第七章原核基因的表达调控

1、第七章第七章 原核基因的表达与调控原核基因的表达与调控 l组成型、永久型（组成型、永久型（constitutive）蛋白质）蛋白质 蛋白质并不是以相同拷贝数存在于每个细胞中，蛋白质并不是以相同拷贝数存在于每个细胞中，有些蛋白质的数目相当固定，如糖酵解酶体系、有些蛋白质的数目相当固定，如糖酵解酶体系、DNA聚合酶、聚合酶、RNA聚合酶等。聚合酶等。l适应型、调节型（适应型、调节型（adaptive or regulated）蛋白质）蛋白质 合成速率明显受环境影响的蛋白质。合成速率明显受环境影响的蛋白质。7.1 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论 基因表达（基因表达（gene express

2、ion）是指）是指 从从DNA到到蛋白质或功能蛋白质或功能RNA的过程。对这个过程的调节就的过程。对这个过程的调节就称为基因表达调控（称为基因表达调控（gene regulation or gene control）基因表达调控水平基因表达调控水平 转录水平上的调控（转录水平上的调控（transcriptional regulation） 转录后水平上的调控（转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation） mRNA加工成熟水平上的调控加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控翻译水平上的调控调控信号调控信号 原核生物原核生物 营养状况和环境因素营养状况和环境因

3、素 真核生物真核生物 激素水平和发育阶段激素水平和发育阶段原核基因调控分类原核基因调控分类 负转录调控负转录调控负控诱导负控诱导阻遏蛋白与效应物（诱导物）结阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；合时，结构基因转录；负控阻遏负控阻遏阻遏蛋白与效应物结合时，结构阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。基因不转录。 正转录调控正转录调控正控诱导正控诱导效应物分子（诱导物）的存在使激效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；活蛋白处于活性状态；正控阻遏正控阻遏效应物分子的存在使激活蛋白处于效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态。非活性状态。大肠杆菌中的大肠杆菌中的因子（以因子（以7

4、0为例）为例）主要包括四个结构域主要包括四个结构域大肠杆大肠杆菌中最菌中最普遍的普遍的调控方调控方式是式是因因子介导子介导的的70 （上）和（上）和54 （下）因子识别并结合在所（下）因子识别并结合在所调控基因上游的不同区域调控基因上游的不同区域7.2.1 Discovery of Operon n1961年年, F. Jacob & J.Monod提出提出, 此后不此后不断完善。断完善。获获1965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖n1940年，年， Monod发现：细菌在含葡萄糖和发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡

5、萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线二次生长曲线”。Francis Jacob Jacques Monod 7.2 乳糖操纵子乳糖操纵子n1951年，年，Monod与与Jacob合作，发现两对基因：合作，发现两对基因：Z基因基因：与合成：与合成-半乳糖苷酶有关；半乳糖苷酶有关；I基因基因：决定细胞对诱导物的反应。：决定细胞对诱导物的反应。nSzilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉时，酶

6、无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。该阻遏物。n Jacob：结构基因旁有开关基因（：结构基因旁有开关基因（操纵基因操纵基因），），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。表达。乙酰基转移酶乙酰基转移酶半乳糖苷半乳糖苷透性酶透性酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶操作位点操作位点乳糖操纵子乳糖操纵子调节基因调节基因n操纵子操纵子是一种完整的具有特定功能的细菌基因表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，启动子，操纵达和调节的单位，包括调节基因，启动子，操纵位点，结构基因，组成一个控制单元位点，结构基因，组成一个控制单元n

7、结构基因结构基因阻遏蛋白结合位点阻遏蛋白结合位点n调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合Control elementStructural genes7.2.2 -半乳糖苷酶半乳糖苷酶n无乳糖时，几个无乳糖时，几个-gal/cell 加入乳糖时，加入乳糖时，105个个 再去掉乳糖，再去掉乳糖，lac mRNA下降下降 乳糖能激发乳糖能激发lac mRNA的合成的合成 n乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶合成？合成？ 培养基（培养基（35

8、S-aa, 无乳糖）无乳糖） E.coli繁殖繁殖 培养基（无培养基（无35S -aa, 加入乳糖）加入乳糖） -gal(无无35S)gratuitous inducer 安慰诱导物安慰诱导物 义务诱导物义务诱导物n可诱导半乳糖苷酶产生，可诱导半乳糖苷酶产生，但不是其底物但不是其底物nIPTG，异丙基半乳糖苷，异丙基半乳糖苷nTMG ，巯甲基半乳糖苷，巯甲基半乳糖苷nONPG, O-硝基半乳糖苷硝基半乳糖苷7.2.3 操纵子模型（负控诱导）操纵子模型（负控诱导）1 调控区结构调控区结构 nlacI, 1040bp，独立，独立PinlacZYA诱导状态诱导状态2.两个矛盾两个矛盾生成生成lac诱

9、导物诱导物乳糖代谢乳糖代谢Allolctose 异构乳糖异构乳糖 别乳糖别乳糖细胞内细胞内-半乳糖苷酶来源半乳糖苷酶来源?细胞内透过酶来源细胞内透过酶来源?3 大肠杆菌对乳糖的反应大肠杆菌对乳糖的反应E.coli+E.coli+乳糖乳糖本底水平表本底水平表达的透过酶达的透过酶乳糖进入乳糖进入细胞细胞- -半乳糖苷酶半乳糖苷酶异构乳糖异构乳糖与阻遏蛋与阻遏蛋白结合白结合 释放操纵区，释放操纵区，laclac基因转录基因转录-半乳糖苷半乳糖苷酶透过酶酶透过酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶更多乳糖分子更多乳糖分子进入细胞进入细胞葡萄糖葡萄糖+ +半乳糖半乳糖得到碳源得到碳源和能量和能量一部分一部分4 阻遏蛋

10、白的作用机制阻遏蛋白的作用机制阻遏蛋白结构阻遏蛋白结构n38KD，4 聚体，聚体，一个亚基结合一个一个亚基结合一个IPTG分子分子nlacI 组成型转录组成型转录 Pi 弱启动子，弱启动子， 510个个celln具有二重性具有二重性 阻止转录（与阻止转录（与结合）结合） 开始转录（与开始转录（与结合）结合） 阻遏蛋白的阻遏蛋白的结构域结构域v N N端端1 159aa59aa, ,头部片段头部片段HTHHTH，与操纵基因，与操纵基因DNADNA的的大沟结合；大沟结合；v 核心区：核心区：有有6 6个个 折叠，折叠，诱导物结合在两个核心诱导物结合在两个核心区之间的裂缝中；区之间的裂缝中；v C

11、C端端为两组亮氨酸拉链，为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。形成四聚体。v 诱导物的结合可导致阻诱导物的结合可导致阻遏蛋白产生重要的构象遏蛋白产生重要的构象改变，两个分子的诱导改变，两个分子的诱导物和四聚体阻遏蛋白相物和四聚体阻遏蛋白相结合就足以使诱导物释结合就足以使诱导物释放。放。n阻遏蛋白和阻遏蛋白和RNA pol可同时与可同时与DNA结合结合 RNA pol 与启动子结合的平衡常数与启动子结合的平衡常数 1.9X107 有阻遏蛋白时有阻遏蛋白时, 2.5X109n结合着的结合着的RNA pol不能转录不能转录. 但加入诱导物后但加入诱导物后, 释释放出阻遏蛋白放出阻遏蛋白, 变为开放型启动子复

12、合物变为开放型启动子复合物.n阻遏蛋白实际上使阻遏蛋白实际上使RNA pol贮存在启动子上。贮存在启动子上。+ glucose- glucoseTime (hr)Units of -galactosidase+ lactoseGlucose added7.2.4 lac operon的正调控的正调控1 葡萄糖对葡萄糖对lac操纵子的影响操纵子的影响实验，在实验，在lacGlu培养基上培养基上 E.coli只利用只利用G，只有，只有G 耗尽时，才会利用耗尽时，才会利用lac 可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应 仅去掉阻遏物并不能启动仅去掉阻遏物并不能启动lac基因表

13、达基因表达,有其它有其它因素参与因素参与CAP, catabolite activator protein 由由crp编码，代谢物激活蛋白编码，代谢物激活蛋白CRP, catabolite receptor proteinGlu ，cAMP ； Glu ,cAMP cAMPcAMP的浓度受葡萄糖代谢的浓度受葡萄糖代谢的影响的影响糖酵解途径中位于葡萄糖糖酵解途径中位于葡萄糖- -6-6-磷酸与甘油之间的某些代磷酸与甘油之间的某些代谢产物是腺苷酸环化酶活性谢产物是腺苷酸环化酶活性的抑制剂。的抑制剂。腺苷酸环化酶基因和腺苷酸环化酶基因和crp突变体不能合成突变体不能合成lac mRNAcAMP-CA

14、P复合物复合物2 CRP结合位点结合位点nCRP为二聚体，为二聚体， 45KD ，被，被cAMP激活激活n结合位点结合位点 I -70 -50 II -50 -40 3 CRP的结合对的结合对DNA构型的影响构型的影响nDNA弯曲弯曲n弯曲点位于弯曲点位于CRP结合位点二重对称的中心结合位点二重对称的中心n弯曲使弯曲使CRP能与启动子上的能与启动子上的RNA pol 接触接触（1）CRP结合位点与结合位点与转录起始点的位置转录起始点的位置与转录起始点的与转录起始点的距离，相距数个双螺距离，相距数个双螺旋，结合位点在启动旋，结合位点在启动子的上游子的上游.4 CRP对转录的影响对转录的影响（2）

15、基因转录对）基因转录对cAMPCRP系统存在依赖性系统存在依赖性 cAMP-CRP复合物的结合复合物的结合于启动子上游，能使于启动子上游，能使DNA双双螺旋发生弯曲，有利于形成螺旋发生弯曲，有利于形成开放型启动子开放型启动子-RNA聚合酶聚合酶复合物。复合物。CRP直接作用于直接作用于RNA pol 亚基亚基缺失缺失RNA pol 亚基的亚基的C末端时，失去受末端时，失去受CRP激活的能力激活的能力7.2.5 lac operon 的其它问题的其它问题1. lac operon的功能是在的功能是在两个调控体系的协调作用两个调控体系的协调作用下实现的。阻遏蛋白封闭转录时，下实现的。阻遏蛋白封闭转

16、录时，CRP不发挥作用；如没有不发挥作用；如没有CRP加强转录，即使阻遏蛋加强转录，即使阻遏蛋白从白从0上解聚仍无转录活性上解聚仍无转录活性nCRP组成型合成，所以组成型合成，所以cAMPCRP复合物取决于复合物取决于cAMP含量含量n腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，因此酶有关，因此cAMPCAP调控乳糖、半乳糖等糖类代调控乳糖、半乳糖等糖类代谢有关的酶谢有关的酶 2. A基因及其生理功能基因及其生理功能 编码编码-半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。该酶半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！不参与乳

17、糖代谢！ 生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒. 所以所以lacA虽不在乳虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累3. lac基因产物数量，基因产物数量， 1：0.5：0.2 不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上的调节。方式有不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上的调节。方式有二二:核糖体脱离核糖体脱离: 多顺反子的差别性翻译多顺反

18、子的差别性翻译 内切酶作用内切酶作用: 在在lac mRNA分子内部，分子内部，a基因比基因比z基因更易基因更易受内切酶作用受内切酶作用 生物细胞中的氨基酸合成，生物细胞中的氨基酸合成， 也受操纵子的调节。细胞也受操纵子的调节。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。到经济的原则。ntrpR, 阻遏蛋白阻遏蛋白nP，-40+18 nO, -21+1nL, +1+162n结构基因结构基因7.3.1 基因组成基因组成7.3.2 Trp operon 的阻遏系统的阻遏系统1 Trp R 四聚体四聚体阻遏蛋白阻遏蛋白tr

19、p O 不转录不转录2 阻遏蛋白的结合位点阻遏蛋白的结合位点 ntrpO -21 +1，反向重复序列，反向重复序列ntrpP -40 +18n活性阻遏物与活性阻遏物与trpO 的结合与的结合与RNA pol与启动子与启动子的结合发生竞争的结合发生竞争n主管转录是否启动，主管转录是否启动，n在缺乏在缺乏TrpR时，时， mRNA起始合成，但不能自动延起始合成，但不能自动延伸，一般在伸，一般在trpE之前终止转录之前终止转录 粗调开关粗调开关1 弱化子，衰减子，弱化子，衰减子，n前导前导RNA，140bpTerminatorTerminatorS3123 3 转录弱化作用转录弱化作用Lack of

20、 trp Lack of trp Lack of aminoacyl tRNALack of aminoacyl tRNA Ribosome pause at trp Ribosome pause at trp codons , occluding codons , occluding sequence 1sequence 1Form 2:3 hairpin Form 2:3 hairpin Transcription into trpE Transcription into trpE and beyondand beyond High trp High trp Trp is inserted

21、 at the Trp is inserted at the trp codons trp codons Translate to the end of Translate to the end of leader message leader message Ribosome occlude Ribosome occlude sequence 2sequence 2Terminate transcription at Terminate transcription at (3:4 form (3:4 form terminatorterminator) )弱化子对转录调控的关键弱化子对转录调

22、控的关键n空间结构，空间结构，10th and 11th codons encode trp residues (rare AA)n时间，核糖体停顿在时间，核糖体停顿在2个个Trp 密码子上时，密码子上时， 4区未区未转录出来转录出来nTrp浓度高时，浓度高时，4区转录之前核糖体到达区转录之前核糖体到达2区。区。summaryNegativerepressible operonNegativerepressible operon可以被最终合成产物所阻遏可以被最终合成产物所阻遏R P O leading seq. E D C B Atrp+为什么需要阻遏体系？为什么需要阻遏体系？ 当大量当大量T

23、rp 存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，阻止先导阻止先导mRNA合成。合成。 经济经济为什么需要弱化子系统？为什么需要弱化子系统？7.4 其他操纵子其他操纵子7.4.1 半乳糖操纵子半乳糖操纵子 大肠杆菌半乳糖操纵子（大肠杆菌半乳糖操纵子（galactoseoperon）在大肠杆菌遗传图上位于在大肠杆菌遗传图上位于17分钟处，包括分钟处，包括3个结个结构基因：异构酶（构基因：异构酶（UDP-galactose-4-epimerase，galE），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（galactosetransferase，g

24、alT），半乳糖激酶），半乳糖激酶（galactosekinase，galK），使半乳糖变成葡萄），使半乳糖变成葡萄糖糖-1-磷酸。磷酸。 半乳糖操纵子的调节基因是半乳糖操纵子的调节基因是galR，位于遗传图，位于遗传图上上55分钟处。分钟处。 与与lac操纵子所不同的是，操纵子所不同的是，galR与与galE、T、K及及操纵区操纵区O等的距离都很远，而等的距离都很远，而galR产物对产物对galO的作的作用与用与lacI-lacO的作用相同。在的作用相同。在galR-和和galOc突变体中，突变体中，E、T、K基因得到永久性表达，基因得到永久性表达，gal操纵子的诱导物操纵子的诱导物主要是半

25、乳糖。主要是半乳糖。gal操纵子有两个特点：操纵子有两个特点：它有两个启动子，其它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始可从两个不同的起始点开始转录；点开始转录；它有两个它有两个O区，一个在区，一个在P区上游区上游-67-73，另一，另一个在结构基因个在结构基因galE内部。内部。1、cAMP-CRP对对gal启动子的作用启动子的作用 有葡萄糖存在时仍可以被诱导；有葡萄糖存在时仍可以被诱导； 有些细胞株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合有些细胞株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合成半乳糖代谢酶类（成半乳糖代谢酶类（gal结构基因高效表达），在另结构基因高效表达），在另一类细胞株中，没有葡萄糖，

26、一类细胞株中，没有葡萄糖，gal基因不表达。基因不表达。 在在gal操纵子操纵子P-O区有两个相距仅为区有两个相距仅为5bp的启动的启动子，子，gal操纵子可以从两个启动子分别起始基因转录，操纵子可以从两个启动子分别起始基因转录，每个启动子拥有各自的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。 从从S1起始的转录只有在无葡萄糖时才能顺利进起始的转录只有在无葡萄糖时才能顺利进行，行，RNA聚合酶与聚合酶与S1的结合需要半乳糖、的结合需要半乳糖、CRP和较和较高浓度的高浓度的cAMP。当腺苷环化酶突变（。当腺苷环化酶突变（cya-）或）或cAMP受体蛋白突变（受体蛋白突变（

27、crp-）时，）时，gal操纵子不能从操纵子不能从S1起始转录。当有起始转录。当有cAMP-CRP时，转录从时，转录从S1开始；开始；当无当无 cAMP-CRP时，转录从时，转录从S2开始。开始。2、双启动子的生理功能、双启动子的生理功能 为什么为什么gal操纵子需要两个转录起始位点呢？因为操纵子需要两个转录起始位点呢？因为半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质相关的物质尿苷二磷酸半乳糖（尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大肠）是大肠杆菌细胞壁合成的前体，细胞必须随时合成差向异构杆菌细胞壁合成的前体，细胞必须随时合成差向异构酶，以

28、保证尿苷二磷酸的供应。在没有外源半乳糖的酶，以保证尿苷二磷酸的供应。在没有外源半乳糖的情况下，细胞通过半乳糖差向异构酶情况下，细胞通过半乳糖差向异构酶（galactoseepimerase，galE基因产物）的作用由基因产物）的作用由UDP-葡萄糖合成葡萄糖合成UDPgal。 如果只有如果只有S1一个启动子，由于这个启动子的活一个启动子，由于这个启动子的活性依赖于性依赖于cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时，当培养基中有葡萄糖存在时就不能合成异构酶。就不能合成异构酶。 如果如果S2是唯一的启动子，那么，即使有葡萄糖是唯一的启动子，那么，即使有葡萄糖存在，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态

29、，能存在，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，能量被浪费。量被浪费。7.4.2 阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子araB、araA和和araD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araBAD。araB基因编码核酮糖激酶，基因编码核酮糖激酶，araA编码编码L-阿拉伯糖异构酶，阿拉伯糖异构酶，araD编码编码L-核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸-4-差向异构酶。差向异构酶。araE和和araF负责将阿拉伯糖运入细胞内。负责将阿拉伯糖运入细胞内。它们位于远离这个基因簇的地方，分别编码一个膜蛋白和一个它们位于远离这个基因簇的地方，分别编码一个膜蛋白和

30、一个位于细胞壁与细胞膜之间的阿拉伯糖结合蛋白。位于细胞壁与细胞膜之间的阿拉伯糖结合蛋白。启动子区域，与启动子区域，与araBAD相邻相邻两个操纵区（两个操纵区（O1，O2）调节基因调节基因araC。cAMP-CRP是正调节因子，是正调节因子，AraC蛋白同时显示正、蛋白同时显示正、负调节因子的功能。负调节因子的功能。Ara操纵子的结构操纵子的结构ara操纵子上游调控区序列与功能分析操纵子上游调控区序列与功能分析ara操纵子是可诱导的。操纵子是可诱导的。诱导物是阿拉伯糖，诱导物是阿拉伯糖，cAMP-CRP起正调控作用。起正调控作用。AraC蛋白具有蛋白具有PBAD活性正、负调节因子的双重功能。活

31、性正、负调节因子的双重功能。Pr是起阻遏作用的形式，可与类操纵区位点相结合，而是起阻遏作用的形式，可与类操纵区位点相结合，而Pi是起诱是起诱导作用的形式，它通过与导作用的形式，它通过与PBAD启动子启动子结合进行调节。结合进行调节。a.没有没有AraC蛋白时，由蛋白时，由Pc启动子起始启动子起始araC基因转录；基因转录；b.葡萄糖水平较高时，葡萄糖水平较高时，AraC蛋白与操纵区蛋白与操纵区O2以及以及araI上上半区相结合，形成半区相结合，形成DNA回转结构，回转结构，araBAD基因不表达；基因不表达；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，AraC与阿拉伯糖相结与阿

32、拉伯糖相结合，变构成为激活蛋白，与合，变构成为激活蛋白，与araO1和和araI区相结合，在区相结合，在CRP-cAMP的共同作用下起始结构基因表达。的共同作用下起始结构基因表达。a.培养基含有葡萄糖，无阿拉伯糖时，培养基含有葡萄糖，无阿拉伯糖时，cAMP-CRP没有与操纵区位点相结合，没有与操纵区位点相结合，AraC蛋白处于蛋白处于Pr形式形式并与操纵区并与操纵区O2位点结合，位点结合，RNA聚合酶不能与聚合酶不能与Pc结结合，合，araC基因受到抑制，整个系统几乎处于静止状基因受到抑制，整个系统几乎处于静止状态。态。b.没有葡萄糖糖，也没有阿拉伯糖。因为没有诱导没有葡萄糖糖，也没有阿拉伯糖

33、。因为没有诱导物，尽管有物，尽管有cAMP-CRP与操纵区位点相结合，与操纵区位点相结合，AraC蛋白仍以蛋白仍以Pr形式为主，无法与操纵区形式为主，无法与操纵区O2位点相结合，位点相结合，无无araBADmRNA转录。转录。c.无葡萄糖，有阿拉伯糖。大量无葡萄糖，有阿拉伯糖。大量araC基因产物以基因产物以Pi形式存在，并分别与操纵区形式存在，并分别与操纵区O1 、I位点相结合，在位点相结合，在cAMP-CRP的共同作用下，的共同作用下，araC和和araBAD基因大基因大量表达，操纵子充分激活。量表达，操纵子充分激活。7. 4. 4 二组分调控系统和信号转导二组分调控系统和信号转导 最简单

34、的细胞信号系统称为二组分系统（最简单的细胞信号系统称为二组分系统（two-component systems），由二种不同的蛋白质组成：），由二种不同的蛋白质组成：即位于细胞质膜上的传感蛋白（即位于细胞质膜上的传感蛋白（sensor protein）及）及位于细胞质中的应答调节蛋白（位于细胞质中的应答调节蛋白（response regulator protein）。）。细菌中参与信号转导细菌中参与信号转导的二组分调控系统的二组分调控系统7. 4. 5 多启动子调控的操纵子多启动子调控的操纵子1、rRNA操纵子操纵子rRNA操纵子（操纵子（rrnE）有两个启动子）有两个启动子P1和和P2。其中，

35、。其中，P1为强启动子。为强启动子。当细菌处于紧急状态，细胞中当细菌处于紧急状态，细胞中ppGpp浓度增加，浓度增加，P1的作用被抑制。的作用被抑制。为维持细菌最低能量需求，由为维持细菌最低能量需求，由P2起始起始rrnE基因转录。基因转录。魔斑核苷酸魔斑核苷酸魔斑核苷酸为魔斑核苷酸为ppGpp或或pppGpp，因其能在色谱上检测，因其能在色谱上检测出斑点而被称为魔斑出斑点而被称为魔斑氨基酸缺乏时，空载氨基酸缺乏时，空载tRNA进入进入A位点。位点。A位点积聚的位点积聚的GTP进入另一反应途径：进入另一反应途径： GTP+ATP pppGpp + AMP ppGpp2、核糖体蛋白、核糖体蛋白S

36、1操纵子操纵子 核糖体蛋白核糖体蛋白SI操纵子操纵子rpsA有有4个启动子，个启动子，P1、P2是强启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表达，是强启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表达，合成合成S1蛋白。蛋白。P3、P4是弱启动子，只有在紧急情况是弱启动子，只有在紧急情况下，下，P1、P2启动子受启动子受ppGpp的抑制，由的抑制，由P3、P4起始起始合成的合成的S1蛋白维持了生命的最低需要。蛋白维持了生命的最低需要。3、DnaQ蛋白操纵子蛋白操纵子DnaQ蛋白是蛋白是DNA聚合酶全酶的亚基。聚合酶全酶的亚基。其操纵子有两个启动子，其操纵子有两个启动子，P1为强启动子，为强启动子，P2为弱启

37、为弱启动子。动子。增殖速度慢时，在细胞中增殖速度慢时，在细胞中RNA聚合酶活性较低时，聚合酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子操纵子的转录由弱启动子P2控制；控制；而而RNA聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子P1。7.6 转录水平上的其他调控方式转录水平上的其他调控方式7.6.1 因子的调节作用因子的调节作用E和和K 存在于母细胞中，存在于母细胞中， F 和和G 存在于孢子细胞中。存在于孢子细胞中。母细胞阶段，母细胞阶段， F 与抗与抗因子因子SpoAB结合，不能作为聚结合，不能作为聚合酶组分。合酶组分。孢子形成时，孢子形成时，SpoAA结合结合SpoAB

38、，释放，释放F因子，转因子，转录孢子形成期基因。包括录孢子形成期基因。包括G和降解和降解E的蛋白酶基因。的蛋白酶基因。G转录孢子形成后期基因和降解转录孢子形成后期基因和降解K蛋白酶基因。蛋白酶基因。母细胞期母细胞期活性活性E活性活性K 非活性形式：非活性形式：F+SpoAB孢子形成初期孢子形成初期释放释放FK因子蛋白酶因子蛋白酶降解降解早期早期基因基因活性活性G孢子形成后期孢子形成后期基因基因E因子蛋白酶因子蛋白酶降解降解7.6.3 转录调控因子的作用转录调控因子的作用 转录调控因子指能够与基因的启动子区相结合，对基因转录调控因子指能够与基因的启动子区相结合，对基因的转录起激活或抑制作用的的转

39、录起激活或抑制作用的DNA结合蛋白质；结合蛋白质； 有些能够调控大量基因的表达，而有些仅调控一两个基有些能够调控大量基因的表达，而有些仅调控一两个基因；因； 有些转录因子对某个基因起激活作用却对另一个基因起有些转录因子对某个基因起激活作用却对另一个基因起抑制作用；抑制作用； 有些转录因子对同一基因也能发挥两种不同的作用；有些转录因子对同一基因也能发挥两种不同的作用； 许多基因的启动子区有多个转录调控因子的结合位点。许多基因的启动子区有多个转录调控因子的结合位点。7. 7 转录后调控转录后调控7. 7. 1 翻译起始的调控翻译起始的调控 起始密码子对翻译效率的影响；起始密码子对翻译效率的影响；

40、SD序列结构及其与起始密码子序列结构及其与起始密码子AUG的距离；的距离； mRNA 5端二级结构；端二级结构； 核糖开关核糖开关 能够感受细胞内诸如代谢物浓度、离子能够感受细胞内诸如代谢物浓度、离子浓度、温度等的变化而改变自身的二级结构和调控浓度、温度等的变化而改变自身的二级结构和调控功能，从而改变基因的表达状态。功能，从而改变基因的表达状态。甲硫氨酸途径的基因编码区上游一段序列，通过小分子物质甲硫氨酸途径的基因编码区上游一段序列，通过小分子物质（SAM，S-腺苷甲硫氨酸）的结合，改变该区域腺苷甲硫氨酸）的结合，改变该区域mRNA的的二级结构，从而调控核糖体翻译或二级结构，从而调控核糖体翻译或RNA聚合酶转录聚合酶转录glmS基因基因5端有一段端有一段核酶；核酶； 6-磷酸葡磷酸葡糖胺浓度高糖胺浓度高时激活核酶时激活核酶活性；活性；核酶切割核酶切割自身自身mRNA，蛋白翻译受蛋白翻译受阻。阻。温度调控温度调控pfrA的翻译的翻译7.7.2 mRNA稳定性对转录水平的影响稳定性对转录水平的影响CsrAB调节系统；调节系统；CsrA为为RNA结合蛋白，结合蛋白， CsrB是一个非编码是一个非编码RNA分子。分子。 CsrA还可与还可与mRNA结合。结合。调节实例，糖酵解过程，糖原合成受抑制。调节实