基因的表达与调控

第四部分操纵子－－操纵子（operon）是指启动基因、操纵基因和一系列紧密连锁的结构基因的总称，是原核生物转录的功能单位。现在是1页\一共有56页\编辑于星期五原核生物基因调控一般执行如下规律：A.一个体系需要时被打开，不需要时被关闭；B.基因的开与关是相对的；C.开-关的活性可以通过转录水平上进行调节。操纵基因是DNA上阻抑物结合、阻碍邻近启动子的启动而抑制转录的位点。

阻遏蛋白与DNA或RNA上的操纵基因结合，从而分别抑制转录或翻译。

结构基因编码RNA或蛋白质(包括结构蛋白、酶和调控蛋白）。

调控基因则通过编码蛋白质或RNA来调节其它基因的表达。

现在是2页\一共有56页\编辑于星期五现在是3页\一共有56页\编辑于星期五顺式作用元件(cis-actingelement)：存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列。顺式作用元件包括启动子、增强子、调控序列和可诱导元件等，它们的作用是参与基因表达的调控。顺式作用元件本身不编码任何蛋白质，仅仅提供一个作用位点，要与反式作用因子相互作用而起作用。反式作用因子(trans-actingfactor)：能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的蛋白质或RNA。

现在是4页\一共有56页\编辑于星期五表达调控最简单的模型调控基因编码的蛋白质作用于DNA的靶位点上。现在是5页\一共有56页\编辑于星期五负转录调控（negativetrnscriptionregulation)调节基因的产物是阻遏蛋白。转录调控的两种方式现在是6页\一共有56页\编辑于星期五正转录调控（positivetranscriptionregulation)调节基因的产物是激活蛋白转录调控的两种方式现在是7页\一共有56页\编辑于星期五代谢产物对基因活性的调节诱导调节是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由关---开。现在是8页\一共有56页\编辑于星期五诱导调节现在是9页\一共有56页\编辑于星期五阻遏调节基因是开启的，但由于一些特殊代谢物或化合物的积累将其关闭。现在是10页\一共有56页\编辑于星期五现在是11页\一共有56页\编辑于星期五负转录调控负控诱导：阻遏蛋白与效应物结合时基因转录。负控阻遏：阻遏蛋白与效应物结合时，基因不转录。现在是12页\一共有56页\编辑于星期五正转录调控正控诱导：有效应物时，激活蛋白处于活性状态基因转录。正控阻遏：有效应物时，激活蛋白处于无活性状态基因不转录。现在是13页\一共有56页\编辑于星期五乳糖操纵子法国Jacob和Monod等人1961年提出(lacoperon)学说。获1965年诺贝尔生理学和医学奖JacobMonod现在是14页\一共有56页\编辑于星期五lac操纵子包括顺式作用的调节元件和编码蛋白质的结构基因。长度约6000bp，。上游的lacI具有自己的启动子和终止子。lacI的末端紧接着启动子P。操纵基因O位于转录单位最前端26个bp,lacZ基因从第39个bp开始，随后是lacY、lacA基因和终止子。乳糖操纵子基因簇中各成员是协同调控的现在是15页\一共有56页\编辑于星期五阻遏蛋白的负性调控位于lac基因簇起点的启动子与操纵基因具有重叠区域，阻抑物与操纵基因结合就可控制该基因簇的转录；阻抑物是由lacI基因编码的、具有4个相同亚基的四聚体。现在是16页\一共有56页\编辑于星期五乳糖存在诱导基因转录阻遏蛋白的负性调控现在是17页\一共有56页\编辑于星期五在lac操纵子的转录起始位点周围，阻抑物和RNA聚合酶的结合位点是重叠的。阻遏蛋白的负性调控现在是18页\一共有56页\编辑于星期五lac操纵子是可诱导的可以对操纵子进行诱导的小分子结构通常与操纵子所表达的酶的底物结构相同或类似。β-半乳糖苷是lac操纵子编码的酶底物。加入β-半乳糖苷可诱导三个结构基因的转录。由于lacmRNA极不稳定（半衰期为3分钟），因此诱导可被迅速逆转。现在是19页\一共有56页\编辑于星期五阻遏蛋白的负性调控添加诱导物可引起lacmRNA的迅速产生,酶的合成则有一个短暂的延迟;去除诱导物可引起酶合成的快速终止。

现在是20页\一共有56页\编辑于星期五阻遏蛋白的负性调控现在是21页\一共有56页\编辑于星期五阻遏蛋白的负性调控现在是22页\一共有56页\编辑于星期五阻抑物单体具有多个结构域阻抑物单体可分为三部分：N端DNA结合结构域、铰链区和核心区。DNA结合结构域具有两个短α螺旋，用来与DNA大沟结合。负责多聚化的区域和诱导物结合位点都位于核心区。现在是23页\一共有56页\编辑于星期五现在是24页\一共有56页\编辑于星期五IfbothdimersinarepressortetramerbindtoDNA,theDNAbetweenthetwobindingsitesisheldinaloop.Whenarepressortetramerbindstotwooperators,thestretchofDNAbetweenthemisforcedintoatightloop.问题：阻遏蛋白与诱导物的结合引起阻遏蛋白二聚体别构转换。那么为什么形成完整阻遏需要四聚体？现在是25页\一共有56页\编辑于星期五答案：阻抑物四聚体中的每个二聚体都可与一个操纵基因结合,所以一个阻抑物可同时结合两个操纵基因。若要完全阻遏转录，阻抑物除了结合LacZ操纵基因外，同时还要结合一个上游或下游的操纵基因。阻抑物结合到操纵基因可促进RNA聚合酶与启动子的结合。现在是26页\一共有56页\编辑于星期五阻遏蛋白的高亲和力位点：操纵基因。低亲和力位点：随机DNA。大量的低亲和力位点意味着，即使没有特异的结合位点，几乎所有的阻遏蛋白都能与DNA结合，而不游离在溶液中。当诱导物不存在时，操纵基因与阻抑物的亲和力比低亲和力位点与阻抑物的亲和力高107倍。现在是27页\一共有56页\编辑于星期五如果每个细胞内有10分子乳糖操纵子阻遏蛋白，则操纵基因96%的时间都与阻遏蛋白结合。诱导使阻抑物与操纵基因的亲和力降到了原来的0.1%，这样只有3%的操纵基因是被结合的。诱导使阻抑物从操纵基因直接转移到低亲和力位点。现在是28页\一共有56页\编辑于星期五多基因座阻遏色氨酸阻遏蛋白(trprepressor)通过结合多个操纵基因控制散在分布的结构基因，同时控制三套不直接相连的基因。每一个基因座上都有一拷贝的能被阻遏蛋白识别的特异DNA结合序列。现在是29页\一共有56页\编辑于星期五操纵基因的位置可以相对与启动子而发生各种变化，并有可能造成阻遏能力的不同。色氨酸阻遏蛋白(TrpR)识别的散在分布的操纵基因都在启动子内的不同位置上。而其它操纵子的操纵基因或者位于启动子的下游(乳糖操纵子lac)，或者位于启动子的上游(半乳糖操纵子gal)。阻遏蛋白在不同位置的操纵基因上的阻遏能力不同，因此确切的阻遏模式可能有差异，但它们的共同点是都抑制RNA聚合酶在启动子上起始转录。

现在是30页\一共有56页\编辑于星期五CAP的正性调控cAMP可激活CAP作用于许多操纵子CAP(分解物基因激活蛋白)是一种可以与某个启动子的靶序列结合的激活剂。CAP二聚体可以由cAMP分子激活。现在是31页\一共有56页\编辑于星期五cAMP下降，CAP就不能与控制区结合，RNA聚合酶就不能启动转录。因此，葡萄糖降低cAMP水平的作用，实际上是使相关操纵子表达所需的调控因子失活，使操纵子不能表达。CAP因子可与DNA结合，从每个正常发挥作用的启动子上都能分离到cAMP-CAP-DNA复合物。CAP因子是由二个相同亚基构成的二聚体，能被单个分子cAMP激活。一个CAP亚基含有一个DNA结合域和一个转录激活域。现在是32页\一共有56页\编辑于星期五CAP的共有序列中含有非常保守的五聚体TGTGA及一个该序列的反向序列(有时出现)(TCANA).CAP结合在DNA的固定位点现在是33页\一共有56页\编辑于星期五CAP蛋白可在不同位点与RNA聚合酶结合相对于启动子的位置，CAP的结合位点是高度可变的。CAP与RNA聚合酶具体的反应依赖于CAP结合位点与启动子的相对位置。现在是34页\一共有56页\编辑于星期五由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在去阻遏使lac操纵子转录开放，还不能使细胞很好利用乳糖，必须同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。现在是35页\一共有56页\编辑于星期五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CAP的正调控作用，细菌才能充分利用乳糖。现在是36页\一共有56页\编辑于星期五半乳糖（gal)操纵子----双启动子模型现在是37页\一共有56页\编辑于星期五半乳糖（gal)操纵子大肠杆菌半乳糖操纵子(galactoseoperon)包括3个结构基因：

半乳糖表面异构酶(galactoseepimerase,galE)，

半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactosetransferase,galT)，

半乳糖激酶(galactosekinase,galk)。

这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。不同于lac操纵子,没有葡萄糖时可以被诱导,有葡萄糖存在时gal也能被诱导，因此认为gal中可能存在两个启动子。现在是38页\一共有56页\编辑于星期五Gal操纵子的结构特征gal操纵子有两个启动子，PG1和PG2。两个RNA聚合酶结合位点S1和S2（转录起始点）mRNA可以从两个不同的起始点开始转录。它有两个O区，一个在P区上游–67~-73，而不是在P区与结构基因之间，另一个O区在结构基因galE内部。现在是39页\一共有56页\编辑于星期五CAP对gal操纵子的作用

从S1起始的转录只有当培养基中无葡萄糖（G）时才能进行（与Lac操纵子同）。从S2起始的转录要依赖于葡萄糖，高水平的CAP能抑制从S2的转录，当有CAP时，转录从S1开始，无CAP时，转录从S2开始。现在是40页\一共有56页\编辑于星期五双启动子的生理功能半乳糖对细菌有双重作用；一方面可以作为碳源供细胞生长；另一方面它又是细胞壁的成分。现在是41页\一共有56页\编辑于星期五所以需要一个不依赖于CAP的启动子（S2）进行本底水平的永久型合成；同时以半乳糖作为碳源供细胞生长，需要一个依赖于CAP的启动子（S1）对高水平合成进行调节。无G时转录从S1开始转录有G时转录从S2开始现在是42页\一共有56页\编辑于星期五色氨酸操纵子（trpoperon）细菌通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸。细菌所以能做到这点是因为有trpoperon的调控。现在是43页\一共有56页\编辑于星期五色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子有5个连续排列的结构基因，它们编码使分支酸转化为色氨酸的三种酶。启动子上的转录起始点位于基因簇的左端。色氨酸操纵子的表达是通过两种分离的机制调控的。阻遏作用是由一种阻遏蛋白(由隔开的trpR基因编码)完成的，它与和启动子相邻的操纵基因结合。衰减作用通过调控是否在的一个功能基因前出现终止作用来调控RNA聚合酶在操纵子上的前进。

现在是44页\一共有56页\编辑于星期五TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

色氨酸操纵子现在是45页\一共有56页\编辑于星期五启动子与和trpE基因间的序列有两个有趣的特点：A.它是能编码含14个氨基酸的前导肽的短编码序列。B.衰减子(内部终止子)能阻碍结构基因的转录。RNA聚合酶在此终止，不论是在体内还是体外都形成一个140碱基的转录物。

衰减子控制着RNA聚合酶能否进入Trp基因。聚合酶在启动子处起始后行进至+90处，这时如果色氨酸缺乏，它会越过+140的衰减子进入结构基因；如果有足量的色氨酸，衰减子发生作用，90%的聚合酶行进至衰减子处就游离下来，产生一个140bp长的引导肽mRNA。现在是46页\一共有56页\编辑于星期五衰减子的机制前导区序列含一个核糖体结合位点，其AUG密码子后有一短编码序列，它含有两个连续的色氨酸密码子。当细胞中色氨酸用尽时，核糖体开始翻译前导肽，但是当它们遇到色氨酸密码子时停下来。mRNA的这种序列说明这种核糖体的延宕会影响衰减子的终止。前导序列能形成两种碱基配对结构，核糖体经过前导区继续转录的能力控制着这两种结构的转换，这两种结构决定了mRNA是否形成终止所需的结构。

现在是47页\一共有56页\编辑于星期五现在是48页\一共有56页\编辑于星期五当没有色氨酸时，核糖体在trp密码子上暂停，此密码子是1区的一部分，如图上部分所示。所以1区被核糖体隔离，不能与2区碱基配对，这意味着在4区转录之前2区已和3区配对。这就迫使4区保持单链形式。当缺乏终止子发夹时，RNA聚合酶穿越衰减子继续转录。

当色氨酸存在时，核糖体可以合成前导肽，并延伸到mRNA上的UGA密码子，UGA密码子位于1区与2区间。当核糖体前进到此点时，通过2区并阻止它形成碱基配对，造成3区可以与4区配对，产生终止子发夹。因此，在这种情况下，RNA聚合酶在衰减子处终止。

现在是49页\一共有56页\编辑于星期五UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域

UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……现在是50页\一共有56页\编辑于星期五UUUU……34UUUU3’34核糖体

前导肽

前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制

125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNA

UUUU3’

RNA聚合酶

终止现在是51页\一共有56页\编辑于星期五UUUU……342423UUUU……核糖体

前导肽

前导mRNA

15’trp密码子

结构基因前导D