《南京农业大学》PPT课件.ppt

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1、 南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院分分分分 子子子子 生生生生 物物物物 学学学学第七章第七章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）原核基因表达调控模式原核基因表达调控模式1/30/20232南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院第七章第七章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）自然选择倾向于保留高效率的生命过程。自然选择倾向于保留高效率的生命过程。原原核核生生物物和和单单细细胞胞真真核核生生物物直直接接暴暴露露在在变变幻幻莫莫测测的的环环境境中中，食食物物供供应应无无保保障障，只只有有根根据据环环境境条条件件的的改改变变合合成成各各种种不不同同的

2、的蛋蛋白白质质，使使代代谢谢过过程程适适应应环环境境的的变变化化，才才能能维维持持自自身身的的生生存存和和繁繁衍衍。因因此此，原原核核细细胞胞都都有有一一套套准准确确地地调调节节基基因因表表达达和和蛋蛋白白质质合合成成的机制。的机制。1/30/20233南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院第七章第七章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）每每个个大大肠肠杆杆菌菌细细胞胞有有约约15 000个个核核糖糖体体，50种种核核糖糖体体蛋蛋白白、糖糖酵酵解解体体系系的的酶酶、DNA聚聚合合酶酶、RNA聚聚合合酶酶等等都都是是代代谢谢过过程程中中必必需需的的，其其合合成成速速率率不不

3、受受环环境境变变化化或或代代谢谢状状态态的的影影响响，这这一一类类蛋蛋白白质质被被称称为为永永久久型型（constitutive）合合成成的的蛋蛋白质。白质。另另 一一 类类 则则 被被 称称 为为 适适 应应 型型 或或 调调 节节 型型（adaptive or regulated），因因为为这这类类蛋蛋白白质质的的合合成成速速率率明明显显地地受受环环境境的的影影响响而而改改变变。如如大大肠肠杆杆菌菌细细胞胞中中一一般般只只有有15个个-半半乳乳糖糖苷苷酶酶，但但若若将将细细胞胞培培养养在在只只含含乳乳糖糖的的培培养养基基中中，每每细细胞胞中中这这个个酶酶的的量可高达几万个分子。量可高达几万

4、个分子。1/30/20234南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院第七章第七章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）细细菌菌中中所所利利用用的的大大多多数数基基本本调调控控机机制制一一般般执执行行如如下下规规律律：一一个个体体系系在在需需要要时时被被打打开开，不不需需要要时时被被关关闭闭。这这种种“开开-关关”（on-off）活活性性是是通通过过调调节节转转录录来来建建立立的的，也也就就是是说说mRNA的的合合成成是是可可以以被被调调节节的的。实实际际上上，当当我我们们说说一一个个系系统统处处于于“off”状状态态时时，也也可可能能有有本本底底水水平平的的基基因因表表达达，

5、常常常常是是每每世世代代每每个个细细胞胞只只合合成成1或或2个个mRNA分分子子和和极极少少量量的的蛋蛋白白质质分分子子。为为了了方方便便，我我们们常常常常使使用用“off”这这一一术术语语，但但必必须须明明白白所所谓谓“关关”实实际际的的意意思思是是基基因表达量特别低，很难甚至无法检测。因表达量特别低，很难甚至无法检测。1/30/20235南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院第七章第七章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）v内容：内容：1.原核基因表达调控总论2.乳糖操纵子与负控诱导系统3.色氨酸操纵子与负控阻遏系统4.其他操纵子5.转录水平上其它调控6.转录后调控1

6、/30/20236南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论随随着着生生物物个个体体的的发发育育，DNA分分子子能能有有序序地地将将其其所所承承载载的的遗遗传传信信息息，通通过过密密码码子子-反反密密码码子子系系统统转转变变成成蛋白质，执行各种生理生化功能。蛋白质，执行各种生理生化功能。科科学学家家把把从从DNA到到蛋蛋白白质质的的过过程程称称为为基基因因表表达达（gene expression），对对这这个个过过程程的的调调节节就就称称为为基基因表达调控因表达调控（gene regulation，gene control）。基因调

7、控是现阶段分子生物学研究的中心课题。基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院7第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院8v基因表达调控主要表现在以下二方面：基因表达调控主要表现在以下二方面：n转录水平上的调控转录水平上的调控n转录后水平上的调控：转录后水平上的调控：nmRNA加工成熟水平调控加工成熟水平调控n翻译水平调控翻译水平调控v不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。n原核生物中，原核生物中，营养状

8、况营养状况和和环境因素环境因素对基因表达起着举足对基因表达起着举足轻重的影响。轻重的影响。n在真核生物尤其是高等真核生物中，在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平激素水平和和发育阶发育阶段段是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。响力大为下降。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院9v在转录水平上对基因表达的调控决定于在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构、的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的聚合酶的功能、蛋白因子及其

9、他小分子配基的相互作用相互作用。v转录与翻译的特点：转录与翻译的特点：n细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联。n真核生物中，转录产物只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院101.原核基因调控分类原核基因调控分类v原原核核生生物物的的基基因因调调控控主主要要发发生生在在转转录录水水平平上上，根根据据调调控控机机制的不同可分为制的不同可分为负转录调控负转录调控和和正转录调控正转录调控。n在在负负转转录录调调控控系系统统中中，调调节节基基因因的

10、的产产物物是是阻阻遏遏蛋蛋白白(repressor)。根根据据其其作作用用特特征征又又可可分分为为负负控控诱诱导导系系统统和和负控阻遏系统负控阻遏系统二大类。二大类。n在在正正转转录录调调控控系系统统中中，调调节节基基因因的的产产物物是是激激活活蛋蛋白白(activator)。也也可可根根据据激激活活蛋蛋白白的的作作用用性性质质分分为为正正控控诱诱导系统导系统和和正控阻遏系统正控阻遏系统。阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白转录激活转录激活负控诱导负控诱导正控诱导正控诱导转录抑制转录抑制负控阻遏负控阻遏正控阻遏正控阻遏1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院11第一节第

11、一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院121.原核基因调控分类原核基因调控分类v大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是因子，基因子，基因组序列分析后发现存在因组序列分析后发现存在6种种因子，并根据其相对分子质因子，并根据其相对分子质量的大小或编码基因进行命名，其中量的大小或编码基因进行命名，其中70是调控最基本的生是调控最基本的生理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论

12、1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院132.原核基因调控的主要特点：原核基因调控的主要特点：v原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可诱导原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可诱导和可阻遏两大类和可阻遏两大类:n可诱导调节可诱导调节。是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的。是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。这类基因中最突出的例子是物质的诱导下使基因活化。这类基因中最突出的例子是大肠杆菌的乳糖操纵子。大肠杆菌的乳糖操纵子。n可阻遏调

13、节可阻遏调节。这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白。这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌中积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌中的色氨酸操纵子。的色氨酸操纵子。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院143.弱化子对基因活性的影响弱化子对基因活性的影响v在在这这种种调调节节方方式式中中，起起信信号号作作用用的的是是有有特特殊殊负负载载的的氨氨酰酰-tRNA的的浓浓

14、度度，在在色色氨氨酸酸操操纵纵子子中中就就是是色色氨氨酰酰-tRNA的的浓浓度度。当当操操纵纵子子被被阻阻遏遏，RNA合合成成被被终终止止时时，起起终终止止转转录录信信号号作作用的那一段用的那一段DNA序列被称为序列被称为弱化子弱化子。v属属于于这这种种调调节节方方式式的的有有：大大肠肠杆杆菌菌中中的的色色氨氨酸酸操操纵纵子子、苯苯丙丙氨氨酸酸操操纵纵子子、苏苏氨氨酸酸操操纵纵子子、异异亮亮氨氨酸酸操操纵纵子子和和缬缬氨氨酸酸操操纵纵子子以以及及沙沙门门氏氏菌菌的的组组氨氨酸酸操操纵纵子子和和亮亮氨氨酸酸操操纵纵子子、嘧嘧啶合成操纵子等等。啶合成操纵子等等。第一节第一节 原核基因表达调控总论原

15、核基因表达调控总论1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院154.降解物对基因活性的调节降解物对基因活性的调节v有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为称为葡萄糖效应葡萄糖效应或称为或称为降解物抑制作用降解物抑制作用。v降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节

16、基因表达的，是一种积极的调节方式。是一种积极的调节方式。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院165.细菌的应急反应细菌的应急反应v细细菌菌有有时时会会碰碰到到紧紧急急状状况况，比比如如氨氨基基酸酸饥饥饿饿氨氨基基酸酸的的全全面面匮匮乏乏。细细菌菌会会产产生生一一个个应应急急反反应应停停止止包包括括生生产产各各种种RNA、糖、和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。、糖、和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。v实实施施这这一一应应急急反反应应的的信信号号是是鸟鸟苷苷四四磷磷酸酸(ppGpp)和和鸟鸟苷苷五五磷磷酸酸(

17、pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。n当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。nppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧急状况。ppGpp 影响RNA聚合酶与这些基因转录起始位点的结合，使基因被关闭。nppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们影响一大批操纵子而被称为超级调控因子。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院17v1961年年，Jacob和和Monod提提出出了了操操纵纵子子模模型型，这这

18、是是与与特特殊殊代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。v操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括:n结结构构基基因因（除调节基因以外的所有基因），编码那些在某一特定的生物合成途径中起作用的、其表达被协同调控的酶。n调调控控元元件件，如操纵序列，是调节结构基因转录的一段DNA序列。n调调节节基基因因，其产物能够识别调控元件，例如阻抑物，可以结合并调控操纵基因序列。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院18v大大肠肠杆杆菌菌能能利利用用乳乳糖糖作

19、作为为碳碳源源，而而利利用用乳乳糖糖作作为为碳碳源源的的酶酶只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。v大大肠肠杆杆菌菌乳乳糖糖操操纵纵子子（lactose operon）包包括括3个个结结构构基基因因：Z、Y和和A，以以及及启启动动子子、控控制制子子和和阻阻遏遏子子等等。转转录录的的调控是在启动区和操纵区进行的。调控是在启动区和操纵区进行的。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院19vP为启动子，为启动子，O为操纵区，为操纵区，lacI编码阻遏子编码阻遏子v3个个结结构构基基因因各各决决定定一一

20、种种酶酶：Z编编码码-半半乳乳糖糖苷苷酶酶；Y编编码码-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；A编码编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。半乳糖苷乙酰基转移酶。n-半乳糖苷酶是一种-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。n-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的-半乳糖苷透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。n-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院201.酶的诱导酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证

21、据v一一般般情情况况下下，lac+基基因因型型大大肠肠杆杆菌菌细细胞胞内内-半半乳乳糖糖苷苷酶酶和和透透过过酶酶的的浓浓度度很很低低，每每个个细细胞胞只只有有12个个酶酶分分子子。但但是是，在在乳乳糖糖培培养养基基上上酶酶的的浓浓度度很很快快达达到到细细胞胞总总蛋蛋白白量量的的6%或或7%，超过，超过105个酶分子个酶分子lac mRNA/细胞。细胞。v在在无无葡葡萄萄糖糖有有乳乳糖糖的的培培养养基基中中，lac+细细菌菌中中将将同同时时合合成成-半乳糖苷酶和透过酶。半乳糖苷酶和透过酶。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院211

22、.酶的诱导酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证据v用用32P标标记记的的mRNA与与模模板板DNA进进行行定定量量分分子子杂杂交交，表表明明培培养养基基中中加加入入乳乳糖糖12分分钟钟后后，编编码码-半半乳乳糖糖苷苷酶酶和和透透过过酶的酶的lac mRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院221.酶的诱导酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证据v实实验验室室常常用用两两种种乳乳糖糖类类似似物物异异丙丙基基巯巯基基半半乳乳糖糖苷苷（IPTG

23、）和和巯巯甲甲基基半半乳乳糖糖苷苷（TMG），在在酶酶活活性性分分析析中中常常用用发发色色底底物物O-硝硝基基半半乳乳糖糖苷苷（ONPG）。因因为为它它们们都都不不是是半乳糖苷酶的底物，所以又称为安慰性诱导物。半乳糖苷酶的底物，所以又称为安慰性诱导物。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院232.操纵子模型及其影响因子操纵子模型及其影响因子vJacob和和Monod通通过过大大量量实实验验及及分分析析，建建立立了了现现在在已已经经被被人人们广泛接受的乳糖操纵子的控制模型。内容如下：们广泛接受的乳糖操纵子的控制模型。内容如下：nZ、

24、Y、A基因产物由同一条多顺反子基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码分子所编码n该该mRNA分分子子的的启启动动区区（P）位位于于阻阻遏遏基基因因（I）与与操操纵纵区区（O）之之间间，不不能能单单独独起起始始半半乳乳糖糖苷苷酶酶和和透透过过酶酶基基因因的的高高效表达。效表达。n操操纵纵区区是是DNA上上的的一一小小段段序序列列（仅仅为为26bp），是是阻阻遏遏物物的结合位点。的结合位点。1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院24n当当阻阻遏遏物物与与操操纵纵区区相相结结合合时时，lacmRNA的的转转录录起起始始受受到抑制。到抑制。n诱诱导导物物通通过过与与阻

25、阻遏遏物物结结合合，改改变变其其三三维维构构象象，使使之之不不能能与操纵区相结合，诱发与操纵区相结合，诱发lac mRNA的合成。的合成。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院252.1.lac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达v两个矛盾：两个矛盾：n诱诱导导物物需需要要穿穿过过细细胞胞膜膜才才能能与与阻阻遏遏物物结结合合，而而转转运运诱诱导导物物需要转运酶，转运酶的合成有需要诱导。需要转运酶，转运酶的合成有需要诱导。n人人们们发发现现乳乳糖糖并并不不与与阻阻遏遏物物相相结结合合，真真正正的的诱诱导导物物是是异异构构乳糖，而

26、后者是在乳糖，而后者是在-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。v解解释释：在在没没有有诱诱导导物物的的情情况况下下，转转运运酶酶和和-半半乳乳糖糖苷苷酶酶仍仍有有本本地地水水平平的的表表达达。阻阻遏遏物物的的结结合合并并非非绝绝对对紧紧密密，偶偶尔尔会会掉掉下下，使得转录可以进行。表达量足以使诱导过程得以启动。使得转录可以进行。表达量足以使诱导过程得以启动。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院262.2.大肠杆菌对乳糖的反应大肠杆菌对乳糖的反应v在以甘油为碳源的培养基中在以甘油为碳源的培养基中v加加乳

27、乳糖糖以以前前，lac操操纵纵子子本本底底水平表达水平表达v加加 乳乳 糖糖 后后，阻阻 遏遏 物物 失失 活活，mRNA大量表达大量表达v乳乳糖糖耗耗尽尽，阻阻遏遏物物浓浓度度逐逐渐渐大大于于异异构构乳乳糖糖，阻阻遏遏状状态态重重新新形形成，成，mRNA水平下降。水平下降。v-半半乳乳糖糖苷苷酶酶半半衰衰期期长长，其其活活性下降滞后。性下降滞后。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院272.3.阻遏物阻遏物lacI基因产物及功能基因产物及功能vlac操操纵纵子子阻阻遏遏物物mRNA是是由由弱弱启启动动子子控控制制下下永永久久型型

28、合合成成的的，该该阻阻遏遏蛋蛋白白有有4个个相相同同的的亚亚基基，每每个个亚亚基基均均含含有有347个个氨氨基基酸酸残基，并能与残基，并能与1分子分子IPTG 结结合合,每每个个细细胞胞中中有有510个阻遏物分子。个阻遏物分子。vlacI基基因因由由弱弱启启动动子子变变为为强强启启动动子子，细细胞胞内内将将不不可可能能产产生生足足够够的的诱诱导导物物来来克克服服阻阻遏遏状状态态，整整个个lac操操纵纵子子在在这这些些突突变变体体中中将将不不可可诱导。诱导。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院282.4.葡萄糖对葡萄糖对lac操纵

29、子影响操纵子影响v-半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠杆菌半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发lac操纵子。操纵子。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院292.4.葡萄糖对葡萄糖对lac操纵子影响操纵子影响v某某大大肠肠杆杆菌菌突突变变体体，它它不不能能将将葡葡萄萄糖糖-6-磷磷酸酸转转化化为为下下一一步步代代谢谢中中间间物物，该该细细菌菌的的l

30、ac基基因因能能在在葡葡萄萄糖糖存存在在时时被被诱诱导导合合成成。所所以以，不不是是葡葡萄萄糖糖而而是是它它的的某某些些降降解解产产物物抑抑制制lac mRNA的的合合成成，科科学学上上把把葡葡萄萄糖糖的的这这种种效效应应称称之之为为代代谢谢物物阻遏效应阻遏效应。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院302.5.cAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白vcAMP是是在在腺腺苷苷酸酸环环化化酶酶的的作作用用下下由由ATP转转变变而而来来的的，在在真真核生物的激素调节过程中也起着十分重要的作用。核生物的激素调节过程中也起着十分重要的作

31、用。v将将细细菌菌放放在在含含葡葡萄萄糖糖的的培培养养基基中中培培养养，cAMP的的浓浓度度就就低低；如如果果培培养养基基中中只只有有甘甘油油或或乳乳糖糖等等不不进进行行糖糖酵酵解解途途径径的的碳碳源源，cAMP的浓度就会很高。的浓度就会很高。2.5.cAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白v大大肠肠杆杆菌菌中中的的代代谢谢物物激激活活蛋蛋白白，由由Crp基基因因编编码码，能能与与cAMP形形成成复复合合物物。CRP和和cAMP都都是是合合成成lac mRNA所所必必需需的的，cAMP-CRP是是一一个个不不同同于于阻阻遏遏物物的的正正调调控控因因子子，而而lac操操纵纵子子的的功功能能是是在

32、在这这两两个个相相互互独独立立的的调调控控体体系系作作用用下实现的。下实现的。v半半乳乳糖糖、麦麦芽芽糖糖、阿阿拉拉伯伯糖糖、山山梨梨醇醇等等在在降降解解过过程程中中均均转转化化成成葡葡萄萄糖糖或或糖糖酵酵解解途途径径中中的的其其他他中中间间产产物物，这这些些糖糖代代谢谢中中有有关关的的酶酶都都是是由由可可诱诱导导操操纵纵子子控控制制的的，被被称称为为降降解解物物敏敏感型操纵子感型操纵子，由，由cAMP-CRP调控。调控。1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院311/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院32vcAMP-CRP复复合合物物

33、与与启启动动子子区区的的结结合合是是lac mRNA合合成成起起始始所所必必需需的的，因因为为这这个个复复合合物物结结合合于于启启动动子子上上游游，能能使使DNA双双螺螺旋旋发发生生弯弯曲曲，有有利利于于形形成成稳稳定定的的开开放放型型启启动动子子-RNA聚聚合合酶酶结结构构。阻阻遏遏物物则则是是一一个个抗抗解解链链蛋蛋白白，阻阻止止形形成成开开放放结结构，从而抑制构，从而抑制RNA聚合酶的功能。聚合酶的功能。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院33vP区区（即即启启动动子子区区）一一般般是是从从I基基因因结结束束到到mRNA转

34、转录起始位点下游录起始位点下游5-10bp。vO区区（即即阻阻遏遏物物结结合合区区）位位于于-7+28位位，该该区区的的碱碱基基序序列列有有对对称称性性，其其对对称轴在称轴在+11位碱基对。位碱基对。3.lac操纵子的调控区域操纵子的调控区域P、O区区第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院34vlac 操纵子小结操纵子小结n通通常常情情况况（葡葡萄萄糖糖供供应应正正常常）阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列列结结合，基因不转录。合，基因不转录。n细细胞胞外外的的乳乳糖糖通通过过透透性性酶酶吸吸收收到到细细胞胞内内；细细胞胞内内的的-

35、半半乳乳糖糖苷苷酶酶将将乳乳糖糖转转变变为为异异乳乳糖糖。异异乳乳糖糖结结合合到到乳乳糖糖阻阻抑抑物物上上使使之之从从操操纵纵序序列列上上脱脱离离，聚聚合合酶酶迅迅速速开开始始lacZYA基因的转录。这就是负控诱导。基因的转录。这就是负控诱导。n然然而而，还还需需要要细细菌菌生生长长系系统统中中缺缺少少葡葡萄萄糖糖，使使cAMP含含量量增增加加，才才有有足足够够量量的的cAMP与与CRP结结合合形形成成CRP-cAMP复复合合物物结结合合于于Plac上上游游。使使DNA双双螺螺旋旋发发生生弯弯曲，转录才可以有效地进行。曲，转录才可以有效地进行。第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子1/30/2

36、023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院35vtrp体系参与生物合成，它不受葡萄糖或体系参与生物合成，它不受葡萄糖或cAMP-CRP的调控。的调控。色氨酸合成主要分色氨酸合成主要分5步完成，有步完成，有7个基因参与整个合成过程。个基因参与整个合成过程。v操纵子中各基因功能：操纵子中各基因功能：ntrpE和和trpG编码邻氨基苯甲酸合酶，编码邻氨基苯甲酸合酶，ntrpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶，编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶，ntrpF编码异构酶，编码异构酶，ntrpC编码吲哚甘油磷酸合酶，编码吲哚甘油磷酸合酶，ntrpA和和trpB则分别编码色氨酸合酶的则分别编码色氨酸合

37、酶的和和亚基。亚基。n在许多细菌中，在许多细菌中，trpE和和trpG，trpC和和trpB分别融合成一个分别融合成一个基因，产生具有双重功能的蛋白质。基因，产生具有双重功能的蛋白质。1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院36第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院37vtrpE基基因因是是第第一一个个被被翻翻译译的的基基因因，与与紧紧邻邻的的是是启启动动子子区区和和操纵区。前导区和弱化子区分别定名为操纵区。前导区和弱化子区分别定名为trpL和和trpa。vtrp操操纵纵子子中中产产生生阻阻遏遏物物

38、的的基基因因是是trpR，该该基基因因距距trp基基因因簇簇很很远远。后后者者位位于于大大肠肠杆杆菌菌染染色色体体图图上上25分分钟钟处处，而而前前者者则则位位于于90分分钟钟处处。在在位位于于65分分钟钟处处还还有有一一个个trpS（色色氨氨酸酸tRNA合合成成酶酶），它它与与携携带带有有色色氨氨酸酸的的tRNATrp共共同同参参与与trp操纵子的调控作用。操纵子的调控作用。第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院381.trp操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统vtrpR基基因因突突变变常常引引起起trp mRNA的的永永久久型

39、型合合成成，该该基基因因产产物物因因此此被被称称为为辅辅阻阻遏遏蛋蛋白白（aporepressor）。除除非非培培养养基基中中有有色色氨氨酸酸，否否则则这这个个辅辅阻阻遏遏蛋蛋白白不不会会与与操操纵纵区区结结合合。辅辅阻阻遏遏蛋蛋白白与与色色氨氨酸酸相相结结合合形形成成有有活活性性的的阻阻遏遏物物，与与操操纵纵区区结结合并关闭合并关闭trp mRNA转录。转录。v效效应应物物分分子子色色氨氨酸酸是是trp操操纵纵子子所所编编码码的的生生物物合合成成途途径径的的末末端终产物。端终产物。v当当培培养养基基中中色色氨氨酸酸含含量量较较高高时时，它它与与游游离离的的辅辅阻阻遏遏蛋蛋白白相相结结合合，并

40、并使使之之与与操操纵纵区区DNA紧紧密密结结合合；当当培培养养基基中中色色氨氨酸酸供供应应不不足足时时，辅辅阻阻遏遏物物失失去去色色氨氨酸酸并并从从操操纵纵区区上上解解离离，trp操纵子去阻遏。操纵子去阻遏。1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院39第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院402.弱化子与前导肽弱化子与前导肽v在在trp mRNA 5端端有有一一个个长长162bp的的mRNA片片段段被被称称为为前前导导区区，其其中中123150位位碱碱基基序序列列如如果果缺缺失失，trp基基因因表表

41、达达可可提提高高6-10倍倍。mRNA合合成成起起始始以以后后，除除非非培培养养基基中中完完全全没没有有色色氨氨酸酸，转转录录总总是是在在这这个个区区域域终终止止，产产生生一一个个仅仅有有140个个核核苷苷酸酸的的RNA分分子子，终终止止trp基基因因转转录录。这这个个区区域域被被称称为为弱弱化化子子，该该区区mRNA可可通通过过自自我我配配对对形形成茎成茎-环结构。环结构。第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院412.弱化子与前导肽弱化子与前导肽v前导肽前导肽v分分析析前前导导序序列列发发现现，它它包包括括起起始始密密码码子

42、子AUG和和终终止止密密码码子子UGA，能能产产生生一一个个含含有有14个个氨氨基基酸酸的的多多肽肽，这这个个假假设设的的多多肽肽被称为前导肽。被称为前导肽。v在在前前导导序序列列的的第第10和和第第11位位上上有有相相邻邻的的两两个个色色氨氨酸酸密密码码子子。组组氨氨酸酸操操纵纵子子含含有有7个个相相邻邻的的组组氨氨酸酸密密码码子子，苯苯丙丙氨氨酸酸操操纵纵子子也也有有7个个苯苯丙丙氨氨酸酸密密码码子子，这这些些密密码码子子参参与与了了操操纵纵子子中中的的转转录录弱化机制。弱化机制。第三节第三节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院42

43、2.弱化子与前导肽弱化子与前导肽vmRNA前导区的序列分析前导区的序列分析vtrp前导区的碱基序列已经全部测定，引人注目的是其中前导区的碱基序列已经全部测定，引人注目的是其中4个个分别以分别以1、2、3和和4表示的片段能以两种不同的方式进行碱基表示的片段能以两种不同的方式进行碱基配对，有时以配对，有时以1-2和和3-4配对，有时只以配对，有时只以2-3方式互补配对。方式互补配对。终终止止构构型型抗抗终终止止构构型型1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院432.弱化子与前导肽弱化子与前导肽vmRNA前导区的序列分析前导区的序列分析vRNaseT1降降解解实实验验（此

44、此酶酶不不能能水水解解配配对对的的RNA）表表明明，纯纯化化的的trp前前导导序序列列中中确确有有1-2和和3-4的的配配对对方方式式，由由此此定定位位的的3-4配配对对区区正正好好位位于于终终止止密密码码子子的的识识别别区区，当当这这个个区区域域发发生生破破坏坏自自我我配配对对的的碱碱基基突突变变时时有有利利于于转转录的继续进行。录的继续进行。1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院442.弱化子与前导肽弱化子与前导肽vmRNA前导区的序列分析前导区的序列分析vRNaseT1降降解解实实验验（此此酶酶不不能能水水解解配配对对的的RNA）表表明明，纯纯化化的的trp

45、前前导导序序列列中中确确有有1-2和和3-4的的配配对对方方式式，由由此此定定位位的的3-4配配对对区区正正好好位位于于终终止止密密码码子子的的识识别别区区，当当这这个个区区域域发发生生破破坏坏自自我我配配对对的的碱碱基基突突变变时时有有利利于于转转录的继续进行。录的继续进行。1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院452.弱化子与前导肽弱化子与前导肽v转录弱化作用转录弱化作用v培养基中色氨酸浓度低，负载有色氨酸的培养基中色氨酸浓度低，负载有色氨酸的tRNATrp就少，翻就少，翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就慢，当译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就慢，当4区被转

46、录完区被转录完成时，核糖体才进行到成时，核糖体才进行到1区（或停留在两个相邻的区（或停留在两个相邻的trp密码子密码子处），前导区处），前导区2-3配对，不形成配对，不形成3-4配对的终止结构，转录继配对的终止结构，转录继续进行。续进行。v培养基中色氨酸浓度高，核糖体顺利通过两个相邻的色氨酸培养基中色氨酸浓度高，核糖体顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在密码子，在4区被转录之前就到达区被转录之前就到达2区，区，3-4区自由配对形成区自由配对形成茎茎-环状终止子结构，转录停止。所以，弱化子对环状终止子结构，转录停止。所以，弱化子对RNA聚合聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。酶的影响依

47、赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。第四节第四节 其它操纵子其它操纵子1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院46v典型的操纵子和调控机制还有：典型的操纵子和调控机制还有：n半乳糖操纵子半乳糖操纵子n阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子n阻遏蛋白阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的的降解与细菌中的SOS应答应答n二组分信号调控系统和信号转导二组分信号调控系统和信号转导n多启动子的调控的启动子多启动子的调控的启动子第五节第五节 转录水平上其它调控转录水平上其它调控v转录过程涉及转录机器附着与转录过程涉及转录机器附着与DNA，识别启动子序列，起，识别启动子序列，起始始RNA的合成，延

48、伸和终止。转录的任何一步都受到调控。的合成，延伸和终止。转录的任何一步都受到调控。转录水平上以下其它调控方式：转录水平上以下其它调控方式：n因子的调节作用因子的调节作用n组蛋白类似蛋白的调节作用组蛋白类似蛋白的调节作用n转录调控因子的作用转录调控因子的作用n抗终止因子的调节作用抗终止因子的调节作用1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院47第六节第六节 转录后调控转录后调控1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院48v基基因因表表达达的的转转录录调调控控是是生生物物最最经经济济的的调调控控方方式式。但但转转录录生生成成mRNA以以后后，再

49、再在在翻翻译译或或翻翻译译后后水水平平进进行行“微微调调”，是是对对转转录录调调控控的的补补充充，它它使使基基因因表表达达的的调调控控更更加加适适应应生生物物本本身身的需求和外界条件的变化。调控方式有：的需求和外界条件的变化。调控方式有：nmRNA自身结构元件对翻译起始的调控nmRNA稳定性对转录水平的影响n调节蛋白的调控作用n反义RNA的调节作用n稀有密码子对翻译的影响n重叠基因对翻译的影响n翻译的阻遏n魔斑核苷酸水平对翻译的影响第六节第六节 转录后调控转录后调控1/30/2023南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院491.翻译起始的调控翻译起始的调控v遗遗 传传 信信 息息

50、的的 翻翻 译译 起起 始始 于于 mRNA上上 的的 核核 糖糖 体体 结结 合合 位位 点点（RBS）起起始始密密子子AUG上上游游的的一一段段非非翻翻译译区区。在在RBS中中有有SD序序列列，与与核核糖糖体体16S rRNA的的3端端互互补补配配对对，促促使使核核糖体与糖体与mRNA相结合。相结合。vRBS的的结结合合强强度度取取决决于于SD序序列列的的结结构构及及与与AUG的的距距离离。SD与与AUG相距一般以相距一般以410核苷酸为佳，核苷酸为佳，9核苷酸最佳。核苷酸最佳。vSD序序列列的的微微小小变变化化，往往往往会会导导致致表表达达效效率率成成百百上上千千倍倍的的差差异异，这这是