原核生物基因表达调控.ppt

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8原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控8.1乳糖操纵元乳糖操纵元lactoseoperon8.2色氨酸操纵元色氨酸操纵元8.3基因转录的时序调控基因转录的时序调控8.4小分子小分子RNA的翻译调节的翻译调节8.1.1DiscoveryofOperonn1961年年,F.Jacob&J.Monod提出提出,此后不断完善。

此后不断完善。

获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖n1940年，年，Monod发现：

细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基发现：

细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。

即产生糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。

即产生“二二次生长曲线次生长曲线”。

n文献：

细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶文献：

细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶n1947年，报告：

年，报告：

“酶的适应现象及其在细胞分化中的意义酶的适应现象及其在细胞分化中的意义”FrancisJacobJacquesMonod8.1乳糖操纵元乳糖操纵元n1951年，年，Monod与与Jacob合作，发现两对基因：

合作，发现两对基因：

nZ基因基因：

与合成：

与合成-半乳糖苷酶有关；半乳糖苷酶有关；nI基因基因：

决定细胞对诱导物的反应。

：

决定细胞对诱导物的反应。

nSzilard：

I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。

该阻遏物。

nJacob：

结构基因旁有开关基因（：

结构基因旁有开关基因（操纵基因操纵基因），），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。

表达。

乙酰基转移酶乙酰基转移酶半乳糖苷半乳糖苷透性酶透性酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶操作位点操作位点乳糖操纵元乳糖操纵元结构调节基因调节基因n操纵元操纵元是一种完整的具有特定功能的细菌基因表是一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调节的单位，包括达和调节的单位，包括调节基因调节基因，操纵位点操纵位点，结结构基因构基因，组成一个控制单元，组成一个控制单元n结构基因结构基因：

产生产生产生产生mRNA,mRNA,合成蛋白质合成蛋白质合成蛋白质合成蛋白质nn操纵位点操纵位点操纵位点操纵位点promotor,operatorpromotor,operator：

启动子结合位点启动子结合位点n调节基因：

产生调节蛋白调节基因：

产生调节蛋白（与操纵位点结合）（与操纵位点结合）结构基因不转录结构基因不转录结构基因不转录结构基因不转录诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合结构基因转录结构基因转录结构基因转录结构基因转录ControlelementStructuralgenes8.1.2酶的诱导现象酶的诱导现象B-半乳糖苷酶半乳糖苷酶分解底物的酶只有在底物存在时才出现！

分解底物的酶只有在底物存在时才出现！

分解底物的酶只有在底物存在时才出现！

分解底物的酶只有在底物存在时才出现！

n无乳糖时，几个无乳糖时，几个B-gal/cell加入乳糖时，加入乳糖时，5000个个再去掉乳糖，再去掉乳糖，lacmRNA下降下降乳糖能激发乳糖能激发lacmRNA的合成的合成n乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶合成？

合成？

培养基（培养基（35S-aa,无乳糖）无乳糖）E.coli繁殖繁殖培养基（无培养基（无35S-aa,加入乳糖）加入乳糖）-gal（无无35S）8.1.3调控机理调控机理1调控区结构调控区结构nlacI,1045bp，独立独立PinnP,82bpP,82bp，828211nnO,35bpO,35bp，772828nlacZYA体外结合竞争实验体外结合竞争实验:

阻遏物阻遏物RNApol,offRNApol阻遏物，阻遏物，on2.2.阻遏状态阻遏状态阻遏状态阻遏状态3诱导状态诱导状态诱导物诱导物诱导物诱导物诱导作用：

在可诱导的操纵元中，诱导作用：

在可诱导的操纵元中，加入对基因表达有调节作用的小分加入对基因表达有调节作用的小分子后，开启基因的转录活性子后，开启基因的转录活性4诱导物诱导物不是乳糖不是乳糖生成生成lac诱导物诱导物乳糖代谢乳糖代谢Allolctose异构乳糖异构乳糖别乳糖别乳糖细胞内细胞内-半乳糖苷酶来源半乳糖苷酶来源?

gratuitousinducer安慰诱导物安慰诱导物义务诱导物义务诱导物n可诱导半乳糖苷酶产生，可诱导半乳糖苷酶产生，但不是其底物但不是其底物nIPTG，异丙基半乳糖苷异丙基半乳糖苷nTMG，巯甲基半乳糖苷巯甲基半乳糖苷nONPG,O-硝基半乳糖苷硝基半乳糖苷在在在在研究诱导作用时，很少使用乳糖研究诱导作用时，很少使用乳糖研究诱导作用时，很少使用乳糖研究诱导作用时，很少使用乳糖8.1.4阻遏蛋白的作用机制阻遏蛋白的作用机制1阻遏蛋白结构阻遏蛋白结构n38KD，4聚体聚体，一个亚基结合一个一个亚基结合一个IPTG分子分子nlacI组成型转录组成型转录Pi弱启动子，弱启动子，510个个celln具有二重性具有二重性阻止转录（与阻止转录（与lacOlacO结合）结合）开始转录（与开始转录（与诱导物诱导物诱导物诱导物结合）结合）阻遏蛋白的结阻遏蛋白的结构域构域头段头段头段头段，-NH2端，端，lacO结结合区合区绞链区绞链区核心段核心段核心段核心段，-COOH，诱导物结合区诱导物结合区4个亚基的核心片段接触形成四聚体个亚基的核心片段接触形成四聚体对称轴，对称轴，+11对称序列，对称序列，6bp2.阻遏蛋白的结合位点阻遏蛋白的结合位点lacO的结构的结构3阻遏蛋白对阻遏蛋白对RNApol功能的影响功能的影响n阻遏蛋白和阻遏蛋白和RNApol可同时与可同时与DNA结合结合RNApol与启动子结合的平衡常数与启动子结合的平衡常数1.9X107有阻遏蛋白时有阻遏蛋白时,2.5X109n结合着的结合着的RNApol不能转录不能转录.但加入诱导物后但加入诱导物后,释释放出阻遏蛋白放出阻遏蛋白,变为开放型启动子复合物变为开放型启动子复合物.n阻遏蛋白实际上使阻遏蛋白实际上使RNApol贮存在启动子上。

贮存在启动子上。

这一模式是否存在于其它操纵元系统中？

这一模式是否存在于其它操纵元系统中？

+glucose-glucoseTime（hr）Unitsof-galactosidase+lactoseGlucoseadded8.1.5lacoperon的正调控的正调控1代谢物阻遏效应代谢物阻遏效应实验，在实验，在lacGlu培养基上培养基上E.coli只利用只利用G，只有，只有G耗尽时，才会利用耗尽时，才会利用lacnn葡萄糖抑制葡萄糖抑制葡萄糖抑制葡萄糖抑制laclacmRNAmRNA的转录：

的转录：

的转录：

的转录：

可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应仅去掉阻遏物并不能启动仅去掉阻遏物并不能启动lac基因表达基因表达,有其它因有其它因素参与素参与n葡萄糖对葡萄糖对lac操纵元表达的操纵元表达的抑制是间接的抑制是间接的n葡萄糖的降解是通过葡萄糖的降解是通过cAMP与与CAP结合起作用的结合起作用的cAMP:

环化腺苷酸环化腺苷酸CAP,cataboliteactivatorprotein由由crp编码编码CRP,catabolitereceptorprotein2CAP结合位点结合位点nCAP为二聚体，为二聚体，45KD，被，被cAMP激活激活n结合位点结合位点22bpI-70-50II-50-40由于序列的差异，使不同基因受由于序列的差异，使不同基因受cAMP激激活的水平不同活的水平不同结合位点序列保守结合位点序列保守3CAP的结合对的结合对DNA构型的影响构型的影响nDNA弯曲弯曲n弯曲点位于弯曲点位于CAP结合位点二重对称的中心结合位点二重对称的中心n弯曲弯曲使使CAP能与启动子上的能与启动子上的RNApol接触接触

（1）CAP结合位点与结合位点与转录起始点的位置转录起始点的位置nnCAPCAP与与转录起始点转录起始点的的距离，相距数个整双距离，相距数个整双螺旋螺旋nnCAPCAP结合位点在结合位点在启动启动子子的上下游，都能发的上下游，都能发挥作用挥作用4CAP对转录的影响对转录的影响

（2）基因转录对）基因转录对cAMPCAP系统的依赖性，系统的依赖性，与启动子本身的效率有关与启动子本身的效率有关cAMP-CAP复合物的结合，使位点复合物的结合，使位点II附近的富含附近的富含GC区域双螺旋结构稳定性降低，因而区域双螺旋结构稳定性降低，因而-10区的熔区的熔解温度降低，促进开放型启动子复合物的形成解温度降低，促进开放型启动子复合物的形成（3）CAP激活转录的方式激活转录的方式nCAP直接作用于直接作用于RNApola亚基亚基缺失缺失RNApola亚基亚基的的C末端时，失去受末端时，失去受CAP激活的能力激活的能力n作用于作用于DNA，改变其改变其结构结构8.1.6lacoperon的其它问题的其它问题1lacoperon的功能是在的功能是在正负正负正负正负两个调控体系的协调作用两个调控体系的协调作用（coordinateregulation）（coordinateregulation）下实现的。

下实现的。

阻遏蛋白封闭转录阻遏蛋白封闭转录时，时，CAPCAP不发挥作用；如没有不发挥作用；如没有CAPCAP加强转录，即使阻遏蛋加强转录，即使阻遏蛋白从白从PP上解聚仍无转录活性上解聚仍无转录活性nCAP组成型合成，所以组成型合成，所以cAMPCAP复合物取决于复合物取决于cAMP含量含量n腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，因此有关，因此cAMPCAP调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶等糖类代谢有关的酶n降解物敏感型操纵元：

只要有葡萄糖存在，这些操纵元降解物敏感型操纵元：

只要有葡萄糖存在，这些操纵元就不表达就不表达2.A基因及其生理功能基因及其生理功能编码编码B-半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。

该酶半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。

该酶不参与乳糖代谢！

不参与乳糖代谢！

生理意义：

在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖生理意义：

在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细胞生长。

半乳糖苷乙酰化后，即无毒胞生长。

半乳糖苷乙酰化后，即无毒.所以所以lacA虽不在乳虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累3.lac基因产物数量基因产物数量，1：

0.5：

0.2不同酶的数量差异不同酶的数量差异,是由于在翻译水平上的调节是由于在翻译水平上的调节.方式有二方式有二:

核糖体脱离核糖体脱离:

多顺反子的差别性翻译多顺反子的差别性翻译内切酶作用内切酶作用:

在在lacmRNA分子内部，分子内部，a基因比基因比z基因更易基因更易受内切酶作用受内切酶作用SummarySummarySummaryoflacoperonregulationGlucosecAMPLactoseTranscriptionoflacmRNAHighLowPresentlowrateofexpressionHighLowAbsentessentiallynoneLowHighAbsentessentiallynoneLowHighPresenthighrateofexp