分子遗传学第四章原核生物基因的表达调控.ppt

第四章 原核生物基因的表达和调控,操纵子(operon),有原核生物中，由几个功能相关的结构基因成簇排列而组成的一个基因表达的协同单位（coordinated unite），称为操纵子(operon) 。,1.乳糖操纵子（lac operon）,3.色氨酸操纵子（trp operon）,2.阿拉伯糖操纵子（ara operon）,1.乳糖操纵子（lac operon）,结构特点 三个结构基因Z、Y、A，分别编码-半乳糖苷酶(-galactosidase)、透酶(permease)和半乳糖苷乙酰化酶(galactoside acetylase) 其上游还有一个启动子（P）和一个操纵基因（O） 启动子上游还有一个CAP蛋白结合位点,Organization of Lac Operon and LacI,promoter,Regulation of Gene Expression,（异丙基硫代半乳糖苷）,半乳糖,CAP Binding Bends DNAv,This DNA bending results in more efficient RNA polymerase binding,CAP mediates glucose repression of Lac,Promotes transcription,调控机制,I基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚体，在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操纵基因结合。当有乳糖存在时，经透酶作用进入细胞，在-半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖，后者作为诱导剂（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚，结构基因转录。,Lactose Glucose,- +,- -,+ -,+ +,LacI,CAP-cAMP,Four States of the Lac Operon,E.coli的乳糖操纵子是原核生物基因表达调控的典型例子. 1、乳糖操纵子的结构 大肠杆菌的乳糖操纵子含Z、Y及A三个结构基因，分别编码-半乳糖苷酶、透酶、乙酰基转移酶，此外还有一个操纵序列O、一个启动序列P及一个调节基因。基因编码一种阻遏蛋白，后者与O序列结合，使操纵子受阻遏而处于转录失活状态。在启动序列P上游还有一个分解（代谢）物基因激活蛋白CAP结合位点，由P序列、O序列和CAP结合位点共同构成LAC操纵子的调控区，三个酶的编码基因即由同一调控区调节，实现基因产物的协调表达。 2、阻遏蛋白的负性调节 在没有乳糖存在时，乳糖操纵子处于阻遏状态。此时，基因列在P启动序列操纵下表达的乳糖阻遏蛋白与O序列结合，故阻断转录启动。阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对，偶有阻遏蛋白与O序列解聚。因此，每个细胞中可能会有寥寥数分子半乳糖苷酶、透酶生成。 当有乳糖存在时，乳糖操纵子即可被诱导。真正的诱导剂并非乳糖本身。乳糖经透酶催化、转运进入细胞，再经原先存在于细胞中的少数 -半乳糖苷酶催化，转变为别乳糖。后者作为一种诱导剂分子结合阻遏蛋白，使蛋白构型变化，导致阻遏蛋白与O序列解离、发生转录，使-半乳糖苷酶分子增加 1000倍。,3、CAP的正性调节 分解代谢物基因激活蛋白 CAP是同二聚体，在其分子内有DNA结合区及cAMP结合位点。当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP与CAP结合，这时CAP结合在乳糖启动序列附近的CAP位点，可刺激RNA转录活性，使之提高50倍；当葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，因此乳糖操纵子表达下降。 由此可见，对乳糖操纵子来说 CAP是正性调节因素，乳糖阻遏蛋白是负性调节因素。两种调节机制根据存在的碳源性质及水平协调调节乳糖操纵子的表达。 4、对调节机制的解释 大肠杆菌根据碳源性质选择代谢方式。 倘若有葡萄糖存在时，细菌优先选择葡萄糖供应能量。葡萄糖通过降低 cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制乳糖操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。 在没有葡萄糖而只有乳糖的条件下，阻遏蛋白与 O序列解聚，CAP结合cAMP后与乳糖操纵子的CAP位点，激活转录，使得细菌利用乳糖作为能量来源。,2.阿拉伯糖操纵子（ara operon）,结构特点 结构基因 B、A、D，分别编码异构酶（isomerase）、激酶（kinase）、表位酶（epimerase），催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮糖 调控区 由启动子（P）、起始区（I）和操纵基因（O）构成,CAP,调控机制,C基因是调节基因，编码调控蛋白AraC， AraC蛋白单独存在时，结合到araO1和araO2，表现出负调控；阿拉伯糖使AraC蛋白变构，结合到araI上，表现正调控。在ara操纵子基因表达调控中，CAP蛋白的调控作用不显著。,The Arabinose Operon,This loop prevents RNA transcription,No Arabinose present, operon OFF,Arabinose present, Glucose absent, operon ON,调控作用,有葡萄糖，有或无阿拉伯糖：关闭 无葡萄糖，无阿拉伯糖：关闭 无葡萄糖，有阿拉伯糖：开放,3.色氨酸操纵子（trp operon）,结构特点 E.coli的色氨酸操纵子有五个结构基因E、D、C、B、A基因编码三种酶，用于合成色氨酸， 上游调控区由启动子（P）和操纵基因（O）组成 R基因编码阻遏蛋白,色氨酸的合成分5步完成。每个环节需要一种酶，编码这5种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子mRNA上，分别以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表，编码了邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油-3-磷酶合成酶。,调控机制,阻遏型机制及衰减机制。衰减子位于结构基因E和操纵基因O之间的L基因中。L基因的部分转录产物编码14个氨基酸，其中含两个相邻的色氨酸密码子，这两个相邻的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的偶联是产生衰减的基础。 调控作用 将环境中的色氨酸消耗完，然后