第九章原核表达

1、1 1、基因表达的多级调控基因表达的多级调控基因激活基因激活转录水平转录水平 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质降解蛋白质降解蛋白质的投递和运输蛋白质的投递和运输蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰乳糖操纵子调控乳糖操纵子调控乳糖操纵子模型的建立乳糖操纵子模型的建立(Jacob and Monod,1961)(Jacob and Monod,1961)Francois Jacob(1920-)Jacquces Monod(1910-67)获获19651965年诺奖年诺奖操纵基因受一种叫作操纵基因受一种叫作阻遏蛋白阻遏蛋白的蛋白质的调控。的蛋白质的调控。当阻遏蛋白结合到操纵基

2、因之上时，乳糖会起诱导作用，它当阻遏蛋白结合到操纵基因之上时，乳糖会起诱导作用，它与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵基因开启，相邻的结构基因也表现活性，细菌就能分解并利基因开启，相邻的结构基因也表现活性，细菌就能分解并利用乳糖了，这样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的诱导物。用乳糖了，这样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的诱导物。启动子启动子操纵序列操纵序列多个结构基因多个结构基因终止子终止子5533 调控区调控区 结合结合RNARNA聚合聚合酶和调节蛋白酶和调节蛋白编码功能相编码功能相关的蛋白质关的蛋白质介导转介导转录终止录终

3、止转录出多顺反子转录出多顺反子mRNAmRNA，翻译后得到多种蛋白质翻译后得到多种蛋白质操纵子的基本结构操纵子的基本结构IPOZYA有的酶可被诱导有的酶可被诱导IOO诱导剂诱导剂乳糖操纵子的负调控乳糖操纵子的负调控图图 1mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶安慰诱导物安慰诱导物 ：有极强的诱导效应，而本身不被分解。有极强的诱导效应，而本身不被分解。22No lacto

4、se:repressor LacIOperatorPromoterRepressor monomerTetramermRNA 对称轴，对称轴，+11 +11 对称序列，对称序列，6bp6bp阻遏蛋白的结合位点阻遏蛋白的结合位点lacOlacO的结构的结构1 1）当底物当底物不存在乳糖不存在乳糖时，时，- lac- lacI I基因产物是基因产物是一种阻遏蛋白，它一种阻遏蛋白，它结合于结合于laclacO O基基因因（操纵基因）上，（操纵基因）上， 这就阻止了这就阻止了RNARNA聚合酶与启动聚合酶与启动子的结合，（至少）阻碍了子的结合，（至少）阻碍了RNARNA聚合酶顺利通过基聚合酶顺利通过基

5、因因O O，从而，从而阻断阻断了结构基因的表达；了结构基因的表达；IPOZYa i p o z y acAMP ATP i p o z y acAMP ATPlow glucoselevels条件条件2:低乳低乳糖糖条件条件3:低乳糖低乳糖条件条件4:高葡萄糖高葡萄糖低低cAMP高乳糖高乳糖 Lac 阻遏蛋白封闭转录时阻遏蛋白封闭转录时, CAP对该系统不发挥作用对该系统不发挥作用条件条件1:低葡萄糖低葡萄糖高高cAMP高乳糖高乳糖Lac 阻遏蛋白阻遏蛋白不不封闭转录时封闭转录时,没有没有CAP存在存在,也也无无高效转录活性。高效转录活性。Lac 阻遏蛋白不封闭转录阻遏蛋白不封闭转录, CAP

6、+ cAMP 加强转录。加强转录。OOOOO图图15-5mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO协调调节协调调节葡萄糖对葡萄糖对laclac操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代分解代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)(catabolic repression)。 trpRtrp 分支酸 邻氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷酸 色氨酸 邻氨基苯甲酸 邻氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼酸合成酶 链 链 60，000 60，000 4 5，0

7、00 50，000 29，000 P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t 1560 1620 1353 1191 804 36P：起动子；O：操纵子； l：前导序列； a：衰减子； t,t ：终止子 图 16-15 E.coli trpO 的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应 trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA 蛋白 TrpR(无活性) 活化的 阻遏蛋白 阻遏物 (Trp) 图 16-27 TrpR 被 Trp 激活后可阻遏trp 操纵子的转录 (仿 B.Lewin:GENES，1990, Fig .13.16)

8、 Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 色氨酸的调节色氨酸的调节转录衰减转录衰减色氨酸操纵子色氨酸操纵子衰减子（衰减子（attenuatorattenuator）/ /弱化子弱化子前导序列（前导序列（leader sequenceleader sequence）123150 邻氨基苯 吲哚甘油 色氨酸合成酶 甲酸合成酶 硼酸合成酶 TrpE terpD trpC trpB trpA t t 启动子 操纵基因 前导顺序 衰减子 pppN26AUGAAAGCAAUUUUCGUACUG

9、AAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43A UUUUUUUU 富含 G-C 的发 G C Leader peptide 夹结构 / 富含 C G U 的单链末端 C G Aaaaaa C G Met Lys Aly Ile Phe Val Leu Lys Gly Trp Trp Arg Thr Ser A G C C G A C G U U A A 图 16-28 trp 操纵子含有 5 个结构基因和 1 个控制区。控制区由启动子、操纵基因、前导顺序和衰减子构成。前导区编码 14 个氨基酸，其中有 2 个是色氨酸。(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.38)

10、 UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区: 包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUU122334UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1. 1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机

11、制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 2. 2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 Low TrpHigh Trp弱化机制弱化机制SOS反应反应 SOS基因基因紫外线紫外线激活激活Rec ALex A阻

12、遏蛋白阻遏蛋白 与与DNA 损伤修复有损伤修复有关的酶和蛋白质关的酶和蛋白质基因基因表达表达Lex A阻遏蛋白阻遏蛋白操纵序列操纵序列DNA五、转录的时序调控五、转录的时序调控 2.2.阻遏蛋白对翻译起始的调控阻遏蛋白对翻译起始的调控 调控蛋白与含有起始密码子调控蛋白与含有起始密码子AUGAUG序列直接结合，序列直接结合，从而阻止核糖体结合，如从而阻止核糖体结合，如T4DNAT4DNA聚合酶（聚合酶（SDSD序列）。序列）。 dnaG(引物酶) RNA引物dnaG、rpoD和rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子50个拷贝的dnaG蛋白、2800个拷贝的rpoD和40000个拷贝的rpsU细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。重叠基因对翻译的影响重叠基因对翻译的影响trpEtrpE苏氨酸苏氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸终止终止 ACU - UUC - UGACU - UUC - UGA A - UGG - CU - UGG - CU AUGAUG A AUGUG GCU GCU 甲硫氨酸甲硫氨酸 - 丙氨酸丙氨