原核基因表达调控

1、会计学1原核基因表达调控原核基因表达调控一、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

2、达，通常被称为续表达，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），

3、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 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 JacobMonod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：无葡萄糖且存

4、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：操纵子中被调控的编操纵子中被调控的编 码

5、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全部多肽。多肽。乳糖操纵子的组成乳糖操纵子的

6、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、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

7、。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

8、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）样的对称性一级结构（性一级结构（-7+28位，对称轴在位，对称轴在+11位），能形成十字形位），能形成十字形的茎环（的茎环（stem loop）构造。不少操纵区都具有类似的对称性）构造。不少操纵区都具有类似的对称性序列。序列。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。

9、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聚合酶与聚合酶与启动子启动子Plac的结合，阻止的结合，阻止了基因的转录起了基因的转录起始始。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，结合，使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四聚体解聚成单体，失去与聚成单体，失去与的亲和力，与的亲和力，与解离，基因转录开解离，基因转录开放放。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

10、， 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 mRN

11、A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lac 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 recept

12、or 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：C

13、AP binding site1. 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，并以二聚体的方式与特定的特定的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

14、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、

15、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

16、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。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）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）

17、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-35 element-10 element (Pribnow box)UP elementpre 10 element+1Transcription 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的合成的起始的合成的起始 核心酶核心

18、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The 35 and 10 sequenc

19、es of individual s s factors are conserved (yellow boxes)The spacer sequence between 35 and 10 is not conserved, but the spacer length is 17 1 bpN-term s s1Inhibition s s2-10 binding s s3-10 binding s s4-35 bindings 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

20、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 binding domainTetramerization helixCore N subdomainCore C subdomainInducer binding pocketHinge helix乳糖操纵子阻遏蛋白单体乳糖操纵子阻遏蛋白单体-82+11lac 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-35 -10RNAPsRNAPsanti-s启动子调节启动子调节 抑制（抑制（II）-35 -10weak promoter +1weak pr

21、omoter ABS +1 ABSRNA pol - sActivatorRNA pol - sActivator RepressorActivator 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s54s54ATPATP+Pi启动子调节启动子调节 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 act

22、ivated promotersTPP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)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。

23、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

24、控（p272-278）五、细菌的应急反应五、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

25、不良条件，保存自己的一种机制。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