阿拉伯糖操纵子简介--机制
阿拉伯糖操纵子的结构和功能
阿拉伯糖操纵子的结构和功能阿拉伯糖操纵子是一种在大肠杆菌中存在的基因组合，它可以在阿拉伯糖存在时调控阿拉伯糖的转运和代谢。
阿拉伯糖操纵子由调节基因araC和结构基因araBAD组成，它们分别位于大肠杆菌基因组上的araC和araBAD 区域。
araC基因与操纵子相反方向转录，而araBAD基因与操纵子同向转录。
araC基因编码了一种转录调节蛋白AraC，它可以与阿拉伯糖结合，改变其构象和功能。
araBAD基因编码了三种酶：阿拉伯糖异构酶（AraA）、阿拉伯糖激酶（AraB）和阿拉伯糖醛脱氢酶（AraD），它们可以将阿拉伯糖转化为可进入解糖途径的代谢物。
调控机制阿拉伯糖操纵子的调控机制是一种正反馈调控，即当细胞内有阿拉伯糖时，操纵子被激活，而当细胞内没有阿拉伯糖时，操纵子被抑制。
这种调控机制主要依赖于AraC蛋白和阿拉伯糖的相互作用。
AraC蛋白有两种构象：Pr和Pi。
Pr构象的AraC蛋白可以与操纵子上的O2和I位点结合，形成一个回环结构，阻止RNA聚合酶与PBAD启动子结合，从而抑制araBAD基因的转录。
Pi构象的AraC蛋白可以与操纵子上的O1和I位点结合，打开回环结构，允许RNA聚合酶与PBAD启动子结合，从而激活araBAD基因的转录。
当细胞内没有阿拉伯糖时，AraC蛋白以Pr构象存在，抑制araBAD 基因的转录，节省能量。
当细胞内有阿拉伯糖时，AraC蛋白与阿拉伯糖结合，转变为Pi构象，激活araBAD基因的转录，利用阿拉伯糖作为碳源。
应用价值阿拉伯糖操纵子作为一种典型的原核基因表达调控系统，在生物工程和生物技术等领域有着广泛的应用价值。
例如：•阿拉伯糖操纵子可以作为一种诱导表达系统，用于异源基因或重组蛋白的表达。
通过添加或去除阿拉伯糖，可以控制目标基因或蛋白在大肠杆菌中的表达水平和时间。
•阿拉伯糖操纵子可以作为一种遗传工具，用于大肠杆菌基因组的编辑。
通过利用pCas和pTargetF等质粒，可以实现对目标基因的敲除或敲入。
诱导剂对工程菌表达重组目的蛋白的影响_百替生物
诱导剂对工程菌表达重组目的蛋白的影响_百替生物诱导剂对工程菌表达重组目的蛋白的影响摘要：观察诱导剂对工程菌发酵及重组目的蛋白表达的影响，从而选取最佳诱导表达条件。
本文主要阐述了几种诱导剂对工程菌发酵菌体密度以及重组目的蛋白表达量的影响，分析了不同诱导剂诱导表达重组蛋白的特点及存在的问题。
同时着重介绍了阿拉伯糖做为诱导剂对重组目的蛋白表达量的影响，研究得到工程菌发酵的最优条件，为阿拉伯糖作为诱导剂最终应用于重组基因工程药物的工业化生产提供了有益的参考和借鉴。
关键词：IPTG;乳糖；阿拉伯糖；诱导；发酵近年来，重组大肠杆菌的高密度发酵是现代基因工程产品大规模生产的重要技术。
采用高密度发酵技术，提高菌体的发酵技术，提高菌体的发酵密度，最终提高产物的比生产率，不仅可以减少培养体积、优化下游分离提取，还可以缩短生产周期、降低生产成本，从而极大地提高在市场上的竞争力。
然而在研究高效发酵过程中，人们往往会遇到表达效率难以得到最大限度的提高与产率较低等问题。
在众多影响因素中，诱导剂对于外源基因高效、稳定的表达起着非常重要的作用。
由于Lac启动子是使用最早、研究最详细的启动子之一，所以目前用于诱导重组蛋白表达的诱导剂主要是IPTG和乳糖，而对阿拉伯糖诱导重组蛋白表达的研究尚少。
但有文献报道,Lac启动子的控制很不严密,在无诱导剂IPTG 的情况下可有较高的表达。
而阿拉伯糖(Ara)启动子是一个控制较严密且具较高表达水平的启动子将得到普遍应用。
1、操纵子类型及调控类型原核生物基因表达调控主要发生在转录水平上，转录调控的基本单元是操纵子。
1.1操纵子的概念根据操纵子学说，很多功能上相关的结构基因在染色体上串连排列，由一个共同的控制区来操纵这些基因的转录。
包含这些结构基因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子。
1.2乳糖操纵子——可诱导负调控乳糖操纵子的结构：由启动子（P）、操纵基因（O）、调节基因、结构基因所组成。
操纵基因I编码一个可扩散的分子,引起基因的阻遏。
乳糖操纵子的调控机理PPT课件
-
27
当有色氨酸时
无色氨酸时
-
28
色氨酸操纵子中的操纵基因和衰减子可以起双重负 调节作用。衰减子可能比操纵基因更灵敏， 只要 色氨酸一增多，即使不足以诱导阻遏蛋白结合操纵 基因，就足可以使大量的mRNA提前终止。反之， 当色氨酸减少时，即使失去了诱导阻遏蛋白的阻遏 作用，但只要还可以维持前导肽的合成，仍继续阻 止转录。这样可以保证细菌对色氨酸的充分利用。 防止堆积。
-
36
4、翻译产物对mRNA的翻译进行调控
有些mRNA编码的蛋白质，本身也可以对 相应的mRNA的翻译过程产生调节作用，这 是一种自身翻译调控作用。 ①核糖体蛋白翻译的自身调控 ② 翻译的RF2调节自身的翻译
UGAC
25
315
编码RF2蛋白m- RNA
37
5、小分子RNA抑制特定mRNA的翻译
❶小分子RNA调整基因表达产物的类型：
成
-
30
-
31
二、翻译水平的调控
1、SD序列对翻译的影响
SD序列(Shine-Dalgarno sequence)： mRNA起 始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。(9-12bp)
❶SD序列的差异对翻译的影响 ❷ SD序列位置对翻译的影响
-
32
-
33
2、mRNA二级结构隐蔽SD序列
某些mRNA分子中，核糖体结合位点在一个二级 结构中（茎环）中，使核糖体无法结合，只有 打破茎环结构，核糖体才能结合。例如：带有 红霉素抗性的细菌
•基因表达调控的环节：
–基因活化、转录、转录后加工、翻译、 翻译后加工
-
6
第一节 原核生物基因表达调控
一、转录水平的调控是原核生物的主要调控环节
第5章基因表达调控
基因表达的调控
基因表达是指生物基因组中结构基 因所携带的遗传信息经过转录、翻译等 一系列过程，合成特定的蛋白质，进而 发挥其特定的生物学功能和生物学效应 的全过程。但并非所有基因表达过程都 产生蛋白质，rRNA、tRNA编码基因转 录生成RNA的过程也属于基因表达。
管家基因： 在生命全过程都是必需的，且在一个生 物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。
（二）mRNA的稳定性 许 多 细 菌 mRNA 降 解 速 度 很 快 。 E.coli 的 许 多mRNA在37℃时的平均寿命大约为2分钟， 很快被酶解，这意味着，诱导基因表达的因素 一旦消失，蛋白质的合成就会迅速停止。
不同操纵子转录出的mRNA分子的平均寿命 是不同的，有些mRNA编码的蛋白质是持续存 在的，mRNA也较稳定。
诱导阻遏
4、正调控蛋白
正 调 控 蛋 白 结 合 于 特 异 DNA 序 列 后 促 进基因的转录，这种基因表达调控的方式 称为正调控。
（1）CAP蛋白 E.coli 的分解代谢物基因活化蛋白 （catabolite gene activator protein，CAP） 是一种基因激活蛋白。
AGGAGGU UCCUCCA
mRNA 16S rRNA
结合力强
UGGAGCG UCCUCCA
mRNA 结合力弱
16S rRNA
SD1、SD2和SD3的序列可以不同， SD1/ORF1, SD2/ORF2, SD3/ORF3的 AUG和SD之间的距离也不同。核糖体以 不同的效率结合不同的SD和起始翻译。
－10：T80A95T45A60A50T96
（下角标数字表示核苷酸在所有启动子中出现的 频率）。
强启动子的序列与上述序列最接近，弱 启动子则相差较大。
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’
乳糖操纵子
(3) 操纵区
操纵区（operator）是指能被调控蛋白 特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近 或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操 纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。
16 07.04.2021
以 前 将 操 纵 区 称 为 操 纵 基 因 （ operator gene）。但现在基因定义是为蛋白质或RNA编 码的核酸序列，而操纵序列并不是编码蛋白 质的基因，却是起着调控基因表达强弱的作 用，正如启动序列不叫启动基因而称为启动 子一样，操纵序列就可称为操纵区。operon 译为操纵子，即基因表达操纵的单元之意。
5 07.04.2021
这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控极 好的模型。针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象， 法国的Jocob和Monod等人做了一系列遗传学和 生 化 学 研 究 实 验 ， 于 1961 年 提 出 乳 糖 操 纵 子
（lac operon）学说。
6 07.04.2021
2. 操纵子的基本组成
13 07.04.2021
14 07.04.2021
(2) 启动子
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 纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基 因5＇侧上游，控制整个结构基因群的转录。
用RNA聚合酶与分离的一段DNA双链混合， 再加入外切核酸酶去水解DNA，结果只有被RNA 聚合酶识别结合而被保护的那段DNA不被水解， 由此可以测出启动子的范围及其序列。
18 07.04.2021
阻遏蛋白与操纵区结合，就妨碍了RNA聚合 酶与启动子的结合及其后ß -半乳糖苷酶等基 因的转录起始，从而阻遏了这群基因的表达。
第七、八章 原核生物、真核生物基因的表达调控
阿拉伯糖操纵子的基因结构图 注:操纵子由结构基因B、A、D以及调控元件I1、I2、O1、O2和 启动子构成。AraC基因编码调节蛋白AraC。
21
阿拉伯糖操纵子(The ara Operon)
• 结构基因为：B、A、D，分别编码异构酶、 激酶、表位酶 • 功能：催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮 糖，进入磷酸戊糖途径。 • 特点：调节基因为C基因，编码调控蛋白 C蛋白。
色氨酸操纵子的转录衰减作用
色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGA，合 成完整的引导肽。UGA位于1区和2区之间，核蛋白体占据2区，使3区不能与2区互 补而与4区互补，形成终止子发夹结构，RNA 聚合酶停止在衰减子部位。 色氨酸缺乏时，核蛋白体因原料缺乏终止在1区Trp密码子部位，2区无法与1 区配对且在4区被转录出来之前与3区互补，4区处于单链状态，不能形成终止发 夹，RNA 聚合酶通过衰减子而继续转录。
（1）阻遏蛋白的负性调节—酶合成的诱导： • 无乳糖(no lactose): lac操纵子处于阻遏状态 (repression)，即这类基因平时都是处于关闭状 态； • 有乳糖(presence of lactose)：lac操纵子即可 被诱导(derepression,induction)，即这类基因 由平时的关闭状态转变为工作状态。
止结构，所以转录可继续进行，直到将trp操纵子
中的结构基因RNATrp很多， 这样翻译通过两个相邻的色氨酸密码子的速 度就会很快，在4区被转录之前，核糖体就达 到2区，这时的前导区结构2-3不能配对，3-4 可以自由配对形成茎环状的终止结构，所以 转录停止， RNA聚合酶脱落，转录终止，trp 操纵子中的结构基因被关闭而不再合成色氨 酸。 原核生物基因表达特点—转录与翻译偶联。
《阿拉伯糖操纵子》课件
阿拉伯糖操纵子与其他基因表达调控元件的相互作用
转录因子
研究阿拉伯糖操纵子如何受到转录因 子的调控，以及转录因子如何与其他 调控元件相互作用，共同调节基因的 表达。
染色质重塑
探讨阿拉伯糖操纵子如何通过染色质 重塑来影响基因的表达，以及染色质 重塑与其他调控机制之间的相互作用 。
05
阿拉伯糖操纵子的未来展望
当环境中存在乳糖时，乳糖会与阻遏蛋白结合，使其失去活性，解除对结构基因的 抑制，诱导相关酶的合成。
此外，阿拉伯糖操纵子还受到葡萄糖的抑制，当细胞内葡萄糖浓度过高时，会通过 未知机制抑制环腺苷受体蛋白的活性，从而抑制结构基因的表达。
02
阿拉伯糖操纵子的调控机制
阿拉伯糖的诱导作用
阿拉伯糖的诱导作用是指当阿 拉伯糖存在时，能够诱导阿拉 伯糖操纵子表达的现象。
通过调节阿拉伯糖操纵子的表达，可以控制微生物的代谢产 物，从而生产出具有特定活性或功能的药物。例如，利用阿 拉伯糖操纵子调控微生物的次级代谢产物，可以生产抗生素 、抗癌药物等。
阿拉伯糖操纵子在生物燃料生产中的应用
生物燃料是指利用生物质资源生产的燃料，如乙醇、生物 柴油等。阿拉伯糖操纵子在生物燃料生产中也有着重要的 应用。
阿拉伯糖操纵子在解决全球性挑战中的潜在作用
粮食安全问题
通过研究和利用阿拉伯糖操纵子 ，可以开发出抗逆、抗病、高产 的转基因作物，提高粮食产量和 质量，为解决全球粮食安全问题
提供有力支持。
气候变化问题
阿拉伯糖操纵子的研究可以为生 物固碳和减排提供新的思路和方 法，有助于减缓气候变化的影响
。
人类健康问题
转录活性。
在没有阿拉伯糖的情况下，阻遏 蛋白与操纵序列结合，导致操纵
子基因的表达受到抑制。
6-1阿拉伯糖操纵子
4. However genetically both AraI and AraO2 needed to inhibit BAD expression - proposed that Ara C protein binds simultaneously to AraI and AraO2.
When arabinose present, BAD expression is enhanced but C-protein synthesis still repressed. (absence of glucose, hi cAMP) a. Under this condition still see footprinting at same three sites of DNA. Found under this condition, CAP site is also bound with CAP protein and cAMP (so Cprotein can act either as an repressor or an activator depending on presence of arabinose.） ） b. Analysis of the DNA structure indicates C-protein forms a loop in the DNA when the CAP site is not filled.
的碳源，可以诱导ara ara操纵子 阿拉伯糖作为E.Coli的碳源，可以诱导ara操纵子 的转录。当细胞中葡萄糖水平高（导致cAMP处于低浓度） 的转录。当细胞中葡萄糖水平高（导致cAMP处于低浓度） cAMP处于低浓度 和阿拉伯糖水平低时，AraC阻遏araB，araA，araD的转录。 和阿拉伯糖水平低时，AraC阻遏araB，araA，araD的转录。 阻遏araB 的转录
详细版——乳糖操纵子
Collaboration between mentor and student won a Nobel Prize. It has not been common in the history. Only the lucky ones, who were willing to share the credit and lived long, panned out in the end. That was why I remember this story: The teacher-student team: Franç Jacob (1920-2013), student. ois Jacques Monod (1910-1976), Lwoff's colleauge. AndréLwoff (1902-1994), Jacob's mentor. Notable awards: 1965 Nobel Prize in Medicine. He shared the 1965 Nobel Prize in Medicine with Jacques Monod and AndréLwoff (1902-1994).
25 2013-10-31
以乳糖操纵子中的操纵区为例，其操纵区 （o）序列位于启动子（p）与被调控的基因之 间，部分序列与启动子序列重叠。 仔细分析操纵区序列，可见这段双链DNA具 有回文（palindrome）样的对称性一级结构， 能形成十字形的茎环（stem loop）构造。不 少操纵区都具有类似的对称性序列，可能与特 定蛋白质的结合相关。
8 2013-10-31
9 2013-10-31
这种典型的诱导现象，是研究基因表达调 控极好的模型。针对大肠杆菌利用乳糖的适应 现象，法国的Jocob和Monod等人做了一系列遗 传学和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操 纵子（lac operon）学说。
微生物初级代谢调节
微生物初级代谢调节一、微生物初级代谢调节种类：• 1.酶活性的调节•共价修饰：可逆共价修饰和不可逆共价修饰；•变构效应；•缔合和解离；•竞争性抑制；• 2.酶合成的调节：•酶的诱导（诱导物）；•酶的阻遏（阻遏蛋白和辅阻遏物）；二、初级代谢调节的机制和形式•机制：•（1）诱导型操纵子•（2）阻遏型操纵子•形式：•（1）末端产物或终产物阻遏（反馈调节）•（2）分解代谢产物阻遏（中间产物）操纵子分两类：•一类是诱导型操纵子，只有当存在诱导物（一种效应物）时，其转录频率才最高，并随之转译出大量诱导酶，出现诱导现象。
•一类是阻遏型操纵子，只有当缺乏辅阻遏物（一种效应物）时，其转录频率才最高。
由阻遏型操纵子所编码的酶的合成，只有通过去辅阻遏物阻遏作用才能起动。
诱导操纵子•Ⅰ. Jacob-Monod 操纵子模型（负调节）—乳糖操纵子。
模型中的诱导作用是一种负向控制，其调节基因产物（调控蛋白) 具有“锁”的活性，能阻止转录的进行。
Ⅱ.阿拉伯糖操纵子–正调节其调节基因产物是一种蛋白质，无活性（沉默，无转录进行），仅在有诱导物存在下可转化为转录激活剂（激活蛋白）推动转录，是转录作用所必需。
三、分解代谢产物阻遏1.分解代谢产物阻遏（中间产物阻遏）➢指被菌体迅速利用的底物或其分解产物对许多酶（降解酶、合成酶）合成的抑制作用。
➢根据分解产物的不同，又分为碳分解产物阻遏和氮分解产物阻遏，如“葡萄糖效应”和“铵阻遏”。
➢阻遏的实质是阻遏物关闭了合成酶的基因表达。
2.分解代谢产物阻遏的分子机制•从分子水平看，是分解产物抑制腺苷酸环化酶的活性, 降低了环状3′,5′-腺苷单磷酸（环腺苷酸，cAMP）浓度水平。
当胞内cAMP浓度较高时，其与活化蛋白（CAP）结合，促使RNA聚合酶与启动基因结合而开始转录；反之，当胞内cAMP处于低水平，影响结合，不能转录。
（1）分解代谢产物阻遏：碳阻遏●葡萄糖阻遏 －半乳糖苷酶的生物合成机理：●葡萄糖的大量存在，降低了胞内cAMP 浓度：●葡萄糖抑制腺苷酸环化酶活性，降低cAMP 生成：ATP →cAMP + Pii✓葡萄糖存在引起ATP 浓度上升，消耗胞内cAMP：cAMP + H2O →ADP →ATP◆结果，启动子上没有cAMP－CRP复合物结合，使得RNA聚合酶也无法结合到启动子的位点上，结构基因不能转录和表达。
详细版——乳糖操纵子
至少在第一个结构基因5’侧具有核糖体 结合 位点 (ribosome binding site, RBS)， 因而当这段含多个结构基因的DNA被转录成多 顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并 起始翻译。核糖体沿mRNA移动，在合成完第 一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA 而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直 至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多 肽。
25 2021/2/16
阻遏蛋白与操纵区结合，就妨碍了RNA聚合 酶与启动子的结合及其后ß -半乳糖苷酶等基 因的转录起始，从而阻遏了这群基因的表达。
最早只把与阻遏蛋白结合、起阻遏作用的 序列称为操纵区，但其后发现有的操纵子中
26 2021/2/16
同一操纵序列与不同构像的蛋白质结合， 可以分别起阻遏或激活基因表达的作用， 阿拉伯糖操纵子中的操纵序列就是典型的 例子。因而凡能与调控蛋白特异性结合、 从而影响基因转录强弱的序列，不论其对 基因转录的作用是减弱、阻止或增强、开 放，都可称为操纵区。
33 2021/2/16
（5） 终止子
终 止 子 （ terminator ， T ） 是 给 予 RNA 聚
合酶转录终止信号的DNA序列。在一个操纵子 中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一 个终止子。
34 2021/2/16
它们都在结构基因的附近，只能对同一条 DNA链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗 传学实验上称为顺式作用（cis-action），启 动子、操纵子和终止子就属于顺式作用元件 （cis-acting element）。
奖得主之一、法国分子遗传学家弗朗索瓦•雅各
布（Francois Jacob）于2013年4月19日在法国巴
5-2 原核生物基因表达调控的机制
3/2/2018
17
乳糖操纵子中CAP的正性调节
转录活性提高50倍
DNA
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
18
阻遏蛋白与 cAMP-CAP 对乳糖操纵子 转录的调控
19
※单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时， 细菌首先利用葡萄糖。
阻遏蛋白
有葡萄糖存在 没有乳糖存在
DNA
I
mRNA
阻遏蛋白
pol O Z Y A
启动转录 β-半乳糖苷酶
半乳糖
乳糖
没有葡萄糖存在 有乳糖存在
DNA
I
mRNA
阻遏蛋白
P O Z Y A pol
启动转录
mRNA
β-半乳糖苷酶
半乳糖
乳糖
没有葡萄糖存在 有乳糖存在
-10
+1
+10
+20
+30
.
.
.
.
.
※葡萄糖对lac 操纵子的阻遏作用称分解代 谢阻遏。
20
7
乳操纵子的结构
调控区
结构基因
P OZ YA
DNA
阻遏基因 I
操纵元件 启动子
CAP结合位点
Z：β-半乳糖苷酶 Y：透酶 A：乙酰基转移酶
8
阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因
DNA
I
P OZ Y A
mRNA
阻遏蛋白
有葡萄糖存在 没有乳糖存在
阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因
分子生物学2005-7
The trp operon
Aporepressor 辅阻遏蛋白 （阻遏物蛋白）
三、原核生物的基因转录及表达调控 2. 基因表达调控
（7）色氨酸操纵子（the trp operon） ）色氨酸操纵子（ ） 弱化作用（attenuation） 弱化作用（attenuation） 在阻遏作用的基础上（ 在阻遏作用的基础上（色氨酸操纵子的 阻遏作用较弱），能再降低转录水平10 ），能再降低转录水平 阻遏作用较弱），能再降低转录水平 倍
三、原核生物的基因转录及表达调控
3. 基因表达调控的重大变化 的热激基因（ （5）E. coli的热激基因（heat shock genes） ） 的热激基因 ）
The less stable structure
（7）色氨酸操纵子（the trp operon） ）色氨酸操纵子（ ）
弱化作用（ 弱化作用（attenuation） ）
前导区与弱化子转录物的第一种较稳定 的结构有一终止子（ 的结构有一终止子（ρ-independent terminator），能使弱化作用发生，转录 ），能使弱化作用发生 ），能使弱化作用发生， 终止 转录物的第二种较不稳定的结构没有终 止子， 止子，转录能继续 色氨酸的多寡决定形成哪一种结构（ 色氨酸的多寡决定形成哪一种结构（在 转录与翻译偶联的情况下） 转录与翻译偶联的情况下）
σ43（σA）
芽孢形成时RNA聚合酶的σ因子 聚合酶的σ 芽孢形成时 聚合酶的
至少有σ σ 、 至少有σ29 (σE)、σ30 (σH)、σ32 (σC) σ 、 σ
Specificities of σA and σE
1: polymerase containing σA 2: polymerase containing σE
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
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。
阿拉伯糖操纵子
❖araC 基因负控阻遏调节 (自调控)
当细胞内没有AraC蛋白时，由Pc启动子起始araC 基因转录 当AraC的浓度超过40个拷贝/细胞，就与araO1结 合而调控自身的合成，抑制araC基因的转录
III. 营养状况对ara操纵子活性的影响
当AraC蛋白以正调控因子作用时，起始转录还需要 cAMP-CRP的共同参与。
• AraC蛋白的两种形式
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
Pr形式
Pi形式
araO2
araI AraC
阻遏 araPBAD
araO2
araI
AraC
激活 araPBAD
阿拉伯糖操纵子的结构
基因的排列序列与代谢途径中酶的作用序列不同
阿拉伯糖操纵子的调控
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。
AraC, +/-阿拉伯糖:阻遏物 araPC
AraC: 阻遏物, - 阿拉伯糖 激活物, +阿拉伯糖
CAP-cAMP: 激活物
araPBAD
araC 调节基因
EXAMPLES: -araBAD when AraC binds to araI1/araI2 (ligand: arabinose)
-CAP (ligand: cAMP)
3.阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答
当细菌DNA遭到破坏时，细菌细胞内会启动一 个被称为SOS的诱导型DNA修复系统，参与 SOS DNA修复系统的许多基因分散在染色体的 各个部位，同时受LexA阻遏蛋白的抑制。平时 表达量很低。
操纵子
操纵子（operon）：指启动基因、操纵基因和一系列紧密连锁的结构基因的总称。
转录的功能单位。
很多功能上相关的基因前后相连成串，由一个共同的控制区进行转录的控制，包括结构基因以及调节基因的整个DNA序列。
主要见于原核生物的转录调控，如乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子、组氨酸操纵子、色氨酸操纵子等1961 年,法国巴斯德研究所的Monord 和Jacob 提出了乳糖操纵子概念,后来人们在大肠杆菌中又陆续发现了色氨酸操纵子、组氨酸操纵子、半乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子等多种操纵子,从而不断的充实和完善了被誉为生命第三原理的基因调控理论,在这个理论中提出的操纵子概念也被人们普遍接受和证实。
操纵子学说是关于原核基因结构及其表达调控的学说，由法国巴斯德研究所著名科学家的Monod和Jacob在1961年首先提出[1]。
他们以对乳糖操纵子的研究，通过大量的试验及分析建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子控制模型[2]。
后来人们在大肠杆菌中又陆续发现了色氨酸操纵子、组氨酸操纵子、半乳糖操纵子、阿伯糖操纵子等多种操纵子,从而不断的充实和完善了被誉为生命第三原理的基因调控理论,在这个理论中提出的操纵子概念也被人们普遍接受和证实。
操纵子学说：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）。
阿拉伯糖操纵子.
三个基因的表达受到ara操纵子中第4个基因araC 产 物转录因子AraC的调控。
ara操纵子的调控有三个特点：
第一，araC表达受到AraC的自动调控。
第二，AraC既可充当阻遏物，也可作为激活剂。 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
Gene organization deduced from genetics. Two operators (Ara O1 and Ara O2) control expression of the BAD genes.
阿拉伯糖操纵子
在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因：araB、
araA和araD，它们形成一个基因簇，简写为araBAD E.Coli 的ara操纵子（arabinose operon）中的 araB基因、araA基因和araD基因分别编码阿拉伯糖代谢 需要的三种酶：
核酮糖激酶（ribulose kinase）， 阿拉伯糖异构酶（arabinose isomerase） 核酮糖-5-磷酸差向异构酶（ribulose-5-phosphate eimerase）。
When the araC protein is bound to the operator araO1, transcription from PC is prevented.
When arabinose levels are low, the AraC protein acts as a repressor and binds to two operator sites, araO1 and araO2, as well as to araI. Binding to araO1 inhibits transcription of the araC gene itself. Thus, araC is autoregulated at the level of its own transcription. AraC molecules bound to araO2 and araI interact with each other to form a DNA loop.
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
阿拉伯糖操纵子
操纵子（operon），又称操纵组或操纵元，主要在原核生物及线虫动物门出现，由Jac ob和Monod于1961年所发现。
我们可以这样简单的理解，就是在细菌的基因组中，往往相关的基因聚集、串联在一起，形成一个基因簇，他们编码同一代谢途径中的不同酶，共同表达，共同调控，构成表达和调控的基本形式，这种单元就称为操纵子。
它是一组关键的核苷酸序列，包括了一个操纵基因，一个启动子，及一个或以上的结构基因的基元，结构基因编码多肽链，其表达受操纵基因的控制，而操纵基因又受调控基因的产物调控因子的控制。
阿拉伯糖（arabinose）是一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。
在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因：araB、araA和araD，它们形成一个基因簇，简写为araBAD，除了这个结构基因araBAD，阿拉伯糖操纵子还包含两个启动子（P BAD、P C）、两个操纵基因（a raO2、araO1）、一个CAP结合位点以及一个araI位点（附图）。
另外，由调控基因araC 编码的调控因子araC蛋白通过两种异构体显示正、负调节因子的功能，Pr是起阻遏作用a raC蛋白的构型，可以与操纵基因araO2和araI位点形成阻遏环（DNA回文结构），Pi是起诱导作用araC蛋白的构型，其与cAMP-CAP共同作用下起始P BAD调控的结构基因的表达。
Ara BAD基因和araC基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的，araBAD基因簇从启动子P BAD开始向右进行转录，而araC基因则是从P c向左转录。
当葡萄糖存在而无阿拉伯糖时，cAMP-CAP缺乏，araC蛋白为处于Pr构型，araC蛋白与操纵基因araO2以及araI位点结合形成阻遏环，使P BAD启动子处于关闭状态，有效阻遏araBAD的转录。
当葡萄糖不存在而有阿拉伯糖时，cAMP-CAP丰富，araC蛋白（Pr构型）与阿拉伯糖相结合改变为Pi构型，araC蛋白（Pi构型）分别与操纵基因araO1以及araI位点相结合，阻遏环被破坏。
RNA聚合酶在araC蛋白和cAMP-CAP的共同作用下起始P BAD调控的结构基因的表达。
当葡萄糖和阿拉伯糖均不存在时，cAMP-CAP丰富，araC蛋白为处于Pr
构型，此时尽管有cAMP-CAP与CAP位点结合，因为没有Pi构型araC蛋白与araI位点
结合，从而RNA聚合酶无法结合到P BAD启动子上，转录无法进行。
当葡萄糖和阿拉伯糖均存在时，araC基因处于本底转录，产生少量araC蛋白，结合于araO1，使RNA聚合酶不能结合于P C启动子，结果araC基因的转录受阻遏，araC蛋白的缺乏进而无法启动P BA
调控的结构基因的表达。
D
综上，阿拉伯糖操纵子的调控有三个特点：第一，araC表达受到AraC的自动调控，a raC基因从P C启动子向左方向转录，当细胞内没有araC蛋白时，由P C启动子起始araC 基因转录，随着araC蛋白合成水平的提高，它结合于araO1阻止向左的转录。
第二，Ara C蛋白既可充当阻遏物，也可作为激活蛋白。
第三，AraC蛋白（Pi构型）与cAMP-CAP 共同作用可最大限度的诱导阿拉伯糖操纵子的表达。
附：。