色氨酸操纵子与负控阻遏系统
分子生物学复习7-9(精)
第七章基因的表达与调控（上）——原核基因表达调控模式（一）基本概念1．基因表达：细胞在生命过程中，把蕴藏在DNA中的遗传信息经过转录和翻译，转变成为蛋白质或功能RNA分子的过程称为基因表达。
2．基因表达调控：围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都统称为基因表达调控。
rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA 的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。
3．组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
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表达。
管家基因：某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因。
管家基因无论表达水平高低，较少受到环境因素的影响。
在基因表达研究中，常作为对照基因适应型表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。
应环境条件变化基因表达水平增高或从无到有的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低或变为不表达的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。
4．结构基因：编码蛋白质或功能性RNA的任何基因。
所编码的蛋白质主要是组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、具有催化活性的酶和调节蛋白等。
原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。
结构基因簇由单一启动子共同调控。
调节基因：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。
①调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。
②调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式（启动或增强基因表达活性调节靶基因，也能以负调控的方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。
操纵子：由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录受操纵基因的控制。
（二）原核基因调控的分类和主要特点一、原核生物的基因调控特点：（1）基因调控主要发生在转录水平上，形式主要是操纵子调控.（2）有时也从DNA水平对基因表达进行调控，实质是基因重排。
北京化工大学分子生物学期末考试总结
简答题第一章染色体与DNA：一、真核生物基因组特征1.真核基因组庞大，一般远大于原核生物的基因组。
2.真核基因组存在大量的重复序列。
3.真核基因组大部分为非编码序列，占整个基因组序列的90%以上，这是真核生物与原核生物的重要区别。
4.真核基因组的转录产物为单顺反子。
5.真核基因是断裂基因，有内含子结构。
6.真核基因组存在大量的顺式作用元件。
7.真核基因组中存在大量的DNA多态性。
8.真核基因组具有端粒结构。
二、原核生物基因组特征1结构简练：DNA中的大部分结构是用来编码蛋白质2存在转录单元：在原核生物中功能相关的蛋白的基因往往集中在基因组的一个或几个特定部位如大肠杆菌乳糖操纵子3有重叠基因：两种或两种以上的基因公用部分DNA序列，则这些基因互称重叠基因三、真核生物DNA复制特点1、真核生物每条染色体上有多个复制起点，多复制子（约150bp左右）；2、复制叉移动的速度较慢（约50bp／秒），仅为原核生物的1／10。
3、真核生物染色体在全部复制完之前,各个起始点不再重新开始DNA复制；真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。
4、真核生物有多种DNA聚合酶。
5、真核生物DNA复制过程中的引物及冈崎片段的长度均小于原核生物。
（真核冈崎片段长约100-200bp，原核冈崎片段长约1000-2000bp。
）6、真核生物线性DNA末端具有端粒结构四、原核和真核生物DNA的复制特点比较①复制起点（ori）：原核一个，真核多个；②复制子：原核一个，真核多个；③复制子长度：原核长；真核短；④复制叉：原核多个；真核多个；⑤复制移动速度：原核较快；真核较慢；⑥真核生物染色体在全部完成复制前，各起始点的DNA复制不能再开始。
而在快速生长的原核生物中，复制起点上可以连续开始新的DNA复制。
⑦原核生物染色体的复制与细胞分裂同步，可以多次复制；真核生物染色体的复制发生在S期，是细胞分类的特定时期，而且仅此一次。
五、大肠杆菌复制体完成复制的过程1双链的解开2 RNA引物的合成3 DNA链的延伸4切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段六、P-转座子特征1.当p转座子在转座酶的催化下，会导致不育。
《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。
(整理)分子生物学.
分子生物学1、原核基因调控机制的类型与特点1.负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白，起阻止结构基因转录的作用。
(1)负控诱导:阻遏蛋白不与诱导物结合时,结构基因不转录;(2)负控阻遏:阻遏蛋白与诱导物结合时,结构基因不转录.2.正转录调控:调节基因的产物是激活蛋白.(1)正控诱导系统:诱导物的存在是激活蛋白处于活性状态;(2)正控阻遏系统:诱导物使激活蛋白处于非活性状态.2、乳糖操纵子和色氨酸操纵子大肠杆菌乳糖操纵子：乳糖——开动大肠杆菌乳糖操纵子——表达利用乳糖的三个酶——细菌利用乳糖。
乳糖操纵子的控制模型内容（1）Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码；（2）该mRNA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；（3）操纵区是DNA上的一小段序列（26bp），是阻遏物的结合位点；（4）当阻遏物与操纵区结合时，Lac mRNA的转录起始受到抑制；（5）诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区相结合，激发Lac mRNA 的转录。
大肠杆菌色氨酸操纵子：加入色氨酸——阻遏色氨酸操纵子—相关合成酶基因关闭。
色氨酸操纵子与负控阻遏系统Trp体系参与生物合成而不是降解;Trp合成分5步,有7个基因参与.组成包括:阻遏基因（R）、启动区(P)、操纵区（O）、前导区（L）、弱化区（a）和结构基因区；Trp操纵子的转录调控包括阻遏系统和弱化系统.3、原核与真核基因表达调控的异同4、DNA水平的表达调控染色质的丢失：不可逆核的全能性（totipotency）：细胞核内保存了个体发育所必需的全部基因基因扩增(gene amplification)：增加基因的拷贝数非洲爪蟾卵母细胞rRNA基因卵裂时，扩增2000倍，达1012个核糖体药物：诱导抗药性基因的扩增；肿瘤细胞：原癌基因拷贝数异常增加基因重排(gene rearrangement)：将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录。
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。
分子生物学复习7-9
第七章基因的表达与调控（上）——原核基因表达调控模式（一）基本概念1．基因表达：细胞在生命过程中，把蕴藏在DNA中的遗传信息经过转录和翻译，转变成为蛋白质或功能RNA分子的过程称为基因表达。
2．基因表达调控：围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都统称为基因表达调控。
rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA 的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。
3．组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
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表达。
管家基因：某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因。
管家基因无论表达水平高低，较少受到环境因素的影响。
在基因表达研究中，常作为对照基因适应型表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。
应环境条件变化基因表达水平增高或从无到有的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低或变为不表达的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。
4．结构基因：编码蛋白质或功能性RNA的任何基因。
所编码的蛋白质主要是组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、具有催化活性的酶和调节蛋白等。
原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。
结构基因簇由单一启动子共同调控。
调节基因：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。
①调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。
②调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式（启动或增强基因表达活性调节靶基因，也能以负调控的方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。
操纵子：由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录受操纵基因的控制。
（二）原核基因调控的分类和主要特点一、原核生物的基因调控特点：（1）基因调控主要发生在转录水平上，形式主要是操纵子调控.（2）有时也从DNA水平对基因表达进行调控，实质是基因重排。
第2节 色氨酸操纵子
内容提要： 色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子的阻遏系统 色氨酸操纵子的弱化机制
一、色氨酸操纵子的结构
调控基因
结构基因
trpR
催化分枝酸转变为色氨酸的酶
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
邻氨基苯甲酸合成酶
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因子的转录终止序列
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
GC
CG
A
CG
UU
AA
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)
四、原核生物转录的整体调控模式
由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为调 节子。通过组成调节子调控网络，对若干操纵子 及若干蛋白质的合成进行协同调控，从而达到整 体调控的目的。
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。
分子第五章原核基因表达调控
CAP正调控 + + + + 转录
DNA
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时 促进转录
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
2、影响因子
（5）cAMP与代谢物激活蛋白 ◇ cAMP的浓度受到葡萄糖代谢的调节。 ◇由Crp基因编码的代谢物激活蛋白（CAP）能与cAMP形成复合物。 ◇ cAMP—CAP复合物是激活lac的重要组成部分，这与阻遏体系无 关，细菌对它的需要是独立的。转录必须有cAMP—CAP复合物结合 在启动子区。
Abstract
◇基因表达调控主要表现在以下两个方面： 1、转录水平上的调控(transcriptional regulation)。 2、转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation)： mRNA加工成熟水平上的调控、翻译水平上的调控 。
一、基本概念
1、组成蛋白和调节蛋白 ◇组成蛋白：细胞内有许多种蛋白质的数量几乎不受外界环境 的影响，这些蛋白质称为组成蛋白。 ◇调节蛋白：是一类特殊的蛋白质，它们可以影响一种或多种 基因的表达。调节蛋白包括：正调节蛋白和负调节蛋白。前者 是激活蛋白，后者是阻遏蛋白。
激活蛋白
启动子 操纵子
负调控
阻遏蛋白
启动子 操纵子
正调控和负调控
一、基本概念
5、操纵基因和操纵子 ◇操纵基因(operator)：也叫操作子，是操纵子中的控制基因，在 操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态，使RNA聚合酶 通过并作用于启动子启动转录。 ◇操纵子(operon)：由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成 的功能单位，其中结构基因转录受操纵基因控制。
第三节 色氨酸操纵子
制作：王庆容
一、结构及调控模式 1.结构 2.粗调节
3.细微调控
二、弱化子与前导肽 1.弱化子attenuator :
位于trp mRNA 5‘端trpE基因的起始密码前，调 节已启动转录的trp操纵子是否继续下去的特定区域。
2.前导肽Leader peptide:
当trp浓度较高时， trp操纵子转录产生一个 140bp的RNA分子的前导序列，它编码的一个14个 AA的短肽。
3.mRNA 前导区的序列分析 4.转录弱化作用 三、trp操纵子弱化机制的实验依据 四.小结
R
P
O
L
a
E
D
C
B
A
RNA pol. mRNA
R＇
R
P
O
L
a
E
D
C
B
A
mRNA
R＇
色氨酸
色氨酸合酶 α和β亚基
色氨酸操纵子各组份详图
组 成
R P O
L a
间 隔 序 列
E
D
C
B
A
碱 基 数 功 能
未知 辅 阻 遏 蛋 白
60
162
1560
邻氨 基苯 甲酸 合酶
1593
ห้องสมุดไป่ตู้1350
1196
804
粗 开 关
微调控 前导肽
邻氨基苯 吲哚甘 甲酸磷酸 油磷酸 核糖转移 合酶 酶
色氨酸合酶α 和β亚基
R
RNA pol.
间隔区 调节基因 前导区 弱化子 结构基因 间隔区
60 R P O L a 162 E 1560 D 1593 C 1350 B 1196 A 804
分子生物学考试复习重点
分子生物学重点1.将外源基因导入的方法常用的基因工程真核细胞包括酵母细胞、动物细胞和植物细胞。
（1）外源基因导入酵母细胞：在对酵母细胞进行外源DNA转化时，一般先需要用酶将其细胞壁消化水解，变成原生质体。
蜗牛消化酶具有纤维素酶、甘露聚糖酶、葡萄糖酸酶以及几丁质酶等，对酵母菌细胞壁有良好水解作用。
原生质体在氯化钙和聚乙二醇存在下，重组DNA能容易地被宿主细胞吸收，转化的原生质体悬浮在营养瓶中，即可再生出新的细胞壁。
（2）外源基因导入动物细胞常用的方法有：1.磷酸钙共沉淀法。
2.DEAE-葡聚糖或聚阳离子，它们能结合DNA并促使细胞吸收；3.脂质体法4.脂质转染法5.电穿孔法6.显微注射法（3）外源基因导入植物细胞常用的方法有：1.转化法2.电穿孔和脂质体法3.显微注射法5.基因枪法4.农杆菌感染法：根瘤农杆菌的Ti质粒上有一段T-DNA ，又称转移DNA，能携带外源基因转移到植物细胞内，并整合到染色体DNA中，因此Ti质粒是目前植物基因工程中最常用的理想的基因载体。
2.核糖体活性中心（核糖体的活性位点）（1）mRNA结合位点（2）P位点（3）A位点（4）肽基转移酶活性位点（转肽酶中心）（5）5SrRNA位点（50S上）（6）E位点（50S上）与氨酰基－tRNA释放有关。
大小亚基在合成中的分工小亚基：对mRNA特殊序列的识别（SD序列）密码子与反密码子的相互作用。
大亚基：AA-tRNA，肽基－tRNA的结合，肽键的形成等。
3.凝胶电泳（操作的主要因素）技术原理流程图目的：分离不同的DNA分子电泳迁移率：电泳分子在电场作用下的迁移速度。
影响迁移率的因素：（1）与电场强度、电泳分子净电荷成正比；（2）与电泳分子的摩擦系数成反比分子摩擦系数为分子大小、极性、介质粘度的函数。
.DNA和RNA在电场中为多聚阴离子，电泳时向正极移动。
速度在于分子大小和构型。
.电泳介质：一般用琼脂糖和聚丙烯酰胺，浓度与所分离的DNA和RNA的大小有关。
分子生物学-复习提纲-14.负控阻遏—色氨酸操纵子及弱化作用机制1
色氨酸操纵子（负控阻遏系统）：效应物分子——色氨酸trpR—……—P—O—trpL—trpa—trpE—trpD—trpC—trpB—trpA■ trpR ——产生辅阻遏蛋白——结合色氨酸而激活■ 启动区P——转录起始时RNA聚合酶的结合部位■ 操纵区O——有活性的辅阻遏蛋白结合部位，控制mRNA转录■ 前导区L——生成前导RNA（162），囊括trpa ——弱化子区，弱化作用（123～150bp）━主管转录过程：阻遏作用详解①高色氨酸时：色氨酸结合辅阻遏蛋白，并使之结合操纵区O，仅合成一段前导RNA（140bp）；②低色氨酸时：辅阻遏蛋白不具备活性，trp操纵子去阻遏，合成完整的一段mRNA。
━弱化作用：（弱化子trpa）细微调控转录过程，独立于trp操纵子当转录发生以后，除非完全没有trp，转录总在该区域终止，生成一段前导RNA（140bp），因而缺失该123～150bp区的序列，会提高trp基因表达。
■ 表明：转录终止发生在这一区域，并且可以被调节，称为弱化子区。
■ 该区转录的mRNA可以通过自我配对形成茎-环结构，具有典型终止子结构特点。
━前导区的序列：有4个重要的片段：1、2、3、4，有两个色氨酸密码子分布在1的两端■ 配对方式：1-2（暂停发卡结构）、3-4（终止发卡结构）或者2-3（抗终止构型）。
━转录弱化作用机制——基于原核生物转录与翻译同时进行，对tRNA^(Trp)的浓度敏感的前导肽基因的翻译，会调节mRNA转录的终止。
━详细过程：（核糖体的位置起决定作用）①低浓度色氨酸，tRNA^(Trp)的浓度就低，通过相邻Trp密码子的速度慢，4区转录完成时，核糖体（翻译）进行至1区，前导区结构为2-3配对形式，转录可继续进行。
②高浓度色氨酸，tRNA^(Trp)的浓度就高，通过相邻Trp密码子的速度快，4区转录之前，核糖体已到达2区，只能形成3-4茎-环状终止子结构，转录停止，结构基因关闭，不再合成色氨酸。
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
（三）、阻遏物 lac I 基因产物及功能
Lac 操纵子阻遏物 mRNA 是由弱启动子控制下组 成型合成的，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚 基均含347个氨基酸残基。
lacI 基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获 得较多的阻遏蛋白；
阻遏物 2022/10/18
β-半乳糖苷酶 透过酶 转乙酰3酶2
2022/10/18
16
调节机理：
细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度发生改变
氨酰 – tRNA的浓度变化
核糖体在转录产物RNA上的结合位置不 同，使得RNA形成特定的二级结构 由RNA的二级结构判断基因能否继续转录
2022/10/18
17
3、降解物对基因活性的调节P252
葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在 葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等 诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现 象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。
这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种 效应称为降解物抑制（catabolite repression）。
2022/10/18
35
（五）、cAMP与代谢物激活蛋白
葡萄糖
葡萄糖-6-磷酸
甘油 某些代谢产物抑制活性
腺苷酸环化酶
ATP
cAMP
编码
cAMP-CAP
Crp基因
代谢物激活蛋白 CAP
葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对 cAMP的抑制完成的。
2022/10/18
22
一、酶的诱导 ——
lac 体系受调控的证据
两种含硫的乳糖类似物：
异丙基巯基半乳糖苷
（IPTG）
巯甲基半乳糖苷（TMG）
E. coli 在不含乳糖的培养基生 长时，β-半乳糖苷酶含量极低；
微生物代谢工程答案整理
微⽣物代谢⼯程答案整理1.微⽣物代谢⼯程定义、研究内容和研究⼿段。
定义：通过某些特定⽣化反应的修饰来定向改善细胞的特性功能，运⽤重组DNA技术来创造新的化合物。
研究内容：⽣物合成相关代谢调控和代谢⽹络理论；代谢流的定量分析；代谢⽹络的重新设计；中⼼代谢作⽤机理及相关代谢分析；基因操作。
研究⼿段：代谢⼯程综合了基因⼯程、微⽣物学、⽣化⼯程等领域的最新成果。
因此，在研究⽅法和技术⽅⾯主要有下列三⼤常⽤⼿段：(1)检测技术：常规的化学和⽣物化学检测⼿段都可⽤于代谢⼯程的研究，如物料平衡、同位素标记⽰踪法、酶促反应动⼒学分析法、光谱学法、⽣物传感器技术。
(2)分析技术：采⽤化学计量学、分⼦反应动⼒学和化学⼯程学的研究⽅法并结计算机技术，阐明细胞代谢⽹络的动态特征与控制机理，如稳态法、扰动法、组合法和代谢⽹络优化等。
(3) 基因操作技术：在代谢⼯程中，代谢⽹络的操作实质上可以归结为基因⽔平上的操作：涉及⼏乎所有的分⼦⽣物学和分⼦遗传学实验技术，如基因和基因簇的克隆、表达、调控，DNA 的杂交检测与序列分析，外源DNA的转化，基因的体内同源重组与敲除，整合型重组DNA 在细胞内的稳定维持等。
2. 2.代谢改造思路和代谢设计原理。
代谢改造思路：根据微⽣物的不同代谢特性，常采⽤改变代谢流、扩展代谢途径和构建新的代谢途径三种⽅法。
(1)改变代谢途径的⽅法：加速限速反应，增加限速酶的表达量，来提⾼产物产率。
改变分⽀代谢途径流向，提⾼代谢分⽀点某⼀分⽀代谢途径酶活⼒，使其在与其它的分⽀代谢途径的竞争中占据优势，从⽽提⾼⽬的代谢产物的产量。
(2)扩展代谢途径的⽅法：在宿主菌中克隆和表达特定外源基因，从⽽延伸代谢途径，以⽣产新的代谢产物和提⾼产率。
扩展代谢途径还可使宿主菌能够利⽤⾃⾝的酶或酶系消耗原来不消耗的底物。
(3)转移或构建新的代谢途径：通过转移代谢途径、构建新的代谢途径等⽅法来实现。
代谢设计原理：现存代谢途径中改变增加⽬的产物代谢流：增加限速酶编码基因的拷贝数；强化关键基因的表达系统；提⾼⽬标途径激活因⼦的合成速率；灭活⽬标途径抑制因⼦的编码基因；阻断与⽬标途径相竟争的代谢途径；改变分⽀代谢途径流向；构建代谢旁路；改变能量代谢途径；在现存途径中改变物流的性质：利⽤酶对前体库分⼦结构的宽容性；通过修饰酶分⼦以拓展底物识别范围；在现存途径基础上扩展代谢途径：在宿主菌中克隆、表达特定外源基因可以延伸代谢途径，从⽽⽣产新的代谢产物、提⾼产率。
原核表达调控
在Trp操纵子Ptrp-O与trpE间有一段162bp的先导序列(leading sequence, L)。在L内有一段123~150bp的序列，它在转录起始后可调控转录过程的进行。
葡萄糖存在时
若无Gal，Gal R可结合在gal OE和OI上，并相互作用形成环，从S1、S2的转录都被阻遏。 当gal存在时，Gal R的阻遏解除，但由于葡萄糖的存在，P1不能启动而只有P2低水平启动转录。 无葡萄糖存在；若存在gal，gal的阻遏解除，依赖于CRP的P1高水平表达产生利用Gal的酶类，以Gal为能源和碳源。
弱化子的共同特点是某些外部因素控制着弱化子的发夹形成。即形成终止子结构。弱化子为结构基因的转录设了一道关卡。
前导肽
分析前导序列发现，它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，能产生一个含有14个氨基酸的多肽，这个假设的多肽被称为前导肽。
在前导序列的第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。组氨酸操纵子含有7个相邻的组氨酸密码子，苯丙氨酸操纵子也有7个苯丙氨酸密码子，这些密码子参与了操纵子中的转录弱化机制。
在trp操纵子中，阻遏蛋白的负调控起到粗调的作用，而衰减子起到细调的作用。 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，而对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停顿下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少，弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少，通过前导肽的翻译来控制转录的进行。 细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。
原核调控
二、基因表达的方式
2.诱导和阻遏表达 诱导表达（induction）是指在特定环境信号刺激 下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。 这类基因称为可诱导基因（inducible genes） 。
阻遏表达（repression）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。 这类基因称为可阻遏基因。
（一）基因表达调控总论
（二）乳糖操纵子与负控诱导系统 （三）色氨酸操纵子与负控阻遏系统 （四）其他操纵子 （五）转录后调控
（一）基因表达调控总论
一、基因表达的概念
二、基因表达的方式
三、基因表达的特点
四、原核基因表达达（gene expression）就是指在一定调 节因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活 并转录生成特定的RNA，或由此引起特异性蛋白 质合成的过程。
大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：半乳糖透过 酶和－半乳糖苷酶。在环境中没有乳糖时，大 肠杆菌合成这两种酶量极少，加入乳糖2-3分钟 后，细菌大量合成 -半乳糖苷酶，其量可提高 千倍以上，若撤消底物，该酶合成迅速停止，就 象当初迅速合成一样。
大肠杆菌二阶段生长现象
mRNA 或 酶 量 的 变 化
The lactose (Lac) Operon
lac I
operator
The enzymes required for the use of lactose as a carbon source are only synthesized when lactose is available as the sole carbon source.
不同的启动子序列不同，与RNA聚合酶的亲和力不同、 启动转录的频率高低不同，即不同的启动子起动基因 转录的强弱不同，例如： PL、PR、PT7 属强启动子，而 Plac则是较弱的启动子。
微生物八题
（2）负控阻遏系统：大肠杆菌色氨酸操纵子（tryptophan operon）含有5个结构基因，编码色氨酸生物合成途径中的 5种酶。这些基因从一个启动子起始转录出一条多顺反子的mRNA，与lac操纵子一样，这个启动子受毗邻的操纵区顺序控制。转录是通过操纵区和阻遏蛋白控制的，它的效应物分子是色氨酸，也就是由trρ操纵子的基因所编码的生物合成途径中的末端产物。当色氨酸很丰富时，它结合到游离的阻遏物上诱发变构转换，从而使阻遏物紧紧结合在操纵区。另一方面，当色氨酸供应不足时，阻遏物失去了所结合的色氨酸，从操纵区上解离下来，trρ操纵子的转录就此开始。色氨酸
微生物基因表达的调控》八题
1.简述两种操纵子转录调控的差异。
答：原核生物的基因调控主要发生在转录水平上。根据调控机制的不同可分为负转录调控和正转录调控。（1）在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用，根据其作用性质可分为负控诱导和负控阻遏。在负控诱导系统中，阻遏蛋白不和效应物（诱导物）结合时，阻止结构基因转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白和效应物（有阻遏作用的代谢产物，辅阻遏物）结合时，阻止结构基因转录。阻遏蛋白作用部位是操纵区。（2）在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator protein），根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导系统和负控阻遏系统。在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活动状态；在负控诱导系统中，效应物分子（有阻遏作用的代谢产物，抑制物）的存在使激活蛋白处于不活动状态。不论是诱导系统还是阻遏系统，激活蛋白的作用部位不是操纵区而是离启动区很近的激活结合位点，对启动区起正的作用。
6.微生物转录水平的调控方式用哪些？
答：操纵子转录调控是微生物的主要调控机制，分负转录调控和正转录调控，并涉及到阻遏蛋白或激活蛋白与DNA分子的相互作用和特异性结合。此外还有：DNA结合蛋白的作用；分解代谢物阻遏调控；细菌的应急反应；通过因子更换的调控；信号传导和二组分调节系统。
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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。
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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
trp操纵子转录终止的调控是通过弱化作用（attenuation）实
②低色氨酸时：辅阻遏 蛋白不具备活性，trp操纵 子去阻遏，合成完整的一 段mRNA。
━ 弱化作用：（弱化子trpa）细微 调控转录过程，独立于trp操纵子
当转录发生以后，除非完全没有 trp，转录总在该区域终止，生成一
段前导RNA（140bp），
因而缺失该123～150bp区的序 列，会提高trp基因表达。
录的作用是可以被调控的，如在培养基中完全不含 色氨酸，则转录不会终止，这个区域被称为弱化子。 弱化作用在原核生物中是相当普遍的，大肠杆菌和
特殊性，转录起始的调节似乎不如转录终止的调节更具重要性。 枯草杆菌色氨酸操纵子表达主要受到色氨酸激活RNA结合蛋 白(Trp -activated RNA - binding p rotein,TRAP）的调节。该 蛋白与色氨酸结合被激活后，可与trpE上游转录产物结合，导
能形成不同的二级结构，利用原核微生物转录与翻
trpG相重叠的S - D 序列结合，阻碍核糖体的结合，抑制trpG
译的偶联机制对转录进行调节。
转录。
前导肽
Leader Peptide（前导肽） 信号肽的一种，位于成熟蛋白的N端，引导蛋白穿膜，并且在后 来被剪切掉。 各种实验表明衰减作用需要负载色氨酸tRNA参与，这意味着前 导序列的某些部分被翻译了。分析前导序列发现，它包括起始密 码子AUG和终止密码子UGA；如果翻译起始于AUG，应该产生
色氨酸操纵子与负控阻遏 系统
PPT制作者： 主讲者： 组员：
CONTENT
原核基因表达调控
色氨酸操纵子与负控 阻遏系统
色氨酸操纵子VS乳糖 操纵子
PART ONE/ 2019-112-2
PART ONE
原核基因表达 调控
Speaker:
什么是基因表达调控
基因表达=基因转录+翻译
基因表达的调控： 生物体随时调整不同基因的表达状
Docer
操纵子（operon）
细菌基因表达和调控 的单位，包括结构基 因和能被调repression system）
通过小分子辅阻遏物参 加，使激活剂失活或活 化阻遏剂来实现基因或 操纵子不表达的调控的
系统
正调控与负调控
正调控（positive control）:调节 基因编码的激活因子通过与启动 子元件结合来促进基因的表达。
④14个氨基酸前导肽中有5个核糖体强结合位点，之后还 有一个UGA；
⑤前导序列中并列2个色氨酸密码
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作用原理
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1）主要见于原核生物的转录调控. 2）都是DNA序列,是转录的功能单位. 由调节基因、启动基因、操纵基因和结构
基因组成.
不同之处：
乳糖操纵子是负控诱导,色氨酸操纵子是负控阻 遏,都是负控,一个诱导,一个阻遏
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资料延伸
关于色氨酸操纵子的概念
任克勤
【摘要】：正 关于色氨酸操纵子,在杨颐康先生主编的 《微生物学》一书中是这样叙述的:“在色氨酸操纵子里, 由调节基因产生的调节蛋白,本来不具阻遏蛋白活性,但 与色氨酸结合后,由于构象变化,就具有与DNA的亲和力, 而结合在DNA上,这样就使结构基因关闭,不可能产生色 氨酸”。又如《基础微生物学专题选》(复旦大学“基础微 生物学专题选”编写组)一书中用
■ 启动区P——转录起始时 RNA聚合酶的结合部位
■ 操纵区O——有活性的辅 阻遏蛋白结合部位，控制mRNA 转录
■ 前导区L——生成前导RNA （162），囊括trpa ——弱化 子区，弱化作用（123～150bp）
━ 主管转录过程：阻遏 作用详解
①高色氨酸时：色氨酸 结合辅阻遏蛋白，并使之 结合操纵区O，仅合成一 段前导RNA（140bp）；
■ 表明：转录终止发生在这一 区域，并且可以被调节，称为弱化
子区。
■ 该区转录的mRNA可以通过自 我配对形成茎-环结构，具有典型
终止子结构特点。
━ 前导区的序列：有4个重要的片 段：1、2、3、4，有两个色氨酸密
码子分布在1的两端
■ 配对方式：1-2（暂停发卡结 构）、3-4（终止发卡结构）或者
2-3（抗终止构型）。
子，终止trp基因转录。换句话说，当123～150位
序大列幅缺提失高后基，因表trp达基水因平转。录1就23不～会1中50途位在终序此止列，终输于止入是转您
的
封
糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前， 核糖体就到达2区，这样使2 - 3不能配对，3 - 4 区可以配对形
面成副终止标子题结构，转录停止。 枯草杆菌的弱化作用机制另有特点。因其色氨酸操纵子结构的
② 高浓度色氨酸，tRNA^(Trp)的浓度就高，通 过相邻Trp密码子的速度快，4区转录之前，核糖体 已到达2区，只能形成3-4茎-环状终止子结构，转 录停止，结构基因关闭，不再合成色氨酸。
PART ONE/2019 -12-2
PART THREE
色氨酸操纵子VS乳糖操纵子
Speaker:
相同之处：
5个特点
①某些区段富含GC，GC之间容易形成茎环二级结构，
； 接着有8个U构成一个不依赖于ρ因子的终止信号
②由(1)和(2)区序列构成第二个发夹结构，其中(1)区处于
空 白 演 示 14个氨基酸的前导肽序列中；
③(2)和(3)区互补，可以形成发夹结构，与(3)和(4)形成发
在 此 输夹结入构您竞的争；封 面 副 标 题
空 白 演 示 一个含有14个氨基酸的多肽。这个假设的多肽被称为前导肽。
前导肽的特点：在其第10和11位上有相邻的两个色氨酸密码子。 这些密码子参与了trp及其他操纵子中的转录弱化机制。
前导肽含有较多的碱性氨基酸、羟基氨在基此酸，输并入容易您形的成α封-螺面旋 副 标 题
结构的能力，便于穿膜。 长约20-80个AA，通常带正电荷的碱性AA（Arg,lys）含量较丰 富。有形成两性α-螺旋的倾向。需要受体从接触点进去，解折叠 能量，需前导肽酶，需分子伴侣，不同的前导肽无同源性。
━ 转录弱化作用机制——基于 原核生物转录与翻译同时进行，对 tRNA^(Trp)的浓度敏感的前导肽基 因的翻译，会调节mRNA转录的终
止。
详细详细过程：（核糖体的位置起决 定作用）
① 低浓度色氨酸，tRNA^(Trp)的浓度就低，通过 相邻Trp密码子的速度慢，4区转录完成时，核糖体 （翻译）进行至1区，前导区结构为2-3配对形式， 转录可继续进行。
阻遏（repression）
通过小分子辅阻遏物参加，使激活 剂失活或活化阻遏剂来实现基因或 操纵子不表达的调控
PART ONE/2019 -12-2
PART TWO
色氨酸操纵子与 负控阻遏系统
Speaker:
色氨酸操纵子
是一种重要的操纵子，是联合使用或转 录的一组基因，也是用来编码生成色氨酸 的元件之一。色氨酸操纵子是在许多细菌 存在，但首次在大肠杆菌中得到表征。当 在环境中存在足量的色氨酸，它将不被使 用。它负责色氨酸的生物合成，当培养基 中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关 闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，trp基因 表达，色氨酸或与其代谢有关的某种物质 在阻遏过程（而不是诱导过程）中起作用。 由于trp体系参与生物合成而不是降解，它
现的。在大肠杆菌trp operon，前导区的碱基序列包括4个分 别以1、2、3和4表示的片段，能以两种不同的方式进行碱基 配对，1 - 2和3 -4配对，或2 - 3配对,3 - 4配对区正好位于终止
中第123～150位核苷酸如果缺失，trp基因的表达