基因的表達(dá)調(diào)控GeneRegulation

1、基基 因因 的的 表表 達(dá)達(dá) 調(diào)調(diào) 控控 Gene Regulation主要內(nèi)容主要內(nèi)容引言引言-基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念第一節(jié)第一節(jié) 原核生物基因表達(dá)調(diào)控總論原核生物基因表達(dá)調(diào)控總論第二節(jié)第二節(jié) 乳糖操縱子乳糖操縱子第三節(jié)第三節(jié) 色氨酸操縱子色氨酸操縱子第四節(jié)第四節(jié) 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 第六章第六章 原核生物基因的表達(dá)調(diào)控原核生物基因的表達(dá)調(diào)控 引言引言-基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念一、基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控概念一、基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控概念二、基因表達(dá)的規(guī)律二、基因表達(dá)的規(guī)律三、基因表達(dá)的方式三、基因表達(dá)的方式四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意

2、義四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義一、基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控概念一、基因表達(dá)與基因表達(dá)調(diào)控概念基因表達(dá)（基因表達(dá)（gene expression）：是指儲(chǔ)存在：是指儲(chǔ)存在DNA上的上的遺傳信息，經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物學(xué)功能的整個(gè)遺傳信息，經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物學(xué)功能的整個(gè)過程。過程?；虮磉_(dá)調(diào)控（基因表達(dá)調(diào)控（gene regulation）：圍繞基因表達(dá)過：圍繞基因表達(dá)過程中發(fā)生的各種各樣的調(diào)節(jié)方式都通稱為基因表達(dá)調(diào)控。程中發(fā)生的各種各樣的調(diào)節(jié)方式都通稱為基因表達(dá)調(diào)控?；虮磉_(dá)包括基因表達(dá)包括： mRNA經(jīng)轉(zhuǎn)錄、翻譯產(chǎn)生有生物學(xué)活性蛋白質(zhì)的過程。經(jīng)轉(zhuǎn)錄、翻譯產(chǎn)生有生物學(xué)活性蛋白質(zhì)的過程。

3、 rRNA和和tRNA的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和加工產(chǎn)生成熟的的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和加工產(chǎn)生成熟的rRNA和和tRNA的過程。的過程。二、基因表達(dá)的規(guī)律二、基因表達(dá)的規(guī)律 -時(shí)間性和空間性時(shí)間性和空間性1、時(shí)間特異性（、時(shí)間特異性（Temporal specificity） 按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)時(shí)間順序間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性時(shí)間特異性。 多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性階段特異性（Stage specificity）。 血紅蛋白血紅蛋白是所有動(dòng)物體內(nèi)輸送分子氧的主要

4、載體，是所有動(dòng)物體內(nèi)輸送分子氧的主要載體，每一血紅蛋白分子由一分子珠蛋白加四分子亞鐵血紅素每一血紅蛋白分子由一分子珠蛋白加四分子亞鐵血紅素組成，珠蛋白約占組成，珠蛋白約占96，血紅素占，血紅素占4。珠蛋白部分由。珠蛋白部分由兩個(gè)兩個(gè)珠蛋白和兩個(gè)珠蛋白和兩個(gè)珠蛋白亞基組成的四聚體珠蛋白亞基組成的四聚體(22 )，在生物個(gè)體發(fā)育的不同階段出現(xiàn)幾種不同形式的亞基組在生物個(gè)體發(fā)育的不同階段出現(xiàn)幾種不同形式的亞基組成。成。例如：例如： 人人珠蛋白珠蛋白基因簇位于基因簇位于16號(hào)染色體短臂上，號(hào)染色體短臂上，為胚胎期基因，為胚胎期基因，胎兒和成人期為胎兒和成人期為1。 人人珠蛋白珠蛋白基因簇位于基因簇位于

5、11號(hào)染色體短臂上，其中號(hào)染色體短臂上，其中為胚胎期為胚胎期基因，基因，G和和A為胎兒型基因，為胎兒型基因，和和為成人期基因。為成人期基因。2、空間特異性（、空間特異性（Spatial specificity） 是指多細(xì)胞生物個(gè)體是指多細(xì)胞生物個(gè)體在某一特定生長發(fā)育階段在某一特定生長發(fā)育階段，同一基因的表達(dá)情況在不同的細(xì)胞或組織器官不同，同一基因的表達(dá)情況在不同的細(xì)胞或組織器官不同，這一現(xiàn)象稱之為基因表達(dá)的這一現(xiàn)象稱之為基因表達(dá)的空間特異性空間特異性。這種差異，。這種差異，實(shí)際上是由細(xì)胞的類型決定的，所以空間特異性又稱實(shí)際上是由細(xì)胞的類型決定的，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性（細(xì)胞或組織特

6、異性（cell or tissue specificity）。例如：例如：胰島胰島細(xì)胞合成胰島素；甲狀腺濾泡旁細(xì)胞（細(xì)胞合成胰島素；甲狀腺濾泡旁細(xì)胞（C細(xì)胞）專一分泌降血鈣素；肝細(xì)胞中涉及編碼鳥氨酸細(xì)胞）專一分泌降血鈣素；肝細(xì)胞中涉及編碼鳥氨酸循環(huán)酶類的基因表達(dá)水平高于其它組織細(xì)胞。循環(huán)酶類的基因表達(dá)水平高于其它組織細(xì)胞。三、基因表達(dá)的方式三、基因表達(dá)的方式基因表達(dá)的方式分為基因表達(dá)的方式分為組成性表達(dá)組成性表達(dá)及及適應(yīng)性表達(dá)適應(yīng)性表達(dá)。1、組成性表達(dá)（、組成性表達(dá)（Constitutive expression） 是指某些基因在個(gè)體發(fā)育的是指某些基因在個(gè)體發(fā)育的任一階段任一階段都能在都能在大

7、多大多數(shù)細(xì)胞或組織數(shù)細(xì)胞或組織中持續(xù)進(jìn)行表達(dá)且其表達(dá)水平恒定，這中持續(xù)進(jìn)行表達(dá)且其表達(dá)水平恒定，這類類穩(wěn)定的穩(wěn)定的、幾乎不用調(diào)節(jié)的幾乎不用調(diào)節(jié)的表達(dá)方式稱為表達(dá)方式稱為組成性表達(dá)組成性表達(dá)或或基本性表達(dá)（基本性表達(dá)（constitute expression）。其基因表達(dá)產(chǎn)。其基因表達(dá)產(chǎn)物通常是對生命過程必需的或必不可少的且不易受環(huán)物通常是對生命過程必需的或必不可少的且不易受環(huán)境 因 素 的 影 響 ，境 因 素 的 影 響 ， 這 類 基 因 通 常 被 稱 為 管 家 基 因這 類 基 因 通 常 被 稱 為 管 家 基 因（housekeeping gene）。 2、適應(yīng)性表達(dá)（、適應(yīng)性

8、表達(dá)（adaptive expression） 指指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類基的一類基因表達(dá)。因表達(dá)。 應(yīng)環(huán)境條件變化應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為誘誘導(dǎo)（導(dǎo)（induction），），這類基因被稱為這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因可誘導(dǎo)的基因（inducible gene）； 相反，隨環(huán)境條件變化而相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)的現(xiàn)象稱為象稱為阻遏（阻遏（repression），），相應(yīng)的基因被稱為相應(yīng)的基因被稱為可阻可阻遏的基因（遏的基因（repressible gene）。四、基因表達(dá)調(diào)控

9、的生物學(xué)意義四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義u 適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（原核、真核）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（原核、真核） 生物只有適應(yīng)環(huán)境才能生存。當(dāng)生物只有適應(yīng)環(huán)境才能生存。當(dāng)環(huán)境條件變化環(huán)境條件變化時(shí)，生時(shí)，生物體就要物體就要改變自身基因表達(dá)狀況改變自身基因表達(dá)狀況，以調(diào)整體內(nèi)執(zhí)行相應(yīng)功，以調(diào)整體內(nèi)執(zhí)行相應(yīng)功能蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量，從而改變自身的代謝、活動(dòng)等以能蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量，從而改變自身的代謝、活動(dòng)等以適應(yīng)環(huán)境適應(yīng)環(huán)境。u 維持個(gè)體發(fā)育與分化（真核）維持個(gè)體發(fā)育與分化（真核） 多細(xì)胞個(gè)體生長、發(fā)育的不同階段，細(xì)胞中蛋白質(zhì)分多細(xì)胞個(gè)體生長、發(fā)育的不同階段，細(xì)胞中蛋白質(zhì)分子的種類和含量差異

10、很大；在同一生長發(fā)育階段，不同組子的種類和含量差異很大；在同一生長發(fā)育階段，不同組織器官內(nèi)蛋白質(zhì)分子分布也存在很大差異；這些差異是維織器官內(nèi)蛋白質(zhì)分子分布也存在很大差異；這些差異是維持個(gè)體正常發(fā)育和細(xì)胞分化所必需的。持個(gè)體正常發(fā)育和細(xì)胞分化所必需的。為了維持這種差異，為了維持這種差異，生物體也要通過各種調(diào)節(jié)措施改變自身基因表達(dá)狀況生物體也要通過各種調(diào)節(jié)措施改變自身基因表達(dá)狀況。 生物的基因表達(dá)是受著嚴(yán)密、精確調(diào)控的。生物的基因表達(dá)是受著嚴(yán)密、精確調(diào)控的。 盡管現(xiàn)在對調(diào)控機(jī)理的奧妙所知還不多，但我盡管現(xiàn)在對調(diào)控機(jī)理的奧妙所知還不多，但我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，不僅們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，不僅生命的遺傳信息是生物生存

11、所生命的遺傳信息是生物生存所必需的必需的，而且，而且遺傳信息的表達(dá)調(diào)控也是生命本質(zhì)所遺傳信息的表達(dá)調(diào)控也是生命本質(zhì)所在在。 第六章第六章 原核生物基因的原核生物基因的表達(dá)調(diào)控表達(dá)調(diào)控 第一節(jié)第一節(jié) 原核生物基因表達(dá)調(diào)控原核生物基因表達(dá)調(diào)控總論總論一、基因表達(dá)調(diào)控層次一、基因表達(dá)調(diào)控層次 基因表達(dá)調(diào)控可以通過對基因表達(dá)過程的任何基因表達(dá)調(diào)控可以通過對基因表達(dá)過程的任何一個(gè)階段的調(diào)控而實(shí)現(xiàn)。因此，基因表達(dá)調(diào)控的層一個(gè)階段的調(diào)控而實(shí)現(xiàn)。因此，基因表達(dá)調(diào)控的層次包括：次包括：1、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（Transcriptional Regulation）2、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（、轉(zhuǎn)錄后

12、水平上的調(diào)控（Post-transcriptional Regulation） RNA加工成熟水平上的調(diào)控加工成熟水平上的調(diào)控 Differential processing of RNA transcript 翻譯水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控 Differential translation of mRNA轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控：轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控：是生物最經(jīng)濟(jì)是生物最經(jīng)濟(jì)的調(diào)控方式的調(diào)控方式 -（即（即“不需要，不需要，何必轉(zhuǎn)錄何必轉(zhuǎn)錄”） 。轉(zhuǎn)錄后水平：轉(zhuǎn)錄后水平：是對轉(zhuǎn)錄調(diào)控的是對轉(zhuǎn)錄調(diào)控的補(bǔ)充補(bǔ)充-微調(diào)微調(diào) 。從調(diào)控水平來看從調(diào)控水平來看，主調(diào)在轉(zhuǎn)錄水平，轉(zhuǎn)錄后水平次之。，主調(diào)在轉(zhuǎn)錄水平，轉(zhuǎn)錄后水平

13、次之。二、基因表達(dá)調(diào)控的信號(hào)二、基因表達(dá)調(diào)控的信號(hào)原核生物原核生物: :營養(yǎng)狀況（營養(yǎng)狀況（nutritional status）環(huán)境因素（環(huán)境因素（environmental factor）真核生物真核生物: :激素水平（激素水平（hormone level）發(fā)育水平（發(fā)育水平（developmental stage）三、結(jié)構(gòu)基因與調(diào)節(jié)基因三、結(jié)構(gòu)基因與調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因（結(jié)構(gòu)基因（structural gene） 編碼各類具有不同結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)和編碼各類具有不同結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)和RNA的基因。的基因。調(diào)節(jié)基因（調(diào)節(jié)基因（regulator gene） 編碼蛋白質(zhì)或編碼蛋白質(zhì)或RNA來調(diào)

14、節(jié)其他基因表達(dá)的基因。來調(diào)節(jié)其他基因表達(dá)的基因。四、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本要素四、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本要素 -順式作用元件和反式作用因子順式作用元件和反式作用因子1. 反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor） 基因表達(dá)的產(chǎn)物（基因表達(dá)的產(chǎn)物（蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)或RNA）從合成的場所）從合成的場所擴(kuò)散到目標(biāo)場所而發(fā)揮作用的過程稱為擴(kuò)散到目標(biāo)場所而發(fā)揮作用的過程稱為反式作用反式作用（trans-acting），基因表達(dá)產(chǎn)物被稱為，基因表達(dá)產(chǎn)物被稱為反式作用因子反式作用因子 。 反式作用因子多為反式作用因子多為蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)（調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白），其編碼基），其編碼基因?yàn)橐驗(yàn)檎{(diào)節(jié)基因調(diào)

15、節(jié)基因。通過擴(kuò)散從合成地到目標(biāo)場所發(fā)揮作。通過擴(kuò)散從合成地到目標(biāo)場所發(fā)揮作用。用。調(diào)節(jié)蛋白（調(diào)節(jié)蛋白（Regulator protein）：）： 調(diào)節(jié)蛋白通常都是調(diào)節(jié)蛋白通常都是DNA結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白，它們識(shí)別，它們識(shí)別受其控制的基因上或基因附近的特異位點(diǎn)。受其控制的基因上或基因附近的特異位點(diǎn)。阻遏蛋白（阻遏蛋白（Repressor）：阻遏阻遏或或降低降低相應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄。相應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄。激活蛋白（激活蛋白（Activator）：激活激活或或增強(qiáng)增強(qiáng)相應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄。相應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄。根據(jù)其功能可分為根據(jù)其功能可分為2類：類： 指對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的指對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的DNA序列序列，其活，其活性

16、只影響與其自身同處在一個(gè)性只影響與其自身同處在一個(gè)DNA分子上的基因。分子上的基因。如如啟動(dòng)子、終止子啟動(dòng)子、終止子。2. 順式作用元件（順式作用元件（cis-acting element）順式作用元件本身順式作用元件本身不編碼任何蛋白質(zhì)不編碼任何蛋白質(zhì), 僅僅提供一僅僅提供一個(gè)作用位點(diǎn)個(gè)作用位點(diǎn), 要與反式作用因子相互作用而起作用。要與反式作用因子相互作用而起作用。 基因的表達(dá)調(diào)控主要通過基因的表達(dá)調(diào)控主要通過反式作用因子（通常是蛋反式作用因子（通常是蛋白質(zhì)）白質(zhì)）和和順式作用元件（通常在順式作用元件（通常在DNA上）上）相互作相互作用而實(shí)現(xiàn)。用而實(shí)現(xiàn)。操縱子（操縱子（operon） ：是基

17、因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動(dòng)子啟動(dòng)子、操縱子區(qū)（操縱基因，操縱子區(qū)（操縱基因，operator）及其所控制的一組功能及其所控制的一組功能上相關(guān)的上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱子區(qū)受所組成。操縱子區(qū)受調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的識(shí)產(chǎn)物的識(shí)別。別。Jacob and Monodu1961年，法國兩位科學(xué)家年，法國兩位科學(xué)家Monod和和Jacob提出提出u 獲獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)五、操縱子模型五、操縱子模型操縱子操縱子信息區(qū)：結(jié)構(gòu)基因（信息區(qū)：結(jié)構(gòu)基因（Structural gene） 控制區(qū)控制區(qū) 啟動(dòng)子（啟動(dòng)子（Promoter，P）：啟動(dòng)

18、轉(zhuǎn)錄的部位）：啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的部位 操縱子區(qū)（操縱子區(qū)（Operator，O）：結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的開關(guān)）：結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的開關(guān) 調(diào)節(jié)基因（調(diào)節(jié)基因（Regulator gene）:參與其他基因表達(dá)調(diào)控的參與其他基因表達(dá)調(diào)控的RNA和蛋白質(zhì)的編碼基因。和蛋白質(zhì)的編碼基因。從調(diào)控方式來看從調(diào)控方式來看，原核生物調(diào)控最重要的特點(diǎn)是操縱子模，原核生物調(diào)控最重要的特點(diǎn)是操縱子模式。式。六、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的類型六、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的類型u 負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（Negative transcription regulation) u 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（Positive transcription regulat

19、ion)1、根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）、根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的應(yīng)答，可分為：的應(yīng)答，可分為：正轉(zhuǎn)錄調(diào)控：正轉(zhuǎn)錄調(diào)控： 沒有調(diào)節(jié)蛋白沒有調(diào)節(jié)蛋白（激活蛋白）時(shí)操縱子內(nèi)結(jié)構(gòu)基（激活蛋白）時(shí)操縱子內(nèi)結(jié)構(gòu)基因是因是關(guān)閉關(guān)閉的，而的，而加入調(diào)節(jié)蛋白加入調(diào)節(jié)蛋白后結(jié)構(gòu)基因活性被后結(jié)構(gòu)基因活性被開開啟啟，這樣的調(diào)控稱正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。，這樣的調(diào)控稱正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。OFF to ON負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控：負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控： 沒有調(diào)節(jié)蛋白沒有調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白）時(shí)操縱子內(nèi)結(jié)構(gòu)基（阻遏蛋白）時(shí)操縱子內(nèi)結(jié)構(gòu)基因是因是表達(dá)表達(dá)的，而的，而加入調(diào)節(jié)蛋白加入調(diào)節(jié)蛋白后結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)被后結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)被關(guān)閉關(guān)

20、閉，這樣的調(diào)控稱負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。，這樣的調(diào)控稱負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。OFF to ON2、根據(jù)調(diào)節(jié)蛋白對某些能調(diào)節(jié)它們的、根據(jù)調(diào)節(jié)蛋白對某些能調(diào)節(jié)它們的效應(yīng)物效應(yīng)物（effector）的應(yīng)答及因此而產(chǎn)生的對基因轉(zhuǎn)的應(yīng)答及因此而產(chǎn)生的對基因轉(zhuǎn)錄的影響，可分為錄的影響，可分為可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和和可阻遏調(diào)節(jié)可阻遏調(diào)節(jié)兩大類。兩大類。效應(yīng)物（效應(yīng)物（effector）：）： 能與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，使調(diào)節(jié)蛋白的空間構(gòu)像發(fā)生能與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，使調(diào)節(jié)蛋白的空間構(gòu)像發(fā)生變化，從而改變其對基因轉(zhuǎn)錄影響的特定的物質(zhì)（小變化，從而改變其對基因轉(zhuǎn)錄影響的特定的物質(zhì)（小分子物質(zhì)）。分子物質(zhì)）。 v 誘導(dǎo)物（誘導(dǎo)物（inducer）：

21、能使激活蛋白活化或失活阻遏蛋：能使激活蛋白活化或失活阻遏蛋 白的效應(yīng)物。白的效應(yīng)物。v 輔阻遏物（輔阻遏物（Corepressor）：能使阻遏蛋白活化或失活：能使阻遏蛋白活化或失活 激活蛋白的效應(yīng)物。激活蛋白的效應(yīng)物。可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)：通過小分子：通過小分子誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物參與，使激活蛋參與，使激活蛋白活化或失活阻遏蛋白，使基因由原來白活化或失活阻遏蛋白，使基因由原來關(guān)閉關(guān)閉的狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)殚_啟開啟狀態(tài)，即在效應(yīng)物的作用下使基因活化。狀態(tài)，即在效應(yīng)物的作用下使基因活化?？勺瓒粽{(diào)節(jié)可阻遏調(diào)節(jié)：通過小分子通過小分子輔阻遏物輔阻遏物參與，使阻遏參與，使阻遏蛋白活化或失活激活蛋白，使蛋白活化或

22、失活激活蛋白，使原來原來開啟開啟的基因被的基因被關(guān)閉關(guān)閉，即在效應(yīng)物的作用下基因的表達(dá)被阻遏了。即在效應(yīng)物的作用下基因的表達(dá)被阻遏了。3、在、在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋激活蛋白白（activator），起著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。，起著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。根據(jù)激活蛋白與效應(yīng)物的作用結(jié)果分為根據(jù)激活蛋白與效應(yīng)物的作用結(jié)果分為正控誘導(dǎo)正控誘導(dǎo)和和正控阻遏正控阻遏。u在在正控誘導(dǎo)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）的存在系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)使激活蛋白處于活性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)基因起始轉(zhuǎn)錄；，結(jié)構(gòu)基因起始轉(zhuǎn)錄；u在在正控

23、阻遏正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（輔阻遏物）輔阻遏物）的存的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)，在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。正控誘導(dǎo)正控誘導(dǎo)正控阻遏正控阻遏正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)4、在、在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋阻遏蛋白白（repressor），起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。），起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。 根據(jù)阻遏蛋白與效應(yīng)物的作用結(jié)果又可分為根據(jù)阻遏蛋白與效應(yīng)物的作用結(jié)果又可分為負(fù)控負(fù)控誘導(dǎo)誘導(dǎo)和和負(fù)控阻遏負(fù)控阻遏。u在在負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）的存效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)

24、物）的存在使在使阻遏蛋白失阻遏蛋白失活活，結(jié)構(gòu)基因起始轉(zhuǎn)錄；，結(jié)構(gòu)基因起始轉(zhuǎn)錄；u在在負(fù)控阻遏負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子效應(yīng)物分子（輔阻遏物）（輔阻遏物）的的存在使存在使阻遏蛋白阻遏蛋白活化活化，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏負(fù)控阻遏負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)七、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式七、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式1、因子的更換因子的更換2、組蛋白類似蛋白的調(diào)節(jié)作用、組蛋白類似蛋白的調(diào)節(jié)作用3、轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的作用、轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的作用4、抗終止因子的調(diào)節(jié)作用、抗終止因子的調(diào)節(jié)作用因子的更換因子的更換 因子對識(shí)別因子對識(shí)別DNA鏈上的轉(zhuǎn)錄信號(hào)是不可缺少鏈上的轉(zhuǎn)

25、錄信號(hào)是不可缺少的，它是核心酶和啟動(dòng)子之間的的，它是核心酶和啟動(dòng)子之間的橋梁橋梁。目前，在大。目前，在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了至少發(fā)現(xiàn)了腸桿菌中發(fā)現(xiàn)了至少發(fā)現(xiàn)了6種種因子。因子。不同的不同的因因子可以識(shí)別不同基因的啟動(dòng)子子可以識(shí)別不同基因的啟動(dòng)子。大腸桿菌中的各種大腸桿菌中的各種因子比較因子比較因子因子編碼基因編碼基因主要功能主要功能70rpoD參與對數(shù)生長期和大多數(shù)碳代謝過程基因的調(diào)控54rpoN參與多數(shù)氮源利用基因的調(diào)控38rpoH分裂間期特異基因的表達(dá)調(diào)控32rpoS熱休克基因的表達(dá)調(diào)控28rpoF鞭毛趨化相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控24rpoE過度熱休克基因的表達(dá)調(diào)控 在細(xì)胞發(fā)育的特定階段或環(huán)境條件改變

26、時(shí)在細(xì)胞發(fā)育的特定階段或環(huán)境條件改變時(shí)，細(xì)菌會(huì)利用，細(xì)菌會(huì)利用不同的不同的因子來指導(dǎo)因子來指導(dǎo)RNA聚合酶結(jié)合到不同的啟動(dòng)子序列上，聚合酶結(jié)合到不同的啟動(dòng)子序列上，來實(shí)現(xiàn)了對不同類型基因的特異性轉(zhuǎn)錄。來實(shí)現(xiàn)了對不同類型基因的特異性轉(zhuǎn)錄。 由由32參與構(gòu)成的參與構(gòu)成的RNA聚合酶與熱休克應(yīng)答基因啟聚合酶與熱休克應(yīng)答基因啟動(dòng)子結(jié)合，誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的動(dòng)子結(jié)合，誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的熱休克蛋白熱休克蛋白，適應(yīng)環(huán)境需要。，適應(yīng)環(huán)境需要。例如：例如：溫度升高溫度升高對于原核生物基因表達(dá)的調(diào)控：對于原核生物基因表達(dá)的調(diào)控：從調(diào)控水平來看從調(diào)控水平來看，主調(diào)在轉(zhuǎn)錄水平，翻譯水平次之。，主調(diào)在轉(zhuǎn)錄水平，翻譯水平次之。從調(diào)

27、控方式來看從調(diào)控方式來看，原核生物調(diào)控最重要的特點(diǎn)是操，原核生物調(diào)控最重要的特點(diǎn)是操縱子模式。縱子模式。小小 結(jié)結(jié)第二節(jié)第二節(jié) 乳糖操縱子乳糖操縱子一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)uZ編碼編碼-半乳糖苷酶：不僅可以半乳糖苷酶：不僅可以將乳糖水解成葡將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，還可以將乳糖異構(gòu)化為異構(gòu)乳糖。萄糖和半乳糖，還可以將乳糖異構(gòu)化為異構(gòu)乳糖。結(jié)構(gòu)基因產(chǎn)物及功能結(jié)構(gòu)基因產(chǎn)物及功能uY編碼編碼-半乳糖苷透過酶半乳糖苷透過酶：使外界的：使外界的-半乳糖苷半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入（如乳糖）能透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。細(xì)胞內(nèi)。uA編碼編碼-半乳糖苷

28、乙酰基轉(zhuǎn)移酶半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶：乙酰輔酶A上的乙上的乙?；D(zhuǎn)到酰基轉(zhuǎn)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。調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物及功能調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物及功能ulacI的表達(dá)產(chǎn)物稱為乳糖操縱子阻遏蛋白（的表達(dá)產(chǎn)物稱為乳糖操縱子阻遏蛋白（lac repressor）：它的功能是阻止）：它的功能是阻止lac結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。u以同源四聚體形式存在時(shí)具有活性。以同源四聚體形式存在時(shí)具有活性。u有誘導(dǎo)物存在時(shí)，失活。有誘導(dǎo)物存在時(shí)，失活。二、二、lac體系受調(diào)控的證據(jù)體系受調(diào)控的證據(jù)-酶的誘導(dǎo)酶的誘導(dǎo)安慰誘導(dǎo)物（安慰誘導(dǎo)物（gratuitous inducer）：）：

29、如果某種誘導(dǎo)物能夠促使酶合成而本身又不如果某種誘導(dǎo)物能夠促使酶合成而本身又不被酶分解，這種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物。如被酶分解，這種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物。如IPTG（異丙基（異丙基-D-硫代半乳糖苷）。硫代半乳糖苷）。三、乳糖操縱子模型的主要內(nèi)容三、乳糖操縱子模型的主要內(nèi)容 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因lacZ、lacY、lacA的產(chǎn)物由同一條多順的產(chǎn)物由同一條多順反子的反子的mRNA分子所編碼。分子所編碼。 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子區(qū)（啟動(dòng)子區(qū)（P）位于位于lac I與與操縱子區(qū)操縱子區(qū)（O）之間，緊接著之間，緊接著O區(qū)，單獨(dú)不能起動(dòng)合成區(qū)，單獨(dú)不能起動(dòng)合成-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。半乳糖苷酶和透過酶的

30、生理過程。 操縱子區(qū)（操縱子區(qū)（O）是）是DNA上的一小段序列，是阻遏上的一小段序列，是阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)。蛋白的結(jié)合位點(diǎn)。無誘導(dǎo)物時(shí)無誘導(dǎo)物時(shí)，阻遏蛋白與操縱子區(qū)結(jié)合，阻遏蛋白與操縱子區(qū)結(jié)合，lac mRNA的的 轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。Lac IPromoterLacYLacALacZOperatorRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，誘導(dǎo)物通過與阻遏蛋白結(jié)合，誘導(dǎo)物通過與阻遏蛋白結(jié)合，改

31、變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱子區(qū)結(jié)合。改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱子區(qū)結(jié)合。由于操縱子區(qū)沒有被阻遏蛋白占據(jù)，所以啟動(dòng)由于操縱子區(qū)沒有被阻遏蛋白占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始子能夠順利起始mRNA的合成。的合成。Lac IPromoterLacYLacALacZOperatorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeRNAPol.RNAPol.Yipee!四、四、lac操縱子模型的操縱子模型的補(bǔ)充解釋補(bǔ)充解釋/影響因子影響

32、因子1、lac操縱子的本底水平表達(dá)操縱子的本底水平表達(dá)有兩個(gè)矛盾是操縱子理論所不能解釋的：有兩個(gè)矛盾是操縱子理論所不能解釋的：誘導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)誘導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要透過酶，后者的合成需要誘導(dǎo)。運(yùn)誘導(dǎo)物需要透過酶，后者的合成需要誘導(dǎo)。可能性：可能性：一些誘導(dǎo)物可以在透過酶不存在時(shí)進(jìn)入細(xì)胞？一些誘導(dǎo)物可以在透過酶不存在時(shí)進(jìn)入細(xì)胞？一些透過酶可以在沒有誘導(dǎo)物的情況下合成？一些透過酶可以在沒有誘導(dǎo)物的情況下合成？矛盾一：矛盾一：研究發(fā)現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)，真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，而非乳糖，前者是在前者是在-半乳糖苷酶的催化

33、下由乳糖形成的，半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此也需要有因此也需要有-半乳糖苷酶的預(yù)先存在。半乳糖苷酶的預(yù)先存在。-半乳糖苷酶催化的水半乳糖苷酶催化的水解和異構(gòu)化反應(yīng)解和異構(gòu)化反應(yīng)解釋：解釋：在非誘導(dǎo)狀態(tài)下（在非誘導(dǎo)狀態(tài)下（off），也有少量），也有少量（1-5個(gè)個(gè)mRNA分子）的分子）的lac mRNA合成合成-本底水平的組成型合成本底水平的組成型合成矛盾二：矛盾二：2、大腸桿菌對乳糖的反應(yīng)、大腸桿菌對乳糖的反應(yīng)培養(yǎng)基：甘油培養(yǎng)基：甘油按照按照lac操縱子本底水平的表達(dá)，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有幾操縱子本底水平的表達(dá)，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有幾個(gè)分子的個(gè)分子的-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷透過酶；半乳糖苷

34、透過酶；培養(yǎng)基：加入乳糖培養(yǎng)基：加入乳糖誘導(dǎo)物的加入和誘導(dǎo)物的加入和去除對去除對lac mRNA合成和合成和-半乳糖苷半乳糖苷酶活性的影響酶活性的影響3、調(diào)節(jié)基因、調(diào)節(jié)基因lac I的產(chǎn)物的產(chǎn)物 lac 操縱子阻遏物操縱子阻遏物mRNA是由是由弱啟動(dòng)子弱啟動(dòng)子控制下控制下組組成型合成成型合成的，每個(gè)細(xì)胞中有的，每個(gè)細(xì)胞中有5-10個(gè)阻遏物分子。個(gè)阻遏物分子。 當(dāng)當(dāng)lac I基因由弱啟動(dòng)子基因由弱啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)lac操縱子在這些突變體中就操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)不可誘

35、導(dǎo)。4、葡萄糖對、葡萄糖對lac操縱子的影響操縱子的影響如果將葡萄糖和乳糖同如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中，大腸時(shí)加入培養(yǎng)基中，大腸桿菌在耗盡外源葡萄糖桿菌在耗盡外源葡萄糖葡萄糖之前不會(huì)誘發(fā)葡萄糖之前不會(huì)誘發(fā)lac操縱子操縱子-葡萄糖效應(yīng)葡萄糖效應(yīng)。葡萄糖的存在，抑制了葡萄糖的存在，抑制了lac mRNA的合成！的合成！葡萄糖耗盡點(diǎn)葡萄糖耗盡點(diǎn) 研究發(fā)現(xiàn)，存在一種大腸桿菌突變體，它不能研究發(fā)現(xiàn)，存在一種大腸桿菌突變體，它不能將葡萄糖將葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，該細(xì)磷酸轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，該細(xì)菌的菌的lac基因能在葡萄糖存在時(shí)被誘導(dǎo)合成?；蚰茉谄咸烟谴嬖跁r(shí)被誘導(dǎo)合成。 不

36、是葡萄糖本身，而是它的某些降解產(chǎn)物抑制不是葡萄糖本身，而是它的某些降解產(chǎn)物抑制lac mRNA的合成，科學(xué)上把葡萄糖的這種效應(yīng)稱之為的合成，科學(xué)上把葡萄糖的這種效應(yīng)稱之為代謝物阻遏效應(yīng)（代謝物阻遏效應(yīng)（catabolite repression）。為什么誘導(dǎo)物不起作用？為什么誘導(dǎo)物不起作用？5、cAMP與代謝物激活蛋白與代謝物激活蛋白cAMP（cycle AMP） 環(huán)腺苷酸，是在環(huán)腺苷酸，是在腺苷酸環(huán)化酶腺苷酸環(huán)化酶的作用下由的作用下由ATP轉(zhuǎn)變而來的。轉(zhuǎn)變而來的。ATP腺苷酸環(huán)化酶腺苷酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺苷酸）（環(huán)腺苷酸） 大腸桿菌中：大腸桿菌中：無葡萄糖，無葡萄糖，cAMP濃度高；濃度高

37、； 有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低。濃度低。真核生物中：真核生物中：在激素調(diào)節(jié)過程中起著十分重要的作用。在激素調(diào)節(jié)過程中起著十分重要的作用。代謝物激活蛋白（代謝物激活蛋白（Catabolite Activator Protein） 大腸桿菌中的代謝物激活蛋白由大腸桿菌中的代謝物激活蛋白由Crp基因編碼，產(chǎn)基因編碼，產(chǎn)物為物為環(huán)腺苷酸（環(huán)腺苷酸（cAMP）受體蛋白）受體蛋白 （cAMP receptor protein ，CRP）。）。CRP能與能與cAMP結(jié)合形成復(fù)合物，此結(jié)合形成復(fù)合物，此復(fù)合物可與復(fù)合物可與DNA分子相結(jié)合。分子相結(jié)合。cAMP-CRP在在DNA分子上的結(jié)合位點(diǎn)分子上的

38、結(jié)合位點(diǎn)cAMP-CRP與與lac mRNA合成的關(guān)系合成的關(guān)系實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：突變的阻遏蛋白失去與操縱子區(qū)（突變的阻遏蛋白失去與操縱子區(qū)（O）的結(jié)合能力，）的結(jié)合能力，持續(xù)轉(zhuǎn)錄持續(xù)轉(zhuǎn)錄。操縱子區(qū)失去與正常阻遏蛋白結(jié)合的能力，操縱子區(qū)失去與正常阻遏蛋白結(jié)合的能力，持續(xù)轉(zhuǎn)錄持續(xù)轉(zhuǎn)錄。lacI-：O-：Crp-lacI-cya- +低水平的低水平的lac mRNAO-+Crp-cya- 低水平的低水平的lac mRNAlac I：調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因O：操縱子區(qū)操縱子區(qū)Crp：CRP基因基因cya ：腺苷酸環(huán)化酶腺苷酸環(huán)化酶如無如無cAMP-CRP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序

39、列結(jié)合，操縱子轉(zhuǎn)錄活性不高。序列結(jié)合，操縱子轉(zhuǎn)錄活性不高。 cAMP-CAP復(fù)復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合是促進(jìn)轉(zhuǎn)錄高效起始所必合物與啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合是促進(jìn)轉(zhuǎn)錄高效起始所必需的。需的。cAMP-CRP是一個(gè)不同于阻遏物的正調(diào)控因子。是一個(gè)不同于阻遏物的正調(diào)控因子?，F(xiàn)象現(xiàn)象1：cAMP-CRP的調(diào)控作用的調(diào)控作用+ + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)濃度高時(shí)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄促進(jìn)轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)濃度低時(shí)不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACRPCRPCRPCRPCRPCRP 細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi)cAMP與與CRP形成的復(fù)合物是啟動(dòng)結(jié)構(gòu)形成的復(fù)合物是啟動(dòng)結(jié)構(gòu)基因

40、高效轉(zhuǎn)錄的必要條件。葡萄糖的存在降低了細(xì)基因高效轉(zhuǎn)錄的必要條件。葡萄糖的存在降低了細(xì)胞內(nèi)胞內(nèi)cAMP的含量，所以葡萄糖存在時(shí)，不能形成的含量，所以葡萄糖存在時(shí)，不能形成cAMP-CRP復(fù)合物，從而抑制糖類代謝操縱子的表復(fù)合物，從而抑制糖類代謝操縱子的表達(dá)。如果葡萄糖不存在或量極少時(shí)，達(dá)。如果葡萄糖不存在或量極少時(shí)，cAMP合成增合成增加，加，cAMP與與CRP形成復(fù)合物啟動(dòng)操縱子的表達(dá)。形成復(fù)合物啟動(dòng)操縱子的表達(dá)。葡萄糖抑制糖類代謝操縱子表達(dá)的原因：葡萄糖抑制糖類代謝操縱子表達(dá)的原因： 當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，cAMP-CRP對該系統(tǒng)對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。不能發(fā)揮作用。現(xiàn)象

41、現(xiàn)象2：lac操縱子的功能是在這兩個(gè)相對獨(dú)立的調(diào)控操縱子的功能是在這兩個(gè)相對獨(dú)立的調(diào)控體系共同作用下實(shí)現(xiàn)的。體系共同作用下實(shí)現(xiàn)的。協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（coordinate regulation）體系）體系-負(fù)調(diào)節(jié)與正調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)合作負(fù)調(diào)節(jié)與正調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)合作lac操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用既需要乳糖又需缺乏操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖。葡萄糖。u阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，cAMP-CRP不發(fā)揮作用不發(fā)揮作用u沒有沒有cAMP-CRP加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，即使無阻遏蛋白，加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，即使無阻遏蛋白， 轉(zhuǎn)錄效率也不高轉(zhuǎn)錄效率也不高The Lac Operon:1. When Glucose Is P

42、resent But Not LactoseLac IPromoterLacYLacALacZOperatorCRPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CRPThe Lac Operon:2. When Lactose Is Present But Not GlucoseLac IPromoterLacYLacALacZOperatorCRPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im

43、constitutiveCRPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCRPcAMPCRPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!The Lac Operon:3.When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentLac IPromoterLacYLacALacZOperatorCRPBindingCRPcAMPCRPcAMPCRPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepresso

44、r mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through! The Lac Operon:4. When Glucose And Lactose Are PresentLac IPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCRPLacRepressorRepressorXRNAPol.R

45、NAPol.Great, I can transcribe!Some transcription occurs, but at a slow rateThis lactose has bent me out of shape五、五、lac操縱子中的其他問題操縱子中的其他問題1、A基因及其生理功能基因及其生理功能A基因雖然不在乳糖降解中起作用，但是它抑制了基因雖然不在乳糖降解中起作用，但是它抑制了-半乳半乳糖甘酶產(chǎn)物的有害衍生物在細(xì)胞中的積累，在生物進(jìn)化糖甘酶產(chǎn)物的有害衍生物在細(xì)胞中的積累，在生物進(jìn)化中是有意義的。中是有意義的。2、lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較u-半乳糖苷酶：透

46、過酶：乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖苷酶：透過酶：乙?；D(zhuǎn)移酶1：0.5：0.2u 酶在數(shù)量上的差異是由于在酶在數(shù)量上的差異是由于在翻譯水平上受到調(diào)節(jié)翻譯水平上受到調(diào)節(jié)所致所致 lac mRNA可能與翻譯過程中的核糖體相脫離，從而終可能與翻譯過程中的核糖體相脫離，從而終止蛋白質(zhì)鏈的翻譯。因此，存在著從止蛋白質(zhì)鏈的翻譯。因此，存在著從mRNA的的5末端到末端到3末端的蛋白質(zhì)合成梯度。末端的蛋白質(zhì)合成梯度。在在lac mRNA分子內(nèi)部，分子內(nèi)部，A基因比基因比Z基因更易受內(nèi)切酶作基因更易受內(nèi)切酶作用發(fā)生降解，因此，在任何時(shí)候用發(fā)生降解，因此，在任何時(shí)候Z基因的完整拷貝數(shù)要基因的完整拷貝數(shù)要比比A基因多?；蚨?/p>

47、。3、操縱子的融合與基因工程、操縱子的融合與基因工程操縱子在自然條件下是可以發(fā)生融合的。操縱子在自然條件下是可以發(fā)生融合的。例子例子：lac操縱子與操縱子與pur操縱子融合操縱子融合P OZY AtsxPOpur結(jié)構(gòu)基因缺失lac啟動(dòng)子是個(gè)強(qiáng)啟動(dòng)子，通過基因融合增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，啟動(dòng)子是個(gè)強(qiáng)啟動(dòng)子，通過基因融合增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，從而增加蛋白質(zhì)的合成量。從而增加蛋白質(zhì)的合成量。第三節(jié)第三節(jié) 色氨酸操縱子色氨酸操縱子 色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分。一般的環(huán)境難以給。一般的環(huán)境難以給細(xì)菌提供足夠的色氨酸，細(xì)菌要生存繁殖通常需要自細(xì)菌提供足夠的色氨酸，細(xì)菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過許多步驟合成色氨

48、酸。但是一旦環(huán)境能夠提供己經(jīng)過許多步驟合成色氨酸。但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時(shí)，細(xì)菌就會(huì)充分利用外界的色氨酸、減少或色氨酸時(shí)，細(xì)菌就會(huì)充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負(fù)擔(dān)。細(xì)菌所以能做停止合成色氨酸，以減輕自己的負(fù)擔(dān)。細(xì)菌所以能做到這點(diǎn)是因?yàn)橛械竭@點(diǎn)是因?yàn)橛猩彼岵倏v子色氨酸操縱子(trp operon)的調(diào)控。的調(diào)控。一、色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)一、色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu) 在大腸桿菌中，色氨酸的合成需經(jīng)過多個(gè)步驟。在大腸桿菌中，色氨酸的合成需經(jīng)過多個(gè)步驟。每個(gè)環(huán)節(jié)都需要相關(guān)的每個(gè)環(huán)節(jié)都需要相關(guān)的酶酶，編碼這些酶的，編碼這些酶的5個(gè)結(jié)構(gòu)基個(gè)結(jié)構(gòu)基因因緊密連鎖緊密連鎖在一起，被轉(zhuǎn)錄

49、在一條多順反子在一起，被轉(zhuǎn)錄在一條多順反子mRNA上。上。u 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因：分別以：分別以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA表示，表示，分別編碼從分支酸起始合成色氨酸途徑的酶或酶亞基。分別編碼從分支酸起始合成色氨酸途徑的酶或酶亞基。v啟動(dòng)子、操縱子區(qū)不直接和結(jié)構(gòu)基因毗鄰；啟動(dòng)子、操縱子區(qū)不直接和結(jié)構(gòu)基因毗鄰；v操縱子區(qū)在啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)操縱子區(qū)在啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)；u 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)：啟動(dòng)子（啟動(dòng)子（P）和操縱子區(qū)（）和操縱子區(qū)（O）u 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因： trpR基因，該基因距基因，該基因距trp基因簇很遠(yuǎn)?；虼睾苓h(yuǎn)。vtrpR基因產(chǎn)物為阻遏蛋白，本身無阻遏活性，不能直接基因產(chǎn)物為阻

50、遏蛋白，本身無阻遏活性，不能直接與操縱子區(qū)結(jié)合；與操縱子區(qū)結(jié)合；v與與輔阻遏物輔阻遏物-色氨酸色氨酸相結(jié)合，才具有阻遏活性。相結(jié)合，才具有阻遏活性。二、二、trp 操縱子的阻遏系統(tǒng)操縱子的阻遏系統(tǒng) 阻遏系統(tǒng)的阻遏系統(tǒng)的效應(yīng)物分子是色氨酸效應(yīng)物分子是色氨酸，它是，它是trp操縱子操縱子所編碼的生物合成途徑的所編碼的生物合成途徑的末端終產(chǎn)物末端終產(chǎn)物。 當(dāng)培養(yǎng)基中當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸含量較高時(shí)色氨酸含量較高時(shí)，它與游離的阻遏，它與游離的阻遏蛋白相結(jié)合，并使之與操縱區(qū)蛋白相結(jié)合，并使之與操縱區(qū)DNA緊密結(jié)合；當(dāng)培養(yǎng)緊密結(jié)合；當(dāng)培養(yǎng)基中基中色氨酸供應(yīng)不足時(shí)色氨酸供應(yīng)不足時(shí)，阻遏蛋白失去色氨酸并從操，阻遏蛋

51、白失去色氨酸并從操縱區(qū)上解離，縱區(qū)上解離，trp操縱子去阻遏。操縱子去阻遏。Trp Trp 高時(shí)高時(shí) Trp 低時(shí)低時(shí) mRNA OPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 trp 操縱子的阻遏系統(tǒng)調(diào)控過程操縱子的阻遏系統(tǒng)調(diào)控過程研究發(fā)現(xiàn)：研究發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)當(dāng)mRNA合成起始以后，如果再向培養(yǎng)基中加入合成起始以后，如果再向培養(yǎng)基中加入色氨酸，轉(zhuǎn)錄總是在前導(dǎo)區(qū)終止，產(chǎn)生一個(gè)僅有色氨酸，轉(zhuǎn)錄總是在前導(dǎo)區(qū)終止，產(chǎn)生一個(gè)僅有140 nt 左右的前導(dǎo)左右的前導(dǎo)RNA分子。分子。暗示暗示：trp操縱子中對應(yīng)于色氨酸生物合成的操縱子中對應(yīng)于色氨酸生物合成的

52、還有另一個(gè)調(diào)控系統(tǒng)。還有另一個(gè)調(diào)控系統(tǒng)。u阻遏系統(tǒng)阻遏系統(tǒng)對對trp操縱子來說是一個(gè)一級(jí)開關(guān)，操縱子來說是一個(gè)一級(jí)開關(guān)，主主管轉(zhuǎn)錄是否啟動(dòng)管轉(zhuǎn)錄是否啟動(dòng)，相當(dāng)于，相當(dāng)于粗調(diào)開關(guān)粗調(diào)開關(guān)。utrp操縱子中對應(yīng)于色氨酸生物合成的還有另一個(gè)操縱子中對應(yīng)于色氨酸生物合成的還有另一個(gè)系統(tǒng)系統(tǒng)-弱化作用弱化作用進(jìn)行進(jìn)行細(xì)調(diào)控細(xì)調(diào)控，指導(dǎo)已經(jīng)啟動(dòng)指導(dǎo)已經(jīng)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)下去的轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)下去。并通過轉(zhuǎn)錄達(dá)到第一個(gè)結(jié)。并通過轉(zhuǎn)錄達(dá)到第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因構(gòu)基因(trpE)之前的之前的終止轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄來實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)控。這來實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)控。這個(gè)細(xì)微調(diào)控也是由個(gè)細(xì)微調(diào)控也是由色氨酸的濃度色氨酸的濃度來調(diào)節(jié)這種過早來調(diào)節(jié)這種過早終

53、止的頻率。終止的頻率。研究表明研究表明：三、三、trp 操縱子的弱化機(jī)制操縱子的弱化機(jī)制1、弱化子（、弱化子（attenuator）u測序發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因（測序發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因（trpE）的）的5 -端有端有一個(gè)長一個(gè)長160 bp的前導(dǎo)序列（的前導(dǎo)序列（leader sequence），），定名為定名為trp L。前導(dǎo)序列前導(dǎo)序列 調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 trpROPtrpE弱化子：弱化子：DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核苷中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核苷酸序列。酸序列。u若前導(dǎo)序列當(dāng)中若前導(dǎo)序列當(dāng)中123150位堿基序列缺失，位堿基序列缺失，trp基基因表達(dá)可提高因表達(dá)

54、可提高610倍；同時(shí)發(fā)現(xiàn)這個(gè)區(qū)域與轉(zhuǎn)倍；同時(shí)發(fā)現(xiàn)這個(gè)區(qū)域與轉(zhuǎn)錄的提前終止有關(guān)，因此這個(gè)區(qū)域被稱為弱化子，錄的提前終止有關(guān)，因此這個(gè)區(qū)域被稱為弱化子，定名為定名為trp a 。弱化子弱化子調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 trpROP前導(dǎo)序列前導(dǎo)序列 trpEu研究弱化子序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)研究弱化子序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNA通過自我配對可通過自我配對可形成形成莖莖-環(huán)環(huán)結(jié)構(gòu)，有結(jié)構(gòu)，有典型的終止子典型的終止子特點(diǎn)。特點(diǎn)。2、前導(dǎo)序列（、前導(dǎo)序列（Leader Sequence）uTrp前導(dǎo)序列含有起始密碼子前導(dǎo)序列含有起始密碼子AUG和終止密碼子和終止密碼子UGA，編，編碼了一個(gè)碼了一個(gè)14個(gè)氨基酸的多肽

55、個(gè)氨基酸的多肽-前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽。該多肽有一個(gè)特征，。該多肽有一個(gè)特征，其其第第10位和位和11位有相鄰的兩個(gè)色氨酸密碼子位有相鄰的兩個(gè)色氨酸密碼子。uTrp前導(dǎo)序列的前導(dǎo)序列的內(nèi)部堿基序列分為內(nèi)部堿基序列分為4個(gè)片段個(gè)片段，分別以序列，分別以序列1、2、3和和4表示。表示。序列序列3和和4屬于弱化子屬于弱化子。u序列序列1、2、3和和4能以不同的方式進(jìn)行堿基配對，形成不同能以不同的方式進(jìn)行堿基配對，形成不同的莖環(huán)結(jié)構(gòu)的莖環(huán)結(jié)構(gòu)。莖。莖-環(huán)結(jié)構(gòu)由強(qiáng)到弱依次為序列環(huán)結(jié)構(gòu)由強(qiáng)到弱依次為序列1/2序列序列2/3序列序列3/4 UUUUUUUU前導(dǎo)序列前導(dǎo)序列 弱化子弱化子UUUU前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA1234

56、弱化子結(jié)構(gòu)弱化子結(jié)構(gòu) 第第1010、1111密碼子為密碼子為trptrp密碼子密碼子 終止密碼子終止密碼子 14aa14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū)前導(dǎo)肽編碼區(qū): 包含序列包含序列1 1 形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱： 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密碼子密碼子 UUUU調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 trpROPtrpE3、弱化機(jī)制、弱化機(jī)制色氨酸的濃度很低時(shí)色氨酸的濃度很低時(shí): 負(fù)載有負(fù)載有色氨酸的色氨酸的tRNA也就少也就少，這樣翻譯通過兩，這樣翻譯通過兩個(gè)相鄰色氨酸密碼子的速個(gè)相鄰色氨酸密碼子的速度就會(huì)很慢，當(dāng)度就會(huì)很慢，當(dāng)4區(qū)被轉(zhuǎn)區(qū)被轉(zhuǎn)錄完

57、成時(shí)，核糖體才進(jìn)行錄完成時(shí)，核糖體才進(jìn)行到到1區(qū)，這時(shí)的前導(dǎo)區(qū)結(jié)區(qū)，這時(shí)的前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)構(gòu)是是2-3配對配對，所以轉(zhuǎn)錄可，所以轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進(jìn)行。繼續(xù)進(jìn)行。UUUU342423UUUU核糖體核糖體 前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽 前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA 15 trp 密碼子密碼子 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)前導(dǎo)DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)當(dāng)色氨酸濃度低時(shí): : Trp合成酶系相關(guān)合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄 序列序列3 3、4 4不能不能形成弱化子結(jié)構(gòu)形成弱化子結(jié)構(gòu) 色氨酸濃度較高時(shí)色氨酸濃度較高時(shí): 負(fù)載有負(fù)載有色氨酸的色氨酸的tRNA相對較多相對較多，核糖體可順利，核糖體可順利通過兩個(gè)相鄰的

58、色氨酸密通過兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼碼子，在子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前就區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前就到達(dá)到達(dá)2區(qū)，區(qū)，使使2-3區(qū)不能配區(qū)不能配對對，3-4區(qū)自由配對形成一區(qū)自由配對形成一發(fā)夾發(fā)夾終止子結(jié)構(gòu)終止子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄被，轉(zhuǎn)錄被終止終止，trp操縱子被關(guān)閉。操縱子被關(guān)閉。UUUU34UUUU 334核糖體核糖體 前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽 前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA125 trp 密碼子密碼子 弱化子結(jié)構(gòu)弱化子結(jié)構(gòu)就是終止子就是終止子可使轉(zhuǎn)錄可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)前導(dǎo)DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 終止終止當(dāng)色氨酸濃度高時(shí)當(dāng)色氨酸濃度高時(shí) : :u空間：前導(dǎo)序列空間：前導(dǎo)序列mRNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)4、弱化子對轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)鍵、弱化子

59、對轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)鍵u時(shí)間：時(shí)間： v 二級(jí)結(jié)構(gòu)：二級(jí)結(jié)構(gòu)：形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱： 序列序列1/2序列序列2/3序列序列3/4 v 一級(jí)結(jié)構(gòu)：一級(jí)結(jié)構(gòu)：第第10位和位和11位有相鄰的兩個(gè)色氨酸密碼子位有相鄰的兩個(gè)色氨酸密碼子v 核糖體在核糖體在2個(gè)個(gè)Trp 密碼子上的停頓密碼子上的停頓 細(xì)菌通過弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足。因?yàn)樽杓?xì)菌通過弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足。因?yàn)樽瓒糇饔弥荒苁苟糇饔弥荒苁罐D(zhuǎn)錄不起始轉(zhuǎn)錄不起始，對于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只，對于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過弱化作用使之中途停下來。能通過弱化作用使之中途停下來。阻遏作用的信號(hào)阻遏作用的信號(hào)是是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少；弱化作用的信號(hào)弱化作用的信號(hào)則是則是細(xì)胞內(nèi)載細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的有色氨酸的tRNA的多少的多少。它通過前導(dǎo)肽的翻譯來控。它通過前導(dǎo)肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)這兩種作用相輔相成，制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)這兩種作用相輔相成，體現(xiàn)著生物體內(nèi)周密的