原核基因表达调控

1、 一、基因表达的概念一、基因表达的概念 基因组基因组 (genome) 全部遗传信息或整套基因。全部遗传信息或整套基因。 基因表达基因表达 (gene expression) 基因产生蛋白质分子或基因产生蛋白质分子或RNA分子的过程。分子的过程。 基因表达调控基因表达调控 (gene regulation, or regulation of gene expression) 二、基因表达的方式二、基因表达的方式 （一）（一）组成性表达组成性表达 (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，通常被称为续表达

2、，通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)。 （二）（二）适应型表达适应型表达(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，这种基因称为因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因 (inducible genes)，如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因，如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因 是是可阻遏基因可阻遏基因 (repressible genes)。 正转录调控正转录调控（positive transcription regulation），调），调

3、节基因的产物是节基因的产物是激活蛋白激活蛋白（activator）。）。 负转录调控负转录调控（negative transcription regulation），）， 调节基因的产物是调节基因的产物是阻遏蛋白阻遏蛋白（repressor）。）。 负控诱导负控诱导 负控阻遏负控阻遏 正控诱导正控诱导 正控阻遏正控阻遏 法国巴斯德研究所法国巴斯德研究所Jacob和和Monod等人等人1961年提出年提出 (lac operon)学说，学说，1965年获诺贝尔医学与生理学奖年获诺贝尔医学与生理学奖 Jacob Monod 三、乳糖操纵子三、乳糖操纵子 营养条件：无葡萄糖且存在乳糖时启动营养条件：

4、无葡萄糖且存在乳糖时启动 （一）（一）阻遏蛋白的负调控（负控诱导）阻遏蛋白的负调控（负控诱导） 操纵子操纵子（operon）：核酸分子上调控基因转录活性的）：核酸分子上调控基因转录活性的 基本单元，由基本单元，由结构基因结构基因（structural genes）（编码蛋）（编码蛋 白）、白）、操纵区操纵区（Operator）（结合调节蛋白）和）（结合调节蛋白）和启动启动 子子（Promoter）（结合）（结合RNA聚合酶）组成。聚合酶）组成。 promoter structural genes operator 启动子启动子 操纵区操纵区 结构基因结构基因 结构基因：结构基因：操纵子中被调控

5、的编操纵子中被调控的编 码蛋白质的基因码蛋白质的基因 一个操纵子中含有一个操纵子中含有2 2个以上的结构个以上的结构 基因，每个结构基因是一个连续基因，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，组成结构基因衔接、串连排列，组成结构基因 群。转录成群。转录成多顺反子多顺反子mRNAmRNA，核糖，核糖 体在合成完第一个编码的多肽后体在合成完第一个编码的多肽后 不脱离不脱离mRNAmRNA而继续翻译合成下一而继续翻译合成下一 个基因编码的多肽，直至合成完个基因编码的多肽，直至合成完 这条多顺反子这条多顺反子mRNAmRNA所编码的全部所编码的

6、全部 多肽。多肽。 乳糖操纵子的组成乳糖操纵子的组成 lacZ： 编码编码 -半乳糖苷酶（半乳糖苷酶（ -galactosidase） 分解乳糖。分解乳糖。 lacY： 编码编码 -半乳糖苷透性酶（半乳糖苷透性酶（permeasae） 将半乳糖转运到细胞中。将半乳糖转运到细胞中。 lacA： 编码编码 -半乳糖苷乙酰转移酶（半乳糖苷乙酰转移酶（transacetylase），把乙酰辅酶），把乙酰辅酶A上上 的乙酰基转移到的乙酰基转移到- -半乳糖半乳糖苷上。苷上。 乳糖操纵子的组成乳糖操纵子的组成 启动子启动子(promoter, P)：是指能被：是指能被RNA聚合酶识别、结合并启聚合酶识别、

7、结合并启 动基因转录动基因转录的一段的一段DNA序列。它们一般长序列。它们一般长40-60bp，含，含A-T 较多，某些段落很相似的，有保守性，称为较多，某些段落很相似的，有保守性，称为共有性序列共有性序列 (consensus sequences)。在。在-10bp附近有附近有TATAAT一组共有序一组共有序 列，在列，在-35bp处又有处又有TTGACA一组共有序列。一组共有序列。 操纵区操纵区（operator，O）：是指能被）：是指能被调控蛋白特异性结合调控蛋白特异性结合的的 一段一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调 控蛋白

8、结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。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（乳糖操纵子中的操纵区具有回文（palindrome）样的对称性）样的对称性 一级结构（一级结构（-7+28位，对称轴在位，对称轴在+11位），能形成十字形的位），能形成十字形的 茎环（茎环（stem loop）构造。不少操纵区都具有类似的对称性序）构造。不少操纵区都具有类似的对称性序 列。列。 乳糖操纵子的负调控（乳糖操纵子的负调控（I） 在没有乳糖时，在没有乳糖时，lac操纵操纵 子处于阻遏状态。此子处于阻遏状态。此时时 基因在其自身的启动基因在其自身的启动

9、子子Pi控制下，低水平、控制下，低水平、 组成性表达产生阻遏蛋组成性表达产生阻遏蛋 白白单体单体R。R以同源以同源四聚四聚 体形式与操纵体形式与操纵区区结合，结合， 阻碍了阻碍了RNA聚合酶与启聚合酶与启 动子动子Plac的结合，阻止了的结合，阻止了 基因的转录起基因的转录起始始。 乳糖操纵子的负调控（乳糖操纵子的负调控（II） 有乳糖时，乳糖受有乳糖时，乳糖受 半乳糖苷酶的半乳糖苷酶的 催化转变为别乳糖，催化转变为别乳糖， 与与阻遏物阻遏物结合，使结合，使 阻遏物阻遏物构象变化，构象变化， 阻遏物阻遏物四聚体解聚四聚体解聚 成单体，失去与成单体，失去与 的亲和力，与的亲和力，与解解 离，基因

10、转录开放离，基因转录开放。 1，Z、Y、A基因的产物由同一条基因的产物由同一条多顺反子的多顺反子的mRNA分子所编码。分子所编码。 2， 该该mRNA分子的分子的启动子启动子（P）位于阻遏基因（）位于阻遏基因（I）与操纵区）与操纵区 （O）之间，不能单独起始）之间，不能单独起始-半乳糖苷酶和透过酶半乳糖苷酶和透过酶的高效表达。的高效表达。 3， 操纵操纵区区是是DNA上的一小段序列（仅为上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的），是阻遏物的 结合位点。结合位点。 4，当，当阻遏物与操纵阻遏物与操纵区结合区结合时，时，lac mRNA的转录起始受到抑制。的转录起始受到抑制。 5，诱导物通过与阻

11、遏物结合诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与，改变它的三维构象，使之不能与 操纵操纵区结合，从而激发区结合，从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在时，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操纵区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的的 转录。转录。 乳糖操纵子乳糖操纵子负调控负调控的主要内容的主要内容 lac 操纵子的操纵子的本底水平表达本底水平表达 阻遏物的结合：异构乳糖阻遏物的结合：异构乳糖 IPTG 透过酶及透过酶及 -半乳糖苷酶是乳半乳糖苷酶是乳 糖操纵子负控诱导所必需的糖操纵子负控诱导所必需的 葡萄糖对葡萄糖对l

12、ac 操纵子的影响操纵子的影响 1，代谢物抑制效应（，代谢物抑制效应（catabolite repression） 2，cAMP与与CRP（ cAMP receptor protein ） CAP（Catabolite gene activation protein）代谢分解）代谢分解 物基因激活蛋白的正调控物基因激活蛋白的正调控 （二）（二）CAP的正调控的正调控 CAP以二聚体形式与以二聚体形式与DNA结合，结合， 使使DNA弯曲弯曲90度度 CAP在不同操纵子中的在不同操纵子中的DNA结合位点结合位点 operator CBS promotor 结构基因结构基因 半乳糖半乳糖 操纵子操纵

13、子 阿拉伯糖阿拉伯糖 操纵子操纵子 结构基因结构基因operator CBS promotor 乳糖乳糖 操纵子操纵子 operatorpromotorCBS 结构基因结构基因 CBS：CAP binding site 1. cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄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，糖供给能量时，cAMP含量降低；无葡萄糖时，含量降低；无葡萄糖时，cAMP 含量升高。含量升高。 2. cAMP与与cAMP受体蛋白受体蛋白CRP（ cAMP receptor protein ） 结合后所形成的复合物结合后所形成的复合物CAP，并以二聚体的方式与特

14、，并以二聚体的方式与特 定的定的DNA序列结合，使转录效率提高序列结合，使转录效率提高50倍。倍。 3. CAP通过改变启动子的构象以及与通过改变启动子的构象以及与RNA聚合酶的相互聚合酶的相互 作用作用,帮助酶分子正确定向帮助酶分子正确定向,以便与以便与-10区结合，起到取代区结合，起到取代 -35区功能的作用。使转录效率提高区功能的作用。使转录效率提高50倍倍 4. Plac是弱启动子，单纯去阻遏使是弱启动子，单纯去阻遏使lac操纵子转录开放还不操纵子转录开放还不 能使细菌很好利用乳糖，必需同时有能使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转录来加强转录 活性。活性。 CAP的正调控的正调

15、控 四、色氨酸操纵子四、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。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：色氨酸操纵子的组成： 结构基因：结构基因：trpE、D、C、B、A 调控结构：启动子、操纵子、调控结构：启动子、操纵子、前导序列前导序列、弱化子弱化子 阻遏物阻遏物trpR基因：与操纵子相距较远基因：与操纵子相距较远 （一）（一）阻遏蛋白的负调控（负控阻遏）阻遏蛋白的负调控（负控阻遏） （二）弱化子（二）弱化子的调控的调控 前导序列前导序列（leader sequence）：在第一个结构基因）：在第一个结构基因 trpE与操纵区与操纵区

16、trpO之间有一段之间有一段162bp的的DNA，编码，编码 14氨基酸的前导肽，第氨基酸的前导肽，第10位和第位和第11位相邻的色氨位相邻的色氨 酸密码子。酸密码子。 前导序列的转录物内部有前导序列的转录物内部有4个配对区，彼此都能配个配对区，彼此都能配 对对:1区区2区配对、区配对、3区区4区配对，能形成两个茎环结区配对，能形成两个茎环结 构。第二个茎环后紧接寡聚构。第二个茎环后紧接寡聚U。 茎环结构（茎环结构（hairpin structure） 3-4区配对终止转录区配对终止转录 弱化作用弱化作用 自习：自习： 半乳糖操纵子，阿拉伯糖操纵子半乳糖操纵子，阿拉伯糖操纵子（p255-263

17、） 1，转录水平上的调控（，转录水平上的调控（transcriptional regulation） （1）转录的起始）转录的起始-转录水平调控的主要部位转录水平调控的主要部位 通过通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的相互聚合酶、转录因子和启动子的相互 作用实现转录调控。作用实现转录调控。 （2）转录的终止）转录的终止 2，转录后水平上的调控（，转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation） 四、基因表达调控的层面四、基因表达调控的层面 转录单元转录单元 Most bacterial promoters have 35 and 10 elements （

18、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 转录的起始转录的起始启动子启动子(Promoter) 转录的起始转录的起始RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase) 基因基因作用作用 全酶全酶2 催化催化rRNArRNA、 tRNAtRNA和和 mRNAmRNA的合成的起始的

19、合成的起始 核心酶核心酶2 延伸延伸 rpoA 酶的组装，解旋与再酶的组装，解旋与再 螺旋螺旋 rpoB酶催化中心酶催化中心 rpoC酶催化中心酶催化中心 rpoD识别特异启动子识别特异启动子 大肠杆的的大肠杆的的RNA聚合酶：由聚合酶：由5个亚基组成，即个亚基组成，即2，有时还有，有时还有2个个 亚基。以亚基。以2组成的酶称全酶。组成的酶称全酶。 亚基与其他亚基结合较松弛，易从亚基与其他亚基结合较松弛，易从 全酶（全酶（holoenzyme）上解离；其余部分）上解离；其余部分2称为核心酶称为核心酶(core enzyme) 大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶聚合酶 原核生物转录起始原核生物转录起始

20、 s 因子因子 功能：识别启动子、起始转录功能：识别启动子、起始转录 E.coli 中存在多种中存在多种 s s 因子因子 大部分基因的表达需要大部分基因的表达需要s s70 特定条件下需要不同的特定条件下需要不同的s s 因子因子 s s54：氮源利用：氮源利用 s s32：热休克：热休克 s 因子功能因子功能 s70 promoters in E.coli The 35 and 10 sequences of individual s s factors are conserved (yellow boxes) The spacer sequence between 35 and 10 i

21、s not conserved, but the spacer length is 17 1 bp The 3D structure of bacterial RNA polymerase holoenzyme N-term s s1 Inhibition s s2 -10 binding s s3 -10 binding s s4 -35 binding s s factor domains : s3 启动子调节启动子调节 抑制（抑制（I） 空间构象阻碍：空间构象阻碍：lac operon，trp operon 抑制开放型复合物的形成、启动子清除等抑制开放型复合物的形成、启动子清除等 DNA

22、 binding domain Tetramerization helix Core N subdomain Core C subdomain Inducer binding pocket Hinge helix 乳糖操纵子阻遏蛋白单体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乳糖操纵子阻遏蛋白四聚体 (IPTG) IPTG的诱导作用的诱导作用 anti-s s factor -35 -10 RNAP s RNAP s anti-s 启动子调节启动子调节 抑制（抑制（II） -35 -10 Anti-activat

23、ion：抑制分子去除激活分子的效应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 启动子调节启动子调节 抑制（抑制（III） 启动子调节启动子调节 激活（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 聚合酶结构聚合酶结构 激活分子激活分子 的结合的结合 s54 s54 ATP ATP+Pi 启动子

24、调节启动子调节 激活（激活（II） RNA聚合酶激活聚合酶激活 启动子调节启动子调节 激活（激活（III） 启动子激活：启动子激活：MerR activated promoters TPP结合的结合的BmrR激活转录，而激活转录，而BmrR则不能则不能 转录的终止转录的终止终止子终止子(terminator) 终止子终止子(terminator) DNA上提供转录停止信号的一段序列称为终止子，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。定序列。 强终止子：不依赖于强终止子：不依赖于Rho因子因子 弱

25、终止子：依赖于弱终止子：依赖于Rho因子才能实现终止作用因子才能实现终止作用 1）回文结构（转录的）回文结构（转录的 mRNA形成茎环状的形成茎环状的 发夹结构）；发夹结构）； 2）回文结构富含）回文结构富含G-C； 3）回文序列的下游常有）回文序列的下游常有 68个个AU对对 依赖子依赖子因子的终止子回文序列中因子的终止子回文序列中GCGC对含量较少，回对含量较少，回 文序列下方没有固定结构，其文序列下方没有固定结构，其AUAU对含量也较低，因而对含量也较低，因而 是弱终止子，必需有是弱终止子，必需有因子存在时才发生终止作用。因子存在时才发生终止作用。 强终止子强终止子 弱终止子弱终止子 抗

26、终止作用抗终止作用(anti一一termination) 因子的作用可以被抗终止因子所抵消，这样，因子的作用可以被抗终止因子所抵消，这样，RNARNA 聚合酶便可通过终止子聚合酶便可通过终止子( (依赖于依赖于因子的因子的) )继续转录后继续转录后 面的基因。面的基因。 噬菌体的时序控制噬菌体的时序控制 噬菌体基因在裂解过程中的表达分前早期、晚早期噬菌体基因在裂解过程中的表达分前早期、晚早期 和晚期和晚期3个阶段进行，其早期基因与晚期基因以终止个阶段进行，其早期基因与晚期基因以终止 子相隔。子相隔。 自习：自习： 转录后水平上的调控（转录后水平上的调控（p272-278） 五、细菌的应急反应五

27、、细菌的应急反应 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部生物化、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化 学反应过程均被停止。学反应过程均被停止。 严紧反应严紧反应(stringent response)： 细菌在饥饿条件下，缺乏足够的氨基酸使得蛋白质细菌在饥饿条件下，缺乏足够的氨基酸使得蛋白质 合成受阻时，将关闭大量的代谢过程。抵御不良条合成受阻时，将关闭大量的代谢过程。抵御不良条 件，保存自己的一种

28、机制。件，保存自己的一种机制。 应急反应的信号：应急反应的信号： 鸟苷四磷酸（鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（）和鸟苷五磷酸（pppGpp） （魔斑核苷酸魔斑核苷酸） 魔斑核苷酸产生的诱导物：空载魔斑核苷酸产生的诱导物：空载tRNA 严紧控制因子（严紧控制因子（stringent factor ，SF）：）：rel A基因基因 ppGpp与与pppGpp超级调控因子超级调控因子 根据氨酰根据氨酰tRNA的存在与否，核糖体重新进行的存在与否，核糖体重新进行 多肽合成，或发生另一次无效反应多肽合成，或发生另一次无效反应 （二）（二）适应型表达适应型表达(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，这种基因称为因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因可诱导基因 (inducible genes)，如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因，如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因 是是可阻遏基因可阻遏基因 (repressible genes)。 正转录调控正转录调控（positive transcription regulation），调），调 节基因的产物是节基因的产物是激活蛋白激活蛋白（activator）。）。 负转录调控负转录调控（negative transcription