原核生物的基因表达调控.pptx

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,*,原核生物基因表示调控,1/111,1,1,.1原核生物基因表示调控概述,基因表示,(gene expression),是指储存遗传信息基因经过一系列步骤表现出其生物功效整个过程。,经典基因表示是基因经过转录、翻译，产生有生物活性蛋白质过程。,既然从,DNA,到蛋白质过程称为基因表示，对这个过程调整就称为基因表示调控（,gene regulation,或,gene control,）。基因表示调控是现阶段分子生物学研究中心课题。,2/111,1,1,.1.1基因表示调控意义,基因组,(genome),是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要全部遗传信息整套核酸。,但生物基因组遗传信息并不是同时全部都表示出来，大肠杆菌基因组含有约,4000个基因，普通情况下只有510%在高水平转录状态，其它基因有处于较低水平表示，有就暂时不表示。,不一样组织细胞中不但表示基因数量不相同，而且基因表示强度和种类也各不相同，这就是基因表示组织特异性,(tissue specificity)。,比如肝细胞中包括编码鸟氨酸循环酶类基因表示水平高于其它组织细胞，合成一些酶,(如精氨酸酶)为肝脏所特有；胰岛细胞合成胰岛素；甲状腺滤泡旁细胞(C细胞)专一分泌降血钙素等。,3/111,细胞分化发育不一样时期，基因表示情况是不相同，这就是基因表示阶段特异性,(stagespecificity),。,一个受精卵含有发育成一个成熟个体全部遗传信息，在个体发育分化各个阶段，各种基因极为有序地表示，普通在胚胎时期基因开放数量最多，伴随分化发展，细胞中一些基因关闭,(turn off),、一些基因转向开放,(turn on),，胚胎发育不一样阶段、不一样部位细胞中开放基因及其开放程度不一样，合成蛋白质种类和数量都不相同，显示出基因表示调控在空间和时间上极高有序性，从而逐步生成形态与功效各不相同、极为协调、巧妙有序组织脏器。,从上所述，不难看出：生物基因表示不是杂乱无章，而是受着,严密、准确调控,，,不但生命遗传信息是生物生存所必需，而且遗传信息表示调控也是生命本质所在。,4/111,改变基因表示情况以适应环境，在,原核生物、单细胞生物,中尤其显得突出和主要，因为细胞生存环境经常会有猛烈改变。,比如：周围有充分葡萄糖，细菌就能够利用葡萄糖作能源和碳源，无须更多去合成利用其它糖类酶类，当外界没有葡萄糖时，细菌就要适应环境中存在其它糖类,(,如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等,),，开放能利用这些糖酶类基因，以满足生长需要。,即使是内环境保持稳定高等哺乳类，也经常要变动基因表示来适应环境，比如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活动物，其肝脏合成蛋白质图谱就有显著不一样。,所以，基因表示调控是生物适应环境生存必需。,5/111,基因表示模式,生物体内基因调控各不相同，基因表示随环境改变情况，能够大致把基因表示分成两类：,组成性表示,(constitutive expression),指不大受环境变动而改变一类基因表示。,其中一些基因表示产物是细胞或生物体整个生命过程中都连续需要而必不可少，这类基因可称为看家基因,(housekeeping gene),，这些基因中不少是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种细胞中都是连续表示，能够看成是细胞基本基因表示。,组成性基因表示也不是一成不变，其表示强弱也是受一定机制调控。,6/111,适应性表示,(adaptive expression),指环境改变轻易使其表示水平变动一类基因表示。,应环境条件改变基因表示水平增高现象称为诱导,(induction),，这类基因被称为,可诱导基因,(inducible gene),；,相反，随环境条件改变而基因表示水平降低现象称为阻遏,(repression),，对应基因被称为,可阻遏基因,(repressible gene),。,7/111,8/111,9/111,1,1,.1.2 原核基因表示调控特点与方式,基因表示调控主要表现在以下两方面：,1转录水平上调控（,transcriptional regulation,）；,2转录后水平上调控（,post-transcriptional,regulation,），包含,mRNA加工成熟水平上调控,（,differential processing of RNA transcript,）；,翻译水平上调控,（,differential translation of mRNA,）。,10/111,11/111,原核生物,中，,营养情况,（,nutritional status）和,环境原因,（,environmental factor）对基因表示起着举足轻重影响。,真核生物,尤其是高等真核生物中，,激素水平,（,hormone level）和,发育阶段,（,developmental stage）,是基因表示调控最主要伎俩，营养和环境原因影响力大为下降。,在转录水平上对基因表示调控决定于,DNA结构,、,RNA聚合酶功效,、,蛋白因子及其它小分子配基,相互作用。,12/111,因为细菌,mRNA,在形成过程中与核糖体混合在一起，所以，细菌转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联（,coupled transcription and translation,）。,真核生物中，转录产物（,primary transcript,）只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。,13/111,1,1,.1.3 原核基因表示调控几个主要概念,1.细菌细胞对营养适应,2.顺式作用元件和反式作用因子,3.结构基因和调整基因,4.操纵基因和阻遏蛋白,5.组成蛋白和调整蛋白,14/111,1,1,.2,操纵子学说,法国巴斯德研究院,Francois Jacob与Jacques Monod于1960年在法国科学院院报(Proceeding of the French Academy of Sciences)上发表了一篇论文，提出乳糖代谢中两个基因被一靠近它们遗传因子所调整。这二个基因为-半乳糖苷酶(-galactosidase)和半乳糖苷透过酶(galactoside permease)。,在此文中他们首先提出了,操纵子,(operon)和操纵基因(operator)概念,，他们操纵子学说,(theory of operon)使我们得以从分子水平认识基因表示调控，是一个划时代突破，所以他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。,15/111,一、操纵子,(,operon),细菌能,随环境改变，快速改变一些基因表示状态,，这就是很好基因表示调控试验模型。人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表示调控分子机理窗口。,16/111,1.操纵子提出,大肠杆菌能够利用,葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖,等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有,葡萄糖和乳糖,时，细菌,优先,利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停顿生长，经过短时间,适应,，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增加。,17/111,大肠杆菌利用乳糖最少需要,两个酶,：促使乳糖进入细菌,半乳糖透过酶,(lactose permease)和催化乳糖分解第一步,半乳糖苷酶,(,-galactosidase)。,18/111,在环境中,没有乳糖或其它,-半乳糖苷,时，大肠杆菌合成,-半乳糖苷酶量,极少,，加入乳糖,2-3分钟后，细菌大量合成,-半乳糖苷酶，其量可提升,千倍,以上，在以乳糖作为唯一碳源时，菌体内,-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量,3%,。,在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测出细菌中,-半乳糖苷酶活性,显著增高,过程。,19/111,这种经典,诱导现象,，是研究基因表示调控极好,模型,。针对大肠杆菌利用乳糖适应现象，法国,Jocob和Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究试验，于1961年提出,乳糖操纵子（,lac,operon）学说,。,20/111,2.操纵子基本组成,乳糖操纵子模型已被许多研究试验所证实，对其有了更深入认识，而且发觉其它原核生物基因调控也有类似,操纵子组织,，,操纵子是原核基因表示调控一个主要组织形式,，大肠杆菌基因,多数以操纵子形式组成基因表示调控单元,。,下面就以乳糖操纵子为例子说明操纵子,最基本组成元件,（,elements）。,21/111,(1)结构基因群,操纵子中被调控,编码蛋白质基因可称为结构基因,(structural gene,SG)。一个操纵子中含有,2个以上结构基因,，多可达十几个。每个结构基因是一个,连续,开放阅读框,(,open reading frame,),5,端有起始密码,ATG,，,3,端有终止密码,TAA、TGA或TAG,。各结构基因,头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。,22/111,最少在第一个结构基因,5,侧含有,核糖体结合位点,(ribosome binding site,RBS),，因而当这段含多个结构基因,DNA被转录成,多顺反子,mRNA,，就能被核糖体所,识别结合,、并起始翻译。核糖体沿,mRNA移动，在合成完第一个编码多肽后，核糖体能够,不脱离,mRNA而继续翻译合成下一个基因编码多肽,，直至合成完这条多顺反子,mRNA所编码,全部多肽。,23/111,乳糖操纵子含有,、,和,3个结构基因。,基因长,3510bp，编码含1170个氨基酸、分子量为135,000多肽，以四聚体形式组成有活性-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为半乳糖(allolactose)，再分解为半乳糖和葡萄糖；,24/111,基因长,780bp，编码有260个氨基酸、分子量为30,000半乳糖透过酶，促使环境中乳糖进入细菌；,基因长,825bp，编码275氨基酸、分子量为32,000转乙酰基酶，以二聚体活性形式催化半乳糖乙酰化。,25/111,基因,5,侧含有大肠杆菌核糖体识别结合位点（,RBS）特征Shine-Dalgarno(SD)序列，因而当乳糖操纵子开放时，核糖体能结合在转录产生mRNA上。,因为,、,三个基因头尾相接，上一个基因翻译终止密码靠近下一个基因,26/111,翻译起始密码，因而同一个核糖体能沿此转录生成多顺反子（,polycistron）mRNA移动，在翻译合成了上一个基因编码蛋白质后，不从mRNA上掉下来而继续沿mRNA移动合成下一个基因编码蛋白质，一气依次合成这基因群所编码全部蛋白质。,27/111,28/111,(2)开启子,开启子,(promoter,P,)是指,能被,RNA聚合酶识别、结合并开启基因转录一段DNA序列,。操纵子最少有一个开启子，普通在第一个结构基因,5侧上游,，控制整个结构基因群转录。,用,RNA聚合酶与分离一段DNA双链混合，再加入外切核酸酶去水解DNA，结果只有被RNA聚合酶识别结合而被保护那段DNA不被水解，由此能够测出开启子范围及其序列。,29/111,即使不一样开启子序列有所不一样，但比较已经研究过上百种原核生物开启子序列，发觉有一些共同规律，它们普通长,40-60bp，含A-T bp较多，一些段落很相同，有保守性，称为共有性序列(consensus sequences)。,开启子普通可分为识别(R，recognition)、结合(B，binding)和起始(I，initiation)三个区段。,30/111,转录起始第一个碱基（通常标识位置为,+1）最常见是A；在-10bp附近有TATAAT一组共有序列，因为这段共有序列是Pribnow首先发觉，称为Pribnow盒（Pribnow box）；在-35bp处又有TTGACA一组共有序列。,31/111,32/111,不一样开启子序列不一样，与,RNA聚合酶亲和力不一样、开启转录频率高低不一样，即不一样开启子起动基因转录强弱不一样，比如：,P,L,、,P,R,、,P,T7,属强开启子，而,P,lac,则是较弱开启子。,33/111,(3)操纵区,操纵区（,operator）是指能被,调控蛋白特异性结合一段,DNA序列,，常与开启子邻近或与开启子序列重合，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录强弱。,34/111,以前将操纵区称为操纵基因（,operator gene）。但现在基因定义是为蛋白质或RNA编码核酸序列，而操纵序列并不是编码蛋白质基因，却是起着调控基因表示强弱作用，正如开启序列不叫开启基因而称为开启子一样，操纵序列就可称为操纵区。operon译为操纵子，即基因表示操纵单元之意。,35/111,以乳糖操纵子中操纵区为例，其操纵区（,o,）序列位于开启子（,p,）与被调控基因之间，部分序列与开启子序列重合。,仔细分析操纵区序列，可见这段双链DNA含有回文（palindrome）样对称性一级结构，能形成十字形茎环（stem loop结构。不少操纵区都含有类似对称性序列，可能与特定蛋白质结合相关。,36/111,阻遏蛋白与操纵区结合，就妨碍了,RNA聚合酶与开启子结合,及其后,-半乳糖苷酶等基因转录起始，从而阻遏了这群基因表示。,最早只把与阻遏蛋白结合、起阻遏作用序列称为操纵区，但其后发觉有操纵子中,37/111,同一操纵序列与不一样构像蛋白质结合，能够分别起,阻遏或激活,基因表示作用，阿拉伯糖操纵子中操纵序列就是经典例子。因而凡能与调控蛋白特异性结合、从而影响基因转录,强弱,序列，不论其对基因转录作用是,减弱、阻止或增强、开放，都可称为操纵区,。,38/111,（,4）调控基因,调控基因,(regulatory gene)是,编码能与操纵序列结合调控蛋白基因,。调控蛋白有：,阻遏蛋白,(repressive protein)：与操纵区结合后能减弱或阻止其调控基因转录，其介导调控方式为,负调控,(negative regulation)；,39/111,激活蛋白,(activating protein)：与操纵区结合后能,增强或起动,其调控基因转录，所介导调控方式为,正调控,(positive regulation)。,40/111,一些,特定物质,能与调控蛋白结合，使调控蛋白,空间构像,发生改变，从而改变其对基因转录影响，这些特定物质可称为,效应物,（,effector）。有两种：,诱导剂,(inducer)：能引发诱导发生分子；,阻遏剂或辅助阻遏剂,(corepressor)：能造成阻遏发生分子。,41/111,比如在乳糖操纵子中，调控基因,lac I,位于,P,lac,邻近，有,其本身开启子和终止子,，转录方向和结构基因群转录方向,一致,，编码产生由,347个氨基酸组成调控蛋白R,。,在环境没有乳糖存在情况下，R形成份子量为152,000,活性四聚体,，能特异性与操纵区,紧密结合,，从而阻止利用乳糖酶类基因转录，所以,R是乳糖操纵子阻遏蛋白,；,42/111,当环境中有足够乳糖时，,乳糖与,R,结合，使,R,空间构像改变,，四聚体,解聚成单体,，,失去与操纵区特异性紧密结合能力,，从而,解除了阻遏蛋白,作用，使其后基因得以转录合成利用乳糖酶类。,在这过程中,乳糖就是诱导剂,，与,R结合起到,去阻遏作用,(derepression)，诱导了利用乳糖酶类基因,转录开放,。,43/111,许多调控蛋白都是,变构蛋白,（,allosteric protein），经过与上述类似方式与效应物结合改变空间构像，从而改变活性，起到调整基因转录表示作用。,44/111,二、,乳糖操纵子表示调控,45/111,46/111,47/111,大肠杆菌能以乳糖为唯一碳源生长，这是因为它能产生一套利用乳糖酶。,这些酶受,乳糖操纵子,控制。大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌,DNA一个特定区段，由,调整基因,I，开启基因P，操纵基因O和结构基因Z、Y、A组成。,P区是转录起始时RNA聚合酶结合部位。,O区是阻遏蛋白结合部位，其功效是控制结构基因转录。,平时I基因经常进行转录和翻译，产生有活性阻遏蛋白。,48/111,Z编码-半乳糖苷酶；Y编码-半乳糖苷透过酶；A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。,-半乳糖苷酶是一个-半乳糖苷键专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。,-半乳糖苷透过酶作用是使外界-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。,-半乳糖苷乙酰基转移酶作用是把乙酰辅酶A上乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,49/111,50/111,RNA聚合酶结合部位,阻遏物结合部位,51/111,1.,阻遏蛋白负调控,当大肠杆菌在,没有乳糖,环境中生存时，,lac,操纵子处于,阻遏状态,。此,基因在其本身开启子,Pi,控制下，低水平、组成性表示产生阻遏蛋白,R，每个细胞中仅维持约,10个分子阻遏蛋白,。,R以四聚体形式与操纵子,结合，妨碍了,RNA聚合酶与开启子,P,lac,结合，阻止了基因转录起动。,R阻遏作用,不是绝对,，,R与,52/111,偶然解离,，使细胞中还有,极低水平,半乳糖苷酶及透过酶,生成。,当,有乳糖存在,时，乳糖受,半乳糖苷酶催化转变为,别乳糖,，与,R结合，使R构象改变，R四聚体解聚成单体，失去与,亲和力，与,解离，基因,转录开放,，使,半乳糖苷酶在细胞内含量可,增加,1000倍,。这就是乳糖对,lac,操纵子诱导作用。,53/111,54/111,乳糖操纵子控制模型，其主要内容以下：,Z、Y、A基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码。这个mRNA分子开启子紧接着O区，而位于I与O之间开启子区（P），不能单独起动合成-半乳糖苷酶和透过酶生理过程。操纵基因是DNA上一小段序列（仅为26bp），是阻遏物结合位点。当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA转录起始受到抑制。诱导物经过与阻遏物结合，改变它三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNA合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以开启子能够顺利起始mRNA合成。,55/111,56/111,57/111,58/111,59/111,60/111,61/111,62/111,当一个mRNA含有编码一个以上蛋白质编码信息，而且这些蛋白质都是以独立多肽被翻译时，这么mRNA称之多顺反子mRNA。多顺反子mRNA在细菌中是很普遍。,多顺反子lac mRNA中lacZ，lacY，lacA经翻译生成产物分别为LacZ（-半乳糖苷酶（-galactosidase）、LacY（-半乳糖苷通透酶（-galactoside permease）和LacA（-半乳糖苷转乙酰基酶（thiogalactoside transacetylase）。,63/111,半乳糖是,lac操纵子转录活性诱导物，人们发觉一个合成、结构上类似于别乳糖、不能被-半乳糖苷酶水解-半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）起着lac操纵子一个诱导物作用，所以IPTG惯用于诱导含有使用了lac开启子质粒载体细菌中重组蛋白表示。,64/111,一些化学合成,乳糖类似物,，不受,半乳糖苷酶催化分解，却也能与,R特异性结合使R构象改变，诱导,lac,操纵子开放。比如,异丙基硫代半乳糖苷,(isopropylthiog-alactoside，IPTG)就是很强诱导剂；不被细菌代谢而十分稳定。X-gal（5-溴-4-氯-3-吲哚-半乳糖苷）也是一个人工化学合成半乳糖苷，可被,半乳糖苷酶水解产生兰色化合物，所以能够用作,半乳糖苷酶活性指示剂。,IPTG和X-gal都被广泛应用在分子生物学和基因工程工作中。,65/111,66/111,67/111,lac 操纵子受LacI阻遏蛋白调控。,在没有诱导剂（乳糖或,IPTG）存在时，LacI阻遏蛋白与lac 操纵子DNA序列结合得非常紧密，lac 基因不能进行转录。当IPTG 存在时，IPTG与LacI阻遏蛋白相互作用，形成LacI阻遏蛋白IPTG复合物，体外研究表明，该复合物对lac 操纵基因亲和性为单独LacI阻遏蛋白亲和性千分之一。所以IPTG作为lac基因表示一个诱导剂，起着转录去阻遏作用。就象（下列图）表示那样，RNA聚合酶结合部位（lac操纵基因）也是LacI阻遏蛋白结合部位，试验表明RNA聚合酶和LacI阻遏蛋白对操纵基因序列结合是相互排斥。,68/111,69/111,原核生物基因表示调控,乳糖代谢基因表示调控图解：,(没有乳糖时),lac,Z,lac,Y,lac,A,调整基因,开启子,操纵基因,结构基因,RNA聚合酶,信使,RNA,转录,翻译,阻抑物与,操纵基因,结合，结,构基因转,录受阻,阻抑物,70/111,原核生物基因表示调控,乳糖代谢基因表示调控图解：,(有乳糖时),lac,Z,lac,Y,lac,A,调整基因,开启子,操纵基因,结构基因,RNA聚合酶,信使RNA,转录,翻译,阻抑物与乳糖结合后构象发生了改变，,因而不能与操纵基因结合，使得结构,基因进行转录。,阻抑物,乳糖,转录,半乳糖苷酶,酶,酶,乳糖分解代,谢调控过程,是一个自我,调控过程,71/111,2.,CAP正调控,细菌中,cAMP含量与葡萄糖分解代谢相关,，当细菌利用葡萄糖分解产生能量时，,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。细菌中有一个能与cAMP特异结合cAMP受体蛋白CRP(,cAMP receptor protein,)，当CRP未与cAMP结合时它是没有活性，当cAMP浓度升高时，CRP与cAMP结合并发生空间构象改变而活化，称为,CAP,(CRP-cAMP activated protein),，能以二聚体方式,与特定,DNA序列结合,。,72/111,在,lac,操纵子开启子,P,lac,上游端有一段序列与,P,lac,部分重合序列，能与,CAP特异结合,，称为,CAP结合位点,（,CAP binding site）。CAP与这段序列结合时，可,增强,RNA聚合酶转录活性，使转录提升50倍,。相反，当有葡萄糖可供分解利用时，,cAMP浓度降低，CRP不能被活化，,lac,操纵子结构基因表示下降,。,73/111,74/111,75/111,76/111,因为,P,lac,是,弱开启子,，单纯因乳糖存在发生去阻遏使,lac,操纵子转录开放，还不能使细菌,很好利用乳糖,，必需同时有,CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够酶来利用乳糖,。,lac,操纵子强诱导,既需要有乳糖存在又需要没有葡萄糖可供利用,。经过这机制，细菌是优先利用环境中葡萄糖，只有没有葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去,充分利用乳糖,。,77/111,细菌对葡萄糖以外其它糖（如阿拉伯糖、半乳糖、麦芽糖等）利用上也有类似对乳糖利用情况，在含有编码利用阿拉伯糖酶类基因群,阿拉伯糖操纵子,（,ara,operon）、,半乳糖操纵子,（,gal,operon）中也有,CAP结合位点,，,CAP也起类似,正性调控作用,。所以,CAP通用名称是,分解代谢基因激活蛋白,（,catabolic gene activator protein）。,78/111,不难看出：,CAP结合位点就是一个起,正性调控作用,操纵子，,CAP则是对转录起正性作用调控蛋白激活蛋白，编码CRP基因也是一个调控基因，不过它并不在,lac,操纵子附近，,CAP能够对,几个操纵子,都起作用。,从上所述，乳糖操纵子属于,可诱导操纵子,（,inducible operon），这类操纵子通常使是关闭，当受效应物作用后,诱导开放转录,。这类操纵子使细菌能适应环境改变，最有效地利用,环境能提供能源底物。,79/111,乳糖操纵子诱导,80/111,1,1,.4,色氨酸操纵子表示调控,81/111,色氨酸是组成蛋白质组分，普通环境难以给细菌提供足够色氨酸,，细菌要生存繁殖通常需要自己经过,许多步骤合成色氨酸,，不过一旦环境能够,提供色氨酸,时，细菌就会充分利用,外界色氨酸,、降低或停顿合成色氨酸，以减轻自己,负担,。细菌所以能做到这点是因为,有色氨酸操纵子（,trp,operon）调控。,82/111,trp,操纵子结构,trp操纵子结构见下列图：五个结构基因（E、D、C、B、A）分别编码从分支氨酸起始合成色氨酸路径酶或酶亚基。在结构基因之前为调控区域，包含开启子区（P）、操纵区（O）、前导肽编码区（L）和弱化子区（a）。,弱化子（衰减子）：在trpE与操纵基因之间有一段前导序列L（162bp），它能编码出一个内含两个并连trp14肽，因为这两个trp合成速度能控制核糖体在mRNA上移动，使得前导序列转录产物mRNA可形成特殊结构，类似转录终止信号，所以编码该结构区域基因被称为弱化子（衰减子）。,在trpA之后有两个终止信号t和t,，其中,t,为,因子所识别，所以因子也参加了调控。,Trp操纵子调整基因（trpR）产生辅阻遏蛋白，远离trp操纵子。,83/111,1.,色氨酸操纵子结构,84/111,85/111,trp操纵子调控：,开启子调控阻遏系统,弱化子（衰减子）调控,86/111,2.,阻遏蛋白负调控,合成色氨酸所需要酶类,基因,E、D、C、B、A等头尾相接串连排列组成结构基因群,，受其上游开启子,P,trp,和操纵子,调控,，调控基因,trpR,位置,远离,P-,结构基因群,，在其本身开启子作用下，以组成性方式低水平表示其编码分子量为,47000调控蛋白R,，,R并没有与,结合,活性,，当环境能提供足够浓度色氨酸时，,R与色氨酸,结合后构象改变而活化,，就能够与,特异性亲和结合,，,阻遏结构基因转录,。,87/111,色氨酸操纵子可阻遏调控,88/111,所以色氨酸操纵子属于一个,负性调控、可阻遏操纵子,（,repressible operon），即这操纵子通常是,开放转录,，有效应物（色氨酸为阻遏剂）作用时则阻遏关闭转录。细菌不少生物合成系统操纵子都属于这种类型，其调控可使细菌处于生存繁殖,最经济最节约,状态。,89/111,3.,弱化子及其作用,试验观察表明：当色氨酸到达,一定浓度,、但还没有,高到能够活化,R使其起阻遏作用程度时,，产生色氨酸,合成酶类量已经显著降低,，而且产生酶量与色氨酸浓度呈负相关。仔细研究发觉这种调控现象与色氨酸操纵子,特殊结构相关,。,90/111,在色氨酸操纵子,P,trp,-,与第一个结构基因,trp,E之间有,162bp一段先导序列,（,leading sequence，L），试验证实当色氨酸有一定浓度时，RNA聚合酶转录会,终止在这里。,这段序列中含有编码由,14个氨基酸组成短肽开放阅读框,，其序列中有,2个色氨酸,相连，在此开放阅读框前有核糖体识别结合位点（,RBS）序列，提醒这段短开放阅读框在转录后是能,被翻译,。,91/111,mRNA前导区序列分析,trp前导区碱基序列已经,全部测定,，发觉完整前导序列可分为,1、2、3、4区域,，这四个区域片段能以两种不一样方式进行,碱基配对,（图,9-10），,92/111,色氨酸操纵子转录与翻译调控,93/111,有时以,1-2和3-4配对,，有时只以,2-3方式,互补配对。核糖体经过前导区继续翻译能力,控制着这两种结构转换,，它决定,mRNA是否形成终止所需结构。前导序列终止区与普通转录,94/111,终止位点特点相同含有,成串,U和潜在能形成茎环二重对称结构,。经过,RNaseT1降解试验（此酶不水解配正确RNA）表明纯化trp前导序列中只有1-2和3-4配对方式。由此定位3-4配对区恰好位于终止密码子识别区，当这个区域发生,破坏自我碱基突变,，有利于转录,继续进行,。,95/111,转录弱化理论认为，,mRNA转录终止是经过,前导肽基因翻译来调整,，在前导肽基因中有两个相邻,色氨酸密码子,，在翻译时对,tRNA,Trp,浓度十分敏感。当培养基中色氨酸浓度很低时，负载有色氨酸,tRNA,Trp,也少,，由此推断，翻译经过两个相邻色氨酸密码子速度就会,很慢,，当,4区被转录完成时，核糖体才进行到1区（或停留在两个相邻色,96/111,氨酸密码子处），这时前导区结构是,2-3配对,，不形成,3-4配对,终止结构，所以转录可继续进行，直到将色氨酸操纵子中结构基因全部转录完成为止。测定结果发觉，在,缺乏色氨酸时全部,RNA聚合酶都能经过弱化子继续参加转录,。加上取消阻遏增加约,70倍表示，总表示量可,增加约,700倍,。,97/111,当培养基中色氨酸,浓度高,时，核糖体可顺利经过两个相邻色氨酸密码子，在,4区被转录之前，核糖体就抵达,2区,，这么使,2-3不能配对,，,3-4区能够自由配对形成茎-环式终止子结构，使得只有约10RNA聚合酶能继续参加色氨酸操纵子结构基因转录（图9-10）。由此可见，弱化子对RNA聚合酶转录终止依赖于前导肽翻译中,核糖体所处位置,，而细胞中色氨,98/111,酸,存在是否,，决定了,mRNA 转录,弱化子结构,，使弱化子中,1、2、3、4区域展现竞争性,配对，,从而,产生弱化效应,，这是色氨酸操纵子,第二水平调控机制,。应该指出，色氨酸含量改变对阻遏过程和弱化过程作用,方向是相同,。前者主要控制操纵子基因表示,开启,，而后者主要决定转录和翻译,是否能继续进行下去,。,99/111,弱化子作用,100/111,101/111,102/111,前导区转录,无色氨酸时，转录可连续进行,有色氨酸存在时，转录在弱化子区域终止,Trp操纵子弱化子调控,103/111,有色氨酸时，核糖体移动阻止了,2、3 茎环形成，但3、4茎环形成，终止转录,无色氨酸时，核糖体在,trp密码子处停留，形成2、3茎环，阻止了3、4茎环形成，转录继续,104/111,1,1,.5 细菌应急反应,细菌有时会碰到紧急情况，比,如氨基酸饥饿时，就不是缺乏一二种氨基酸，而是氨基酸全方面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反应，包含生产各种,RNA、糖、脂肪和蛋白质在内几乎全部生物化学反应过程均被停顿。,实施这一应急反应信号是鸟苷四磷酸（,ppGpp,）和鸟苷五磷酸（,pppGpp,）。产生这两种物质诱导物是空载,tRNA。,105/111,当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量不带氨基酸,tRNA，这种,空载,tRNA会激活焦磷酸转移酶，,使,ppGpp大量合成，其浓度可增加10倍以上。,ppGpp出现会关闭许多基因，当然也会打开一些合成氨基酸基因，以应付这种紧急情况。,关于ppGpp作用原理还不大清。,ppGpp与pppGpp作用范围十分广泛，它们不是只影响一个或几个操纵子，而是影响一大批，所以它们是超级调控因子。,106/111,107/111,108/111,109/111,110/111,111/111,