關于原核生物基因表達的調控第一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日6.1.1DiscoveryofOperon

1961年,F.Jacob&J.Monod提出,此后不斷完善。獲1965年諾貝爾生理學和醫學獎1940年，Monod發現：細菌在含葡萄糖和乳糖的培養基上生長時，細菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉變期，細菌的生長會出現停頓。即產生“二次生長曲線”。文獻：細胞中存在兩種酶，即組成酶與誘導酶1947年，報告：“酶的適應現象及其在細胞分化中的意義”FrancisJacob

JacquesMonod

6.1乳糖操縱元第二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日1951年，Monod與Jacob合作，發現兩對基因：Z基因：與合成β-半乳糖苷酶有關；I基因：決定細胞對誘導物的反應。Szilard：I基因決定阻遏物的合成，當阻遏物存在時，酶無法合成，只有有誘導物存在，才能去掉該阻遏物。

Jacob：結構基因旁有開關基因（操縱基因），阻遏物通過與開關基因的結合，控制結構基因的表達。第三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日乙酰基轉移酶半乳糖苷透性酶?-半乳糖苷酶操作位點乳糖操縱元結構調節基因第四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日操縱元是一種完整的具有特定功能的細菌基因表達和調節的單位，包括調節基因，操縱位點，結構基因，組成一個控制單元結構基因：產生mRNA,合成蛋白質操縱位點promotor,operator：啟動子結合位點調節基因：產生調節蛋白（與操縱位點結合）→結構基因不轉錄誘導物存在時，可與阻遏蛋白結合→結構基因轉錄ControlelementStructuralgenes第五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日6.1.2酶的誘導現象B-半乳糖苷酶第六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日分解底物的酶只有在底物存在時才出現！無乳糖時，幾個B-gal/cell

加入乳糖時，5000個再去掉乳糖，lacmRNA下降

乳糖能激發lacmRNA的合成

乳糖的誘導作用是由酶前體轉化而來，還是誘導新酶合成？培養基（35S-aa,無乳糖）→E.coli繁殖→培養基（無35S-aa,加入乳糖）→β-gal(無35S)第七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日6.1.3調控機理1調控區結構lacI,1045bp，獨立PiP,82bp，－82～＋1O,35bp，－7～＋28lacZYA第八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日2.阻遏狀態第九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日3誘導狀態誘導物誘導作用：在可誘導的操縱元中，加入對基因表達有調節作用的小分子后，開啟基因的轉錄活性第十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日4誘導物不是乳糖生成lac誘導物乳糖代謝Allolctose異構乳糖別乳糖細胞內β-半乳糖苷酶來源?第十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日6.1.4阻遏蛋白的作用機制1阻遏蛋白結構38KD，4聚體，一個亞基結合一個乳糖分子lacI

組成型轉錄

Pi弱啟動子，

5－10個／cell具有二重性阻止轉錄（與lacO結合）開始轉錄（與誘導物結合）第十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

阻遏蛋白的結構域

頭段，-NH2端，lacO結合區絞鏈區

核心段，-COOH，誘導物結合區第十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日4個亞基的核心片段接觸形成四聚體第十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

對稱軸，+11對稱序列，6bp

阻遏蛋白的結合位點－－lacO的結構第十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日3阻遏蛋白對RNApol功能的影響阻遏蛋白和RNApol可同時與DNA結合

RNApol與啟動子結合的平衡常數1.9X107

有阻遏蛋白時,2.5X109結合著的RNApol不能轉錄.但加入誘導物后,釋放出阻遏蛋白,變為開放型啟動子復合物.阻遏蛋白實際上使RNApol貯存在啟動子上。這一模式是否存在于其它操縱元系統中？第十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日+glucose-glucoseTime(hr)Unitsof-galactosidase+lactoseGlucoseadded6.1.5lacoperon的正調控

1代謝物阻遏效應實驗，在lac＋Glu培養基上

E.coli只利用G，只有G

耗盡時，才會利用lac葡萄糖抑制lacmRNA的轉錄：

可阻止誘導物引起的阻遏物失活效應僅去掉阻遏物并不能啟動lac基因表達,有其它因素參與第十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日葡萄糖對lac操縱元表達的抑制是間接的

乳糖的降解是通過cAMP與CAP結合起作用的

cAMP:環化腺苷酸CAP,cataboliteactivatorprotein

由crp編碼CRP,catabolitereceptorprotein第十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日2CAP結合位點CAP為二聚體，45KD，被cAMP激活結合位點～22bpI-70~-50II-50~-40第二十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日由于序列的差異，使不同基因受cAMP激活的水平不同結合位點序列保守第二十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日3CAP的結合對DNA構型的影響DNA彎曲彎曲點位于CAP結合位點二重對稱的中心彎曲使CAP能與啟動子上的RNApol接觸第二十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日（1）CAP結合位點與轉錄起始點的位置CAP與轉錄起始點的距離，相距數個整雙螺旋CAP結合位點在啟動子的上下游，都能發揮作用4

CAP對轉錄的影響第二十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日（2）基因轉錄對cAMP—CAP系統的依賴性，

與啟動子本身的效率有關cAMP-CAP復合物的結合，使位點II附近的富含GC區域雙螺旋結構穩定性降低，因而-10區的熔解溫度降低，促進開放型啟動子復合物的形成第二十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日（3）CAP激活轉錄的方式CAP直接作用于RNApola亞基缺失RNApola亞基的—C末端時，失去受CAP激活的能力作用于DNA，改變其結構第二十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日6.1.6lacoperon的其它問題1.lacoperon的功能是在正負兩個調控體系的協調作用(coordinateregulation)下實現的。阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP不發揮作用；如沒有CAP加強轉錄，即使阻遏蛋白從P上解聚仍無轉錄活性CAP組成型合成，所以cAMP－CAP復合物取決于cAMP含量腺苷酸環化酶位于細胞膜上，其活性與葡萄糖運輸的酶有關，因此cAMP－CAP調控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖類代謝有關的酶降解物敏感型操縱元：只要有葡萄糖存在，這些操縱元就不表達

第二十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日2.A基因及其生理功能編碼B-半乳糖苷乙酰基轉移酶，使半乳糖苷乙酰化。該酶不參與乳糖代謝！生理意義：在細胞中有許多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷類物質，其分解產物不能進一步代謝，積累，抑制細胞生長。半乳糖苷乙酰化后，即無毒.所以lacA雖不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物質的積累3.lac基因產物數量，1：0.5：0.2

不同酶的數量差異,是由于在翻譯水平上的調節.方式有二:核糖體脫離:多順反子的差別性翻譯

內切酶作用:在lacmRNA分子內部，a基因比z基因更易受內切酶作用第二十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日Summary第二十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第三十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日SummaryoflacoperonregulationGlucosecAMPLactoseTranscriptionoflacmRNAHighLowPresentlowrateofexpressionHighLowAbsentessentiallynoneLowHighAbsentessentiallynoneLowHighPresenthighrateofexpression第三十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日6.2Trpoperon生物細胞中的氨基酸合成，也受操縱元的調節。細胞需要某種氨基酸時，其基因即表達，不需要時基因關閉，達到經濟的原則。第三十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日trpR,阻遏蛋白P，-40~+18O,-21~+1L,+1~+162結構基因t,A下游36bp,不依賴pt’,t下游250bp，依賴p6.2.1基因組成第三十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日sne298第三十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日6.2.2Trpoperon的阻遏系統1TrpR四聚體第三十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日阻遏蛋白＋trp

→有活性的阻遏物SNE299＋trpO→不轉錄第三十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日2阻遏蛋白的結合位點

trpO-21~+1，反向重復序列trpP-40~+18活性阻遏物與trpO的結合與RNApol與啟動子的結合發生競爭SNE299第三十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日3阻遏系統主管轉錄是否啟動，在培養基中有少量Trp時，mRNA起始合成，但不能自動延伸，一般在trpE之前終止轉錄

粗調開關第三十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日6.2.3弱化作用

attenuation1弱化子，衰減子，α前導RNA，140bpα第三十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日弱化子，衰減子，α第四十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日序列分析發現，其中4個片段進行配對，形成不同的二級結構Terminator第四十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日

S3122前導肽14aa第四十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第四十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日3轉錄弱化作用LackoftrpLackofaminoacyltRNARibosomepauseattrpcodons,occludingsequence1Form2:3hairpinanti-terminator

TranscriptionintotrpEandbeyond第四十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日HightrpTrpisinsertedatthetrpcodonsTranslatetotheendofleadermessageRibosomeoccludesequence2Terminatetranscriptionat(3:4formterminator)第四十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日弱化子對轉錄調控的關鍵空間結構，10thand11thcodonsencodetrpresidues(rareAA)時間，核糖體停頓在2個Trp密碼子上時，產生延宕，此時4區未轉錄出來Theleaderpeptideistodeterminertrpavailabilityandtoregulatetranscriptiontermination14–amino-acid(encodedby27-68oftheleaderRNAsummary第四十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日6.2.4阻遏作用與弱化作用的協調

阻遏效率啟動子的轉錄起始頻率在R+和R-相差70倍弱化作用

trp存在時，約有10％的RNApol僥幸轉錄trp操縱子具有雙重調節體系？第四十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日Negative—repressibleoperon可以被最終合成產物所阻遏RPOleadingseq.EDCBAtrp+為什么需要阻遏體系？當大量Trp存在時，阻遏系統起作用。阻遏物與之結合，阻止先導mRNA合成。

經濟第四十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日僅有少量trp時，RNApol啟動，但在L.S.處脫落，轉錄中斷RPOleadingseq.EDCBA少量trp+不足以結合

O

位點為什么需要弱化系統？當trp濃度低時，阻遏物從有活性變為無活性，速度極慢，不能很快引發trp合成。因此需要一個能快速作出反應的系統，以保持培養基中適當的Trp水平,弱化系統恰恰符合此要求。第四十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第五十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日6.2.5正控制系統和負控制系統1負控制系統：在沒有調節蛋白質存在時基因表達，加入調節蛋白后基因表達活性被關閉阻遏蛋白：負控制系統中的調節蛋白第五十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日Addsignalmol.OperonoffCo-repressor輔阻遏物Addsignalmol.OperononInducer誘導物(inducibleoperon)(repressibleoperon)負控誘導負控阻遏第五十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日2正控制系統：沒有調節蛋白質存在時基因關閉,加入這種調節蛋白質后基因活性被開啟誘導蛋白第五十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日6.3基因轉錄的時序調控概念：原核生物在生長發育的各個階段，基因的表達是按照一定時間順序進行的意義有效利用能源避免不適當的表達，造成的危害途徑亞基的更換（枯草桿菌，E.coli，T4phage）

T7噬菌體生長過程中RNApol的替代噬菌體基因表達的調控第五十四頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日亞基的更換8.3.1枯草桿菌噬菌體SPO1早中晚基因表達的轉換SPO1，烈性噬菌體如何實現早中晚基因表達的轉換?通過更換亞基，使SPO1的早中晚基因有條不紊地表達因子的負責識別啟動子的保守序列，是轉錄起始唯一需要的因子。許多細菌能生產多種可取代的因子，以識別不同的啟動子。當細胞從基本的轉錄機制轉入各種特定基因表達時，需要不同的因子指導RNA聚合酶與各種啟動子結合第五十五頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日早期，2‘55，產生gp28gp28

取代

55第五十六頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日中期，gp28取代55產生gp33,gp34第五十七頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日晚期,gp33,gp34取代

gp28，

55第五十八頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日枯草桿菌中每個因子都能識別具有特征性的一致序列的一組啟動子調節蛋白質相互取代的原因，可能是它們與核心酶的親和力所決定的第五十九頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日6.4小分子RNA的翻譯調節6.4.1干擾mRNA的互補RNAmRNA－interferingcomplementaryRNA1983年，Mizuno,Simon幾乎同時發現RNA可作為調節因子，與調節蛋白一樣，RNA合成后，可擴散到靶位點。RNA也可作為調節物質？！反義RNA，可與mRNA結合結合位點是S-D,AUG,部分N端密碼子與RNA形成雙螺旋結構，作為內切酶底物與轉錄產物結合，使轉錄提前終止第六十頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日例，Ecoli中外膜蛋白ompF的表達調控λ噬菌體，cII蛋白抑制晚期基因轉錄Tn10中轉座酶翻譯的調節第六十一頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日6.4.2Ecoli中ompF

基因的翻譯調節Env，編碼滲透壓感受器的受體蛋白ompC低滲時，ompC關閉，ompF增加高滲時，ompC增加，ompF下降ompC與ompF是外膜蛋白，受培養基滲透壓的調節第六十二頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日第六十三頁，共七十頁，編輯于2023年，星期日RNAi技術1998年2月，AndrewFire等將單鏈RNA純化后注射線蟲時發現，基因抑制效