52Regulationoftranscriptioninprokaryotes

1、5. transcription5.1 transcription in prokaryotes5.2 regulation of transcription in prokaryotes5.3 transcription in eukaryotes5.4 regulation of transcription in eukaryotes 5.5 rrna process and rnps 5.2 regulation of transcription in prokaryotes5.2.1 the lac operon5.2.2 the trp operon5.2.1 the lac ope

2、ronnthe operon model was proposed by jacob and monod in 1961the operon is a unit of gene expression and regulation, includes: lthe structural genes for enzymes involved in a specific biosynthetic pathway whose expression is coordinately (协协调调) controlled.lcontrol elements such as an operator sequenc

3、e, which is a dna seq that regulate transcription of the structural genes.lregulator genes whose products recognize（识别）（识别） the control elements. nthe lactose operonle. coli can use lactose as a source of carbon. the enzymes required for the use of lactose as a carbon source are only synthesized whe

4、n latose is available as the sole carbon source.p3 structure genes: lacz, lacy, lacallacz -galactosidase, hydrolysis of lactose to galactose and glucosellacy galactoside permease, lactose transport across the bacterial cell wallllaca thiogalactoside transacetylase (硫代半乳糖苷转乙酰基酶硫代半乳糖苷转乙酰基酶)ppromoter p

5、lac ; ppolycistronic (多顺反子多顺反子) mrna; poperator site olac -5 - +20nthe lac repressorpthe laci gene encodes the lac repressor, which is active as a tetramer(四聚体四聚体) of identical subunits.pthe lac operator site consists of 28bp which is palindromic (回文结构的回文结构的). pin the absence of lactose, the repress

6、or occupies the operator-binding site. the repressor actually increases the binding of the polymerase to the lac promoter.ninduction pin the absence of inducer, the lac repressor blocks all but a very low level of transcription of laczya. when lactose is added to cells, the low basal level of the pe

7、rmease allows its uptake, and -galactosidase catalyzes the conversion of some lactose to allolactose (异乳糖异乳糖).pallolactose act as an inducer and binds to the lac repressor. removal of the lac repressor from the operator site allows to begin transcription. psynthetic inducer: iptg(异丙基巯基半乳糖苷), tmg（巯甲基

8、半乳糖苷）, onpg（o-硝基半乳糖苷）ncamp receptor protein （crp）pthe plac is not a strong promoter.pcrp also be called cap (catabolite activator protein)pgluctose is the first carbon source.pgluctose reduces the level of camp in the cell. when glucose is absent, the levels of camp in e.coli increase and crp binds

9、to camp.campp the crp-camp complex binds to the lactose operon promoter just upstream from the site for rna polymerase.p crp binding is believed to enhance rna polymerase binding to the promoter, enhancing transcription by 50-fold.crp-campcrp-camp与上游与上游dnadna位位点结合后造成模板点结合后造成模板dnadna沿对称序列中央发生沿对称序列中央发

10、生大于大于90900 0的弯曲的弯曲3 3种操纵子上游启动区与种操纵子上游启动区与crp-campcrp-camp结合位点的相对位置分析结合位点的相对位置分析nthe tryptophan operon structurethe trp operon encodes five structural genes involved in tryptophan biosynthesis.single promoter (ptrp) and operator (otrp)5.2.2 the trp operon 色氨酸操纵子色氨酸操纵子nthe trp repressora gene product

11、of the separate trpr operon, the trp repressor, specifically interacts with the operator site of the trp operon.the core binding site is a palindrome of 18bp (-21 to +3) .the repressor is a dimer of two subunits.tryptophan acts as a co-repressor and inhibits its own synthesis through end-product inh

12、ibition.the repressor reduces the transcription initiation by around 70-fold.nthe attenuator 弱化子弱化子deletion of a squence between operator and trpe resulted the increase of transcription. this site is termed attenuator and it lies towards the end of the transcribed leader sequence of 162 nt that proc

13、edes the initiator codon.a attenuator is a rho-independent terminator site which has a short gc-rich palindrome followed by eight successive u residues.if this sequence is able to form a hairpin in the rna transcript, then it acts as a highly efficient terminator and only a 140bp transcript is synth

14、esized.nleader rna structurefour regions1:2, 3:4 attenuator hairpin2:3nthe leader peptidethe leader rna sequence contains an efficent ribosome-binging site and can form a 14-amino-acid leader peptide.the 10th and 11th codons of this peptide encode successive tryptophan residues.its function is to de

15、termine tryptophan availability (可利用可利用性性) and to regulate transcription termination.nattenuation 弱化作用弱化作用the availability of tryptophan is sensed through its being required in translation, and determines whether or not the terminator (3:4) hairpin forms in the mrna.as transcription, the rna polymer

16、ase pauses at the end of seq 2 untill a ribosome begins to translate the leader peptide.high tryptophan, 3:4; attenuationtryptophan scarce, anti-terminator nimportance of attenuation 弱化作用弱化作用the presence of tryptophan gives rise to a 10-fold repression of trp operon transcription through the process

17、 of attenuation alone. so tryptophan levels exerts a 700-fold regulatory effect on expression from the trp operon.attennuation occurs in at least six operons.his operon, 7 successive histidine codons, only mechanism of feedback control.总结补充：总结补充：色氨酸操纵子色氨酸操纵子2 2个水平的阻遏系统个水平的阻遏系统 色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的阻遏系统

18、是色氨酸合成途径的第一水平调是色氨酸合成途径的第一水平调控，它主要调控转录的控，它主要调控转录的启动与否启动与否。 色氨酸操纵子的第二水平控制是色氨酸操纵子的色氨酸操纵子的第二水平控制是色氨酸操纵子的弱化系统弱化系统，它决定着它决定着已经启动的转录是否能够继续进行下去已经启动的转录是否能够继续进行下去。nthe trp repressor the trp repressor 色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的阻遏系统trp trp 操纵子中产生阻遏物的基因是操纵子中产生阻遏物的基因是trprtrpr，距，距trptrp基因簇很远。基因簇很远。trpr trpr 基因突变常引起基因突变常引起t

19、rp mrnatrp mrna的组成型合成，该基因产物的组成型合成，该基因产物被成为辅阻遏蛋白（被成为辅阻遏蛋白（aporepressor）。该辅阻遏蛋白与色）。该辅阻遏蛋白与色氨酸结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭氨酸结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭trptrp mrnamrna转录。转录。除非培养基中有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会与操纵除非培养基中有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会与操纵区结合。区结合。trp操操纵纵区区的的碱碱基基序序列列这个系统这个系统效应物分子效应物分子是是色氨酸色氨酸。培养基中色氨酸过量时，。培养基中色氨酸过量时，它能与阻遏蛋白形成复合物，并结合到

20、操纵基因上阻止结它能与阻遏蛋白形成复合物，并结合到操纵基因上阻止结构基因转录，当培养基中色氨酸供应不足时，阻遏物失去构基因转录，当培养基中色氨酸供应不足时，阻遏物失去色氨酸并从操纵区上解离，色氨酸并从操纵区上解离，trptrp操纵子去阻遏。操纵子去阻遏。阻遏阻遏- -操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主管转录操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主管转录是否启动，相当于是否启动，相当于粗调开关粗调开关。trptrp操纵子中对应于色氨酸操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个系统进行生物合成的还有另一个系统进行细调控细调控，指示已经启动的，指示已经启动的转录是否继续下去。这个细微调控是通过转录达

21、到第一个转录是否继续下去。这个细微调控是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的，由色氨酸的浓度来调结构基因之前的过早终止来实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频率。节这种过早终止的频率。nthe trp attenuator the trp attenuator 色氨酸操纵子的弱化系统色氨酸操纵子的弱化系统l在色氨酸高浓度和低浓度下观察到在色氨酸高浓度和低浓度下观察到trptrp操纵子的表达水平操纵子的表达水平相差约相差约600600倍倍, ,而阻遏作用仅使转录作用降低而阻遏作用仅使转录作用降低7070倍。阻遏物倍。阻遏物失活突变不能完全消除色氨酸对失活突变不能完全消除色氨酸对

22、trptrp操纵子表达的影响。操纵子表达的影响。（1 1） leader peptide(leader peptide(前导肽前导肽) )及其序列结构及其序列结构在色氨酸在色氨酸mrna 5mrna 5端端trpe trpe 起始密码子前有一段起始密码子前有一段162 bp162 bp的的mrnamrna片段被称为前导区（片段被称为前导区（leaderleader），其中），其中123-150123-150位碱基位碱基序列缺失，色氨酸操纵子基因表达可提高序列缺失，色氨酸操纵子基因表达可提高6-106-10倍。倍。研究发现，当研究发现，当mrnamrna转录起始后，如培养基中转录起始后，如培养基

23、中有一定水平色有一定水平色氨酸，转录能够被启动，但在这个区域终止氨酸，转录能够被启动，但在这个区域终止，产生一个，产生一个140 nt140 nt的的rnarna分子，终止分子，终止trptrp基因转录，这就是基因转录，这就是123-150123-150位位碱基序列缺失提高碱基序列缺失提高trptrp基因表达的原因；基因表达的原因；如果如果没有色氨酸存在，转录继续进行合成没有色氨酸存在，转录继续进行合成trpe mrnatrpe mrna，所，所以这个区域参与了色氨酸操纵子基因表达的调节。因为转以这个区域参与了色氨酸操纵子基因表达的调节。因为转录终止发生在这个区域，且能被调节，因此称这个区域为

24、录终止发生在这个区域，且能被调节，因此称这个区域为弱化子弱化子（attenuatorattenuator），或衰减子。），或衰减子。前导序列有起始密码子前导序列有起始密码子augaug和终止密码子和终止密码子ugauga。当翻译起始。当翻译起始于于augaug则产生一个氨基酸多肽，称为则产生一个氨基酸多肽，称为前导肽前导肽(leader (leader peptide)peptide)。（2 2） mrnamrna前导区序列分析前导区序列分析研究引起终止的研究引起终止的mrnamrna碱基序列发现，该区碱基序列发现，该区mrnamrna通过自我配通过自我配对可以形成茎环结构，有典型的终止子特点

25、。对可以形成茎环结构，有典型的终止子特点。前导序列可分前导序列可分4 4个区域，以个区域，以2 2种不同方式进行碱基配对，有种不同方式进行碱基配对，有时时1-21-2和和3-43-4配对，有时配对，有时2-32-3配对。配对。rnase t1rnase t1降解实验（此酶不能水解配对的降解实验（此酶不能水解配对的rnarna）表明，纯）表明，纯化的化的trptrp前导序列中确有前导序列中确有1-21-2和和3-43-4配对方式，由此定位的配对方式，由此定位的3-43-4配对方式正好位于终止密码子的识别区，当这个区域配对方式正好位于终止密码子的识别区，当这个区域发生破坏自我配对的碱基突变时有利于

26、转录的继续进行。发生破坏自我配对的碱基突变时有利于转录的继续进行。（3 3） 转录的弱化效应转录的弱化效应前导序列中两个相邻色氨酸密码子对前导序列中两个相邻色氨酸密码子对trnatrnatrptrp浓度十分敏感。浓度十分敏感。培养基中色氨酸浓度低时，培养基中色氨酸浓度低时，trnatrnatrptrp少，翻译通过色氨酸密少，翻译通过色氨酸密码子速度慢，码子速度慢，2-32-3配对，转录进行。培养基中色氨酸浓度配对，转录进行。培养基中色氨酸浓度高时，高时，trnatrnatrptrp多，翻译通过色氨酸密码子速度快，多，翻译通过色氨酸密码子速度快，3-43-4配配对，转录终止。对，转录终止。弱化子

27、对弱化子对rnarna聚合酶转录终止依赖于前导肽翻译中核糖体聚合酶转录终止依赖于前导肽翻译中核糖体所处位置，而细胞中色氨酸的存在与否决定了所处位置，而细胞中色氨酸的存在与否决定了mrnamrna转录的转录的弱化子结构，使弱化子弱化子结构，使弱化子4 4区竞争性配对，从而产生弱化效区竞争性配对，从而产生弱化效应。应。（4 4）弱化子对基因表达活性的影响普遍性弱化子对基因表达活性的影响普遍性弱化子对基因表达活性的影响普遍存在于大肠杆菌氨基酸弱化子对基因表达活性的影响普遍存在于大肠杆菌氨基酸生物合成的操纵子中。生物合成的操纵子中。每个操纵子的前导序列中都含有该操纵子所要调控的重复每个操纵子的前导序列

28、中都含有该操纵子所要调控的重复密码子。色氨酸前导序列含密码子。色氨酸前导序列含2 2个相邻的色氨酸密码子，组个相邻的色氨酸密码子，组氨酸氨酸7 7个，苯丙氨酸个，苯丙氨酸7 7个。个。（5 5）弱化机制的实验依据）弱化机制的实验依据a a 色氨酸色氨酸trnatrna合成酶对合成酶对trp trp 操纵子表达的作用：操纵子表达的作用：含高浓度色氨酸培养基中，含高浓度色氨酸培养基中，trptrptrnatrna合成酶缺陷型大肠合成酶缺陷型大肠杆菌中，杆菌中，trp trp 操纵子结构基因的表达却并没有完全受到抑操纵子结构基因的表达却并没有完全受到抑制。制。温度敏感型突变株温度敏感型突变株trps

29、5trps5编码的编码的trptrptrnatrna合成酶在合成酶在3030时时有活性，能使色氨酸活化成有活性，能使色氨酸活化成trnatrnatrptrp，4242时该酶没有活性。时该酶没有活性。野生型大肠杆菌野生型大肠杆菌trptrptrnatrna合成酶不受温度控制，所以合成酶不受温度控制，所以trptrp基因表达基本不受温度影响。基因表达基本不受温度影响。b b 前导区的调节作用前导区的调节作用 前导区及前导区及d d基因缺失的基因缺失的trpld102 trpld102 ：色氨酸合成酶活性：色氨酸合成酶活性提高提高8-108-10倍；缺失前导区表达比有前导区高得多，充分倍；缺失前导区表达比有前导区高得多，充分说明说明trptrp操纵子的表达调控除阻遏作用外，还受到前导区操纵子的表达调控除阻遏作用外，还受到前导区的影响。的影响。trpl29 trpl29 ：启动子：启动子augaug变成变成auaaua，有利于，有利于mrna