第七章原核生物表达调控图

1、第一节 概述 第七章第七章 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控 P194-195 负转录调控（阻遏蛋白）负转录调控（阻遏蛋白） 负控诱导负控诱导 负控阻遏负控阻遏 正转录调控（激活蛋白）正转录调控（激活蛋白） 正控诱导正控诱导 正控阻遏正控阻遏 可诱导调节：乳糖操纵子可诱导调节：乳糖操纵子 可阻遏调节：色氨酸操纵子可阻遏调节：色氨酸操纵子 弱化子调节：色氨酸操纵子弱化子调节：色氨酸操纵子 降解物阻遏：葡萄糖效应（降解物阻遏：葡萄糖效应（cAMP） 细菌的应急反应：细菌的应急反应： 信号鸟苷四磷酸或鸟苷五磷酸信号鸟苷四磷酸或鸟苷五磷酸 诱导物空载诱导物空载tRNA 第二节第二节 操纵子学说

2、操纵子学说 v操纵子模型操纵子模型 1. 操纵子的发现操纵子的发现 2. 操纵子的结构操纵子的结构 vLacLac操纵子的调控机理操纵子的调控机理 1. 可诱导的负调控可诱导的负调控 2. 可诱导的正调控可诱导的正调控 Francis Jacob Jacques Monod Discovery of Operon 1961年年, F. Jacob & J.Monod提出提出, 此后不断完善，此后不断完善， 获获1965年诺贝尔生理医学奖。年诺贝尔生理医学奖。 1940年，年， Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的 培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗培养基上

3、生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗 尽后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长尽后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长 会出现停顿，即产生会出现停顿，即产生“二次生长曲线二次生长曲线”。 细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶。细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶。 诱导酶产生的实验证据：诱导酶产生的实验证据： 1. 诱导前后酶的表达情况有何变化？诱导前后酶的表达情况有何变化？ 分解底物的酶只有当底物存在时才出现！分解底物的酶只有当底物存在时才出现！ 培养基（培养基（35S-aa, 无乳糖）无乳糖） E.coli 繁殖繁殖细胞有放射性细胞有放射性 培养基（无培养基（无35S -aa, 加入乳糖）加

4、入乳糖） -gal(无无35S) 2.诱导酶是由酶前体转化而来，还是新酶合成的？诱导酶是由酶前体转化而来，还是新酶合成的？ 乙酰基转移酶乙酰基转移酶半乳糖苷半乳糖苷透过酶透过酶 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 操纵区操纵区 乳糖操纵子的结构（乳糖操纵子的结构（P201） 调节基因调节基因 1. 非代谢诱导物，安慰诱导物非代谢诱导物，安慰诱导物 gratuitous inducer （P201） 可诱导半乳糖苷酶产生，但不是其底物可诱导半乳糖苷酶产生，但不是其底物 异丙基半乳糖苷（异丙基半乳糖苷（ IPTG） 巯甲基半乳糖苷（巯甲基半乳糖苷（ TMG） O-硝基半乳糖苷（硝基半乳糖苷（ ONPG） 2.

5、本底水平的组成本底水平的组成 型合成（型合成（P203） 乳糖乳糖 异乳糖异乳糖 原核生物基因表达调控 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 乳糖代谢乳糖代谢 生成诱导物生成诱导物 葡萄糖葡萄糖半乳糖半乳糖 异乳糖异乳糖 乳糖操纵子的调控机制：乳糖操纵子的调控机制： 1. 负调控（负控制）：阻遏蛋白的调控作用负调控（负控制）：阻遏蛋白的调控作用 lacI P OlacZ lacY lacA Lac操纵子被关闭操纵子被关闭 阻遏蛋白单体阻遏蛋白单体 阻遏蛋白四聚体阻遏蛋白四聚体 无诱导物时无诱导物时 lacIPO lacZ lacY lacA -半乳糖苷酶半乳糖苷酶透过酶透过酶转乙酰基酶转乙酰基酶 无活性阻遏

6、蛋白无活性阻遏蛋白 诱导物诱导物 Lac操纵子被诱导物开启操纵子被诱导物开启 有诱导物时有诱导物时 无诱导物无诱导物阻遏蛋白有活性阻遏蛋白有活性 lac操纵子关闭操纵子关闭 有诱导物有诱导物阻遏蛋白无活性阻遏蛋白无活性 lac操纵子开启操纵子开启 转录转录 原核生物基因表达调控 对称轴，对称轴，+11 对称序列，对称序列，6bp 阻遏蛋白的结合位点阻遏蛋白的结合位点lacO的结构的结构 2. 正调控：正调控： cAMP-CRP的调控作用（的调控作用（P204） cAMP-CRP促进结构基因转录，使操纵子开启促进结构基因转录，使操纵子开启 I -70 -50 II -50 -40 cAMP-CR

7、P复合物与启动子的结合是复合物与启动子的结合是lac mRNA 合成起始所必需的，有利于形成稳定的开放型启合成起始所必需的，有利于形成稳定的开放型启 动子动子RNA聚合酶结构（聚合酶结构（P206）。）。 CAP, catabolite activator protein CRP, catabolite receptor protein 由由crp编码编码 环腺苷酸环腺苷酸 cAMP cAMP受葡萄糖代谢受葡萄糖代谢 的影响：的影响： 葡萄糖代谢的中间葡萄糖代谢的中间 产物抑制产物抑制cAMP合成合成 或促进或促进cAMP分解分解 葡萄糖对葡萄糖对lac操纵子表达的抑制是间接的操纵子表达的抑制

8、是间接的 有葡萄糖有葡萄糖无无cAMP CRP不结合不结合操纵子关闭操纵子关闭 无葡萄糖无葡萄糖有有cAMP cAMP-CRP结合结合操纵子开启操纵子开启 第三节 色氨酸操纵子 Trp操纵子的结构操纵子的结构 可阻遏的负调控可阻遏的负调控-粗调粗调 弱化系统弱化系统-细调细调 一、一、Trp操纵子的结构（操纵子的结构（P209） 阻遏蛋白基因阻遏蛋白基因R 启动子启动子P， -40+18 操纵位点操纵位点O, -21+1 前导序列前导序列L, +1+162 结构基因结构基因 E、D、C、B、A Trp 无活性阻遏蛋白无活性阻遏蛋白 有活性阻遏有活性阻遏 蛋白蛋白 trp操纵子被关闭操纵子被关闭

9、 有色氨酸时：有色氨酸时： 二、可阻遏的负调控二、可阻遏的负调控 原核生物基因表达调控 trp操纵子被开启操纵子被开启 无色氨酸时：无色氨酸时： 无活性的无活性的 阻遏蛋白阻遏蛋白 trpR trpP trpOtrpE trpD trpC trpB trpA 原核生物基因表达调控 trpO -21 +1，反向重复序列，反向重复序列 trpP -40 +18 活性阻遏物结合活性阻遏物结合trpO 与与 RNA pol 结合启动子发生竞争结合启动子发生竞争 Trp操纵子的操纵区完全位于启动子内操纵子的操纵区完全位于启动子内 三、弱化作用三、弱化作用 attenuation（P211） 1 弱化子（

10、衰减子，弱化子（衰减子，） 原核生物基因表达调控 4321 PO E L DNA RNA ATGTGA 2 trp codons 1432 2. 前导序列的分区及二级结构前导序列的分区及二级结构 弱化子弱化子抗终止子抗终止子 前导肽14aa 3 .前导肽前导肽 前导肽的翻译（前导肽的翻译（Trp浓度）决定弱化子是否形成，进浓度）决定弱化子是否形成，进 而决定转录是否继续。而决定转录是否继续。 高色氨酸时高色氨酸时 R P O leading seq. E D C B A trp + 为什么需要阻遏体系？为什么需要阻遏体系？ 当大量外源当大量外源Trp 存在时，阻遏系统起作用，阻遏物与存在时，阻

11、遏系统起作用，阻遏物与 之结合，阻止前导之结合，阻止前导RNA合成。合成。 当当 trp浓度降低时，浓度降低时，RNApol启动，启动， 但在但在L.S.处脱落，转录中断处脱落，转录中断 R P O leading seq. E D C B A Trp减少减少 + 不足以结合不足以结合 O 位点位点 为什么需要弱化系统？为什么需要弱化系统？ 为什么需要弱化系统？为什么需要弱化系统？ 弥补阻遏作用的不足，因为阻遏只能使弥补阻遏作用的不足，因为阻遏只能使 转录不起始，而弱化能使已经起始的转转录不起始，而弱化能使已经起始的转 录中途停止。录中途停止。 当当trp浓度降低时，阻遏物从有活性变为浓度降低

12、时，阻遏物从有活性变为 无活性，速度极慢，不能很快引发无活性，速度极慢，不能很快引发trp 合合 成，因此需要一个能快速作出反应的系成，因此需要一个能快速作出反应的系 统（抗终止子），以保持培养基中适当统（抗终止子），以保持培养基中适当 的的Trp水平。水平。 细菌演化出弱化系统的生物学意义细菌演化出弱化系统的生物学意义 通过通过tRNA负载与否进行调控，更为灵敏负载与否进行调控，更为灵敏 氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而tRNA 负载为标准进行调负载为标准进行调 控更为恰当控更为恰当 两个调控系统，避免浪费提高效率两个调控系统，避免浪费提高效率 阻遏系统阻

13、遏系统 大量大量trp时，不转录时，不转录 无无trp时，转录全部结构基因时，转录全部结构基因 弱化系统弱化系统 高水平高水平trp时，转录至前导时，转录至前导RNA 低水平低水平trp时，转录全部结构基因时，转录全部结构基因 原核生物细致的精细调控机制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增强原核生物对环境的适应性 第四节 其他操纵子 半乳糖操纵子 阿拉伯糖操纵子 3个结构基因：个结构基因： galE，异构酶异构酶(UDP-galactose-4epimerase,)， galT，半乳糖，半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose transfera

14、se,)， galK，半乳糖激酶，半乳糖激酶(galactose kinase,)。 半乳糖半乳糖葡萄糖葡萄糖-1-磷酸。磷酸。 GalR与与galE、T、K及操纵区及操纵区O等离得很远，而等离得很远，而galR产物对产物对 galO的作用与的作用与lacI-lacO的作用相同。的作用相同。 半乳糖操纵子半乳糖操纵子 gal操纵子的特点：操纵子的特点： 它有两个启动子，其它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的可从两个不同的 起始点开始转录；每个启动子拥有各自的起始点开始转录；每个启动子拥有各自的RNA 聚合酶结合位点聚合酶结合位点S1和和S2。 它有两个它有两个O区，一个在区，一个在P区上游

15、区上游-67-53，另，另 一个在结构基因一个在结构基因galE内部。内部。 因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人 们猜想当葡萄糖存在时半乳糖操纵子不们猜想当葡萄糖存在时半乳糖操纵子不 被诱导，但实际上有葡萄糖存在时，被诱导，但实际上有葡萄糖存在时，gal 操纵子仍可被诱导。操纵子仍可被诱导。 从从S1起始的转录只有在培养基中起始的转录只有在培养基中无葡萄糖无葡萄糖时，才时，才 能顺利进行，能顺利进行，RNA聚合酶与聚合酶与S1的结合需要半乳的结合需要半乳 糖、糖、CRP和较高浓度的和较高浓度的cAMP。 从从S2起始的转录则起始的转录则完全依赖于葡萄糖完全依赖

16、于葡萄糖，高水平的，高水平的 cAMP-CRP能抑制由这个启动子起始的转录。能抑制由这个启动子起始的转录。 当有当有cAMP-CRP时，转录从时，转录从S1开始；当无开始；当无 cAMP-CAP时，转录从时，转录从S2开始。开始。 为什么为什么gal操纵子需要两个转录起始位点？操纵子需要两个转录起始位点？ 1、半乳糖可作为唯一碳源供细胞生长。、半乳糖可作为唯一碳源供细胞生长。 2、尿苷二磷酸半乳糖（、尿苷二磷酸半乳糖（UDP-gal）是大肠杆菌细胞）是大肠杆菌细胞 壁合成的前体。壁合成的前体。 在没有外源半乳糖的情况下，在没有外源半乳糖的情况下，UDP-gal是通是通 过过半乳糖差向异构酶半乳

17、糖差向异构酶的作用由的作用由UDP-葡萄糖合成葡萄糖合成 的，该酶是的，该酶是galE基因的产物。基因的产物。 现在设想只有现在设想只有S1一个启动子，那么由于这个启动子的一个启动子，那么由于这个启动子的 活性依赖于活性依赖于cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时就，当培养基中有葡萄糖存在时就 不能合成异构酶。不能合成异构酶。 假如唯一的启动子是假如唯一的启动子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的，那么，即使在葡萄糖存在的 情况下，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，这无情况下，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，这无 疑是一种浪费。疑是一种浪费。 原核生物基因表达调控 原核生物基因表达调控

18、第五节第五节 转录后水平的调控转录后水平的调控 q 翻译起始的调控翻译起始的调控-SD序列与序列与AUG的距离的距离 q 稀有密码子的影响稀有密码子的影响-数量较少的蛋白数量较少的蛋白 q 重叠基因的控制重叠基因的控制-两种蛋白的等量翻译两种蛋白的等量翻译 q Poly(A）尾的影响）尾的影响蛋白合成旺盛，尾长蛋白合成旺盛，尾长 q 翻译阻遏翻译阻遏蛋白质阻遏翻译的进行蛋白质阻遏翻译的进行 q 蛋白合成自体调控蛋白合成自体调控 q 魔斑核苷酸水平魔斑核苷酸水平 q 反义反义RNA与与mRNA互补的互补的RNA 翻译起始调控翻译起始调控 SD序列与核糖体序列与核糖体16S rRNA的的3端互补配

19、端互补配 对，促使核糖体结合到对，促使核糖体结合到mRNA上上 SD与与AUG之间相距一般以之间相距一般以410个核苷个核苷 酸为佳，酸为佳，9个最佳个最佳 mRNA二级结构影响翻译起始调控二级结构影响翻译起始调控 稀有密码子对翻译影响稀有密码子对翻译影响 高频率使用稀有密码子的翻译过程容易高频率使用稀有密码子的翻译过程容易 受阻，影响蛋白质合成总量受阻，影响蛋白质合成总量 重叠基因对翻译的影响重叠基因对翻译的影响 重叠的密码保证了同一核糖体对两个连重叠的密码保证了同一核糖体对两个连 续基因进行翻译的机制续基因进行翻译的机制 偶联翻译可能是保证两个基因产物在数偶联翻译可能是保证两个基因产物在数 量上相等的重要手段量上相等的重要手段 Poly(A）尾长短对翻译的影响）尾长短对翻译的影响 细胞中蛋白合成旺盛时，细胞中蛋白合成旺盛时，mRNA链上核糖链上核糖 体数量多，体数量多， mRNA链上的链上的poly(A)也较长也较长 当某些当某些mRNA链不再翻译时，核糖体释放，链不再翻译时，核糖体释放， mRNA链上的链上的poly(A)也相应缩短也相应缩短 翻译的阻遏翻译的阻遏 复制酶作为翻译阻遏物复制酶作为翻译阻遏物 纯化的复制酶可以和外