原核基因表达调控(2)-08
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原核基因的表达调控
• RNA结合蛋白能够增进mRNA旳降解
静止期细菌以糖原形式储备糖， 迅速生长周期则经过糖酵解途径 消耗糖，这两个过程旳平衡由 CsrAB调整系统完毕。
CsrA蛋白可激活糖酵解过程并克 制葡萄糖和糖原旳合成。在糖原 合成途径中，假如CsrA蛋白结合 到glg基因旳mRNA分子上，该 mRNA分子就易于受核酸酶攻击， 加速降解，作为蛋白质合成模板 旳功能就受到克制。
研究引起终止旳mRNA碱基序列，发觉该区mRNA 经过自我配对能够形成茎-环构造，有经典旳终止子 特点。
123~150
（3）衰减作用旳调控机制-其实质是以翻
译手段来控制基因旳转录
• 在原核生物中转录和翻译是同步进行旳，一旦RNA聚 合酶刚转录出trp mRNA中旳前导肽编码区，核糖体 便立即结合上去翻译这一序列。
因为A和rep两个位点被封闭在二级构 造中，首先打开旳是cp位点。
当核糖体阅读到cp位点时，使形成 二级构造旳氢链断裂。伴随翻译旳进行， 将其下游旳rep位点也冲开了。这么rep 基因总是依赖于位于前面旳cp位点和核 糖体旳结合。
虽然rep旳核糖体结合位点每次都被cp基 因旳翻译所打开，但是RNA噬菌体旳cp蛋白 多肽链产生旳量要比复制酶多得多，为何？
图 16- R17 噬 菌 体 利 用 二 级 结 构 对 翻 译 进 行 调 控
一种RNA噬菌体基因组进入宿主细胞 后，核糖体仅附着到cp基因开始旳核糖体 结合位点上，而不附着到A蛋白基因或rep 基因旳开始处，因为它们旳核糖体结合位 点被病毒RNA旳二级构造所保护。相比之 下，CP蛋白旳起始密码子AUG处被核糖 体所附着，因它曝露在二级构造旳未端
TrpE terpD trpC trpB trpA t
t’
《原核生物基因表达调控》练习题及答案
《原核生物基因表达调控》练习题及答案一、名词解释1.基因表达调控答案：所有生物的信息，都是以基因的形式储存在细胞内的DNA（或RNA）分子中，随着个体的发育，DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统，转变成蛋白质或功能RNA分子，执行各种生理生物化学功能。
这个从DNA到蛋白质或功能RNA的过程被称之为基因表达，对这个过程的调节称之为基因表达调控。
2.组成性基因表达答案：是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。
其基因表达产物通常是对生命过程必须的或必不可少的，一般只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，且较少受环境因素的影响及其他机制调节，也称为基本的基因表达。
3.管家基因答案：某些基因产物对生命全过程都是必须的获必不可少的。
这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中均表达，被称为管家基因。
4.诱导表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。
5.阻遏表达答案：是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。
6.反式作用因子答案：又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。
它们由某一基因表达后通过与特异的顺式作用元件相互作用，反式激活另一基因的转录。
7.操纵子答案：是指原核生物中由一个或多个相关基因以及转录翻译调控元件组成的基因表达单元。
8.SD序列答案：存在于原核生物起始密码子AUG上游7~12个核苷酸处的一种4~7个核苷酸的保守片段，它与16S rRNA 3’端反向互补，所以可将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用。
根据首次识别其功能意义的科学家命名。
9.阻遏蛋白答案：是一类在转录水平对基因表达产生负控作用的蛋白质，在一定条件下与DNA结合，一般具有诱导和阻遏两种类型。
在诱导类型中，信号分子（诱导物）使阻遏蛋白从DNA释放下来；在阻遏类型中，信号分子使阻遏蛋白结合DNA，不管是哪一种情况，只要阻遏蛋白与DNA结合，基因的转录均将被抑制。
原核生物基因表达调控
Repressor
cAMP
CAP
葡萄糖不存在，乳糖存在，阻遏蛋白失活，cAMP+CAP与CAP位点结合结合，促进基因转录
The Lac Operon: III. 葡萄糖和乳糖都存在
Repressor
RNA Pol.
CAP Bindin
g
Promoter
Operator X
LacZ
Repressor负调节与正调节协调合作
• 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 • 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从操作基因上解聚仍无转录活性
3）正调控和负调控
正调控(positive control)
在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白后基因活性就被开启，这样的调控为正转录 调控。
调节基因
操纵基因
结构基因
调节蛋白
mRNA 酶蛋白
负调控（negative control)
在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调 控负转录调控。
2）结构基因和调节基因
➢ 组成基因/管家基因（constitutive gene, housekeeping gene）是指不大受环境变动而持 续表达的一类基因。如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的基因 。 ➢调节基因（regulated gene）指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因。如：不同生 长发育时期表达的一些基因。
• 别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物 • 异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）结构上类似于别乳糖，是乳糖操纵
子非常有效的诱导物。可诱导lac操纵子表达，但不能被β-半乳糖苷酶水解。 • 这种能诱导酶合成，但不能被酶分解的分子称为安慰诱导物（gratuitous inducer）。安慰诱导
原核生物基因表达的调控
操纵子学说的基本内容
1961年，法国科学家莫诺（J·L·Monod，1910-1976）与雅可布 （F·Jacob）发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学 说，开创了基因调控的研究。四年后的1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝 尔生理学与医学奖。
莫诺与雅可布最初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。这是一个十分巧妙的 自动控制系统，这个自动控制系统负责调控大肠杆菌的乳糖代谢。 乳糖可作为培养大肠杆菌的能源。大肠杆菌能产生一种酶（叫做“半乳糖 苷酶”），能够催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，以便作进一步的代谢利 用。编码半乳糖苷酶的基因（简称z）是一个结构基因（structural gene）。这个结构基因与操纵基因共同组成操纵子。操纵基因受一种叫作 阻遏蛋白的蛋白质的调控。当阻遏蛋白结合到操纵基因之上时，乳糖会起 诱导作用，它与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵 基因开启，相邻的结构基因也表现活性，细菌就能分解并利用乳糖了，这 样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的诱导物。
原核生物基因表达的调控
基因调控
生物体内的每个细胞都有全套的基因，但细胞中的基因并不是同 时表达的。因细胞的类型和执行的功能不同，细胞中有的基因开 启，有的基因关闭，如血红蛋白基因只在红细胞中表达，消化酶 只在消化腺细胞中表达。这其中存在着复杂的基因调控。 某些基因不断地进行转录和翻译，产生出各种蛋白质，通常称之 为基因表达。每个细胞都有一套完整的基因调控系统，使各种蛋 白质只有在需要时才被合成，这样就能使生物适应多变的环境， 防止生命活动中的浪费现象和有害后果的发生，保持体内代谢过 程的正常状态。但是，原核细胞和真核细胞的基因调控有着明显 的区别。 原核细胞表达的基因调控，比真核细胞要相对简单，这里以大肠 杆菌乳糖操纵子为例来说明。
第九章：原核生物基因表达调控
基因被转录成初级转录产物初级转录产物被加工成成熟的mrnamrna的稳定性mrna的翻译多肽链的加工和组装酶或者蛋白质活性控制蛋白质的降解91转录水平的调控正调控与负调控模式比较单顺反子与多顺反子mrna911转录起始调控一乳糖操纵子结构9111操纵子laca编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶该酶的作用是消除同时被乳糖转移酶转运到细胞内的硫代半乳糖苷对细胞造成的毒性
抗σ因子与抗抗σ因子
9.1.1.3 双组分调节系统
双 组 分 调 节 系 统 的 组 成
感应激酶 应答调节子
周质结构 域、 胞质结构 域
PhoR和PhoB构成的双组分调节系统
天冬氨酸残基
9.1.2 转录终止阶段的调控
9.1.2.1 弱化子
研究表明色氨酸操纵子两种机制的调控。如果trp操纵子只受 trpR编码的阻遏物调控，那么在缺乏或存在色氨酸时，trpR 突变使trp操纵子表达的酶量应该是相同的。可是，在trpR缺
❖热激蛋白的表达调控主要发生在转录水平上。热激蛋白基 因的启动子被σ32而不是通常的σ70识别。σ32也不能识别σ70启 动子，因为这两种σ因子识别的启动子序列不一样
❖HSP的诱导合成是由于细胞内的σ32合成发 生在翻译水平。 ▪另一方面，在热激条件下σ32的稳定性也增加了。
严谨反应的分子机制
（p）ppGpp与RNA聚合酶β亚基结合，改变了RNA聚合酶对 一系列启动子的亲和力，导致细胞基因表达的整体变化，使细 胞适应新的环境。这些变化包括rRNA和tRNA的合成被抑制， 一系列参与氨基酸合成与运转的基因被激活。
人们在对大肠杆菌relA突变体进行研究时认识到是（p） ppGpp的积累引发了严紧反应。relA突变体即使在氨基酸饥饿
Fur能够感应细胞 内铁的水平。当 细胞内有充足的 铁时，Fur关闭反 义bfr基因，细胞 产生细菌铁蛋白。 在低铁条件下， 反义bfr基因被转 录，产生反义 RNA，阻止细菌 铁蛋白的合成。
抗σ因子与抗抗σ因子
9.1.1.3 双组分调节系统
双 组 分 调 节 系 统 的 组 成
感应激酶 应答调节子
周质结构 域、 胞质结构 域
PhoR和PhoB构成的双组分调节系统
天冬氨酸残基
9.1.2 转录终止阶段的调控
9.1.2.1 弱化子
研究表明色氨酸操纵子两种机制的调控。如果trp操纵子只受 trpR编码的阻遏物调控，那么在缺乏或存在色氨酸时，trpR 突变使trp操纵子表达的酶量应该是相同的。可是，在trpR缺
❖热激蛋白的表达调控主要发生在转录水平上。热激蛋白基 因的启动子被σ32而不是通常的σ70识别。σ32也不能识别σ70启 动子，因为这两种σ因子识别的启动子序列不一样
❖HSP的诱导合成是由于细胞内的σ32合成发 生在翻译水平。 ▪另一方面，在热激条件下σ32的稳定性也增加了。
严谨反应的分子机制
（p）ppGpp与RNA聚合酶β亚基结合，改变了RNA聚合酶对 一系列启动子的亲和力，导致细胞基因表达的整体变化，使细 胞适应新的环境。这些变化包括rRNA和tRNA的合成被抑制， 一系列参与氨基酸合成与运转的基因被激活。
人们在对大肠杆菌relA突变体进行研究时认识到是（p） ppGpp的积累引发了严紧反应。relA突变体即使在氨基酸饥饿
Fur能够感应细胞 内铁的水平。当 细胞内有充足的 铁时，Fur关闭反 义bfr基因，细胞 产生细菌铁蛋白。 在低铁条件下， 反义bfr基因被转 录，产生反义 RNA，阻止细菌 铁蛋白的合成。
生物学原核生物基因表达的调控
目录
第二节
原核生物基因表达的 转录水平调控
Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level
目录
一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋 白质结构为基础
（一）特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础
在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列，与结 构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别 和结合，这些特定的DNA序列称为顺式作用元件（cisacting elements），亦称为顺式调控元件。在原核生物 中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合 位点、增强子等。
transcription
RNA 5'-AGGUCCACG········-3'
启动子及其与转录的关系 ···
目录
（二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起 始进行负调控
阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负 调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启 动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与 DNA结合后，RNA聚合酶仍有可能与启动子结合， 但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种 作用称为阻遏（repression），特定的信号分子与阻 遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA 上脱落下来， 称为去阻遏，或脱阻遏（derepression）。
usually binds to CAAT box
目录
二、特定蛋白质与DNA结合后控制 转录起始
（一）σ因子和启动子决定转录是否能够起始
-35
-10
+1
5'-TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG············-·3·'
第二节
原核生物基因表达的 转录水平调控
Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level
目录
一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋 白质结构为基础
（一）特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础
在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列，与结 构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别 和结合，这些特定的DNA序列称为顺式作用元件（cisacting elements），亦称为顺式调控元件。在原核生物 中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合 位点、增强子等。
transcription
RNA 5'-AGGUCCACG········-3'
启动子及其与转录的关系 ···
目录
（二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起 始进行负调控
阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负 调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启 动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与 DNA结合后，RNA聚合酶仍有可能与启动子结合， 但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种 作用称为阻遏（repression），特定的信号分子与阻 遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA 上脱落下来， 称为去阻遏，或脱阻遏（derepression）。
usually binds to CAAT box
目录
二、特定蛋白质与DNA结合后控制 转录起始
（一）σ因子和启动子决定转录是否能够起始
-35
-10
+1
5'-TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG············-·3·'
第八章-原核生物基因的表达调控-2
调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子； 调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子； 阻遏物trpR基因：与trp操纵子相距较远； 基因： 操纵子相距较远； 阻遏物 基因 操纵子相距较远
• 2.色氨酸操纵子的负调控： 色氨酸操纵子的负调控： 色氨酸操纵子的负调控
阻遏调控： ⑴. 阻遏调控： trpR基因编码无辅基阻遏物 基因编码无辅基阻遏物 与色氨酸 结合 形成有活性的色氨酸阻遏物 与操作 阻止转录； 子结合 阻止转录； 色氨酸不足： 色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变 不能与操作子结合，操纵元开始转录； 化 ，不能与操作子结合，操纵元开始转录； 色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合， 色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合， 空间结构发生变化，可与操作子结合， 空间结构发生变化，可与操作子结合，阻止转 录。
另一方面，若外源色氨酸浓度实在太低， 另一方面，若外源色氨酸浓度实在太低，细 菌本身又没有其他的内源性色氨酸合成体系， 菌本身又没有其他的内源性色氨酸合成体系， 以致细菌难以支持自身的生长时， 以致细菌难以支持自身的生长时，就需要有衰 减体系加以调节——通过不终止 通过不终止mRNA的合成 减体系加以调节 通过不终止 的合成 来增加Trp酶的合成从而提高内源色氨酸的浓 酶的合成从而提高内源色氨酸的浓 来增加 度。
就像在色氨酸操纵子中， 就像在色氨酸操纵子中，阻遏作用与衰减机制 一起协同控制其基因表达， 一起协同控制其基因表达，显然比单一的阻遏 负调控系统更为有效。 负调控系统更为有效。 一方面， 一方面，当有活性的阻遏物向无活性阻遏 物的转变速度极低时．衰减系统能更迅速地作 物的转变速度极低时． 出反应， 出反应，使色氨酸从较高浓度快速下降到中 等浓度；色氨酸密码子时 由于 如缺乏色氨酸， 如缺乏色氨酸 没有色氨酰tRNA的供应 停留在该密码子位置， 没有色氨酰 的供应 停留在该密码子位置，位 于区段1 使区段2与区段 与区段3配对 区段4无对应序 于区段 使区段 与区段 配对 区段 无对应序 聚合酶通过弱化子， 列配对呈单链状态 RNA聚合酶通过弱化子，继续向 聚合酶通过弱化子 前移动，转录出完整的多顺反子序列。 前移动，转录出完整的多顺反子序列。
原核生物基因表达调控概述
原核生物基因表达调控概述基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。
1.基因表达调控意义在生命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。
2.原核基因表达调控特点原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。
这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达即经济又有效，保证其生命活动的需要。
调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。
细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。
细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是一条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗，这是生物长期进化过程中自然选择的结果，这种控制称为转录水平调控。
（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。
这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。
二.原核生物表达调控的概念（1）细菌细胞对营养的适应细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。
这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度，pH等。
而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞生长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。
（2）顺式作用元件和反式作用元件基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。
反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。
RNA聚合酶是典型的反式作用因子。
第六章 原核生物基因表达调控
图6-7 乳糖操纵子结构模式图
第二节 原核基因表达的调控
乳糖操纵子的上游有一个独立转录的基因lacI，其编码产物LacI 可以结合在乳糖操纵子的操纵基因（lacO）上，即转录控制区，阻抑 下游结构基因的表达。因此，乳糖操纵子是一个负调控系统（图68）。其中，LacI是具有负调控作用的反式作用因子，LacI作用的靶 DNA序列lacO是顺式作用元件。
trpB(UGA处翻译终止) -UGA -GAA-AUC- UGA-UGG-AA A UG-G AAtrpA(AUG处翻译起始)
第二节 原核基因表达的调控
3．稀有密码子对翻译的影响 DNA复制时，引物酶催化一段RNA引物的合成，引物酶 由dnaG编码。rpsU-dnaG-rpoD组成一个转录单位，产生多 顺反子转录物。细胞内三个基因的终产物的浓度相差却很 大，rpsU产物浓度为4×104个/细胞，dnaG产物50个/细胞， rpoD产物2800个/细胞。菌体通过使用稀有密码子，使转 录为一条mRNA链的三个基因的表达产物量可以有很大差异。
第二节 原核基因表达的调控
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图6-10 色氨酸操纵子的负调控
第二节 原核基因表达的调控
4．阿拉伯糖操纵子 阿拉伯糖与乳糖一样，可替代葡萄糖作为碳源物质被 菌体利用。大肠杆菌中，阿拉伯糖（Ara）代谢所需酶的 三个基因分别是：核酮糖激酶基因（ araB）、L-Ara异构 酶 基 因 （ araA）、L- 核 酮 糖 - 5 - 磷 酸 差 向 异 构 酶 基 因 （ araD），组成一个基因簇，有共同的启动子 PBAD。与其 它操纵子不同的是，操纵序列位于 PBAD 上游，操纵序列左 端有另一方向转录的启动子 PC，负责调节基因araC的转录， 其产物AraC蛋白有两种活性形式，Pr 对 PBAD 的表达起阻遏 作用，Pi对PBAD的表达起激活作用（图6-11）。
原核生物基因表达调控
20
同位素示踪实验
把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸,但没 有半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代然后再将这些带有 放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培养基中 随着培养基中诱导物的加入, β-半乳糖苷酶便开始合成。 分离β-半乳糖苷酶, 发现这种酶无35S标记说明酶的合 成不是由前体转化而来的, 而是加入诱导物后新合成的。
• Jacob和Monod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）
现象是个基因调控问题, 可以用实验方法进行研究, 因此
选为突破口, 终于通过大量实验及分析, 于1961年建立
了该操纵子的控制模型。
-
21
酶的诱导
-
22
• 酶的诱导现象是生物进化过程中出现的一种合理、 经济地利用有限资源的本能。
• 酶诱导已证明是低等生物的普遍现象。
倒位片段
鼠伤寒沙门菌鞭毛素基- 因的调节
H1鞭毛素
10
鼠伤寒沙门氏菌（S.typhimrium）的相转变（phase variation）
-
11
2.σ 因子对原核生物转录起始的调控
σ因子:原核生物RNA聚合酶的一个亚基，是转录起 始所必需的因子，主要影响RNA聚合酶对转录起始 位点的正确识别，这种σ因子称σ70,此外还有分子量 不同,功能不同的其他σ因子 。
ＰＯ
操纵子可视为原核生物的转录单位，它可以逐个
地从原核生物基因组中分离出来，对其结构功
能加以研究。
-
15
3.乳糖操纵子
1) 乳糖操纵子的结构
启动子 操纵基因
调节蛋白
（阻遏蛋白）
-
结构基因
16
3个编码的结构基因
• Z编码β-半乳糖苷酶: 将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还能 将乳糖转变为异构乳糖
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第三，AraC与CAP结合可充分诱导ara操纵子。
与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和
一个调节基因araC，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。
邻氨基苯甲酸合成酶
吲哚甘油 磷 硼酸合成酶
色氨酸合成酶 β 链 α 链 29，000 trpA 804 36
POl a
60，000 trpE 1560
60，000 trpD 1620
4 5，000 P trpC 1353
50，000 trpB 1191
t
t’
P：起动子；O：操纵子； l：前导序列； a：衰减子； t,t’ ：终止子 图 16-15 E.coli trpO 的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应
二、阿拉伯糖操纵子（arabinose operon)
Hale Waihona Puke 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。
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)。
催化分枝酸转变为色氨酸的酶
基因组成
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，
分支酸 → 邻氨基苯甲酸 → 磷酸核糖基 → CDRP → 吲哚甘油-磷酸 → 色氨酸 邻氨基苯甲酸
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。
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，迅速提高内源色氨酸的浓度。
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，
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
蛋白 TrpR(无活性)
活化的 阻遏蛋白
阻遏物
(Trp)
图 16-27 TrpR 被 Trp 激活后可阻遏 trp 操纵子的转录 (仿 B.Lewin:《GENES》Ⅳ，1990, Fig .13.16)
1、Trp R 四聚体
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。
2.前导肽
L
P O 1 2 3 4 E
DNA
ATG
1
TGA
2 3 4
RNA
2 trp codons
前导肽14aa
邻氨基苯 吲哚甘油 色氨酸合成酶 甲酸合成酶 硼酸合成酶 TrpE terpD trpC trpB trpA t 衰减子 t’
启动子 操纵基因
前导顺序
p p p N 26 AUG AA AG C AA UU UU CG U ACU G A AG G U UG G UG G CG C AC UU CC UG A N 4 3 A U UU UU UU U 富含 G-C 的发 G C Leader peptide 夹结构 / 富含 C G U 的单链末端 C G Aaaaaa C G Met Lys Aly Ile Phe Val Leu Lys Gly Trp Trp Arg Thr Ser A G C C G A C G U U AA
蛋白
trpR
trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA
活化的 阻遏蛋白
蛋白 TrpR(无活性)
阻遏物
(Trp)
图 16-27 TrpR 被 Trp 激活后可阻遏 trp 操纵子的转录 (仿 B.Lewin:《GENES》Ⅳ，1990, Fig .13.16)
活化的 阻遏蛋白
前导mRNA
2 3
核糖体 1
5’
2
3
4
UUUU…… 4
UUUU……
trp 密码子 前导肽
序列3、4不能形成衰减子结构 2.当色氨酸浓度低时
trp操纵子具有双重调节体系？ 阻遏作用与弱化作用的协调
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。
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。
S2 S1
半乳糖存在、葡萄糖不存在时， S1启动
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
无araC蛋白时
高葡萄糖，低阿拉伯糖
有阿拉伯糖，无葡萄糖
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
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）。
Repressor mRNA
123~150
trp repressor
研究引起终止的
mRNA 碱 基 序 列 ，
1︰2暂停结构
2︰3抗终止构型 3︰4终止构型
转录衰减机制
前导DNA
RNA聚合酶
前导mRNA
4
UUUU 3’
衰减子结构 就是终止子 可使转录 终止
1 5’
核糖体
3 2
3
UUUU 3’ UUUU……
4
trp 密码子
前导肽
1.当色氨酸浓度高时
前导DNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
RNA聚合酶 结构基因
半乳糖激酶(galk)
gal操纵子的特点： ① 它有两个启动子，其mRNA可从两 个不同的起始点开始转录；
② 它有两个O区，一个在P区上游，
另一个在结构基因galE内部。
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。
阻遏蛋白＋trp → 有活性的阻遏物
＋trp O → 不转录
SNE299
2、阻遏蛋白的结合位点 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
3、阻遏系统
粗调开关
主管转录是否启动
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。
二、trp 操纵子的阻遏系统
trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA
S1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萄糖
S2
S1
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。
图 16-28 trp 操纵子含有 5 个结构基因和 1 个控制区。控制区由启动子、操纵基因、前导顺序和衰减子 构成。前导区编码 14 个氨基酸，其中有 2 个是色氨酸。(仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997, Fig .12.38)
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。
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。
trpR