原核生物基因表达调控省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

第五章原核基因表示调控模式蛋白质合成类型：永久型：是指蛋白质合成不受环境改变或代谢状态影响，一直维持在恒定水平。适应型或调整型：是指蛋白质合成速度显著地受环境影响。1/872024/5/12第一节原核生物基因表示调控概述第二节乳糖操纵子与负控诱导系统第三节色氨酸操纵子与负控阻遏系统第四节其它操纵子第五节转录后调控2/872024/5/13第一节原核生物基因表示调控概述基因表示（geneexpression)：是指DNA分子所承载遗传信息，经过密码子—反密码子系统，转变成蛋白质或功效RNA分子过程，称为基因表示。基因表示调控（generegulationorgenecontrol):

是指对基因表示过程调整。3/872024/5/14基因表示调控主要表现在以下几个方面：1、转录水平上调控（transcriptionalregulation);2、mRNA加工成熟水平上调控（differentialprocessingofRNAtranscription);3、翻译水平上调控（differentialtranslationofmRNA)4/872024/5/15基因调控指挥系统：原核生物营养水平（nutritionalstatus)环境原因(environmentalfactors)真核生物激素水平（hormonelevel)发育阶段（developmentalstage)5/872024/5/16一、原核基因调控机制类型与特点依据调控机制不一样：正转录调控（positivetranscriptionregulation）：调整基因产物是激活蛋白（activator），起着提升结构基因转录水平作用。负转录调控（negativetranscriptionregulation）：调整基因产物是阻遏蛋白（reppressor），起着阻止结构基因转录作用。6/872024/5/17依据作用特征：诱导（induction）：调整因子与效应物结合后，开启基因转录活性称为

诱导（induction）；阻遏（repression）：调整因子与效应物结合后，关闭基因转录活性称为

阻遏（repression）。7/872024/5/188/872024/5/199/872024/5/110调整基因产物调整基因产物与效应物结合基因表示基因不表示阻遏蛋白负控诱导系统

负控阻遏系统

激活蛋白正控诱导系统

正控阻遏系统

10/872024/5/1111、特殊代谢物对基因活性调整可诱导调整：是指一些基因在一些代谢物诱导下使其活化，由原来关闭状态转变为开放状态。如：大肠杆菌乳糖操纵子可阻遏调整：是指一些基因因为一些代谢物积累，而使其由原来开放状态转变为关闭状态。如：色氨酸操纵子二、原核基因调整主要特点11/872024/5/112无诱导物时，基因关闭诱导物开启基因可诱导操纵子：是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白基因；12/872024/5/113可阻遏操纵子：是一些合成各种细胞代谢过程中所必须小分子物质。13/872024/5/1142、弱化子对基因活性调整弱化子(attenuator)：是指起转录终止信号一段核苷酸序列。trp操纵子mRNA前导序列结构14/872024/5/115细胞中某一氨基酸浓度发生改变氨酰–tRNA浓度改变核糖体在转录产物RNA上结合位置不一样，使得RNA形成特定二级结构由RNA二级结构判断基因能否继续转录调整机理：15/872024/5/116色氨酸含量和核糖体位置对弱化子结构影响当色氨酸充分时，前导序列合成正常进行，核糖体占据1区和部分2区，2、3不能有效配对；3、4配对形成终止子发卡结构，转录终止。Trp+转录终止16/872024/5/117当缺乏色氨酸时，翻译在双色氨酸密码子处中止；核糖体仅占据1区，2、3区配对；3、4区不能形成发卡结构，转录继续。Trp-转录继续17/872024/5/118前导区转录无色氨酸时，转录可连续进行有色氨酸存在时，转录在弱化子区域终止18/872024/5/1193、降解物对基因活性调整葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在葡萄糖存在情况下，即使加入乳糖、半乳糖等诱导物，与其对应操纵子也不会开启，这种现象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。葡萄糖抑制腺苷酸环化酶活性造成环腺苷酸合成降低环腺苷酸代谢物激活蛋白复合物复合物结合在开启子区域是乳糖、半乳糖等糖类mRNA转录所必需。19/872024/5/1204、细菌应急反应

是指细菌在供给物全方面匮乏情况下，难以找到代用物，所作出一个反应，帮助细菌渡过难关。应急反应机理：空载tRNA激活焦磷酸转移酶鸟苷四磷酸ppGpp鸟苷五磷酸pppGpp大量合成关闭一些基因打开一些基因20/872024/5/121

1、原核基因调控机制类型与特点

正转录调控负转录调控诱导阻遏2、原核基因调整主要特点

a、特殊代谢物对基因表示调整

b、弱化子对基因活性调整

c、降解物对基因活性调整

d、细菌应急反应小结21/872024/5/122β-半乳糖苷酶透过酶转乙酰酶阻遏物第二节乳糖操纵子与负控诱导系统22/872024/5/123

阻遏蛋白基因（I）属于组成型合成。所以，lac操纵子通常是处于关闭状态。lac操纵子结构阻遏蛋白基因（I）开启区（P）操纵区（O）CAP-cAMP结合部位三个结构基因ZYA23/872024/5/124一、酶诱导

——lac体系受调控证据E.coli

在不含乳糖培养基生长时，β-半乳糖苷酶含量极低；当加入乳糖或半乳糖后，则快速升高。两种含硫乳糖类似物：异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）巯甲基半乳糖苷（TMG）24/872024/5/125诱导物（inducer）：假如某物质能促使细胞产生一特定酶，该物质就叫做诱导物；抚慰诱导物（gratuitousinducers）：可诱导酶合成，但不被所诱导酶降解物质称为抚慰诱导物。IPTG（异丙基巯基半乳糖苷）是lac

基因抚慰诱导物。辅阻遏物（corepressor）假如某物质能阻止细胞产生一特定酶，该物质就叫做辅阻遏物。25/872024/5/126二、乳糖操纵子模型及其影响因子

操纵子模型：一个或几个结构基因与一个调整基因、一个操纵区组成一个操纵单元。这个单元称为操纵子（operon）。β-半乳糖苷酶透过酶转乙酰酶阻遏物26/872024/5/127

操纵区位于开启子与结构基因之间，与开启子部分重合，阻遏物结合于操作区时，即阻止RNA聚合酶起始转录。27/872024/5/128乳糖操纵子控制模型主要内容：②操纵区位于开启子与结构基因之间，不能单独起始结构基因表示；③操纵区是一小段DNA序列，是阻遏物结合位点；④操纵区与开启子部分重合，当阻遏物与操纵区结合时，即阻止RNA聚合酶起始转录；⑤诱导物经过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区结合，从而激发mRNA合成。①一条多顺反子mRNA编码Z、Y、A基因；28/872024/5/12929/872024/5/130调整基因阻遏蛋白产生结合操纵区相邻开启区乳糖操纵子中调整基因作用过程：乳糖操纵子中诱导物作用机理：诱导物作用对象是阻遏蛋白。妨碍RNA聚合酶与开启子区正常结合结构基因转录成mRNA并合成蛋白质抑制30/872024/5/131（一）、lac操纵子本底水平表示诱导物形成需要有β-半乳糖苷酶存在；诱导物作用需要跨膜，跨膜需要透过酶存在；透过酶产生又需要诱导物存在；β-半乳糖苷酶产生又需要诱导物存在；

在非诱导状态下仍有少许lacmRNA合成，这种合成被称为本底水平组成型合成（backgroundlevelconstitutivesynthesis)。31/872024/5/132（二）、大肠杆菌对乳糖反应乳糖本底水平透过酶进入细菌细胞结合阻遏蛋白阻遏蛋白失活，β-半乳糖苷酶和透过酶表示细胞吸收大量乳糖去向葡萄糖半乳糖异构乳糖结合阻遏蛋白当阻遏蛋白浓度超出异构乳糖浓度，细胞重新建立阻遏状态，造成lacmRNA合成被抑制。本底水平β-半乳糖苷酶葡萄糖-1,6-半乳糖诱导物32/872024/5/133（三）、阻遏物lac

I

基因产物及功效Lac操纵子阻遏物mRNA是由弱开启子控制下组成型合成，该阻遏蛋白含有4个相同亚基，每个亚基均含347个氨基酸残基。lacI基因为组成型，经过开启子上升突变体可取得较多阻遏蛋白；β-半乳糖苷酶透过酶转乙酰酶阻遏物33/872024/5/134调整基因lacI突变也可造成乳糖操纵子基因组成型表示。34/872024/5/135操纵区lacO突变（lacOc）可造成乳糖操纵子基因组成型表示。35/872024/5/136（四）、葡萄糖对lac操纵子影响

在葡萄糖存在时，E.coli优先利用葡萄糖；此时即使培养基中含有乳糖，乳糖操纵子蛋白依然含量很低。这是经过阻止乳糖操纵子表示来完成，这种效应称为降解物抑制（cataboliterepression）。36/872024/5/137葡萄糖葡萄糖-6-磷酸甘油一些代谢产物抑制活性腺苷酸环化酶ATPcAMPCrp基因编码代谢物激活蛋白CAPcAMP-CAP

葡萄糖对其它糖代谢抑制，是经过对cAMP抑制完成。（五）、cAMP与代谢物激活蛋白37/872024/5/138

代谢物活化蛋白：CAP（Catabolitegeneactivatorprotein；cAMPreceptorprotein

）是一些开启子起始转录必需正调控因子。

CAP只有与cAMP结合后才能与其结合区域结合。38/872024/5/139CAP结合部位

CAP结合部位不太固定，方向也能够不一样。半乳糖操纵子乳糖操纵子阿拉伯糖操纵子39/872024/5/140三、lacoperon其它问题

lacoperon功效是在正负两个调控体系协调作用下实现。阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用（葡萄糖和乳糖都不存在）；如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从operator上解聚仍无转录活性（葡萄糖和乳糖同时存在情况下）；

CAP组成型合成，所以cAMP－CAP复合物取决于cAMP含量;40/872024/5/141腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输酶相关，所以cAMP－CAP调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢相关酶;降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在，这些操纵元就不表示。41/872024/5/1422.A基因及其生理功效

编码β

-半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。该酶不参加乳糖代谢！

生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解半乳糖苷类物质，其分解产物不能深入代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒。所以lacA虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质积累。42/872024/5/1433.lac基因产物数量，1：0.5：0.2

不一样酶数量差异，是因为在翻译水平上调整。方式有二:

核糖体脱离:多顺反子差异性翻译;

内切酶作用:在lacmRNA分子内部，a基因比z基因更易受内切酶作用.43/872024/5/14444/872024/5/145

生物细胞中氨基酸合成，也受操纵元调整。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表示，不需要时基因关闭，到达经济标准。第三节色氨酸操纵子与负控阻遏系统45/872024/5/146trp操纵子组成邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸合成酶邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶46/872024/5/147trpR,阻遏蛋白

P，-40~+18O,-21~+1L,+1~+162

结构基因一、trp操纵子结构大肠肝菌中trp操纵子47/872024/5/148trp操纵子结构操纵区开启子区（P）操纵子（O）弱化子区（a）结构基因E:邻氨基苯甲酸合成酶（与G基因为融合基因）C:吲哚甘油磷酸合成酶B:色氨酸合成酶α亚基

D:邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶A:色氨酸合成酶β亚基

前导区(L)48/872024/5/149二、Trpoperon阻遏系统1、TrpR四聚体49/872024/5/150阻遏蛋白＋trp→

有活性阻遏物＋trpO→不转录50/872024/5/1512、阻遏蛋白结合位点trpO-21~+1，反向重复序列trpP-40~+18活性阻遏物与trpO结合，RNApol与开启子结合发生竞争。51/872024/5/1523、阻遏系统

主管转录是否开启，在缺乏Trp时，mRNA起始合成，但不能自动延伸，普通在trpE之前终止转录。

粗调开关52/872024/5/153

色氨酸操纵子:由与色氨酸合成相关基因及其调控序列组成。当缺乏色氨酸时，trp

操纵子基因表示；当外源色氨酸含量较高时，操纵子中基因受到阻遏。trp操纵子阻遏系统

色氨酸调整（trpR）基因突变会引发trpmRNA组成型合成。只有在色氨酸存在情况下，阻遏蛋白与之结合形成有活性阻遏物，与操纵区结合关闭trpmRNA转录。53/872024/5/154三、弱化子对基因表示调整

阻遏发生时，转录起始频率下降到1/70，但trp酶系统活性却下降到1/600。弱化作用（attenuation）：是指控制一些细菌操纵子转录终止调整。弱化子（attenuator）：是指弱化所发生终止子序列，而且这种终止是被调整，这段序列就称为弱化子。1、弱化子（attenuator）54/872024/5/1552、前导区：在trpmRNA5’端trpE基因起始密码子前有一个长162bp

mRNA片段，被称为前导区。

前导肽：由前导序列指导合成含有14个氨基酸残基肽称为前导肽。前导序列结构特点：第10和11位两个密码子为色氨酸密码子。55/872024/5/156

弱化子，衰减子，α

前导RNA，140bp56/872024/5/157弱化子，衰减子，α57/872024/5/158

前导肽14aa58/872024/5/1593、trpmRNA前导序列结构59/872024/5/160trp缺乏tRNAtrp也少核糖体经过两个trp密码子速度慢，占据前导序列trp1区2区与3区配对，不能形成终止子结构结构基因转录4、转录弱化作用60/872024/5/161trp浓度高前导肽中trp合成速度快前导肽一直合成至其末端核糖体占据1区和2区3区与4区配对，形成终止子结构，使转录终止61/872024/5/162弱化子对转录调控关键空间结构，10thand11thcodonsencodetrpresidues(rareAA)时间，核糖体停顿在2个Trp密码子上时，产生延迟，此时4区未转录出来62/872024/5/163RPOleadingseq.EDCBAtrp+为何需要阻遏体系？当大量Trp存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，阻止先导mRNA合成。

经济Negative—repressibleoperon能够被最终合成产物所阻遏四、阻遏作用与弱化作用协调63/872024/5/164RPOleadingseq.EDCBA少许trp+不足以结合O位点为何需要弱化系统？当trp浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发trp合成。所以需要一个能快速作出反应系统，以保持培养基中适当Trp水平。64/872024/5/165大肠肝菌中共有5个基因参加色氨酸生物合成，组成色氨酸操纵子。其中trpG-D，trpC-F为融合基因，翻译出多肽含有双重功效。有两个开启子，一个位于操纵子5’，一个位于trpG-D编码区。65/872024/5/166大肠肝菌色氨酸操纵子受到由色氨酸激活负阻遏蛋白调整作用。一旦转录越过前导区，又会受弱化子调控，感受无负载tRNATrp改变。使转录机器在前导区附近停顿或继续结构基因转录。66/872024/5/167结构基因galE:半乳糖异构酶galT:半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶galK:半乳糖激酶作用：半乳糖葡萄糖–1–磷酸第四节其它操纵子一、半乳糖（gal）操纵子67/872024/5/168

无外源葡萄糖时，细菌也可利用半乳糖。gal操纵子调控与乳糖操纵子基本相同，但稍有差异：

双开启子;

双操纵区,一个在P区上游–67～–

73，另一个在结构基因galE内部调整基因距离结构基因很远；在有外源葡萄糖时，依然能够被低水平诱导。68/872024/5/169S2S1转录方向-101、cAMP–CAP对gal开启子作用

S1起始依赖于

cAMP-CAP，只有当葡萄糖不存在时才可转录，需要有半乳糖、CAP和较高浓度cAMP;S2起始不依赖于

cAMP-CAP，只有当葡萄糖存在时才可转录。69/872024/5/1702、双开启子生理功效半乳糖作为惟一碳源供细胞生长半乳糖差向异构酶作用UDP-葡萄糖UDP-半乳糖不依赖于cAMP-CAP开启子S2依赖于cAMP-CAP开启子S1是大肠杆菌细胞壁合成前体70/872024/5/171二、ara操纵子阿拉伯糖降解araB:核酮糖激酶araA：L-阿拉伯糖异构酶araD：L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶Operator2Operator1regulategenearaBADCRP结合位点71/872024/5/172araC与araBAD相邻，但转录方向相反。araC

与

araBAD结构C蛋白有三个结合位点：O1,O2,IC基因为自我调整基因：缺乏C蛋白时，araC表示；当C蛋白含量升高时，抑制araC表示。含有正、负调整作用。72/872024/5/173（1）当葡萄糖水平较高、阿拉伯糖水平较低时，C蛋白与操纵区O2及araI诱导因子结合区上半区结合，形成DNA回转结构，araBAD基因不表示；（2）当体系中有阿拉伯糖、无葡萄糖时，AraC与阿拉伯糖相结合，改变构象成为激活蛋白，AraC同源体分别与araO1和araI区结合。RNA聚合酶在AraC蛋白和CRP-cAMP作用下，起始BAD基因表示。73/872024/5/174第五节转录水平上其它调控方式一、σ因子调整作用不一样σ因子选择；σ因子本身活性调整；二、组蛋白类似蛋白调整作用在细菌细胞中存在用来维持DNA高级结构非特异性DNA结合蛋白，称为组蛋白类似蛋白。74/872024/5/175三、转录调控因子作用转录调控因子：指与基因开启子区结合，对基因转录起激活或抑制作用DNA结合蛋白称为转录调控因子。四、抗终止因子调整作用抗终止因子是能够在特定位点阻止转录终止一类蛋白质。这种调整作用主要见于噬菌体和少数细菌中。参加大肠肝菌抗终止作用蛋白是Nus蛋白。75/872024/5/176第七节转录后调控一、翻译起始调控（1）起始密码子AUG，GUG，UUG，AUU，不常见起始密码子翻译起始效率较低；（2）SD序列结构及其与起始密码子AUG之间距离，SD序列与AUG之间距离普通为4～10个核苷酸为佳，9个核苷酸最正确。76/872024/5/177（3）mRNA二级结构

30S亚基与mRNA结合，要求mRNA5，端有一定空间结构，核苷酸序列改变会改变mRNA二级结构，影响核糖体与mRNA结合，从而造成蛋白质合成效率差异。77/872024/5/178二、mRNA稳定性对转录水平影响细胞内无用mRNA均被核酸酶水解。大肠肝菌CsrAB调整系统。CsrABCsrA为RNA结合蛋白CsrB为非编码RNA分子结合mRNA分子降解速度加紧结合造成78/872024/5/179三、调整蛋白调控作用调整蛋白表示本身也受到调控。四、反义RNA调整作用细菌细胞中一