第五章基因的表達與調(diào)控

Contents5．1原核基因表達調(diào)控總論5．2乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)5．3色氨酸操縱子與負控阻遏系統(tǒng)5．4轉(zhuǎn)錄后調(diào)控現(xiàn)在是1頁\一共有182頁\編輯于星期五原核生物和單細胞真核生物：環(huán)境影響蛋白質(zhì)合成高等真核生物出現(xiàn)細胞分化：不同細胞所合成蛋白質(zhì)在質(zhì)和量上均有差異因此，不論真核還是原核細胞都有一套準確地調(diào)節(jié)基因表達和蛋白質(zhì)合成的機制現(xiàn)在是2頁\一共有182頁\編輯于星期五如果每個基因等同翻譯，每一個多肽應有相同的拷貝數(shù)。

結(jié)論是否定的，基因的表達是被控制的。組成型合成蛋白質(zhì)適應型或調(diào)節(jié)型合成蛋白質(zhì)如DNA合成酶，RNA聚合酶等如β-半乳糖苷酶及參與糖代謝的酶，氨基酸、核苷酸合成系統(tǒng)的酶類等現(xiàn)在是3頁\一共有182頁\編輯于星期五一個系統(tǒng)處于“off”狀態(tài)時可能是本底水平的基因表達，常常是每世代每個細胞合成1～2個mRNA分子和極少量的蛋白質(zhì)分子。必須明白所謂“關(guān)”實際的意思是基因表達量特別低，或者無法檢測。細菌中的基本調(diào)控機制有如下規(guī)律:一個體系在需要時被打開，不需要時被關(guān)閉。這種“開-關(guān)”(on-off)活性是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄來建立的。即通過調(diào)節(jié)mRNA的合成來實現(xiàn)的現(xiàn)在是4頁\一共有182頁\編輯于星期五5．1原核基因表達調(diào)控總論生物信息DNARNAProtein執(zhí)行生命活動調(diào)節(jié)基因表達調(diào)控現(xiàn)在是5頁\一共有182頁\編輯于星期五基因表達調(diào)控在兩個水平上體現(xiàn)(1)轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptionalregulation);(2)轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控(post-transcriptionalregulation)①mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(differentialprocessingofRNAtranscript)②翻譯水平上的調(diào)控(differentialtranslationofmRNA)現(xiàn)在是6頁\一共有182頁\編輯于星期五指揮基因調(diào)控的信號不同Prok中，營養(yǎng)狀況和環(huán)境因素——主要

Euk中，激素水平和發(fā)育階段——主要在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達調(diào)控取決于DNA的結(jié)構(gòu)、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用?，F(xiàn)在是7頁\一共有182頁\編輯于星期五5.1.1原核基因調(diào)控機制的類型與特點原核生物的基因調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，根據(jù)調(diào)控機制的不同可分為：負轉(zhuǎn)錄調(diào)控(negativetranscriptionregulation)正轉(zhuǎn)錄調(diào)控(Positivetranscriptionregulation)現(xiàn)在是8頁\一共有182頁\編輯于星期五負轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)在負轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的物質(zhì)是阻遏蛋白(repressor)－－阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。其作用部位是操縱區(qū)。它與操縱區(qū)結(jié)合，轉(zhuǎn)錄受阻?，F(xiàn)在是9頁\一共有182頁\編輯于星期五調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負轉(zhuǎn)錄調(diào)控負轉(zhuǎn)錄調(diào)控在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是表達的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負轉(zhuǎn)錄調(diào)控?，F(xiàn)在是10頁\一共有182頁\編輯于星期五負控誘導系統(tǒng)－－阻遏蛋白不與誘導物結(jié)合時，阻遏蛋白與操縱區(qū)相結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄，阻遏蛋白結(jié)合上誘導物時，阻遏蛋白與操縱區(qū)分離，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄?，F(xiàn)在是11頁\一共有182頁\編輯于星期五

負控阻遏系統(tǒng)－－阻遏蛋白與效應物結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。現(xiàn)在是12頁\一共有182頁\編輯于星期五正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白(activator)，激活蛋白結(jié)合與DNA的啟動子及RNA聚合酶后，轉(zhuǎn)錄才會進行?，F(xiàn)在是13頁\一共有182頁\編輯于星期五調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控如果在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是關(guān)閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開啟，這樣的調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控?，F(xiàn)在是14頁\一共有182頁\編輯于星期五在正控誘導系統(tǒng)中，誘導物的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)，轉(zhuǎn)錄進行?，F(xiàn)在是15頁\一共有182頁\編輯于星期五在正控阻遏系統(tǒng)中，效應物分子的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)，轉(zhuǎn)錄不進行?，F(xiàn)在是16頁\一共有182頁\編輯于星期五可誘導調(diào)節(jié)：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子分解代謝蛋白的基因2、根據(jù)操縱子對某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應答，可分為可誘導調(diào)節(jié)和可阻遏調(diào)節(jié)兩大類：現(xiàn)在是17頁\一共有182頁\編輯于星期五調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白誘導物mRNA酶蛋白酶合成的誘導操縱子模型誘導物如果某種物質(zhì)能夠促使細菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質(zhì)就是誘導物。現(xiàn)在是18頁\一共有182頁\編輯于星期五可阻遏調(diào)節(jié)：基因平時是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達。例：色氨酸操縱子合成代謝蛋白的基因現(xiàn)在是19頁\一共有182頁\編輯于星期五酶合成的阻遏操縱子模型調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因mRNA酶蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因輔阻遏物輻阻遏物如果某種物質(zhì)能夠阻止細菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。現(xiàn)在是20頁\一共有182頁\編輯于星期五一般規(guī)律

可誘導的操縱子是一些編碼分解代謝糖和氨基酸的蛋白的基因。這些操縱子常常是關(guān)閉的。一旦生存條件發(fā)生變化，如葡萄糖缺乏而必須利用乳糖作為能源時，就要打開這些基因?？勺瓒艋蚴且恍┖铣筛鞣N細胞代謝過程中所必須的小分子物質(zhì)（如氨基酸、嘌呤和嘧啶等的基因），這些基因總是打開著的。只有當細菌生活環(huán)境中有充分供應時，才關(guān)閉這些基因，停止其合成?，F(xiàn)在是21頁\一共有182頁\編輯于星期五弱化子對基因活性的影響在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號作用的是有特殊負載的氨酰-tRNA的濃度。當操縱子被阻遏，RNA合成被終止時，起終止轉(zhuǎn)錄信號作用的那一段DNA序列被稱為弱化子?，F(xiàn)在是22頁\一共有182頁\編輯于星期五當基因轉(zhuǎn)錄使轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（RNA）到不同長度時，核糖體會在對應的DNA位置上；此時RNA可以形成某種形式的二級結(jié)構(gòu)；由此決定延伸復合物的結(jié)合能力，從而決定基因能否繼續(xù)轉(zhuǎn)錄?，F(xiàn)在是23頁\一共有182頁\編輯于星期五細菌的應急反應細菌有時會碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓－－氨基酸的全面匱乏。為了緊縮開支，渡過難關(guān)，細菌會產(chǎn)生一個應急反應－－停止包括生產(chǎn)各種RNA、糖、脂肪和蛋白質(zhì)的幾乎全部生物化學反應過程。實施這一應急反應的信號是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸(pppGpp)。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導物是空載tRNA。現(xiàn)在是24頁\一共有182頁\編輯于星期五當氨基酸饑餓時，細胞中便存在大量的不帶氨基酸的tRNA，這種空載的tRNA會激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp的出現(xiàn)會關(guān)閉許多基因，以應付這種緊急狀況。ppGpp影響RNA聚合酶與這些基因轉(zhuǎn)錄起始位點的結(jié)合，使基因被關(guān)閉。ppGpp與pppGpp的作用范圍十分廣泛，它們影響一大批操縱子而被稱為超級調(diào)控因子?，F(xiàn)在是25頁\一共有182頁\編輯于星期五5．2乳糖操縱子－－負控誘導系統(tǒng)1、操縱子模型的提出

1961年，Monod和Jacob提出獲1965年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎現(xiàn)在是26頁\一共有182頁\編輯于星期五JacobandMonod現(xiàn)在是27頁\一共有182頁\編輯于星期五2、操縱子的定義操縱子：是基因表達的協(xié)調(diào)單位，由啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制?，F(xiàn)在是28頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是29頁\一共有182頁\編輯于星期五操縱序列O啟動序列P——上游含CAP（分解代謝物基因激活蛋白）調(diào)控區(qū)調(diào)節(jié)基因I——編碼一種阻遏蛋白結(jié)構(gòu)基因Z——-半乳糖苷酶Y——透酶A——乙?；D(zhuǎn)移酶現(xiàn)在是30頁\一共有182頁\編輯于星期五乙酰基轉(zhuǎn)移酶半乳糖苷透性酶?-半乳糖苷酶操作位點3乳糖操縱子結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)基因現(xiàn)在是31頁\一共有182頁\編輯于星期五一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是32頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是33頁\一共有182頁\編輯于星期五Z編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y編碼β-半乳糖苷透過酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細胞壁和原生質(zhì)膜進入細胞內(nèi)。A編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。現(xiàn)在是34頁\一共有182頁\編輯于星期五操縱子是一種完整的具有特定功能的細菌基因表達和調(diào)節(jié)的單位，包括調(diào)節(jié)基因，操縱位點，結(jié)構(gòu)基因，組成一個控制單元結(jié)構(gòu)基因：產(chǎn)生mRNA,合成蛋白質(zhì)操縱位點promotor,operator：啟動子結(jié)合位點調(diào)節(jié)基因：產(chǎn)生調(diào)節(jié)蛋白（與操縱位點結(jié)合）→結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄誘導物存在時，可與阻遏蛋白結(jié)合→結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄ControlelementStructuralgenes現(xiàn)在是35頁\一共有182頁\編輯于星期五5.2.2酶的誘導現(xiàn)象B-半乳糖苷酶現(xiàn)在是36頁\一共有182頁\編輯于星期五二、酶的誘導——lac體系受調(diào)控的證據(jù)現(xiàn)在是37頁\一共有182頁\編輯于星期五分解底物的酶只有在底物存在時才出現(xiàn)！無乳糖時，幾個β-gal/cell加入乳糖時，5000個再去掉乳糖，lacmRNA下降

乳糖能激發(fā)lacmRNA的合成

乳糖的誘導作用是由酶前體轉(zhuǎn)化而來，還是誘導新酶合成？培養(yǎng)基（35S-aa,無乳糖）→E.coli繁殖→培養(yǎng)基（無35S-aa,加入乳糖）→β-gal(無35S)現(xiàn)在是38頁\一共有182頁\編輯于星期五安慰誘導物：

如果某種物質(zhì)能夠促使細菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質(zhì)被稱為安慰誘導物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。現(xiàn)在是39頁\一共有182頁\編輯于星期五gratuitousinducer

安慰誘導物

義務誘導物可誘導半乳糖苷酶產(chǎn)生，但不是其底物IPTG，異丙基巰基半乳糖苷TMG，巰甲基半乳糖苷ONPG,O-硝基半乳糖苷在研究誘導作用時，很少使用乳糖現(xiàn)在是40頁\一共有182頁\編輯于星期五5.2.3調(diào)控機理1調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)lacI,1045bp，獨立PiP,82bp，－82～＋1O,35bp，－7～＋28lacZYA現(xiàn)在是41頁\一共有182頁\編輯于星期五體外結(jié)合競爭實驗:

阻遏物＋RNApol,off

RNApol＋阻遏物，on2.阻遏狀態(tài)現(xiàn)在是42頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是43頁\一共有182頁\編輯于星期五3誘導狀態(tài)誘導物誘導作用：在可誘導的操縱元中，加入對基因表達有調(diào)節(jié)作用的小分子后，開啟基因的轉(zhuǎn)錄活性現(xiàn)在是44頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是45頁\一共有182頁\編輯于星期五4誘導物不是乳糖生成lac誘導物乳糖代謝Allolctose異構(gòu)乳糖別乳糖細胞內(nèi)β-半乳糖苷酶來源?現(xiàn)在是46頁\一共有182頁\編輯于星期五5.2.4阻遏蛋白的作用機制1阻遏蛋白結(jié)構(gòu)38KD，4聚體，一個亞基結(jié)合一個IPTG分子lacI

組成型轉(zhuǎn)錄Pi弱啟動子，5－10個／cell具有二重性阻止轉(zhuǎn)錄（與lacO結(jié)合）開始轉(zhuǎn)錄（與誘導物結(jié)合）現(xiàn)在是47頁\一共有182頁\編輯于星期五阻遏蛋白單體的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是48頁\一共有182頁\編輯于星期五阻遏蛋白的結(jié)構(gòu)域頭段，-NH2端，lacO結(jié)合區(qū)絞鏈區(qū)

核心段，-COOH，誘導物結(jié)合區(qū)現(xiàn)在是49頁\一共有182頁\編輯于星期五4個亞基的核心片段接觸形成四聚體現(xiàn)在是50頁\一共有182頁\編輯于星期五對稱軸，+11對稱序列，6bp阻遏蛋白的結(jié)合位點－－lacO的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是51頁\一共有182頁\編輯于星期五誘導物

和阻遏

蛋白結(jié)合的模型現(xiàn)在是52頁\一共有182頁\編輯于星期五阻遏能發(fā)生在多個位點上現(xiàn)在是53頁\一共有182頁\編輯于星期五3阻遏蛋白對RNApol功能的影響阻遏蛋白和RNApol可同時與DNA結(jié)合RNApol與啟動子結(jié)合的平衡常數(shù)1.9×107有阻遏蛋白時,2.5×109結(jié)合著的RNApol不能轉(zhuǎn)錄.但加入誘導物后,釋放出阻遏蛋白,變?yōu)殚_放型啟動子復合物.阻遏蛋白實際上使RNApol貯存在啟動子上。這一模式是否存在于其它操縱元系統(tǒng)中？現(xiàn)在是54頁\一共有182頁\編輯于星期五5.2.5乳糖操縱子調(diào)控模型主要內(nèi)容：①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼

現(xiàn)在是55頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是56頁\一共有182頁\編輯于星期五②這個mRNA分子的啟動子緊接著O區(qū)，而位于I與O之間的啟動子區(qū)（P），不能單獨起動合成β-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程?，F(xiàn)在是57頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是58頁\一共有182頁\編輯于星期五③操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點?，F(xiàn)在是59頁\一共有182頁\編輯于星期五RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位現(xiàn)在是60頁\一共有182頁\編輯于星期五操縱位點的回文序列現(xiàn)在是61頁\一共有182頁\編輯于星期五

④當阻遏物與操縱基因結(jié)合時，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。

現(xiàn)在是62頁\一共有182頁\編輯于星期五

阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)

沒有乳糖存在時現(xiàn)在是63頁\一共有182頁\編輯于星期五⑤誘導物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。當有誘導物存在時，操縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動子能夠順利起始mRNA的合成?，F(xiàn)在是64頁\一共有182頁\編輯于星期五

有乳糖存在時現(xiàn)在是65頁\一共有182頁\編輯于星期五2.2操縱子突變－操縱子的發(fā)現(xiàn)（1）Oc操縱基因的組成型突變(順式顯性)

順式顯性突變（cis-dominance）：操縱基因只控制臨近基因，對其他等位基因無作用，或者顯性效應只對處于同一染色體上它所調(diào)控的結(jié)構(gòu)基因才起作用的現(xiàn)象。

（2）lacIS阻遏蛋白不可誘導性突變，阻遏蛋白失去誘導物結(jié)合位點；（3）lacI-阻遏蛋白不能形成寡聚物（4）lacI-d阻遏蛋白不能和DNA結(jié)合，且呈負互補(反式顯性)

等位基因間的互補（interalleliccomplementation）。

負的互補（negativecomplementation）：lacI-d的產(chǎn)物和lacI+的產(chǎn)物組成多聚體時，阻遏蛋白無活性。也稱為反式顯性（trans-dominant）。現(xiàn)在是66頁\一共有182頁\編輯于星期五阻遏蛋白不能與突變的操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因組成型表達（1）操縱基因突變（O+Oc），結(jié)構(gòu)基因組成型表達現(xiàn)在是67頁\一共有182頁\編輯于星期五組成型突變：lacOc

現(xiàn)在是68頁\一共有182頁\編輯于星期五（2）操縱子不可誘導型突變阻遏蛋白失去結(jié)合誘導物位點的突變lacIs,結(jié)構(gòu)基因組成型表達現(xiàn)在是69頁\一共有182頁\編輯于星期五（3）阻抑蛋白基因的I-突變阻遏蛋白失活或者缺乏，不能和操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因組成型表達現(xiàn)在是70頁\一共有182頁\編輯于星期五組成型突變：

lacI-現(xiàn)在是71頁\一共有182頁\編輯于星期五二倍體中，lacI+比lacI-占優(yōu)勢，表現(xiàn)為基因關(guān)閉，lacI-為隱性突變當野生型lacI+和突變型I-在同一細胞中現(xiàn)在是72頁\一共有182頁\編輯于星期五不可誘導突變（超阻遏）：現(xiàn)在是73頁\一共有182頁\編輯于星期五四、影響因子1、lac操縱子的本底水平表達有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的：①誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運誘導物需要透過酶，后者的合成有需要誘導。解釋：一些誘導物可以在透過酶不存在時進入細胞？一些透過酶可以在沒有誘導物的情況下合成？√現(xiàn)在是74頁\一共有182頁\編輯于星期五②真正的誘導物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的預先存在。解釋：本底水平的組成型合成：非誘導狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成?，F(xiàn)在是75頁\一共有182頁\編輯于星期五2、大腸桿菌對乳糖的反應培養(yǎng)基：甘油按照lac操縱子本底水平的表達，每個細胞內(nèi)有幾個分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透過酶；培養(yǎng)基：加入乳糖少量乳糖透過酶進入細胞β-半乳糖苷酶異構(gòu)乳糖誘導物誘導lacmRNA的生物合成大量乳糖進入細胞多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）異構(gòu)乳糖現(xiàn)在是76頁\一共有182頁\編輯于星期五乳糖現(xiàn)在是77頁\一共有182頁\編輯于星期五3、阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能Lac操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的，每個細胞中有5-10個阻遏物分子。當I基因由弱啟動子突變成強啟動子，細胞內(nèi)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導物來克服阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導?，F(xiàn)在是78頁\一共有182頁\編輯于星期五4、葡萄糖對lac操縱子的影響如果將葡萄糖和乳糖同時加入培養(yǎng)基中，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會誘導lac操縱子表達分解乳糖所需的三種酶。代謝物阻遏效應現(xiàn)在是79頁\一共有182頁\編輯于星期五mRNA無乳糖時有乳糖時無葡萄糖cAMP濃度高有葡萄糖cAMP濃度低RNA-polOOOOlac操縱子基因表達既需要乳糖又需缺乏葡萄糖現(xiàn)在是80頁\一共有182頁\編輯于星期五5、cAMP與代謝物激活蛋白代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺甘酸受體蛋白（CRP）

現(xiàn)在是81頁\一共有182頁\編輯于星期五葡萄糖對lac操縱元表達的抑制是間接的

葡萄糖的降解是通過cAMP與CAP結(jié)合起作用的cAMP:環(huán)化腺苷酸CAP,cataboliteactivatorprotein由crp編碼CRP,catabolitereceptorprotein現(xiàn)在是82頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是83頁\一共有182頁\編輯于星期五ZYAOPDNA調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶cAMP—CAP復合物現(xiàn)在是84頁\一共有182頁\編輯于星期五CAP的結(jié)合對DNA構(gòu)型的影響DNA彎曲彎曲點位于CAP結(jié)合位點二重對稱的中心彎曲使CAP能與啟動子上的RNApol接觸現(xiàn)在是85頁\一共有182頁\編輯于星期五ATP腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺甘酸）

大腸桿菌中：無葡萄糖，cAMP濃度高；

有葡萄糖，cAMP濃度低現(xiàn)在是86頁\一共有182頁\編輯于星期五++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時促進轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，cAMP濃度低時不促進轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調(diào)控現(xiàn)在是87頁\一共有182頁\編輯于星期五

CAP的正性調(diào)節(jié)現(xiàn)在是88頁\一共有182頁\編輯于星期五

現(xiàn)在是89頁\一共有182頁\編輯于星期五當阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。cAMP—CAP復合物與啟動子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖?，F(xiàn)在是90頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是91頁\一共有182頁\編輯于星期五

協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)現(xiàn)在是92頁\一共有182頁\編輯于星期五TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP現(xiàn)在是93頁\一共有182頁\編輯于星期五TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!現(xiàn)在是94頁\一共有182頁\編輯于星期五TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!現(xiàn)在是95頁\一共有182頁\編輯于星期五五、Lac操縱子中的其他問題1、A基因及其生理功能半乳糖甘分子（IPTG）β-半乳糖甘酶分解產(chǎn)物（體內(nèi)積累）β-半乳糖甘乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖甘分子（IPTG）乙?；F(xiàn)在是96頁\一共有182頁\編輯于星期五2、lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較β-半乳糖苷酶：透過酶：乙?；D(zhuǎn)移酶=1：0.5：0.2翻譯水平上受到調(diào)節(jié)：（1）lacmRNA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；（2）在lacmRNA分子內(nèi)部，A基因比Z基因更容易受內(nèi)切酶作用發(fā)生降解?，F(xiàn)在是97頁\一共有182頁\編輯于星期五3、操縱子的融合與基因工程POZYAtsxPOpur結(jié)構(gòu)基因缺失lacoperonpuroperon現(xiàn)在是98頁\一共有182頁\編輯于星期五Summary現(xiàn)在是99頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是100頁\一共有182頁\編輯于星期五SummaryoflacoperonregulationGlucose（葡萄糖）cAMPLactose（乳糖）TranscriptionoflacmRNAHighLowPresentlowrateofexpressionHighLowAbsentessentiallynoneLowHighAbsent（停止）essentiallynoneLowHighPresenthighrateofexpression現(xiàn)在是101頁\一共有182頁\編輯于星期五

（一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)R現(xiàn)在是102頁\一共有182頁\編輯于星期五

（二）阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)

沒有乳糖存在時現(xiàn)在是103頁\一共有182頁\編輯于星期五

有乳糖存在時現(xiàn)在是104頁\一共有182頁\編輯于星期五

（三）CAP的正性調(diào)節(jié)現(xiàn)在是105頁\一共有182頁\編輯于星期五

現(xiàn)在是106頁\一共有182頁\編輯于星期五

（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)現(xiàn)在是107頁\一共有182頁\編輯于星期五lac操縱子小結(jié)通常情況（葡萄糖供應正常）阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，基因不轉(zhuǎn)錄。細胞外的乳糖通過透性酶吸收到細胞內(nèi)；細胞內(nèi)的β-半乳糖苷酶將乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾樘恰．惾樘墙Y(jié)合到乳糖阻抑物上使之從操縱序列上脫離，聚合酶迅速開始lacZYA基因的轉(zhuǎn)錄。這就是負控誘導。然而，還需要細菌生長系統(tǒng)中缺少葡萄糖，使cAMP含量增加，才有足夠量的cAMP與CRP結(jié)合形成CRP-cAMP復合物結(jié)合于Plac上游。使DNA雙螺旋發(fā)生彎曲，轉(zhuǎn)錄才可以有效地進行?，F(xiàn)在是108頁\一共有182頁\編輯于星期五5.3色氨酸操縱子（trpoperon）內(nèi)容提要：色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子的弱化機制現(xiàn)在是109頁\一共有182頁\編輯于星期五Trpoperon生物細胞中的氨基酸合成，也受操縱元的調(diào)節(jié)。細胞需要某種氨基酸時，其基因即表達，不需要時基因關(guān)閉，達到經(jīng)濟的原則?，F(xiàn)在是110頁\一共有182頁\編輯于星期五一、色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)

調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因

催化分枝酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼?/p>

的酶

trpRtrp現(xiàn)在是111頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是112頁\一共有182頁\編輯于星期五trpR,阻遏蛋白P：

-40～+18O：-21～+1L：

+1～+162結(jié)構(gòu)基因t：

A下游36bp,不依賴pt′：t下游250bp，依賴p基因組成現(xiàn)在是113頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是114頁\一共有182頁\編輯于星期五特點:(1)trpR和trpABCDE不連鎖；(2)操縱基因在啟動子內(nèi)(3)有衰減子(attenuator)/弱化子(4)啟動子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被前導序列(Leader)所隔開現(xiàn)在是115頁\一共有182頁\編輯于星期五二、trp操縱子的阻遏系統(tǒng)低Trp時：阻遏物不結(jié)合操縱基因;高Trp時：阻遏物+Trp結(jié)合操縱基因現(xiàn)在是116頁\一共有182頁\編輯于星期五1TrpR四聚體現(xiàn)在是117頁\一共有182頁\編輯于星期五阻遏蛋白＋trp

→

有活性的阻遏物SNE299＋trpO→不轉(zhuǎn)錄現(xiàn)在是118頁\一共有182頁\編輯于星期五2阻遏蛋白的結(jié)合位點trpO-21~+1，反向重復序列trpP-40~+18活性阻遏物與trpO的結(jié)合與RNApol與啟動子的結(jié)合發(fā)生競爭SNE299現(xiàn)在是119頁\一共有182頁\編輯于星期五3阻遏系統(tǒng)主管轉(zhuǎn)錄是否啟動，在缺乏Trp時，mRNA起始合成，但不能自動延伸，一般在trpE之前終止轉(zhuǎn)錄粗調(diào)開關(guān)現(xiàn)在是120頁\一共有182頁\編輯于星期五Trp有Trp無TrpmRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶高低?色氨酸操縱子現(xiàn)在是121頁\一共有182頁\編輯于星期五三、trp操縱子的弱化機制衰減子（attenuator）/弱化子前導序列（leadersequence）現(xiàn)在是122頁\一共有182頁\編輯于星期五1、弱化子：DNA中可導致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核甘酸序列（123-150區(qū)）。123~150現(xiàn)在是123頁\一共有182頁\編輯于星期五

研究引起終止的mRNA堿基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNA通過自我配對可以形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點?，F(xiàn)在是124頁\一共有182頁\編輯于星期五2、前導序列：在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前一個長162bp的mRNA片段。現(xiàn)在是125頁\一共有182頁\編輯于星期五

S312POE4321LDNARNAATGTGA2trpcodons1432前導肽14aa現(xiàn)在是126頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是127頁\一共有182頁\編輯于星期五3、弱化機制現(xiàn)在是128頁\一共有182頁\編輯于星期五

前導肽轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是129頁\一共有182頁\編輯于星期五

轉(zhuǎn)錄衰減（attenuation）：

是指轉(zhuǎn)錄可正常起動，但在轉(zhuǎn)錄進入

第一個結(jié)構(gòu)基因前即突然停止的過程。 由于這一終止作用并不能使正在進行的 結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄中途停止，而僅是部分中 途停止轉(zhuǎn)錄，所以稱為轉(zhuǎn)錄衰減?，F(xiàn)在是130頁\一共有182頁\編輯于星期五

衰減子（attenuator）：

操縱子前導區(qū)內(nèi)類似于終止子結(jié)構(gòu)的一段DNA序列，稱為衰減子。其作用是減弱操縱子的轉(zhuǎn)錄?，F(xiàn)在是131頁\一共有182頁\編輯于星期五

.轉(zhuǎn)錄衰減現(xiàn)在是132頁\一共有182頁\編輯于星期五UUUU……34UUUU3’34核糖體前導肽前導mRNA1.當色氨酸濃度高時轉(zhuǎn)錄衰減機制125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導DNAUUUU3’

RNA聚合酶終止現(xiàn)在是133頁\一共有182頁\編輯于星期五UUUU……342423UUUU……核糖體

前導肽

前導mRNA

15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導DNA

RNA聚合酶2.當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄

序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是134頁\一共有182頁\編輯于星期五LowTrpHighTrp現(xiàn)在是135頁\一共有182頁\編輯于星期五轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián),產(chǎn)生前導肽Trp-tRNATrp存在核糖體通過片段1(2個Trp密碼子)封閉片段2片段3，4形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)類似于不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止序列RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄,產(chǎn)生衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物高Trp時：現(xiàn)在是136頁\一共有182頁\編輯于星期五RNA聚合酶繼續(xù)轉(zhuǎn)錄Trp-tRNATrp沒有供應核糖體翻譯停止在片段1（2個Trp密碼子）片段2，3形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄不終止低Trp時：現(xiàn)在是137頁\一共有182頁\編輯于星期五弱化子對轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)鍵空間結(jié)構(gòu)，10thand11thcodonsencodetrpresidues(rareAA)時間，核糖體停頓在2個Trp密碼子上時，產(chǎn)生延宕，此時4區(qū)未轉(zhuǎn)錄出來Theleaderpeptideistodeterminertrpavailabilityandtoregulatetranscriptiontermination14–amino-acid(encodedby27-68oftheleaderRNAsummary現(xiàn)在是138頁\一共有182頁\編輯于星期五5.3.4阻遏作用與弱化作用的協(xié)調(diào)

阻遏效率啟動子的轉(zhuǎn)錄起始頻率在R+和R-相差70倍弱化作用trp存在時，約有10％的RNApol僥幸轉(zhuǎn)錄

-trp

活性阻遏物－－－－→無活性阻遏物

←－－－－

+trptrp操縱子具有雙重調(diào)節(jié)體系？現(xiàn)在是139頁\一共有182頁\編輯于星期五Negative—repressibleoperon可以被最終合成產(chǎn)物所阻遏RPOleadingseq.EDCBAtrp+為什么需要阻遏體系？當大量Trp存在時，阻遏系統(tǒng)起作用。阻遏物與之結(jié)合，阻止先導mRNA合成。

經(jīng)濟現(xiàn)在是140頁\一共有182頁\編輯于星期五僅有少量trp時，RNApol啟動，但在L.S.處脫落，轉(zhuǎn)錄中斷RPOleadingseq.EDCBA少量trp+不足以結(jié)合O位點為什么需要弱化系統(tǒng)？當trp濃度低時，阻遏物從有活性變?yōu)闊o活性，速度極慢，不能很快引發(fā)trp合成。因此需要一個能快速作出反應的系統(tǒng)，以保持培養(yǎng)基中適當?shù)腡rp水平?，F(xiàn)在是141頁\一共有182頁\編輯于星期五5.3.5細菌演化出弱化系統(tǒng)的生物學意義通過tRNA荷載與否進行調(diào)控，更為靈敏氨基酸的主要用途是合成蛋白質(zhì)，因而tRNA荷載為標準進行調(diào)控更為恰當兩個調(diào)控系統(tǒng)，避免浪費提高效率阻遏系統(tǒng)高水平trp時，不轉(zhuǎn)錄低水平trp時，轉(zhuǎn)錄至LS弱化系統(tǒng)細調(diào)原核生物細致的精細調(diào)控機制增強原核生物對環(huán)境的適應性現(xiàn)在是142頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是143頁\一共有182頁\編輯于星期五細菌通過弱化作用彌補阻遏作用的不足，因為阻遏作用只能使轉(zhuǎn)錄不起始，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。阻遏作用的信號是細胞內(nèi)色氨酸的多少；弱化作用的信號則是細胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少。它通過前導肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄的進行，在細菌細胞內(nèi)這兩種作用相輔相成，體現(xiàn)著生物體內(nèi)周密的調(diào)控作用?，F(xiàn)在是144頁\一共有182頁\編輯于星期五一、翻譯起始的調(diào)控

RBS（核糖體結(jié)合位點）：mRNA鏈上起始密碼子AUG上游的一段非翻譯區(qū)。RBS的結(jié)合強度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼子AUG之間的距離。

SD-4-10（9）-AUG5.4轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控現(xiàn)在是145頁\一共有182頁\編輯于星期五二、稀有密碼子對翻譯的影響dnaG(引物酶)RNA引物dnaG、rpoD和rpsU屬于大腸桿菌基因組上的同一個操縱子50個拷貝的dnaG蛋白、2800個拷貝的rpoD和40000個拷貝的rpsU現(xiàn)在是146頁\一共有182頁\編輯于星期五幾種蛋白質(zhì)中異亮氨酸密碼子使用頻率比較蛋白質(zhì)AUU/%AUC%AUA%結(jié)構(gòu)蛋白37621σ亞基26740DnaG蛋白363232細胞內(nèi)對應于稀有密碼子的tRNA較少，高頻率使用這些密碼子的基因翻譯過程容易受阻，影響了蛋白質(zhì)合成的總量?，F(xiàn)在是147頁\一共有182頁\編輯于星期五三、重疊基因?qū)Ψg的影響現(xiàn)在是148頁\一共有182頁\編輯于星期五TrpB–谷氨酸-異亮氨酸-終止GAA--AUC--UGA

--UGG--AA

AUG--GAA甲硫氨酸–谷氨酸–trpAtrpE—蘇氨酸—苯丙氨酸—終止ACU--UUC--UGA--UGG--CUAUG

AUG–GCU甲硫氨酸--丙氨酸--trpD翻譯終止時核糖體立即處在起始環(huán)境中，這種重疊的密碼子保證了同一核糖體對兩個連續(xù)基因進行翻譯的機制?，F(xiàn)在是149頁\一共有182頁\編輯于星期五翻譯的調(diào)控一.翻譯起始的調(diào)控(一)重疊核苷酸與翻譯調(diào)控１．色氨酸操縱子

TrpE-Thr-Phe-終止密碼子ACUUUCUGAUGGCU

Met-Ala-TrpDTrpB-Glu-Ile-終止GAAAUCUGAUGGAA

Met-Glu-TrpA現(xiàn)在是150頁\一共有182頁\編輯于星期五在E.coli的gal操縱子中三個基因，T與K以另一種形式重疊來達到協(xié)調(diào)一致：現(xiàn)在是151頁\一共有182頁\編輯于星期五(二)翻譯水平的自我調(diào)控現(xiàn)在是152頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是153頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是154頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是155頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是156頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是157頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是158頁\一共有182頁\編輯于星期五(三)二級結(jié)構(gòu)對翻譯起始的調(diào)控E.coli的RNA噬菌體MS2,R17,f2和Qβ都非常?。ㄖ睆郊s為250）,是最簡單的病毒?；蚪M長3600～4200nt，只含4個基因：A、cp、Rep和Lys。CP(coatprotein)含129aa,MW為13.7KDa。A（atachment）編碼附著蛋白（含393氨aa，MW為44KDa）；Rep（replicase）編碼復制酶（含544aa，MW為61KKDa）；lys（lysis）白基因編碼裂解蛋白,和cp，Rep基因重疊，該蛋白含75aa?，F(xiàn)在是159頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是160頁\一共有182頁\編輯于星期五(四)反義RNA的調(diào)控1884年Mizuno,T.等發(fā)現(xiàn)干擾mRNA的互補RNA（mic-RNA,mRNA-interferingcomplementaryRNA）antisenseRNA的作用可能有兩種機制。(1)和靶核苷酸序列形成雙鏈區(qū)，直接阻礙其翻譯的起始。(2)在靶分子的部分區(qū)域形成雙鏈區(qū)，改變其構(gòu)象，直接影響其功能。現(xiàn)在是161頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是162頁\一共有182頁\編輯于星期五二.翻譯的延伸調(diào)控(一)稀有密碼子的調(diào)控現(xiàn)在是163頁\一共有182頁\編輯于星期五現(xiàn)在是164頁\一共有182頁\編輯于星期五在25種非調(diào)控蛋白中：AUU37%IleAUC62%AUA1%在dnaG中22個Ilecodons

AUU36％Ile