系统制系统就叫做负控系统制系统就叫做负控系统制系统就叫做负控系统 。其调节蛋白质叫做阻遏蛋白其调节蛋白质叫做阻遏蛋白其调节蛋白质叫做阻遏蛋白其调节蛋白质叫做阻遏蛋白 两种类型两种类型两种类型两种类型:负控诱导和负控阻遏负控诱导和负控阻遏负控诱导和负控阻遏负控诱导和负控阻遏负控诱导系统负控诱导系统负控阻遏系统负控阻遏系统2、正调控、正调控 positive regulation在没有调节蛋白质存在时基因就是关闭得在没有调节蛋白质存在时基因就是关闭得在没有调节蛋白质存在时基因就是关闭得在没有调节蛋白质存在时基因就是关闭得,加入加入加入加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启某种调节蛋白质后基因活性就被开启某种调节蛋白质后基因活性就被开启某种调节蛋白质后基因活性就被开启,这样得控这样得控这样得控这样得控制系统就叫做正控系统。制系统就叫做正控系统。制系统就叫做正控系统。制系统就叫做正控系统。其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白(激活蛋白激活蛋白激活蛋白激活蛋白)两种类型两种类型两种类型两种类型:正控诱导和正控阻遏系统正控诱导和正控阻遏系统正控诱导和正控阻遏系统正控诱导和正控阻遏系统(二二)特殊代谢物调节基因表达得类型特殊代谢物调节基因表达得类型可诱导调节可诱导调节可阻遏调节可阻遏调节1 1、可诱导调节、可诱导调节l一些基因在特殊得代谢物或化合物得作用一些基因在特殊得代谢物或化合物得作用下下,由原来关闭得状态转变为工作状态由原来关闭得状态转变为工作状态,即在某即在某些物质得诱导下使基因活化、些物质得诱导下使基因活化、l调节分解代谢得操纵子调节分解代谢得操纵子,同时受同时受cAMP-CAPcAMP-CAP得活性调节得活性调节l可诱导调节可诱导调节可诱导调节可诱导调节无诱导物时无诱导物时无诱导物时无诱导物时gene OFFgene OFFl可诱导调节可诱导调节可诱导调节可诱导调节有诱导物时有诱导物时有诱导物时有诱导物时gene ONgene ON+转录转录无葡萄糖无葡萄糖,cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖有葡萄糖,cAMP浓度低时浓度低时lCAPCAP得正性调节得正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP2 2、可阻遏调节、可阻遏调节l一些基因在特殊得代谢物或化合物得作用下一些基因在特殊得代谢物或化合物得作用下,由原来开启得状态转变为关闭状态由原来开启得状态转变为关闭状态,基因得表基因得表达被阻遏、达被阻遏、l调节合成代谢得操纵子调节合成代谢得操纵子(三三)原核生物基因表达调控得特点原核生物基因表达调控得特点l调节得主要环节在转录水平上进行调节得主要环节在转录水平上进行调节得主要环节在转录水平上进行调节得主要环节在转录水平上进行l 因子决定因子决定因子决定因子决定RNARNARNARNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性l主要通过操纵子模式进行调节主要通过操纵子模式进行调节主要通过操纵子模式进行调节主要通过操纵子模式进行调节l阻遏蛋白对转录得抑制作用阻遏蛋白对转录得抑制作用阻遏蛋白对转录得抑制作用阻遏蛋白对转录得抑制作用(阻遏机制阻遏机制阻遏机制阻遏机制)就是普就是普就是普就是普遍存在得负调控作用遍存在得负调控作用遍存在得负调控作用遍存在得负调控作用原核生物中基因得组织形式原核生物中基因得组织形式几个作用相关得基因在染色体上串连排列在几个作用相关得基因在染色体上串连排列在一起一起,由同一个调控系统来控制。由同一个调控系统来控制。这样得一个整体称为一个操纵元这样得一个整体称为一个操纵元(operon)(operon)。原原 核核 在在在在 转转转转 录录录录水水水水 平平平平 上上上上 调调调调 控控控控 因子因子大肠杆菌至少有大肠杆菌至少有6 6种种 因子因子70负责识别一般得启动子负责识别一般得启动子54识别与氮代谢有关得基因启动子识别与氮代谢有关得基因启动子32识别热激识别热激(heat shock)蛋白质基因启动子蛋白质基因启动子二、弱化子对基因活性得影响二、弱化子对基因活性得影响1、弱化子、弱化子在操纵区与结构基因之间得一段可以终止转录作在操纵区与结构基因之间得一段可以终止转录作用得核苷酸序列用得核苷酸序列,当操纵子被阻遏时当操纵子被阻遏时,RNA合成被终止合成被终止,这段核苷酸起终止转录信号作用、这段核苷酸起终止转录信号作用、UUUU RNA RNA聚合酶聚合酶 起调节作用得就是某种氨酰起调节作用得就是某种氨酰起调节作用得就是某种氨酰起调节作用得就是某种氨酰-tRNA-tRNA得浓度得浓度得浓度得浓度RNA分子在分子内采用不同得碱基配对方式分子在分子内采用不同得碱基配对方式,形成形成不同得二级结构而参与调控。不同得二级结构而参与调控。当不同得结构对就是否允许终止存在差异时当不同得结构对就是否允许终止存在差异时,改变改变二级结构可对转录终止进行调控二级结构可对转录终止进行调控2、弱化子作用机制、弱化子作用机制UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 弱化子区域弱化子区域 UUUU前导前导mRNA1234弱化子结构弱化子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区:包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱形成发夹结构能力强弱:序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUU5 trp trp mRNA mRNA trptrpL L1 21 23 43 4寡聚寡聚寡聚寡聚U U区区区区trpE(a)(a)正常正常正常正常 (b)(b)高高高高 Trp Trp1 12 2转录终止转录终止转录终止转录终止3 4(C)(C)低低低低Trp Trp 1 12 32 34 4转录延伸转录延伸转录延伸转录延伸UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1 1、当色氨酸浓度高、当色氨酸浓度高时时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就就是终止子就就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 2 2、当色氨酸浓度低、当色氨酸浓度低时时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能形成衰减子结构不能形成衰减子结构 三、降解物对基因活性得调节三、降解物对基因活性得调节1 1、葡萄糖效应、葡萄糖效应、葡萄糖效应、葡萄糖效应(降解物抑制作用降解物抑制作用降解物抑制作用降解物抑制作用)就是指当葡萄糖和其她糖类一起作为细菌得就是指当葡萄糖和其她糖类一起作为细菌得就是指当葡萄糖和其她糖类一起作为细菌得就是指当葡萄糖和其她糖类一起作为细菌得碳源时葡萄糖总就是优先被利用碳源时葡萄糖总就是优先被利用碳源时葡萄糖总就是优先被利用碳源时葡萄糖总就是优先被利用,葡萄糖得存葡萄糖得存葡萄糖得存葡萄糖得存在阻止了其她糖类得利用得现象。在阻止了其她糖类得利用得现象。在阻止了其她糖类得利用得现象。在阻止了其她糖类得利用得现象。2 2、降解物对基因活性得调节、降解物对基因活性得调节葡萄糖通过降低葡萄糖通过降低cAMP得含量而抑制基因表达得含量而抑制基因表达四、细菌得应急反应四、细菌得应急反应指细菌在恶劣生长环境中关闭指细菌在恶劣生长环境中关闭指细菌在恶劣生长环境中关闭指细菌在恶劣生长环境中关闭tRNAtRNA和核糖体形成得能力。和核糖体形成得能力。和核糖体形成得能力。和核糖体形成得能力。1、细菌得应急反应、细菌得应急反应2、细菌得应急反应得机制、细菌得应急反应得机制应急信号应急信号应急信号应急信号:鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸(ppGpp)(ppGpp)、鸟苷五磷酸鸟苷五磷酸鸟苷五磷酸鸟苷五磷酸(pppGpp)(pppGpp)诱导物诱导物诱导物诱导物:空载空载空载空载tRNAtRNA焦磷酸焦磷酸转移酶转移酶第二节第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统一、乳糖操纵子一、乳糖操纵子(lac operon)得结构与组成得结构与组成 调控区调控区阻遏基因阻遏基因启动子启动子操纵基因操纵基因 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNAI 启启 动动 子子 RNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点 调节基因调节基因 CAP结合位点结合位点 操操 纵纵 基基 因因 Z基基 阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点 mRNA LacLac操纵子调控区域操纵子调控区域乳糖操纵子得结构基因及其表达产物乳糖操纵子得结构基因及其表达产物二、酶得诱导二、酶得诱导-lac体系受调控得证据体系受调控得证据oo在不含乳糖及在不含乳糖及在不含乳糖及在不含乳糖及-半乳糖苷得培养基中半乳糖苷得培养基中半乳糖苷得培养基中半乳糖苷得培养基中,lac,lac+基因型每个大基因型每个大基因型每个大基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有肠杆菌细胞内大约只有肠杆菌细胞内大约只有肠杆菌细胞内大约只有1 12 2个酶分子。个酶分子。个酶分子。个酶分子。oo如果在培养基中加入乳糖如果在培养基中加入乳糖如果在培养基中加入乳糖如果在培养基中加入乳糖,酶得浓度很快达到细胞总蛋白酶得浓度很快达到细胞总蛋白酶得浓度很快达到细胞总蛋白酶得浓度很快达到细胞总蛋白量得量得量得量得6%6%或或或或7%,7%,每个细胞中可有超过每个细胞中可有超过每个细胞中可有超过每个细胞中可有超过105105个酶分子。个酶分子。个酶分子。个酶分子。1 1、实验证据、实验证据2 2、实验用诱导物、实验用诱导物乳糖乳糖IPTG(异丙基巯基半乳糖苷异丙基巯基半乳糖苷)TMG(巯甲基半乳糖苷巯甲基半乳糖苷)ONPG(O-硝基半乳糖苷硝基半乳糖苷)pUC18AprlacZoriAp+X-galAp+X-gal重组子重组子(ApAprr+lacZ+lacZ-)基因工程得基因工程得蓝白斑筛选蓝白斑筛选蓝白显色筛选法蓝白显色筛选法三、三、lac操纵子模型及其影响因子操纵子模型及其影响因子(一一)Lac操纵子模型操纵子模型控制区控制区信息区信息区 1961 1961年由莫诺年由莫诺(Monod,J(Monod,J、法、法)和雅各布和雅各布(Jacob,F(Jacob,F、法、法)提出提出,用来阐述大肠杆菌乳用来阐述大肠杆菌乳糖代谢中基因表达得调控机制。糖代谢中基因表达得调控机制。获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖乳糖操纵子模型得建立乳糖操纵子模型得建立乳糖操纵子模型得建立乳糖操纵子模型得建立(Jacob and Monod,1961)(Jacob and Monod,1961)(Jacob and Monod,1961)(Jacob and Monod,1961)Francois JacobJacquces Monod获获19651965年年诺贝尔奖诺贝尔奖乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型1 1 1 1、Z Z Z Z、Y Y Y Y、A A A A基因得产物为一条多顺反子基因得产物为一条多顺反子基因得产物为一条多顺反子基因得产物为一条多顺反子mRNAmRNAmRNAmRNAlacZ:编码编码-半乳糖苷酶半乳糖苷酶,她可以将乳糖水解为半乳糖和葡她可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖萄糖;lacY:编码半乳糖苷透性酶编码半乳糖苷透性酶,她能将乳糖运送透过细菌得细她能将乳糖运送透过细菌得细胞壁胞壁;lacA:编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶,进行乳糖代谢。进行乳糖代谢。2 2 2 2、P P P P区位于区位于区位于区位于I I I I与与与与OOOO之间之间之间之间,O,O,O,O为阻遏物结合位点为阻遏物结合位点为阻遏物结合位点为阻遏物结合位点 启启启启 动动动动 子子子子 RNA RNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点聚合酶结合位点聚合酶结合位点 调节基因调节基因调节基因调节基因 CAP CAP结合位点结合位点结合位点结合位点 操操操操 纵纵纵纵 基基基基 因因因因 Z Z基因基因基因基因 阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点 乳乳糖糖操操纵纵元元得得负负调调控控Lac操纵子操纵子P、O区得重叠区得重叠阻遏物与阻遏物与阻遏物与阻遏物与OO区得结合影响了区得结合影响了区得结合影响了区得结合影响了RNARNA聚合酶与启动子区结合形聚合酶与启动子区结合形聚合酶与启动子区结合形聚合酶与启动子区结合形成转录起始复合物得效率。成转录起始复合物得效率。成转录起始复合物得效率。成转录起始复合物得效率。4 4、CAPCAP得正性调节得正性调节Cyclic AMPoATP在腺苷酸环化在腺苷酸环化酶得作用下转变酶得作用下转变成环式成环式AMP(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)。The adenyl cyclase-catalyzed synthesis of cyclic AMP(cAMP)from ATP 2003 John Wiley and Sons PublisherscAmp-CAP Catabolite activating protein,CAP 代谢激活蛋白代谢激活蛋白,就是就是cAmp得受体蛋得受体蛋白白 (cyclic Amp receptor protein,CRP)cAmp-CAP复合物复合物,就是就是lac操纵元得操纵元得正调控因子正调控因子乳糖操纵元得正调控乳糖操纵元得正调控 5 5、协调调节协调调节 当阻遏蛋白封闭转录时当阻遏蛋白封闭转录时当阻遏蛋白封闭转录时当阻遏蛋白封闭转录时,CAP,CAP,CAP,CAP对该系统不能发挥作用对该系统不能发挥作用对该系统不能发挥作用对该系统不能发挥作用;如无如无如无如无CAPCAPCAPCAP存在存在存在存在,即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合,操纵子操纵子操纵子操纵子 仍无转录活性。仍无转录活性。仍无转录活性。仍无转录活性。单纯乳糖存在时单纯乳糖存在时单纯乳糖存在时单纯乳糖存在时,细菌利用乳糖作碳源细菌利用乳糖作碳源细菌利用乳糖作碳源细菌利用乳糖作碳源;若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时乳糖共同存在时乳糖共同存在时乳糖共同存在时,细菌首先利用葡萄糖。细菌首先利用葡萄糖。细菌首先利用葡萄糖。细菌首先利用葡萄糖。mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO(二二)乳糖操纵子得影响因子乳糖操纵子得影响因子1、lac操纵子得本底水平表达操纵子得本底水平表达乳乳糖糖因为诱导物需要穿过细因为诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合胞膜才能与阻遏物结合,而运转诱导物需要透过而运转诱导物需要透过酶。酶。在非诱导状态下有少量在非诱导状态下有少量在非诱导状态下有少量在非诱导状态下有少量(1-5(1-5个个个个mRNAmRNA分子分子分子分子)lac)lac mRNAmRNA合成合成合成合成-本底水平本底水平本底水平本底水平组成型合成。组成型合成。组成型合成。组成型合成。laclac操纵子得本底水平表达操纵子得本底水平表达3、阻遏物、阻遏物lacI基因产物及功能基因产物及功能mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因阻遏基因弱启动子控制得弱启动子控制得组成型合成组成型合成4、葡萄糖对、葡萄糖对lac操纵子得影响操纵子得影响葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖 腺苷酸环化酶活性降低腺苷酸环化酶活性降低腺苷酸环化酶活性降低腺苷酸环化酶活性降低 ATP ATP 无法转变成无法转变成无法转变成无法转变成 cAMP cAMP 不能形成不能形成不能形成不能形成 CAP-cAMP CAP-cAMP 复合蛋白复合蛋白复合蛋白复合蛋白 RNA RNA 酶无酶无酶无酶无法结合在法结合在法结合在法结合在 DNA DNA 上上上上 结构基因不表达。结构基因不表达。结构基因不表达。结构基因不表达。代谢物阻遏效应代谢物阻遏效应研究认为葡萄糖得某些降解产物抑制研究认为葡萄糖得某些降解产物抑制研究认为葡萄糖得某些降解产物抑制研究认为葡萄糖得某些降解产物抑制lac mRNAlac mRNA得得得得合成合成合成合成,这种效应称之为代谢物阻遏效应、这种效应称之为代谢物阻遏效应、这种效应称之为代谢物阻遏效应、这种效应称之为代谢物阻遏效应、葡葡萄萄糖糖效效应应5、cAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白Catabolite gene activation protein site-10 site-35 siteCACCCCAGGCTTTACACTTTATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTGAGCGGATAACAATTTCACACCTCATTAGGACTCGATTGAGTGTAATTA53Operon region20bpRNA polymerase binding region or promoter regionPrimary structure of lac operon regulation region5 TATAAT 3Pribnow boxCRP结合结合位点位点cAMP-CRPcAMP-CRP复合物与启动复合物与启动复合物与启动复合物与启动子区得结合子区得结合子区得结合子区得结合lac mRNAlac mRNA合合合合成起始所必需成起始所必需成起始所必需成起始所必需得得得得,有利于形有利于形有利于形有利于形成稳定得开放成稳定得开放成稳定得开放成稳定得开放型启动子型启动子型启动子型启动子-RNARNA聚合酶结聚合酶结聚合酶结聚合酶结构。构。构。构。四、四、lac操纵子操纵子DNA得调控区域得调控区域P、O区区控制区控制区信息区信息区-82+1-7+28五、五、lac操纵子中得其她问题操纵子中得其她问题(一一)A)A基因及其生理功能基因及其生理功能-半乳糖苷酶半乳糖苷酶透过酶透过酶乙酰基转移酶乙酰基转移酶乙酰化的半乙酰化的半乳糖苷降低乳糖苷降低对细胞的危对细胞的危害害(二二)laclac基因产物数量上得比较基因产物数量上得比较Z、Y、A三个基因产物得拷贝数比例为三个基因产物得拷贝数比例为1:0、5:0、21、Lac mRNA可能在翻译过程中得核糖体相脱离可能在翻译过程中得核糖体相脱离,从而终止蛋白质链得翻译。从而终止蛋白质链得翻译。原因原因:在翻译水平上得调节在翻译水平上得调节2、Lac mRNA分子内部分子内部,A基因比基因比Z基因更易受内基因更易受内切酶作用发生降解切酶作用发生降解,故故Z基因得完整拷贝数要比基因得完整拷贝数要比A基基因多。因多。原因原因:在翻译水平上得调节在翻译水平上得调节降解(三三)操纵子得融合与基因工程操纵子得融合与基因工程操纵子得融合操纵子得融合:由较弱启动子和强启动由较弱启动子和强启动子得基因形成得融合基子得基因形成得融合基因因,可以通过强启动子使可以通过强启动子使弱启动子得转录增强弱启动子得转录增强,增增加蛋白表达量。加蛋白表达量。第三节第三节 色氨酸操纵子与负控阻遏系统色氨酸操纵子与负控阻遏系统l可诱导调节可诱导调节:调节分解代谢得操纵子调节分解代谢得操纵子,同时受同时受cAMP-CAPcAMP-CAP得活性调节得活性调节l可阻遏调节可阻遏调节:调节合成代谢得操纵子调节合成代谢得操纵子特殊代谢物调节基因活性得类型特殊代谢物调节基因活性得类型一、一、trp操纵子得阻遏系统操纵子得阻遏系统(一一)trp操纵子得研究背景操纵子得研究背景酶合成阻遏得现象酶合成阻遏得现象Jacob and Monod得工作得工作 (二二)trp操纵子得结构操纵子得结构阻遏型操纵子阻遏型操纵子trpAtrpBtrpCtrpEtrpDP Ptrp trp O Otrptrp前导序列前导序列 aTrp Trp 阻抑物阻抑物阻抑物阻抑物 色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸激活激活激活激活RNAtrpE trpD trpC trpB trpA色氨酸合成所需得酶色氨酸合成所需得酶色氨酸合成所需得酶色氨酸合成所需得酶trpR酶阻遏得操纵子模型酶阻遏得操纵子模型辅阻遏蛋白无活性辅阻遏蛋白无活性,不能与操纵基因结合不能与操纵基因结合,结构基结构基因表达、因表达、调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白.辅阻遏蛋白辅阻遏蛋白(三三)trp操纵子得阻遏调控机制操纵子得阻遏调控机制l l色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢得酶蛋白得转录合成。当细胞内缺乏合成代谢得酶蛋白得转录合成。当细胞内缺乏合成代谢得酶蛋白得转录合成。当细胞内缺乏合成代谢得酶蛋白得转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时色氨酸时色氨酸时色氨酸时,此操纵子开放此操纵子开放此操纵子开放此操纵子开放,而当细胞内合成得色而当细胞内合成得色而当细胞内合成得色而当细胞内合成得色氨酸过多时氨酸过多时氨酸过多时氨酸过多时,此操纵子被关闭。此操纵子被关闭。此操纵子被关闭。此操纵子被关闭。l l色氨酸操纵子得调控机制与乳糖操纵子类似色氨酸操纵子得调控机制与乳糖操纵子类似色氨酸操纵子得调控机制与乳糖操纵子类似色氨酸操纵子得调控机制与乳糖操纵子类似,但通常情况下但通常情况下但通常情况下但通常情况下,操纵子处于开放状态操纵子处于开放状态操纵子处于开放状态操纵子处于开放状态,其辅阻遏其辅阻遏其辅阻遏其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。l l而当色氨酸合成过多时而当色氨酸合成过多时而当色氨酸合成过多时而当色氨酸合成过多时,色氨酸作为辅阻遏物色氨酸作为辅阻遏物色氨酸作为辅阻遏物色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白,后者与操纵后者与操纵后者与操纵后者与操纵基因结合而使基因转录关闭基因结合而使基因转录关闭基因结合而使基因转录关闭基因结合而使基因转录关闭。Trp Trp 浓度高时浓度高时 Trp浓度浓度低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸操纵子阻遏调节阻遏调节二、二、弱化子与前导肽弱化子与前导肽(一一)弱化子弱化子在操纵区与结构基因之间得一段可以终止转录作在操纵区与结构基因之间得一段可以终止转录作用得核苷酸序列用得核苷酸序列,当操纵子被阻遏时当操纵子被阻遏时,RNA合成被终止合成被终止,这段核苷酸起终止转录信号作用、这段核苷酸起终止转录信号作用、调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 弱化子区域弱化子区域 UUUU前导前导mRNA1234UUUU RNA RNA聚合酶聚合酶 起调节作用得就是某种氨酰起调节作用得就是某种氨酰起调节作用得就是某种氨酰起调节作用得就是某种氨酰-tRNA-tRNA得浓度得浓度得浓度得浓度(二二)前导肽前导肽UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能形成衰减子结构不能形成衰减子结构 (三三)mRNA前导区得序列分析前导区得序列分析前导区前导区mRNA上有两个连续得色氨酸密码子上有两个连续得色氨酸密码子;前导前导序列上有序列上有4个分别以个分别以1、2、3、4表示得片断能以表示得片断能以两种不同得方式进行碱基配对两种不同得方式进行碱基配对,有时以有时以12和和34配对配对,有时只以有时只以23方式互补配对、方式互补配对、UUUU前导前导mRNA1234(四四)转录得弱化作用转录得弱化作用mRNA转录得终止就是通过前导肽基转录得终止就是通过前导肽基因得翻译来调节得。因得翻译来调节得。在前导肽基因中有两个相邻得色氨酸密在前导肽基因中有两个相邻得色氨酸密码子码子,故这个前导肽得翻译必定对故这个前导肽得翻译必定对tRNATrp 得浓度敏感。得浓度敏感。(五五)衰减子得生物学意义衰减子得生物学意义l活性阻遏物和非活性阻遏物得转变可能较慢,而tRNA负载与否可能更为灵敏;l氨基酸得主要用途就是合成蛋白质,因而以tRNA负载情况为标准来进行控制可能更为恰当、l当细胞内氨基酸高于某一水平时,可以实现完全得阻遏;而只有低于这一水平时,才需用衰减子这个调节系统来进行调节,阻遏蛋白和衰减子调节机制都就是为了避免浪费,提高效率。第四节第四节 其她操纵子其她操纵子(自学自学)第五节第五节 固氮基因调控固氮基因调控(自学自学)第六节第六节 转录后调控转录后调控一、翻译起始得调控一、翻译起始得调控1 1、SDSD序列对翻译得影响序列对翻译得影响SD序列序列:mRNA起始密码前得一段富含嘌呤核苷酸得起始密码前得一段富含