原核基因表达的调控.ppt

第第 九九 章章 微生物基因表达调控微生物基因表达调控概概 述述Ø微生物新陈代谢过程中，酶是主要的基因微生物新陈代谢过程中，酶是主要的基因产物；产物；Ø微生物在代谢过程中，已经形成了两种主微生物在代谢过程中，已经形成了两种主要的代谢调节方式，即酶活性的调节和酶要的代谢调节方式，即酶活性的调节和酶量的调节量的调节Ø酶酶活性的调节：具体指一定数量的酶通过其分子构活性的调节：具体指一定数量的酶通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率，主象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率，主要是生化水平的调节（第五章）要是生化水平的调节（第五章）Ø酶量的调节包含：酶量的调节包含：Ø1、基因（酶的基因）被转录成多少、基因（酶的基因）被转录成多少mRNA的的转录水转录水平平的调节Ø2、、转录后转录后mRNA转转译出多少蛋白（酶）的过程译出多少蛋白（酶）的过程基因表达调控基因表达调控基因表达调控在两个水平上体现：基因表达调控在两个水平上体现：(1)　转录水平上的调控　转录水平上的调控(transcriptional regulation); (2)　转录后水平上的调控　转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation);第一节　转录水平的调控第一节　转录水平的调控Ø操纵子操纵子：：原核生物细胞中原核生物细胞中,功能相关的基因组成操纵子结功能相关的基因组成操纵子结构构,由操纵区与一个或几个结构基因联合起来由操纵区与一个或几个结构基因联合起来,形成一个结形成一个结构上、功能上协同作用的整体构上、功能上协同作用的整体,受统一调节基因和启动区受统一调节基因和启动区的调控。

的调控Ø调节基因：调节基因：可产生阻遏物或激活物蛋白调节操纵区，从可产生阻遏物或激活物蛋白调节操纵区，从而控制结构基因的功能而控制结构基因的功能（（1）非专一性结合蛋白）非专一性结合蛋白:组蛋白与组蛋白与DNA结合，结果有时影响基结合，结果有时影响基因表达2）专一性结合蛋白）专一性结合蛋白: 有很多蛋白质可与有很多蛋白质可与DNA发生序列特异性发生序列特异性相互作用，这些蛋白质分子的氨基酸侧链通过与相互作用，这些蛋白质分子的氨基酸侧链通过与DNA的碱的碱基磷酸或戊糖分子发生作用；基磷酸或戊糖分子发生作用；Ø结合部位往往在结合部位往往在DNA大沟中，每条多肽链与一条大沟中，每条多肽链与一条DNA链结链结合Ø与与DNA发生特异性相互作用的蛋白质一般是有两条相同的发生特异性相互作用的蛋白质一般是有两条相同的多肽链组成的二聚体多肽链组成的二聚体一、一、DNA结合蛋白结合蛋白　（　（1）螺旋－转角－螺旋（）螺旋－转角－螺旋（helix-turn-helix，，HTH））HTH的一端是由氨基酸形成的的一端是由氨基酸形成的α－螺旋，又称为－螺旋，又称为识别螺旋识别螺旋；；“转转角角”由由3个氨基酸组成；第二个个氨基酸组成；第二个螺旋螺旋以疏水相互作用稳定第一个以疏水相互作用稳定第一个螺旋。

螺旋结合蛋白与结合蛋白与DNA作用力：氢键、范德华力等非共价作用作用力：氢键、范德华力等非共价作用　　　　　　 实例：大肠杆菌的实例：大肠杆菌的Lac、、Trp阻遏蛋白阻遏蛋白DNA结合蛋白的模体（结合蛋白的模体（motif））（（2）锌指（）锌指（zinc finger）多见于真核）多见于真核特点特点: Zn2+连结四个氨基酸（连结四个氨基酸（2个组氨酸，个组氨酸，2个半胱氨酸）个半胱氨酸） 　　　　　　　　　　 形成形成α－－helix（螺旋）形式的（螺旋）形式的“指指”，在大沟中与，在大沟中与 DNA相互作用相互作用一般多个锌指串联排列，一般多个锌指串联排列， 但不一定每个都接触但不一定每个都接触DNA，其氮端形，其氮端形成反向成反向β折折 叠，碳端形成叠，碳端形成α－－helix，与，与DNA大沟特异性接触大沟特异性接触（（3）亮氨酸拉扣（）亮氨酸拉扣（leucine zipper））Ø多肽链上每隔多肽链上每隔7个氨基酸有一个亮氨酸残基，这些残基形成了个氨基酸有一个亮氨酸残基，这些残基形成了一种二聚体化基序一种二聚体化基序亮氨酸拉扣亮氨酸拉扣不与不与DNA相互作用，只是保相互作用，只是保持另外持另外2 个个α螺旋与螺旋与DNA结合，稳定其空间构象。

结合，稳定其空间构象Ø三种蛋白的共同特点：以三种蛋白的共同特点：以α螺旋作为与螺旋作为与DNA识别（作用）的识别（作用）的 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 部位二、操纵子的转录调控二、操纵子的转录调控原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为据调控机制的不同可分为负转录调控负转录调控(negative transcription regulation)和和正转录调控正转录调控(Positive transcription regulation)负转录调控系统负转录调控系统Ø在负转录调控系统中，调节基因的产物是在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)－－－－阻止结构基因转录其作用部位是操阻止结构基因转录其作用部位是操纵区它与操纵区结合，转录受阻它与操纵区结合，转录受阻Ø负控诱导系统－－诱导物不存在时，阻遏蛋白与操负控诱导系统－－诱导物不存在时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录；诱导物存在时，阻纵区相结合，结构基因不转录；诱导物存在时，阻遏蛋白与诱导物相结合，阻遏蛋白与操纵区分离，遏蛋白与诱导物相结合，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。

结构基因转录Ø负控阻遏系统－－当阻遏蛋白与效应物结合时，结负控阻遏系统－－当阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录构基因不转录正转录调控系统正转录调控系统Ø在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)，激活蛋白结合后，，激活蛋白结合后， RNA聚合酶与聚合酶与DNA的启动子结合，转录才会进行的启动子结合，转录才会进行Ø在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行活性状态，转录进行Ø在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行处于非活性状态，转录不进行操纵子的转录调控实例操纵子的转录调控实例㈠、乳糖操纵子㈠、乳糖操纵子-----负控诱导系统负控诱导系统;㈡、色氨酸操纵子㈡、色氨酸操纵子----负控阻遏系统负控阻遏系统㈠、乳糖操纵子㈠、乳糖操纵子Ø大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳源的酶只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成源的酶只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。

Ø大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子(lactose operon)包括包括3个结构基个结构基因因:Z、、Y和和A这三个结构基因被同一个转录单元这三个结构基因被同一个转录单元lacZYA所编码，它有一个启动子所编码，它有一个启动子PlacØ乳糖操纵子的这三个结构蛋白是作为一个多顺反子乳糖操纵子的这三个结构蛋白是作为一个多顺反子的的mRNA一起表达的一起表达的ØlacZYA转录单元含有一个操纵区转录单元含有一个操纵区Olac，，它位于它位于Plac启动子启动子5’端的端的-5至至+21之间当阻遏蛋白结合到操之间当阻遏蛋白结合到操纵区时，便成为转录的强抑制物纵区时，便成为转录的强抑制物Ø阻遏蛋白被一个独立的调节基因阻遏蛋白被一个独立的调节基因lac I所编码，所编码，lac I也是乳糖操纵子的一部分也是乳糖操纵子的一部分; lac I位于位于Plac的上游乳糖操纵子的编码产物乳糖操纵子的编码产物llacZ编码编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖和葡萄糖llacY编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁。

的细胞壁llacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶阻遏蛋白阻遏蛋白Ø操纵序列存在反向重复对称，正好与由四个相同亚操纵序列存在反向重复对称，正好与由四个相同亚基组成的阻遏蛋白的内部对称相匹配基组成的阻遏蛋白的内部对称相匹配Ø当乳糖缺乏时，阻遏蛋白占据了操纵序列的结合位当乳糖缺乏时，阻遏蛋白占据了操纵序列的结合位点，点， RNA聚合酶不能与启动子结合乳糖阻抑物聚合酶不能与启动子结合乳糖阻抑物阻碍了几乎全部的阻碍了几乎全部的lacZYA的转录而使之保持很低的转录而使之保持很低的转录水平的转录水平乳糖操纵子诱导表达的机理乳糖操纵子诱导表达的机理l将乳糖加入细胞中后，细胞本身所含的低量的透性将乳糖加入细胞中后，细胞本身所含的低量的透性酶使它能吸收乳糖，酶使它能吸收乳糖，β-半乳糖苷酶则催化一些乳糖半乳糖苷酶则催化一些乳糖转化为异乳糖转化为异乳糖l异乳糖可以作为诱导物结合到阻遏蛋白上从而引异乳糖可以作为诱导物结合到阻遏蛋白上从而引起阻遏蛋白四聚体构象的变化，从而降低其对乳糖起阻遏蛋白四聚体构象的变化，从而降低其对乳糖操纵序列的亲和力，阻遏蛋白从操纵序列上脱离下操纵序列的亲和力，阻遏蛋白从操纵序列上脱离下来，聚合酶来，聚合酶 迅速开始迅速开始lacZYA基因的转录。

基因的转录Ø因此，加入乳糖或合成诱导物如异丙基因此，加入乳糖或合成诱导物如异丙基-β-D-硫硫代半乳糖苷代半乳糖苷(IPTG)能非常迅速地刺激乳糖操纵能非常迅速地刺激乳糖操纵子结构基因的转录子结构基因的转录调节调节基因基因操纵区操纵区乳糖结构基因乳糖结构基因PLacZLacYLacAmRNA 阻遏蛋白阻遏蛋白（有活性）（有活性）基基 因因 关关 闭闭启动子启动子ORPLacZLacYLacA调节调节基因基因操纵操纵基因基因乳糖结构基因乳糖结构基因启启动动子子OR 阻遏蛋白阻遏蛋白（无活性）（无活性） 基基 因因 表表达达mRNAA、乳糖操纵子的结构、乳糖操纵子的结构B、乳糖酶的诱导、乳糖酶的诱导 异乳糖异乳糖 阻遏蛋白阻遏蛋白（有活性）（有活性）乳乳乳乳糖糖糖糖操操操操纵纵纵纵子子子子的的的的负负负负调调调调控控控控mRNAZmRNAYmRNAAØcAMP即环式即环式AMP，，其在生物其在生物表达调控过程中起着重要作用表达调控过程中起着重要作用葡萄糖的降解代谢会抑制一些葡萄糖的降解代谢会抑制一些操纵子的转录操纵子的转录ØcAMP在细胞中的增加对这些在细胞中的增加对这些操纵子的转录是有利的。

操纵子的转录是有利的Ø葡萄糖降解物能抑制细胞内葡萄糖降解物能抑制细胞内cAMP产生Ø这是因为这是因为ATP是是cAMP的的直接代谢前体，担任这种直接代谢前体，担任这种转化的酶是腺苷酸环化酶转化的酶是腺苷酸环化酶(adenylcyclase)，，此酶受葡此酶受葡萄糖代谢降解物的直接抑萄糖代谢降解物的直接抑制制,从而造成从而造成cAMP不能产不能产生分解代谢物阻遏调控（葡萄糖效应）分解代谢物阻遏调控（葡萄糖效应）Ø分解代谢激活蛋白分解代谢激活蛋白(CAP)是以以二聚体形式存在的是以以二聚体形式存在的Ø葡萄糖存在时会降低细胞内葡萄糖存在时会降低细胞内cAMP的水平，的水平， CRP自身不能自身不能独立与独立与DNA结合；结合；Ø当葡萄糖缺乏时，大肠杆菌细胞内当葡萄糖缺乏时，大肠杆菌细胞内cAMP水平上升，水平上升，CRP结合到结合到cAMP上CRP-cAMP复合物可结合到紧邻复合物可结合到紧邻RNA聚聚合酶结合位点上游的乳糖操纵子的启动子合酶结合位点上游的乳糖操纵子的启动子Plac上游能使上游能使DNA双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子-RNA聚合酶结构，使转录效率提高聚合酶结构，使转录效率提高50倍。

倍分解代谢激活蛋白分解代谢激活蛋白RLacZLacYLacAmRNA基基 因因 表表达达CAP基因基因结构基因结构基因TCAPOCAP结结合部位合部位 RNA聚合酶聚合酶TcAMP - CAPP葡萄糖葡萄糖分解代分解代谢产物谢产物腺苷酸腺苷酸环化酶环化酶磷酸二磷酸二酯酶酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制抑制激活激活葡萄糖降解物与葡萄糖降解物与cAMP的关系的关系cAMPCAP：降解物基因活化蛋白（：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein））降低降低cAMP浓度浓度使使CAP呈失活状态呈失活状态mRNAZmRNAYmRNAAlac 操纵子小结操纵子小结Ø通常情况（葡萄糖供应正常）阻遏蛋白与操纵序列结合，基因通常情况（葡萄糖供应正常）阻遏蛋白与操纵序列结合，基因不转录Ø细胞外的乳糖通过透性酶吸收到细胞内；细胞内的细胞外的乳糖通过透性酶吸收到细胞内；细胞内的β-半乳糖苷半乳糖苷酶将乳糖转变为异乳糖异乳糖结合到阻遏蛋白上使之从操纵酶将乳糖转变为异乳糖异乳糖结合到阻遏蛋白上使之从操纵序列上脱离，聚合酶迅速开始序列上脱离，聚合酶迅速开始lacZYA基因的转录。

这就是负基因的转录这就是负控诱导Ø此外，体系还存在分解代谢物阻遏调控：细菌生长系统中若缺此外，体系还存在分解代谢物阻遏调控：细菌生长系统中若缺少葡萄糖，使少葡萄糖，使cAMP含量增加，才有足够量的含量增加，才有足够量的cAMP与分解物与分解物结合蛋白（结合蛋白（CRP）结合形成）结合形成CRP-cAMP复合物结合于复合物结合于Plac上游使使DNA双螺旋发生构象变化，转录才可以有效地进行双螺旋发生构象变化，转录才可以有效地进行㈡、色氨酸操纵子㈡、色氨酸操纵子Ø色氨酸操纵子包括色氨酸合成途经中相关的色氨酸操纵子包括色氨酸合成途经中相关的5个结构基因，编码一个转录单元，即从色氨个结构基因，编码一个转录单元，即从色氨酸启动子酸启动子Ptrp、操纵基因位点、操纵基因位点Otrp和向下游和向下游转录出转录出7kb的转录物的转录物色氨酸阻抑物色氨酸阻抑物Ø色氨酸操纵子中产生阻遏蛋白的基因是色氨酸操纵子中产生阻遏蛋白的基因是trpR，阻遏蛋白是含有，阻遏蛋白是含有两个亚基的二聚体两个亚基的二聚体, 可与色氨酸操纵子的操纵区特异性相互作可与色氨酸操纵子的操纵区特异性相互作用Ø操纵区的部分对称序列与色氨酸启动子在操纵区的部分对称序列与色氨酸启动子在-21和和+3碱基之间重碱基之间重叠。

中心结合区是叠中心结合区是18个碱基的回文结构个碱基的回文结构Ø只有当色氨酸结合到阻遏蛋白上时，阻遏蛋白才处于正确的只有当色氨酸结合到阻遏蛋白上时，阻遏蛋白才处于正确的构象，与色氨酸操纵区相互作用构象，与色氨酸操纵区相互作用 ，将转录的起始减少了大约，将转录的起始减少了大约70倍当合成产物积累时，阻遏蛋白被当合成产物积累时，阻遏蛋白被合成产物激活而与操纵基因结合合成产物激活而与操纵基因结合辅阻遏物（合成产物）辅阻遏物（合成产物）阻遏蛋白阻遏蛋白当合成产物减少时，合成产物当合成产物减少时，合成产物脱离阻遏蛋白而使阻遏蛋白失脱离阻遏蛋白而使阻遏蛋白失活转录酶使结构基因转录，活转录酶使结构基因转录，蛋白质酶合成使合成代谢开始蛋白质酶合成使合成代谢开始色氨酸操纵子：色氨酸操纵子：色氨酸积累时色氨酸合成减弱色氨酸积累时色氨酸合成减弱色氨酸缺乏时色氨酸合成加强色氨酸缺乏时色氨酸合成加强色氨酸＝合成产物＝辅阻遏物色氨酸＝合成产物＝辅阻遏物弱化子弱化子Ø如果在操纵基因和如果在操纵基因和trpE基因编码序列之间的一段序列基因编码序列之间的一段序列缺失，会导致基本转录水平和活化缺失，会导致基本转录水平和活化 (解阻抑解阻抑)--转录水转录水平的上升。

该段序列称为平的上升该段序列称为弱化子弱化子，它位于，它位于trpE起始密起始密码子前面码子前面162bp的转录前导序列的的转录前导序列的123～～150位Ø弱化子是一个不依赖弱化子是一个不依赖ρ因子的终止子区域，在一小段因子的终止子区域，在一小段富含富含GC的回文结构之后是的回文结构之后是8个连续的个连续的U残基如果这残基如果这段序列能在段序列能在RNA转录物中形成发夹结构，就可以作为转录物中形成发夹结构，就可以作为一个高效的转录终止子，因而只有一个高效的转录终止子，因而只有140bp的转录物被的转录物被合成前导前导RNA结构结构Ø色氨酸操纵子色氨酸操纵子RNA的前导序列含有的前导序列含有4个序列互补区，能形个序列互补区，能形成不同的碱基配对的成不同的碱基配对的RNA结构它们被称为序列结构它们被称为序列1、、2、、3和和4Ø弱化子发夹结构是序列弱化子发夹结构是序列3和和4配对的产物配对的产物 (3:4结构结构)Ø序列序列1和和2也是互补的，能形成另一个发夹结构也是互补的，能形成另一个发夹结构1:2然而序列序列2还和序列还和序列3互补Ø如果序列如果序列2和和3形成形成2:3发夹结构发夹结构，，3:4弱化子发夹结构就不弱化子发夹结构就不能形成，转录就不会终止。

在正常情况下，能形成，转录就不会终止在正常情况下，1:2和和3:4发夹发夹结构的形成在能量上是有利的结构的形成在能量上是有利的弱化作用弱化作用Ø大肠杆菌中，翻译在大肠杆菌中，翻译在mRNA边转录时边进行色氨边转录时边进行色氨酸前导肽编码序列的酸前导肽编码序列的3‘端与互补序列端与互补序列1重叠，两个色重叠，两个色氨酸密码子都在序列氨酸密码子都在序列1内，终止密码子在序列内，终止密码子在序列1和和2之间Ø由于色氨酸由于色氨酸 (色氨酸操纵子的最终产物色氨酸操纵子的最终产物)是翻译过程是翻译过程中所必需的，因此细胞对它的含量很敏感，它决定中所必需的，因此细胞对它的含量很敏感，它决定了在了在mRNA中终止子中终止子(3:4)发夹结构是否形成发夹结构是否形成Ø在色氨酸操纵子转录进行的过程中，在色氨酸操纵子转录进行的过程中，RNA聚合酶在序列聚合酶在序列2的的末端停滞直到核糖体开始翻译前导肽（即当前导肽开始翻译末端停滞直到核糖体开始翻译前导肽（即当前导肽开始翻译时，时，RNA聚合酶才又继续沿聚合酶才又继续沿DNA模板链前进合成模板链前进合成RNA）Ø在在色氨酸含量很高色氨酸含量很高的情况下，核糖体迅速在两个色氨酸密码的情况下，核糖体迅速在两个色氨酸密码子处插入色氨酸，这样翻译可直达前肽导末端。

核糖体封闭子处插入色氨酸，这样翻译可直达前肽导末端核糖体封闭了序列了序列2，当，当RNA聚合酶把聚合酶把3区和区和4区转录出来时，区转录出来时，3:4发夹得发夹得以形成，当以形成，当RNA聚合酶到达终止序列时，由于聚合酶到达终止序列时，由于3:4发夹使转发夹使转录可能被终止这一过程被称为录可能被终止这一过程被称为弱化作用弱化作用图图9－－20 弱化作用模型弱化作用模型l如果色氨酸缺乏时如果色氨酸缺乏时，翻译过程中将缺少其氨酰，翻译过程中将缺少其氨酰－－tRNA，核糖体将在两个色氨酸密码子上滞留，，核糖体将在两个色氨酸密码子上滞留，封闭了序列封闭了序列1这使得序列这使得序列2能自由地与序列能自由地与序列3形形成发夹结构（即抗终止子）终止子成发夹结构（即抗终止子）终止子 (3:4)发夹发夹结构不能形成，转录继续到结构不能形成，转录继续到trpE及其下游及其下游l因此终产物色氨酸含量的高低决定了转录是提因此终产物色氨酸含量的高低决定了转录是提早终止早终止 (弱化弱化)，还是继续转录完整个操纵子还是继续转录完整个操纵子弱化的重要性弱化的重要性Ø依靠弱化作用，色氨酸的存在就使色氨酸操纵子的依靠弱化作用，色氨酸的存在就使色氨酸操纵子的转录被抑制了转录被抑制了10倍。

与色氨酸阻抑物的作用倍与色氨酸阻抑物的作用 (70倍倍)合在一起，这就意味着色氨酸水平对色氨酸操纵子合在一起，这就意味着色氨酸水平对色氨酸操纵子的表达施加了的表达施加了700倍的调节效果倍的调节效果Ø在六种与氨基酸的生物合成相关的操纵子中有弱化在六种与氨基酸的生物合成相关的操纵子中有弱化作用例如作用例如his操纵子含有编码一个有连续操纵子含有编码一个有连续7个组氨个组氨酸密码子的多肽的前导序列酸密码子的多肽的前导序列三三 细菌应急反应细菌应急反应Ø当细菌发现它们自己生长在饥饿的条件下，缺乏维持蛋白质当细菌发现它们自己生长在饥饿的条件下，缺乏维持蛋白质合成的氨基酸时，它们将大部分活性区域都关闭掉此就称合成的氨基酸时，它们将大部分活性区域都关闭掉此就称为严紧反应为严紧反应(strigent response)，这是它们抵御不良条件，保，这是它们抵御不良条件，保存自己的一种机制存自己的一种机制Ø严紧反应导致两种特殊核苷酸积聚：严紧反应导致两种特殊核苷酸积聚：(1)ppGpp—四磷酸鸟苷四磷酸鸟苷（在（在G的的5'和和3'位点各附着两个磷酸）位点各附着两个磷酸）;(2) pppGpp—五磷酸五磷酸鸟苷（鸟苷鸟苷（鸟苷5'一三磷酸一三磷酸-3'二磷酸）。

二磷酸）Ø人们最初发现细菌在氨基酸饥饿时，出现两种特殊的核苷酸，人们最初发现细菌在氨基酸饥饿时，出现两种特殊的核苷酸，其电泳的迁移率和一般的核酸不同，感到很奇怪，就称之为其电泳的迁移率和一般的核酸不同，感到很奇怪，就称之为“魔斑魔斑Ⅰ”和和“魔斑魔斑Ⅱ”，后来发现魔斑，后来发现魔斑Ⅰ便是便是ppGpp，魔斑，魔斑Ⅱ是是pppGppØppGpp有什么作用呢？它是一系列反应的效应物，包有什么作用呢？它是一系列反应的效应物，包括抑制转录括抑制转录1））rRNA操纵子的启动子其转录起始被严紧反应特异操纵子的启动子其转录起始被严紧反应特异抑制了严紧调节的启动子发生突变能消除严紧控制，抑制了严紧调节的启动子发生突变能消除严紧控制，表明此效应需要和特异启动子顺序相互作用；表明此效应需要和特异启动子顺序相互作用；（（2）很多或大部分模板的转录延伸阶段被）很多或大部分模板的转录延伸阶段被ppGpp缩短缩短了，此是了，此是RNA聚合酶停顿的增加而引起的此效应反聚合酶停顿的增加而引起的此效应反应了在细胞内加入应了在细胞内加入ppGpp时转录效率普遍下降时转录效率普遍下降四、通过四、通过σ因子更换的调控因子更换的调控Ø枯草芽孢杆菌芽孢形成过程中，通过有序枯草芽孢杆菌芽孢形成过程中，通过有序σ因子因子替替换，使芽孢形成的基因有序表达。

换，使芽孢形成的基因有序表达 Ø热激应答反应：存在每一种生物中热激应答反应：存在每一种生物中HSP70热激热激蛋白感受温度变化后，调节热激应答系统的调节蛋白感受温度变化后，调节热激应答系统的调节蛋白基因蛋白基因rPOH表达，产物是表达，产物是σ32，其参与构成的，其参与构成的RNA聚合酶识别热激应答基因的启动子聚合酶识别热激应答基因的启动子 五、信号传导和二组分调节系统五、信号传导和二组分调节系统前面讨论的是小分子效应物与调节蛋白作用，而前面讨论的是小分子效应物与调节蛋白作用，而有时外部信号不直接传给调节蛋白通过传感器有时外部信号不直接传给调节蛋白通过传感器检测信号，然后以变化形式传到调节部位，此为检测信号，然后以变化形式传到调节部位，此为信号传导最简单是信号传导最简单是二组分系统二组分系统 由：由：CM传感蛋白或传感激酶传感蛋白或传感激酶 （细胞质膜上）（细胞质膜上） CP的应答调节蛋白的应答调节蛋白 （细胞质）（细胞质）图图9－－26 缺氧激活缺氧激活ArcB蛋白，磷酸化为蛋白，磷酸化为ArcA，作为阻遏蛋白，作为阻遏蛋白 作用作用THT模式蛋白，作用模式蛋白，作用DNA分子，对操纵子调节分子，对操纵子调节二组分系统在许多细菌调节大量基因，如：大肠杆菌二组分系统在许多细菌调节大量基因，如：大肠杆菌氮吸收；根瘤菌氮固定；芽孢菌芽孢形成。

氮吸收；根瘤菌氮固定；芽孢菌芽孢形成 趋化性（趋化性（chemotaxis）：）：也是二组分调控系统调控也是二组分调控系统调控 其其机理：机理：接受甲基趋化性蛋白（接受甲基趋化性蛋白（MCPs）是受体蛋白，）是受体蛋白，传感激酶是传感激酶是CheA 六六 λ溶原与裂解途径的转录调控溶原与裂解途径的转录调控图9－29 λ基因组A～Z头部基因 N：早期调节因子 CⅢ:CⅡ稳定因子 CⅠ：阻遏蛋白 主要是主要是Cro和和CⅠ两种调节蛋白两种调节蛋白 Cro蛋白对蛋白对cro和和cⅠ基因负控制基因负控制 CⅠ蛋白对蛋白对cro转录负控制，对自身既有正控制又有负转录负控制，对自身既有正控制又有负控制 溶原途径：只有溶原途径：只有c Ⅰ基因表达，基因表达， CⅠ蛋白先与蛋白先与OROL 结合，结合，阻止阻止PLPR启动占据启动占据OR，抑制，抑制cro,不利裂解不利裂解图 9-30控制区 当溶原菌受当溶原菌受uv或其他因素诱导，或其他因素诱导，RecA蛋白激活蛋白激活 切切CⅠ蛋白，从蛋白，从DNA脱落，使脱落，使RNA聚合酶与聚合酶与cro 结合表达，头尾基因表达，进入裂解途径结合表达，头尾基因表达，进入裂解途径。

第二节第二节 转录后调控转录后调控Ø基因表达的转录调控是生物最经济的调控方式基因表达的转录调控是生物最经济的调控方式――用不着某种蛋白质，其用不着某种蛋白质，其mRNA由于用不着就不必转由于用不着就不必转录Ø转录生成转录生成mRNA以后，再在翻译或翻译后水平进行以后，再在翻译或翻译后水平进行"微调微调"，是对转录调控的补充，它使基因表达的调，是对转录调控的补充，它使基因表达的调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化1 翻译起始的调控翻译起始的调控Ø遗传信息翻译成多肽链起始于而遗传信息翻译成多肽链起始于而mRNA上的核糖体结合位点上的核糖体结合位点(RBS)所谓RBS，是指起始密码子，是指起始密码子AUG上游的一段非翻译上游的一段非翻译区Ø在在RBS中有中有SD(Shine-Dalg-arno)序列，长度一般为序列，长度一般为5个核苷个核苷酸，富含酸，富含 G、、A，该序列与核糖体，该序列与核糖体16SrRNA的的3‘端互补配对，端互补配对，促使核糖体结合到促使核糖体结合到mRNA上，有利于翻译的起始上，有利于翻译的起始ØRBS的结合强度取决于的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码序列的结构及其与起始密码AUG之间的距离。

之间的距离SD与与AUG之间相距一般以之间相距一般以4-10个核苷酸为佳，个核苷酸为佳，9个核苷酸最佳个核苷酸最佳ØmRNA的二级结构是翻译起始调控的重要因素的二级结构是翻译起始调控的重要因素 mRNA 5’端合适的空间结构有利于核糖体的端合适的空间结构有利于核糖体的30 S亚基与之相结合亚基与之相结合ØSD序列的微小变化，往往会导致表达效率上百序列的微小变化，往往会导致表达效率上百倍甚至上千倍的差异，这是由于核苷酸的变化倍甚至上千倍的差异，这是由于核苷酸的变化改变了形成改变了形成mRNA 5’端二级结构的自由能，影端二级结构的自由能，影响了核糖体响了核糖体30 S亚基与亚基与mRNA的结合，从而造的结合，从而造成了蛋白质合成效率上的差异成了蛋白质合成效率上的差异mRNA的稳定性的稳定性ØmRNA的稳定性也是影响翻译效率的一个很重要的稳定性也是影响翻译效率的一个很重要的因素，基因的表达量与的因素，基因的表达量与mRNA的半衰期成正比的半衰期成正比例关系Ø同一种微生物细胞中不同蛋白质的同一种微生物细胞中不同蛋白质的mRNA的稳定的稳定性相差很大，例如大肠杆菌的性相差很大，例如大肠杆菌的mRNA功能性半衰功能性半衰期的差异可在期的差异可在40秒至秒至20分钟之间，对不同基因的分钟之间，对不同基因的表达量起调控作用。

表达量起调控作用 3 稀有密码子对翻译的影响稀有密码子对翻译的影响Ø在不同种类的生物中，各种在不同种类的生物中，各种tRNA的含量是有很大区的含量是有很大区别的，特别是原核生物尤为显著别的，特别是原核生物尤为显著Ø由于不同由于不同tRNA含量上的差异很大，产生了对密码子含量上的差异很大，产生了对密码子的偏爱性，对应的的偏爱性，对应的tRNA丰富或稀少的密码子，分别丰富或稀少的密码子，分别称为偏爱密码子称为偏爱密码子(biased codons)或稀有密码子或稀有密码子(rare codons)Ø含稀有密码子多的基因必然表达效率低微生物利用含稀有密码子多的基因必然表达效率低微生物利用稀有密码子进行转录后调控主要反映在对同一操纵子稀有密码子进行转录后调控主要反映在对同一操纵子中不同基因表达量的控制中不同基因表达量的控制4 重叠基因对翻译的影响重叠基因对翻译的影响ltrp操纵子由操纵子由5个基因个基因(trpE、、D、、C、、B、、A)组成，在组成，在正常情况下，操纵子中正常情况下，操纵子中5个基因产物是等量的，但个基因产物是等量的，但trpE突变后，其邻近的突变后，其邻近的trpD产量比下游的产量比下游的trpBA产产量要低得多。

研究量要低得多研究trpE和和trpD以及以及trpB和和trpA两对两对基因中核苷酸序列与翻译偶联的关系，发现基因中核苷酸序列与翻译偶联的关系，发现trpE基基因的终止密码子和因的终止密码子和trpD基因的起始密码子共用一个基因的起始密码子共用一个核苷酸ltrpE --苏氨酸苏氨酸--苯丙氨酸苯丙氨酸--终止终止l ACU----UUC----UGA----UGG -- CUl AUG----GCUl 甲硫氨酸甲硫氨酸--丙氨酸丙氨酸---trpDl由于由于trpE的终止密码子与的终止密码子与trpD的起始密码重叠，的起始密码重叠，trpE翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制偶联翻译是保证两个基因产物在数量翻译的机制偶联翻译是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段。

上相等的重要手段5. 反义反义RNA调控调控l八十年代以来，关于八十年代以来，关于RNA在细胞内的生物学功能研究取得了在细胞内的生物学功能研究取得了重要进展，除了证明重要进展，除了证明RNA具有催化功能具有催化功能(即即Ribozyme)之外，之外，还表明还表明RNA具有调节基因表达的功能这种调节具有调节基因表达的功能这种调节RNA被称为被称为反义反义RNA( antisense RNA)，它具有能与另一，它具有能与另一“靶靶”RNA互补结互补结合的碱基序列合的碱基序列l反义反义RNA能专一性地结合到能专一性地结合到mRNA并阻止其活性的事实具有并阻止其活性的事实具有很大的潜在实用性反义很大的潜在实用性反义RNA已经成为一种研究工具如果已经成为一种研究工具如果有人需要研究某一特定基因的作用能与这个基因的有人需要研究某一特定基因的作用能与这个基因的mRNA相相结合的反义结合的反义RNA可以被构建出来并导入到细胞中，它可阻止可以被构建出来并导入到细胞中，它可阻止基因表达基因表达6. 翻译的阻遏调控翻译的阻遏调控 l转录水平的调控一般都是蛋白质或某些小分子转录水平的调控一般都是蛋白质或某些小分子物质对基因转录的阻遏或激活，而在翻译水平物质对基因转录的阻遏或激活，而在翻译水平上也发现了类似的蛋白质阻遏作用。

上也发现了类似的蛋白质阻遏作用 7. ppGpp对核糖体蛋白质合成的影响对核糖体蛋白质合成的影响 Ø即在氨基酸短缺的情况下，首先被停止合成的是即在氨基酸短缺的情况下，首先被停止合成的是rRNA而核糖体是由核糖体是由rRNA和核糖体蛋白质构成，是翻译遗传密码的和核糖体蛋白质构成，是翻译遗传密码的唯一场所，唯一场所，rRNA的量骤然下降，核糖体蛋白质失去了结合的量骤然下降，核糖体蛋白质失去了结合的对象而成为多余的了的对象而成为多余的了Ø由于某些核糖体蛋白由于某些核糖体蛋白mRNA的部分二级结构和的部分二级结构和rRNA的部分的部分二级结构相似，当二级结构相似，当rRNA短缺时，多余的核糖体蛋白质与本短缺时，多余的核糖体蛋白质与本身的身的mRNA 结合，从而阻断本身的翻译，同时也阻断同一结合，从而阻断本身的翻译，同时也阻断同一多顺反子的多顺反子的mRNA下游其他核糖体蛋白质编码区的翻译，使下游其他核糖体蛋白质编码区的翻译，使核糖体蛋白质的合成和核糖体蛋白质的合成和rRNA的合成几乎同时停止的合成几乎同时停止ØrRNA的合成是转录水平的调控，而核糖体蛋白质的合成则的合成是转录水平的调控，而核糖体蛋白质的合成则是翻译水平的调控。

是翻译水平的调控8. 细菌蛋白质的分泌调控细菌蛋白质的分泌调控Ø能分泌到胞外的蛋白质统称为分泌蛋白由于发现能分泌到胞外的蛋白质统称为分泌蛋白由于发现这些分泌蛋白质这些分泌蛋白质N末端都含有一段由末端都含有一段由15～～30个疏水个疏水氨基酸残基组成的信号肽氨基酸残基组成的信号肽(signal peptide)，所以近年，所以近年来，人们提出了一种信号肽假说来解释这些分泌蛋来，人们提出了一种信号肽假说来解释这些分泌蛋白质的分泌白质的分泌Ø原核细胞信号序列的发现要比真核细胞的晚得多原核细胞信号序列的发现要比真核细胞的晚得多 小小 结结Ø微生物基因表达的调控主要在转录水平上，这是最微生物基因表达的调控主要在转录水平上，这是最经济的调控方式；但也有转录后的微调；经济的调控方式；但也有转录后的微调；Ø操纵子转录调控是微生物的主要调控机制，分负转操纵子转录调控是微生物的主要调控机制，分负转录调控和正转录调控，分别涉及到阻遏蛋白或激活录调控和正转录调控，分别涉及到阻遏蛋白或激活蛋白与蛋白与DNA分子的相互作用；分子的相互作用；Ø转录后调控主要包括转录后调控主要包括①①翻译起始的调控；翻译起始的调控；②②mRNA的稳定性；的稳定性；③③稀有密码子和重叠基因；稀有密码子和重叠基因；④④反义反义RNA；；⑤⑤翻译的阻遏；翻译的阻遏；⑥⑥ppGpp对核糖体蛋白质合成的对核糖体蛋白质合成的影响；影响；⑦⑦细菌蛋白质的分泌调控。

细菌蛋白质的分泌调控思考题思考题1.以乳糖操纵子为例说明酶诱导合成的调控以乳糖操纵子为例说明酶诱导合成的调控过程过程? 2.以色氨酸操纵子为例简述原核细胞基因表以色氨酸操纵子为例简述原核细胞基因表达调控原理达调控原理图9－32 信号肽信号肽N有15～30aa疏水性信号肽图9－4 DNA与蛋白相互识别和结合图9－8 蛋白HTH模式图9－7 锌指结构蛋白图9－9 亮氨酸拉链无无乳乳糖糖时时有有乳乳糖糖时时图9－11 乳糖 操纵子结构 基因依次表达图9－17 色氨酸操纵子 上面是低Trp，下面是高Trp时。