乳糖操纵子的表达调控.ppt

乳糖操纵子的表达调控,乳糖操纵子的基本结构,大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌DNA的一个特定区段，由调节基因I，CAP结合位点，启动基因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聚合酶的结合部位。O区是阻遏蛋白的结合部位，其功能是控制结构基因的转录。I基因通常进行转录和翻译，产生有活性的阻遏蛋白。,基本结构,LacZ编码-半乳糖苷酶，功能是是将乳糖水解为葡萄糖和半乳糖。LacY编码-半乳糖苷透过酶，功能是促进-半乳糖苷酶进入细胞。LacA编码-半乳糖苷转乙酰基酶，催化将乙酰基团从乙酰辅酶A转移到-半乳糖苷分子上。,乳糖操纵子的负调控,大肠杆菌在有葡萄糖作为碳源的培养基中生长时，不能代谢乳糖，因为缺少乳糖代谢的酶。当生长在没有葡萄糖只有乳糖的培养基中时代谢乳糖的酶量从几个分子迅速增加近千倍，即细菌在短时间内合成了能够利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳糖作为碳源的能力，在这个培养基上生存了下来。细菌获得这一能力的原因是在乳糖的诱导下开启了乳糖操纵子调控机制，表达了与代谢乳糖相关的酶所致。乳糖操纵子负调控机制如图一、图二所示,乳糖操纵子的阻遏状态,图一,乳糖操纵子的诱导状态,图二,乳糖操纵子的正调控（CAP的正调控）,在lac操纵子的启动子Plac上游端有一段序列与Plac部分重叠的序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合位点（CAPbindingsite）。CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活性，使转录提高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操纵子的结构基因表达下降。这就是乳糖操纵子的正调控。乳糖操纵子的正调控机制如图三,正调控机制,图三,正调控意义,由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使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，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。lac操纵子的强诱导既需要有乳糖的存在又需要没有葡萄糖可供利用。通过这机制，细菌是优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。,提要内容色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的阻遏调控机制色氨酸操纵子的弱化调控机制,色氨酸操纵子的表达调控,色氨酸操纵子的结构,特点,（1）trpR与trpABCDE不连锁；（2）操纵基因与启动子部分重叠（3）有衰减子（attenuator）/弱化子（4）启动子与结构基因不直接相连，二者被前导序列（Leader）所隔开,Trp操纵子阻遏调控机制,Trp操纵子转录起始的调控是通过阻遏蛋白实现的。产生阻遏蛋白的基因是trpR，在高浓度trp存在时，阻遏蛋白-色氨酸复合物形成一个同源二聚体，并且与色氨酸操纵子紧密结合，因此可以阻止转录。当trp水平低时，阻遏蛋白以一种非活性形式存在，不能结合DNA。这样trp操纵子被RNA聚合酶转录，同时trp生物合成途径被激活。因此色氨酸操纵子属于一种负性调控的、可阻遏的操纵子。,阻遏调控机制,阻遏蛋白有活性,阻遏蛋白无活性,色氨酸操纵子的弱化调控机制,实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能够活化阻遏蛋白使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。仔细研究发现这种调控现象与色氨酸操纵子弱化调控机制有关。,在色氨酸mRNA5端trpE起始密码子前有一段162bp的DNA序列和核糖体结合位点，称为前导区，实验表明如果123-150位碱基序列缺失，色氨酸操纵子基因表达量可提高6倍。如果培养基中存在一定水平的色氨酸，转录能够被启动，但在这个区域停止，产生一个140个核苷酸的RNA分子；如果没有色氨酸存在，则转录继续进行，合成trpEmRNA，所以这个区域参与了色氨酸操纵子基因表达的调节。,前导序列,研究还发现，当mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，否则转录总在这个区域停止，这就是123-150序列缺失提高色氨酸基因表达的原因。因为转录发生在这个区域并且这种终止能被调节，因此这个区域被称为弱化子或衰减子。该区域序列的mRNA可通过自我配对形成茎-环结构，具有典型的终止子的结构特点。,。茎-环结构,mRNA前导区序列分析,trp前导区的碱基序列已经全部测定，发现完整的前导序列可分为1、2、3、4区域，这四个区域的片段能以两种不同的方式进行碱基配对，有时以1-2和3-4配对，有时只以2-3方式互补配对。而3-4配对区正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，有利于转录的继续进行。,色氨酸弱化机制,高Trp时：,低Trp时:,弱化作用的意义,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