色氨酸操纵子的表达调控机制
原核表达调控与色氨酸操纵子优秀课件
1、不依赖于ρ因子的终止子（强终止子）
• 结构特点：RNA具有一个发夹结构（富含GC） 和随后polyU片段。
• 作用机制：RNA pol + 发夹结构 → 转录暂停→ 后随杂合分子不稳定的poly(U-dA) → RNA容易 从模板上脱落→RNA-DNA-RNA pol 解聚 → 转 录终止
-10
+1
+10
stream
start point
downstream
一、转录的起始
• 关键：全酶能以很高的亲和性结合在启 动子promoter ；
• 启动子：RNA聚合酶识别、结合并起始 转录的一段DNA序列。
转录的起始
• 核心酶在σ因子帮助下特异性结合到DNA上； • RNA pol与启动子-35 box 结合，形成封闭型起
RNA polymerase
holoenzyme and
DNA
a promoter
Incorporating the first few Nt
二、原核生物转录的延伸
• RNA pol沿着模板链移动，RNA链不断延伸， 并保持三元复合物的结构；
• 转录泡中的DNA螺旋前开、后合，RNA延长， 不断脱离DNA；
• RNA的转录包括promotion，elongation， termination 三过程；
• 从promoter到terminator称为transcriptional unit； • 原核生物中的转录单位多为 polycistron ； • 转录起始点记为+1，其上游记为负值，下游记为正值。
《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。
色氨酸操纵子
色氨酸操纵子
色氨酸基因结构图
色氨酸是构成蛋白质的部分，一般的环境难以给细菌提供足够的氨基酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是环境一旦提供色氨酸，细菌就会充分利用外界的色氨酸，减少或停止合成色氨酸。
做到这一点是通过色氨酸操纵子来调控的。
色氨酸调控机制
1.色氨酸操纵子的结构与阻遏蛋白的负调控
如图所示：在调控色氨酸合成的结构基因上游有一个操纵基因trpR ●在低色氨酸浓度时，trpR控制的阻遏蛋白无活性，下游的结构基
因可正常转录翻译。
●在高色氨酸浓度时，trpR控制的阻遏蛋白具有活性。
能与trpO特
异性结合，阻遏结构基因的转录。
从而阻遏体内的色氨酸合成。
2.衰减子的作用
当色氨酸达到一定程度，但没有高到能够活化阻遏蛋白使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，靠着衰减子来调控。
如图所示：在高色氨酸时，trp mRNA在第一个trp E基因开始转录之前即停止生长。
低色氨酸时，mRNA正常转录。
这是因为在色氨酸操纵元trp O与第一个结构基因trp E 之间有一段前导序列。
高色氨酸时转录就会停止在这里。
如图所示：
在低浓度色氨酸条件下，2-3形成发卡结构，不含有U区域，不会形成终止子结构，不会停止转录，继续转录翻译形成色氨酸在高浓度色氨酸条件下，3-4会形成发卡结构，含有U区域，形成终止子结构，停止转录，阻遏色氨酸的合成。
色氨酸操纵子与负控阻遏系统
被称为适应性表达基因，或被称为奢侈基因
基因的表达调控方式
➢ 基因水平的调控
➢ 转录水平的调控
➢ 转录产物加工的调控
➢ 翻译水平的调控以及翻译后的加工等
原核基因表达调控分类
根据调控机制： 负转录调控 调节基因编码阻遏蛋白，阻止结构基因转 录 分为负控诱导，负控阻遏 正转录调控 调节基因编码激活蛋白，促进结构基因转 录。 分为正控诱导，正控阻遏
鼠伤寒沙门氏菌中已陆续发现不少操纵子都有弱化
致转录终止。当色氨酸浓度较低时，TRAP失活，转录可以继
现象。 弱化子(attenuator)是指原核生物操纵子中能显著 减弱甚至终止转录作用的一段核苷酸序列，该区域
续，结构基因得以表达。另外枯草杆菌对未负荷色氨酸的 tRNATrp也很敏感，后者大量堆积，会诱导合成抗TRAP 蛋白 （anti -PRAP,AT）。AT与Trp激活的PRAP结合，可以取消其 转录终止活性。trpG表达也受PRAP调控，活化的TRAP与和
空 白 演 示 水平可提高6倍。研究发现，当mRNA开始合成后，
除非培养基中完全不含色氨酸，否则转录总是在这 个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的RNA分
养基中Trp 浓度很低时，负载有Trp 的tRNATrp也就少，这样 翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当4区被转 录完成时，核糖体滞留1区，这时的前导区结构是2 - 3配对， 不形成3 - 4配对的终止结构，所以转录可继续进行。反之，核
不受葡萄糖或cAMP-CAP的调控。
空白演示
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弱化子
弱化作用
是在研究大肠杆菌的色氨酸操纵子表达弱化现象 中发现的。在trp mRNA 5，端trp正基因的起始密 码前有一个长162 bp的DNA序列称为前导区，其
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。
生物化学：基因表达调控 (2)
生物化学
* 特异转录因子
为个别基因转录所必需，决定该 基因的时间、空间特异性表达。 转录激活因子-通过蛋白质-DNA、蛋白质-蛋白质相
互作用起正性转录调节作用的因子
转录抑制因子-
生物化学
* 特异转录因子
为个别基因转录所必需，决定该 基因的时间、空间特异性表达。 转录激活因子-通过蛋白质-DNA、蛋白质-蛋白质相
TFⅡF polⅡ
TAFTAF TAF TFⅡH
TFⅡA TBP TFⅡB
TATA
DNA
真核RNA聚合酶Ⅱ在转录因子 帮助下，形成的转录起始复合物
生物化学
真核基因转录调节是复杂的、多样的：
* 不同的DNA元件组合可产生多种类型的转 录调节方式；
* 多种转录因子又可结合相同或不同的DNA 元件。
* 转录因子与DNA元件结合后，对转录激活 过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调 节之分。
真核基因转录表达的调控蛋白主要是以激活蛋白 作用为主，表达时就需要有激活的蛋白质存在促进 转录，因此真核基因表达以正性调节为主导。
由于调节蛋白与DNA特异序列作用特异性强，而 多种激活蛋白与DNA间同时特异相互作用，使非特 异作用更加降低，可使数目巨大的真核基因的调控 更特异更精确。
生物化学
(四) 转录与翻译分隔进行 (五) 转录或修饰、加工
生物化学
一、真核生物基因组结构的特点
(一) 真核基因组结构庞大
哺乳类动 物基因组
DNA
约 3 × 10 9 碱基对
含2万～2.5万个基因，其中60%的基因存在可 变剪接，约80%的可变剪接能够导致蛋白质序 列的变化。 人类基因组中1%序列编码蛋白质，5%～10% 的重复基因，其余80%～90%的基因组为非编 码序列——内含子、调控序列等。
54第五讲第四节 原核细胞的转录调控Ⅱ——色氨酸操纵子-讲义-R
上堂糖的吸收1、色氨酸色氨往往会通酸时，细担。
细菌色氨操纵子自谢有关的它不受葡2、色氨酸在色酸所需要A 等头尾基因群，和操纵基因trp R 的在其自身性方式低堂课我们谈收和利用。
酸操纵子概氨酸是构成通过自己合细菌会充分菌所以能做氨酸操纵子自动关闭，的某种物质葡萄糖或c 酸操纵子的色氨酸操纵要酶类的基尾相接串连受其上游基因trp O 的位置远身的启动子低水平表达谈到了乳糖这堂课，概述成蛋白质的合成色氨酸分利用外界做到这点是子负责色氨缺乏色氨质在阻遏过AMP ‐CAP 的负调控纵子上，合基因E 、D 、连排列组游的启动子的调控。
离结构基子作用下达分子量为糖操纵子我们来看的组分，由酸来满足生界的色氨酸是因为有色氨酸的生物氨酸时操纵过程中起作的调控。
阻遏系统合成色氨C 、B 、成结构子trp P调控基基因群，以组成为47KD这个负调看看色氨酸由于环境难生存繁殖需酸、减少或色氨酸操纵物合成，当纵子被打开作用。
由于统调控诱导系酸操纵子难以给细菌需要。
但是或停止合成纵子(trp o 当培养基中开，trp 基于trp体系系统能够调有什么特菌提供足是，一旦环成色氨酸operon)的中有足够基因表达，系参与生物调控大肠特点。
足够的色氨环境能够，以减轻的调控。
够的色氨酸，色氨酸物合成而不杆菌对乳氨酸，细菌够提供色氨轻自己的负酸时，这个酸或与其代不是降解，乳菌氨负个代，的调控蛋酸时，Tr 结合，阻控阻遏系3、色氨酸实验到一定浓氨酸合成是怎么回研究(attenuat调节控制蛋白TrpR 。
pR 才与色阻遏结构基系统对色氨酸操纵子的验观察表明浓度，却还成酶类的量回事呢？究发现，这tor)有关。
制衰减子内TrpR 并没色氨酸结合基因的转录氨酸来说是的衰减子明：当存在还没有高到量已经明显这种精细衰减子是内部终止所没有与O 合发生构象录，因此色是一个一级调控机制在充足的色到能够活化显降低，而水平的调是位于转录所需的发夹结合的活象变化而色氨酸操纵级开关，主制色氨酸时，化阻遏蛋白而且产生的调控与色氨录开始区的夹结构的形活性，当环活化，从纵子属于一主管转录是，终止作用白使其起阻的酶量与色氨酸操纵的一种内部形成，从而环境能提供从而与操纵一种负调是否启动，用是有效阻遏作用色氨酸浓纵子中特殊部终止子而调控转录供足够浓纵基因trp 控阻遏系，相当于粗的。
大肠杆菌的色氨酸操纵子
（3）辅助激活蛋白因子（coactivators) 是某些激活蛋白表现功能所必需的，是
转录激活因子进行转录调控作用的中介，所 以又称中介子或衔接转换因子。
5.真核基因转录起始复合体的分部组装
（2）加‘尾’（tailing) 真核生物的mRNA均有一polyA序列。加
尾信号是AAUAAA，由核酸内切酶切开RNA 3’ 末端，然后加上polyA。
polyA功能： ①为mRNA进入细胞质所必需 ②保持mRNA稳定性，延长寿命
5’
AAUAAA…AAA3’
（3）甲基化修饰 主要是形成6-甲基腺嘌呤（6mA)。
b.配体激活的核受体产生的转录激活途径
（三）基因表达在其他水平上的调控 1.转录后的调控
真核基因转录后，必须经过一系列的加 工过程才能成为成熟的mRN。 （1）戴“帽”（capping)
mRNA转录不久即在其5’端加上m7GPPPN 的 帽子。 作用：
①防止降解，延长寿命 ②与核糖小亚基结合 ③为翻译起始因子识别
b.特点 二个具亮氨酸拉链的反式因子可形成二
聚体（同二聚体、异二聚体） 亮氨酸拉链不直接与DNA相互作用，拉链
区以外结构参与DNA结合
4）螺旋-环-螺旋 二个螺旋-环-螺旋能形成二聚体有
利于其与DNA结合。
4.真核基因转录的蛋白因子： （1）通用转录因子:对于准确转录起始所 必需的。 包括：
（可以是2个Cys，2个His或4个均是Cys） 与Zn2+以配位键相互作用，形成∽，与 DNA双螺旋大沟结合。
特点： 存在于多种真核转录因子与DNA结合
色氨酸操纵子ppt
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
2、前导序列:在trp mRNA5‘端trpE基因得起始密码 前一个长162bp得mRNA片段。
调节区
trpR
PO
前导序列
前导mRNA
1
2
结构基因
衰减子区域
3
4
UUUU……
trp 密码子 终止密码子
1
2 第141a0a、前1导1密肽码编子码UU为区Ut:Ur包…p密含…U码序U子U列U1……衰减子结构
色氨酸得调节
转录衰减
调节区
trpR RNA聚P合酶O
RNA聚合酶
Trp 低时
结构基因
mRNA
Trp 高时
Trp
色氨酸操纵子
三、trp 操纵子得弱化机制
衰减子(attenuator)/弱化子 前导序列(leader sequence)
1、衰减子/弱化子:DNA中可导致转录过早终止得一 段核甘酸序列(123-150区)。
RNA聚合酶 结构基因
5’
前导肽
23
核1 糖体
2 43
4
UUUU…U…UUU……
trp 密码子 序列3、4不能形成衰减子结构
2、当色氨酸浓度低 时
High Trp Low Trp
弱化机制
高Trp时: Trp-tRNATrp 存在
核糖体通过片段1(2个Trp密码子) 封闭片段2
片段3,4形成发夹结构 类似于不依赖ρ因子得转录终止序列
色氨酸操纵子
一、色氨酸操纵子得结构
调控基因
结构基因
trpR
催化从分支酸到合成色氨酸所需得酶
分支酸 → N-氨基苯甲酸 →→→→→→吲哚-3-甘油-磷酸 → 色氨酸
[课件]第八章-原核生物基因的表达调控-2PPT
• 2.色氨酸操纵子的负调控：
⑴. 阻遏调控： trpR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 子结合 阻止转录； 色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变 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， 空间结构发生变化，可与操作子结合，阻止转 录。
• ①. 当有色氨酸时，完整翻译短肽
核糖体停 留在终止密码子处，邻近区段2位置 阻碍了 2,3配对 使3, 4区段配对 形成发夹结构终 RNA酶在弱化子处终止，不能向前移 止子 动。
• ②.如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时 由于 没有色氨酰tRNA的供应 停留在该密码子位置，位 于区段1 使区段2与区段3配对 区段4无对应序列 配对呈单链状态 RNA聚合酶通过弱化子，继续向前 移动，转录出完整的多顺反子序列。
第八章-原核 生物基因的 表达调控-2
• 色氨酸操纵子模型结构： 5种结构基因：trpE、D、C、B、A；分别 编码氨基苯甲酸合成酶、磷酸核糖氨基苯甲酸 转移酶、磷酸核糖氨基苯甲酸异构酶-吲哚甘 油磷酸合成酶、β-色氨酸合成酶和α-色氨酸合 成酶。
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；
• RNA也可作为调节物质 ？！
• 反义RNA，可与mRNA结合 结合位点是S-D, AUG, 部分N端密码子与RNA 形成双螺旋结构，作为内切酶底物与转录产物 结合，使转录提前终止
来增加Trp酶的合成从而提高内源色氨酸的浓
度。
可见：衰减机制在控制基因产物的量 和产物种类的配比上起着快速灵敏 的调节作用，使操纵基因表达更为 精密、高效。
小分子RNA的翻译调节
• 干扰mRNA的互补RNA mRNA－interfering complementary RNA • 1983年，Mizuno, Simon几乎同时发现RNA可 作为调节因子， 与调节蛋白一样，RNA合成 后，可扩散到靶位点。
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色氨酸操纵子的表达调控机制
色氨酸操纵子是一种常见的表观遗传调控机制。
色氨酸操纵子包括TyrR、TrpR 和AT的三个调控因子。
这些调控因子通过直接结合到病毒、细菌和哺乳动物细胞的DNA序列上，从而影响基因表达。
这些调控因子主要通过以下两种机制调控基因表达：
1. 路径阻断
当色氨酸浓度低时，TrpR为其基因的起始点跟结尾处形成一个剪切体（ribonuclease E），阻断转录，从而抑制基因表达。
而在色氨酸浓度高的情况下，TrpR与色氨酸结合，防止其结合到RNA结构中，这使得RNA的转录和翻译能够继续进行，从而提高了蛋白质合成。
2. 聚合物的形成
TyrR和AT是一类典型的反应调节蛋白，它们可以通过聚合来激活或抑制结合到DNA的效力。
在低浓度下，TyrR、AT抑制细胞代谢，而在高浓度时，它们通过聚合促进基因表达和胞内代谢。
总的来说，色氨酸操纵子是一种复杂的表观遗传调控机制，它通过直接结合到DNA序列上，调控细胞的基因表达，从而影响胞内代谢和生物体的生长与发育。