分子生物学-13-原核基因表达调控-3-其他操纵子

7.4.4 二组分调控系统和信号转导 掌握 理解
原核基因表达调控的形式主要有两种： 直接调控和二组分调控 直接调控是一种调节信号直接作用于调节蛋白的调控
调节信号即小分子物 → 调节蛋白
二组分调控是调节信号首先作用于相应的传感蛋白，然后应答于调节蛋白
调节信号 → 传感蛋白 → 调节蛋白
特点：二组分调控系统和信号转导经常偶连在一起
cAMP-CRP的共同参与，起始转录），又是 其负调节蛋白。
• 通过两种异构体来实现（ Pr和Pi)。
repressor
Cpr
Cpr 阿拉伯糖诱导
inducer
Cpi Cpi
二聚体形式
1 AraC对AraBAD的负控制
G水平高 Ara水平低
AraC的启动子
AraBAD的启动子
C
O2
O1PC CRP I1 I2 PBAD
I12
araBAD
Cpr
cAMP-CRP
3、无葡萄糖、有阿拉伯糖：
整个系统被激活
araC O2 CRP
I12
araBAD
注意教材上P274图7-33有误：中方向颠倒了？A.B 位点指代不清,应该对应于I位点？双线箭头反应动态 平衡指代不清
Cpi Cpi
Cpi Cpi
复习：四种操纵子的总结
• 问题1：各是什么类型的控制（正？负？） • 问题2：各在什么水平控制？（DNA水平？
aroFBH trp P attn
trpED trpC F trpB trpA
转录
Trp 缺乏时
TRAP
TRAP
形成抗终止结构
不弱化 继续
3
aroFBH trp P attn
trpED trpC F trpB trpA
转录
空载的tRNAtrp
两类物质可以使激活的TRAP失活
TRAP
TRAP
AT蛋白
Anti-TRAP
芽孢
Electron microscopy analysis of B. subtilis endospores
7.3.4 枯草杆菌trp操纵子
• 枯草杆菌 Bacillus subtilis
• 操纵子中的操纵子 operon in operon
芳香族氨基酸超操纵子
枯草杆菌色氨酸操纵子的 7 个结构基因中的6 个依次排列为
BAD
Cpr
Cpr
Cpr
Cpr
Ara C结合到ara I 的时候，由于araBAD的启动 子本身与ara I有部分重叠，另外还可以引起 上游序列回折弯曲，使得AraC同时与O2结 合，从而使CRP位点被占据，RNA聚合酶也 不能结合到启动子上，araBAD基因不转录。 同时由于占据了O1，也抑制了AraC的转录。
分子生物学-13-原核基因表达调控-3 Regulation of Gene Expression
Crystal structure of TRAP (trp-RNA-binding attenuator protein)
山西师范大学生命科学学院
本节内容
• 枯草杆菌的trp操纵子 • 大肠杆菌半乳糖操纵子 • 大肠杆菌阿拉伯糖操纵子
SOS应答机制
Lex A阻遏蛋白
SOS基因
DNA
操纵序列
1、通常情况下， LexA阻遏蛋白结合在操纵序列上，抑制下游SOS基因表达
2、当紫外线等引起DNA损伤时，RecA被激活，激活的RecA 使Lex A阻遏蛋白 降解，从而解除SOS基因的阻遏状态
基因 表达
Rec A 激活
紫外线
与DNA 损伤修复有 关的酶和蛋白质
为什么存在本底水平？是启动子2的控制，以满足细胞壁的合成
Gal I
Gal O2 -60
Gal P2
Gal P1
不管
TATGC TA TGGTT ATTCATACCATAAGCCT
阻遏蛋白
注意：阻遏蛋白的结合是有一个半衰
期的，RNA聚合酶可以趁机转录
在启动子的上游有一个调节基因Gal I，可以编码阻遏蛋白控制启动子2，
trpEDCFBA ,存在于含有12个结构基因的芳香族氨基酸超操纵 子( aro operon ) ,第7 个结构基因, trpG存在于叶酸合成操纵子
中,该酶参与Trp 和叶酸的合成
弱化子
弱化子序列以及上游前导序列中，不 存在类似于E.Coli 的两个连续的trp密
码子，无法依赖于核糖体
aroFBH trp P attn trpED
65 12 4
3
Galactose 半乳糖 单糖 6碳糖
Glucose 葡萄糖
7.4.2 阿拉伯糖操纵子（arabinose operon)
注意教科书上P273图7-31有错误和遗漏
C
O2
调节基因
O1PC
CRP I P 12 BAD
BAD
结构基因
• araB基因、araA基因和araD, 形成一个基因簇， araEF在另一个基因簇
LexA阻遏物：是SOS DNA修复系统所有基因的阻遏物
RecA蛋白：是SOS反应的最初的发动因子。在有修复 信号存在并且单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活， 表现出水解酶活性，分解LexA阻遏物。
当RecA水解LexA阻遏物后，导致SOS体系（包括recA 基因本身）高效表达，DNA得到修复
仍然需要葡萄糖调节，因为cAMP-CAP的浓度取决于葡萄糖！
• 经济原则：只有在没有葡萄糖的时候，同时 又有半乳糖的时候，启动子1才是开放的
为什么gal操纵子需要两个转录起始位点？
（涉及半乳糖在细胞代谢中的双重功能）
半乳糖两个作用： 可以作为唯一碳源供细胞生长; 与之相关的物质--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大
肠杆菌细胞壁合成的前体。
而启动子也有两个： galP1起始的转录——无内源葡萄糖、有外源半 乳糖时进行，以保证碳源的供应。 galP2起始的转录——有内源葡萄糖、无外源半 乳糖时进行，以保证细胞壁的合成需要。
P272
生理功能（可以理解为生物学意义？）
• 无论从必要性和经济性考虑，都要 有一个不依赖于cAMP-CAP的启动子
下游P1的功能:控制结构基因编码分解利用半乳糖的 酶类，作为用于细菌生长的碳源；用量大，非必须， 具诱导性。高水平调节。
前面的控制前体，后面的控制碳源
不依赖于cAMP-CRP的启动子
启动子2
启动子1：依赖于cAMP-CRP的启动子， RNA聚合酶要依赖于这个启动子
TATGC TA TGGTT ATTCATACCATAAGCCTAATGGAGCGATT
CRP site
思考：如果只有一个依赖于cAMP-CRP的启动子P1,等于依赖 于葡萄糖，当培养基中有葡萄糖时，???
就不能合成异构酶，细胞壁就受到威胁
如果只有一个不依赖于cAMP-CRP的启动子(P2),那就意味 着????
即使有葡萄糖存在，半乳糖操纵子也要充分表达，这就 是一种浪费。所以需要有调节基因对这个启动子加以控 制
s1
gal操纵子的特点：
注意教材中的S1/S2等应为P1/P2
① 它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；
② 它有两个O区，一个在P区上游，另一个在结构基因galE内部。
gal操纵子P-O区中存在两个相距仅5bp的启动子，可以分别起始 mRNA的合成。每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点P1 和P2。
RNA水平？） • 问题3：调节基因起到什么作用？ • 问题4：哪些是依赖于cAMP-CAP的？ • 问题5：诱导物是什么？各有什么特点？
诱导物是代谢产物？还是代谢的底物？
7.4.3 阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答 (DNA修复)(了解一下) SOS反应的机理：
由 RecA 蛋白和 LexA 阻遏物的相互作用引起的。
KdpE
钾离子运输蛋白
细菌中参与信号转导的二组分调控系统
外界信号
传感激酶
调节蛋白
• KdpD/KdpE signaling cascade under salt stress in Escherichia coli
trpC F trpB trpA
受trp的控制
弱化的机制：同样是形成内部终止子
TRAP
trp 结合 trp 激活
trp trp
trpTRAPtrp trp trp
1
aroFBH trp P attn
trpED trpC F trpB
TRAP
p269
Trp 充足时
TRAP
TRAP
弱化一次
2
三个基因的表达受到ara操纵子中araC基因产物 AraC蛋白的调控。C蛋白有三个结合位点O2、O1 和I。
araC基因是araBAD的调节基因
注意教科书上272 倒数第五 行中“左”“右”的错误
转录方向与功能
The organization of ara Operon
L核酮糖激酶 L阿拉伯糖异构酶 L核酮糖-5磷酸-4-差相异构酶
营养条件对ara operon的控制
优先消耗葡萄糖
1、高葡萄糖、无阿拉伯糖： araC极弱的转录，少量的Cpr 抑制了整个系统，几乎静置
2、无葡萄糖、无阿拉伯糖： CRP位点激活但是缺乏阿拉伯 糖诱导，整个系统也是失活的
araC O2 CRP
I12
araBAD
Cpr
cAMP-CRP
araC O2 CRP
直接作用 调节信号即小分子效应物→调节蛋白
信号传导 调节信号→传感蛋白→调节蛋白
小分子 乳糖操纵子 别乳糖 色氨酸操纵子 trp 半乳糖操纵子 gal 阿拉伯糖操纵子 ara
调节蛋白 LacI TrpR GalI AraC
传感蛋白 应答调节蛋白
氮代谢
NarB
NtrC
硝酸盐呼吸 AarX
NarL
钾离子运输 KdpD
不弱化 继续
7.4 其他操纵子
p270
7.4.1 半乳糖操纵子(galactose operon)
结构基因包括3个： 异构酶(galE) 乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT) 半乳糖激酶(galK)。
作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。
半乳糖操纵子特征： 具有双启动子 双操作子
猜想与意外
• 从Lac operon猜想： 有简单的糖，就不会………… 考虑半乳糖gal操纵子时，
但是这个阻遏有一定的半衰期
由于启动子2是“本底水平” 原因：半衰期？！
启动子1是可以诱导的
Gal I CAP
Gal P2
Gal P1
Gal O1 +55阻遏物
TATGC TA TGGTT ATTCATACCATAAGCCT
解离
cAMP-CRP
半乳糖：诱导物，可 以诱导阻遏物的解离
启动子1是依赖于cAMP-CAP，半乳糖作为诱导物，解除了Gal O1的阻遏，
激活蛋白 阻遏蛋白
The arabinose operon uses both positive and negative control
C
O2
O1 PC
CRP I P 1 2 BAD
ara操纵子的调控有两个特点：
BAD
• 第一，araC表达受到AraC的自身调控。 • 第二，AraC既是ara操纵子的正调节蛋白（需
不依赖于cAMP-CRP的启动子
启动子2
启动子1：依赖于cAMP-CRP的启动子， RNA聚合酶要依赖于这个启动子
TATGC TA TGGTT ATTCATACCATAAGCCTAATGGAGCGATT
CRP site
• 功能分析
上游P2的功能：控制结构基因利用半乳糖作为细胞壁 合成的前体物质（尿苷二磷酸半乳糖）；用量小， 必须，是组成型。
2 AraC对AraBAD的正控制
AraC的启动子
C
O2
Cpr
Cpi
O1 PC CRP
cAMP-CRP
I PBAD Cpi Cpi
BAD
阿拉伯糖
• 如果CRP位点被cAMP-CRP占据，而此时 又有阿拉伯糖存在的情况下，阿拉伯糖诱 导阻遏形式的AraCpr转变成诱导形式的异 构体AraCpi，与cAMP-CRP一起成为RNA 聚合酶作用需要的正控制因子。
发现意外： 无论有没有葡萄糖，gal操纵子都能被
诱导，而且 gal操纵子总有本底水平的组成 型合成。
galR
外部操作子 内部操作子
CAP O2 P O1 galE
galT
galK
page271
-60 -30
-20
-10
+1
CRP site
P2 P1
+10
+20
两个重叠的pribnow s2
RNA聚合酶结合位点
(P2) 进行本底水平的组成型合成，以及一 个依赖于cAMP-CAP的启动子(P1),进行高水 平的调节，这样既可以满足细胞最基本的 需要（细胞壁），又可以满足在没有葡萄 糖而有半乳糖时，细胞能够利用半乳糖进 行生长。
插播：进一步解释
• gal P2是不依赖于cAMP-CRP的， • 相反： cAMP-CRP对gal P2还起到一种抑
制作用，这是因为其与结合位点的结合， 会影响到RNA聚合酶对gal P2的利用。 • 因此教材上（page272）认为：只有S2活 性完全被抑制时，（S1）的调控作用才是 有效的。
7.4.2 阿拉伯糖操纵子
5
4 3 2 1
Arabinose 阿拉伯糖 单糖 5碳糖
Lactose 乳糖 二糖
萄糖+半乳糖