第五章原核生物基因表達(dá)調(diào)控

第5章1051基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控的基本概念乳糖操縱子色氨酸操縱子轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控1052本章主要內(nèi)容是指儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個(gè)過程。典型的基因表達(dá)是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程?；虮磉_(dá)(gene

expression)1053大腸桿菌基因組（約4000個(gè)基因)，一般情況下只有5－10%在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達(dá)，或者暫時(shí)不表達(dá)。人的基因組約含有10萬個(gè)基因，但在一個(gè)組織細(xì)胞中通常只有一部分基因表達(dá)，多數(shù)基因處在沉靜狀態(tài)，典型的哺乳類細(xì)胞中開放轉(zhuǎn)錄的基因約在1萬個(gè)上下，即使蛋白質(zhì)合成量比較多、基因開放比例較高的肝細(xì)胞，一般也只有不超過20%的基因處于表達(dá)狀態(tài)。1054生物基因組的遺傳信息并不是同時(shí)全部都表達(dá)出來的基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性1055☆時(shí)間特異性按功能需要，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)的時(shí)間特異性(temporal

specificity)。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(stage

specificity)。☆

空間特異性1056在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性(spatial

specificity)?；虮磉_(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，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cellor

tissue

specificity)?；虮磉_(dá)的方式1057按對刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：☆

組成性表達(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)，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。管家基因管家基因(housekeeping

gene)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)。bcl-21058β-actin1

2常用的管家基因1059中文名稱Beta－肌動(dòng)蛋白甘油醛3-磷酸脫氫酶

TATA

Box結(jié)合蛋白

18s

核糖體核糖核酸微管蛋白α英文縮寫

β-actinGAPDHTBP18s

rRNAα-Tubulin無論表達(dá)水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)(constitutive

gene

expression)?；镜幕虮磉_(dá)只受到啟動(dòng)序列或者啟動(dòng)子與RNA聚合酶相互作用的影響組成性基因表達(dá)也是相對的，而不是一成不變的，其表達(dá)強(qiáng)弱也是受一定機(jī)制調(diào)控的。10510☆

誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)10511適應(yīng)性表達(dá)(adaptive

expression)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)。改變基因表達(dá)的情況以適應(yīng)環(huán)境，例如與適宜溫度下生活相比較，在冷或熱環(huán)境下適應(yīng)生活的動(dòng)物，其肝臟合成的蛋白質(zhì)圖譜就有明顯的不同；長期攝取不同的食物，體內(nèi)合成代謝酶類的情況也會(huì)有所不同。所以，基因表達(dá)調(diào)控是生物適應(yīng)環(huán)境生存的必需。是指在特定環(huán)境因素刺激下，可誘導(dǎo)基因被激活，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物增加。如:DNA發(fā)生損傷時(shí)，修復(fù)酶的誘導(dǎo)激活。10512誘導(dǎo)表達(dá)（induction）在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因。阻遏(repression)10513如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_(dá)產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏。如：周圍有充足的葡萄糖，細(xì)菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖類的酶類，如乳糖操縱子被阻遏、關(guān)閉。10514在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表達(dá)(c

o

o

r

d

i

n

a

t

ee

x

p

r

e

s

s

i

o

n)，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)

(coordinate

regulation)。10515基因激活轉(zhuǎn)錄起始

轉(zhuǎn)錄后加工

mRNA降解蛋白質(zhì)翻譯翻譯后加工修飾蛋白質(zhì)降解等轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)調(diào)控最重要基因表達(dá)的多級調(diào)控10516基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義10517（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（二）維持個(gè)體發(fā)育與分化2基本概念10518結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控基因操縱基因啟動(dòng)子和終止子順式作用元件和反式作用因子轉(zhuǎn)錄因子控基因（r10519gulator

gene）：參與其他因表達(dá)結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因（structural

gene）：編碼蛋白質(zhì)或RNA的任何基因。原核生物的結(jié)構(gòu)基因一般成簇排列，真核生物獨(dú)立存在。調(diào)調(diào)控的RNA或蛋白質(zhì)的編碼基因。其編碼產(chǎn)物與DNA上的特定位點(diǎn)結(jié)合調(diào)控基因表達(dá)。2基本概念Promotere

Gene

1Gene

2Gene

3基TerminatorPromoterGene調(diào)控基因調(diào)控蛋白影響結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)105202.2

操縱基因操縱基因（operatorgene，O）：調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列；調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱基因的序列上，會(huì)影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱：調(diào)控基因影響結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)調(diào)控蛋白10521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)答情況，可分為：正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（正控制）和負(fù)

轉(zhuǎn)錄調(diào)控（負(fù)控制）。調(diào)節(jié)蛋白（轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子）：由調(diào)節(jié)基因所編碼的蛋白因子。負(fù)調(diào)節(jié)蛋白：阻遏蛋白正調(diào)節(jié)蛋白：激活蛋白1052223圖 轉(zhuǎn)錄水平的10負(fù)5調(diào)控與正調(diào)控105

24操縱子調(diào)控系統(tǒng)的基本類型2.3

啟動(dòng)子和終止子啟動(dòng)子(promoter,P)：能被RNA聚合酶識別、結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。終止子(terminator,T)：給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號的DNA序列。105252基本概念10526結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控基因操縱基因啟動(dòng)子和終止子順式作用元件和反式作用因子轉(zhuǎn)錄因子2.4

順式作用元件和反式作用因子順式作用元件(cis-actingelement)：對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處在一個(gè)DNA分子上的基因；通常不編碼蛋白質(zhì)，多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中，如啟動(dòng)子、終止子、操縱基因等。調(diào)控基因10527過在反式作用因子(trans-acting

factor)：通擴(kuò)散自身表達(dá)產(chǎn)物（酶、調(diào)節(jié)蛋白）控制其他基因的表達(dá),其編碼基因與其識別或結(jié)合的靶序列不同一個(gè)DNA分子上。如調(diào)控蛋白、轉(zhuǎn)錄因子等。調(diào)控基因10528調(diào)控蛋白影響結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)2.5

轉(zhuǎn)錄因子10529轉(zhuǎn)錄因子：轉(zhuǎn)錄起始過程中，RNA聚合酶所需要的輔助因子。轉(zhuǎn)錄因子是參與正調(diào)控的反式作用因子。在無轉(zhuǎn)錄因子時(shí)，RNA聚合酶不能起始轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄因子通常識別位于基因上游啟動(dòng)子附近的順式作用元件。30RNA

pol

IITFIIDTBPPol

III

啟動(dòng)子TFIIIBTFIIICTBPRNA

pol

IIIPol

I

啟動(dòng)子RNA

pol

ISL1UBF1Pol

II

啟TAFs

TBP動(dòng)子轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)105TATA基因表達(dá)的調(diào)控主要通過反式作用因子（通常是蛋白質(zhì)）和順式作用元件（通常在DNA上）相互識別、相互作用而實(shí)現(xiàn)。順式作用元件轉(zhuǎn)錄因子

反式作用因子調(diào)控基因RNA

polymarase啟動(dòng)子10531操縱子：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)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。105323.操縱子1

乳糖操縱子(lac

operon)的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：1940年Monod：細(xì)菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先使用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌才利用乳糖繁殖增長；1961年，法國人Jacob& Monod提出乳糖操縱子學(xué)說。獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。FrancisJacobJacquesMonod1053310534大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖，當(dāng)培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先使用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長，經(jīng)過短時(shí)間所以適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長。105

35乳糖操縱子調(diào)控模型①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子mRNA分子所編碼。②啟動(dòng)子區(qū)(P)緊接著操縱區(qū)(O)區(qū)。③操縱區(qū)(O)是一小段序列（26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。④當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，lac

mRNA轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。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(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。A編碼β-半乳糖苷乙酰基轉(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。外周胞質(zhì)乳糖細(xì)胞內(nèi)面乳糖透(性)酶透(性)酶β－半乳糖苷酶葡萄糖半乳糖內(nèi)膜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：①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，而后者的合成也需要誘導(dǎo)。解釋：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？(√)②真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖苷酶的預(yù)先存在。解釋：在本底水平上,有β-半乳糖苷酶的組成型合成,即,在非誘導(dǎo)狀態(tài)下,lac

Z操縱子有本底水平上的表達(dá)（有少量

lac

mRNA合成及翻譯）。10537操縱子的結(jié)構(gòu)組成：

結(jié)構(gòu)基因群:Z

Y

A

啟動(dòng)子:P

操縱基因：O

調(diào)控基因:I

終止子:TP

laci

P

OlacZlacYlacADNAmRNA多肽蛋白10408235107808253601021260275381253030四聚體四聚體膜蛋白二聚體1525003060氨基酸分子量(KDa)結(jié)構(gòu)分子量(KDa)功能阻遏蛋白β-半乳糖苷酶透性酶轉(zhuǎn)乙酰酶T1053810539阻遏蛋白與特異DNA（操縱基因）的結(jié)合位點(diǎn)操縱基因的對稱序列對稱軸：+11105402.3

阻遏蛋白對DNA的特異結(jié)合作用：

非誘導(dǎo)條件下，阻遏蛋白都結(jié)合在DNA上，特異位點(diǎn)的親和力高，非特異位點(diǎn)的親和力低。

誘導(dǎo)物的加入改變了阻抑蛋白的分布。維持阻遏

過量的阻遏物可結(jié)合在

DNA阻遏物結(jié)合在

的其它位點(diǎn)操縱基因上aaaaaaa

aa105

41誘導(dǎo)物

a誘導(dǎo)

所有的阻遏物都結(jié)合

在DNA

的隨機(jī)位點(diǎn)上a

aaaaaa誘導(dǎo)物解離a建立阻遏阻遏物恢復(fù)活性狀態(tài)aaa阻遏蛋白通過直接取代aa從隨機(jī)位點(diǎn)移向操縱基因aaaa

a

a圖

16

-

14

在

細(xì)

胞

中

所

有

的

阻

遏

蛋

白

都

結(jié)

合

在

D

N

A

上2105

42.4阻遏蛋白對RNA聚合酶的影響阻遏蛋白和RNA

pol可同時(shí)與DNA結(jié)合；阻遏蛋白存在增強(qiáng)了RNA

pol的結(jié)合：RNA

pol

與啟動(dòng)子結(jié)合的平衡常數(shù)1.9X107；有阻抑蛋白時(shí)，2.5X109。雖然阻遏蛋白存在使得RNA

pol不能轉(zhuǎn)錄。但加入誘導(dǎo)物后，釋放出阻遏蛋白，閉合復(fù)合體變成為開放復(fù)合體，立即起始轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)D

N

A解鏈區(qū)—

50

－

40

－

30

－

20

－

10R

N

A

聚合酶結(jié)合的起動(dòng)子區(qū)1

10

20

30阻遏蛋白結(jié)合區(qū)105StartpointgalaroHtrptrpRlacPromoterOperator

location圖16-1343操縱基因可位于啟動(dòng)子不同的相對位點(diǎn)操縱基因和啟動(dòng)子的相對位置關(guān)系

阻遏蛋白與操縱基因的結(jié)合方式：每個(gè)單體靠次級鍵與操縱基因的一半相結(jié)合。λ阻遏蛋白為二聚體。10544乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(沒有乳糖時(shí))ＲＰＯlacZlacYlacA調(diào)節(jié)基因

啟動(dòng)子

操縱基因

結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄信使RNA翻譯阻抑物與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受阻．阻抑物10545105乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(有乳糖時(shí))ＲＰＯlacZlacYlacA調(diào)節(jié)基因

啟動(dòng)子

操縱基因

結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄信使RNA翻譯阻抑物與乳糖結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生了改變，因而不能與操縱基因結(jié)合，使得結(jié)構(gòu)

基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。阻抑物乳糖轉(zhuǎn)錄半乳糖苷酶

酶酶乳糖分解代謝調(diào)控過程是一個(gè)自我調(diào)控過程462.3

葡萄糖對乳糖操縱子的影響lacIlacZlacYlacA10547PlacI

Plac

Olac現(xiàn)象：培養(yǎng)基中含葡萄糖、乳糖——lacZ等低表達(dá)無葡萄糖、有乳糖——lacZ等高表達(dá)問題：是否有另外的調(diào)控途徑？2.3.1

cAMP-CRP結(jié)合位點(diǎn)（另一調(diào)控元件）位于啟動(dòng)子Plac上游，與Plac部分重疊能與cAMP-CRP特異結(jié)合cAMP-CRP與該位點(diǎn)的結(jié)合是lacmRNA合成起始所必需的Plac

/

RNA

polymerase-50-1030-40 -30 -20

1-60CRPbindinglac1054810

20O /

repressor2.3.2

CRP

：cAMP

receptor

protein(cAMP受體蛋白)又稱CAP:Catabolite

activator

protein(降解物激活蛋白)由CRP基因編碼可通過與cAMP

結(jié)合而激活，即CRP只有與cAMP結(jié)合才有活性10549CRP-cAMPCRPcAMPglucosecAMP

receptor

protein105502.3.3

cAMP-CRP

的作用CRP-cAMP

與cAMP-CRP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，增強(qiáng)了RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合力，使轉(zhuǎn)錄效率提高50倍。10551CRP的結(jié)合引起DNA鏈發(fā)生90°的彎曲附：葡萄糖水平與CRP的關(guān)系CRP只有與cAMP結(jié)合才有活性，而

cAMP

受葡萄糖水平的控制。葡萄糖含量高------cAMP水平低葡萄糖含量低------cAMP水平高10552105532.3.4

葡萄糖對乳糖操縱子影響的機(jī)制10554培養(yǎng)基中含葡萄糖、乳糖-----cAMP水平低沒有cAMP結(jié)合的CRP沒有活性CRP不與Plac結(jié)合RNA聚合酶不能與啟動(dòng)子牢固結(jié)合lacZ，lacY，lacA低表達(dá)10555葡萄糖對乳糖操縱子的影響機(jī)制（一）10556葡萄糖對乳糖操縱子影響機(jī)制（二）10557培養(yǎng)基中無葡萄糖、有乳糖-----cAMP水平高cAMP與CRP結(jié)合形成有活性的CRP-cAMP

復(fù)合物CRP-cAMP與Plac結(jié)合增強(qiáng)了RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合lacZ，lacY

、lacA高表達(dá)10558乳糖、G存在與否及與操縱子正、負(fù)控因素、基因開放與關(guān)閉情況如下：葡萄糖（G）乳糖基因開放×基因關(guān)閉 機(jī)理簡述（學(xué)生填充）√

細(xì)菌優(yōu)先用G，無CRP結(jié)合，無誘導(dǎo)物去阻遏√√CRP正控、乳糖去阻遏、基因開放、轉(zhuǎn)錄進(jìn)行×√無誘導(dǎo)物去阻遏，CRP即使結(jié)合，基因未開放√√cAMP-CRP復(fù)合物無，CRP位點(diǎn)空，去阻遏也無RNA

pol結(jié)合①

√②

×③

×④

√10559The

Lac

Operon:When

Glucose

Is

Present

But

Not

LactoseLacYLacALacZOperatorCRPRepressor

Binding

PromoterRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHey

man,

I’mconstitutiveCome

on,

let

me

throughNo

wayJose!CRP10560The

Lac

Operon:When

Lactose

Is

Present

But

Not

GlucoseRepressorCRPBinding

PromRepressorRepressormRNAHey

man,

I’mconstitutiveCRPcAMPRepressorRepressoroter

Operator

LacZ

LacY

LacAXThis

lactose

hasbent

meoutofshapeCRPcAMPCRPcAMPBind

to

mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yippee…!10561The

Lac

Operon:When

Neither

Glucose

Nor

Lactose

Is

PresentLacYLacALacZOperatorCRPRepressor

Binding

PromoterCRPcAMPCRPcAMPCRPcAMPBind

to

mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHey

man,

I’mconstitutiveRepressorSTOPRight

therePolymeraseCome

on,

letmethrough!10562The

Lac

Operon:When

Glucose

and

Lactose

are

PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCRPBindingRepressorRepressormRNAHey

man,

I’mconstitutiveCRPRepressorRepressorXThis

lactose

hasbent

meoutofshapeRNAPol.105633色氨酸操縱子10564細(xì)菌基因組中含有負(fù)責(zé)某些物質(zhì)合成的操縱子，如負(fù)責(zé)AA合成的操縱子。當(dāng)無外源AA時(shí)，這類操縱子表達(dá)，使細(xì)胞內(nèi)有足夠的AA以進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成；有外源AA時(shí)，細(xì)菌就不必自己合成，這類操縱子就受到阻遏。這類可被最終合成產(chǎn)物所阻遏的操縱子叫做可阻遏操縱子。色氨酸操縱子就是一個(gè)典型的可阻遏操縱子。3.1

組成3.1.1

結(jié)構(gòu)基因（1）基因E、D、C、B、A（2）編碼色氨酸合成所需要酶類頭尾相接串連排列組成結(jié)構(gòu)基因群組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元多順反子mRNA3.1.2

調(diào)節(jié)基因trpR位置:遠(yuǎn)離P-ｏ-結(jié)構(gòu)基因群編碼調(diào)控蛋白RR沒有與操縱元件ｏ結(jié)合的活性當(dāng)環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時(shí)，R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化R與ｏ特異性結(jié)合，抑制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄3.1.3

操縱元件ｏ含有18bp的回文結(jié)構(gòu)與色氨酸啟動(dòng)子Ptrp序列（-40~+18）在-21

~+1堿基之間重疊Trp-R與o的特異性結(jié)合，可以阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄3.2

色氨酸操縱子與轉(zhuǎn)錄調(diào)控現(xiàn)象：

培養(yǎng)基中Trp

濃度較低時(shí)---基因E、D、C、B、A高表達(dá)Trp

濃度較高時(shí)---基因E、D、C、B、A低表達(dá)Trp操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)Low

Trp3.2.1

Trp操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)（一）培養(yǎng)基中Trp

濃度較低調(diào)控蛋白R不能被活化未活化的調(diào)控蛋白R不能與操縱元件結(jié)合基因E、D、C、B、A高表達(dá)Trp操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)TrpHigh

Trp3.2.2

Trp操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)（二）培養(yǎng)基中Trp

濃度較高調(diào)控蛋白R與Trp結(jié)合Trp-R復(fù)合物與操縱子結(jié)合基因E、D、C、B、A低表達(dá)3.3

色氨酸操縱子總結(jié)1、通常是開放轉(zhuǎn)錄的，有效應(yīng)物（色氨酸）作用時(shí)則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。2、負(fù)控阻遏型操縱子。3、色氨酸可以作為共阻遏物起作用，并通過終產(chǎn)物抑制自身的合成（負(fù)反饋調(diào)節(jié)）。4、細(xì)菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都屬于這種類型，其調(diào)控可使細(xì)菌處在生存繁殖最經(jīng)濟(jì)最節(jié)省的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)觀察表明：當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度、但還沒有高到能夠活化R使其起阻遏作用的程度時(shí)，產(chǎn)生色氨酸合成酶類的量已經(jīng)明顯降低，而且產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)。這種調(diào)控現(xiàn)象與色氨酸操縱子特殊的結(jié)構(gòu)----衰減子有關(guān)。3.4

轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控衰減子（Attenuator）位于轉(zhuǎn)錄起始部位的終止子，即可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核苷酸序列。G-C區(qū)poly

(U)E

D

C

B

APromoter

Operator

Leader

AttenuatorRNA*

*

*

*

*

*

*

*

*

Trp

Trp

*

*

*（一）衰減子（attenuator）1、位置：在trpE起始密碼子上游，前導(dǎo)序列的末端。2、特點(diǎn)：是一個(gè)不依賴ρ因子的終止子區(qū)域在富含GC的回文結(jié)構(gòu)之后是8個(gè)連續(xù)的U殘基在RNA轉(zhuǎn)錄物中可能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)3、作用：衰減作用（阻礙結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄）1、在trp

mRNA5’端trpE基因的起始密碼前一個(gè)長162bp的mRNA片段，序列分析發(fā)現(xiàn)，其中4個(gè)片段進(jìn)行配對，形成不同的二級結(jié)構(gòu)。3與4---衰減子（終止子）發(fā)夾結(jié)構(gòu)（二）前導(dǎo)序列（leading

sequence）poly

(U)G-C區(qū)4AB105

78（二）前導(dǎo)序列（leading

sequence）2、前導(dǎo)RNA序列編碼14個(gè)氨基酸的前導(dǎo)肽，第10和第11個(gè)密碼子編碼連續(xù)的色氨酸殘基*

*

*

*

*

*

*

*

*

Trp

Trp

*

*

*RNA105

80S312P

OE4321LDNARNAAUGUGA2

trp

codons1432前導(dǎo)肽14aa（三）Attenuation(衰減作用）使正在進(jìn)行的操縱子轉(zhuǎn)錄在到達(dá)結(jié)構(gòu)基因以前就中途停止的基因調(diào)控作用?，F(xiàn)象：培養(yǎng)基中Trp含量較低時(shí)---轉(zhuǎn)錄不在衰減子上終止，結(jié)構(gòu)基因表達(dá)。Trp含量較高時(shí)---轉(zhuǎn)錄在衰減子上終止，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)。衰減子怎樣對色氨酸含量做出應(yīng)答反應(yīng)呢？（四）衰減作用機(jī)制4AB轉(zhuǎn)錄到達(dá)衰減子時(shí)，終止子（衰減子）發(fā)夾結(jié)構(gòu)能否形成（轉(zhuǎn)錄終止/通讀）是衰減作用的關(guān)鍵。前導(dǎo)序列mRNA能形成兩種形式的發(fā)夾結(jié)構(gòu)A

、終止子發(fā)夾結(jié)構(gòu)可形成（3與4）B、終止子發(fā)夾結(jié)構(gòu)不能形成前導(dǎo)肽合成時(shí)核糖體在轉(zhuǎn)錄物上所在位置控制著兩種發(fā)夾結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)換Trp

Trp2334TrpTrpTrp含量較高時(shí)Trp含量較低時(shí)（五）色氨酸操縱子衰減作用機(jī)制色氨酸濃度高時(shí)1、tRNAtrp-色氨酸供給充足，核糖體迅速通過色氨酸密碼子到達(dá)2區(qū)2、3區(qū)和4區(qū)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)（終止信號）3、衰減作用發(fā)生，轉(zhuǎn)錄終止，RNA聚合酶釋放，不能完成結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄色氨酸濃度低時(shí)1、tRNAtrp-色氨酸供給不足，核糖體遇到色氨酸密碼子時(shí)就停頓2、在4區(qū)轉(zhuǎn)錄未完成時(shí)，2區(qū)和3區(qū)就形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)3、3區(qū)和4區(qū)不能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)（終止信號），導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄通讀；RNA聚合酶繼續(xù)沿DNA移動(dòng)，完成結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄TrpTrp

高時(shí)Trp

低時(shí)mRNAtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚P合酶ORNA聚合酶補(bǔ)：色氨酸操縱子動(dòng)畫10588色氨酸操縱子24

3

423UUUU…U…UUU……前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA核1

糖體5’trp

密碼子結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNARNA聚合酶105891.當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)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)…UUUUUUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpRPO衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA前導(dǎo)序列1

234衰減子結(jié)構(gòu)第10、11密碼子為trp密碼子…14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4trp

密碼子

終止密碼子UUUU……1059034UUUU

3U’UUU……34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA2.當(dāng)色氨酸濃度高時(shí)轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制125’trp

密碼子前導(dǎo)DNAUUUU

3’RNA聚合酶10591衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄終止（六）衰減作用和負(fù)控阻遏的關(guān)系1、負(fù)控阻遏系統(tǒng)和衰減作用同樣對色氨酸水平應(yīng)答2、衰減作用使色氨酸操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄被抑制了10倍（細(xì)調(diào)）；3、色氨酸阻遏蛋白的阻遏作用使轉(zhuǎn)錄被抑制了70倍（粗調(diào)）；4、色氨酸水平對色氨酸操縱子結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)施加了700倍的調(diào)節(jié)效果。原核生物細(xì)致的精細(xì)調(diào)控機(jī)制增強(qiáng)原核生物對環(huán)境的適應(yīng)性（七）衰減作用的重要性（衰減子的生物學(xué)意義）活性阻遏蛋白和非活性阻遏蛋白的轉(zhuǎn)變可能較慢， 而tRNA負(fù)載與否可能更為靈敏；aa主要用途是合成蛋白質(zhì)，因而以tRNA負(fù)載情況 為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行控制可能更為恰當(dāng)；大多數(shù)這樣的操縱子又同時(shí)需要阻遏蛋白。再論弱化子（attenuator)與弱化作用

(attenuation)弱化子是指Trp等操縱子前導(dǎo)序列的末端部分，具有減弱轉(zhuǎn)錄的功能。當(dāng)Trp過剩時(shí),前導(dǎo)肽的翻

譯合成到達(dá)前導(dǎo)mRNA的終止密碼子處,這時(shí),弱化子形成終止子發(fā)夾以阻遏下游相應(yīng)氨基酸操縱子的轉(zhuǎn)錄，即,使正在進(jìn)行的操縱子轉(zhuǎn)錄在到達(dá)結(jié)構(gòu)基因以前就中途停止——弱化作用。105944.翻譯水平的調(diào)控10595mRNA二級結(jié)構(gòu)對翻譯起始的調(diào)控SD序列與起始密碼子AUG之間的距離是影響mRNA轉(zhuǎn)錄、翻譯成蛋白的重要因素之一，某些蛋白質(zhì)與SD序列結(jié)合也會(huì)影響mRNA與核糖體的結(jié)合，從而影響蛋白質(zhì)的翻譯。SD序列與16SrRNA3’-端的相應(yīng)序列配對影響翻譯起始。強(qiáng)的配對可使翻譯頻率提高，反之翻譯頻率低。mRNA二級結(jié)構(gòu)影響隱蔽SD序列，影響核糖體小亞基與mRNA的結(jié)合，影響翻譯?？烧T導(dǎo)和可阻遏的操縱子類型結(jié)合O

方式i

基因產(chǎn)物i

基因產(chǎn)物加上代謝終產(chǎn)物通常開放

由代謝終產(chǎn)物關(guān)閉O

的開放方

結(jié)構(gòu)基因產(chǎn)式

物功能由代謝底物

分解代謝開放合成代謝可誘導(dǎo)Lac10596可阻遏Trp乳糖和色氨酸操縱子的不同點(diǎn)乳糖操縱子

色氨酸操縱阻遏物 阻遏物R基子因R基因阻遏物阻遏物代謝物10597基因開放基因關(guān)閉mRNA的降解速度受細(xì)菌的生理狀態(tài)、環(huán)境因素及mRNA結(jié)構(gòu)的影響；mRNA分子自身回折產(chǎn)生的莖環(huán)結(jié)構(gòu)有助于維持mRNA穩(wěn)定性；105982)

mRNA穩(wěn)定性對翻譯的調(diào)控3)反義RNA的調(diào)控105991984年Mizuno,T.和Iwoue發(fā)現(xiàn)反義RNA可與特定的mRNA結(jié)合，影響轉(zhuǎn)錄，又叫干擾

mRNA的互補(bǔ)RNA

（

mic-RNA,mRNA-interferingcomplementary

RNA

）Antisense

RNA的作用可能有三種機(jī)制。反義RNA與mRNA上SD序列結(jié)合，形成雙鏈區(qū)，使核糖體不能結(jié)合，使翻譯不能起始；在復(fù)制水平，與引物RNA互補(bǔ)結(jié)合，抑制DNA復(fù)制；在轉(zhuǎn)錄水平，與RNA結(jié)合，阻遏轉(zhuǎn)錄（4）在靶分子的部分區(qū)域形成雙鏈區(qū)，使靶分子成為內(nèi)切酶的特異底物。4)蛋白質(zhì)合成水平的自體調(diào)控（翻譯阻遏）105100指一個(gè)基因的表達(dá)產(chǎn)物蛋白質(zhì)或者RNA反過來控制自身基因的翻譯表達(dá)。細(xì)菌編碼核糖體蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)合成因子和

RNA聚合酶亞基等蛋白質(zhì)的基因混合組成幾個(gè)操縱子。每個(gè)操縱子都含有數(shù)個(gè)基因。這些操縱子的表達(dá)都受操縱子自身的一些基因產(chǎn)物的調(diào)控。操縱子自身編碼的蛋白質(zhì)的