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第l七章 原核生物基因表达调控模式PPT幻灯片

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原核基因表达调控ppt课件

原核基因表达调控ppt课件

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------ 操纵子(operon)
启动子 (promoter)
结构基因
调节基因
阻遏蛋白
操纵基因 (operator)
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一、乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成
第七章
原核基因表达调控
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内容提要
一、概 述 二、原核生物基因表达的调控
（一）原核生物基因表达的特点 （二）原核生物基因表达的调控机制
(1) 转录起始的调控 (2) 转录终止的调控 (3) 翻译水平的调控
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概述
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概述
基因表达(gene expression)
是基因转录及翻译的过程，也是基 因所携带的遗传信息表现为表型的过程， 包括基因转录成互补的RNA序列，对于蛋 白质编码基因，mRNA继而翻译成多肽链， 并装配加工成最终的蛋白质产物。
何被表达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什
么组织表达，什么时候表达，表达多少等。
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基因表达的方式
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
•组成性基因表达 •适应性表达（诱导和阻遏表达）
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1、组成性基因表达
某些基因在一个生物个体的几乎所 有细胞中持续表达，通常被称为管家基因 (house-keeping gene)。
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常用的管家基因
中文名称
beta－肌动蛋白 甘油醛3-磷酸脱氢酶 TATA Box结合蛋白 18s 核糖体核糖核酸 微管蛋白α
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英文缩写
β-actin GAPDH TBP 18s rRNA α-tubulin

原核生物基因表达调控-PPT课件

原核生物基因表达调控-PPT课件

3. 顺式作用突变来鉴定 操纵基因： • Oc 突变：操纵基因 发生突变，不能和 阻遏蛋白结合 • 导致RNA聚合酶可 以不受限制地从启 动子开始转录，结 构基因组成型表达
二．乳糖操纵子模型： 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分子的启动子（P）位于调 节基因（I）与操纵区（O）之间， 不能单独起始半乳糖苷酶和透性酶基 因的高效表达。操纵区是阻遏蛋白的 结合位点。
① 诱导物和结合于 操纵基因上的阻 遏物结合，使其 从操纵基因上释 放。而不是和游 离阻遏物结合， 影响阻遏物和 DNA结合的平衡
②


阻遏蛋白结合诱导物后 构型的变化： 阻遏物由两个二聚体组 成四聚体； 二聚体的两个DNA结合 域可以同时插入DNA大 沟的两个相邻连续转角； 诱导物结合，改变了 DNA结合域和核心区之 间的角度方向，使二聚 体两个头部不能同时和 DNA结合，从而降低和 操纵基因的亲和力
③ 阻遏物同时结合两个操 纵基因 乳糖操纵子的操纵 基因两侧，还存在 两个较弱的额外操 纵基因（pseudooperator） 完全阻遏转录，阻 遏蛋白四聚体除了 和操纵基因结合外， 还需要和其中一个 额外操纵基因结合 同时和四聚体结合 的两个操纵基因之 间的DNA，弯曲形 成环状结构
操纵子
2. 反式作用突变鉴定调节基因： ① lac I– ：阻遏蛋白不能识 别操纵基因 为隐性遗传，只要引入正 常的lac I＋基因，并进行 诱导，即可恢复正常的调 控 ② lacIs ：调节蛋白不能和诱 导物结合 为显性遗传，突变的阻遏 蛋白和细胞内所有的乳糖 操纵子结合并阻遏转录， 即使有野生型阻遏蛋白存 在也不会脱离

调控过程: Trp饥饿:核糖体停顿在两个Trp密码子上， 核糖体占据1区，留下完整的2区和3区配 对，形成发夹结构，这样4区转录出来后 仍是单链状态，终止子不能形成，转录继 续进行 有充分的色氨酸:核糖体顺利完成前导序 列的合成，到达并占据1区和2区，使2区 不能与3区有效配对，从而3区和4区配对 产生终止子的发夹结构，转录终止 其他氨基酸饥饿:核糖体在到达序列前即 停顿，1区和2区配对，然后3区和4区配对 形成终止子的发夹结构，转录终止。

第7章-原核基因表达调控幻灯片(1)

第7章-原核基因表达调控幻灯片(1)
• 大部分基因的表达需要s70
• 特定条件下需要不同的s 因子 s54：氮源利用 s32：热休克
s 因子功能
s70 promoters in E.coli
The –35 and –10 sequences of individual s factors are conserved (yellow boxes) The spacer sequence between –35 and –10 is not conserved, but the spacer length is 171 bp
α β β’ σ
α2ββ’ σ α2ββ’
基因
作用
催化rRNA、 tRNA和 mRNA的合成的起始
延伸
rpoA
rpoB rpoC rpoD
酶的组装，解旋与再 螺旋 酶催化中心
酶催化中心
识别特异启动子
大肠杆菌RNA聚合酶
原 核 生 物 转 录 起 始
s 因子
• 功能：识别启动子、起始转录
• E.coli 中存在多种 s 因子
• Most bacterial promoters have –35 and –10 elements （ consensus sequences ）
• Some have UP element
• Some lack –35 element, but have extended –10 region
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 (housekeeping gene)。
原核生物：营养状况（nutritional status） 环境因素（environmental factor）
高等真核生物：激素水平（hormone level） 发育阶段（developmental stage）

7原核生物基因表达调控-PPT资料100页

7原核生物基因表达调控-PPT资料100页

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10
在正调控中，反式作用因子必须结合在顺式作用元件上 以促进RNA聚合酶在启动子位置起始转录。
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11
在负调控系统中，阻遏物结合在顺式作用元件上以阻止转录。
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顺式作用元件（cis-acting element）：DNA元 件是指DNA上的一段序列，它只能作用于同一条 DNA，故称为顺式作用元件。
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Figure 10.15 Inducer changes the structure of the core so that the headpieces of a repressor dimer are no longer in an orientation that permits binding to DNA.
16
7.1.2 原核基因调控的主要特点
• 可诱导的调控：在可诱导的操纵子中，加入对基 因表达有调节作用的小分子物质（诱导物），则 开启基因的转录活性。
• 可阻遏的调控：在可阻遏的操纵子中，加入 对基 因表达有调节作用的小分子物质（辅阻遏物）， 则关闭基因的转录活性。
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7.2 操纵子学说（theory of operon）
（－67~－59）
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YA
通乙 透酰 酶基
转 移 酶
DNA
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Z——β -半乳糖苷酶；Y——β -半乳糖苷透
过酶；A——β -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）。

第7章原核基因表达调控上PPT课件

第7章原核基因表达调控上PPT课件
• 正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在 使激活蛋白处于非活性状态。
32
33
四、转录水平上调控的其他形式 1、σ因子的更换
内容提要： 原核基因表达调控环节 操纵子学说 原核基因调控机制的类型与特点 转录水平上调控的其他形式
16
基因表达的调控方式 阻遏
➢负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质降低) 促进
➢正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质增加)
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原核生物基因表达的调控
方式 特点
• 正调控 • 负调控 • 转录翻译偶联 • 快速
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酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
调节基因
操纵基因
结构基因
诱导物
某种物质能够促使
阻遏蛋白
mRNA
细菌产生酶来分解它，
这种物质就是诱导物。
诱导物
酶蛋白
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• 可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生蛋白质 或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物 的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分 布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的， 所以空间特异性又称细胞或组织特异性。
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四、基因表达调控的生物学意义
• 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核） • 维持个体发育与分化（真核）
了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学功能。
15
第二节 原核基因调控机制
第七章 基因的表达与调控(上)
——原核基因表达调控模式
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原核生物基因的表达及其调控PPT课件

原核生物基因的表达及其调控PPT课件
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诱导调控与非诱导调控
根据辅因子（小分子）结合后调控效果， 可分：
开启调控系统中结构基因的转录活性 — —诱导
关闭调控系统中结构基因的转录活性 — —阻遏
20
6
9.2 Transcription is catalyzed by RNA polymerase Figure 9.6 RNA polymerase moves like an inchworm during elongation, when it compresses from the back end and release from the front end.
RNA和细胞内所转录出的RNA， 其起始点相同，序列相同，若仅 用核心酶进行转录，则模板链和 起始点的选择都有很大的随意性， 而且往往同一段DNA的两条链都 被转录。
• 由此可见：σ亚基对识别DNA链
上的转录信号是不可缺少的，它 是核心酶和启动子之间的桥梁。 σ因子的取代在细胞发育和对环 境应答的反应中起主导作用。如 在枯草杆菌中就有不同相对分子 质量的σ因子
11
回文顺序 (Palindromic sequence)
5‘ GTGAGCTCAC 3’
3’ CACTCGAGTG 5’
书画 临上 汉荷 字花 翰和 林尚 书画
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所有原核生物的终止子共同的序列特征
在转录终止点之前有一 段回文结构，因而所产 生的mRNA可形成茎环 状的发夹结构，它可使 RNA聚合酶的移动停止 或减缓。
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• 二、转录的终止 • （一）终止子及其结构： • 1、概念： DNA上提供转录停止信号的一段
序列称为终止子(terminator)，是一个基因的 末端或是一个操纵子的末端的一段特定序列。 • 2、类型：强终止子和弱终止子 • 强终止子：不依赖于Rho蛋白质辅助因子而能 实现终止作用，这类终止子属于强终止子； • 弱终止子：依赖于Rho蛋白质辅助因子才能实 现终止作用，这类终止子属于弱终止子。蛋白 质辅助因子称为释放因子，通常称为ρ因子。

第7章原核基因表达调控模式PPT课件

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高进勇
9
华锐学院分子生物学课件
➢ 反式作用因子：通过扩散自身表达产物（酶、 调节蛋白）控制其他基因的表达,反式作用因 子通常为的蛋白质或RNA。如调控蛋白、转 录因子等。
➢ 基因表达的调控主要通过反式作用因子和顺 式作用元件相互识别、相互作用而实现。
2020/8/1
高进勇
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华锐学院分子生物学课件
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高进勇
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华锐学院分子生物学课件
• 每个大肠杆菌细胞有约15 000个核糖体，50 种核糖体蛋白、糖酵解体系的酶、DNA聚 合酶、RNA聚合酶等都是代谢过程中必需 的，其合成速率不受环境变化或代谢状态 的影响，这一类蛋白质被称为永久型 （constitutive）合成/8/1
高进勇
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华锐学院分子生物学课件
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高进勇
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华锐学院分子生物学课件
• 原核生物和真核生物都能够根据周围环境(如温度、 营养成分等)的变化，改变自己的代谢方式。而代 谢方式的变化通常可以通过对基因表达过程的调 控得以实现。
• 机体可以在基因表达过程的任何阶段进行调控， 一般以转录水平上的调控为主。
高进勇
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华锐学院分子生物学课件
7. 1 原核基因表达调控总论 • 7.1.1基因表达调控的基本概念 ➢顺式作用元件：对基因表达有调节活性的
DNA序列，其活性只影响与其自身同在一 个DNA分子上的基因；顺式作用元件通常 不编码蛋白质，多位于基因旁或内含子中。 如启动子、终止子、操纵基因等。
2020/8/1
2020/8/1
高进勇
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华锐学院分子生物学课件
基因调控的指挥系统也是多样的，不同的生物使用 不同的信号来指挥基因调控。原核生物中，营养状 况(nutritional status)和环境因素(environment factor)对基因表达起着举足轻重的影响。在真核生 物尤其是高等真核生物中，激素水平和发育阶段是 基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影 响力大为下降。

原核生物基因表达调控PPT课件

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• 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。
➢顺式作用（cis-acting）:任一不转变为任何其他形式 的DNA序列在原位发挥作用，影响与其相连的其它 DNA序列的活性。
.
4
• 顺式作用元件（cis-acting factor）：指对基因表 达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身 同处在一个DNA分子上的基因。顺式作用元件通常 不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。如： 位于转录单位开始和结束位置上的启动子和终止子， 都是典型的顺式作用元件。
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 。
结构基因
mRNA
调节蛋白
酶蛋白
.
7
负调控（negative control)
在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入 这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的 调控负转录调控。
调节基因
操纵基因

基因表达的调控-原核生物的基因调控PPT课件

基因表达的调控-原核生物的基因调控PPT课件

(interallelic complementation)
▲
等 位 基 因 间 的 互 补
活 性 阻 遏 蛋 白 的 另 一
个
重
要
特
点
是
形
成
四
聚
体
不同等位基因编码的亚基可相互缔合形成杂合多聚体, 其性质不同于任何一种纯合多聚体。
组成型 表达
不可 诱导
Constitutive lacI d mutations are dominant
β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷(如乳糖)能透 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 到β-半乳糖苷上,形成乙酰半乳糖。
调节基因
在这些突变体中,有一类突变体,它体内的半乳 糖苷酶的形成不依赖于诱导物的存在,即没有乳糖 或别的半乳糖苷存在时也能合成β- 半乳糖苷酶,这
主要环节在转录,起始σ因子决定RNA聚合酶识别 特异性。
◆操纵子(operon): 原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排
列组成的一个基因表达的协同单位(DNA序列)。 一个操纵子 ＝编码序列(2-6)+启动序列+操纵序列+(其他调节序列)
一)乳糖操纵子(lactose operon)
1、乳糖操纵子的发现: 葡萄糖充分时:
O决定相邻Z基因的产物是诱导型合成还是组
成型合成,O区域称为操纵基因。
特点:-7---+28,以+11为对称轴
典型特征具有反向重复序列 相互作用位点可以缩小在+5----+17
3、乳糖操纵子(lactose opron) 结构
调控基因 控制位点 结构基因
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有葡萄糖，cAMP浓度低时
低半乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
O
葡萄糖高 cAMP浓度低
O
高半乳糖时
RNA-pol
O
mRNA
O
（3）负控阻遏系统
（4）正控阻遏系统
二、弱化子对基因活性的影响
• 在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰-tRNA的 浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。当操纵子被 阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段DNA 序列被称为弱化子。
▪ 特殊代谢物调控的分子机理
特殊代谢物是调控蛋白的变构剂，与调控蛋白结合可 使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因 转录的影响
• 调控蛋白和代谢物的共同作用
调控蛋白
正调控 负调控
结构基因表达
诱导 阻遏
特殊代谢物
3、原核生物基因转录调控的4种类型 （1）负控诱导系统
阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因
诱导物、可诱导基因、诱导酶 阻遏物、可阻遏基因、可阻遏酶
诱导: 在某些代谢物或化合物的作用下，基因由 原来的关闭状态转变为工作状态
诱导物：能引起诱导发生的分子 可诱导基因：诱导调节中被活化的基因 诱导酶：可诱导基因表达的酶
阻遏：在某些代谢物或化合物的作用下，基因由 原来的关闭状态转变为工作状态
阻遏物：能导致阻遏发生的分子 可阻遏基因：阻遏调节中被关闭的基因 可阻遏酶：可阻遏基因表达的酶
第六章 基因的表达与调控(上) ——原核基因表达调控模式
一、基因表达（gene expression）
DNA
RNA
蛋白质
基因表达的调控：生物有机体对其基因表达的时 空程序、表达速率等所进行的调节和控制。
二、基因表达的调控（gene regulation） 1、转录水平上的调控：转录水平上的对基因的 调控决定于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、 蛋白质因子及其他小分子物质的相互作用。 2、转录后水平上的调控：mRNA加工成熟水平 上的调控；翻译水平上的调控。
RNA聚合酶
UUUU 3’
衰减子结构
就是终止子
4 可使转录 终止
3
2
34
UUUU 3U’UUU……
前导肽
trp 密码子
1.当色氨酸浓度高时
前导DNA 前导mRNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
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
发现：
1961年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。 Jacob and Monod ---乳糖操纵子模型
一、乳糖操纵子(lac operon)的结构
调控区
结构基因
DNA
P OZ Y A
操纵序列 启动序列 CAP结合位点
inhibitor
activator
gene
gene
正调控
调控蛋白
负调控
结构基因表达
▪ 负调控：抑制基因表达的调控方式 ▪ 正调控：促进基因表达的调控方式
2、特殊代谢物的调控
诱导(induction)
阻遏(repression)
inducer
gene
repressor
gene
特殊代谢物
诱导 阻遏
结构基因表达
SOS反应
LLexexAA阻阻遏遏蛋蛋白白
DNA
操纵序列

Rec A 激活
紫外线
SOS基因
基因 表达 与DNA 损伤修复有 关的酶和蛋白质
第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统
操纵子(operon)
概念： 在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其 表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织形式 称为操纵子。
第一节 原核基因表达调控总论
一、原核生物的基因表达调控类型 （一） 转录水平的调控
起始阶段----主要 延伸阶段----通常不受调控 终止阶段----可能受到调控 （二）翻译水平的调控 主要发生在起始和终止阶段
（一）转录水平调控的类型
1、正调控和负调控
负调控（negative regulation） 正调控（positive regulation）
四、细菌的应急反应
• 细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿——氨基 酸的全面匮乏。细菌会产生一个应急反应——停止包 括生产各种RNA、糖、和蛋白质的几乎全部生物化学 反应过程。
• 实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟 苷五磷酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载 tRNA。
2.当色氨酸浓度低时
三、降解物对基因活性的调节
有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳 糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对 应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶 来，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。
降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达 的，是一种积极的调节方式。
前导序列
前导mRNA
1
2
结构基因
衰减子区域
3
4
UUUU……
trp 密码子 终止密码子
第141a0a、前1导1密肽码编子码UU为区Ut:Ur包…p密含…U码序U子U列U1……衰减子结构 UUUU……
形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4
前导DNA
转录衰减机制
前导mRNA
1 5’
核糖体
• 属于这种调节方式的有：大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸 操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子以及沙 门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等等。
调节区
trpR RNA聚P合酶O
RNA聚合酶
Trp 低时
结构基因
mRNA
Trp 高时
Trp
色氨酸操纵子
调节区
trpR
PO
DNA
I
mRNA
pPo O Z Y A
l
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
DNA
I
mRNA
阻遏蛋白
pPol O Z Y A
启动转录
mRNA
β-半乳糖苷酶
半乳糖
乳糖
有乳糖存在时
（2）正控诱导系统
DNA
+ + + + 转录
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
– 当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸 的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶， 使ppGpp大量合成。
– ppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧急状 况。 ppGpp 影响RNA聚合酶与这些基因转录起始 位点的结合，使基因被关闭。
– ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们影响一 大批操纵子而被称为超级调控因子。