分子遗传学原核生物基因的表达调控课件.ppt

第四章 原核生物基因的表达和调控分子遗传学原核生物基因的表达调控操纵子操纵子(operon) 有原核生物中，由几个功能相关的结构基因成簇排列而组成的一个基因表达的协同单位（coordinated unite），称为操纵子(operon)(operon) 分子遗传学原核生物基因的表达调控1.乳糖操纵子（lac operon）3.色氨酸操纵子（trp operon）2.阿拉伯糖操纵子（ara operon）分子遗传学原核生物基因的表达调控1.乳糖操纵子（lac operon）结构特点结构特点•三个结构基因三个结构基因Z、、Y、、A，分别编码，分别编码β-半乳糖半乳糖苷酶苷酶(β-galactosidase)、透酶、透酶(permease)和半和半乳糖苷乙酰化酶乳糖苷乙酰化酶(galactoside acetylase)•其上游还有一个启动子（其上游还有一个启动子（P）和一个操纵基）和一个操纵基因（因（O））•启动子上游还有一个启动子上游还有一个CAP蛋白结合位点蛋白结合位点分子遗传学原核生物基因的表达调控Organization of Lac Operon and LacIOperonpromoterRibosome initiation分子遗传学原核生物基因的表达调控Regulation of Gene ExpressionIPTG also induces Splits lactose lactosetransport??（异丙基硫代半乳糖苷）半乳糖分子遗传学原核生物基因的表达调控分子遗传学原核生物基因的表达调控CAP Binding Bends DNAvThis DNA bending results in more efficient RNA polymerase binding分子遗传学原核生物基因的表达调控CAP mediates glucose repression of LacPromotes transcription分子遗传学原核生物基因的表达调控调控机制•I基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚基因编码产生阻遏蛋白，阻遏蛋白为四聚体，在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操体，在没有乳糖的条件下，阻遏基因与操纵基因结合。

当有乳糖存在时，经透酶作纵基因结合当有乳糖存在时，经透酶作用进入细胞，在用进入细胞，在β-半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖，后者作为诱导剂（半乳糖，后者作为诱导剂（inducer）与阻）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚，遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵基因解聚，结构基因转录结构基因转录分子遗传学原核生物基因的表达调控Lactose Glucose- +- -+ -+ +LacICAP-cAMPFour States of the Lac Operon分子遗传学原核生物基因的表达调控E.coli的乳糖操纵子是原核生物基因表达调控的典型例子. 1、乳糖操纵子的结构 大肠杆菌的乳糖操纵子含Z、Y及A三个结构基因，分别编码β-半乳糖苷酶、透酶、乙酰基转移酶，此外还有一个操纵序列O、一个启动序列P及一个调节基因ⅠⅠ基因编码一种阻遏蛋白，后者与O序列结合，使操纵子受阻遏而处于转录失活状态在启动序列P上游还有一个分解（代谢）物基因激活蛋白CAP结合位点，由P序列、O序列和CAP结合位点共同构成LAC操纵子的调控区，三个酶的编码基因即由同一调控区调节，实现基因产物的协调表达。

2、阻遏蛋白的负性调节 在没有乳糖存在时，乳糖操纵子处于阻遏状态此时，Ⅰ基因列在P启动序列操纵下表达的乳糖阻遏蛋白与O序列结合，故阻断转录启动阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对，偶有阻遏蛋白与O序列解聚因此，每个细胞中可能会有寥寥数分子β半乳糖苷酶、透酶生成 当有乳糖存在时，乳糖操纵子即可被诱导真正的诱导剂并非乳糖本身乳糖经透酶催化、转运进入细胞，再经原先存在于细胞中的少数β -半乳糖苷酶催化，转变为别乳糖后者作为一种诱导剂分子结合阻遏蛋白，使蛋白构型变化，导致阻遏蛋白与O序列解离、发生转录，使β-半乳糖苷酶分子增加 1000倍分子遗传学原核生物基因的表达调控3、CAP的正性调节 分解代谢物基因激活蛋白 CAP是同二聚体，在其分子内有DNA结合区及cAMP结合位点当没有葡萄糖及cAMP浓度较高时，cAMP与CAP结合，这时CAP结合在乳糖启动序列附近的CAP位点，可刺激RNA转录活性，使之提高50倍；当葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，因此乳糖操纵子表达下降 由此可见，对乳糖操纵子来说 CAP是正性调节因素，乳糖阻遏蛋白是负性调节因素。

两种调节机制根据存在的碳源性质及水平协调调节乳糖操纵子的表达 4、对调节机制的解释 大肠杆菌根据碳源性质选择代谢方式 倘若有葡萄糖存在时，细菌优先选择葡萄糖供应能量葡萄糖通过降低 cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制乳糖操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖 在没有葡萄糖而只有乳糖的条件下，阻遏蛋白与 O序列解聚，CAP结合cAMP后与乳糖操纵子的CAP位点，激活转录，使得细菌利用乳糖作为能量来源 分子遗传学原核生物基因的表达调控2.阿拉伯糖操纵子（ara operon）结构特点结构特点•结构基因结构基因 B、、A、、D，分别编码异构酶，分别编码异构酶（（isomerase）、激酶（）、激酶（kinase）、表位）、表位酶（酶（epimerase），催化阿拉伯糖转变为），催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮糖磷酸木酮糖•调控区调控区 由启动子（由启动子（P）、起始区（）、起始区（I）和操）和操纵基因（纵基因（O）构成）构成分子遗传学原核生物基因的表达调控CAP分子遗传学原核生物基因的表达调控调控机制•C基因是调节基因，编码调控蛋白基因是调节基因，编码调控蛋白AraC，， AraC蛋白单独存在时，结合到蛋白单独存在时，结合到araO1和和araO2，表现出负调控；阿拉伯糖使，表现出负调控；阿拉伯糖使AraC蛋蛋白变构，结合到白变构，结合到araI上，表现正调控。

在上，表现正调控在ara操纵子基因表达调控中，操纵子基因表达调控中，CAP蛋白的调蛋白的调控作用不显著控作用不显著分子遗传学原核生物基因的表达调控The Arabinose Operon This loop prevents RNA transcriptionNo Arabinose present, operon OFFArabinose present, Glucose absent, operon ON分子遗传学原核生物基因的表达调控调控作用•有葡萄糖，有或无阿拉伯糖：关闭有葡萄糖，有或无阿拉伯糖：关闭•无葡萄糖，无阿拉伯糖：关闭无葡萄糖，无阿拉伯糖：关闭•无葡萄糖，有阿拉伯糖：开放无葡萄糖，有阿拉伯糖：开放分子遗传学原核生物基因的表达调控3.色氨酸操纵子（trp operon）结构特点结构特点•E.coli的色氨酸操纵子有五个结构基因的色氨酸操纵子有五个结构基因E、、D、、C、、B、、A基因编码三种酶，用于合成基因编码三种酶，用于合成色氨酸，色氨酸，•上游调控区由启动子（上游调控区由启动子（P）和操纵基因）和操纵基因（（O）组成）组成•R基因编码阻遏蛋白基因编码阻遏蛋白分子遗传学原核生物基因的表达调控 色氨酸的合成分5步完成。

每个环节需要一种酶，编码这5种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子mRNA上，分别以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表，编码了邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油-3-磷酶合成酶分子遗传学原核生物基因的表达调控调控机制•阻遏型机制及衰减机制衰减子位于结构阻遏型机制及衰减机制衰减子位于结构基因基因E和操纵基因和操纵基因O之间的之间的L基因中L基因基因的部分转录产物编码的部分转录产物编码14个氨基酸，其中含个氨基酸，其中含两个相邻的色氨酸密码子，这两个相邻的两个相邻的色氨酸密码子，这两个相邻的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的偶联是产生衰减的基础偶联是产生衰减的基础调控作用调控作用•将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成分子遗传学原核生物基因的表达调控A A、阻遏型机制、阻遏型机制:(:(一级开关一级开关: :粗调粗调) )由环境中是否有由环境中是否有TrpTrp来决定分子遗传学原核生物基因的表达调控分子遗传学原核生物基因的表达调控分子遗传学原核生物基因的表达调控B B、衰减机制：二级开关、衰减机制：二级开关( (微调微调) )由细胞中的由细胞中的TrpTrp浓度来决定。

浓度来决定分子遗传学原核生物基因的表达调控Genomic Organization of the Trp Operon 分子遗传学原核生物基因的表达调控分子遗传学原核生物基因的表达调控分子遗传学原核生物基因的表达调控Attenuation Control分子遗传学原核生物基因的表达调控。