第九章微生物与基因工程上.ppt

第九章 微生物基因表达调控 主讲人：刘石泉 9.1 概 述 微生物新陈代谢过程中，酶是主要的基因产物； 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量的调节。 基因表达调控 基因表达调控在两个水平上体现： (1)　转录水平上的调控(transcriptional regulation); (2)　转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation); 二、操纵子的转录调控 负转录调控系统 在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor)－－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。 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。 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。 正转录调控系统 操纵子的转录调控实例 ㈠、乳糖操纵子-----负控诱导系统; ㈡、色氨酸操纵子----负控阻遏系统 ㈠、乳糖操纵子 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。 大肠杆菌乳糖操纵子(lactose operon)包括3个结构基因:Z、Y和A。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Plac。 乳糖操纵子的编码产物 lacZ编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖。 lacY编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁。 lacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶。 阻遏蛋白 乳糖操纵子诱导表达的机理 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，β-半乳糖苷酶则催化一些乳糖转化为异乳糖。 cAMP即环式AMP，其在生物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操纵子的转录。 cAMP在细胞中的增加对这些操纵子的转录是有利的。 葡萄糖降解物能抑制细胞内cAMP产生。 lac 操纵子小结 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。 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lacZYA基因的转录。这就是负控诱导。 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cAMP含量增加，才有足够量的cAMP与分解物结合蛋白（CRP）结合形成CRP-cAMP复合物结合于Plac上游。使DNA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 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，即从色氨酸启动子Ptrp、操纵基因位点Otrp和向下游转录出7kb的转录物。 色氨酸阻抑物 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用。 操纵区的部分对称序列与色氨酸启动子在-21和+3碱基之间重叠。中心结合区是18个碱基的回文结构。 弱化子 如果在操纵基因和trpE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 (解阻抑)--转录水平的上升。该段序列称为弱化子，它位于trpE起始密码子前面162bp的转录前导序列的123～150位。 弱化子是一个不依赖ρ因子的终止子区域，在一小段富含GC的回文结构之后是8个连续的U残基。如果这段序列能在RNA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140bp的转录物被合成。 前导RNA结构 色氨酸操纵子RNA的前导序列含有4个序列互补区，能形成不同的碱基配对的RNA结构。它们被称为序列1、2、3和4。 弱化子发夹结构是序列3和4配对的产物 (3:4结构)。 序列1和2也是互补的，能形成另一个发夹结构1:2。然而序列2还和序列3互补。 如果序列2和3形成2:3发夹结构，3:4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，1:2和3:4发夹结构的形成在能量上是有利的。 弱化作用 大肠杆菌中，翻译在mRNA边转录时边进行。色氨酸前导肽编码序列的3‘端与互补序列1重叠，两个色氨酸密码子都在序列1内，终止密码子在序列1和2之间。 由于色氨酸 (色氨酸操纵子的最终产物)是翻译过程中所必需的，因此细胞对它的含量很敏感，它决定了在mRNA中终止子(3:4)发夹结构是否形成。 弱化的重要性 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10倍。与色氨酸阻抑物的作用 (70倍)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700倍的调节效果。 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his操纵子含有编码一个有连续7个组氨酸密码子的