原核基因表达调控

第七章 原核基因表达调控,黄红辉,一、基因表达的概念,基因组 (genome) 全部遗传信息或整套基因。,基因表达 (gene expression) 基因产生蛋白质分子或RNA分子的过程。,基因表达调控 (gene regulation, or regulation of gene expression),二、基因表达的方式,（一）组成性表达 (constitutive expression),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)。,（二）适应型表达(adaptive expression),在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因 (inducible genes)，如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因 (repressible genes)。,正转录调控（positive transcription regulation），调节基因的产物是激活蛋白（activator）。 负转录调控（negative transcription regulation），调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor）。,负控诱导,负控阻遏,正控诱导,正控阻遏,法国巴斯德研究所Jacob和Monod等人1961年提出 (lac operon)学说，1965年获诺贝尔医学与生理学奖,Jacob,Monod,三、乳糖操纵子,营养条件：无葡萄糖且存在乳糖时启动,（一）阻遏蛋白的负调控（负控诱导）,操纵子（operon）：核酸分子上调控基因转录活性的基本单元，由结构基因（structural genes）（编码蛋白）、操纵区（Operator）（结合调节蛋白）和启动子（Promoter）（结合RNA聚合酶）组成。,结构基因：操纵子中被调控的编 码蛋白质的基因 一个操纵子中含有2个以上的结构基因，每个结构基因是一个连续的开放阅读框，各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。转录成多顺反子mRNA，核糖体在合成完第一个编码的多肽后不脱离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。,乳糖操纵子的组成,lacZ：,编码-半乳糖苷酶（-galactosidase） 分解乳糖。,lacY：,编码-半乳糖苷透性酶（permeasae） 将半乳糖转运到细胞中。,lacA：,编码-半乳糖苷乙酰转移酶（transacetylase），把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷上。,乳糖操纵子的组成,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。它们一般长40-60bp，含A-T 较多，某些段落很相似的，有保守性，称为共有性序列(consensus sequences)。在-10bp附近有TATAAT一组共有序列，在-35bp处又有TTGACA一组共有序列。 操纵区（operator，O）：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。乳糖操纵子中的操纵区具有回文（palindrome）样的对称性一级结构（-7+28位，对称轴在+11位），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。,乳糖操纵子的负调控（I）,在没有乳糖时，lac操纵子处于阻遏状态。此时基因在其自身的启动子Pi控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白单体R。R以同源四聚体形式与操纵区结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子Plac的结合，阻止了基因的转录起始。,乳糖操纵子的负调控（II）,有乳糖时，乳糖受 半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，与阻遏物结合，使阻遏物构象变化，阻遏物四聚体解聚成单体，失去与的亲和力，与解离，基因转录开放。,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的高效表达。 3， 操纵区是DNA上的一小段序列（仅为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，使之不能与操纵区结合，从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的转录。,乳糖操纵子负调控的主要内容,lac 操纵子的本底水平表达,阻遏物的结合：异构乳糖 IPTG,透过酶及-半乳糖苷酶是乳糖操纵子负控诱导所必需的,葡萄糖对lac 操纵子的影响,1，代谢物抑制效应（catabolite repression） 2，cAMP与CRP（ cAMP receptor protein ） CAP（Catabolite gene activation protein）代谢分解物基因激活蛋白的正调控,（二）CAP的正调控,CAP以二聚体形式与DNA结合，使DNA弯曲90度,CAP在不同操纵子中的DNA结合位点,CBS：CAP binding site,cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖供给能量时，cAMP含量降低；无葡萄糖时，cAMP含量升高。 cAMP与cAMP受体蛋白CRP（ cAMP receptor protein ）结合后所形成的复合物CAP，并以二聚体的方式与特定的DNA序列结合，使转录效率提高50倍。 CAP通过改变启动子的构象以及与RNA聚合酶的相互作用,帮助酶分子正确定向,以便与-10区结合，起到取代-35区功能的作用。使转录效率提高50倍 Plac是弱启动子，单纯去阻遏使lac操纵子转录开放还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转录活性。,CAP的正调控,四、色氨酸操纵子,营养条件：环境低色氨酸时启动，环境高色氨酸时关闭。,色氨酸操纵子的组成： 结构基因：trpE、D、C、B、A 调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子 阻遏物trpR基因：与操纵子相距较远,（一）阻遏蛋白的负调控（负控阻遏）,（二）弱化子的调控,前导序列（leader sequence）：在第一个结构基因trpE与操纵区trpO之间有一段162bp的DNA，编码14氨基酸的前导肽，第10位和第11位相邻的色氨酸密码子。,前导序列的转录物内部有4个配对区，彼此都能配对:1区2区配对、3区4区配对，能形成两个茎环结构。第二个茎环后紧接寡聚U。,茎环结构（hairpin structure）,3-4区配对终止转录,弱化作用,自习： 半乳糖操纵子，阿拉伯糖操纵子（p255-263）,1，转录水平上的调控（transcriptional regulation） （1）转录的起始-转录水平调控的主要部位 通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的相互 作用实现转录调控。 （2）转录的终止 2，转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation）,四、基因表达调控的层面,转录单元,Most bacterial promoters have 35 and 10 elements（ consensus sequences ） Some have UP element Some lack 35 element, but have extended 10 region,-35 element,-10 element (Pribnow box),UP element,pre 10 element,+1,Transcription start,+1,转录的起始启动子(Promoter),转录的起始RNA聚合酶(RNA polymerase),大肠杆的的RNA聚合酶：由5个亚基组成，即2，有时还有2个 亚基。以2组成的酶称全酶。 亚基与其他亚基结合较松弛，易从全酶（holoenzyme）上解离；其余部分2称为核心酶(core enzyme),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 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,The 3D structure of bacterial RNA polymerase holoenzyme,N-term s1 Inhibition,s2 -10 binding,s3 -10 binding,s4 -35 binding,s factor domains :,s3,启动子调节 抑制（I）,空间构象阻碍：lac operon，trp operon 抑制开放型复合物的形成、启动子清除等,乳糖操纵子阻遏蛋白单体,-82,+11,lac repressor,-35,-10,-82,+11,乳糖操纵子阻遏蛋白四聚体,(IPTG),IPTG的诱导作用,anti-s factor,-35 -10,RNAP,s,RNAP,s,anti-s,启动子调节 抑制（II）,-35 -10,Anti-activation：抑制分子去除激活分子的效应,weak promoter,+1,weak promoter,ABS,+1,ABS,RNA pol - s,Activator,RNA pol - s,Activator,Repressor,Activator binding sequence,启动子调节 抑制（III）,启动子调节 激活（I）,CAP结合于启动子上游，有利于形成稳定的开放型启动子-RNA 聚合酶结构,激活分子的结合,启动子调节 激活（II）,RNA聚合酶激活,启动子调节 激活（III）,启动子激活：MerR activated promoters TPP结合的BmrR激活转录，而BmrR则不能,转录的终止终止子(terminator),终止子(terminator) DNA上提供转录停止信号的一段序列称为终止子，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。 强终止子：不依赖于Rho因子 弱终止子：依赖于Rho因子才能实现终止作用,终止序列的特点： 1）回文结构（转录的mRNA形成茎环状的发夹结构）； 2）回文结构富含G-C； 3）回文序列的下游常有 68个AU对,依赖子因子的终止子回文序列中GC对含量较少，回文序列下方没有固定结构，其AU对含量也较低，因而是弱终止子，必需有因子存在时才发生终止作用。,强终止子,弱终止子,抗终止作用(anti一termination) 因子的作用可以被抗终止因子所抵消，这样，RNA聚合酶便可通过终止子(依赖于因子的)继续转录后面的基因。,噬菌体的时序控制,噬菌体基因在裂解过程中的表达分前早期、晚早期和晚期3个阶段进行，其早期基因与晚期基因以终止子相隔。,自习： 转录后水平上的调控（p272-278）,五、细菌的应急反应,应急反应： 细菌有时会碰到紧急状况，比如全面的氨基酸饥饿时，细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全