第四章原核基因表達調控詳解演示文稿當前1頁，總共131頁。優選第四章原核基因表達調控當前2頁，總共131頁?；虮磉_調控基本概念和特征乳糖操縱子色氨酸操縱子半乳糖操縱子阿拉伯糖操縱元原核基因調控的其他機制當前3頁，總共131頁。第一節基因表達調控的基本概念和特征1、基因表達調控的概念基因轉錄及翻譯的過程叫做基因表達,對這個過程的調節就稱為基因表達調控。rRNA、tRNA編碼基因轉錄合成RNA的過程也屬于基因表達當前4頁，總共131頁。2、基因表達的時間性及空間性（一）時間特異性

按功能需要某一特定基因表達嚴格按特定的時間順序發生,如病毒感染。當前5頁，總共131頁。（二）空間特異性

指在個體生長全過程，某種基因產物在個體不同組織器官表達存在差異,又稱細胞或組織特異性。當前6頁，總共131頁。

組成性表達(constitutiveexpression)適應性表達(adaptiveexpression）3、基因表達的方式當前7頁，總共131頁。組成性表達

(constitutivegeneexpression)基因較少受環境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數或幾乎全部組織中持續表達，或變化很小。如管家基因。當前8頁，總共131頁。管家基因(housekeepinggene)某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續表達。Xa21β-actin12當前9頁，總共131頁。常用的管家基因中文名稱英文縮寫Beta－肌動蛋白β-actin甘油醛3-磷酸脫氫酶GAPDHTATABox結合蛋白 TBP微管蛋白α

α-Tubulin當前10頁，總共131頁。誘導和阻遏表達在特定環境信號刺激下，有些基因的表達表現為開放或增強。誘導表達(inductionexpression)在特定環境信號刺激下，有些基因的表達表現為關閉或下降。阻遏表達(repressionexpression)當前11頁，總共131頁。4、基因表達的調控因子：蛋白質(主要)小分子RNA(某些環節)當前12頁，總共131頁。5、基因表達的調控水平

基因組轉錄

轉錄后

翻譯

翻譯后中心法則(centraldogma)當前13頁，總共131頁。原核生物基因表達的特點

1.只有一種RNA聚合酶。RNA聚合酶用來識別原核細胞的啟動子，催化所有RNA的合成。2.基因表達以操縱子為基本單位。原核基因一般不含內含子，基因是連續的。原核基因轉錄單位多為多順反子。當前14頁，總共131頁。

多順反子(polycistron)

原核基因中多個功能相關的結構基因串聯在一起構成一個轉錄單位。通常依賴同一調控序列對其轉錄進行調節，使這些相關基因實現協同表達。操縱子（operon）一個多順反子轉錄單位與其調控序列即構成操縱子。當前15頁，總共131頁。

tayz

opStructural

genepromoter啟動子promoterterminator終止子terminatoroperator操縱元件operator操縱子結構示意圖當前16頁，總共131頁。3.轉錄和翻譯偶聯進行：原核生物裸露的環形DNA，在擬核內轉錄成mRNA后，直接在胞漿中與核糖體結合翻譯為蛋白質。4.mRNA翻譯起始部位有特殊的堿基序列----SD序列。

當前17頁，總共131頁。

5.原核生物基因表達的調控主要在轉錄水平，即對RNA合成的調控。通常有兩種方式：

(1)起始調控，即啟動子調控；

(2)終止調控，即衰減子調控。當前18頁，總共131頁。第二節乳糖操縱子內容提要：操縱子學說的基本概念乳糖操縱子的結構酶的誘導——lac體系受調控的證據乳糖操縱子調控模型影響因子Lac操縱子中的其他問題當前19頁，總共131頁。一、基本概念1、操縱子模型的提出1961年，Monod和Jacob提出獲1965年諾貝爾生理學和醫學獎當前20頁，總共131頁。當前21頁，總共131頁。當前22頁，總共131頁。當前23頁，總共131頁。當前24頁，總共131頁。2、操縱子的定義操縱子：是基因表達的協調單位，由調節基因、啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關的結構基因所組成。操縱基因受調節基因產物的控制。當前25頁，總共131頁。根據操縱子對調節蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應答，可分為：正轉錄調控和負轉錄調控

當前26頁，總共131頁。調節基因操縱基因結構基因阻遏蛋白激活蛋白正轉錄調控負轉錄調控正轉錄調控如果在沒有調節蛋白質存在時基因是關閉的，加入這種調節蛋白質后基因活性就被開啟，這樣的調控正轉錄調控。當前27頁，總共131頁。調節基因操縱基因結構基因阻遏蛋白激活蛋白正轉錄調控負轉錄調控負轉錄調控在沒有調節蛋白質存在時基因是表達的，加入這種調節蛋白質后基因表達活性便被關閉，這樣的調控負轉錄調控。當前28頁，總共131頁?？烧T導調節：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關閉的狀態轉變為工作狀態，即在某些物質的誘導下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子

根據操縱子對某些能調節它們的小分子的應答，可分為可誘導調節和可阻遏調節兩大類：當前29頁，總共131頁。調節基因操縱基因結構基因阻遏蛋白調節基因操縱基因結構基因阻遏蛋白誘導物mRNA酶蛋白酶合成的誘導操縱子模型誘導物如果某種物質能夠促使細菌產生酶來分解它，這種物質就是誘導物。當前30頁，總共131頁。可阻遏調節：基因平時是開啟的，處在產生蛋白質或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關閉，阻遏了基因的表達。例：色氨酸操縱子

當前31頁，總共131頁。酶合成的阻遏操縱子模型調節基因操縱基因結構基因mRNA酶蛋白調節基因操縱基因結構基因輔阻遏物輻阻遏物如果某種物質能夠阻止細菌產生合成這種物質的酶，這種物質就是輔阻遏物。（色氨酸）當前32頁，總共131頁。二、乳糖操縱子的結構當前33頁，總共131頁。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）能透過大腸桿菌細胞壁和原生質膜進入細胞內。A編碼β-半乳糖苷乙?；D移酶：乙酰輔酶A上的乙酰基轉到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。當前34頁，總共131頁。三，酶的誘導——lac體系受調控的證據當前35頁，總共131頁。安慰誘導物：

如果某種物質能夠促使細菌產生酶而本身又不被分解，這種物質被稱為安慰誘導物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。當前36頁，總共131頁。當前37頁，總共131頁。當前38頁，總共131頁。四、乳糖操縱子調控模型主要內容：①Z、Y、A基因的產物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼

當前39頁，總共131頁。當前40頁，總共131頁。②這個mRNA分子的啟動子緊接著O區，而位于I與O之間的啟動子區（P），不能單獨啟動合成β-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。當前41頁，總共131頁。當前42頁，總共131頁。③操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結合位點。當前43頁，總共131頁。RNA聚合酶結合部位阻遏物結合部位當前44頁，總共131頁。操縱位點的回文序列當前45頁，總共131頁。

④當阻遏物與操縱基因結合時，lacmRNA的轉錄起始受到抑制。當前46頁，總共131頁。當前47頁，總共131頁。⑤誘導物通過與阻遏物結合，改變它的三維構象，使之不能與操縱基因結合，從而激發lacmRNA的合成。當有誘導物存在時，操縱基因區沒有被阻遏物占據，所以啟動子能夠順利起始mRNA的合成。當前48頁，總共131頁。當前49頁，總共131頁。組成型突變：lacOc

當前50頁，總共131頁。組成型突變：

lacI-當前51頁，總共131頁。不可誘導突變（超阻遏）：當前52頁，總共131頁。五、影響因子1、lac操縱子的本底水平表達有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的：①誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結合，而轉運誘導物需要透過酶，后者的合成有需要誘導。當前53頁，總共131頁。②真正的誘導物是異構乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的預先存在。解釋：本底水平的組成型合成：非誘導狀態下有少量的lacmRNA合成。當前54頁，總共131頁。2、大腸桿菌對乳糖的反應培養基：甘油

按照lac操縱子本底水平的表達，每個細胞內有幾個分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透過酶；培養基：加入乳糖少量乳糖透過酶進入細胞β-半乳糖苷酶異構乳糖誘導物誘導lacmRNA的生物合成大量乳糖進入細胞多數被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）異構乳糖當前55頁，總共131頁。乳糖當前56頁，總共131頁。誘導物的加入和去除對lacmRNA的影響當前57頁，總共131頁。3、阻遏物lacI基因產物及功能Lac操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的，每個細胞中有5-10個阻遏物分子。當I基因由弱啟動子突變成強啟動子，細胞內就不可能產生足夠的誘導物來克服阻遏狀態，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導。當前58頁，總共131頁。4、葡萄糖對lac操縱子的影響如果將葡萄糖和乳糖同時加入培養基中，lac操縱子處于阻遏狀態，不能被誘導；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會誘導lac操縱子表達分解乳糖所需的三種酶。

當前59頁，總共131頁。5、cAMP與受體蛋白

腺苷酸環化酶將ATP轉變為cAMP,cAMP與其受體蛋白結合,形成cAMP—CAP復合物,當前60頁，總共131頁。ZYAOPDNA調控區CAP結合位點啟動序列操縱序列結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉移酶cAMP—CAP復合物當前61頁，總共131頁。當前62頁，總共131頁。ATP腺甘酸環化酶cAMP（環腺甘酸）

大腸桿菌中：無葡萄糖，cAMP濃度高；

有葡萄糖，cAMP濃度低當前63頁，總共131頁。++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時促進轉錄有葡萄糖，cAMP濃度低時不促進轉錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調控當前64頁，總共131頁。當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統不能發揮作用如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。cAMP—CAP復合物與啟動子區的結合是轉錄起始所必需的。協調調節單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。當前65頁，總共131頁。乳糖操縱元的主要結構當前66頁，總共131頁。第三節色氨酸操縱子（trpoperon）內容提要：色氨酸操縱子的結構色氨酸操縱子的阻遏系統色氨酸操縱子的弱化機制當前67頁，總共131頁。一、色氨酸操縱子的結構

調控基因結構基因

催化分枝酸轉變為色氨酸的酶

當前68頁，總共131頁。合成色氨酸的操縱子當前69頁，總共131頁。色氨酸操縱子特點:(1)trpR和trpABCDE不連鎖；

(2)操縱基因在啟動子內

(3)有衰減子(attenuator)/弱化子(4)啟動子和結構基因不直接相連，二者被前導序列(Leader)所隔開當前70頁，總共131頁。二、trp操縱子的阻遏系統低Trp時：阻遏物不結合操縱基因;高Trp時：阻遏物+Trp結合操縱基因當前71頁，總共131頁。

問題？對trp酶系統來說,本底合成是除阻遏合成的1/70，而實際情況下是1/700，為什么???當前72頁，總共131頁。1、弱化子：在trp操縱子的DNA中，可導致轉錄過早終止的一段核苷酸序列。當前73頁，總共131頁。引起終止的mRNA堿基序列，發現該區mRNA通過自我配對可以形成莖-環結構，有典型的終止子特點。當前74頁，總共131頁。2、前導序列：在trpmRNA5’端trpE基因的起始密碼前一個長162bp的mRNA片段，把此片段叫做前導序列。當前75頁，總共131頁。當前76頁，總共131頁。3、弱化機制當前77頁，總共131頁。當前78頁，總共131頁。當前79頁，總共131頁。當前80頁，總共131頁。當前81頁，總共131頁。當前82頁，總共131頁。當前83頁，總共131頁。作用機理：1轉錄和翻譯是緊密耦連的2前導序列中存在終止子結構3前導序列中有兩個色氨酸密碼子衰減子作用的實質是以翻譯手段控制基因的轉錄當前84頁，總共131頁。二級控制的生物學意義？1活性阻遏物和非活性阻遏物的轉變較慢,而tRNA荷載與否可能更為靈敏;2氨基酸的主要用途是用來合成蛋白質,tRNA荷載為標準來控制可能更為恰當;3活性阻遏物決定基礎水平的控制系統,(主旋鈕)衰減子在此基礎上進行微細調節(細旋鈕),避免浪費,提高效率。當前85頁，總共131頁?？偨Y：色氨酸操縱子:1操作子完全位于啟動子的內部,活性阻遏物與操作子的結合,排斥了RNA聚合酶的結合;2色氨酸作為輔阻遏物激活無活性的無輔基阻遏蛋白(trpR的產物);3存在前導序列和衰減子序列,便于對色氨酸操縱子進行精細的調控。當前86頁，總共131頁。第四節半乳糖操縱子(galactoseoperon)半乳糖表異構酶(galE)半乳糖轉移酶(galT)

半乳糖激酶(galk)當前87頁，總共131頁。半乳糖操縱子當前88頁，總共131頁。激酶K半乳糖轉移酶T差向異構酶E半乳糖半乳糖+葡萄糖半乳糖-1-磷酸乳糖UDP-葡萄糖UDP-半乳糖葡萄糖UDP轉移酶T細胞壁1．半乳糖操縱子當前89頁，總共131頁。包括3個結構基因：

異構酶(galE)，

半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉移酶(galT)，

半乳糖激酶(galk)。

這3個酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖-1-磷酸。GalR與galE、T、K及操縱區O等離得很遠，而galR產物對galO的作用與lacI-lacO的作用相同。galEgalTgalkgalRPOP當前90頁，總共131頁。當前91頁，總共131頁。因為半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人們猜想葡萄糖存在時半乳糖操縱子不被誘導，但實際上有葡萄糖存在時，gal操縱子仍可被誘導。當前92頁，總共131頁。半乳糖操縱子的結構當前93頁，總共131頁。①它有兩個啟動子，其mRNA可從兩個不同的起始點開始轉錄；②它有兩個操作基因位點，一個在P區上游，另一個在結構基因galE內部。半乳糖操縱子的特點當前94頁，總共131頁。當前95頁，總共131頁。從S1起始的轉錄只有在培養基中無葡萄糖時，才能順利進行，RNA聚合酶與S1的結合需要半乳糖、CAP和較高濃度的cAMP。從S2起始的轉錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由這個啟動子起始的轉錄。當有cAMP-CAP時，轉錄從S1開始，當無cAMP-CAP時，轉錄從S2開始。當前96頁，總共131頁。為什么gal操縱子需要兩個啟動子？(重要基因)

半乳糖不僅可以作為唯一碳源供細胞生長，而且與之相關的物質--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大腸桿菌細胞壁合成的前體。在沒有外源半乳糖的情況下，UDP-gal是通過半乳糖差向異構酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，該酶是galE基因的產物。當前97頁，總共131頁。阿拉伯糖操縱元第五節當前98頁，總共131頁。

阿拉伯糖操縱子(araoperon)阿拉伯糖(arabinose)是可作為碳源的五碳糖。參與阿拉伯糖代謝酶的基因分布于3個操縱子中，但由一個調節基因（araC）的產物調控。當前99頁，總共131頁。araBAD是一個基因簇，araB基因編碼核酮糖激酶，araA編碼L-阿拉伯糖異構酶，araD編碼L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構酶,共同參與阿拉伯糖的降解。阿拉伯糖L-核酮糖L-核酮糖5-PL-木糖5-PL-核酮糖激酶L-阿拉伯糖異構酶L-核酮糖異構酶調控蛋白當前100頁，總共131頁。araBAD和araC基因的轉錄是分別在兩條鏈上以相反的方向進行的，araBAD基因簇從啟動子PBAD開始向右進行轉錄，而araC基因則是從Pc向左轉錄。當前101頁，總共131頁。AraC蛋白具有Pr和Pi兩種形式,Pr是起阻遏作用的形式，可與操縱區位點相結合，而Pi是起誘導作用的形式(AraC蛋白+阿拉伯糖)，它通過與PBAD啟動子結合進行調節。AraC蛋白同時顯示正、負調節因子的功能。當前102頁，總共131頁。沒有AraC蛋白時，由Pc啟動子起始araC本底水平的轉錄,然后AraC蛋白(Pr)結合araO1

,轉錄馬上被抑制；當前103頁，總共131頁。葡萄糖水平較高時，AraC二聚體(Pr)結合在araO2和araI使DNA成環，阻遏araBAD的表達;araC基因本底水平表達.當前104頁，總共131頁。有阿拉伯糖但無葡萄糖存在時，AraC與阿拉伯糖相結合，變構成為激活蛋白(Pi)

，與araI區相結合，在CRP-cAMP的共同作用下起始結構基因表達。此時也可激活AraC蛋白的大量表達.當AraC蛋白表達量過大時,結合于araO1位點,阻遏AraC蛋白的表達.當前105頁，總共131頁。本底水平的轉錄,馬上被抑制本底水平的轉錄,馬上被抑制araC,araBAD高效表達,當前106頁，總共131頁。

總結1)阿拉伯糖操縱子有兩個啟動子Pc和PBAD，可以雙向轉錄；2)AraC蛋白是雙功能的，單純的C蛋白結合于araO1，起到阻遏的作用；當C蛋白和誘導物Ara結合成復合體時，即誘導型的C蛋白，它結合于araI區,使RNA聚合酶結合于PBAD位點，轉錄BAD三個基因和C基因；3)過量的C蛋白結合araO1時也反饋性阻遏了其本身的表達4)C蛋白的兩種狀態功能不同，結合的位點也不同。誘導型的C結合于araI；阻遏型的C可結合于araO1和araO2；當前107頁，總共131頁。第六節原核基因表達調控的其他形式σ亞基的替換RNA聚合酶的代換DNA重排對轉錄起始的調控核糖體蛋白與rRNA基因的協調表達翻譯釋放因子的自我調控當前108頁，總共131頁。

一、σ亞基的替換枯草桿菌（B.subtilis）中σ因子用于轉錄起始的調節大部分σ因子轉換的例子都發生在孢子形成（sporulation）中,孢子形成分為三個階段:（1）DNA復制；（2）在細胞的一端基因組被分離；（3）分離的基因組外包上一層外殼。當前109頁，總共131頁。當前110頁，總共131頁。σ55(分子量55kD)識別營養階段的啟動子σ28負責轉錄探測營養耗盡和起始芽孢形成反應的基因σ32,σ37負責早期芽孢形成基因σ29負責中晚期芽孢形成基因σ55σ28無活性σ32,σ37枯草芽胞桿菌芽胞的形成過程基因啟動順序:當前111頁，總共131頁。修飾核心酶、替換σ亞基T4噬菌體的時序調節依賴本身攜帶的蛋白對宿主的核心酶加以修飾,改變其和σ亞基的結合能力,乘機將本身編碼的蛋白取代原來的σ亞基,從而改變RNA聚合酶的識別能力。ADP-核糖轉移酶（ADPRT）蛋白Mot取代原來的σ亞基當前112頁，總共131頁。ADP-核糖基（ADPR）修飾α亞基,降低與σ亞基的親和力,而與蛋白Mot結合,啟動晚期基因的表達當前113頁，總共131頁。二、RNA聚合酶的代換T7(烈性)噬菌體生活周期約25分鐘,可以分為早期和晚期轉錄兩個基本點階段;T7噬菌體的時序調控根據自身的感染特點采用了RNA聚合酶的代換來進行。早期使用大腸桿菌的RNA聚合酶，晚期使用T7基因1所編碼的RNA聚合酶（基因0.7編碼一種蛋白質激酶，使寄主的RNA聚合酶磷酸化而失活）．當前114頁，總共131頁。當前115頁，總共131頁。沙門氏菌的相變（phasevariation）Mu噬菌體的G片斷倒位3,DNA重排對基因表達的調控當前116頁，總共131頁。在沙門氏細菌中，特定基因的表達與基因組內DNA重排有關。沙門氏菌含有兩個不同的結構基因H1和H2，它們編碼不同的鞭毛蛋白，有利于逃脫寄主抗體的進攻。沙門氏菌的相變當前117頁，總共131頁。H1基因表達則產生Hl型鞭毛蛋白，這時細菌就處于I相(Phasel)；若是H2基因表達就產生H2鞭毛蛋白，細菌處于Ⅱ相(PhaseⅡ);處于I相的細菌生長時，其中少數細菌以1／1000的頻率而自發轉變為Ⅱ相細菌；處于Ⅱ相的細菌也以同樣的頻率轉變為I相細菌，這一過程稱為相變(phasevariation)當前118頁，總共131頁。相變的轉變受基因上游一段DNA序列控制（倒轉重復序列）14bp的倒轉重復序列(IRL和IRR)之間含有基因hin，它的產物是相變酶，可催化這段995核苷酸對序列發生包括hin基因在內的倒位;H2基因的起始密碼子開始于IRR右邊的第17核苷酸對處，還