原核生物的基因表达调控ppt课件

1、第六章第六章 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控 6.1原核生物基因表达调控概原核生物基因表达调控概 6.2 支配子学说支配子学说 6.3 色氨酸支配子的表达调控色氨酸支配子的表达调控 6.4 其他支配子其他支配子 6.5 转录后程度上的调控转录后程度上的调控 6.6 细菌的应急反响细菌的应急反响6.1 原核生物基因表达调控概述 基因表达(gene expression) 是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。 既然从DNA到蛋白质的过程称为基因表达，对这个过程的调理就称为基因表达调控gene

2、 regulation或gene control。基因表达调控是现阶段分子生物学研讨的中心课题。6.1.1基因表达调控的意义 基因组基因组(genome) (genome) 是指含有一个生物体生存、发育、活动是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁衍所需求的全部遗传信息的整套核酸。和繁衍所需求的全部遗传信息的整套核酸。 但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的，大肠杆菌基因组含有约的，大肠杆菌基因组含有约40004000个基因，普通情况下只需个基因，普通情况下只需5 510%10%在高程度转录形状，其它基因有的处于较低程度的在高程度转录形状，

3、其它基因有的处于较低程度的表达，有的就暂时不表达。表达，有的就暂时不表达。 改动基因表达的情况以顺应环境，在原核生物、单细胞生物中尤其显改动基因表达的情况以顺应环境，在原核生物、单细胞生物中尤其显得突出和重要，由于细胞的生存环境经常会有猛烈的变化。得突出和重要，由于细胞的生存环境经常会有猛烈的变化。原核生物中，营养情况原核生物中，营养情况nutritional statusnutritional status和环境要素和环境要素environmental factorenvironmental factor对基因表达起着举足轻重的影响。调控是对基因表达起着举足轻重的影响。调控是为了顺应环境获取

4、营养到达生存即分裂繁衍的最优化原核既无充足为了顺应环境获取营养到达生存即分裂繁衍的最优化原核既无充足的能源贮备，又无高等植物制造有机物的身手。所以调控表达的能源贮备，又无高等植物制造有机物的身手。所以调控表达1 1个个“快字，快速顺应环境，获取营养，合成必需蛋白质、降解不用要快字，快速顺应环境，获取营养，合成必需蛋白质、降解不用要成分。这是长期进化，获得的顺应应变才干。成分。这是长期进化，获得的顺应应变才干。 例如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳例如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不用更多去合成利用其它糖类的酶类，当外界没有葡萄糖时，细源，不用更多去

5、合成利用其它糖类的酶类，当外界没有葡萄糖时，细菌就要顺应环境中存在的其它糖类菌就要顺应环境中存在的其它糖类( (如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等) )，开放能利用这些糖的酶类基因，以满足生长的需求。开放能利用这些糖的酶类基因，以满足生长的需求。即使是内环境坚持稳定的高等哺乳类，也经常要变动基因的表达来顺即使是内环境坚持稳定的高等哺乳类，也经常要变动基因的表达来顺应环境，例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下顺应生活的应环境，例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下顺应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同。动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同。所以，基

6、因表达调控是生物顺应环境生存的必需。所以，基因表达调控是生物顺应环境生存的必需。 不同组织细胞中不仅表达的基因数量不一样，而且基因表不同组织细胞中不仅表达的基因数量不一样，而且基因表达的强度和种类也各不一样，这就是基因表达的组织特异达的强度和种类也各不一样，这就是基因表达的组织特异性性(tissue specificity)(tissue specificity)。 例如肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达程例如肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达程度高于其它组织细胞，合成的某些酶度高于其它组织细胞，合成的某些酶( (如精氨酸酶如精氨酸酶) )为肝脏为肝脏所特有；胰岛所特有；胰岛细胞合

7、成胰岛素；甲状腺滤泡旁细胞细胞合成胰岛素；甲状腺滤泡旁细胞(C(C细细胞胞) )专注分泌降血钙素等。专注分泌降血钙素等。 细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不一样的，细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不一样的，这就是基因表达的阶段特异性这就是基因表达的阶段特异性(stagespecificity)(stagespecificity)。 真核生物尤其是高等真核生物中，激素程度真核生物尤其是高等真核生物中，激素程度hormone hormone levellevel和发育阶段和发育阶段developmental stagedevelopmental stage是基因表达是基因表达调控的

8、最主要手段，营养和环境要素的影响力大为下降。调控的最主要手段，营养和环境要素的影响力大为下降。 一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息，在个体发育分化的各个阶段，各种基因极为有序地表达，普通在胚胎时期基因开放的数量最多，随着分化开展，细胞中某些基因封锁(turn off)、某些基因转向开放(turn on)，胚胎发育不同阶段、不同部位的细胞中开放的基因及其开放的程度不一样，合成蛋白质的种类和数量都不一样，显示出基因表达调控在空间和时间上极高的有序性，从而逐渐生成形状与功能各不一样、极为协调、巧妙有序的组织脏器。 遗传程序调控，该遗传程序是构成胚胎发育和组织分化的根底。仅极少基因间接或直

9、接受环境要素的影响。这一特点使真核在千变万化的环境下，主要组织或器官仍能维持正常功能“处世不惊。 从上所述，不难看出：生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、准确调控的，不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。 基因表达的方式 生物体内的基因调控各不一样，基因表达随环境变化的情况，可以大致把基因表达分成两类： 组成性表达(constitutive expression)指不大受环境变动而变化的一类基因表达。 其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都继续需求而必不可少的，这类基因可称为看家基因(housekeeping gene)，这些基因中不

10、少是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是继续表达的，可以看成是细胞根本的基因表达。 组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。 顺应性表达(adaptive expression)指环境的变化容易使其表达程度变动的一类基因表达。 应环境条件变化基因表达程度增高的景象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)； 相反，随环境条件变化而基因表达程度降低的景象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。 6.1.2 原核基因表达调控的特点与方式基因表达调控主要表

11、如今以下两方面：基因表达调控主要表如今以下两方面：1 1转录程度上的调控转录程度上的调控transcriptional transcriptional regulationregulation；2 2 转 录 后 程 度 上 的 调 控 转 录 后 程 度 上 的 调 控 p o s t -p o s t -transcriptional transcriptional regulation regulation，包括，包括 mRNA mRNA加工成熟程度上的调控加工成熟程度上的调控differential processing of RNA differential processing o

12、f RNA transcripttranscript； 翻译程度上的调控翻译程度上的调控differential translation of mRNAdifferential translation of mRNA。真原核调控的主要程度主调都在转录程度。由于：1.任何连锁反响控制第一步是最经济和最有效的既不需求，何必转录。2.RNA pol 没有纠错功能DNA pol 有微调 DNA程度 转录后程度 原核调控余步不大，因其转录翻译同一个compt进展。 翻译程度 是原核次要调控程度。 翻译后程度 调控的根本方式 真原核调控的根本方式都是经过调控因子：1.蛋白质主2.核酸 和 3.小分子化合物

13、之间的识别和相互作用对基因表达实现正控制或负控制也称正调控和负调控 调控物质的化学本质 蛋白质、核酸、小分子化合物。 在转录程度上对基因表达的调控决议于DNA的构造、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。 由于细菌由于细菌mRNAmRNA在构成过程中与核糖体混合在一同，在构成过程中与核糖体混合在一同，所以，细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间所以，细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联隔内，转录与翻译相耦联coupled transcription coupled transcription and translationand translati

14、on。 真核生物中，转录产物真核生物中，转录产物primary transcriptprimary transcript只需从核内运转到核外，才干被核糖体翻译成蛋白质。只需从核内运转到核外，才干被核糖体翻译成蛋白质。6.1.3 原核基因表达调控的几个重要概念 1.细菌细胞对营养的顺应 2.顺式作用元件和反式作用因子 3.构造基因和调理基因 4.支配基因和阻遏蛋白 5.组成蛋白和调理蛋白6.2 支配子学说 法国巴斯德研讨院的法国巴斯德研讨院的Francois Jacob与与Jacques Monod于于1960年在法国科学院院报年在法国科学院院报(Proceeding of the French

15、 Academy of Sciences)上发表了一篇论文，提出乳糖代谢中的两个基因被一上发表了一篇论文，提出乳糖代谢中的两个基因被一接近它们的遗传因子所调理。这二个基由于接近它们的遗传因子所调理。这二个基由于-半乳糖半乳糖苷酶苷酶(-galactosidase)和半乳糖苷透过酶和半乳糖苷透过酶(galactoside permease)。 在此文中他们首先提出了支配子在此文中他们首先提出了支配子(operon)和支和支配基因配基因(operator)的概念，他们的支配子学说的概念，他们的支配子学说(theory of operon)使我们得以从分子程度认识基因表达的调使我们得以从分子程度认识

16、基因表达的调控，是一个划时代的突破，因此他们二人于控，是一个划时代的突破，因此他们二人于1965年年荣获诺贝尔生理学奖。荣获诺贝尔生理学奖。一、支配子(operon) 细菌能随环境的变化，迅速改动某些基因表达的形状，这就是很好的基因表达调控的实验模型。人们就是从研讨这种景象开场，翻开认识基因表达调控分子机理的窗口的。1.支配子的提出 大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁衍，当培育基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停顿生长，经过短时间的顺应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁衍增长。 大肠杆菌利用乳糖至少需求两个酶：促使乳 糖 进 入 细 菌

17、 的 半 乳 糖 透 过 酶 ( l a c t o s e permease)和催化乳糖分解第一步的 半乳糖苷酶( -galactosidase)。 在环境中没有乳糖或其他 -半乳糖苷时，大肠杆菌合成 -半乳糖苷酶量极少，参与乳糖2-3分钟后，细菌大量合成 -半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作为独一碳源时，菌体内的 -半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的3%。 在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁衍前，也能测出细菌中 -半乳糖苷酶活性显著增高的过程。这种典型的诱导景象，是研讨基因表达调控极好的模型。针对大肠杆菌利用乳糖的顺应景象，法国的Jocob和Monod等人做了一系列遗传学和生化学研讨

18、实验，于1961年提出乳糖支配子lac operon学说。2. 支配子的根本组成 乳糖支配子模型已被许多研讨实验所证明，对其有了更深化的认识，并且发现其他原核生物基因调控也有类似的支配子组织，支配子是原核基因表达调控的一种重要的组织方式，大肠杆菌的基因多数以支配子的方式组成基因表达调控的单元。 下面就以乳糖支配子为例子阐明支配子的最根本的组成元件elements。(1) 构造基因群 支配子中被调控的编码蛋白质的基因可称为构造基因(structural gene, SG)。一个支配子中含有2个以上的构造基因，多的可达十几个。每个构造基因是一个延续的开放阅读框(open reading frame

19、), 5端有起始密码ATG，3端有终止密码TAA、TGA或TAG。各构造基因头尾衔接、串连陈列，组成构造基因群。 至少在第一个构造基因5侧具有核糖体结合位点(ribosome binding site, RBS)，因此当这段含多个构造基因的DNA被转录成多顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并起始翻译。核糖体沿mRNA挪动，在合成完第一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多肽。 乳糖支配子含有、和3个构造基因。 基因长3510bp，编码含1170个氨基酸、分子量为,000的多肽，以四聚体方式组成有活性的-半乳

20、糖苷酶，催化乳糖转变为半乳糖(allolactose)，再分解为半乳糖和葡萄糖； 基因长780bp，编码有260个氨基酸、分子量为30,000的半乳糖透过酶，促使环境中的乳糖进入细菌； 基因长825bp，编码275氨基酸、分子量为32,000的转乙酰基酶，以二聚体活性方式催化半乳糖的乙酰化。 基因5侧具有大肠杆菌核糖体识别结合位点RBS特征的Shine-Dalgarno(SD)序列，因此当乳糖支配子开放时，核糖体能结合在转录产生的mRNA上。 由于、三个基因头尾相接，上一个基因的翻译终止密码接近下一个基因的翻译起始密码，因此同一个核糖体能沿此转录生成的多顺反子polycistronmRNA挪动

21、，在翻译合成了上一个基因编码的蛋白质后，不从mRNA上掉下来而继续沿mRNA挪动合成下一个基因编码的蛋白质，一气依次合成这基因群所编码一切的蛋白质。(2) (2) 启动子启动子 启动子是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。支配子至少有一个启动子，普通在第一个构造基因5侧上游，控制整个构造基因群的转录。用RNA聚合酶与分别的一段DNA双链混合，再参与外切核酸酶去水解DNA，结果只需被RNA聚合酶识别结合而被维护的那段DNA不被水解，由此可以测出启动子的范围及其序列。虽然不同的启动子序列有所不同，但比较曾经研讨过的上百种原核生物的启动子的序列，发现有一些共同的规律，它们普通

22、长40-60bp，含A-T bp较多，某些段落很类似的，有保守性，称为共有性序列(consensus sequences)。 启动子普通可分为识别(R，recognition)、结合(B，binding)和起始(I，initiation)三个区段。 转录起始第一个碱基通常标志位置为+1最常见的是A；在-10bp附近有TATAAT一组共有序列，由于这段共有序列是Pribnow首先发现的，称为Pribnow盒Pribnow box；在-35bp处又有TTGACA一组共有序列。不同的启动子序列不同，与RNA聚合酶的亲和力不同、启动转录的频率高低不同，即不同的启动子起动基因转录的强弱不同，例如：PL、

23、PR、PT7属强启动子，而Plac那么是较弱的启动子。(3) (3) 支配区支配区 支配区operator是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子临近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在支配子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。 以前将支配区称为支配基因operator gene。但如今基因定义是为蛋白质或RNA编码的核酸序列，而支配序列并不是编码蛋白质的基因，却是起着调控基因表达强弱的作用，正如启动序列不叫启动基因此称为启动子一样，支配序列就可称为支配区。operon译为支配子，即基因表达支配的单元之意。以乳糖支配子中的支配区为例，其支配区o序列位于启动子p与被调控的基因之间，

24、部分序列与启动子序列重叠。 仔细分析支配区序列，可见这段双链DNA具有回文palindrome样的对称性一级构造，能构成十字形的茎环stem loop构造。不少支配区都具有类似的对称性序列，能够与特定蛋白质的结合相关。阻遏蛋白与支配区结合，就妨碍了RNA聚合酶与启动子的结合及其后 -半乳糖苷酶等基因的转录起始，从而阻遏了这群基因的表达。 最早只把与阻遏蛋白结合、起阻遏作用的序列称为支配区，但其后发现有的支配子中同一支配序列与不同构像的蛋白质结合，可以分别起阻遏或激活基因表达的作用，阿拉伯糖支配子中的支配序列就是典型的例子。因此凡能与调控蛋白特异性结合、从而影响基因转录强弱的序列，不论其对基因转

25、录的作用是减弱、阻止或加强、开放，都可称为支配区。4 调控基因 调控基因(regulatory gene)是编码能与支配序列结合的调控蛋白的基因。调控蛋白有： 阻遏蛋白(repressive protein)：与支配区结合后能减弱或阻止其调控的基因转录，其介导的调控方式为负调控(negative regulation)； 激活蛋白(activating protein)：与支配区结合后能加强或起动其调控的基因转录，所介导的调控方式为正调控(positive regulation)。某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改动其对基因转录的影响，这些特定物质可称为效应物

26、effector。有两种：诱导剂(inducer)：能引起诱导发生的分子；阻遏剂或辅助阻遏剂(corepressor)：能导致阻遏发生的分子。例如在乳糖支配子中，调控基因lac I位于Plac临近，有其本身的启动子和终止子，转录方向和构造基因群的转录方向一致，编码产生由347个氨基酸组成的调控蛋白R。 在环境没有乳糖存在的情况下，R构成分子量为152,000的活性四聚体，能特异性与支配区严密结合，从而阻止利用乳糖的酶类基因的转录，所以R是乳糖支配子的阻遏蛋白； 当环境中有足够的乳糖时，乳糖与R结合，使R的空间构像变化，四聚体解聚成单体，失去与支配区特异性严密结合的才干，从而解除了阻遏蛋白的作用

27、，使其后的基因得以转录合成利用乳糖的酶类。 在这过程中乳糖就是诱导剂，与R结合起到去阻遏作用(derepression)，诱导了利用乳糖的酶类基因转录开放。 许多调控蛋白都是变构蛋白allosteric protein，经过与上述类似的方式与效应物结合改动空间构像，从而改动活性，起到调理基因转录表达的作用。二、乳糖支配子的表达调控 大肠杆菌能以乳糖为独一碳源生长，这是由于它能产生一套利大肠杆菌能以乳糖为独一碳源生长，这是由于它能产生一套利用乳糖的酶。用乳糖的酶。 这些酶受乳糖支配子的控制。大肠杆菌乳糖支配子是大肠杆这些酶受乳糖支配子的控制。大肠杆菌乳糖支配子是大肠杆菌菌DNA的一个特定区段，由

28、调理基因的一个特定区段，由调理基因I，启动基因，启动基因P，支配基因，支配基因O和构造基因和构造基因Z、Y、A组成。组成。 P区是转录起始时区是转录起始时RNA聚合酶的结合部位。聚合酶的结合部位。 O区是阻遏蛋白的结合部位，其功能是控制构造基因的转录。区是阻遏蛋白的结合部位，其功能是控制构造基因的转录。 平常平常I基因经常进展转录和翻译，产生有活性的阻遏蛋白。基因经常进展转录和翻译，产生有活性的阻遏蛋白。 Z编码编码-半乳糖苷酶；半乳糖苷酶；Y编码编码-半乳糖苷透半乳糖苷透过酶；过酶；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。 -半乳糖苷酶是一种半乳糖苷酶是一种-半乳糖苷键的专注

29、半乳糖苷键的专注性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。 -半乳糖苷透过酶的作用是使外界的半乳糖苷透过酶的作用是使外界的-半乳半乳糖苷如乳糖能透过大肠杆菌细胞壁和原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。生质膜进入细胞内。 -半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶酶A上的乙酰基转到上的乙酰基转到-半乳糖苷上，构成乙酰半乳糖苷上，构成乙酰半乳糖。半乳糖。RNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位阻遏物结合部位阻遏物结合部位1. 阻遏蛋白的负调控 当大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，lac支配子处于阻遏形状。此基因在其本身

30、的启动子Pi控制下，低程度、组成性表达产生阻遏蛋白R，每个细胞中仅维持约10个分子的阻遏蛋白。R以四聚体方式与支配子结合，妨碍了RNA聚合酶与启动子Plac的结合，阻止了基因的转录起动。R的阻遏作用不是绝对的，R与偶尔解离，使细胞中还有极低程度的半乳糖苷酶及透过酶的生成。 当有乳糖存在时，乳糖受 半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，与R结合，使R构象变化，R四聚体解聚成单体，失去与的亲和力，与解离，基因转录开放，使 半乳糖苷酶在细胞内的含量可添加1000倍。这就是乳糖对lac支配子的诱导作用。 乳糖支配子的控制模型，其主要内容如下：乳糖支配子的控制模型，其主要内容如下： Z Z、Y Y、A A基因的

31、产物由同一条多顺反子基因的产物由同一条多顺反子的的mRNAmRNA分子所编码。分子所编码。 这个这个mRNAmRNA分子的启动子紧接着分子的启动子紧接着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，不能单独起动，不能单独起动合成合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 支配基因是支配基因是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。 当阻遏物与支配基因结合时，当阻遏物与支配基因结合时，lac mRNAlac mRNA的转录起始遭到抑制。的转录起始遭到抑制。 诱导物经过与阻遏

32、物结合，改动它的三诱导物经过与阻遏物结合，改动它的三维构象，使之不能与支配基因结合，从而激发维构象，使之不能与支配基因结合，从而激发lacmRNAlacmRNA的合成。当有诱导物存在时，支配基因的合成。当有诱导物存在时，支配基因区没有被阻遏物占据，所以启动子可以顺利起区没有被阻遏物占据，所以启动子可以顺利起始始mRNAmRNA的合成。的合成。 当一个当一个mRNA含有编码一个以上蛋白质的编码信含有编码一个以上蛋白质的编码信息，而且这些蛋白质都是以独立的多肽被翻译时，这息，而且这些蛋白质都是以独立的多肽被翻译时，这样的样的mRNA称之多顺反子称之多顺反子mRNA。多顺反子。多顺反子mRNA在在细

33、菌中是很普遍的。细菌中是很普遍的。 多顺反子多顺反子lac mRNA中的中的lacZ，lacY，lacA经翻经翻译生成的产物分别为译生成的产物分别为LacZ-半乳糖苷酶半乳糖苷酶-galactosidase、LacY-半乳糖苷通透酶半乳糖苷通透酶-galactoside permease和和LacA-半乳糖苷转半乳糖苷转乙酰基酶乙酰基酶thiogalactoside transacetylase。 半乳糖是半乳糖是lac支配子转录的活性诱导物，支配子转录的活性诱导物，人们发现一个合成的、构造上类似于别乳糖、人们发现一个合成的、构造上类似于别乳糖、不能被不能被-半乳糖苷酶水解的半乳糖苷酶水解的-

34、半乳糖苷异丙半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷基硫代半乳糖苷isopropyl thiogalactoside：IPTG起着起着lac支配子的支配子的一个诱导物的作用，所以一个诱导物的作用，所以IPTG常用于诱导常用于诱导含有运用了含有运用了lac启动子的质粒载体的细菌中启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。的重组蛋白的表达。 抚慰诱导物抚慰诱导物 一些化学合成的乳糖类似物，不受 半乳糖苷酶的催化分解，却也能与R特异性结合使R构象变化，诱导lac支配子的开放。例如异丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiog-alactoside，IPTG)就是很强的诱导剂；不被细菌代谢而非常稳定。X-gal5

35、-溴-4-氯-3-吲哚-半乳糖苷也是一种人工化学合成的半乳糖苷，可被 半乳糖苷酶水解产生兰色化合物，因此可以用作 半乳糖苷酶活性的指示剂。IPTG和X-gal都被广泛运用在分子生物学和基因工程的任务中。 lac 支配子受支配子受LacI阻遏蛋白调控。在没有诱导剂阻遏蛋白调控。在没有诱导剂乳糖或乳糖或IPTG存在时，存在时，LacI阻遏蛋白与阻遏蛋白与lac 支配支配子子DNA序列结合得非常严密，序列结合得非常严密，lac 基因不能进展转录。基因不能进展转录。当当IPTG 存在时，存在时，IPTG与与LacI阻遏蛋白相互作用，构阻遏蛋白相互作用，构成成LacI阻遏蛋白阻遏蛋白IPTG复合物，体外

36、研讨阐明，该复合物，体外研讨阐明，该复合物对复合物对lac 支配基因的亲和性为单独支配基因的亲和性为单独LacI阻遏蛋白阻遏蛋白的亲和性的千分之一。所以的亲和性的千分之一。所以IPTG作为作为lac基因表达的基因表达的一个诱导剂，起着转录去阻遏作用。就象以下图一个诱导剂，起着转录去阻遏作用。就象以下图表示的那样，表示的那样，RNA聚合酶的结合部位聚合酶的结合部位lac支配基因支配基因也是也是LacI阻遏蛋白的结合部位，实验阐明阻遏蛋白的结合部位，实验阐明RNA聚合聚合酶和酶和LacI阻遏蛋白对支配基因序列的结合是相互排阻遏蛋白对支配基因序列的结合是相互排斥的。斥的。原核生物基因表达的调控原核生

37、物基因表达的调控乳糖代谢基因表达调控图解：乳糖代谢基因表达调控图解：(没有乳糖时没有乳糖时) lacZ lacY lacA 调理基因调理基因启动子启动子 支配基因支配基因构造基因构造基因RNA聚合酶聚合酶信使信使RNA转录转录翻译翻译阻抑物与阻抑物与支配基因支配基因结合，结结合，结构基因转构基因转录受阻录受阻阻抑物阻抑物原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控乳糖代谢基因表达调控图解：乳糖代谢基因表达调控图解：(有乳糖时有乳糖时) lacZ lacY lacA 调理基因调理基因启动子启动子 支配基因支配基因构造基因构造基因RNA聚合酶聚合酶信使信使RNA转录转录翻译翻译阻抑物与乳糖结合后构

38、象发生了改动，阻抑物与乳糖结合后构象发生了改动，因此不能与支配基因结合，使得构造因此不能与支配基因结合，使得构造基因进展转录。基因进展转录。阻抑物阻抑物乳糖乳糖转录转录半乳糖苷酶半乳糖苷酶酶酶酶酶乳糖分解代乳糖分解代谢调控过程谢调控过程是一个自我是一个自我调控过程调控过程 2. CAP的正调控 细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖分解产生能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。细菌中有一种能与cAMP特异结合的cAMP受体蛋白CRP(cAMP receptor protein)，当CRP未与cAMP结合时它是

39、没有活性的，当cAMP浓度升高时，CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，称为CAP(CRP-cAMP activated protein)，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。在lac支配子的启动子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CAP binding site。CAP与这段序列结合时，可加强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支配子的构造基因表达下降。由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使lac支配子转录开放，还不能使细菌很好利用

40、乳糖，必需同时有CAP来加强转录活性，细菌才干合成足够的酶来利用乳糖。lac支配子的强诱导既需求有乳糖的存在又需求没有葡萄糖可供利用。经过这机制，细菌是优先利用环境中的葡萄糖，只需无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。细菌对葡萄糖以外的其他糖如阿拉伯糖、半乳糖、麦芽糖等的利用上也有类似对乳糖利用的情况，在含有编码利用阿拉伯糖的酶类基因群的阿拉伯糖支配子ara operon、半乳糖支配子gal operon中也有CAP结合位点，CAP也起类似的正性调控作用。所以CAP的 通 用 称 号 是 分 解 代 谢 基 因 激 活 蛋 白catabolic gene activator protei

41、n。不难看出：CAP结合位点就是一种起正性调控作用的支配子，CAP那么是对转录起正性作用的调控蛋白激活蛋白，编码CRP的基因也是一个调控基因，不过它并不在lac支配子的附近，CAP可以对几个支配子都起作用。从上所述，乳糖支配子属于可诱导支配子inducible operon，这类支配子通常使是封锁的，当受效应物作用后诱导开放转录。这类支配子使细菌能顺应环境的变化，最有效地利用环境能提供的能源底物。乳糖支配子的诱导乳糖支配子的诱导 6.3 色氨酸支配子的表达调控 色氨酸是构成蛋白质的组分，普通的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁衍通常需求本人经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境可以提供

42、色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停顿合成色氨酸，以减轻本人的负担。细菌所以能做到这点是由于有色氨酸支配子trp operon的调控。trp支配子的构造支配子的构造 trp支配子的构造见以下图：五个构造基因支配子的构造见以下图：五个构造基因E、D、C、B、A分别编码从分支氨酸起始合成色氨酸途径的酶或酶亚基。分别编码从分支氨酸起始合成色氨酸途径的酶或酶亚基。在构造基因之前为调控区域，包括启动子区在构造基因之前为调控区域，包括启动子区P、支配区、支配区O、前导肽编码区、前导肽编码区L和弱化子区和弱化子区a。 弱化子衰减子：在弱化子衰减子：在trpE与支配基因之间有一段前导序与支配基因之

43、间有一段前导序列列L162bp，它能编码出一个内含两个并连的，它能编码出一个内含两个并连的trp的的14肽，肽，由于这两个由于这两个trp的合成速度能控制核糖体在的合成速度能控制核糖体在mRNA上的挪动，上的挪动，使得前导序列的转录产物使得前导序列的转录产物mRNA可构成特殊的构造，类似可构成特殊的构造，类似转录终止信号，因此编码该构造区域的基因被称为弱化子转录终止信号，因此编码该构造区域的基因被称为弱化子衰减子。衰减子。 在在trpA之后有两个终止信号之后有两个终止信号t和和t，其中，其中t为为因子所识别，因子所识别，因此因此因子也参与了调控。因子也参与了调控。 Trp支配子的调理基因支配子

44、的调理基因trpR产生辅阻遏蛋白，远离产生辅阻遏蛋白，远离trp支支配子。配子。 1. 色氨酸支配子的构造色氨酸支配子的构造 trp支配子的调控：支配子的调控：启动子调控启动子调控阻遏系统阻遏系统弱化子衰减子调控弱化子衰减子调控2. 阻遏蛋白的负调控 合成色氨酸所需求酶类的基因E、D、C、B、A等头尾相接串连陈列组成构造基因群，受其上游的启动子Ptrp和支配子的调控，调控基因trpR的位置远离P-构造基因群，在其本身的启动子作用下，以组成性方式低程度表达其编码分子量为47000的调控蛋白R，R并没有与结合的活性，当环境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后构象变化而活化，就可以与特异性亲和

45、结合，阻遏构造基因的转录。色氨酸支配子的可阻遏调控 因此色氨酸支配子属于一种负性调控的、可阻遏的支配子repressible operon，即这支配子通常是开放转录的，有效应物色氨酸为阻遏剂作用时那么阻遏封锁转录。细菌不少生物合成系统的支配子都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁衍最经济最节省的形状。 3. 弱化子及其作用 实验察看阐明：当色氨酸到达一定浓度、但还没有高到可以活化R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量曾经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。仔细研讨发现这种调控景象与色氨酸支配子特殊的构造有关。在色氨酸支配子Ptrp-与第一个构造基因trpE之间有162bp

46、的一段先导序列leading sequence，L，实验证明当色氨酸有一定浓度时，RNA聚合酶的转录会终止在这里。 这段序列中含有编码由14个氨基酸组成的短肽的开放阅读框，其序列中有2个色氨酸相连，在此开放阅读框前有核糖体识别结合位点RBS序列，提示这段短开放阅读框在转录后是能被翻译的。 mRNA前导区序列分析前导区序列分析 trp前导区的碱基序列曾经全部测定，前导区的碱基序列曾经全部测定， 发现发现完好的前导序列可分为完好的前导序列可分为1、2、3、4区域，这区域，这四个区域的片段能以两种不同的方式进展碱四个区域的片段能以两种不同的方式进展碱基配对图基配对图9-10， 色氨酸支配子的转录与翻

47、译调控色氨酸支配子的转录与翻译调控有时以1-2和3-4配对，有时只以2-3方式互补配对。核糖体经过前导区继续翻译的才干控制着这两种构造的转换，它决议mRNA能否构成终止所需的构造。前导序列的终止区与普通的转录 终止位点特点一样，具有成串的 U和潜在的能构成茎环的二重对称构造。经过RNaseT1降解实验此酶不水解配对的RNA阐明纯化的trp前导序列中只需1-2和3-4的配对方式。由此定位的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展。 转录的弱化实际以为，mRNA转录的终止是经过前导肽基因的翻译来调理的，在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子，在翻译

48、时对tRNATrp的浓度非常敏感。当培育基中色氨 酸 的 浓 度 很 低 时 ， 负 载 有 色 氨 酸 的tRNATrp也少，由此推断，翻译经过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体才进展到1区或停留在两个相邻的色氨酸密码子处，这时的前导区构造是2-3配对，不构成3-4配对的终止构造，所以转录可继续进展，直到将色氨酸支配子中的构造基因全部转录终了为止。测定结果发现，在缺乏色氨酸时一切的RNA聚合酶都能经过弱化子继续参与转录。加上取消阻遏添加的约70倍的表达，总表达量可添加约700倍。 当培育基中色氨酸浓度高时，核糖体可顺利经过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前，

49、核糖体就到达2区，这样使2-3不能配对，3-4区可以自在配对构成茎-环式的终止子构造，使得只需约10的RNA聚合酶能继续参与色氨酸支配子构造基因的转录图9-10 。由此可见，弱化子对RNA聚合酶转录的终止依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置，而细胞中色氨 酸存在与否，决议了mRNA 转录的弱化子构造，使弱化子中1、2、3、4区域呈现竞争性配对，从而产生弱化效应，这是色氨酸支配子第二程度调控的机制。应该指出，色氨酸含量变化对阻遏过程和弱化过程的作用方向是一样的。前者主要控制支配子基因表达的启动，而后者主要决议转录和翻译能否能继续进展下去。弱化子作用前导区的转录无色氨酸时，转录可继续进展有色氨酸存在

50、时，转录在弱化子区域终止Trp支配子的弱化子调控有色氨酸时，有色氨酸时，核糖体的挪核糖体的挪动阻止了动阻止了2、3 茎环的构茎环的构成，但成，但3、4茎环构成，茎环构成，终止转录终止转录无色氨酸时，无色氨酸时，核糖体在核糖体在trp密码子处停留，密码子处停留，构成构成2、3茎环，茎环，阻止了阻止了3、4茎茎环的构成，转环的构成，转录继续录继续6.4 其他支配子一、半乳糖支配子(galactose operon)异构酶异构酶(galE)乳糖乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)半乳糖激酶半乳糖激酶(galk)。gal支配子的特点：支配子的特点： 它有两个启动子，其它有两个启动

51、子，其mRNA可从两个不同的起始点开可从两个不同的起始点开场转录；场转录； 它有两个它有两个O区，一个在区，一个在P区上游，另一个在构造基因区上游，另一个在构造基因galE内部。内部。二、阿拉伯糖支配子二、阿拉伯糖支配子arabinose operon)arabinose operon) araB基因、araA基因和araD, 构成一个基因簇，简写为araBAD 三个基因的表达遭到ara支配子中araC基因产物AraC蛋白的调控。ara支配子的调控有两个特点：第一，araC表达遭到AraC的本身调控。第二，AraC既是ara支配子的正调理蛋白需cAMP-CRP的共同参与，起始转录，又是其负调理

52、蛋白。这种双重功能是经过AraC蛋白的两种异构体来实现的Pi和Pr)。三、阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应对SOS反响的机理：由 RecA 蛋白和 LexA 阻遏物的相互作用引起的。LexA阻遏物：是SOS DNA修复系统一切基因的阻遏物RecA蛋白：是SOS反响的最初的发动因子。在单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解LexA阻遏物。当RecA水解LexA阻遏物后，导致SOS体系包括recA基因高效表达，DNA得到修复6.5 6.5 转录后程度上的调控转录后程度上的调控DNAamrCLmRNA前导肽SD1123 SD24红霉素甲基化酶前导肽三翻译产物对翻

53、译的调控蛋白质合成的自体调控 有些mRNA编码的蛋白质pr.，本身就是pr翻译过程中发扬调理作用的因子，这些因子对本身翻译也起调控制造用。 1.核糖体蛋白 1核糖体是1座合成pr.流开工厂，沿mRNA挪动 快速合成pr.核糖体以rRNA为骨架加核糖体pr构成。Ecoli核糖体pr55种，大亚基34，小亚基21，核糖体是细菌细胞重要成份之一。 2细菌中50余种核糖体pr.基因分布在不同的支配子中，合成这些pr.，速率是与细胞增殖顺应的，受生长条件营养环境影响。 3实验证明，这些支配子转录程度是可调控的，但核糖体pr.合成的控制主要在翻译程度。由于参与额外支配子于细菌，mRNA核糖体pr.并不添加

54、。 4每1个operon转录的mRNA编码蛋白中的一种或2种pr复合体可以结合到多顺反子上游的1个特定部位，阻止核糖体结合和起始翻译。2.翻译终止子RF2合成的自体调控1终止密码和释放因子终止子 无论原核、真核都有3种终止码：UAG、UGA和UAA 没有1种tRNA与终止码作用，而是由特殊的pr.因子促成终止作用，这类pr.因子称做释放因子，也有称翻译终止子。 原核有3种释放因子 RF1 识别UAA、UAG RF2 识别UAA、UGA RF3 能刺激RF、RF2的活性。 真核只需1种，即eIF。2RF2mRNA的移框窗口及其附近构造 相关知识链接 阅读框reading-frame也称读码。mR

55、NA核苷酸序列中，3个核苷酸为1组称为密码子，由核糖体进展翻译。每个密码子代表Pr.合成中单个氨基酸，阅读框规定了哪3个核苷酸成为1组读作1个密码子，这是由起始密码子AuG决议的。例如AuG CCA AAA uuu ccc可以读成AuG/GCA/AAA/UUU/CCC，而不会读A/UGG/CAA/AAU/UUC/CC。 开放阅读框open reading-frame没有终止密码子打断的阅读，通常是从DNA不是RNA顺序推论出开放阅读框的存在。 基因密码阅读的3个特点 每个基因都有特定的阅读框如组Pr.，阅读必需从第1个密码子开场到最后1个密码子终了。 阅读是不停顿的，停顿只能合成肽而不是Pr。

56、学理发 阅读mRNA方向53，合成肽链方向NC，而不能反之。mRNA 5 AUGGGG UAU CUU UGAC UAC GAC 3合成肽链方向 NH2 Gly Tyr Leu Asp -Tyr - Asp-COOH 前面25个氨基酸 后面315个氨基酸(AA) RF2是由340氨基酸组成的Pr.它的密码子并不处于同1个阅读框中，前25个AA处于AUG所在阅读框中，后315AA处于+1另1阅读框中。 RF2整个阅读框分成2个阅读框，中间多了1个U，U与第26个AAASP密码子的前2个核苷酸构成了RF2识别的终止码UGA，而且是前框25个AA同框终止密码子。 移框窗口至少含15个核苷酸。RF2m

57、RNA移框窗口及其构造 移框窗口转换区至少15个核苷酸才干发生移框23 24 25 26 27 28 RF2合成的自体调控 细胞内RF2供应充足时当核糖体A位到达第25个密码子后面的UGA时RF2就促成了肽链合成终止。 RF2 RF2mRNA译至第25个AA 在其后UGA处将不成熟的肽释放。 胞内缺乏RF2核糖体向前滑动1个核苷酸U 即移框作用继续合成第25个AA 直到最后的终止码UAG UAG由另1个释放因子RF1识别并促使RF2肽链的释放。 移框作用如此精细的自体调控机制目前仍不清楚，能够与前面25肽的构造有关。四反义RNA的调控作用1.反义RNA对E.coli浸透压Pr.外膜Pr.的调控

58、作用细菌环境omPRDNAomPRPr.omPCDNA高渗低渗正控变构micFRNA反义RNA174个核苷酸ompcmRNA翻译Ompc Pr.结合杂交双链omPR Pr.正控转录DNAomPFomPF DNA转录omPFmRNAmicFmRNA翻译omPFmRNAomPFPr.1低渗omPR Pr. omPF 。 omPC基因封锁。2高渗变构OmPR Pr. Ompc ompc mRNA ompc Pr. micF3micF能与ompF mRNA前导序列L中的44个核苷酸包括SDs及编码区包括起始码AUG构成杂合双链，从而抑制了ompF mRNA翻译。42种Pr.ompF.ompc随浸透压变

59、化而变化此消彼长，总量不变。5反义RNA与mRNA反义，经过互补碱基与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译，有称干扰mRNA的互补RNA,简称micRNAmRNA-interfering complementary RNA。正控正控转录翻译同时转录2.反义RNA对Tn10转位酶的调控作用1Tn10带有terr，转座最大的特点是原位转座不动，仅将1个新的合成复本插到另1个新的位点上上去。2Tn10的根本构造ISStructralgene3反义阻遏RNA5RNA-out5Pin启动子35Pin启动转录Tn10转位酶RNA-inPout 启动子RNA-out阻遏RNA3535互补Tn10转位酶mR

60、NA3调控机理 Tn10转位酶由pin控制，反义RNA基来由Pout控制。2启动子转录方向相反，在转录区有3540bp重叠，导致2条RNA互补。 2启动子交叉转录，产物RNA互补重叠成双股链核糖体不能接触转位酶不能译出无酶无法转位。 只需RNA-in摆脱了RNA-out配对才有时机翻译。RNA-out活性较RNA-in大8倍，所以Tn10的份数越多，转座时机就越少。 生物学意义 对于细菌来说，Tn是入侵者，除抗生素抗性基因对细菌有利外，过多Tn对细菌是一个况重负担、甚至置细菌于死地转座引起插入突变等Tn10用反义RNA约束本人不要过多繁衍以免与宿主同归于尽。6.7 细菌的应急反响-严谨反响 细