基因的表達(dá)與調(diào)控(上) ——原核基因表達(dá)調(diào)控模式

1、1基因的表達(dá)與調(diào)控基因的表達(dá)與調(diào)控( (上上) ) 原核基因表達(dá)調(diào)控模式原核基因表達(dá)調(diào)控模式DNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制2Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控3第一節(jié)第一節(jié) 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 ：基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程。對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱為gene regulationgene regulation 。4 組成性表達(dá)(constitutive expression) 適應(yīng)性表達(dá)(adaptive

2、expression）二、基因表達(dá)的方式二、基因表達(dá)的方式5 1 1、組成性表達(dá)：組成性表達(dá)： 指不大受環(huán)境變動(dòng)而變化的一類基因表達(dá)。某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為通常被稱為管家基因管家基因(housekeeping gene)。6 2、適應(yīng)性表達(dá)適應(yīng)性表達(dá)指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類基因表達(dá)。指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類基因表達(dá)。l 應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(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(ind

3、ucible gene)；l 相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏象稱為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱為，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏可阻遏的基因的基因(repressible gene)。 7三、基因表達(dá)的規(guī)律三、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 specificitytemporal specificity）按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間時(shí)間特異性特異

4、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)間特異性又稱階階段特異性段特異性(stage specificity)。 892、空間特異性、空間特異性(spatial specificity)基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性細(xì)胞或組織特異性(cell or tissue specificity)。在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，按不同組織空間順

5、序出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的稱之為基因表達(dá)的空間特異性空間特異性。10四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義l 適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖（原核、真核）l 維持個(gè)體發(fā)育與分化（真核）11Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控12第二節(jié)第二節(jié) 原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制內(nèi)容提要：原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)操縱子學(xué)說(shuō)操縱子學(xué)說(shuō)原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式轉(zhuǎn)錄水平上

6、調(diào)控的其他形式 13一、原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)一、原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)1 1、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（transcriptional regulationtranscriptional regulation）2 2、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptional regulationpost-transcriptional regulation） mRNAmRNA加工成熟水平上的調(diào)控加工成熟水平上的調(diào)控 翻譯水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控1415二、操縱子學(xué)說(shuō)二、操縱子學(xué)說(shuō)1 1、操縱子模型的提出、操縱子模型的提出19611961年，年，MonodMo

7、nod和和JacobJacob提出提出獲獲19651965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)16Jacob and Monod172、操縱子的定義、操縱子的定義操縱子操縱子：是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動(dòng)子、操縱是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動(dòng)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。成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。18191 1、根據(jù)操縱子對(duì)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）、根據(jù)操縱子對(duì)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 負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控 三、三

8、、原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)20調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控如果在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)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(kāi)啟，這樣的調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。21調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。22l 可誘導(dǎo)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(lái)關(guān)閉的

9、狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)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(duì)某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應(yīng)答，可分為可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和可阻遏調(diào)節(jié)兩大類：23調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白阻遏蛋白調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白阻遏蛋白誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型誘導(dǎo)物如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來(lái)分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物。24l 可阻遏調(diào)節(jié)：可阻遏調(diào)節(jié)：基因平時(shí)是開(kāi)啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)基因平時(shí)是開(kāi)啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過(guò)程中，由于一些特殊代謝物或化合物或酶的

10、工作過(guò)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(dá)。的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。 例：例：色氨酸操縱子色氨酸操縱子 合成代謝蛋白的基因25酶合成的阻遏操縱子模型酶合成的阻遏操縱子模型調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因輔阻遏物輔阻遏物輻阻遏物如果某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。263、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)

11、錄的作用。 根據(jù)其作用特征又可分為根據(jù)其作用特征又可分為負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控誘導(dǎo)和和負(fù)控阻遏負(fù)控阻遏：l 在在負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；l 在在負(fù)控阻遏負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。274 4、在、在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋激活蛋白白（activator）。）。 根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)正控誘導(dǎo)和和正控阻遏正控阻遏l 在

12、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)；l 在在正控阻遏正控阻遏系統(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)。2829原核生物基因機(jī)制原核生物基因機(jī)制 轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄水平負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（negative transcription regulation）負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控誘導(dǎo)阻遏蛋白阻遏蛋白負(fù)控阻遏負(fù)控阻遏阻止結(jié)構(gòu)阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄基因轉(zhuǎn)錄正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（positive transcription regulation）正

13、控誘導(dǎo)正控誘導(dǎo)激活蛋白激活蛋白正控阻遏正控阻遏30四、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式四、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式1、因子的更換 在E.coli中,當(dāng)細(xì)胞從基本的轉(zhuǎn)錄機(jī)制轉(zhuǎn)入各種特定基因表達(dá)時(shí)，需要不同的因子指導(dǎo)RNA聚合酶與各種啟動(dòng)子結(jié)合。31大腸桿菌中的各種因子比較因子編碼基因主要功能70rpoD參與對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期和大多數(shù)碳代謝過(guò)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(guò)度熱休克基因的表達(dá)調(diào)控32l 溫度較高,誘導(dǎo)產(chǎn)生各種熱休克蛋白 由32參與構(gòu)成的RNA聚合酶與熱休克應(yīng)答

14、基因啟動(dòng)子結(jié)合,誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的熱休克蛋白,適應(yīng)環(huán)境需要l 枯草芽孢桿菌芽孢形成 有序的因子的替換,RNA聚合酶識(shí)別不同基因的啟動(dòng)子,使芽孢形成有關(guān)的基因有序地表達(dá)332、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)3、弱化子對(duì)基因活性的影響34Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控35第三節(jié)第三節(jié) 乳糖操縱子乳糖操縱子(lac operon)(lac operon)內(nèi)容提要：內(nèi)容提要：乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)酶的誘導(dǎo)酶的誘導(dǎo)laclac體系受調(diào)控的證據(jù)體系

15、受調(diào)控的證據(jù)乳糖操縱子調(diào)控模型乳糖操縱子調(diào)控模型影響因子影響因子LacLac操縱子中的其他問(wèn)題操縱子中的其他問(wèn)題36一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)37l Z編碼-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖l Y編碼-半乳糖苷透過(guò)酶：使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透過(guò)大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。l A編碼-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。38二、酶的誘導(dǎo)二、酶的誘導(dǎo)laclac體系受調(diào)控的證據(jù)體系受調(diào)控的證據(jù)39l安慰誘導(dǎo)物： 如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)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(dǎo)物，如IPTG（異丙基- D-硫代半乳糖苷

16、）。40 CH2OH CH3 HO O SCCH3 H CH3 OH HH H H OH圖 16-6 異丙基-硫代半乳糖苷的分子結(jié)構(gòu)4142三、乳糖操縱子調(diào)控模型三、乳糖操縱子調(diào)控模型主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順?lè)醋拥幕虻漠a(chǎn)物由同一條多順?lè)醋拥膍RNA分子所編碼分子所編碼 4344 這個(gè)這個(gè)mRNA分子的啟動(dòng)子緊接著分子的啟動(dòng)子緊接著O區(qū)，而位于區(qū)，而位于I與與O之間的啟動(dòng)子區(qū)（之間的啟動(dòng)子區(qū)（P），不能單獨(dú)起動(dòng)合），不能單獨(dú)起動(dòng)合成成-半乳糖苷酶和透過(guò)酶的生理過(guò)程。半乳糖苷酶和透過(guò)酶的生理過(guò)程。4546 操縱基因是操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為上的一小段序列

17、（僅為26bp），），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。47RNA聚合酶結(jié)合部位聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位48 操縱位點(diǎn)的回文序列49 當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，lac mRNAlac mRNA的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。錄起始受到抑制。50 未誘導(dǎo)：結(jié)構(gòu)基因被阻遏 阻遏物 四聚體 LacI P O lacZ lacY lacA 圖 16- 當(dāng)無(wú)誘導(dǎo)物時(shí)阻遏物結(jié)合在操縱基因上 51誘導(dǎo)物通過(guò)與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，誘導(dǎo)物通過(guò)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)使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā)lac mRNA的合成。

18、當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，操縱基因區(qū)沒(méi)有被的合成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，操縱基因區(qū)沒(méi)有被阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始mRNA的的合成。合成。52 誘導(dǎo)：基因被打開(kāi) -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉(zhuǎn)移酶 圖 16-7 誘導(dǎo)物和阻遏物成為調(diào)節(jié)操縱子的開(kāi)關(guān) 53組成型突變： lacOc 54組成型突變： lacI- 55 Repressor has lost lacI S genesythesizes Iducer-binding site defective repressor that cannot bind inducer; it binds permanently t

19、o operator lacI S Operantor lacI + wild-type repressor does not influence DNA-binding of LacS repressor 圖圖 16- Uninducible lac S mutations are dominant 不可誘導(dǎo)突變（超阻遏）：56四、影響因子四、影響因子1、lac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：誘導(dǎo)物需要穿過(guò)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(guò)酶，后者的合成有需要誘導(dǎo)。解釋：一些誘導(dǎo)物可以在透過(guò)酶不存在時(shí)進(jìn)入細(xì)胞？ 一些透過(guò)酶可以在沒(méi)有誘導(dǎo)物的情況下合成？57真

20、正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，前者是在真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，前者是在-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有需要有-半乳糖甘酶的預(yù)先存在。半乳糖甘酶的預(yù)先存在。解釋：解釋：本底水平的組成型合成：非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的本底水平的組成型合成：非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lac mRNA合成。合成。582、大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng) 培養(yǎng)基：甘油培養(yǎng)基：甘油 按照按照l(shuí)ac操縱子本底水平的表達(dá)，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有幾個(gè)操縱子本底水平的表達(dá)，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有幾個(gè)分子的分子的-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷透過(guò)酶；半乳糖苷透過(guò)酶；培養(yǎng)基：加入乳糖培養(yǎng)基：加入乳糖少量乳糖少量

21、乳糖透過(guò)酶透過(guò)酶進(jìn)入細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞-半乳糖苷酶半乳糖苷酶異構(gòu)乳糖異構(gòu)乳糖誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物誘導(dǎo)誘導(dǎo)lac mRNA的生物合成的生物合成大量乳糖進(jìn)入細(xì)胞大量乳糖進(jìn)入細(xì)胞多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）異構(gòu)乳糖異構(gòu)乳糖59 H OH HO H OH H H CH2OH H O OH HO O H O CH2 CH2OH H OH OH H HO O H 別乳糖 H O OH H H H OH OH H H H2O H H H O OH CH2OH CH2OH H OH CH2OH H O OH HO O OH H H OH H OH H HO H H H H

22、 OH H OH 葡萄糖 半乳糖 圖 16- 乳糖分解的不同產(chǎn)物乳糖60誘導(dǎo)物的加入和去除對(duì)lac mRNA的影響613、阻遏物lac I基因產(chǎn)物及功能 Lac Lac 操縱子阻遏物操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動(dòng)子控制下組是由弱啟動(dòng)子控制下組成型合成的，每個(gè)細(xì)胞中有成型合成的，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)I基因由弱啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)就不基因由弱啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來(lái)克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來(lái)克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)lac操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。624、葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響

23、如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中， laclac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導(dǎo)；一旦耗盡操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導(dǎo)；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會(huì)誘導(dǎo)外源葡萄糖，乳糖就會(huì)誘導(dǎo)laclac操縱子表達(dá)分操縱子表達(dá)分解乳糖所需的三種酶。解乳糖所需的三種酶。 代謝物阻遏效應(yīng)代謝物阻遏效應(yīng)635 5、cAMPcAMP與代謝物激活蛋白與代謝物激活蛋白代謝物激活蛋白（代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺甘酸受體蛋白（環(huán)腺甘酸受體蛋白（CRP） 64ZYAOPDNA 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列操縱序列操縱序列 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶

24、Y： 透酶透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶：乙?；D(zhuǎn)移酶cAMPCAP復(fù)合物6566ATPATP腺甘酸環(huán)化酶腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺甘酸）（環(huán)腺甘酸） 大腸桿菌中：無(wú)葡萄糖，大腸桿菌中：無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高；濃度高； 有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低濃度低67+ + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，無(wú)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ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調(diào)控的正調(diào)控68當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用如無(wú)如無(wú)CAP存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)

25、合，存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。 cAMPCAP復(fù)合物與啟動(dòng)復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。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)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)葡萄糖對(duì)葡萄糖對(duì) lac 操縱子的阻遏作用稱操縱子的阻遏作用稱分解代分解代謝阻遏謝阻遏(catabolic repression)。 單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。用葡萄糖。6970The Lac Operon:When Glucose Is Present

26、But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CAPCAP71The Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man,

27、Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!72The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorR

28、epressor mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through!73五、五、LacLac操縱子中的其他問(wèn)題操縱子中的其他問(wèn)題1、A基因及其生理功能半乳糖甘分子（IPTG）-半乳糖甘酶分解產(chǎn)物（體內(nèi)積累）-半乳糖甘乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖甘分子（IPTG）乙?；?42、lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較-半乳糖苷酶：透過(guò)酶：乙?；D(zhuǎn)移酶=1：0.5：0.2翻譯水平上受到調(diào)節(jié)：（1）lac mRNA可能與翻譯過(guò)程中的核糖

29、體相脫離，從而終止蛋白質(zhì)鏈的翻譯；（2）在 lac mRNA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。753、操縱子的融合與基因工程P OZYAtsxPOpur結(jié)構(gòu)基因缺失lac operonpur operon76Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控77第四節(jié) 色氨酸操縱子（trp operon）l1. 代謝特點(diǎn)代謝特點(diǎn)l2. 結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)和功能l3. 轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制 阻遏體系阻遏體系一級(jí)開(kāi)關(guān)，主管轉(zhuǎn)錄是否啟動(dòng) 弱化

30、體系弱化體系細(xì)微調(diào)控，決定轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)78色氨酸的代謝特點(diǎn)l構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分l環(huán)境難以提供足夠色氨酸時(shí)，細(xì)菌自身合成色氨酸；l環(huán)境能夠提供足夠色氨酸時(shí)，細(xì)菌減少或停止合成色氨酸，轉(zhuǎn)而利用外界的色氨酸，以減輕負(fù)擔(dān)。 79trp 操縱子的基本結(jié)構(gòu)功能功能堿基數(shù)堿基數(shù)60162156015931350119680440高色氨高色氨酸時(shí)酸時(shí)低色氨低色氨酸時(shí)酸時(shí)140個(gè)核苷酸前導(dǎo)RNAAUG約7kb mRNA結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)作用間隔區(qū)間隔區(qū)trpLtrpB trpAPOtrpDtrpCtrpE弱化子80 分支酸 鄰氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷酸 色氨酸 鄰氨基苯甲酸 鄰氨基苯甲酸合成酶 吲

31、哚甘油 色氨酸合成酶 硼酸合成酶 鏈 鏈 60，000 60，000 4 5，000 50，000 29，000 P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t 1560 1620 1353 1191 804 36P：起動(dòng)子；O：操縱子； l：前導(dǎo)序列； a：衰減子； t,t ：終止子 圖 16-15 E.coli trpO 的結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)物所催化的色氨酸合成反應(yīng)81trp 操縱子的特點(diǎn)l阻遏物基因trp R（89）和結(jié)構(gòu)基因（trpEDCBA）不緊密連鎖；l操縱基因在啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi)；l啟動(dòng)子，操縱基因不直接和結(jié)構(gòu)基因毗鄰，中間有一段前導(dǎo)序列；l有弱化子結(jié)構(gòu)，在一些合

32、成代謝的操縱子的前導(dǎo)區(qū)內(nèi)，以輔助阻遏作用進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控；l1981年Yanofsky提出了弱化模型。82trp 操縱區(qū)的堿基序列83E. coli色氨酸合成的主要途徑84阻遏體系調(diào)控機(jī)制Fig. Src:85弱化子DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過(guò)早終止的一段核甘酸序列（123-150區(qū)）。trpLtrpBtrpAPOtrpDtrpCtrpE前導(dǎo)區(qū)弱化子(123150)轉(zhuǎn)錄終止的區(qū)域；若缺失可提高trp基因的表達(dá)；trp弱化子mRNA的終止區(qū)mRNA通過(guò)自我配對(duì)形成莖環(huán)(stem-loop)結(jié)構(gòu)，具有典型終止子特點(diǎn)86前導(dǎo)序列：在trp mRNA5端trpE基因的起始密碼前一個(gè)長(zhǎng)162bp的mRNA片段。87

33、mRNA前導(dǎo)區(qū)序列與前導(dǎo)肽l 包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA；l 第10、11位有相鄰的2個(gè)色氨酸密碼子,對(duì)tRNATrp濃度敏感；l 編碼假設(shè)的含14 aa的前導(dǎo)肽(Leader Peptide)；Fig. Src:88mRNA前導(dǎo)序列分析前導(dǎo)肽編碼區(qū) 片段1、2、3、4可以2種方式配對(duì)： A.12，34 B.23其中34配對(duì)區(qū)位于位于終止密碼子的識(shí)別區(qū) Fig.Src:89Fig.Src:90抗終止構(gòu)型(2-3)終止構(gòu)型(3-4)暫停構(gòu)型(1-2)允許轉(zhuǎn)錄允許轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄91弱化機(jī)制弱化機(jī)制92前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)93轉(zhuǎn)錄弱化作用穩(wěn)定結(jié)構(gòu) 核糖體經(jīng)過(guò)前導(dǎo)區(qū)繼

34、續(xù)翻譯的能力控制著兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換94低色氨酸水平低色氨酸水平l 負(fù)載有色氨酸的tRNATrp少，翻譯通過(guò)兩個(gè)相鄰trp condon的速度就會(huì)很慢，當(dāng)4區(qū)被轉(zhuǎn)錄完成時(shí)，核糖體才進(jìn)行到1區(qū)(或停留在兩個(gè)相鄰的Trp密碼子處)，這時(shí)的前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)是2-3配對(duì)，不形成3-4配對(duì)的終止結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進(jìn)行Fig.Src:不形成終止構(gòu)型95高色氨酸水平高色氨酸水平l 核糖體可順利通過(guò)兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前，核糖體就到達(dá)2區(qū)，這樣使2-3不能配對(duì)，3-4區(qū)可以自由配對(duì)形成莖環(huán)狀終止子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停止，trp操縱子中的結(jié)構(gòu)基因被關(guān)閉而不再合成色氨酸形成終止構(gòu)型96敏感信敏感信號(hào)號(hào)感受感受器器作

35、用作用 順位順位 反應(yīng)速度反應(yīng)速度阻遏體系阻遏體系色氨酸濃度阻遏質(zhì)阻遏一級(jí)開(kāi)關(guān)較慢弱化體系弱化體系空載tRNATrp 濃度核糖體削弱二級(jí)細(xì)調(diào)較快97轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制 阻遏體系阻遏體系一級(jí)開(kāi)關(guān)，主管轉(zhuǎn)錄是否啟動(dòng) 弱化體系弱化體系細(xì)微調(diào)控，決定轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù) 細(xì)菌通過(guò)弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒糇饔眉?xì)菌通過(guò)弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒糇饔弥荒苁怪荒苁罐D(zhuǎn)錄不起始轉(zhuǎn)錄不起始，對(duì)于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過(guò)弱，對(duì)于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過(guò)弱化作用使之中途停下來(lái)。阻遏作用的信號(hào)是化作用使之中途停下來(lái)。阻遏作用的信號(hào)是細(xì)胞內(nèi)色氨細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少酸的多少；弱化作用的信號(hào)則是；弱化作用的信

36、號(hào)則是細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少的多少。它通過(guò)前導(dǎo)肽的翻譯來(lái)控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，。它通過(guò)前導(dǎo)肽的翻譯來(lái)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，體現(xiàn)著生物體內(nèi)周在細(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)周密的調(diào)控作用。密的調(diào)控作用。98另一種trp操縱子：B. subtilis的trp操縱子調(diào)控模式lT-box RNA： 對(duì)空載 tRNATrp敏感l(wèi)TRAP（tryptophan-activated trp RNA binding attenuation protein）： 由11個(gè)亞基組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，每個(gè)亞基可結(jié)合一分子色氨酸 可感知色氨酸濃度99l前導(dǎo)區(qū)RNA

37、包繞在已結(jié)合色氨酸的TRAP外,促成終止構(gòu)型的形成,阻礙trp操縱子的轉(zhuǎn)錄；lT-box RNA 形成終止構(gòu)型,關(guān)閉包含anti-TRAP基因的操縱子的轉(zhuǎn)錄lTRAP與 RNA前導(dǎo)區(qū)分離,一些 mRNA 開(kāi)始形成抗終止構(gòu)型,trp操縱子的轉(zhuǎn)錄部分開(kāi)放；l空載 tRNATrp結(jié)合 T-box RNA,阻止終止構(gòu)型形成, anti-TRAP基因開(kāi)放 ,合成的anti-TRAP 與被色氨酸活化的TRAP結(jié)合，使之無(wú)法再與RNA前導(dǎo)區(qū)結(jié)合, trp操縱子開(kāi)放轉(zhuǎn)錄100l什么是操縱子（operon)?試說(shuō)明色氨酸操縱子（Trp operon)在原核基因表達(dá)調(diào)控中的調(diào)控機(jī)制和重要作用。 2003年武漢大學(xué)

38、分子生物學(xué)試題101Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控102第五節(jié) 其他操縱子、 、 （）（）rRNA操縱子操縱子、 （2）核糖體蛋白核糖體蛋白SI操縱子操縱子 （3） DnaQ蛋白操縱子蛋白操縱子、1031、 （1） 半乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)半乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)大腸桿菌半乳糖操縱子(galactose operon)包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因： 異構(gòu)酶異構(gòu)酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)， 半乳糖半乳糖- -磷酸尿嘧啶核苷

39、轉(zhuǎn)移酶磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galactose transferase, galT)， 半乳糖激酶半乳糖激酶(galactose kinase, galk)。104（2） 半乳糖操縱子的特點(diǎn)半乳糖操縱子的特點(diǎn) gal操縱子有兩個(gè)啟動(dòng)子，PG1和PG2。兩個(gè)RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)S1和S2（轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)）,mRNA可以從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)錄。 它有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游67-53，而不是在P區(qū)與結(jié)構(gòu)基因之間，另一個(gè)O區(qū)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部，現(xiàn)在已知所有操縱子中僅此一例。105為什么為什么gal操縱子需要兩個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)？操縱子需要兩個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)？半乳糖不僅可以作為唯一碳源供細(xì)胞生長(zhǎng)，而且與

40、之相關(guān)的物質(zhì)-尿苷二磷酸半乳糖（UDP-gal）是大腸桿菌細(xì)胞壁合成的前體。在沒(méi)有外源半乳糖的情況下，UDP-gal是通過(guò)半乳糖差向異構(gòu)酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，該酶是galE基因的產(chǎn)物。生長(zhǎng)過(guò)程中的所有時(shí)間里細(xì)胞必須能夠合成差向異構(gòu)酶?，F(xiàn)在設(shè)想只有S1一個(gè)啟動(dòng)子，那么由于這個(gè)啟動(dòng)子的活性依賴于cAMP-CRP，當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時(shí)就有能合成異構(gòu)酶。假如 唯一的啟動(dòng)子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的情況下，半乳糖也將使操縱子處于充分誘導(dǎo)狀態(tài)，這無(wú)疑是一種浪費(fèi)。無(wú)論從必要性或經(jīng)濟(jì)性考慮，都需要一個(gè)不依賴于cAMP-CAP的啟動(dòng)子（S1）對(duì)高水平合成進(jìn)行調(diào)節(jié)。106（3） cAMP-CR

41、P對(duì)對(duì)半乳糖啟動(dòng)子的作用半乳糖啟動(dòng)子的作用 從S1起始的轉(zhuǎn)錄只有當(dāng)培養(yǎng)基中無(wú)葡萄糖（G）時(shí)才能進(jìn)行（與Lac操縱子同）。 從S2起始的轉(zhuǎn)錄要依賴于葡萄糖，高水平的cAMPCRP（無(wú)G)能抑制從S2的轉(zhuǎn)錄，當(dāng)有cAMPCRP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S1開(kāi)始，當(dāng)無(wú)cAMPCRP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S2開(kāi)始。107、 （1） 阿拉伯糖操縱子的基因結(jié)構(gòu)阿拉伯糖操縱子的基因結(jié)構(gòu)在大腸桿菌中阿拉伯糖的降解需要在大腸桿菌中阿拉伯糖的降解需要3個(gè)基因：個(gè)基因：araB、araA和和araD，它們形成一個(gè)基因簇，它們形成一個(gè)基因簇，簡(jiǎn)寫(xiě)為簡(jiǎn)寫(xiě)為araBAD araB基因、基因、araA基因和基因和araD基因分別編碼阿拉伯糖代謝需要的

42、三種酶：基因分別編碼阿拉伯糖代謝需要的三種酶： 核酮糖激酶核酮糖激酶, 阿拉伯糖異構(gòu)酶阿拉伯糖異構(gòu)酶 , 核酮糖核酮糖-5-磷酸差向異構(gòu)酶磷酸差向異構(gòu)酶 108（2） AraC蛋白的正負(fù)調(diào)控作用蛋白的正負(fù)調(diào)控作用109（3） AraC蛋白的兩種形式蛋白的兩種形式Pr是起阻遏作用Pj是起誘導(dǎo)作用在沒(méi)有阿拉伯糖時(shí)，Pr形式占優(yōu)勢(shì)有阿拉伯糖存在，平衡趨向于Pi形。110（4） 營(yíng)養(yǎng)狀況對(duì)營(yíng)養(yǎng)狀況對(duì)ara操縱子活性的影響操縱子活性的影響培養(yǎng)基中含有葡萄糖培養(yǎng)基中含有葡萄糖araC基因雖然仍有轉(zhuǎn)錄，但受到基因雖然仍有轉(zhuǎn)錄，但受到抑制，只有少量抑制，只有少量 AraC蛋白形成，蛋白形成，整個(gè)系統(tǒng)幾乎處于靜

43、止?fàn)顟B(tài)。整個(gè)系統(tǒng)幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。無(wú)葡萄糖，無(wú)阿拉伯糖無(wú)葡萄糖，無(wú)阿拉伯糖AraC蛋白仍以蛋白仍以Pr形式為主，無(wú)法形式為主，無(wú)法與操縱區(qū)與操縱區(qū)B位點(diǎn)相結(jié)合，無(wú)位點(diǎn)相結(jié)合，無(wú)ara-BAD mRNA轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄。無(wú)葡萄糖，有阿拉伯糖無(wú)葡萄糖，有阿拉伯糖大量大量araC基因產(chǎn)物以基因產(chǎn)物以Pi形式存形式存在，在在，在cAMP-CAP的共同作的共同作用下，用下，araC和和araBAD基因大基因大量表達(dá)，操縱子充分激活。量表達(dá)，操縱子充分激活。1113、 （ 1） rRNA操縱子操縱子大腸桿菌rRNA操縱子（rrnE）上有兩個(gè)啟動(dòng)子:P1和P2。營(yíng)養(yǎng)充沛時(shí)，由強(qiáng)啟動(dòng)子P1起始的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物比由P2起始

44、的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物高3-5倍。營(yíng)養(yǎng)匱乏時(shí)，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。 112 （ 2） 核糖體蛋白核糖體蛋白SI操縱子操縱子核糖體蛋白SI操縱子（rpsA），它也受應(yīng)急反應(yīng)調(diào)節(jié)。RpsA有4個(gè)啟動(dòng)子，P1、P2是強(qiáng)啟動(dòng)子，平時(shí)主要依靠它們來(lái)啟動(dòng)基因的表達(dá)，合成SI蛋白。P3、P4是弱啟動(dòng)子，只有在緊急情況下，P1、P2啟動(dòng)子受ppGpp的抑制，由P3、P4起始合成的SI蛋白維持了生命的最低需要。 P1P2P3P4強(qiáng)啟動(dòng)子 弱啟動(dòng)子 緊急情況下，受ppGpp的抑制平時(shí)啟動(dòng)基因的表達(dá)均合成SI蛋白113（3） DnaQ蛋白操縱子蛋白操縱子Dna Q蛋白是DNA聚合酶全酶的亞基之一，其主要功能是校正

45、DNA復(fù)制中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。在RNA聚合酶活性較低時(shí)，操縱子的轉(zhuǎn)錄由弱啟動(dòng)子P2控制；RNA聚合酶活性較高時(shí)，就開(kāi)始利用強(qiáng)啟動(dòng)子P1。114四、四、二組分系統(tǒng)二組分系統(tǒng) 傳感蛋白（位于細(xì)胞質(zhì)膜）應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白（位于細(xì)胞質(zhì)）磷酸化（磷酰基團(tuán)轉(zhuǎn)移）磷酸化應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白下游基因表達(dá)阻遏或誘導(dǎo)1155 、 SOS基因基因紫外線紫外線激活激活Rec ALex A阻遏蛋白阻遏蛋白 與與DNA 損傷修復(fù)有損傷修復(fù)有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)關(guān)的酶和蛋白質(zhì)基因基因表達(dá)表達(dá)Lex A阻遏蛋白阻遏蛋白操縱序列操縱序列116固氮基因調(diào)控固氮基因調(diào)控1、根瘤的產(chǎn)生、根瘤的產(chǎn)生 2、固氮酶、固氮酶3、與固氮有關(guān)的基因及其調(diào)控與固氮有關(guān)

46、的基因及其調(diào)控117根瘤的產(chǎn)生根瘤的產(chǎn)生根瘤菌棲集于宿主的根毛上后，開(kāi)始了侵染過(guò)程。細(xì)菌刺激根毛細(xì)胞發(fā)生卷曲，根瘤菌在根毛卷曲處進(jìn)入根毛細(xì)胞后，被宿主所分泌的一種含纖維質(zhì)的物質(zhì)所包圍，形成一條套狀的侵染線。細(xì)菌在線內(nèi)繁殖。侵染線不斷向內(nèi)延伸，直至皮層細(xì)胞。最終侵染線壁解體而將根瘤菌釋放到宿主細(xì)胞中。118感染各種植物的不同根瘤菌豌豆根瘤菌 野豌豆屬、豌豆屬、香豌豆屬、菜豆根瘤菌 菜豆屬車軸草根瘤菌 車軸草屬百脈根根瘤菌 百脈根屬、絨毛花屬苜蓿根瘤菌 苜蓿屬、草木犀屬 根瘤菌 寄主植物119固氮酶固氮酶(1) 組成： 鐵蛋白鐵蛋白+鉬鐵蛋白鉬鐵蛋白(2) 結(jié)構(gòu)與功能：鐵蛋白鐵蛋白： 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：二

47、聚體（2個(gè)相同亞基），4Fe-4S原子簇（即：一簇金屬原子群集在一起）。 功能功能：在電子供體和鉬鐵蛋白之間傳遞e； 與MgATP絡(luò)合（與 MgATP絡(luò)合后，改變鐵蛋白構(gòu)型，降低其還原電位。與鉬鐵蛋白結(jié)合后，水解MgATP，產(chǎn)生能量，驅(qū)動(dòng)電子傳遞）。鉬鐵蛋白鉬鐵蛋白： 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：四聚體（22）。 功能功能：絡(luò)合、催化作用。接受鐵蛋白傳來(lái)的電子并繼續(xù)傳給N2。N2在此部位被還原成NH3。120（）固氮酶促反應(yīng)（）固氮酶促反應(yīng)N2+16MgATP+8e-+8H+ 2NH3+16MgADP+16Pi+H2121與固氮有關(guān)的基因及其調(diào)控與固氮有關(guān)的基因及其調(diào)控122Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概

48、念基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控123翻譯起始的調(diào)控翻譯起始的調(diào)控稀有密碼子對(duì)翻譯的影響稀有密碼子對(duì)翻譯的影響重疊基因?qū)Ψg起始的調(diào)控重疊基因?qū)Ψg起始的調(diào)控翻譯阻遏對(duì)起始的調(diào)控翻譯阻遏對(duì)起始的調(diào)控魔斑核苷酸水平對(duì)翻譯的影響魔斑核苷酸水平對(duì)翻譯的影響 第六節(jié)第六節(jié) 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控124翻譯起始的調(diào)控翻譯起始的調(diào)控 RBS（核糖體結(jié)合位點(diǎn)）：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(qiáng)度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼子AUG之間

49、的距離。SD- 4-10（9）-AUG 125稀有密碼子對(duì)翻譯的影響稀有密碼子對(duì)翻譯的影響（稀有密碼子：在基因中利用頻率很低的密碼子）（稀有密碼子：在基因中利用頻率很低的密碼子）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(gè)操縱子50個(gè)拷貝的dnaG蛋白、2800個(gè)拷貝的rpoD和40000個(gè)拷貝的rpsU126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37621亞基26740DnaG蛋白363232細(xì)胞內(nèi)對(duì)應(yīng)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(guò)程容易受阻，影響了蛋白質(zhì)合成的總量。127重疊基因

50、對(duì)翻譯起始的調(diào)控重疊基因?qū)Ψg起始的調(diào)控trpE的終止密碼子與trpD的起始密碼重疊128TrpB 谷氨酸- 異亮氨酸-終止 GAA - AUC - UGA - UGG - AA AUG - GAA 甲硫氨酸 谷氨酸t(yī)rpAtrpE蘇氨酸苯丙氨酸終止 ACU - UUC - UGA - UGG - CU AUG AUG GCU 甲硫氨酸 - 丙氨酸- trpD 翻譯終止時(shí)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(duì)兩個(gè)連續(xù)基因進(jìn)行翻譯的機(jī)制。129翻譯阻遏對(duì)起始的調(diào)控翻譯阻遏對(duì)起始的調(diào)控Q Q噬菌體的復(fù)制酶可結(jié)合于噬菌體的復(fù)制酶可結(jié)合于SDSD順序順序阻斷核糖體在阻斷核糖體在m

51、RNAmRNA上的移動(dòng)，抑制了翻譯上的移動(dòng)，抑制了翻譯130魔斑核苷酸水平對(duì)翻譯的影響魔斑核苷酸水平對(duì)翻譯的影響 研究發(fā)現(xiàn)，在氨基酸缺乏時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，在氨基酸缺乏時(shí)，rel+rel+菌株能大量合成兩種特殊的核苷酸菌株能大量合成兩種特殊的核苷酸鳥(niǎo)苷四磷酸鳥(niǎo)苷四磷酸（鳥(niǎo)苷（鳥(niǎo)苷55一二磷酸一二磷酸-3-3二磷酸，二磷酸，ppGppppGpp）鳥(niǎo)苷五磷酸鳥(niǎo)苷五磷酸（鳥(niǎo)苷（鳥(niǎo)苷55一三磷酸一三磷酸-3-3二磷酸，二磷酸，pppGpppppGpp）其電泳的遷移率和一般的核酸不同，而其電泳的遷移率和一般的核酸不同，而rel-rel-菌則不能。菌則不能。魔斑魔斑魔斑魔斑1311、關(guān)于管家基因敘述錯(cuò)誤的是、關(guān)于管家基因敘述錯(cuò)誤的是 (A) 在生物個(gè)體的幾乎各生長(zhǎng)階段持續(xù)表達(dá)在生物個(gè)體的幾乎各生長(zhǎng)階段持續(xù)表達(dá) (B) 在生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)在生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá) (C) 在生物個(gè)體全生命過(guò)程的幾乎所有細(xì)胞中在生物個(gè)體全生命過(guò)程的幾乎所有細(xì)胞中表達(dá)表達(dá) (D) 在生物個(gè)體的某一生長(zhǎng)階段持續(xù)表達(dá)在生物個(gè)體的某一生長(zhǎng)階段持續(xù)表達(dá) (E) 在一個(gè)物種的幾乎所有個(gè)體中持續(xù)表達(dá)在一個(gè)物種的幾乎所有個(gè)體中持續(xù)表達(dá) D1322、一個(gè)操縱子（元）通常含有、一個(gè)操縱子（元）通常含有 (A