原核基因表达调控 (7)讲稿

1、关于原核基因表达调控 (7)第一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月第四节 色氨酸操纵子（trp operon）内容提要：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弱化机制第二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月 调控基因 结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸的酶trpRtrp一、色氨酸操纵子的结构第三张，PPT共七十七页，创作于2022年6月trpR, 阻遏蛋白P，-40 +18 O, -21 +1 L, +1 +162结构基因t, A下游36bp, t, t下游250bp，基因组成第四张，PPT共七十七页，创作于2022年6月磷第五张，PPT共七十七页，创作于2022年

2、6月特点: (1) trpR和trpABCDE不连锁（相距很远）； (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接相连，二者被 前导序列(Leader)所隔开。第六张，PPT共七十七页，创作于2022年6月二、trp 操纵子的阻遏系统低Trp时：阻遏物不结合操纵基因；高Trp时：阻遏物+Trp 结合操纵基因第七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月1、Trp R 四聚体第八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月阻遏蛋白trp 有活性的阻遏物SNE299trp O 不转录第九张，PPT共七十七页，创作于2022年6月2、阻

3、遏蛋白的结合位点 trpO -21 +1，反向重复序列trpP -40 +18活性阻遏物与trpO 的结合与RNA pol与启动子的结合发生竞争。操纵子第十张，PPT共七十七页，创作于2022年6月3、阻遏系统主管转录是否启动 粗调开关第十一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月三、trp 操纵子的弱化机制衰减子（attenuator）/弱化子前导序列（leader sequence）1.弱化子： DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150bp区）。第十二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月123150Repressor mRNAtrp repressor第十三张，P

4、PT共七十七页，创作于2022年6月 研究引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。第十四张，PPT共七十七页，创作于2022年6月POE4321LDNARNAATGTGA2 trp codons14322.前导肽第十五张，PPT共七十七页，创作于2022年6月前导肽14aa第十六张，PPT共七十七页，创作于2022年6月第十七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月第十八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月3.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。第十九张，PPT共七十七页，创作于

5、2022年6月4、弱化机制 研究发现，在高浓度Trp和低浓度Trp时，Trp操纵子的表达水平相差600倍，然而阻遏作用仅使转录降低70倍。另外使阻遏物失活突变不能完全消除Trp对 Trp操纵子表达的影响。说明Trp操纵子的这种调控与阻遏物的控制无关。这就是弱化作用。第二十张，PPT共七十七页，创作于2022年6月 阻遏系统是一个粗调开关，主管转录是否启动；Trp操纵子对应于Trp的生物合成还有另一个系统进行细微调控，并决定已经启动的转录是否进行下去。在这个系统中酶的浓度根据氨基酸浓度的变化而受到调节。这个细微调控是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的，细胞中色氨酸的浓度是实现过早终

6、止的根本原因。 第二十一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月第二十二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月12暂停结构23抗终止构型34终止构型第二十三张，PPT共七十七页，创作于2022年6月第二十四张，PPT共七十七页，创作于2022年6月UUUU34UUUU 334核糖体 前导肽 前导mRNA1.当色氨酸浓度高时 转录衰减机制 125 trp 密码子 衰减子结构就是终止子可使转录前导DNA UUUU 3 RNA聚合酶 终止第二十五张，PPT共七十七页，创作于2022年6月UUUU342423UUUU核糖体 前导肽 前导mRNA 15 trp 密码子 结构基因前导DNA RNA聚

7、合酶 2.当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关结构基因被转录 序列3、4不能形成衰减子结构 第二十六张，PPT共七十七页，创作于2022年6月为什么需要阻遏体系？ 当大量Trp存在时，阻遏系统起作用，阻遏物与之结合，阻止非必需的先导mRNA合成，使这个合成系统更加经济。trp操纵子具有双重调节体系？阻遏作用与弱化作用的协调第二十七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月为什么需要弱化系统？ 当trp浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发trp合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基中适当的Trp水平。 弱化子能较快地通过抗终子的方法来增加Trp基因表达，迅速提

8、高内源色氨酸的浓度。第二十八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月 细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。第二十九张，PPT共七十七页，创作于2022年6月细菌演化出弱化系统的生物学意义 通过tRNA荷载与否进行调控，更为灵敏；氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而以tRNA荷载为标准进行调控更为恰当；两个调控系统，避免浪费提高效率

9、： 阻遏系统 高水平trp时，不转录 低水平trp时，转录 弱化系统 细调 原核生物细致的精细调控机制增强原核生物对环境的适应性 经济第三十张，PPT共七十七页，创作于2022年6月第三十一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月Contents基因表达调控的基本概念原核基因调控机制乳糖操纵子色氨酸操纵子其他操纵子转录后水平上的调控第三十二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月第五节 其他操纵子一、半乳糖操纵子(galactose operon)异构酶(galE)乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)半乳糖激酶(galk)第三十三张，PPT共七十七页，创作于2022年6月第三十四张，PP

10、T共七十七页，创作于2022年6月gal操纵子的特点： 它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录； 它有两个O区，一个在P区上游，另一个在结构基因galE内部。第三十五张，PPT共七十七页，创作于2022年6月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。现已分离到一些突变株，其中一类突变株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合成半乳糖代谢酶类（gal结构基因高效表达）；而另一类突变株中gal基因的表达完全依赖于葡萄糖，培养基中如无葡萄糖存在，这些细菌的gal基因不表达，不合成半乳糖代谢酶类。第三十六张，PPT

11、共七十七页，创作于2022年6月分析gal操纵子P-O区的DNA序列发现，该操纵子确实存在两个相距仅5bp的启动子，可以分别起始mRNA的合成。每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。从S1起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cAMP-CAP能抑制由这个启动子起始的转录。当有cAMP-CAP时，转录从S1开始，当无cAMP-CAP时，转录从S2开始。第三十七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月S1S2S1起始的转录不依赖于葡萄糖S2起始的转录则完全依赖于葡

12、萄糖第三十八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月为什么gal操纵子需要两个转录起始位点？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，UDP-gal是通过半乳糖差向异构酶（来源？）的作用由UDP-葡萄糖合成的，该酶是galE基因的产物。第三十九张，PPT共七十七页，创作于2022年6月生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。现在设想只有S1一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时就不能合成异构酶。S1S2半乳糖存在、葡萄糖不存在时， S1

13、启动第四十张，PPT共七十七页，创作于2022年6月S1S2 假如唯一的启动子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的情况下，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，这无疑是一种浪费。无论从必要性或经济性考虑，都需要一个不依赖于cAMP-CAP的启动子（S2）进行本底水平的组成型合成，以及一个依赖于cAMP-CAP的启动子（S1）对高水平合成进行调节。即只有在S2活性完全被cAMP-CAP抑制时，调控作用才是有效的。半乳糖、葡萄糖存在时， S2启动，浪费半乳糖不存在、葡萄糖存在时， S2启动，组成型合成第四十一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月二、阿拉伯糖操纵子（arabinose operon)

14、araB基因、araA基因和araD, 形成一个基因簇，简写为araBAD。 三个基因的表达受到ara操纵子中araC基因产物AraC蛋白的调控。第四十二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月第四十三张，PPT共七十七页，创作于2022年6月ara操纵子的调控特点：第一，araC表达受到AraC的自身调控。第二，AraC既是ara操纵子的正调节蛋白，又是其负调节蛋白。这种双重功能是通过AraC蛋白的两种异构体来实现的（Pi和Pr)。第三，AraC与CAP结合可充分诱导ara操纵子。第四十四张，PPT共七十七页，创作于2022年6月 与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因a

15、raC，这个AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。AraBAD和araC基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上，araBAD基因簇从启动子PBAD开始向左进行转录，而araC基因则是从Pc向右转录。第四十五张，PPT共七十七页，创作于2022年6月第四十六张，PPT共七十七页，创作于2022年6月高葡萄糖，低阿拉伯糖有阿拉伯糖，无葡萄糖无araC蛋白时第四十七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月第四十八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月AraC蛋白作为PBAD活性正、负调节因子的双重功能是通过该蛋白的两种异构体来实现的。Pr是起阻遏作用的形式，可以

16、与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，而Pi是起诱导作用的形式，它通过与PBAD启动子结合进行调节。 在没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与AraC蛋白结合，使平衡趋向于Pi形式。这样，阿拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与Pr的结合，使Pr离开它的结合位点，然后，产生大量的Pi，并与启动子结合。第四十九张，PPT共七十七页，创作于2022年6月培养基中含有葡萄糖，没有阿拉伯糖：cAMP-CAP没有与操纵区位点相结合，AraC蛋白处于Pr形式并与A位点结合，RNA聚合酶很少再与Pc结合，araC基因虽然仍有转录，但受到抑制，只有少量 AraC蛋白形成，整个系统几乎处于

17、静止状态。 没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖：因为没有诱导物，尽管有cAMP-CAP与操纵区位点相结合，AraC蛋白仍以Pr形式为主，无法与操纵区B位点相结合，无araBAD mRNA转录。无葡萄糖，有阿拉伯糖时：大量araC基因产物以Pi形式存在，并分别与操纵区B、A位点相结合，在cAMP-CAP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表达，操纵子充分激活。第五十张，PPT共七十七页，创作于2022年6月A位点B位点第五十一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月araC的表达受到自身产物AraC的自动调控。当没有阿拉伯糖时，AraC起着一个转录阻遏物的作用。细胞中AraC蛋白质稳态水平的测

18、量表明，阻遏araC转录大约需要40个AraC。因此当AraC蛋白水平低时（就是说在细胞刚分裂之后），araC将表达直至存在足够的AraC去阻遏它的转录。第五十二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月阿拉伯糖作为E.Coli的碳源，可以诱导ara操纵子的转录。当细胞中葡萄糖水平高（导致cAMP处于低浓度）和阿拉伯糖水平低时，AraC阻遏araB，araA，araD的转录。然而当阿拉伯糖水平高，而葡萄糖水平低（cAMP高）时，CAP-cAMP复合物能够与ara操纵子中的CAP结合部位结合，使DNA环打开。 第五十三张，PPT共七十七页，创作于2022年6月阿拉伯糖的作用象AraC的一个调控器

19、，可将AraC由一个阻遏物转换为一个激活剂。阿拉伯糖与AraC结合似乎改变了AraC同源二聚体化特性和促进了AraC-CAP复合物的形成。在这样的条件下，AraC阿拉伯糖的作用象是一个转录激活剂，这正是CAP-cAMP诱导araB，araA，araD转录所需要的。第五十四张，PPT共七十七页，创作于2022年6月当由于araBAD编码的蛋白质的代谢使得阿拉伯糖水平下降时，AraC又转换成一个阻遏物，同时araBAD转录减少，此时尽管CAP-cAMP复合物仍然存在于细胞中。有趣的是，当葡萄糖和阿拉伯糖都很丰富时，ara操纵子被阻遏，但阻遏的道理现在还不完全清楚，但这个结果表明araBAD诱导与A

20、raC-阿拉伯糖和CAP-cAMP复合物都有关。第五十五张，PPT共七十七页，创作于2022年6月第五十六张，PPT共七十七页，创作于2022年6月三、阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答 SOS反应的机理：由 RecA 蛋白和 LexA 阻遏物的相互作用引起的。LexA阻遏物：是SOS DNA修复系统所有基因的阻遏物RecA蛋白：是SOS反应的最初的发动因子。在单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解LexA阻遏物。当RecA水解LexA阻遏物后，导致SOS体系（包括recA基因）高效表达，DNA得到修复。第五十七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月四

21、、二组分调控系统和信号转导传感激酶P环境信号P应答调节蛋白P结构基因 trpROPRNA聚合酶既可以诱导又可以阻碍第五十八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月Contents基因表达调控的基本概念原核基因调控机制乳糖操纵子色氨酸操纵子其他操纵子转录后水平上的调控第五十九张，PPT共七十七页，创作于2022年6月一、翻译起始的调控 RBS（核糖体结合位点）：mRNA链上起始密码子AUG上游的一段非翻译区。在RBS中有SD序列，长度一般为5bp，核糖体16S rRNA与SD序列互补配对，促使核糖体结合到mRNA上，有利于翻译的起始。RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码子AUG之

22、间的距离。 SD- 4-10（9）-AUG第六节 转录后水平上的调控第六十张，PPT共七十七页，创作于2022年6月 mRNA的二级结构也是翻译起始调控的重要因素：核糖体30S 亚基必须与mRNA结合，要求mRNA 5端有一定的空间结构。SD序列的微小变化，往往会导致表达效率上百倍甚至上千倍的差异。这是因为核苷酸的变化影响了核糖体30S 亚基与mRNA结合，从而造成了蛋白质合成效率上的差异。第六十一张，PPT共七十七页，创作于2022年6月二、稀有密码子对翻译的影响 dnaG、rpoD和rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子； 50个拷贝的dnaG蛋白、2800个拷贝的rpoD和40000

23、个拷贝的rpsU。第六十二张，PPT共七十七页，创作于2022年6月几种蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较蛋白质AUU/%AUC%AUA%结构蛋白37621亚基26740DnaG蛋白363232 细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。第六十三张，PPT共七十七页，创作于2022年6月TrpB 谷氨酸- 异亮氨酸-终止 GAA - AUC - UGA - UGG AA AUG GAA 甲硫氨酸 谷氨酸trpAtrpE苏氨酸苯丙氨酸终止 ACU - UUC - UGA - UGG - CU AUG GCU 甲硫氨酸 - 丙氨酸-

24、trpD 翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码子保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。这样可以保证2个基因的产物数量上相等。三、重叠基因对翻译的影响第六十四张，PPT共七十七页，创作于2022年6月四、poly(A)对翻译的影响 研究发现：细胞中蛋白质合成旺盛时，mRNA链上核糖体数量多，mRNA链上的poly(A)较长；当某些mRNA不再翻译时，核糖体就被释放出来，poly(A)也相应缩短。第六十五张，PPT共七十七页，创作于2022年6月 一个操纵子（元）通常含有 (A) 数个启动序列和一个编码基因 (B) 一个启动序列和数个编码基因 (C) 一个启动序列和一个编码基

25、因 (D) 两个启动序列和数个编码基因 (E) 数个启动序列和数个编码基因 B第六十六张，PPT共七十七页，创作于2022年6月 乳糖操纵子（元）的直接诱导剂是 (A) 葡萄糖 (B) 乳糖 (C) 一半乳糖苷酶 (D) 透酶(E)异构乳糖 E第六十七张，PPT共七十七页，创作于2022年6月 Lac阻遏蛋白结合乳糖操纵子（元）的 (A) CAP结合位点 (B) O序列 (C) P序列 (D) Z基因 (E) I基因B第六十八张，PPT共七十七页，创作于2022年6月 cAMP与CAP结合、CAP介导正性调节发生在 (A) 葡萄糖及cAMP浓度极高时 (B) 没有葡萄糖及cAMP较低时 (C) 没有葡萄糖及cAMP较高时 (D) 有葡萄糖及cAMP较低时 (E) 有葡萄糖及CAMP较高时 C第六十九张，PPT共七十七页，创作于2022年6月 Lac阻遏蛋白由 (A) Z基因编码 (B) Y基因编码 (C) A基因编码 (D) I基因编码 (E) 以上都不是 D第七十张，PPT共七十七页，