第四章原核基因表达调控讲课课件.ppt

1、第四章原核基因表达调控优选第四章原核基因表达调控基因表达调控基本概念和特征基因表达调控基本概念和特征乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子半乳糖操纵子半乳糖操纵子阿拉伯糖操纵元阿拉伯糖操纵元原核基因调控的其他机制原核基因调控的其他机制第一节第一节 基因表达调控的基本概念和特征基因表达调控的基本概念和特征基因转录及翻译的过程叫做,对这个过程的调节就称为基因表达调控。（一）时间特异性（一）时间特异性 按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生,如病毒感染。（二）空间特异性（二）空间特异性 指在个体生长全过程，某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异,又称细胞或组织特异性。组成性表达

2、组成性表达(constitutive expression)适应性表达适应性表达(adaptive expression）3 3、基因表达的方式、基因表达的方式 组成性表达组成性表达 (constitutive gene expression)(constitutive gene expression)基因较少受环境因素影响，而是在基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。如管家基因。织中持续表达，或变化很小。如管家基因。管家基因管家基因(housekeeping gene)(housekeeping gen

3、e)某些基因在一个个体的几乎所有细胞某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达。中持续表达。Xa21-actin1 2常用的管家基因常用的管家基因中文名称中文名称 英文缩写英文缩写Beta肌动蛋白肌动蛋白 -actin甘油醛甘油醛3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶 GAPDHTATA Box结合蛋白结合蛋白 TBP微管蛋白微管蛋白 -Tubulin诱导和阻遏表达诱导和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，有些基因的表达在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为开放或增强。表现为开放或增强。诱导表达诱导表达(induction expression)在特定环境信号刺激下，有些基因的表达在特定环境信号刺激下，有些

4、基因的表达表现为关闭或下降。表现为关闭或下降。阻遏表达阻遏表达(repression expression)4 4、基因表达的调控因子、基因表达的调控因子 蛋白质蛋白质 (主要主要 )小分子小分子RNA(RNA(某些环节某些环节 )5 5、基因表达的调控水平、基因表达的调控水平v 基因组基因组v 转录转录v 转录后转录后v 翻译翻译v 翻译后翻译后DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制中心法则中心法则(central dogma)原核生物基因表达的特点原核生物基因表达的特点 1.1.只有一种只有一种RNARNA聚合酶。聚合酶。RNARNA聚合酶用来识别原聚合酶用来识别原核细胞的启动子，

5、催化所有核细胞的启动子，催化所有RNARNA的合成。的合成。2.2.基因表达以操纵子为基本单位。原核基因一基因表达以操纵子为基本单位。原核基因一般不含内含子，基因是连续的。原核基因转录般不含内含子，基因是连续的。原核基因转录单位多为多顺反子。单位多为多顺反子。多顺反子多顺反子(polycistron)原核基因中多个功能相关的结构基因串联在一原核基因中多个功能相关的结构基因串联在一起构成一个转录单位。通常依赖同一调控序列对其起构成一个转录单位。通常依赖同一调控序列对其转录进行调节，使这些相关基因实现协同表达。转录进行调节，使这些相关基因实现协同表达。操纵子（操纵子（operonoperon）一个

6、多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。可诱导调节指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。诱导表达(induction expression)第四章原核基因表达调控转录,然后AraC蛋白(Pr)结合araO1,转录马上被抑制；2、基因表达的时间性及空间性指在个体生长全过程，某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异,又称细胞或组织特异性。此时也可激活AraC蛋白的大量表达.AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。55(分子量55kD)

7、识别营养阶段的启动子可阻遏调节基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。大部分因子转换的例子都发生在孢子形成（sporulation）中,孢子形成分为三个阶段:3,G片断的倒位由gin基因编码的酶催化.3存在前导序列和衰减子序列,便于对参与阿拉伯糖代谢酶的基因分布于3个操纵子中，但由一个调节基因（araC）的产物调控。5、cAMP与受体蛋白 腺苷酸环化酶将ATP转变为cAMP,cAMP与其受体蛋白结合,形成cAMPCAP复合物,四、乳糖操纵子调控模型H2基因与另一个基因rH1紧密连锁，同属于一个操纵子,并协同表达。半乳糖表异

8、构酶(galE)3 活性阻遏物决定基础水平的控制系统,(主旋钮)衰减子在此基础上进行微细调节(细旋钮),避免浪费,提高效率。tayz opStructural genepromoter启动子启动子 promoter terminator终止子终止子 terminatoroperator操纵元件操纵元件 operator操纵子结构示意图操纵子结构示意图3.3.转录和翻译偶联进行：原核生物裸露的转录和翻译偶联进行：原核生物裸露的环形环形DNADNA，在拟核内转录成，在拟核内转录成 mRNA mRNA 后，直接后，直接在胞浆中与核糖体结合翻译为蛋白质。在胞浆中与核糖体结合翻译为蛋白质。4.mRNA4

9、.mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列翻译起始部位有特殊的碱基序列-SD-SD序列。序列。5.5.原核生物基因表达的调控主要在转录水原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对平，即对RNARNA合成的调控。合成的调控。通常有两种方式：通常有两种方式：(1)(1)起始调控，即启动子调控；起始调控，即启动子调控；(2)(2)终止调控，即衰减子调控。终止调控，即衰减子调控。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子 内容提要内容提要 操纵子学说的基本概念操纵子学说的基本概念 乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构 酶的诱导酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证据 乳糖操纵子调控模型乳糖操纵子调控模型 影响因

10、子影响因子 Lac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题一、基本概念一、基本概念1 1、操纵子模型的提出、操纵子模型的提出19611961年，年，MonodMonod和和JacobJacob提出提出获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖2、操纵子的定义、操纵子的定义操纵子：是基因表达的协调单位，由调节基因、启操纵子：是基因表达的协调单位，由调节基因、启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活根据操纵子

11、对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答，可分为正转录调控和蛋白）的应答，可分为正转录调控和 负转录调控负转录调控 调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负转录调控负转录调控正转录调控如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负转录调控负转录调控负转录调控在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。如果H2基因和rHl基因被

12、关闭不表达，这时H1基因便表达，合成Hl鞭毛蛋白。获1965年诺贝尔生理学和医学奖半乳糖转移酶(galT)半乳糖激酶(galk)如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。酶合成的阻遏操纵子模型半乳糖转移酶(galT)半乳糖激酶(galk)和U(G-:能吸附KC,不能吸附K12品系);3存在前导序列和衰减子序列,便于对微管蛋白 -Tubulin当发生倒位以后，这个启动子便被移到序列的另一方，且方向改为朝左，H2和rH1失去启动子而失活.(3)有衰减子(attenuator)/弱化子枯草芽胞杆菌芽胞的形成过程基因启动顺序:通常有两种方式：操纵元件 operator如果某种

13、物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。Beta肌动蛋白 -actin前导序列(Leader)所隔开操纵子（operon）管家基因(housekeeping gene)此时也可激活AraC蛋白的大量表达.不可诱导突变（超阻遏）：可诱导调节指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。例大肠杆菌的乳糖操纵子 根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物

14、诱导物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的诱导操纵子模型酶合成的诱导操纵子模型诱导物如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。可阻遏调节基因平时是开启的，处在产生蛋可阻遏调节基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。的表达。例色氨酸操纵子例色氨酸操纵子 酶合成的阻遏操纵子模型酶合成的阻遏操纵子模型调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物辐阻遏

15、物如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。（色氨酸）色氨酸）二、乳糖操纵子的结构二、乳糖操纵子的结构 Z编码半乳糖苷酶将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖 Y编码半乳糖苷透过酶使外界的半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。A编码半乳糖苷乙酰基转移酶乙酰辅酶A上的乙酰基转到半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。三，酶的诱导三，酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据 安慰诱导物 如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基D硫代半乳糖苷）。四、乳糖操纵子调控模型四、乳糖操纵子调控模型主要内容主要内容 Z、Y

16、、A基因的产物由同一条多顺反子的基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码分子所编码 Mu噬菌体的G片断倒位蛋白Mot取代原来的亚基原核基因一般不含内含子，基因是连续的。诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lac mRNA的合成。多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）2、前导序列在trp mRNA5端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段，把此片段叫做前导序列。只有一种RNA聚合酶。半乳糖表异构酶(galE)为什么gal操纵子需要两个启动子？(重要基因)55(分子量55kD)识别营养阶段的启动子（3）分离的基因组外包上一层外壳。当有c

17、AMPCAP时，转录从S1开始，当无cAMPCAP时，转录从S2开始。ADP-核糖基（ADPR）修饰亚基,降低与亚基的亲和力,而与蛋白Mot结合,启动晚期基因的表达当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用3,G片断的倒位由gin基因编码的酶催化.1 转录和翻译是紧密耦连的糖体蛋白与rRNA基因的协调表达的特点 这个这个mRNA分子的启动子紧接着分子的启动子紧接着O区，而位于区，而位于I与与O之间的启动子区（之间的启动子区（P），不能单独启动合），不能单独启动合成成半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。操纵基因是操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为上的一小段序列（仅

18、为26bp），），是阻遏物的结合位点。是阻遏物的结合位点。RNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位阻遏物结合部位阻遏物结合部位 操纵位点的回文序列 当阻遏物与操纵基因结合时，当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNAlac mRNA的转的转录起始受到抑制。录起始受到抑制。未诱导：结构基因被阻遏 阻遏物 四聚体 LacI P O lacZ lacY lacA 图16-当无 诱导 物时 阻遏 物结 合在操 纵 基因 上 诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发使之不能与操纵基因结合，从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在

19、时，操纵基因区没有被的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的的合成。合成。诱导：基因被打开 -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶 图 16-7 诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关 组成型突变：lacOc 组成型突变：lacI-Repressor has lost lacI S genesythesizes Iducer-binding site defective repressor that cannot bind inducer;it binds permanently to operator lacI S Ope

20、rantor lacI+wild-type repressor does not influence DNA-binding of LacS repressor 图图 16-Uninducible lac S mutations are dominant 不可诱导突变（超阻遏）：五、影响因子五、影响因子1、lac操纵子的本底水平表达有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成有需要诱导。真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，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

21、，因此，需要有需要有半乳糖甘酶的预先存在。半乳糖甘酶的预先存在。解释解释本底水平的组成型合成非诱导状态下有少量的本底水平的组成型合成非诱导状态下有少量的lac lac mRNAmRNA合成。合成。2、大肠杆菌对乳糖的反应 培养基甘油培养基甘油 按照按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的分子的半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；培养基加入乳糖培养基加入乳糖少量乳糖少量乳糖透过酶透过酶进入细胞进入细胞-半乳糖苷酶半乳糖苷酶异构乳糖异构乳糖诱导物诱导物诱导诱导lac mRNA的生物合成的生物合成大量乳糖进入细胞大量乳糖进入细胞

22、多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）异构乳糖异构乳糖 H OH HO H OH H H CH2OH H O OH HO O H O CH2 CH2OH H OH OH H HO O H 别乳糖 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 OH H OH 葡萄糖 半乳糖 图 16-乳糖分解的不同产物乳糖诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响3、阻遏物lac I基因产物及功能 Lac Lac 操

23、纵子阻遏物操纵子阻遏物mRNAmRNA是由弱启动子控制下组成是由弱启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有型合成的，每个细胞中有510510个阻遏物分子。个阻遏物分子。当当I I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个laclac操纵子在这些突变体中就不可诱导。操纵子在这些突变体中就不可诱导。4、葡萄糖对lac操纵子的影响 如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，laclac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一

24、旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导外源葡萄糖，乳糖就会诱导laclac操纵子表达分操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。解乳糖所需的三种酶。5 5、cAMPcAMP与受体蛋白与受体蛋白 腺苷酸环化酶将腺苷酸环化酶将ATPATP转变为转变为cAMP,cAMPcAMP,cAMP与其与其受体蛋白结合受体蛋白结合,形成形成cAMPCAPcAMPCAP复合物复合物,ZYAOPDNA 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶cAMPCAP复合物ATPATP腺甘酸环化酶腺甘酸环化酶cAMP（环腺甘酸）（环腺

25、甘酸）大肠杆菌中：无葡萄糖，大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；浓度高；有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低浓度低+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时促进转录促进转录有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时不促进转录不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正调控的正调控当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。操纵子仍无转录活性。cAMPCAP复合物与启动复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。子区的结合是转录起始所必需

26、的。协调调节协调调节单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。用葡萄糖。乳糖操纵元的主要结构第三节 色氨酸操纵子（trp operon）内容提要内容提要色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的弱化机制色氨酸操纵子的弱化机制一、色氨酸操纵子的结构一、色氨酸操纵子的结构 调控基因调控基因 结构基因结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸的酶催化分枝酸转变为色氨酸的酶 分支酸 邻氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷酸

27、 色氨酸 邻氨基苯甲酸 邻氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼酸合成酶 链 链 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：起动子；O：操纵子；l：前导序列；a：衰减子；t,t：终止子 图16-15 E.coli trpO的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应合成色氨酸的操纵子色氨酸操纵子特点:(1)trpR和trpABCDE不连锁；(2)操纵基因在启动子内(3)有衰减子(attenuator)/弱化子(4)启动子和结构基因不直

28、接相连，二者被 前导序列(Leader)所隔开 trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA 蛋 白 TrpR(无 活 性)活 化 的 阻 遏 蛋 白 阻 遏 物 (Trp)图16-27 TrpR被Trp 激 活 后 可 阻 遏trp 操 纵 子 的 转 录 (仿B.Lewin:GENES ，1990,Fig.13.16)二、trp 操纵子的阻遏系统 问题？对trp 酶系统来说,本底合成是除阻遏合成的1/70，而实际情况下是1/700，为什么?1、弱化子在trp操纵子的DNA中，可导致转录过早终止的一段核苷酸序列。引起终止的引起终止的mRNAmRNA碱基序列，

29、发现该区碱基序列，发现该区mRNAmRNA通过自我通过自我配对可以形成茎环结构，有典型的终止子特点。配对可以形成茎环结构，有典型的终止子特点。2、前导序列在trp mRNA5端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段，把此片段叫做前导序列。3、弱化机制、弱化机制 作用机理：1 转录和翻译是紧密耦连的2 前导序列中存在终止子结构3 前导序列中有两个色氨酸密码子衰减子作用的实质是以翻译手段控制基因的转录 二级控制的生物学意义？1 活性阻遏物和非活性阻遏物的转变较慢,而tRNA荷载与否可能更为灵敏;2 氨基酸的主要用途是用来合成蛋白 质,tRNA荷载为标准来控制可能更为恰当;3 活性阻

30、遏物决定基础水平的控制系统,(主旋钮)衰减子在此基础上进行微细调节(细旋钮),避免浪费,提高效率。总结：色氨酸操纵子:1 操作子完全位于启动子的内部,活性阻 遏物与操作子的结合,排斥了RNA聚合 酶的结合;2色氨酸作为辅阻遏物激活无活性的 无辅基阻遏蛋白(trpR的产物);3存在前导序列和衰减子序列,便于对 色氨酸操纵子进行精细的调控。第四节半乳糖操纵子(galactose operon)(galactose operon)半乳糖表异构酶半乳糖表异构酶(galE)半乳糖转移酶半乳糖转移酶(galT)半乳糖激酶半乳糖激酶(galk)半乳糖操纵子包括3个结构基因 异构酶(galE)，半乳糖磷酸尿嘧

31、啶核苷转移酶(galT)，半乳糖激酶(galk)。这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖1磷酸。GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacIlacO的作用相同。因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人们猜想葡萄糖存在时半乳糖操纵子不被诱导，但实际上有葡萄糖存在时，gal操纵子仍可被诱导。半乳糖操纵子的结构 它有两个启动子，其它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的可从两个不同的 起始点开始转录；起始点开始转录；它有两个操作基因位点，一个在它有两个操作基因位点，一个在P区上游，区上游，另一个在结构基因另一个在结构基因galE内部。内部。半乳糖操纵子的特点从S1起

32、始的转录只有在培养基中无葡萄糖时，才能顺利进行，RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP。从S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的cAMPCAP能抑制由这个启动子起始的转录。当有cAMPCAP时，转录从S1开始，当无cAMPCAP时，转录从S2开始。为什么gal操纵子需要两个启动子？(重要基因)半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。在没有外源半乳糖的情况下，UDPgal是通过半乳糖差向异构酶的作用由UDP葡萄糖合成的，该酶是galE基因的产物。阿拉伯糖操纵元阿拉伯糖操纵元第五节第五节 阿拉伯

33、糖操纵子(araoperon)(araoperon)阿拉伯糖(arabinose)是可作为碳源的五碳糖。参与阿拉伯糖代谢酶的基因分布于3个操纵子中，但由一个调节基因（araC）的产物调控。araBADaraBAD是一个基因簇，是一个基因簇，araBaraB基因编码核酮糖激酶，基因编码核酮糖激酶，araAaraA编码编码L-L-阿拉伯糖异构酶，阿拉伯糖异构酶，araDaraD编码编码L-L-核酮糖核酮糖-5-5-磷酸磷酸-4-4-差向异构酶差向异构酶,共同参与阿拉伯糖的降解。共同参与阿拉伯糖的降解。阿拉伯糖阿拉伯糖L-L-核酮糖核酮糖L-L-核酮糖核酮糖5-P5-PL-L-木糖木糖5-P5-PL

34、-核酮糖激酶核酮糖激酶L-阿拉伯糖异构阿拉伯糖异构酶酶L-核酮糖异构酶核酮糖异构酶调控蛋白调控蛋白araBADaraBAD和araCaraC基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的，araBADaraBAD基因簇从启动子P PBADBAD开始向右进行转录，而araCaraC基因则是从P Pc c向左转录。AraCAraC蛋白具有P Pr r和P Pi i两种形式,P Pr r是起阻遏作用的形式，可与操纵区位点相结合，而P Pi i是起诱导作用的形式(AraCAraC蛋白+阿拉伯糖)，它通过与P PBADBAD启动子结合进行调节。AraCAraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。没有AraC

35、AraC蛋白时，由PcPc启动子起始araCaraC本底水平的转录,然后AraCAraC蛋白(PrPr)结合araOaraO1 1,转录马上被抑制；葡萄糖水平较高时，AraC二聚体(Pr)结合在araO2和araI使DNA成环，阻遏araBAD的表达;araC基因本底水平表达.有阿拉伯糖但无葡萄糖存在时，AraCAraC与阿拉伯糖相结合，变构成为激活蛋白(P Pi i)，与araIaraI区相结合，在CRP-cAMPCRP-cAMP的共同作用下起始结构基因表达。此时也可激活AraCAraC蛋白的大量表达.当AraCAraC蛋白表达量过大时,结合于araOaraO1 1位点,阻遏AraCAraC

36、蛋白的表达.本底水平的转录,马上被抑制本底水平的转录,马上被抑制araC,araBAD 高效表达,总结1)阿拉伯糖操纵子有两个启动子P Pc c和P PBADBAD，可以双向转录；2)AraC2)AraC蛋白是双功能的，单纯的C C蛋白结合于araOaraO1 1，起到阻遏的 作用；当C C蛋白和诱导物AraAra结合成复合体时，即诱导型的C C蛋 白，它结合于araIaraI区,使RNARNA聚合酶结合于P PBADBAD位点，转录BADBAD三 个基因和C C基因；3)过量的C C蛋白结合araOaraO1 1时也反馈性阻遏了其本身的表达4)C4)C蛋白的两种状态功能不同，结合的位点也不同

37、。诱导型的C C结 合于araIaraI；阻遏型的C C可结合于araOaraO1 1和araOaraO2 2；第六节原核基因表达调控的其他形式亚基的替换亚基的替换RNARNA聚合酶的代换聚合酶的代换DNADNA重排对转录起始的调控重排对转录起始的调控核糖体蛋白与核糖体蛋白与rRNArRNA基因的协调表达基因的协调表达翻译释放因子的自我调控翻译释放因子的自我调控 一、一、亚基的替换亚基的替换 枯草杆菌（B.subtilis）中因子用于转录起始的调节 大部分因子转换的例子都发生在孢子形成（sporulation）中,孢子形成分为三个阶段:（1）DNA复制；（2）在细胞的一端基因组被分离；（3）分

38、离的基因组外包上一层外壳。阶段 细菌的状况0 营养期细菌 DNA 复制 隔膜形成 孢子内陷 孢子外壳形成 母细胞裂解 孢子释放 图 16-33 细菌孢子的形成和释放 (仿 B.Lewin:GENES,1997,Fig.11.23)55(分子量分子量55kD)识别营养阶段的启动子识别营养阶段的启动子28负责转录探测营养耗尽和起始负责转录探测营养耗尽和起始芽孢形成反应的基因芽孢形成反应的基因32,37负责早期芽孢形成基因负责早期芽孢形成基因29负责中晚期芽孢形成基因负责中晚期芽孢形成基因5528无活性无活性32,37枯草芽胞杆菌芽胞的形成过程基因启动顺序枯草芽胞杆菌芽胞的形成过程基因启动顺序:修饰

39、核心酶、替换修饰核心酶、替换亚基亚基 T4噬菌体的时序调节依赖本身携带的蛋白对宿主的核心酶加以修饰,改变其和亚基的结合能力,乘机将本身编码的蛋白取代原来的亚基,从而改变RNA聚合酶的识别能力。ADP核糖转移酶（ADPRT）蛋白Mot取代原来的亚基 ADPR ADPR 图 16-37 T4的ADPRT修饰 E.c ol i的RNA聚合酶 (仿D.Fr e i f e i l de r:Molecular Biology1983,Fig.15.16)ADP-ADP-核糖基核糖基（ADPR）修饰亚基,降低与亚基的亲和力,而与蛋白Mot结合,启动晚期基因的表达二、二、RNARNA聚合酶的代换聚合酶的代

40、换 T7(烈性)噬菌体生活周期约25分钟,可以分为早期和晚期转录两个基本点阶段;T7 噬菌体的时序调控根据自身的感染特点采用了RNA聚合酶的代换来进行。早期使用大肠杆菌的RNA聚合酶，晚期使用T7基因1所编码的RNA聚合酶（基因0.7编码一种蛋白质激酶，使寄主的RNA聚合酶磷酸化而失活）表16-5 T7噬菌体的转录的时序调节 转录阶段 时间 聚合酶 转录组别 主要基因及功能 0.3:抑制宿主限制酶 早期转录 前6分钟 E.coli RNA Pol 转录物 10个 0.7基因：磷酸化E.coliRNAPol 1：T7 RNA Pol,单链肽 晚期转录 616 分钟 T7 RNA Pol 转录物

41、14 个，2：抑制宿主RNAPol；合成复制酶系 结构蛋白的基因 12分钟后 T7 RNA Pol 转录物 15个：编码与噬菌体粒子结构与装配有关的基因 沙门氏菌的相变相变（phase variation）Mu噬菌体的G片断倒位3,DNA3,DNA重排对基因表达的调控重排对基因表达的调控 在沙门氏细菌中，特定基因的表达与基因组内DNA重排有关。沙门氏菌含有两个不同的结构基因H1和H2，它们编码不同的鞭毛蛋白，有利于逃脱寄主抗体的进攻。沙门氏菌的相变沙门氏菌的相变 H1基因表达则产生Hl型鞭毛蛋白，这时细菌就处于I相(Phase l)；若是H2基因表达就产生H2鞭毛蛋白，细菌处于相(Phase)

42、;处于I相的细菌生长时，其中少数细菌以11000的频率而自发转变为相细菌；处于相的细菌也以同样的频率转变为I相细菌，这一过程称为相变(phase variation)相变的转变受基因上游一段DNA序列控制（倒转重复序列）14bp的倒转重复序列(IRL和IRR)之间含有基因hin，它的产物是相变酶，可催化这段995核苷酸对序列发生包括hin基因在内的倒位;H2基因的起始密码子开始于IRR右边的第17核苷酸对处，还包含下游基因转录的启动子(p)，它使H2和rH1基因表达;当发生倒位以后，这个启动子便被移到序列的另一方，且方向改为朝左，H2和rH1失去启动子而失活.H2基因与另一个基因rH1紧密连锁

43、，同属于一个操纵子,并协同表达。rHl编码Hl基因的阻遏蛋白当H2和rH1表达时，由于rHl阻遏物阻止了H1基因的表达，就只合成H2鞭毛蛋白;如果H2基因和rHl基因被关闭不表达，这时H1基因便表达，合成Hl鞭毛蛋白。1相 H 1鞭毛蛋白 不表达 H 1基因 H 2基因 r h 1阻遏物基因 2相 H 2鞭毛蛋白 阻遏物 H 1基因被阻遏图1 6-4 0 通过H 2转录单位的活性来决定沙门氏细菌鞭毛的“相”。Pphase2 IRL P hin P IRR H2 Repressor IRR P hin P IRL H2 RepressorFig16-Control of alternate ex

44、pression of Salmonella fragellar genes H1and H2 by an invertible DNA segment H2鞭毛素鞭毛素 阻遏蛋白阻遏蛋白Hin倒位酶倒位酶 H1鞭毛素鞭毛素沙门氏菌沙门氏菌H H片段倒位决定鞭毛相转变片段倒位决定鞭毛相转变hinH2IDNA启动序列启动序列H1操纵序列操纵序列转位片段转位片段hinH2IH1 Mu噬菌体的G片断倒位1,Mu是大肠杆菌的一种温和噬菌体,在整合到寄 主基因组中,很少被切离下来;2,G片断(3Kb)两端含有34bp的倒转重复序列,该 片断含有负责编码噬菌体吸附寄主的尾丝蛋白 质S和U(G+:能吸附K1

45、2,不能吸附KC品系)或S 和U(G-:能吸附KC,不能吸附K12品系);3,G片断的倒位由gin基因编码的酶催化.(a)在 病 毒 颗 粒 中 的 噬 菌 体DNA C A B U S gin 宿 主D N A G片 断 宿 主D N A (b)原 噬 菌 体DNA D R C A B U S gin D R 宿 主D N A G片 断 宿 主D N A 图16-42 M u原 噬 菌 体 和 游 离 噬 菌 体 的 结 构 可倒位的G 片 S U gin mom E.coli DNAG+方向 U S晚期基因 具有活性尾丝的 Right end of Mu转录方向 基因编码顺序 S U gi

46、n mom E.coli DNAG方向 U S 3kb图 17-43 Mu 噬菌体的G 片断倒位能产生4 种不的尾丝蛋(参考J.D.Watson et al:Molecular Biology of the Gene4ed.1987,Fig.17.27)4,4,糖体蛋白与糖体蛋白与rRNArRNA基因的协调表达基因的协调表达大肠杆菌的核糖体中含有50多种蛋白质,核糖体蛋白在体内的量是平衡的,它们与rRNA组成核糖体 糖体蛋白与糖体蛋白与rRNArRNA基因的协调表达的特点基因的协调表达的特点1,1,核糖体蛋白组成数个操纵子核糖体蛋白组成数个操纵子,每个操纵子中每个操纵子中 包含两个以上的核糖体蛋白基因包含两个以上的核糖体蛋白基因2,2,每一个操纵子编码自己的关键蛋白每一个操纵子编码自己的关键蛋白,它抑制它抑制 整个操纵子的表达整个操纵子的表达.合成核糖体蛋白的mRNA和rRNA都可以和核糖体蛋白结合,但是与rRNA的结合能力大于mRNA,当某种核糖体蛋白合成过多时,核糖体蛋白优先与rRNA结合当rRNA被饱和之后,多余的核糖体蛋白就与mRNA上的结合位点结合,这个结合位点包含或靠近S-D序列,因此核糖体就不能结合,从而降低了有关基因产物的合成