第五章基因的表达与调控

第五章基因的表达与调控第1页，共183页，2023年，2月20日，星期一Contents5．1原核基因表达调控总论5．2乳糖操纵子与负控诱导系统5．3色氨酸操纵子与负控阻遏系统5．4转录后调控第2页，共183页，2023年，2月20日，星期一原核生物和单细胞真核生物：环境影响蛋白质合成高等真核生物出现细胞分化：不同细胞所合成蛋白质在质和量上均有差异因此，不论真核还是原核细胞都有一套准确地调节基因表达和蛋白质合成的机制第3页，共183页，2023年，2月20日，星期一如果每个基因等同翻译，每一个多肽应有相同的拷贝数。

结论是否定的，基因的表达是被控制的。

组成型合成蛋白质

适应型或调节型合成蛋白质如DNA合成酶，RNA聚合酶等如β-半乳糖苷酶及参与糖代谢的酶，氨基酸、核苷酸合成系统的酶类等第4页，共183页，2023年，2月20日，星期一一个系统处于“off”状态时可能是本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞合成1～2个mRNA分子和极少量的蛋白质分子。必须明白所谓“关”实际的意思是基因表达量特别低，或者无法检测。细菌中的基本调控机制有如下规律:一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种“开-关”(on-off)活性是通过调节转录来建立的。即通过调节mRNA的合成来实现的第5页，共183页，2023年，2月20日，星期一5．1原核基因表达调控总论生物信息DNARNAProtein执行生命活动调节基因表达调控第6页，共183页，2023年，2月20日，星期一基因表达调控在两个水平上体现(1)转录水平上的调控(transcriptionalregulation);(2)转录后水平上的调控(post-transcriptionalregulation)①mRNA加工成熟水平上的调控(differentialprocessingofRNAtranscript)②翻译水平上的调控(differentialtranslationofmRNA)第7页，共183页，2023年，2月20日，星期一指挥基因调控的信号不同Prok中，营养状况和环境因素——主要

Euk中，激素水平和发育阶段——主要

在转录水平上对基因表达调控取决于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。第8页，共183页，2023年，2月20日，星期一5.1.1原核基因调控机制的类型与特点原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为：

负转录调控(negativetranscriptionregulation)

正转录调控(Positivetranscriptionregulation)第9页，共183页，2023年，2月20日，星期一负转录调控系统在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋白(repressor)－－阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。第10页，共183页，2023年，2月20日，星期一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。第11页，共183页，2023年，2月20日，星期一

负控诱导系统－－阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏蛋白结合上诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。第12页，共183页，2023年，2月20日，星期一

负控阻遏系统－－阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。第13页，共183页，2023年，2月20日，星期一正转录调控系统在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)，激活蛋白结合与DNA的启动子及RNA聚合酶后，转录才会进行。第14页，共183页，2023年，2月20日，星期一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。第15页，共183页，2023年，2月20日，星期一

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，转录进行。第16页，共183页，2023年，2月20日，星期一

在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。第17页，共183页，2023年，2月20日，星期一可诱导调节：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：第18页，共183页，2023年，2月20日，星期一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。第19页，共183页，2023年，2月20日，星期一可阻遏调节：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第20页，共183页，2023年，2月20日，星期一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。第21页，共183页，2023年，2月20日，星期一一般规律

可诱导的操纵子是一些编码分解代谢糖和氨基酸的蛋白的基因。这些操纵子常常是关闭的。一旦生存条件发生变化，如葡萄糖缺乏而必须利用乳糖作为能源时，就要打开这些基因。

可阻遏基因是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质（如氨基酸、嘌呤和嘧啶等的基因），这些基因总是打开着的。只有当细菌生活环境中有充分供应时，才关闭这些基因，停止其合成。第22页，共183页，2023年，2月20日，星期一弱化子对基因活性的影响在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰-tRNA的浓度。

当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段DNA序列被称为弱化子。第23页，共183页，2023年，2月20日，星期一当基因转录使转录产物（RNA）到不同长度时，核糖体会在对应的DNA位置上；此时RNA可以形成某种形式的二级结构；由此决定延伸复合物的结合能力，从而决定基因能否继续转录。第24页，共183页，2023年，2月20日，星期一细菌的应急反应细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿－－氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌会产生一个应急反应－－停止包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。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。第25页，共183页，2023年，2月20日，星期一当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧急状况。ppGpp影响RNA聚合酶与这些基因转录起始位点的结合，使基因被关闭。ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们影响一大批操纵子而被称为超级调控因子。第26页，共183页，2023年，2月20日，星期一5．2乳糖操纵子－－负控诱导系统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第27页，共183页，2023年，2月20日，星期一JacobandMonod第28页，共183页，2023年，2月20日，星期一2、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。第29页，共183页，2023年，2月20日，星期一第30页，共183页，2023年，2月20日，星期一操纵序列O启动序列P——上游含CAP（分解代谢物基因激活蛋白）调控区调节基因I——编码一种阻遏蛋白结构基因Z——-半乳糖苷酶Y——透酶A——乙酰基转移酶第31页，共183页，2023年，2月20日，星期一乙酰基转移酶半乳糖苷透性酶ß-半乳糖苷酶操作位点3乳糖操纵子结构调节基因第32页，共183页，2023年，2月20日，星期一一、乳糖操纵子的结构第33页，共183页，2023年，2月20日，星期一第34页，共183页，2023年，2月20日，星期一Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-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β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第35页，共183页，2023年，2月20日，星期一操纵子是一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调节的单位，包括调节基因，操纵位点，结构基因，组成一个控制单元结构基因：产生mRNA,合成蛋白质操纵位点promotor,operator：启动子结合位点调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）→结构基因不转录诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合→结构基因转录ControlelementStructuralgenes第36页，共183页，2023年，2月20日，星期一5.2.2酶的诱导现象B-半乳糖苷酶第37页，共183页，2023年，2月20日，星期一二、酶的诱导——lac体系受调控的证据第38页，共183页，2023年，2月20日，星期一分解底物的酶只有在底物存在时才出现！无乳糖时，几个β-gal/cell

加入乳糖时，5000个再去掉乳糖，lacmRNA下降

乳糖能激发lacmRNA的合成

乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶合成？培养基（35S-aa,无乳糖）→E.coli繁殖→培养基（无35S-aa,加入乳糖）→β-gal(无35S)第39页，共183页，2023年，2月20日，星期一安慰诱导物：

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-β–D-硫代半乳糖苷）。第40页，共183页，2023年，2月20日，星期一gratuitousinducer

安慰诱导物

义务诱导物可诱导半乳糖苷酶产生，但不是其底物IPTG，异丙基巯基半乳糖苷TMG，巯甲基半乳糖苷ONPG,O-硝基半乳糖苷在研究诱导作用时，很少使用乳糖第41页，共183页，2023年，2月20日，星期一5.2.3调控机理1调控区结构lacI,1045bp，独立PiP,82bp，－82～＋1O,35bp，－7～＋28lacZYA第42页，共183页，2023年，2月20日，星期一体外结合竞争实验:

阻遏物＋RNApol,off

RNApol＋阻遏物，on2.阻遏状态第43页，共183页，2023年，2月20日，星期一第44页，共183页，2023年，2月20日，星期一3诱导状态诱导物诱导作用：在可诱导的操纵元中，加入对基因表达有调节作用的小分子后，开启基因的转录活性第45页，共183页，2023年，2月20日，星期一第46页，共183页，2023年，2月20日，星期一4诱导物不是乳糖生成lac诱导物乳糖代谢Allolctose异构乳糖别乳糖细胞内β-半乳糖苷酶来源?第47页，共183页，2023年，2月20日，星期一5.2.4阻遏蛋白的作用机制1阻遏蛋白结构38KD，4聚体，一个亚基结合一个IPTG分子lacI

组成型转录

Pi弱启动子，

5－10个／cell具有二重性阻止转录（与lacO结合）开始转录（与诱导物结合）第48页，共183页，2023年，2月20日，星期一

阻遏蛋白单体的结构第49页，共183页，2023年，2月20日，星期一

阻遏蛋白的结构域

头段，-NH2端，lacO结合区绞链区

核心段，-COOH，诱导物结合区第50页，共183页，2023年，2月20日，星期一4个亚基的核心片段接触形成四聚体第51页，共183页，2023年，2月20日，星期一

对称轴，+11对称序列，6bp

阻遏蛋白的结合位点－－lacO的结构第52页，共183页，2023年，2月20日，星期一诱导物

和阻遏

蛋白结合的模型第53页，共183页，2023年，2月20日，星期一阻遏能发生在多个位点上第54页，共183页，2023年，2月20日，星期一3阻遏蛋白对RNApol功能的影响阻遏蛋白和RNApol可同时与DNA结合

RNApol与启动子结合的平衡常数1.9×107

有阻遏蛋白时,2.5×109结合着的RNApol不能转录.但加入诱导物后,释放出阻遏蛋白,变为开放型启动子复合物.阻遏蛋白实际上使RNApol贮存在启动子上。这一模式是否存在于其它操纵元系统中？第55页，共183页，2023年，2月20日，星期一5.2.5乳糖操纵子调控模型主要内容：①Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码

第56页，共183页，2023年，2月20日，星期一第57页，共183页，2023年，2月20日，星期一②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β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。第58页，共183页，2023年，2月20日，星期一第59页，共183页，2023年，2月20日，星期一③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。第60页，共183页，2023年，2月20日，星期一RNA聚合酶结合部位阻遏物结合部位第61页，共183页，2023年，2月20日，星期一

操纵位点的回文序列第62页，共183页，2023年，2月20日，星期一

④当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。

第63页，共183页，2023年，2月20日，星期一

阻遏蛋白的负性调节

没有乳糖存在时第64页，共183页，2023年，2月20日，星期一⑤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lacmRNA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。第65页，共183页，2023年，2月20日，星期一

有乳糖存在时第66页，共183页，2023年，2月20日，星期一2.2

操纵子突变－操纵子的发现（1）Oc操纵基因的组成型突变(顺式显性)

顺式显性突变（cis-dominance）：操纵基因只控制临近基因，对其他等位基因无作用，或者显性效应只对处于同一染色体上它所调控的结构基因才起作用的现象。

（2）lacIS

阻遏蛋白不可诱导性突变，阻遏蛋白失去诱导物结合位点；（3）lacI-

阻遏蛋白不能形成寡聚物（4）lacI-d阻遏蛋白不能和DNA结合，且呈负互补(反式显性)

等位基因间的互补（interalleliccomplementation）。

负的互补（negativecomplementation）：lacI-d的产物和lacI+的产物组成多聚体时，阻遏蛋白无活性。也称为反式显性（trans-dominant）。第67页，共183页，2023年，2月20日，星期一阻遏蛋白不能与突变的操纵基因结合，结构基因组成型表达（1）操纵基因突变（O+Oc），结构基因组成型表达第68页，共183页，2023年，2月20日，星期一组成型突变：lacOc

第69页，共183页，2023年，2月20日，星期一（2）操纵子不可诱导型突变阻遏蛋白失去结合诱导物位点的突变lacIs,结构基因组成型表达第70页，共183页，2023年，2月20日，星期一（3）阻抑蛋白基因的I-突变阻遏蛋白失活或者缺乏，不能和操纵基因结合，结构基因组成型表达第71页，共183页，2023年，2月20日，星期一组成型突变：

lacI-第72页，共183页，2023年，2月20日，星期一二倍体中，lacI+比lacI-占优势，表现为基因关闭，lacI-为隐性突变当野生型lacI+和突变型I-在同一细胞中第73页，共183页，2023年，2月20日，星期一不可诱导突变（超阻遏）：第74页，共183页，2023年，2月20日，星期一四、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：①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？√第75页，共183页，2023年，2月20日，星期一②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-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lacmRNA合成。第76页，共183页，2023年，2月20日，星期一2、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β-半乳糖苷酶和β-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β-半乳糖苷酶异构乳糖诱导物诱导lacmRNA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）异构乳糖第77页，共183页，2023年，2月20日，星期一乳糖第78页，共183页，2023年，2月20日，星期一3、阻遏物lacI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。第79页，共183页，2023年，2月20日，星期一4、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。代谢物阻遏效应第80页，共183页，2023年，2月20日，星期一mRNA无乳糖时有乳糖时

无葡萄糖cAMP浓度高

有葡萄糖cAMP浓度低RNA-polOOOOlac操纵子基因表达既需要乳糖又需缺乏葡萄糖第81页，共183页，2023年，2月20日，星期一5、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）

第82页，共183页，2023年，2月20日，星期一葡萄糖对lac操纵元表达的抑制是间接的

葡萄糖的降解是通过cAMP与CAP结合起作用的

cAMP:环化腺苷酸CAP,cataboliteactivatorprotein

由crp编码CRP,catabolitereceptorprotein第83页，共183页，2023年，2月20日，星期一第84页，共183页，2023年，2月20日，星期一ZYAOPDNA

调控区CAP结合位点启动序列操纵序列

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶cAMP—CAP复合物第85页，共183页，2023年，2月20日，星期一CAP的结合对DNA构型的影响DNA弯曲弯曲点位于CAP结合位点二重对称的中心弯曲使CAP能与启动子上的RNApol接触第86页，共183页，2023年，2月20日，星期一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浓度低第87页，共183页，2023年，2月20日，星期一++++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ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正调控第88页，共183页，2023年，2月20日，星期一

CAP的正性调节第89页，共183页，2023年，2月20日，星期一

第90页，共183页，2023年，2月20日，星期一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。cAMP—CAP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(catabolicrepression)。

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。第91页，共183页，2023年，2月20日，星期一第92页，共183页，2023年，2月20日，星期一

协调调节第93页，共183页，2023年，2月20日，星期一TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP第94页，共183页，2023年，2月20日，星期一TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!第95页，共183页，2023年，2月20日，星期一TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!第96页，共183页，2023年，2月20日，星期一五、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）β-半乳糖甘酶分解产物（体内积累）β-半乳糖甘乙酰基转移酶半乳糖甘分子（IPTG）乙酰基第97页，共183页，2023年，2月20日，星期一2、lac基因产物数量上的比较β-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）lacmRNA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lacmRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。第98页，共183页，2023年，2月20日，星期一3、操纵子的融合与基因工程POZYAtsxPOpur结构基因缺失lacoperonpuroperon第99页，共183页，2023年，2月20日，星期一Summary第100页，共183页，2023年，2月20日，星期一第101页，共183页，2023年，2月20日，星期一SummaryoflacoperonregulationGlucose（葡萄糖）cAMPLactose（乳糖）TranscriptionoflacmRNAHighLowPresentlowrateofexpressionHighLowAbsentessentiallynoneLowHighAbsent（停止）essentiallynoneLowHighPresenthighrateofexpression第102页，共183页，2023年，2月20日，星期一

（一）乳糖操纵子的结构R第103页，共183页，2023年，2月20日，星期一

（二）阻遏蛋白的负性调节

没有乳糖存在时第104页，共183页，2023年，2月20日，星期一

有乳糖存在时第105页，共183页，2023年，2月20日，星期一

（三）CAP的正性调节第106页，共183页，2023年，2月20日，星期一

第107页，共183页，2023年，2月20日，星期一

（四）协调调节第108页，共183页，2023年，2月20日，星期一lac

操纵子小结通常情况（葡萄糖供应正常）阻遏蛋白与操纵序列结合，基因不转录。细胞外的乳糖通过透性酶吸收到细胞内；细胞内的β-半乳糖苷酶将乳糖转变为异乳糖。异乳糖结合到乳糖阻抑物上使之从操纵序列上脱离，聚合酶迅速开始lacZYA基因的转录。这就是负控诱导。然而，还需要细菌生长系统中缺少葡萄糖，使cAMP含量增加，才有足够量的cAMP与CRP结合形成CRP-cAMP复合物结合于Plac上游。使DNA双螺旋发生弯曲，转录才可以有效地进行。第109页，共183页，2023年，2月20日，星期一5.3色氨酸操纵子（trpoperon）内容提要：色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的弱化机制第110页，共183页，2023年，2月20日，星期一Trpoperon

生物细胞中的氨基酸合成，也受操纵元的调节。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。第111页，共183页，2023年，2月20日，星期一一、色氨酸操纵子的结构

调控基因结构基因

催化分枝酸转变为色氨酸

的酶

trpRtrp第112页，共183页，2023年，2月20日，星期一第113页，共183页，2023年，2月20日，星期一trpR,阻遏蛋白P：

-40～+18O：-21～

+1L：

+1～

+162结构基因t：

A下游36bp,不依赖pt′：t下游250bp，依赖p基因组成第114页，共183页，2023年，2月20日，星期一第115页，共183页，2023年，2月20日，星期一特点:(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)所隔开第116页，共183页，2023年，2月20日，星期一二、trp操纵子的阻遏系统低Trp时：阻遏物不结合操纵基因;高Trp时：阻遏物+Trp结合操纵基因第117页，共183页，2023年，2月20日，星期一1TrpR四聚体第118页，共183页，2023年，2月20日，星期一阻遏蛋白＋trp

→有活性的阻遏物SNE299＋trpO→不转录第119页，共183页，2023年，2月20日，星期一2阻遏蛋白的结合位点trpO-21~+1，反向重复序列trpP-40~+18活性阻遏物与trpO的结合与RNApol与启动子的结合发生竞争SNE299第120页，共183页，2023年，2月20日，星期一3阻遏系统主管转录是否启动，在缺乏Trp时，mRNA起始合成，但不能自动延伸，一般在trpE之前终止转录

粗调开关第121页，共183页，2023年，2月20日，星期一Trp有Trp无TrpmRNAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶高低?色氨酸操纵子第122页，共183页，2023年，2月20日，星期一三、trp操纵子的弱化机制衰减子（attenuator）/弱化子前导序列（leadersequence）第123页，共183页，2023年，2月20日，星期一1、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）。123~150第124页，共183页，2023年，2月20日，星期一

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。第125页，共183页，2023年，2月20日，星期一2、前导序列：在trpmRNA5'端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。第126页，共183页，2023年，2月20日，星期一

S312POE4321LDNARNAATGTGA2trpcodons1432前导肽14aa第127页，共183页，2023年，2月20日，星期一第128页，共183页，2023年，2月20日，星期一3、弱化机制第129页，共183页，2023年，2月20日，星期一

前导肽转录终止结构第130页，共183页，2023年，2月20日，星期一

转录衰减（attenuation）：

是指转录可正常起动，但在转录进入

第一个结构基因前即突然停止的过程。 由于这一终止作用并不能使正在进行的 结构基因转录中途停止，而仅是部分中 途停止转录，所以称为转录衰减。第131页，共183页，2023年，2月20日，星期一

衰减子（attenuator）：

操纵子前导区内类似于终止子结构的一段DNA序列，称为衰减子。其作用是减弱操纵子的转录。第132页，共183页，2023年，2月20日，星期一

.转录衰减第133页，共183页，2023年，2月20日，星期一UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’

RNA聚合酶终止第134页，共183页，2023年，2月20日，星期一UUUU……342423UUUU……核糖体

前导肽

前导mRNA

15’trp密码子

结构基因前导DNA

RNA聚合酶2.当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录

序列3、4不能形成衰减子结构第135页，共183页，2023年，2月20日，星期一LowTrpHighTrp第136页，共183页，2023年，2月20日，星期一转录、翻译偶联,产生前导肽Trp-tRNATrp

存在核糖体通过片段1(2个Trp密码子)封闭片段2片段3，4形成发夹结构类似于不依赖ρ因子的转录终止序列RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物高Trp时：第137页，共183页，2023年，2月20日，星期一RNA聚合酶继续转录Trp-tRNATrp

没有供应核糖体翻译停止在片段1（2个Trp密码子）片段2，3形成发夹结构转录不终止低Trp时：第138页，共183页，2023年，2月20日，星期一弱化子对转录调控的关键空间结构，10thand11thcodonsencodetrpresidues(rareAA)时间，核糖体停顿在2个Trp密码子上时，产生延宕，此时4区未转录出来Theleaderpeptideistodeterminertrpavailabilityandtoregulatetranscriptiontermination14–amino-acid(encodedby27-68oftheleaderRNAsummary第139页，共183页，2023年，2月20日，星期一5.3.4阻遏作用与弱化作用的协调

阻遏效率启动子的转录起始频率在R+和R-相差70倍弱化作用

trp存在时，约有10％的RNApol侥幸转录

-trp

活性阻遏物－－－－→无活性阻遏物

←－－－－

+trptrp操纵子具有双重调节体系？第140页，共183页，2023年，2月20日，星期一Negative—repressibleoperon可以被最终合成产物所阻遏RPOleadingseq.EDCBAtrp+为什么需要阻遏体系？当大量Trp存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，阻止先导mRNA合成。

经济第141页，共183页，2023年，2月20日，星期一仅有少量trp时，RNApol启动，但在L.S.处脱落，转录中断RPOleadingseq.EDCBA少量trp+不足以结合

O

位点为什么需要弱化系统？当trp浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发trp合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基中适当的Trp水平。第142页，共183页，2023年，2月20日，星期一5.3.5细菌演化出弱化系统的生物学意义

通过tRNA荷载与否进行调控，更为灵敏氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而tRNA荷载为标准进行调控更为恰当两个调控系统，避免浪费提高效率阻遏系统高水平trp时，不转录低水平trp时，转录至LS

弱化系统细调原核生物细致的精细调控机制增强原核生物对环境的适应性第143页，共183页，2023年，2月20日，星期一第144页，共183页，2023年，2月20日，星期一

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。第145页，共183页，2023年，2月20日，星期一一、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）-AUG5.4转录后水平上的调控第146页，共183页，2023年，2月20日，星期一二、稀有密码子对翻译的影响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第147页，共183页，2023年，2月20日，星期一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37621σ亚基26740DnaG蛋白363232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。第148页，共183页，2023年，2月20日，星期一三、重叠基因对翻译的影响第149页，共183页，2023年，2月20日，星期一TrpB–谷氨酸-异亮氨酸-终止

GAA--AUC--UGA

--UGG--AA

AUG--GAA

甲硫氨酸–谷氨酸–trpAtrpE—苏氨酸—苯丙氨酸—终止

ACU--UUC--UGA--UGG--CUAUG

AUG–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。第150页，共183页，2023年，2月20日，星期一翻译的调控一.翻译起始的调控(一)重叠核苷酸与翻译调控１．色氨酸操纵子

TrpE-Thr-Phe-终止密码子

ACUUUCUGAUGGCU

Met-Ala-TrpDTrpB-Glu-Ile-终止

GAAAUCUGAUGGAA

Met-Glu-TrpA第151页，共183页，2023年，2月20日，星期一在E.coli的gal操纵子中E.T.K三个基因，T与K以另一种形式重叠来达到协调一致：第152页，共183页，2023年，2月20日，星期一(二)翻译水平的自我调控第153页，共183页，2023年，2月20日，星期一第154页，共183页，2023年，2月20日，星期一第155页，共183页，2023年，2月20日，星期一第156页，共183页，2023年，2月20日，星期一第157页，共183页，2023年，2月20日，星期一第158页，共183页，2023年，2月20日，星期一第159页，共183页，2023年，2月20日，星期一(三)二级结构对翻译起始的调控E.coli的RNA噬菌体MS2,R17,f2和Qβ都非常小（直径约为250）,是最简单的病毒。基因组长3600～4200nt，只含4个基因：A、cp、Rep和Lys。CP(coatprotein)含129aa,MW为13.7KDa。A（atachment）编码附着蛋白（含393氨aa，MW为44KDa）；Rep（replicase）编码复制酶（含544aa，MW为61KKDa）；lys（lysis）白基因编码裂解蛋白,和cp，Rep基因重叠，该蛋白含75aa。第160页，共183页，2023年，2月20日，星期一第161页，共183页，2023年，2月20日，星期一(四)反义RNA的调控1884年Mizuno,T.等发现干扰mRNA的互补RNA（mic-RNA,mRNA-interferingcomplementaryRNA）antisenseRNA的作用可能有两种机制。(1)和靶核苷酸序列形成双链区，直接阻碍其翻译的起始。(2)在靶分子的部分区域形成双链区，改变其构象，直接影响其功能。第162页，共183页，2023年，2月20日，星期一第163页，共183页，2023年，2月20日，星期一二.翻译的延伸调控(一)稀有密码子的调控第164页，共183页，2023年，2月20日，星期一第165页，共183页，2023年，2月20日，星期一在25种非调控蛋白中：

AUU37%IleAUC62%AUA1%在dnaG中22个Ilecodons

AUU36％

IleAUC32％

AUA32%第166页，共183页，2023年，2月20日，星期