第四章 原核基因表达调控模式PPT.ppt

中国人民大学农业与农村发展学院 朱信凯 zxk@ruc.edu.cn 乳糖操纵子控制模型的主要内容： 包括结构基因和控制其表达的整个系统形成一个调控单位称为操纵子(Operator)。 操纵子的活性是由调控基因控制的，其蛋白产物和顺式作用调控元件相互作用。 根据对突变的影响来区分结构基因和调控基因。 结构基因突变只引起其编码的特定蛋白质失活。 调控基因的突变则影响其控制的所有结构基因的表达。 调控基因的突变揭示了调控的类型。 lacZYA 基因的转录受lacI 基因指导合成的调控蛋白控制. 图. 乳糖操纵子长约为6000bp。左端的LacI基因有它自己的启动子和终止子，LacI基因的末端紧接启动子P。操作基因O 占据LacZ 基因的前26bp，LacZ基因之后是LacY基因和LacA基因以及终止子。 乳糖操纵子的控制属负调控：即它被调控蛋白关闭转录。调控因子的失活突变导致功能基因保持表达状态。lacI 的表达产物称为乳糖操纵子阻遏蛋白(Repressor)，因为它的功能是阻止结构基因的表达。 阻遏蛋白通过与lacZYA 基因簇开始处的操纵基因结合发挥功能。操纵基因位于启动子和结构基因(lacZYA)之间。阻遏蛋白和操纵基因结合时，能阻止RNA 聚合酶在启动子上的转录.  3个结构基因各决定一种酶： Z编码-半乳糖苷酶； Y编码-半乳糖苷透过酶； A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。 β-半乳糖苷酶是一种β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他β-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。 β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。 Z、Y、A基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码。 该mRNA分子的启动区（P）位于阻遏基因（I）与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达。 操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。 当阻遏物与操纵区相结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。 诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区相结合，诱发lac mRNA的合成。 下面就以乳糖操纵子为例子说明操纵子的最基本的组成元件（elements） 结构基因(structural gene):操纵子中被调控的编码蛋白质的基因。 启动子(promoter, P)是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。 操纵（序列）基因(operator，O)是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列。 调控基因(regulatory gene)是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。 终止子（terminator，T）是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。 在乳糖操纵子中，这种应答诱导物的成分就是lacI编码的阻遏蛋白。它在应答环境变化时控制结构基因lacZYA转录的作用。 阻遏蛋白的状态决定启动子是开启还是关闭： 缺乏诱导物时，由于阻遏蛋白具有结合操纵基因的活性。结构基因不被转录。 而加入诱导物后，阻遏蛋白变成非活性形式离开操纵基因，因此转录从启动子开始，并通过结构基因，一直转录到位于lacA 边上的终止子，转录成一条mRNA。 图。 阻遏蛋白与操纵子结合，使乳糖操纵子处于失活状态，加入诱导物以后，阻遏蛋白被释放出来，才允许RNA聚合酶起始转录。 阻遏物lacI基因产物及功能 lac操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下永久型合成的，该阻遏蛋白有4个相同的亚基，每个亚基均含有347个氨基酸残基，并能与1分子IPTG结合,每个细胞中有5～10个阻遏物分子。 β-半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发lac操纵子（图6-11）。 CAP的正调控 细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，cAMP 通过与cap基因产物结合，使代谢产物调控的操纵子的表达与cAMP 水平成正比。cap基因产物称为分解代谢物激活蛋白(Catabolite activator protein，CAP)。cap基因突变可阻止操纵子的激活，而在葡萄糖缺乏时，这些操纵子能被正常表达。CAP是一正调控因子，在依赖CAP的启动子上起始转录必须有CAP参加。只有cAMP 存在时，CAP才有活性. 某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步代谢中间物，该细菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导合成。所以，不是葡萄糖而是它的某些降解产物抑制lacmRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称