第六章原核基因表達調控模式一.概述

2.基因表達的方式按對刺激的反應可分為：(1)

組成性表達

管家基因（housekeepinggene）

在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續表達的基因。其蛋白質被稱為

組成型蛋白質。此類基因表達只受啟動子序列或啟動子與RNA聚合酶相互作用的影響，不受其他機制的調節。目前一頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式一.概述

誘導和阻遏表達

與管家基因不同是它們的表達易受環境變化影響。隨外界環境信號變化,其基因表達水平可呈現升高或降低的現象。

*這二類基因除受啟動子序列或啟動子與RNA聚合酶相互作用的影響外，還受其他機制的調節,通常基因的調控序列中含有

特異剌激的反應元件。目前二頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式一.概述

根據細菌酶的合成對環境的反應不同，分為:

組成酶

細菌酶

誘導酶適應酶阻遏酶目前三頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式一.概述

原核基因表達的多級調控四個基本調控點:

基因活化最有效的調節環節轉錄水平上的調控

轉錄起始---DNA元件與調控蛋白相互作用調控mRNA加工成熟水平的調控轉錄后水平上的調控

翻譯及翻譯后水平的調控目前四頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式一.概述

目前五頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式一.概述

4.原核基因調控機制的分類p.232

原核生物的基因調控主要發生在轉錄水平上，根據調控機制的不同可以分為：P.232-234負轉錄調控

調控機制

正轉錄調控負控誘導負控阻遏正控誘導正控阻遏調節基因的產物-激活蛋白調節基因的產物-阻遏蛋白(為主)目前六頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式一.概述

目前七頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式一.概述

5.原核基因表達調控的主要特點

原核生物通過特殊代謝物調節基因活性主要分為可誘導調節和阻遏調節。

1）可誘導調節是指一些基因在特殊代謝物或化合物的作用下，由原來的關閉狀態轉變為工作狀態。這類基因中最典型的例子是大腸桿菌的乳糖操縱子。

2）可阻遏調節這一類基因平時都是開啟的，處于合成蛋白質或酶的工作狀態，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。最典型的例子是大腸桿菌的色氨酸操縱子。目前八頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制1.乳糖操縱子的結構

誘導型操縱子p.237-半乳糖苷酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷乙酰轉移酶CAP位點ICAPPO控制區結構基因調節基因操縱序列*CAP

環腺苷酸受體蛋白CAP位點:cAMP-CAP復合物結合位點。

阻遏蛋白作用的部位目前九頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制I乳糖操縱子的調節基因和控制區I–調節基因,編碼阻遏蛋白。P–啟動子,RNA聚合酶結合的DNA序列。O–阻遏蛋白結合位點。結合后,抑制轉錄啟始。CAP位點

–cAMP-CAP復合物結合位點。結合后，促進轉錄。目前十頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制CAP(cataboliteactivatorprotein)

—分解代謝物激活蛋白(環腺苷酸受體蛋白，CRP)結構特點：-同二聚體-具有與CAP位點結合的區域-具有與cAMP(環腺苷酸)結合位點

cAMP—環腺苷酸特點:在大腸桿菌中，cAMP的濃度受到葡萄糖代謝的調節。-葡萄糖(+)抑制腺苷酸環化酶活性,cAMP合成量減少；-葡萄糖(–)腺苷酸環化酶活性提高,cAMP合成量增加。*CAP蛋白只有與cAMP蛋白形成復合物,才能與操縱子上CAP位點結合，促進轉化。目前十一頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制目前十二頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制2.乳糖操縱子調控機制1)阻遏蛋白的負控誘導（1）葡萄糖(+),乳糖(–)時,-乳糖(–)時,無別乳糖存在，阻遏蛋白與操縱子上的O序列結合,使操縱子處于關閉狀態，三個結構基因不表達。

-葡萄糖(+)及cAMP濃度低時，CAP活性低,無cAMP-CAP復合物形成。目前十三頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制無誘導物時葡萄糖(+),乳糖(–)結構基因表達關閉

阻遏蛋白的負控誘導目前十四頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制（2）葡萄糖(–),乳糖(+)時,-乳糖(+)時細胞內存在別乳糖，阻遏蛋白與別乳糖結合，操縱子從關閉開啟。

目前十五頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制

效應物:能與阻遏蛋白或激活蛋白結合,使它們的空間構象發生變化,從而改變其對基因轉錄的影響,這些特定物質被稱為效應物(effector).誘導劑:凡是能引起誘導發生的效應物稱為誘導劑。別誘導劑阻遏蛋白()目前十六頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制別乳糖：效應物

誘導劑(inducer):別乳糖、半乳糖、IPTG（異丙基巰基半乳糖苷）TMG（巰甲基半乳糖苷）ONPG（O-硝基半乳糖苷）

乳糖類似物非半乳糖苷酶底物是安慰性誘導劑目前十七頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制葡萄糖()時cAMP濃度高時,CAP活性高,形成cAMP-CAP復合物，cAMP-CAP復合物與操縱子上的CAP位點序列結合，促進轉錄的起始，三個基因高水平表達，大量合成三種乳糖酶。

激活蛋白:與操縱子結合后能夠增強基因表達的調節蛋白稱為激活蛋白----CAP。

正性調節:激活蛋白所介導的調控方式稱為正性調節。

CAP的正性調節。cAMP-CAP：是一個正調控因子。但它的形成與阻遏體系無關。目前十八頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制-半乳糖苷酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷乙酰轉移酶有誘導物時阻遏蛋白的負控誘導與CAP的正性調節葡萄糖(–),乳糖(+)*lac操縱子上的結構基因稱為可誘導基因,基因所編碼的酶

稱為誘導酶,可誘導基因的表達過程稱為酶的誘導合成。目前十九頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱縱子調節機制（3）

葡萄糖(+),乳糖(+)共存時,-乳糖(+)別乳糖與阻遏蛋白結合。-葡萄糖(+)cAMP濃度低,CAP活性低,無CAP的正性調控。

葡萄糖(-),乳糖(+)時,

-乳糖(+)別乳糖與阻遏蛋白結合。

-葡萄糖(-)cAMP濃度高,CAP活性高,出現CAP正性調控。此時，操縱子上的基因表達，大量合成三種與乳糖代謝相關的酶,細菌以乳糖作為碳源。

此時，操縱子處于開啟狀態，但基因不表達，細菌以葡萄糖作為碳源,消耗葡萄糖。目前二十頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制轉錄水平低,沒有乳糖酶的合成--乳糖(+)時,葡萄糖（+）目前二十一頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制-半乳糖苷酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷乙酰轉移酶有誘導物時阻遏蛋白的負控誘導與CAP的正性調節葡萄糖(–),乳糖(+)*lac操縱子上的結構基因稱為可誘導基因,基因所編碼的酶

稱為誘導酶,可誘導基因的表達過程稱為酶的誘導合成。目前二十二頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制當在葡萄糖和乳糖同時存在：細菌優先利用葡萄糖，而不啟動乳糖操縱子合成乳糖酶,這種現象稱為葡萄糖效應或分解代謝物阻遏。

在葡萄糖消耗完后,操縱子轉錄合成三種乳糖酶。目前二十三頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制結論:

乳糖操縱子強的誘導作用只有在以乳糖為碳源時才會出現。也就是說，乳糖操縱子的功能是在阻遏蛋白的負控誘導與CAP的正性調節兩個相互獨立的調控體系作用下實現的。目前二十四頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制2)乳糖操縱子的本底水平表達

在研究乳糖操縱子時發現有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的。

第一，誘導物需要穿過細胞膜才能和阻遏蛋白結合，而轉運誘導物是需要通透酶，后者的合成又需要誘導。第一個誘導物如何進入細胞，分析有兩個可能：一些誘導物在沒有通透酶存在時，也可以進入細胞；

一些通透酶可以在沒有誘導物存在的情況下合成。已有研究表明：第二種解釋是正確的。目前二十五頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制第二，研究發現乳糖不能夠與阻遏蛋白結合，真正的誘導物是乳糖的異構體——別乳糖（異構乳糖），而別乳糖是在-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。乳糖誘導-半乳糖苷酶的合成需要有-半乳糖苷酶的預先存在。對這一現象的解釋同樣是：在非誘導狀態下有少量的乳糖操縱子的mRNA合成（每一世代中合成1-5個mRNA分子）。這種合成被稱之為本底水平的永久型合成。目前二十六頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制目前二十七頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式二.乳糖操縱子調節機制誘導物的加入和去除

對lacmRNA合成的影響

加入誘導物mRNA迅速合成，隨之酶滯后合成。

-當去除誘導物時mRNA的合成很快停止，但酶的合成延遲停止。

P.241目前二十八頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制

1.色氨酸(trp)操縱子的結構

阻遏型操縱子O–操縱序列L–前導肽編碼序列(trpL)a–弱化子序列(trpa)trpR-該基因距trp操縱子上的結構基因很遠。編碼輔阻遏蛋白,輔阻遏蛋白+色氨酸→具有活性的阻遏物,關閉轉錄。trpR基因p.246目前二十九頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制

目前三十頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制色氨酸操縱子的啟動子(P)和操縱序列(O)目前三十一頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制色氨酸操縱子的前導肽編碼序列(L)和弱化子(a)前導肽編碼序列弱化子前導肽編碼序列--具有起始密碼子AUG和終止密碼子UGA，翻譯后應該產生一條含有14個氨基酸的多肽,這一多肽稱為前導肽。目前三十二頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制2.特點:(1)trpR(89’)和trpABCDE(25’)不連鎖(2)操縱序列在啟動子內(3)有弱化子(attenuator)(4)啟動子和結構基因不直接相連，二者被前導區順序(Leader)所隔開目前三十三頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制

色氨酸(-)時:

RNA聚合酶與操縱子上的啟動子結合結構基因開始轉錄輔阻遏物單體二聚體前導序列弱化子2.色氨酸操縱子的調控機制1)輔阻遏蛋白的負控阻遏目前三十四頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制

輔阻遏蛋白與色氨酸結合形成二聚體。-二聚體與操縱子上的O位點結合,阻礙了RNA聚合酶與啟動子結合。-結構基因不表達。trpR結構基因阻遏物二聚體色氨酸輔阻遏物二聚體輔阻遏物單體RNA聚合酶色氨酸(+)時:目前三十五頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制

在trp操縱子的阻遏過程中,

效應物→色氨酸←阻遏物可阻遏基因:trp操縱子上的色氨酸合酶基因的表達可以被它合成的最終產物(色氨酸)所關閉。這些基因被稱為可阻遏基因。阻遏酶:trp操縱子上的結構基因所編碼的酶稱為阻遏酶。目前三十六頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制

2)

trp操縱子的弱化(衰減)調節在研究trp操縱子時發現-在色氨酸高濃度和低濃度下觀察到trp操縱子的表達水平相差約600倍;

-使輔阻遏物失活突變,不能完全消除色氨酸對trp操縱子表達的影響。推測trp操縱子的表達受其他調控機制調控,這種調控與阻遏物的控制無關。*推測trp操縱子的表達受其他調控機制調控,這種調控與阻遏物的控制無關。實驗:如果將O序列和trpE基因之間刪除123-150位堿基序列,結果發現:trp基因表達可提高6-10倍。目前三十七頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制前導肽序列

具有起始密碼子AUG和終止密碼子UGA，翻譯后應該產生一條含有14個氨基酸的多肽,這一多肽稱為前導肽。

第10和第11位上有相鄰的兩個色氨酸。這兩個色氨酸密碼子參與trp操縱子的弱化調節。弱化子前導肽編碼序列與結構基因trpE之間的一段序列,類似終止子序列,具有轉錄終止作用,又稱為內部終子。

弱化子前導肽編碼區前導肽目前三十八頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制弱化子形成的莖-環結構目前三十九頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制前導肽區和弱化子mRNA的特點

第一個結構基因4個片段可以兩種不同的方式進行堿基配對形成RNA二級結構:

1-2兩片段配對

2-3兩片段配對

3-4兩片段配對目前四十頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制

當培養基中色氨酸濃度低時

色氨酰-tRNATrp少，翻譯通過前導序列中兩個相鄰色氨酸密碼子的速度很慢，核糖體停留在兩個trp密碼子處。

前導區結構為2-3配對,不形成3-4配對的終止結構，轉錄可繼續進行。核糖體Trp密碼子轉錄繼續目前四十一頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制當培養基中色氨酸濃度高時色氨酰-tRNATrp多，核糖體可以順利通過兩個相鄰的色氨酸密碼子,到達2區，使得2-3區之間不能配對,而3-4區可以配對形成莖-環狀終止子結構,轉錄停止。核糖體莖-環結構轉錄停止終止碼目前四十二頁\總數五十二頁\編于九點圖11-22弱化子調控機制

目前四十三頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制

弱化子(衰減子)作用目前四十四頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制

轉錄的弱化(衰減)作用：轉錄的弱化理論認為mRNA轉錄的終止是通過前導肽基因的翻譯來調節的。因為在前導肽基因中有兩個相鄰的色氨酸密碼子，所以前導肽的翻譯必定對tRNATrp的濃度敏感。弱化子對RNA聚合酶的影響依賴于前導肽翻譯中核糖體所處的位置。目前四十五頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式三.色氨酸操縱子調節機制

在色氨酸操縱子調控中:-負控阻遏系統粗調開關,負責轉錄是否啟動。阻遏作用的信號是細胞內色氨酸。-弱化作用微調開關,細菌通過弱化作用彌補阻遏作用的不足，因為阻遏作用只能使轉錄不起始，而對己經啟動的轉錄是否停止轉錄，只能通過弱化作用來決定。

這種微調節是通過轉錄達到第一個結構基因之前的終止來實現的(又稱過早終止)。弱化作用的信號是細胞內載有色氨酸的tRNA的多少。

在細胞內這兩種調節作用是相輔相成的。目前四十六頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式四.半乳糖操縱子調節機制

大腸桿菌半乳糖操縱子上有三個結構基因：p.255

異構酶半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷酸轉移酶半乳糖激酶三個酶的作用是催化：

半乳糖葡萄糖-1-磷酸目前四十七頁\總數五十二頁\編于九點第六章原核基因表達調控模式四.半乳糖操縱子調節機制

1.半乳糖操縱子（galoperon）的結構1)有兩個啟動子（P1和P2），mRNA可從兩個不同的起始點開始轉錄。2)有兩個O區域，