第11章：原核生物基因表达调控

1、第第1111章章原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控一一. . 原核生物基因表达调控概述原核生物基因表达调控概述 随着生物个体的发育，随着生物个体的发育，DNADNA分子能有序地将分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子其所承载的遗传信息，通过密码子- -反密码子反密码子系统转变成蛋白质，执行各种生理生化功能。系统转变成蛋白质，执行各种生理生化功能。科学家把从科学家把从DNADNA到蛋白质的过程称为到蛋白质的过程称为基因表达基因表达（gene expressiongene expression），对这个过程的调节就），对这个过程的调节就称为称为基因表达调控基因表达调控（gene reg

2、ulationgene regulation或或gene gene controlcontrol）。）。1.1.基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义 适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖 维持个体发育与分化维持个体发育与分化2.2.原核基因表达调控的特点原核基因表达调控的特点 1 1）原核生物基因表达调控包括在）原核生物基因表达调控包括在DNADNA水平、转录水平、转录水平、转录后水平和翻译水平，但水平、转录后水平和翻译水平，但转录水平的调节转录水平的调节是最有效、最经济的方式，也是最主要的调节方式是最有效、最经济的方式，也是最主要的调节方式。2 2）原核生物基因的表达

3、调控多以操纵子为单位进原核生物基因的表达调控多以操纵子为单位进行行，即：将功能相关的基因组织在一起，同时开启，即：将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达。或关闭基因表达。3 3）基因调控的模式可分成两大类，正调控和负调）基因调控的模式可分成两大类，正调控和负调控，控，原核生物以负调控为主原核生物以负调控为主。3.3.原核基因表达调控的几个概念原核基因表达调控的几个概念1 1）顺式作用元件和反式作用因子）顺式作用元件和反式作用因子基因表达的产物基因表达的产物( (蛋白质或蛋白质或RNA)RNA)从合成的场所扩散到从合成的场所扩散到目标场所而发挥作用的过程称为目标场所而发挥作用的过程称

4、为反式作用反式作用（trans-trans-actingacting），此基因表达产物被称为），此基因表达产物被称为反式作用因子反式作用因子（trans-acting factortrans-acting factor） 。反式作用因子通常为的蛋白。反式作用因子通常为的蛋白质或质或RNARNA。顺式作用顺式作用（cis-actingcis-acting）: :任一不转变为任何其他形任一不转变为任何其他形式的式的DNADNA序列在原位发挥作用，影响与其相连的其它序列在原位发挥作用，影响与其相连的其它DNADNA序列的活性。序列的活性。 顺式作用元件顺式作用元件（cis-acting factor

5、cis-acting factor）：指对基因）：指对基因表达有调节活性的表达有调节活性的DNADNA序列，其活性只影响与其自身序列，其活性只影响与其自身同处在一个同处在一个DNADNA分子上的基因。顺式作用元件通常不分子上的基因。顺式作用元件通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。如：位编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。如：位于转录单位开始和结束位置上的启动子和终止子，于转录单位开始和结束位置上的启动子和终止子，都是典型的顺式作用元件。都是典型的顺式作用元件。 基因活性的调控主要通过基因活性的调控主要通过反式作用因子和反式作用因子和顺式作用元件相互作用顺式作用元件相互作用而实现。而实

6、现。2 2）结构基因和调节基因）结构基因和调节基因 组成基因组成基因/ /管家基因管家基因（constitutive gene,constitutive gene, housekeeping genehousekeeping gene）是指不大受环境变动而持）是指不大受环境变动而持续表达的一类基因。如聚合酶，聚续表达的一类基因。如聚合酶，聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的基因合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的基因 。调节基因调节基因（regulated generegulated gene）指环境的变化容）指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因。如：不同生长易使其表达水平变动的一

7、类基因。如：不同生长发育时期表达的一些基因。发育时期表达的一些基因。3 3）正调控和负调控）正调控和负调控正调控正调控(positive control)(positive control)在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白后基因活性就被开启，这样的调控为正转调节蛋白后基因活性就被开启，这样的调控为正转录调控。录调控。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调节蛋白调节蛋白负调控（负调控（negative control)在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，

8、加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的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。调控负转录调控。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白不转录，基因封闭不转录，基因封闭4 4）激活蛋白和阻遏蛋白）激活蛋白和阻遏蛋白激活蛋白（激活蛋白（activator)activator)，在正调控系统中，在正调控系统中，调节蛋白称诱导蛋白或激活蛋白。和操纵基调节蛋白称诱导蛋白或激活蛋白。和操纵基因结合后引起基因表达开放。因结合后引起基因表达开放。 阻遏蛋白（阻遏蛋白（repressor),repressor), 是负调控系统中由是负调控系统中由调节基因编码

9、的调节蛋白。和操纵基因结合调节基因编码的调节蛋白。和操纵基因结合后引起基因表达关闭。后引起基因表达关闭。 P1H1P2hinH2阻遏基因DNAH2鞭毛素Hin重组酶P1H1P2hinH2阻遏基因H1鞭毛素倒位片段倒位片段阻遏蛋白阻遏蛋白二、二、DNADNA水平调控水平调控1.1. 细菌细菌DNADNA重排对基因表达的影响重排对基因表达的影响鼠伤寒沙门菌鞭毛素基因的调节鼠伤寒沙门菌鞭毛素基因的调节鼠伤寒沙门氏菌（鼠伤寒沙门氏菌（S.typhimrium）的）的相转变相转变（phase variation）2.2. 因子对原核生物转录起始的调控因子对原核生物转录起始的调控因子因子: :原核生物原核

10、生物RNARNA聚合酶的一个亚基，是转录起聚合酶的一个亚基，是转录起始所必需的因子，主要影响始所必需的因子，主要影响RNARNA聚合酶对转录起始位聚合酶对转录起始位点的正确识别，这种点的正确识别，这种因子称因子称70,70,此外还有分子量此外还有分子量不同不同, ,功能不同的其他功能不同的其他因子因子 。在转录起始阶段，在转录起始阶段，因子识别特异启动序列；不同因子识别特异启动序列；不同的的因子决定特异编码基因的转录激活，也决定不因子决定特异编码基因的转录激活，也决定不同同RNARNA（mRNAmRNA、rRNArRNA和和tRNAtRNA）基因的转录。）基因的转录。亚基在亚基在转录延长时脱落

11、。转录延长时脱落。 在在E.coliE.coli，不同类型的启动子需要不同类型的，不同类型的启动子需要不同类型的因子因子32 调控热休克基因调控热休克基因 （heat shock genesheat shock genes） 54/60 调控氮代谢基因调控氮代谢基因 F F 调控鞭毛基因调控鞭毛基因 43 调控噬菌体基因枯草杆菌调控噬菌体基因枯草杆菌 ( (B.subtilisB.subtilis) )1.1.操纵子学说操纵子学说 （theory of operon)theory of operon)19611961年，法国巴斯德研究院的年，法国巴斯德研究院的Francois Francois

12、 JacobJacob（雅各布）（雅各布）与与Jacques Jacques MonodMonod（莫洛）（莫洛）提出提出获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖三三. .操纵子对基因表达的调控操纵子对基因表达的调控2. 操纵子操纵子：是原核生物在分子水平上基因表达调控的是原核生物在分子水平上基因表达调控的单位，由单位，由启动子启动子、操纵基因操纵基因及其所控制的一组功能上及其所控制的一组功能上相关的相关的结构基因结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。控制。操纵子可视为原核生物的转录单位，它可以逐个地从原操纵子可视为原核生物的转录

13、单位，它可以逐个地从原核生物基因组中分离出来，对其结构功能加以研究。核生物基因组中分离出来，对其结构功能加以研究。3.3.乳糖操纵子乳糖操纵子1) 1) 乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构调节蛋白调节蛋白（阻遏蛋白）（阻遏蛋白） 启动子启动子操纵基因操纵基因结构基因结构基因 Z Z编码编码-半乳糖苷酶半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还能将乳糖转变为异构乳糖能将乳糖转变为异构乳糖 Y Y编码编码-半乳糖苷透过酶半乳糖苷透过酶：使外界的：使外界的-半乳糖苷（如乳半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细

14、胞内。 A A编码编码-半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶：乙酰辅酶A A上的乙酰基上的乙酰基转到转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。3 3个编码的结构基因个编码的结构基因 乳糖操纵子的控制模型，其主要内容如下：乳糖操纵子的控制模型，其主要内容如下： Z Z、Y Y、A A基因的产物由同一条多顺反子的基因的产物由同一条多顺反子的mRNAmRNA分子所分子所编码。编码。 这个这个mRNAmRNA分子的启动子紧接着操纵基因（分子的启动子紧接着操纵基因（O O区），而区），而位于位于I I与与O O之间的启动子区（之间的启动子区（P P），不能单独启动下游）

15、，不能单独启动下游mRNAmRNA分分子的转录。子的转录。 操纵基因（区）是操纵基因（区）是DNADNA上的一小段序列（仅为上的一小段序列（仅为26bp26bp），是阻遏物的结合位点。），是阻遏物的结合位点。 当阻遏物与操纵基因结合时，当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNAlac mRNA的转录的转录起始受到抑制。起始受到抑制。诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，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，从而激发使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNAlacmRNA的合的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻

16、遏物占据，所以启动子能够顺利起始物占据，所以启动子能够顺利起始mRNAmRNA的合成。的合成。 2 2）laclac体系受调控的证据体系受调控的证据 在不含乳糖的培养基中，每个大肠杆菌细胞内大约在不含乳糖的培养基中，每个大肠杆菌细胞内大约只有只有1-21-2个利用乳糖的酶分子。如果在培养基中加个利用乳糖的酶分子。如果在培养基中加入乳糖，利用乳糖的酶浓度很快达到细胞总蛋白量入乳糖，利用乳糖的酶浓度很快达到细胞总蛋白量的的6%6%或或7%7%，每个细胞中可有超过，每个细胞中可有超过10105 5个酶分子。个酶分子。 由底物诱导合成利用该底物的酶，这种现象称为由底物诱导合成利用该底物的酶，这种现象称

17、为酶酶的诱导的诱导。 把大肠杆菌细胞放在把大肠杆菌细胞放在加有放射性加有放射性3535S S标记的标记的氨基酸氨基酸, ,但但没有半乳糖诱导物没有半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代然后再将这些的培养基中繁殖几代然后再将这些带有放射活性的细菌转移到带有放射活性的细菌转移到不含不含3535S S、无放射性、无放射性的培养的培养基中随着培养基中诱导物的加入，基中随着培养基中诱导物的加入，-半乳糖苷酶便开半乳糖苷酶便开始合成。分离始合成。分离-半乳糖苷酶，发现这种酶半乳糖苷酶，发现这种酶无无3535S S标记说标记说明酶的合成不是由前体转化而来的，而是加入诱导物明酶的合成不是由前体转化而来的，而是加入诱导

18、物后新合成的。后新合成的。同位素示踪实验同位素示踪实验 JacobJacob和和MonodMonod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）现象认为诱导酶（他们当时称为适应酶）现象是个基因调控问题，可以用实验方法进行研究，因此选是个基因调控问题，可以用实验方法进行研究，因此选为突破口，终于通过大量实验及分析，于为突破口，终于通过大量实验及分析，于19611961年建立了年建立了该操纵子的控制模型。该操纵子的控制模型。酶的诱导酶的诱导 酶的诱导现象酶的诱导现象是生物进化过程中出现的一种合理、是生物进化过程中出现的一种合理、经济地利用有限资源的本能经济地利用有限资源的本能。 酶诱导已证明是酶诱导已证明是低

19、等生物的普遍现象。低等生物的普遍现象。3 3）乳糖操纵子）乳糖操纵子可诱导的负调节可诱导的负调节机制机制 无乳糖无乳糖: : laclac操纵子处于操纵子处于阻遏状态阻遏状态(repression)(repression) 有乳糖有乳糖: : laclac操纵子即可被操纵子即可被诱导诱导 诱导剂诱导剂(inducer): (inducer): 别乳糖、半乳糖、别乳糖、半乳糖、IPTGIPTG （异丙基硫代半乳糖苷）（异丙基硫代半乳糖苷）当阻遏物与操纵基因结合时，当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNAlac mRNA的转录起始受到抑制。的转录起始受到抑制。 经诱导后，经诱导后，RNARNA聚

20、合酶首先与启动区聚合酶首先与启动区(P)(P)结合，通结合，通过操纵区过操纵区(O)(O)向右转录。向右转录。 转录从转录从O O区的中间开始，区的中间开始，按按ZYAZYA方向进行，每次转录出来的一条方向进行，每次转录出来的一条mRNAmRNA上都带有这上都带有这3 3个基因。个基因。 别乳糖别乳糖是是laclac操纵子转录的活性诱导物操纵子转录的活性诱导物 异丙基硫代半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl isopropyl thiogalactosidethiogalactoside：IPTGIPTG）结构上类似于别乳糖，）结构上类似于别乳糖，是乳糖操纵子非常有效的诱导物。可诱导

21、是乳糖操纵子非常有效的诱导物。可诱导laclac操操纵子表达，但不能被纵子表达，但不能被-半乳糖苷酶水解。半乳糖苷酶水解。 这种能诱导酶合成，但不能被酶分解的分子称为这种能诱导酶合成，但不能被酶分解的分子称为安慰诱导物安慰诱导物（gratuitous inducergratuitous inducer）。安慰诱）。安慰诱导物由于能在细胞内保持原型不变，因此很有用导物由于能在细胞内保持原型不变，因此很有用处。处。 IPTGIPTG常用于诱导含有使用了常用于诱导含有使用了laclac启动子的质启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。4 4）乳糖操纵子的正调控）乳糖

22、操纵子的正调控当大肠杆菌以乳糖为唯一碳原时，当大肠杆菌以乳糖为唯一碳原时，laclac操纵子可被乳操纵子可被乳糖诱导而表达，可是在培养基中同时加入葡萄糖时，糖诱导而表达，可是在培养基中同时加入葡萄糖时，细菌优先利用葡萄糖，只有葡萄糖耗尽时，乳糖才细菌优先利用葡萄糖，只有葡萄糖耗尽时，乳糖才能诱导基因的表达，这种现象称为能诱导基因的表达，这种现象称为分解物阻遏分解物阻遏/ /代谢代谢物阻遏物阻遏（catabolite repression);catabolite repression);葡萄糖效应：葡萄糖效应：是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时葡萄糖总是优

23、先被利用，葡萄糖的存在菌的碳源时葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖类的利用的现象。阻止了其它糖类的利用的现象。 细菌在富含葡萄糖的培养基上生长的时，葡萄糖可降低细细菌在富含葡萄糖的培养基上生长的时，葡萄糖可降低细菌体内菌体内cAMPcAMP的水平。的水平。 在细菌中，在细菌中，cAMPcAMP与与CAPCAP（catabolitecatabolite activator protein activator protein）结合形成结合形成二元复合物二元复合物共同发挥作用。只有共同发挥作用。只有cAMPcAMP存在时，存在时，CAPCAP才有活性。才有活性。 CAPCAP是是cAMP

24、cAMP受体蛋白（受体蛋白（ cAMPcAMP receptor protein, CRP), receptor protein, CRP),其其分子内有分子内有DNADNA结合区及结合区及cAMPcAMP结合位点，是一个结合位点，是一个正调控因子正调控因子，生化和遗传学实验证明，生化和遗传学实验证明，CAPCAP可以结合到启动子的某个部位可以结合到启动子的某个部位而激活操纵子的转录。而激活操纵子的转录。 在依赖在依赖CAPCAP的启动子上起始转录必须有的启动子上起始转录必须有CAPCAP参与。参与。cAMPcAMP下降，下降，CAPCAP无活性不能与控制区结合，无活性不能与控制区结合，RNA

25、RNA聚合酶就不能启动转录。聚合酶就不能启动转录。原因：原因：在在laclac操纵元的启动子操纵元的启动子P Placlac上游端有一段序列与上游端有一段序列与P Placlac部分重叠部分重叠的序列，能与的序列，能与CAPCAP特异结合，称为特异结合，称为CAPCAP结合位点（结合位点（CAP CAP binding sitebinding site）。）。CAPCAP与这段序列结合时，可增强与这段序列结合时，可增强RNARNA聚合聚合酶的转录活性，使转录提高酶的转录活性，使转录提高5050倍。相反，当有葡萄糖可供分倍。相反，当有葡萄糖可供分解利用时，解利用时，cAMPcAMP浓度降低，浓度

26、降低，CRPCRP不能被活化，不能被活化，laclac操纵元的操纵元的结构基因表达下降。结构基因表达下降。The Lac Operon:I. I. 葡萄糖存在，乳糖不存在葡萄糖存在，乳糖不存在RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNACAP葡萄糖存在，乳糖不存在，阻遏蛋白与操纵基因结合，基因不转葡萄糖存在，乳糖不存在，阻遏蛋白与操纵基因结合，基因不转录录X The Lac Operon:II. II. 乳糖存在，葡萄糖不存在乳糖存在，葡萄糖不存在RepressorP

27、romoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNACAPcAMPLacRepressorRepressorXCAPcAMPCAPcAMPRNAPol.RNAPol.葡萄糖不存在，乳糖存在，阻遏蛋白失活，葡萄糖不存在，乳糖存在，阻遏蛋白失活，cAMP+CAPcAMP+CAP与与CAPCAP位点位点结合结合，促进基因转录结合结合，促进基因转录 The Lac Operon:IIIIII. . 葡萄糖和乳糖都存在葡萄糖和乳糖都存在RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepr

28、essorRepressor mRNACAPLacRepressorRepressorXRNAPol.X葡萄糖存在，乳糖存在，阻遏蛋白失活，葡萄糖存在，乳糖存在，阻遏蛋白失活， cAMP cAMP缺乏，不与缺乏，不与CAPCAP结结合，基因不转录合，基因不转录 The Lac Operon:I IV. V. 乳糖不存在，葡萄糖也不存在乳糖不存在，葡萄糖也不存在RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPRNAPol.RepressorRepressor mRNARepressor葡萄糖不存在，乳糖不存在

29、，阻遏蛋白与操纵基因结合，葡萄糖不存在，乳糖不存在，阻遏蛋白与操纵基因结合， cAMP+CAPcAMP+CAP与与CAPCAP位点结合，基因不转录位点结合，基因不转录 P Placlac是弱启动子，仅由乳糖的存在发生去阻遏使是弱启动子，仅由乳糖的存在发生去阻遏使laclac操纵操纵子转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有子转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAPCAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。 细胞内细胞内cAMPcAMP与与CRP/CAPCRP/CAP（环腺苷酸受体蛋白（环腺苷酸受体蛋白/ /代谢物激活

30、蛋代谢物激活蛋白，由白，由rprp基因编码）形成的复合物是启动基因编码）形成的复合物是启动laclac转录的必转录的必要条件。要条件。cAMPcAMP参与的正调节作用机制参与的正调节作用机制葡萄糖的存在降低了细胞内葡萄糖的存在降低了细胞内cAMPcAMP的含量，所以葡萄糖存的含量，所以葡萄糖存在时，不能形成复合物，从而抑制乳糖代谢操纵子的表达。在时，不能形成复合物，从而抑制乳糖代谢操纵子的表达。laclac操纵子的强诱导既需要有乳糖的存在又需要没有葡萄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可供利用。通过这机制，细菌是优先利用环境中的葡

31、萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。结论：结论：laclac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖 协调调节协调调节(coordinate regulation)(coordinate regulation) 负调节与正调节协调合作负调节与正调节协调合作 阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，CAPCAP不发挥作用不发挥作用 如没有如没有CAPCAP加强转录，即使阻遏蛋白从操作基加强转录，即使阻遏蛋白从操作基因上解聚仍无转录活性因上解聚仍无转录活性 降解物敏感型操纵子都有类似调节

32、机制。降解物敏感型操纵子都有类似调节机制。 如：乳糖操纵子、阿拉伯糖及麦芽糖等的操纵子。如：乳糖操纵子、阿拉伯糖及麦芽糖等的操纵子。araBaraB、araAaraA和和araDaraD基因参与阿拉伯糖的降解，它基因参与阿拉伯糖的降解，它们是一个基因簇，简写为们是一个基因簇，简写为araBADaraBAD。 araB araB 编码核酮糖激酶，编码核酮糖激酶， araA araA 编码编码L-L-阿拉伯糖异构酶，阿拉伯糖异构酶， araD araD 编码编码L-L-核酮糖核酮糖-5-5-磷酸磷酸-4-4-差向异构酶。差向异构酶。4. 4. 阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子三个基因的表达受到三个基因

33、的表达受到araara操纵子中操纵子中1 1个基因个基因araCaraC 转录产物转录产物AraCAraC的调控。的调控。1 1） 阿拉伯糖操纵子结构阿拉伯糖操纵子结构 araBAD araBAD具有复合启动子区域，两个操纵区（具有复合启动子区域，两个操纵区（O1O1，O2O2）和一个调节基因）和一个调节基因araCaraC。 AraCAraC蛋白同时蛋白同时显示正、负调节因子的功能。（显示正、负调节因子的功能。（在在laclac和和galgal操纵子操纵子中，阻遏蛋白只能作为负调节因子中，阻遏蛋白只能作为负调节因子）。）。 araBADaraBAD和和araCaraC基因的转录是分别在一条链

34、上基因的转录是分别在一条链上以相反的方向进行的，以相反的方向进行的，araBADaraBAD基因簇从启动子基因簇从启动子P PBADBAD开始向右进行转录，而开始向右进行转录，而araCaraC基因则是从基因则是从PcPc向向左转录左转录PrPi2 2） 阿拉伯糖操纵子特点阿拉伯糖操纵子特点 araara操纵子的调控有三个特点：操纵子的调控有三个特点： 第一，第一，araCaraC表达受到表达受到AraCAraC的自动调控。的自动调控。 第二，第二，AraCAraC既可充当阻遏物，也可作为激活剂。既可充当阻遏物，也可作为激活剂。 第三，第三，cAMPcAMP与与CAPCAP结合可作为正调节物诱

35、导结合可作为正调节物诱导araara操操纵子表达。纵子表达。3 3） 阿拉伯糖操纵子调控阿拉伯糖操纵子调控有葡萄糖，缺阿拉伯糖有葡萄糖，缺阿拉伯糖有阿拉伯糖，没有葡萄糖存在有阿拉伯糖，没有葡萄糖存在葡萄糖和阿拉伯糖都存在葡萄糖和阿拉伯糖都存在 AraC AraC蛋白具有蛋白具有P PBADBAD活性正、负调节因子的双重活性正、负调节因子的双重功能。功能。PrPr是起阻遏作用的形式，可与类操纵区位点是起阻遏作用的形式，可与类操纵区位点(araI ,araO2)(araI ,araO2)相结合，而相结合，而PiPi是起诱导作用的形是起诱导作用的形式，它通过与式，它通过与araO1araO1， ar

36、aIaraI结合启动结合启动araBADaraBAD转转录。录。没有阿拉伯糖时，没有阿拉伯糖时，PrPr形式占优势；一旦有阿拉形式占优势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与伯糖存在，它就能够与AraCAraC蛋白结合，使平衡趋蛋白结合，使平衡趋向于向于PiPi形式。形式。a.a.当葡萄糖和阿拉伯糖都存在时当葡萄糖和阿拉伯糖都存在时, ,过量过量AraCAraC蛋白结蛋白结合于合于araO1araO1处，使处，使RNARNA聚合酶不能结合聚合酶不能结合araPcaraPc，阻止，阻止由由PcPc启动子起始启动子起始araCaraC基因转录；基因转录；b.b.葡萄糖水平较高时，阿拉伯糖水平低时，葡萄糖

37、水平较高时，阿拉伯糖水平低时，AraCAraC蛋白为阻遏蛋白蛋白为阻遏蛋白PrPr，与操纵区，与操纵区O2O2以及以及araIaraI上半区上半区相结合，形成相结合，形成DNADNA回转结构，回转结构，araBADaraBAD基因和基因和araCaraC基基因均不表达；因均不表达；c. c. 有阿拉伯糖但无葡萄糖存在时，有阿拉伯糖但无葡萄糖存在时，AraCAraC与阿拉伯与阿拉伯糖相结合，成为激活蛋白糖相结合，成为激活蛋白PiPi，与，与araO1araO1和和araIaraI区相区相结合，在结合，在CRP-cAMPCRP-cAMP的共同作用下起始结构基因表的共同作用下起始结构基因表达。达。总

38、总 结结1 1）色氨酸操纵子的结构）色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子色氨酸操纵子(tryptophane operon)(tryptophane operon)负责负责色氨酸的生物色氨酸的生物合成合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，其结构基因表达，关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，其结构基因表达，为为可阻遏的操纵子模型可阻遏的操纵子模型。 由于由于trptrp体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CAPcAMP-CAP的调控。的调控。5.5.色氨酸操纵子

39、色氨酸操纵子 色氨酸的合成分色氨酸的合成分5 5步完成。每个环节需要一步完成。每个环节需要一种酶。这种酶。这5 5种酶的基因紧密连锁在一起，被种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子转录在一条多顺反子mRNAmRNA上。上。 5 5个基因分别以个基因分别以trpEtrpE、trpDtrpD、trpCtrpC、trpBtrpB、trpAtrpA代表，代表，编码了与色氨酸合成有关的五种酶。编码了与色氨酸合成有关的五种酶。 trpEtrpE基因是第一个被翻译的基因，和基因是第一个被翻译的基因，和trpE trpE 相邻的是启动子相邻的是启动子区（区（P P）和操纵区（）和操纵区（O O）。）。

40、 前导区和弱化子区分别定名为前导区和弱化子区分别定名为trpLtrpL和和trpatrpa（不是（不是trpAtrpA）。）。 trptrp操纵子中产生阻遏物的基因是操纵子中产生阻遏物的基因是trpRtrpR，该基因距，该基因距trptrp基因簇基因簇很远，后者在大肠杆菌染色体图上很远，后者在大肠杆菌染色体图上25cM25cM处，而前者则位于处，而前者则位于90cM90cM处。处。 2 2）trptrp操纵子的阻遏机制操纵子的阻遏机制trpRtrpR基因产物基因产物为无活性的阻遏蛋白，为无活性的阻遏蛋白，此蛋白平常不与此蛋白平常不与操纵区相结合。操纵区相结合。当培养基中当培养基中有色氨酸有色氨

41、酸时，该阻遏蛋白与色氨酸相结合时，该阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭trp mRNAtrp mRNA转录。转录。 阻遏阻遏- -操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主管主管转录是否启动转录是否启动，相当于，相当于粗调粗调开关。开关。 trptrp操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个系另一个系统统进行细调控，即：通过转录达到进行细调控，即：通过转录达到第一个结构基因第一个结构基因之前终止转录之前终止转录来实现细调控。来实现细调控。 这个细微调控是由这个细微调

42、控是由色氨酸的浓度色氨酸的浓度来调节。当来调节。当TrpTrp浓度浓度较低时，转录得到较低时，转录得到7kb7kb的的mRNAmRNA；当有高浓度；当有高浓度TrpTrp存在存在时，转录仅生成时，转录仅生成140140核苷酸的前导核苷酸的前导RNARNA； 这种调控机制就是这种调控机制就是弱化作用。弱化作用。 3 3）色氨酸操纵子的弱化系统）色氨酸操纵子的弱化系统 1 1）前导肽及其序列结构）前导肽及其序列结构 在在trp mRNA 5trp mRNA 5端端trpEtrpE基因的基因的起始密码前起始密码前有一个长有一个长162bp162bp的的mRNAmRNA片段被称为前导区。片段被称为前导

43、区。 前导区（前导区（L L区）编码的多肽称为前导肽。分析前导肽区）编码的多肽称为前导肽。分析前导肽序列，发现它包括起始密码子序列，发现它包括起始密码子AUGAUG，可编码一个，可编码一个1414个个氨基酸的多肽。氨基酸的多肽。 该多肽有一个特征，该多肽有一个特征，其第其第1010位和位和1111位有相邻的两个位有相邻的两个色氨酸密码子色氨酸密码子。（组氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有。（组氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有这种现象）这种现象） 若前导区当中若前导区当中123123150150位碱基序列缺失位碱基序列缺失，trptrp基因表基因表达可提高达可提高6 61010倍倍。此区域被称为弱化子。此区域

44、被称为弱化子。 弱化子弱化子/ /衰减子（衰减子（attenuator)attenuator)：位于转录单位开始：位于转录单位开始区，起终止转录信号作用的一段核苷酸序列。区，起终止转录信号作用的一段核苷酸序列。 研究弱化子序列，发现该区研究弱化子序列，发现该区mRNAmRNA通过自我配对可通过自我配对可形成茎形成茎- -环结构，有典型的终止子特点。环结构，有典型的终止子特点。 研究发现，当研究发现，当mRNAmRNA合成起始以后，如果培养基中有合成起始以后，如果培养基中有色氨酸，转录总是在前导区终止，产生一个仅有色氨酸，转录总是在前导区终止，产生一个仅有140140个核苷酸的个核苷酸的RNAR

45、NA分子，终止分子，终止trptrp基因转录。基因转录。2 2）mRNAmRNA前导区序列分析前导区序列分析trptrp前导区的碱基序列已经全部测定，其中前导区的碱基序列已经全部测定，其中4 4个个分别以分别以1 1、2 2、3 3和和4 4表示的片段能以两种不同的表示的片段能以两种不同的方式进行碱基配对，有时以方式进行碱基配对，有时以1-21-2和和3-43-4配对，有配对，有时只以时只以2-32-3方式互补配对。方式互补配对。4123Terminatorharipin41233）转录的弱化效应）转录的弱化效应 （1 1）当培养基中色氨酸）当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有的浓度很低时，负

46、载有色氨酸的色氨酸的tRNAtRNA也就少，也就少，这样翻译通过两个相邻这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就色氨酸密码子的速度就会很慢，当会很慢，当4 4区被转录完区被转录完成时，核糖体才进行到成时，核糖体才进行到1 1区，这时的前导区结构区，这时的前导区结构是是2-32-3配对，所以转录可配对，所以转录可继续进行。继续进行。 35534123RNAPol.RibosomeHelp,I needTryptophan （2 2）当培养基中色）当培养基中色氨酸浓度氨酸浓度较高较高时，核时，核糖体可顺利通过两个糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，相邻的色氨酸密码子，在在4 4区被转录之前就区被

47、转录之前就到达到达2 2区，使区，使2-32-3区不区不能配对，能配对，3-43-4区自由区自由配对配对形成形成发夹终止子发夹终止子结构结构，转录被终止，转录被终止，trptrp操纵子被操纵子被关闭关闭。35534123RibosomeRNAPol.4）弱化子的作用机制）弱化子的作用机制弱化子对基因活性的影响是通过弱化子对基因活性的影响是通过影响前导序列影响前导序列mRNAmRNA的结构的结构而起作用的。而起作用的。起调节作用的是起调节作用的是某种氨基酰某种氨基酰-tRNA-tRNA的浓度。的浓度。属于这种调节方式的有大肠杆菌中的色氨酸操属于这种调节方式的有大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸操

48、纵子、苏氨酸操纵子、异亮纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子等等。氨酸操纵子等等。四四. . 转录终止阶段的调控转录终止阶段的调控1 1）抗终止作用）抗终止作用 不同的终止子的作用也有强弱之分，有的终止子几乎能不同的终止子的作用也有强弱之分，有的终止子几乎能完全停止转录；有的则只是部分终止转录，一部分完全停止转录；有的则只是部分终止转录，一部分RNARNA聚合聚合酶能越过这类终止序列继续沿酶能越过这类终止序列继续沿DNADNA移动并转录。如果一串结移动并转录。如果一串结构基因群中间有这种弱终止子的存在，则前后转录产物的构基因群中间有这种弱终止子的存在，则前后转录产物的量会有所不同

49、，这也是终止子调节基因群中不同基因表达量会有所不同，这也是终止子调节基因群中不同基因表达产物比例的一种方式。产物比例的一种方式。 有的蛋白因子能作用于终止序列或与有的蛋白因子能作用于终止序列或与因子结合，减弱因子结合，减弱或取消终止子的作用，称为抗终止作用或取消终止子的作用，称为抗终止作用(antitermination)(antitermination)，这类引起抗终止作用蛋白因子就称为抗终止因子，这类引起抗终止作用蛋白因子就称为抗终止因子(antiterminator)(antiterminator)。抗终止作用最有代表性的例子见于抗终止作用最有代表性的例子见于噬菌体的时序控制。噬菌体的时

50、序控制。噬菌体生活史噬菌体生活史溶菌途径溶菌途径溶源途径溶源途径P PL L 、 P PR R ：左右向转录的启动子：左右向转录的启动子P PRMRM : C : C蛋白基因维持启动子，受蛋白基因维持启动子，受CC浓度调浓度调控控CC蛋白蛋白：是：是P PL L、P PR R的主要阻遏物，并可自主调的主要阻遏物，并可自主调控控PRMPRMcrocro蛋白蛋白： P PL L 、 P PR R的阻遏蛋白，并可抑制的阻遏蛋白，并可抑制P PRMRM，抑制，抑制cc表达表达 噬菌体裂解生长与溶源化的建立取决于两种阻遏噬菌体裂解生长与溶源化的建立取决于两种阻遏蛋白蛋白CC和和CroCro的合成。当的合

51、成。当CC蛋白的合成占优势时，蛋白的合成占优势时， P PRMRM被被激活，激活，CC蛋白继续起始合成，因而溶源化状态建立；相反蛋白继续起始合成，因而溶源化状态建立；相反CroCro蛋白合成占优势，则蛋白合成占优势，则P PRMRM被抑制，没有被抑制，没有CC蛋白的合成，蛋白的合成，于是于是噬菌体在噬菌体在 Cro Cro蛋白的控制下进入裂解生长。蛋白的控制下进入裂解生长。C Cro 溶源；溶源； C Cro 溶菌溶菌 噬菌体进入细菌后，由于噬菌体进入细菌后，由于DNADNA上无调节蛋白上无调节蛋白。寄主。寄主RNA RNA 聚合酶分别结合于聚合酶分别结合于P PL L和和P PR R。 P

52、PR R转录转录CroCro蛋白。蛋白。P PL L转录翻译产生抗终止蛋白转录翻译产生抗终止蛋白N N。 在抗终止蛋白在抗终止蛋白N N的帮助下，转录翻译出的帮助下，转录翻译出CC、CC蛋白。蛋白。在在CC、CC蛋白作用下，蛋白作用下，P PRERE（ P PRERE主管建立溶源，主管建立溶源，repressor for establishment of lysogenyrepressor for establishment of lysogeny，位于，位于crocro和和cc之间）的操纵子向左转录之间）的操纵子向左转录cc基因，产生基因，产生CC蛋白。蛋白。 C、C蛋白活化PRE溶菌途径溶

53、菌途径 cro cro表达在先，表达在先，cc在后，且在后，且cc的表达需的表达需CC和和CC帮助。帮助。而而CC可被寄主蛋白酶（可被寄主蛋白酶（hflhfl编码）水解。因此，当编码）水解。因此，当hflhfl产物产物存在时存在时cc基因不表达。此时基因不表达。此时CroCro含量远大于含量远大于cc。且占据。且占据O OR3R3则使则使cc不能转录，进入溶菌途径。因此，不能转录，进入溶菌途径。因此，CroCro是进入溶菌是进入溶菌途径的关键蛋白。途径的关键蛋白。溶源途径溶源途径 hfl hfl表达受一系列基因的调控，寄主细胞碳源和能源缺乏表达受一系列基因的调控，寄主细胞碳源和能源缺乏时，使时

54、，使hflhfl产物活性降低，同时，产物活性降低，同时，CC抑制抑制hflhfl产物活性。因产物活性。因此，此，CC增加，从而导致增加，从而导致CC增加。增加。 CC可抑制可抑制crocro的表达，使噬菌体进入溶源途径。的表达，使噬菌体进入溶源途径。2 2）弱化作用）弱化作用 弱化作用弱化作用（attennuationattennuation）是）是Charles Charles YanofskyYanofsky等等在研究色氨酸操纵子的过程中发现的一种新的基因在研究色氨酸操纵子的过程中发现的一种新的基因表达调控方式。表达调控方式。 弱化作用是通过弱化作用是通过DNADNA中可导致转录过程过早终

55、止的中可导致转录过程过早终止的一段核苷酸序列而发挥调节作用的。其共同特点是一段核苷酸序列而发挥调节作用的。其共同特点是某些外部因素控制着弱化子发夹结构的形成。某些外部因素控制着弱化子发夹结构的形成。五五. . 翻译水平的调控翻译水平的调控1) mRNA1) mRNA二级结构对翻译起始的调控二级结构对翻译起始的调控SDSD序列与起始密码子序列与起始密码子AUGAUG之间的距离是影响之间的距离是影响mRNAmRNA转录转录、翻译成蛋白的重要因素之一，某些蛋白质与、翻译成蛋白的重要因素之一，某些蛋白质与SDSD序列序列结合也会影响结合也会影响mRNAmRNA与核糖体的结合，从而影响蛋白质与核糖体的结

56、合，从而影响蛋白质的翻译。的翻译。SDSD序列与序列与16SrRNA3-16SrRNA3-端的相应序列配对影响翻译起端的相应序列配对影响翻译起始。强的配对可使翻译频率提高，反之翻译频率低。始。强的配对可使翻译频率提高，反之翻译频率低。mRNAmRNA二级结构影响隐蔽二级结构影响隐蔽SDSD序列，影响核糖体小亚基与序列，影响核糖体小亚基与mRNAmRNA的结合，影响翻译。的结合，影响翻译。E.coliE.coli的的RNARNA噬菌体噬菌体MSMS2 2,R17,f2,R17,f2和和QQ都非常小（直径约为都非常小（直径约为250250）, ,是最简单的病毒。基因组长是最简单的病毒。基因组长36

57、0036004200nt4200nt，只含，只含4 4个个基因：基因：A A、cpcp、RepRep和和LysLys。 CP(coat protein)CP(coat protein)编码外壳蛋白（编码外壳蛋白（含含129aa,MW129aa,MW为为13.7KDa13.7KDa）A A（attachmentattachment）编码附着蛋白（含）编码附着蛋白（含393393氨氨aaaa，MWMW为为44KDa44KDa）RepRep（replicasereplicase）编码复制酶（含）编码复制酶（含544aa544aa，MWMW为为61KKDa61KKDa）；）；lyslys（lysisl

58、ysis）编码裂解蛋白）编码裂解蛋白, ,和和cpcp，RepRep基因重叠，该蛋白含基因重叠，该蛋白含75aa75aa。 CP Rep A 5 3 开放的 A 位点 5 3 A Replicase 5 CP Rep 5 3 图 16- R17 噬菌体利用二级结构对翻译进行调控 在三个位点中仅CP 是开放的，CP翻译时使下游的Rep 打开，才能得以翻译当以()链为模板复制时,A 位点瞬时开放，可翻译一个分子CP 蛋白也可结合于 Rep 位点，使细胞中 CP 含量比Rep 多 翻译一个顺反子需要翻译一个顺反子需要二级结构二级结构的改变。的改变。 mRNAmRNA上有多个核糖体存在时，第一个顺反子

59、的翻上有多个核糖体存在时，第一个顺反子的翻译会破坏译会破坏mRNAmRNA原有的二级结构，使核糖体能够与原有的二级结构，使核糖体能够与下一个顺反子的翻译起始区域结合。下一个顺反子的翻译起始区域结合。 mRNA mRNA的降解速度受细菌的生理状态、环境的降解速度受细菌的生理状态、环境因素及因素及mRNAmRNA结构的影响；结构的影响； mRNA mRNA分子自身回折产生的茎环结构有助于分子自身回折产生的茎环结构有助于维持维持mRNAmRNA稳定性；稳定性；2)2) mRNAmRNA稳定性对翻译的调控稳定性对翻译的调控 G F REP E O K lamB 膜 蛋 白 膜 蛋 白 周 质 结 透

60、过 酶 外 膜 受 合 蛋 白 体 蛋 白 内 膜 图 16- 麦芽糖操纵子中的反向重复顺序和 mRNA 的稳定性 3) 3) 反义反义RNARNA的调控的调控 19841984年年Mizuno,TMizuno,T. .和和IwoueIwoue发现发现 干扰干扰mRNAmRNA的互补的互补RNARNA（micmic-RNA-RNA, mRNA-interfering , mRNA-interfering complementary RNA complementary RNA ） Antisense RNAAntisense RNA的作用可能有三种机制。的作用可能有三种机制。 (1) (1)反义