1、 第十六章 原核生物基因表達的調原核生物基因表達的調控控第一節第一節 轉錄水平的調控轉錄水平的調控一. 操縱子模型：1.調節基因和結構基因. p laci p o lacz lacy lacadna1040823510780825mrna多肽3603810211252603027530氨基酸分子量(kda)蛋白四聚體152四聚體500膜蛋白30二聚體60結構分子量(kda)功能阻遏蛋白-半乳糖苷酶 透性酶轉乙酰酶 乳糖操縱子的結構和功能(仿 b.lewin:genes,1997, fig .12.3)操縱子操縱子（operon)順式作用元件順式作用元件（cis-acting element）結

2、構基因結構基因（ structural genes）調節基因調節基因（regulator genes）。反式作用因子反式作用因子（trans-acting factor）。誘導物誘導物（inducer）和效應物效應物（effectors）可誘導可誘導的基因和組成型基因組成型基因控制位點控制位點（controlling site）誘導誘導（induction）2.正調控和負調控正調控負調控誘導(induction)阻遏(repression)誘導物(inductor)阻遏物(repressor)輔阻遏物(corepressor) 使阻遏蛋白具有活性或使活性蛋白失去活性的物質稱。 負調控 正調控

3、lac o ara o 誘 導 失活的阻遏物 活化的激活蛋白 阻遏物 誘導物 失活的活性蛋白 誘導物 阻遏 誘導 阻遏 誘導 trp o 阻 遏 失活的活性蛋白 輔-阻遏物 活化的激活蛋白 輔-阻遏物 失活的活性蛋白 誘導 阻遏 誘導 阻遏 圖 16-1 原核生物結構基因的 4 種表達調控類型 (仿 b.lewin:genes,1997, fig .12.21) 未發現二二.乳糖操縱子乳糖操縱子1 調控位點 (1) operator 操縱基因 (2) cap(catabolite gene activation protein) or crp(camp受體蛋白)結合位點 (3) promoto

4、r 2 別乳糖為誘導物 3 本底組成型(background constitutive synthesis) 組成型(constitutive gene) 即看家基因（houskeeping gene) 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 oh h oh 葡萄糖 半乳糖 圖 16- 乳糖分解的

5、不同產物乳糖 轉錄起始點 dna 解鏈區 50 40 30 20 10 1 10 20 30 rna 聚合酶結合的起動子區 阻遏物結 合的操縱基因區 圖 16-4 在 lac 操縱子上阻遏物結合區和 rna 聚合酶結合區的重疊 誘導物的加入和去除對lac mrna的影響 未誘導：結構基因被阻遏 阻遏物 四聚體 laci p o lacz lacy laca 圖 16- 當無誘導物時阻遏物結合在操縱基因上 誘導：基因被打開 -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉移酶 圖 16-7 誘導物和阻遏物成為調節操縱子的開關 3.操縱子的發現1961年 jacob & monod構建部分二倍體(laci-/

6、flaci+)lacis 阻遏蛋白不可誘導性突變，阻遏 蛋白失去誘導物結合位點laci- 阻遏蛋白不能形成寡聚物laci-d 阻遏蛋白不能和dna結合，且呈 負互補(反式顯性)oc 操縱基因的組成型突變表 16-1 在單倍體和部分二倍體中-半乳糖苷酶透過酶的合成基因型-半乳糖苷酶透過酶不誘導誘導不誘導誘導 i +z +y + i z +y +i +z y + / fi z +y +i z y + / fi +z +y +i z y + / fi z +y -(i,z,y)/ fi z +y +o +z +y +o +z +y + / fo +z y +o cz +y +o +z +y- / f

7、o cz +y +o +z +y + / fo cz y +o +z y + / fo cz +y -i so +z +y +/fo cz +y +:表示缺失， “”表示酶以最高水平存在， “”表示酶以最低水平存在 (二二) 阻遏蛋白和誘導物的互作阻遏蛋白和誘導物的互作誘導誘導（induction）誘導物誘導物（inducers）異丙基-d-硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside,iptg）安慰誘導物安慰誘導物（gratuitous inducer） 多順反子多順反子mrna 變構調控變構調控（allosteric control） 協同調控協同調控（coordinat

8、e regulation）一系列基因受同一操縱子的調控。 基因簇基因簇(cluster) 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構 active repressor cannot bind to o c mutant operantor operon is transcribed and translated laci o c operantor -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉移酶 圖 16-7 操縱基因發生組成型突變，操縱子組成型表達 inactive repressor lacigene sythesizes

9、defective repressor that does not bind to dna operon is transcribed and translated laci operantor -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉移酶 圖 16- lac i 發生突變，操縱子組成型表達 inactive repressor lacigenesythesizes defective repressor that does not bind to dna laci + gene sythesizes laci operator wild-type repressor which bind to oper

10、ator laci + inducer displaces wild-type repressor from operator as usual 圖圖 16- constitutive mutations in the laci gene are recessive. repressor has lost laci s genesythesizes iducer-binding site defective repressor that cannot bind inducer; it binds permanently to operator laci s operantor laci + w

11、ild-type repressor does not influence dna-binding of lacs repressor 圖圖 16- uninducible lac s mutations are dominant 等位基因間的互補等位基因間的互補（interallelic complementation）。負的互補負的互補（negative complementation） laci-d的產物和laci+的產物組成多聚體時，阻遏蛋白無活性。反式顯性反式顯性（trans-dominant）顯性失活顯性失活（dominant negatives） 阻遏蛋白和操縱基因的結合與解離操

12、縱基因的結構阻遏蛋白的結構：n端159aa頭部片段：為hth，與操縱基因dna的大溝結合；核心區：有6個折疊，誘導物就結合在兩個核心區之間的裂縫中；c端為兩組亮氨酸拉鏈，形成四聚體。 操縱位點的回文序列 阻遏蛋白單體的結構 helix-turn-helix core domain1 core domain2 1 51 80 360 dna binding hinge inducer binding oligomerization 圖 16- 阻遏蛋白單體的結構和功能阻遏蛋白單體的三級結構 startpointgalarohtrptrprlac promoter operator locatio

13、n 圖 16-13 操縱基因可位于啟動子不同的相對位點誘導物的結合解離模型(a) (b)圖1610 誘導物作用模型。(a)平衡模型，誘導物與游離的阻遏物結合，打破了其游離與結合之間的平衡；(b)解離模型，誘導物直接與結合在操縱位點上的阻遏物結合，使其釋放(仿 b.lewin:genes,1997, fig .12.13)誘導物和阻遏蛋白結合的模型 維持阻遏 過量的阻遏物可結 合在 dna 阻遏物結合在 的其它位點 操縱基因上 aaaa aaa a a 誘導物 a 誘導 所有的阻遏物都結合 a a 在 dna 的隨機位點上 a a a aa 誘導物解離 a 建立阻遏 阻遏物恢復 活性狀態 a a

14、 a 阻遏蛋白通過直接取代 a 從隨機位點移向 a 操縱基因 a a a a a a 圖 16-14 在細胞中所有的阻遏蛋白都結合在 dna 上 (仿 b.lewin:genes,1997, fig .12.18) 阻遏能發生在多個位點上aroh gccg aatgtactagagaactagtgc attagcttatttttttgttatcatgctaamrnatrp aatc atcgaactagttaactagtac gcamrnatrpr tgct atcgtactctttagcgagtac aaccmrna 操 縱 區 域13 圖 16-16 trp 阻遏物識別三個位點上的操縱區(

15、仿 b.lewin:genes,1997, fig .12.19)199 f cap結合位點 camp是由腺苷環化酶腺苷環化酶（adenylate cyclase） 催化合成cap（catabolite activator protein）cap以兩種方法來激活轉錄： （1）它可能直接和rna pol相互作用； （2） 作用于dna，改變其結構，從而幫 助rna pol結合。 nh2 p p poch2 atp oh oh glucose dna adenylcyclase ihibition ? rna pol + cyclic amp + protein factor needed for

16、 nh2 transcription to tack place och2 “ x” protein factor cyclic amp (catabolite) rna p o oh stimulation phosphodiesterase nh2 p och2 5amp oh oh 圖16- control of catabolite-sensitive transcription through cyclic amp 葡萄糖 atp 減少 camp atp 活化的 cap 失活的 cap atp 轉錄 不轉錄 圖16-17 圖16-17 通過減少 camp 的水平葡萄糖導致了分解代謝的

17、阻遏 轉錄 a a n t g t g a n n t n n n t c a n a t t n n t t n a c a c t n n a n n n a g t n t a a n n 高度保守 低度保守 5 聚體 5 聚體 圖 16-19 cap 結合位點的保守順序 (仿 b.lewin:genes,1997, fig .12.24) lac c a a t t a a t g t g a g t t a a c t c a c t c a t t a gal a a a t t c t t g t g t a a a c g a t t c c a c t a a t t t 圖

18、 16-22 lac 操縱子和 gal 操縱子上 camp-cap 位點的比較 (仿 d.freifeilder:molecular biology1983,fig.14.15) 轉錄起點 gal lac ara 啟動子 cap 結合位點 操縱基因 圖 16-20 cap 蛋白可結合于相對于啟動子的不同位點 (仿 b.lewin:genes,1997, fig .12.25) 第二節第二節 操縱子的其它調控形式操縱子的其它調控形式一半乳糖操縱子一半乳糖操縱子（gal operon）1.結構2.特點： (1)雙啟動子； (2)雙操縱基因； (3) 無35順序； (4) oe在cap位點內，oi在

19、 gene e內 gal 既可為碳源，同時udpgal 又是合成細菌細胞壁的重要前體 gal e p1 camp-cap galkte oi p2 oe (17 ) galr galu (62 ) (27 ) k t e po galu galr mrna glu-1-p 阻遏物 gal 激酶 gal 轉移酶 表面異構酶 尿苷轉移酶 udp-gludp-glu u gal gal-1-p udp-gal gal-1-p udp-gal + + gal-1-p gal-1-p 圖 16-23 e.coli gal 操縱子的結構，在染色體上的分布及其產物 gal 操縱子的結構 aaattcttgt

20、gtaaacgattccactaattta p1 -17 -11 p2 +cap gale 起始點 tatgcta cap ggaa 76 cap 位點 47 camp-cap 位點 -10s2 s-d galoi 90 90 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 +1 +10 +20 +30 +40 +50 +6010 +1 +10 +20 +30 +40 +50 +60 ttgtgtaaacgattccactaa tatggtt galoe 12 (10s1 ) 6 圖 16-24 gal 操縱子具有雙啟動子(p1，p2 )和雙操縱基因

21、(galoe,galoi ) 3.調節(1) 有gal p1啟動 k,t,e 轉錄 無 glu 無gal p1不啟動 無gal oe,o i 結合形成環，僅轉 有 錄20b 有gal p2啟動 s2 轉錄e,組成型(2) cap-camp對p1 正調節，對p2 抑制 (3) 阻遏物對p1，p2 都是負調控， cap-camp 含量少時p2 可轉錄 (機制不清)(4)p1與rna pol親和力 p2與rna pol親和力二阿拉伯糖操縱子(ara o)1. 結構:具有正負調節功能的操縱子2.特點： (1) arac有雙功能 a.純c結合arao1,阻遏；b. c+ara c ind,結合于arai

22、，誘導，正調節(2) arac本身也受操縱調節；(3) arac有三個結合位點(o1,o2和arai)(4) 是調節子(regulon)(5)雙向轉錄；(6)pc和o1重疊；(7)c 自身調節 ara 操縱子的結構 (1) (50) (55.5) arad araa arab arai arac araf arae pbad pc 表面異構酶 異構酶 核酮糖激酶 調節蛋白 周質蛋白 透性酶 d-木酮糖-5-p l-核酮糖-5-p l-核酮糖 l-阿拉伯糖 l-阿拉伯糖 rna pol cap rna pol 細胞膜 arabad 位點 cind 位點 結合位點 arac arao2 +1 40

23、 78 144 200 265 294 300 100 arao1 圖16-25 ara 操縱子 的結構及 其編碼的酶所催化的生化反應 arai 有有 ara,glu,ara,glu,無無 capcap rna pol arai cap rna pol 位點 cind 位點 結合位點 arac arao2 +1 40 78 144 200 265 294 300 100 arao1 c 蛋白 有有 ara,ara,無無 glu,glu,有有 capcap rna pol arai cap rna pol 位點 cind 位點 結合位點 arac arao2 +1 40 78 144 200 265 294 300 100 arao1 arabad c 蛋白 ara 圖 16- ara o 的調節 (a) -300 -200 arad araa arab rna pol aracind cap +1 pbad ara camp (b) 300 arao2 200 arac +1 arai -100 圖 16 26 ara 操縱子的誘導