第七章原核基因表達(dá)調(diào)控PPT課件

1、第七章第七章 原核基因表達(dá)調(diào)控原核基因表達(dá)調(diào)控一、原核基因表達(dá)調(diào)控總論一、原核基因表達(dá)調(diào)控總論二、乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)二、乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)三、色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)三、色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)四、其他操縱子四、其他操縱子五、固氮基因調(diào)控五、固氮基因調(diào)控六、轉(zhuǎn)錄水平上的其他調(diào)控方式六、轉(zhuǎn)錄水平上的其他調(diào)控方式七、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控七、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控概概 述述基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控DNARNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)復(fù)制復(fù)制轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制復(fù)制基因表達(dá)基因表達(dá)基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程?；蜣D(zhuǎn)錄及翻譯的過程。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因的過程

2、也屬于基因表達(dá)表達(dá)RNA對基因表達(dá)過程的調(diào)節(jié)稱為對基因表達(dá)過程的調(diào)節(jié)稱為基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控（gene regulation或或gene control）。）?；虮磉_(dá)的方式基因表達(dá)的方式 組成性表達(dá)組成性表達(dá) (constitutive expression) 適應(yīng)性表達(dá)適應(yīng)性表達(dá) (adaptive expression）組成性表達(dá)：組成性表達(dá)： 某些基因在一個個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，某些基因在一個個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為通常被稱為看家基因看家基因(housekeeping gene)(housekeeping gene)。組成性基因表達(dá)不是一成不變的，其表達(dá)強(qiáng)弱

3、也組成性基因表達(dá)不是一成不變的，其表達(dá)強(qiáng)弱也受一定機(jī)制調(diào)控。受一定機(jī)制調(diào)控。指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達(dá)。指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達(dá)。 適應(yīng)性表達(dá)適應(yīng)性表達(dá) 指環(huán)境變化容易使表達(dá)水平變動的一類基因表達(dá)。指環(huán)境變化容易使表達(dá)水平變動的一類基因表達(dá)。o 適應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為適應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘誘導(dǎo)導(dǎo)，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 (inducible gene)gene)；o 隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻阻遏遏，相應(yīng)的基因被稱為，相

4、應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因可阻遏的基因(repressible (repressible gene)gene)。 基因表達(dá)的規(guī)律基因表達(dá)的規(guī)律時間性及空間性時間性及空間性l 時間特異性時間特異性 (temporal specificity) 某些基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時間順序某些基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時間順序生，稱之為基因表達(dá)的生，稱之為基因表達(dá)的時間特異性時間特異性。 多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時間特異性又稱多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時間特異性又稱階段特異性階段特異性(stage specificity)。 骨髓骨髓卵黃囊卵黃囊脾脾肝臟肝臟骨髓骨髓l空間特異性空間特異性(spatial specific

5、ity)o 在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)組織空間順序出現(xiàn)空間特異性空間特異性又稱又稱細(xì)胞或組織特異性細(xì)胞或組織特異性(cell or tissue specificity)?；虮磉_(dá)的一般規(guī)律：基因表達(dá)的一般規(guī)律：l 在需要時表達(dá)在需要時表達(dá)開開 ( (turn on)turn on)，l 不需要時不表達(dá)不需要時不表達(dá)關(guān)關(guān)( (turn off)turn off)?！瓣P(guān)關(guān)”：基因的表達(dá)量特別低：基因的表達(dá)量特別低生物的基因表達(dá)受著嚴(yán)密和精確的調(diào)控，生物的基因表達(dá)受著嚴(yán)密和精確的調(diào)控，基因表達(dá)調(diào)控是生命本質(zhì)所在，是生物適基因

6、表達(dá)調(diào)控是生命本質(zhì)所在，是生物適應(yīng)環(huán)境生存的必然結(jié)果。應(yīng)環(huán)境生存的必然結(jié)果。o 基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義n 適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖n 維持個體發(fā)育與分化維持個體發(fā)育與分化o 基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)：基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)：n 基因活化、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯、基因活化、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯、翻譯后加工翻譯后加工真核與原核生物轉(zhuǎn)錄及翻譯調(diào)控的總體特征比較一、原核基因表達(dá)調(diào)控總論一、原核基因表達(dá)調(diào)控總論(1) 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控;(2) 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控; mRNA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)

7、控翻譯水平上的調(diào)控o 原核生物原核生物中，中，營養(yǎng)狀況營養(yǎng)狀況（nutritional status）和和環(huán)境因素環(huán)境因素（environmental factor）對基因表達(dá)起著舉足輕重的影響。對基因表達(dá)起著舉足輕重的影響。o 在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達(dá)的調(diào)控決定于在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達(dá)的調(diào)控決定于DNA的結(jié)構(gòu)、的結(jié)構(gòu)、RNA聚合酶的功能、蛋白聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基因子及其他小分子配基的相互作用。的相互作用。1961年，年，Monod和和Jacob提出提出轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控機(jī)制：操縱子學(xué)說轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控機(jī)制：操縱子學(xué)說獲獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎多個結(jié)

8、構(gòu)基因多個結(jié)構(gòu)基因操縱區(qū)操縱區(qū)操縱子操縱子：是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動子、操縱是基因表達(dá)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。乙?；D(zhuǎn)移酶乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶操縱位點操縱位點乳糖操縱子結(jié)構(gòu)乳糖操縱子結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因（1 1）根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激）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)答機(jī)制不同，可分為：活蛋白）的應(yīng)答機(jī)制不同，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 1

9、1、原核基因調(diào)控分類、原核基因調(diào)控分類調(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)基因激活蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控：調(diào)節(jié)蛋白是正轉(zhuǎn)錄調(diào)控：調(diào)節(jié)蛋白是激活蛋白激活蛋白在沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時結(jié)構(gòu)基因是關(guān)閉的，在沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時結(jié)構(gòu)基因是關(guān)閉的，加入加入調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后后基因轉(zhuǎn)錄基因轉(zhuǎn)錄被被開啟開啟，稱為，稱為正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。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負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控：調(diào)節(jié)蛋白是負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控：調(diào)節(jié)蛋白是阻遏蛋白阻遏蛋白在沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時結(jié)構(gòu)基因是表達(dá)的，在沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時結(jié)構(gòu)基因是表達(dá)的，加入加入調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)

10、后后基因表達(dá)基因表達(dá)被被關(guān)閉關(guān)閉，稱為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。，稱為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。o 可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)：結(jié)構(gòu)基因在特殊代謝物或化合：結(jié)構(gòu)基因在特殊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)楣ぷ魑锏淖饔孟?，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)。例如：大腸桿菌乳糖操縱子狀態(tài)。例如：大腸桿菌乳糖操縱子 （2 2）根據(jù)操縱子對效應(yīng)物應(yīng)答機(jī)制的不同，分為）根據(jù)操縱子對效應(yīng)物應(yīng)答機(jī)制的不同，分為可可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)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：p250p250結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)還受某些小分子物質(zhì)（結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)還受某些小分子物質(zhì)（效應(yīng)物）效應(yīng)物）的調(diào)控。的調(diào)控。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

11、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酶蛋白酶蛋白可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)某種物質(zhì)能夠某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來分解它，酶來分解它，這種物質(zhì)就是這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物。o 可阻遏調(diào)節(jié)可阻遏調(diào)節(jié)：基因平時是開啟的，處在產(chǎn)：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)。遏了基因的表達(dá)。 例：色氨酸操縱子例：色氨酸操縱子調(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輔阻遏物輔

12、阻遏物mRNA酶蛋白酶蛋白可阻遏調(diào)節(jié)可阻遏調(diào)節(jié)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)基因無活性阻遏蛋白無活性阻遏蛋白 （3 3）在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物是阻）在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物是阻遏蛋白，起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。根據(jù)遏蛋白，起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。根據(jù)其作用特征又可分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏其作用特征又可分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏：n在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；物）結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；n在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因

13、不轉(zhuǎn)錄。遏物）結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。 (4)(4)因子因子參與大腸桿菌基因表達(dá)調(diào)控參與大腸桿菌基因表達(dá)調(diào)控 存存在在6種種因子，其中因子，其中70是調(diào)控最基本的生是調(diào)控最基本的生理功能如碳代謝、生物合成等基因的轉(zhuǎn)錄理功能如碳代謝、生物合成等基因的轉(zhuǎn)錄所必須的。所必須的。除參與氮代謝的除參與氮代謝的54外，其它外，其它5種種因子在結(jié)構(gòu)上具有同源性，所以統(tǒng)因子在結(jié)構(gòu)上具有同源性，所以統(tǒng)稱稱70家族。家族。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7070rpoD參與對數(shù)生長期和大多數(shù)碳代謝過程基參與對數(shù)生長期和大多數(shù)碳代謝過程基因的調(diào)控因的調(diào)控545

14、4rpoN參與多數(shù)氮源利用基因的調(diào)控參與多數(shù)氮源利用基因的調(diào)控3838rpoH分裂間期特異基因的表達(dá)調(diào)控分裂間期特異基因的表達(dá)調(diào)控3232rpoS熱休克基因的表達(dá)調(diào)控?zé)嵝菘嘶虻谋磉_(dá)調(diào)控2828rpoF鞭毛趨化相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控鞭毛趨化相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控2424rpoE過度熱休克基因的表達(dá)調(diào)控過度熱休克基因的表達(dá)調(diào)控所有所有因子都含有因子都含有4個保守區(qū)個保守區(qū)，其中第，其中第2個個和第和第4個保守區(qū)參與結(jié)合啟動區(qū)個保守區(qū)參與結(jié)合啟動區(qū)DNA，第，第2個保守區(qū)的另一部分還參與雙鏈個保守區(qū)的另一部分還參與雙鏈DNA解解開成單鏈的過程。開成單鏈的過程。不同不同因子結(jié)合因子結(jié)合DNA的序列及結(jié)合順序

15、不的序列及結(jié)合順序不完全相同。完全相同。2 2、原核基因調(diào)控的主要特點、原核基因調(diào)控的主要特點通過特殊代謝物調(diào)節(jié)基因的活性通過特殊代謝物調(diào)節(jié)基因的活性主要有可誘導(dǎo)和主要有可誘導(dǎo)和可阻遏兩大類可阻遏兩大類（1）可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)：）可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)：（2）可阻遏調(diào)節(jié)：）可阻遏調(diào)節(jié)：規(guī)律：規(guī)律：可誘導(dǎo)基因可誘導(dǎo)基因總是一些編碼糖和氨基酸分解代總是一些編碼糖和氨基酸分解代謝蛋白的基因。而謝蛋白的基因。而可阻遏基因可阻遏基因是一些合成各種細(xì)胞是一些合成各種細(xì)胞代謝過程中所必須的小分子物質(zhì)（如氨基酸、嘌呤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。和嘧啶等）的基因。3 3、弱化子對基因活性的影響、弱

16、化子對基因活性的影響 屬于這種調(diào)節(jié)方式的有大腸桿菌屬于這種調(diào)節(jié)方式的有大腸桿菌色氨酸操縱子、苯丙色氨酸操縱子、苯丙氨酸操縱子、蘇氨酸操縱子、異亮氨酸操縱子等。氨酸操縱子、蘇氨酸操縱子、異亮氨酸操縱子等。o 起信號作用的是有特殊負(fù)載的起信號作用的是有特殊負(fù)載的氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA的濃度的濃度，在色氨酸操縱子中就是在色氨酸操縱子中就是色氨酰色氨酰-tRNA-tRNA的濃度的濃度。o 當(dāng)操縱子被阻遏，當(dāng)操縱子被阻遏，RNARNA合成被終止時，起終止轉(zhuǎn)錄信合成被終止時，起終止轉(zhuǎn)錄信號作用的一段核苷酸被稱為號作用的一段核苷酸被稱為弱化子。弱化子。 o 有葡萄糖存在的情況下，即使在細(xì)菌培養(yǎng)基中

17、加入乳有葡萄糖存在的情況下，即使在細(xì)菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麥芽糖等誘導(dǎo)物，與其相對糖、半乳糖、阿拉伯糖或麥芽糖等誘導(dǎo)物，與其相對應(yīng)的操縱子也不會啟動，產(chǎn)生出代謝這些糖的酶來，應(yīng)的操縱子也不會啟動，產(chǎn)生出代謝這些糖的酶來，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)葡萄糖效應(yīng)或稱為降解物抑制作用?；蚍Q為降解物抑制作用。4、降解物對基因活性的調(diào)節(jié)、降解物對基因活性的調(diào)節(jié)5 5、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)o 細(xì)菌在緊急狀況，如氨基酸全面匱乏時。會細(xì)菌在緊急狀況，如氨基酸全面匱乏時。會產(chǎn)生應(yīng)急反應(yīng)，包括生產(chǎn)各種產(chǎn)生應(yīng)急反應(yīng)，包括生產(chǎn)各種RNA、糖、糖、脂肪和蛋白質(zhì)在內(nèi)的幾乎全部生物化學(xué)反應(yīng)脂

18、肪和蛋白質(zhì)在內(nèi)的幾乎全部生物化學(xué)反應(yīng)過程均被停止。過程均被停止。實施這一應(yīng)急反應(yīng)的實施這一應(yīng)急反應(yīng)的信號信號是是鳥苷四磷酸（鳥苷四磷酸（ppGpp）和和鳥苷五磷酸鳥苷五磷酸（pppGpp）。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物是是空載空載tRNA。氨基酸饑餓時，細(xì)胞中存在大量不帶氨基酸的氨基酸饑餓時，細(xì)胞中存在大量不帶氨基酸的tRNA，這種這種空載空載tRNA會激活會激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使使ppGpp大量合大量合成。成。ppGpp會關(guān)閉許多基因，同時也會打開一些合成會關(guān)閉許多基因，同時也會打開一些合成氨基酸的基因，以應(yīng)付緊急狀況。氨基酸的基因，以應(yīng)付緊急狀況。ppGpp與與

19、pppGpp的作用范圍十分廣泛，不只影響一個的作用范圍十分廣泛，不只影響一個或幾個操縱子，影響一大批操縱子，是或幾個操縱子，影響一大批操縱子，是超級調(diào)控因子超級調(diào)控因子。二、乳糖操縱子二、乳糖操縱子(lac operon)(lac operon) 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操縱子中的其他問題操縱子中的其他問題Francois JacobJacquces Monod獲獲19651965年年諾貝爾獎諾貝爾獎 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)阻遏基因阻遏基因啟動子啟動子控制基因控制基

20、因 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透過酶透過酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAIo Z Z編碼編碼-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖糖o Y Y編碼編碼-半乳糖苷透過酶：使外界的半乳糖苷透過酶：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)。o A A編碼編碼-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：將乙酰輔酶半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：將乙酰輔酶A A上的上的乙?；D(zhuǎn)到乙?；D(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。如果某種物質(zhì)能夠誘導(dǎo)細(xì)菌

21、產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這如果某種物質(zhì)能夠誘導(dǎo)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)物種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物pUC18AprlacZoriAp + X-gal重組子（Apr + lacZ-） 基因工程的藍(lán)白斑篩選基因工程的藍(lán)白斑篩選藍(lán)白顯色篩選法藍(lán)白顯色篩選法控制區(qū)控制區(qū)信息區(qū)信息區(qū)lacZ：編碼：編碼-半乳糖苷酶，它可以將乳糖水解為半乳糖和半乳糖苷酶，它可以將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖；葡萄糖；lacY：編碼半乳糖苷透性酶，它能將乳糖運送透過細(xì)菌的：編碼半乳糖苷透性酶，它能將乳糖運送透過細(xì)菌的細(xì)胞壁；細(xì)胞壁；lacA：編碼硫代半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶，進(jìn)行乳糖代謝。：編碼硫代半乳糖苷乙酰

22、轉(zhuǎn)移酶，進(jìn)行乳糖代謝。-35-100CAPcAMPORNA聚合酶結(jié)合無葡萄糖:有葡萄糖:cAMPcAMP(促進(jìn)轉(zhuǎn)錄)(不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄)有葡萄糖，cAMP濃度低時AYZOPIRNA polCAP AYZOPI無葡萄糖，cAMP濃度高時CAPcAMPRNA polmRNA低半乳糖時低半乳糖時高半乳糖時高半乳糖時 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP濃度高濃度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP濃度低濃度低RNA-polOOOO1、lac操縱子的本底水平表達(dá)操縱子的本底水平表達(dá)乳乳糖糖有兩個矛盾是操縱元理論所不能解釋的：誘導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運誘導(dǎo)物需要透過酶，后者的合成又需要誘導(dǎo)物誘導(dǎo)。解釋： 一些

23、誘導(dǎo)物可以在透過酶不存在時進(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？laclac操縱子的本底水平表達(dá)操縱子的本底水平表達(dá)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，需要有-半乳糖甘酶的預(yù)先存在。解釋：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。laclac操縱子的本底水平表達(dá)操縱子的本底水平表達(dá)碳源為甘油碳源為甘油的培養(yǎng)基的培養(yǎng)基乳糖培養(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)，每個細(xì)胞內(nèi)有幾個分操縱子本底水平的表達(dá)，每個細(xì)胞內(nèi)有幾個分子的子的-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷透過酶；半乳糖苷透過酶；培養(yǎng)基：加入

24、乳糖培養(yǎng)基：加入乳糖少量乳糖少量乳糖透過酶透過酶進(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)乳糖誘導(dǎo)物的加入和去除對誘導(dǎo)物的加入和去除對laclac mRNA mRNA的影響的影響誘導(dǎo)物的加入和去除對誘導(dǎo)物的加入和去除對半乳糖苷酶的影響半乳糖苷酶的影響乳糖對乳糖對lac操縱子的影響操縱子的影響mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因阻遏基因弱啟動子控制的弱啟動子控制的組成型合成組成型合成 誘

25、導(dǎo)：基因被打開 -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)操縱子的開關(guān) 代謝物阻遏效應(yīng)代謝物阻遏效應(yīng)（一）（一）A A基因及其生理功能基因及其生理功能AYZOPI-半乳糖苷酶半乳糖苷酶透過酶透過酶乙?；D(zhuǎn)移酶乙酰基轉(zhuǎn)移酶乙?；陌胍阴；陌肴樘擒战档腿樘擒战档蛯?xì)胞的危對細(xì)胞的危害害（二）（二）laclac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較AYZOPIZ、Y、A三個基因產(chǎn)物的拷貝數(shù)比例為三個基因產(chǎn)物的拷貝數(shù)比例為1：0.5：0.21、LacmRNA可能在翻譯過程中的核糖體相脫可能在翻譯過程中的核糖體相脫離，從而終止蛋白質(zhì)鏈的翻譯。離，從而終止蛋白質(zhì)鏈的翻譯。原

26、因：在翻譯水平上的調(diào)節(jié)原因：在翻譯水平上的調(diào)節(jié)2、LacmRNA分子內(nèi)部，分子內(nèi)部，A基因比基因比Z基因更易受基因更易受內(nèi)切酶作用發(fā)生降解，故內(nèi)切酶作用發(fā)生降解，故Z基因的完整拷貝數(shù)要比基因的完整拷貝數(shù)要比A基因多?；蚨唷Ｔ颍涸诜g水平上的調(diào)節(jié)原因：在翻譯水平上的調(diào)節(jié)AYZOPIRNA pol降解乳糖操縱子的調(diào)控模型乳糖操縱子的調(diào)控模型 o 乳糖操縱子的組成：乳糖操縱子的組成：大腸桿菌乳糖操縱子含 Z、Y、A 三個結(jié)構(gòu)基因，分別編碼半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶，此外還有一個操縱序列 O，一個啟動子 P 和一個調(diào)節(jié)基因I。o 阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)：阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)：沒有乳糖存在時沒有

27、乳糖存在時，I 基因編碼的阻遏蛋白結(jié)合于操縱序列 O 處，乳糖操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能合成分解乳糖的三種酶；有乳糖存在時有乳糖存在時，乳糖作為誘導(dǎo)物誘導(dǎo)阻遏蛋白變構(gòu)，不能結(jié)合于操縱序列，乳糖操縱子被誘導(dǎo)開放合成分解乳糖的三種酶。所以，乳糖操縱子的這種調(diào)控機(jī)制為可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控。乳糖操縱子的調(diào)控模型乳糖操縱子的調(diào)控模型 o CAP 的正性調(diào)節(jié)的正性調(diào)節(jié)：在啟動子上游有 CAP 結(jié)合位點，當(dāng)大腸桿菌從以葡萄糖為碳源的環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀樘菫樘荚吹沫h(huán)境時，cAMP 濃度升高，與 CAP 結(jié)合，使 CAP 發(fā)生變構(gòu)，CAP 結(jié)合于乳糖操縱子啟動序列附近的 CAP 結(jié)合位點，激活 RNA 聚合酶活性，促進(jìn)結(jié)構(gòu)基

28、因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合于操縱子后促進(jìn)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，對乳糖操縱子實行正調(diào)控，加速合成分解乳糖的三種酶。o 協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)：協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)：乳糖操縱子中的 I 基因編碼的阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控與 CAP 的正調(diào)控兩種機(jī)制，互相協(xié)調(diào)、互相制約。l可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)分解代謝分解代謝的操縱子，同的操縱子，同時受時受cAMP-CAPcAMP-CAP的活性調(diào)節(jié)的活性調(diào)節(jié)l可阻遏調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)可阻遏調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)合成代謝合成代謝的操縱子的操縱子酶合成阻遏的現(xiàn)象酶合成阻遏的現(xiàn)象JacobandMonod的工作的工作阻遏型操縱子阻遏型操縱子trpAtrpBtrpCtrpEtrpD前導(dǎo)序列前導(dǎo)序列 aRNAtrpE trpD

29、trpC trpB trpAtrpR酶阻遏的操縱子模型酶阻遏的操縱子模型輔阻遏蛋白無活性，不能與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)輔阻遏蛋白無活性，不能與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因表達(dá)基因表達(dá).調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因mRNA酶蛋白.輔阻遏蛋白輔阻遏蛋白l色氨酸操縱子主要參與調(diào)控一系列用于色氨酸合成代謝色氨酸操縱子主要參與調(diào)控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉(zhuǎn)錄合成。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的酶蛋白的轉(zhuǎn)錄合成。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)缺乏色氨酸缺乏色氨酸時，此時，此操縱子操縱子開放開放，而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)合成的，而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)合成的色氨酸過多色氨酸過多時，此時，此操縱子被關(guān)閉操縱子被關(guān)閉。 l色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)制與乳糖操縱子類似，但通常情色氨酸操縱子的

30、調(diào)控機(jī)制與乳糖操縱子類似，但通常情況下，操縱子處于開放狀態(tài)，其輔阻遏蛋白不能與操縱基況下，操縱子處于開放狀態(tài)，其輔阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合而阻遏轉(zhuǎn)錄。因結(jié)合而阻遏轉(zhuǎn)錄。l而當(dāng)色氨酸合成過多時，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏而當(dāng)色氨酸合成過多時，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏蛋白結(jié)合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結(jié)合而使基因蛋白結(jié)合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結(jié)合而使基因轉(zhuǎn)錄關(guān)閉。轉(zhuǎn)錄關(guān)閉。Trp Trp 濃度高時濃度高時 Trp濃度低時濃度低時 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 色氨酸操縱子色氨酸操縱子阻遏調(diào)節(jié)阻遏調(diào)節(jié)在操

31、縱區(qū)與結(jié)構(gòu)基因之間的一段可以終止轉(zhuǎn)錄作在操縱區(qū)與結(jié)構(gòu)基因之間的一段可以終止轉(zhuǎn)錄作用的核苷酸序列，當(dāng)操縱子被阻遏時，用的核苷酸序列，當(dāng)操縱子被阻遏時，RNA合成被合成被終止，這段核苷酸起終止轉(zhuǎn)錄信號作用終止，這段核苷酸起終止轉(zhuǎn)錄信號作用.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 衰減子區(qū)域衰減子區(qū)域 UUUU前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA1234UUUU RNA RNA聚合酶聚合酶 UUUU34UUUU 334核糖體核糖體 前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽 前導(dǎo)前導(dǎo)mRNA1. 1.當(dāng)色氨酸濃度高時當(dāng)色氨酸濃度高時 轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制 125 trp 密碼子密碼子 衰減子結(jié)構(gòu)衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子就是終止

32、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)色氨酸濃度低時當(dāng)色氨酸濃度低時 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不能不能形成衰減子結(jié)構(gòu)形成衰減子結(jié)構(gòu) 5trpE3 4o 當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸的濃度很低時當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸的濃度很低時，負(fù)載有色氨酸的tRNATrp也就少，這樣翻譯通過兩個相鄰色氨酸密碼子的速度就會很慢，當(dāng)4區(qū)被轉(zhuǎn)錄完成時，核糖體才進(jìn)行到1區(qū)（或停留在兩個相鄰的trp密碼子處），這時的前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)是2-3配對，不形成3-4配對的終止結(jié)構(gòu)，所以轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進(jìn)行，直到將trp操縱子中的結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄。o 當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸濃度較高時當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸濃度較高時，核糖體可順利通過兩個相鄰的色氨酸密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前就到達(dá)2區(qū)，使2-3區(qū)不能配對，3-4區(qū)自由配對形成基一環(huán)終止子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄被終止，trp操縱子被關(guān)閉。p2