原核基因表达调控

1、第七章原核基因表达调控黄红辉honghuih单个基因RNARNA synthesis (transcriptionDNA synthesis (replication) / DNAprotein synthesis (translation)PROTEIN<Z>Z<XXKZ>a<>> amino acidsFigure 1-4. Molecular Biology of Ihe Cell.中心法则Genome单个细胞(celTs repertoire of DNA)Transcriptome (celPs repertoire of RNA trans

2、cripts)Proteome(celTs repertoire of proteins)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(geneexpression)基因产生蛋白质分子或RNA分子的过程。基因表达调控(generegulation,orregulationofgeneexpression)二、基因表达的方式(-)组成性表达(constitutiveexpression)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（housekeepinggene)。(二)适应型表达(adaptiveexpression)在特定环境信号刺激下，相应的

3、基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因(induciblegenes),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(repressiblegenes)o正转录调控(positivetranscriptionregulation)，调节基因的产物是激活蛋白(activator)。负转录调控(negativetranscriptionregulation),调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor)。IcductSonandrepr*sk>ncanbundrpo粤itiv。crnegativecontrolNEGATIVECONTROLPOSITIVECONTRO

4、LNO 一 SSBBd3aNO 二。DON 一repressor repressorirxlucerEPRESSE> >IN(XJCED>activator activatorCorepressor )NDUCED :>>REPRESS>-:.argitOgm /JC核细胞W6-2汽/万原吸生物抬聚及M详调控的总体特社比较原核生物：营养状况(nutritionalstatus)环境因素(environmentalfactor)高等真核生物：激素水平(hormonelevel)发育阶段(developmentalstage)三、乳糖操纵子营养条件：无葡萄糖且存

5、在乳糖时启动JacobMonod法国巴斯德研究所Jacob和Monod等人1961年提出（lacoperon）学说，1965年获诺贝尔医学与生理学奖（-）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（structuralgenes）（编码蛋白）、操纵区（Operator）（结合碗节蛋白）和启动子（Promoter）（结合RNA聚合酶）组成。promoteroperatorstructuralgenes启动子操纵区结构基因(a)ComponentsRepressorPromoterOperatorLeaderStructuralgenesU

6、ctose- binding siteLactoseRNA polymerase乳糖操纵子的组成结构基因：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。Structural genes kxZlacYlacA3-galactosidase Permease AcetylaseCH2OHCH20Ho oNy J3-galactosidaseO

7、H LactoselacZ：编码。半乳糖昔酶(P-galactosidase)分解乳糖。lacY：编码。半乳糖甘透性酶(permeasae)将半乳糖转运到细胞中。lacA：编码上半乳糖昔乙酰转移酶(transacetylase),把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到B-半乳糖昔上。(b) r 广 A* (wild type) - No lactose present - Repressed0epressor binds to opeutor,t No transcriptionblocking transcriptionNo enzymes启动子(promoter,P)：是指能被RNA聚合酶识别、结合

8、并启动基因转录的一段DNA序列。它们一般长4060bp,含AT较多，某些段落很相似的，有保守性，称为共有性序列(consensussequences)o-lObpPffiftWTATAAT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(stemloop)构造。不少操纵区都具有类似的对称性序列。乳糖操

9、纵子的负调控(I)在没有乳糖时，及c操纵于处于阻遏状态。此时I基因在其自身的启动子控制下，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聚合酶与启动子号-c的结合，阻止了基因的转录起始。乳糖操纵子的负调控（II）J3QQQQQQQQQQQ. 12QQQQQ. J2QQQQQ.at n汗胸雄拉 6 rn*行乙* mh棒的(c) I9 O* Z* Y* A9 (wild type) - Lactose present - Induced有乳糖时，乳糖受p一半乳糖昔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

10、。解离，基因转录开放。乳糖操纵子负调控的主要内容1, Z、八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昔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，及cmRNA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，从而激发及。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。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

11、甘酶是乳糖操纵子负控诱导所必需的C H.OHOHIMG*丸触桁ipTu之，z榻姒r的添丁物葡萄糖对he操纵子的影响1,代谢物抑制效应(cataboliterepression)2, cAMP与CRP(cAMPreceptorprotein)CAP(Catabolitegeneactivationprotein)代谢分解物基因激活蛋白的正调控（二）CAP的正调控葡萄糖 降解产物CRP 、/. CAP（非活性状态）» （活性状态）P。 NJ QCAP以二聚体形式与DNA结合, 使DNA弯曲90度Physical contact between CAP andCAP binding sit

12、eCAP在不同操纵子中的DNA结合位点半乳糖操纵子乳糖 操纵子阿拉伯糖操纵子operator CBSCBS| operator CBS结构基因operator结构基因promotor结构基因CBS：CAPbindingsiteCAP的正调控1. 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。2. cAMP与cAMP受体蛋白CRP(cAMPreceptorprotein)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。3. 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

13、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4. 尸”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络台位心 /"gdgkXUk KA tillac/ V-W【4cfliiaaeri去阴遇和激活作用对qc操纵遇的联合效应I、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、弱化子阻遏物力R基因：与操纵子相距较远(a)ComponentsPromoterOperatorLeaderAttenu

14、MoctrpPtrpOLI1IPOLHtipf加。ftpCtrpBtrpARepressorRegulatoryregionStructuralgenes0trpoperonTryptophanTryptophan.>"ingsite.(co-repre$or)Repressorprotein(-)阻遏蛋白的负调控(负控阻遏)(b) Tryptophan absentP O L |DPolyc stronic mRNArrpA-rcpcessor binds to tryptophan, causing allosteric transitionTranscription pr

15、oceeds”拿I 1raMeript10n binds to operatex : btockedRepressor alone cannotbind to operator(c) Tryptophan present(二)弱化子的调控前导序列(leadersequence)：在第一个结构基因如£与操纵区如。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。High tryptophanLow tryptophanAUGmRNA7000basesTranscription continues茎环结构(hairpinstructure)前导序

16、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。TranscriptionstopsTranscriptionstopsv/hentranscriptional“machinery"seesthis3-4stemloop34区配对终止转录Charged tRNATrp not availablemRNA Formation of 3-4 O stem-loop structure terminates transcription.Stalledribosomeallows2-3stemloopstructuretofo

17、rmandpreventsformationof3-4stemloop.TryptophanpresentRibosomemovesquicklytoendofleaderscodonsallowingformationof3-4stemloopIrpcodonsChargedtRNATrPavailable弱化作用Tr«n»尊tiontcrrnirtlioncocion“PG。8nsDNA(c>Hightrytophonlevels自习：半乳糖操纵子，阿拉伯糖操纵子（P255-263）四、基因表达调控的层面1,转录水平上的调控(transcriptionalregu

18、lation)(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-transcriptionalregulation)转录单元i转录区ATACGTATGCRNA年AU'1gTranscription start转录的起始一启动子(Promoter) Mostbacterialpromotershave-35and-10elements(consensussequences) SomehaveUPelement Somelack35element,buthaveextended10region

19、转录的起始一RNA聚合酶(RNApolymerase)大肠杆的的RNA聚合酶，由5个亚基组成,即02中F,有时还有2个3亚基。以a2邯七组成的酶称全酶。亚基与其他亚基结合较松弛，易从全酶(holoenzyme)上解离；其余部分a2P/称为核心酶(coreenzyme)基因作用全薛。2附。催化rRNA、tRNA和mRNA的合成的起始核心酶。2郎延伸arpoA酶的组装，解旋与再螺旋PrpoB碑催化中心p.rpoC峰催化中心OrpoD识别特异启动子大肠杆菌RNA聚合酶Enzymemovement原核生物转录起始0Nonspe：ilcbndlngolpoiyrv，。”r»<4O4nzy

20、nwanda0，itontoihe50mo(cloe«d*pco<rorercomplexr<；At«mpiaie9yrredi&dirrost&wayswithpsxEton询on&mRNAbyabout8morenucleaidesMotfinbai»ont.r.Mxxffracingchgcocm»d命Aa-2,o9gRu»s，cngO因子 功能：识别启动子、起始转录E.coli中存在多种Q子 大部分基因的表达需要 特定条件下需要不同的。因子Q54：氮源利用Q32：热休克b因子功能RcicatcCaao

21、rmRNAa70promotersinE.colityrtRNATCTCAACGTAACACTTTACAGCGGCG»CGTCATTTGATATGATGC*GCCCCGCTTCCCGATAAGGGfDlgatcaaaaaaatacttgtgcaaaaaa*ttgggatccctataatgcgcctccgttgagacgacaacgmXIatgcatttttccgcttgtcttcctgagccgactccctataatgcgcctccatcgacacggcggatrmlDXEbCCTCAAATTCAGCGTTGACTCTGAAA.GAGGAAAGCGTAATATAC*GCCACCT

22、CGCGACAGTGAGCmElctgcaatttttctattgcggcctgcg*gagaactccctataatgcgcctccatcgacacggcggatrrnAITTTTAAATTTCCTCTTGTCAGGCCGG>AATAACTCCCTATAATGCGCCACCACTGACACGGAACAAE1A2GCAAAAATAAATCCTTGACTCTGTAG.>CGGGAAGCCCTATTATGC>ACACCCCCCGCCGCTCAGAAxpRTAACACCGTGCGTGTTGACTATTTTA*CCTCTGGCGGTGATAATGG<«TTGCATGT

23、ACTAAGGAGGTxPLTATCTCTGGCGGTGTTGACATAAATA»CCACTGGCGGTGATACTGA*tGCACATCAGCAGGACGCACT7A3GTGAAACAAAACGGTTGACAACATGA»AGTAAACACGGTACGATGT*ACCACATGAAACGACAGTGA17AlTATCAAAAAGAGTATTGACTTAAAGT*CTAACCTA7AGGATACTTA*CAGCCATCGAGAGGGACACGT7A2acgaaaaacaggtattgacaacatgaagtaacatgcagtaagatac*aaatcgctaggtaacactagwVIIIGATACAAATCTCCGTTGTACTTTGTT*TCGCGCTTGGTATAATCG*CTGGGGGTCAAAGATGAGTG3510+1*-*The-35and-10sequencesofindividualafactorsareconserved(yellowboxes)Thespacersequencebetween-35and-10isnotconserved,butthespacerleng