第18章 船长系列：原核基因表达调控

1、基因表达调控Regulation of Gene Expression第 十八 章环境大肠杆菌结果有葡萄糖用葡萄糖有葡萄糖有乳糖用葡萄糖有乳糖无葡萄糖用乳糖有色氨酸不生成色氨酸无色氨酸生成色氨酸无色氨酸也无其他氨基酸不生成色氨酸第二节 原核基因表达调控原核生物基因组结构特点1 基因组中很少有重复序列； 2编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单拷贝基因，但编码rRNA的基因仍然是多拷贝基因；3 结构基因在基因组中所占的比例（约占50%）远远大于真核基因组；4许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列5转录翻译同空间进行，且时间几乎无差原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子 第二节 原

2、核基因表达调控调节的主要环节在转录起始一、原核基因转录调节特点（一）因子决定RNA聚合酶识别特异性(强启动子）（二）操纵子模型的普遍性（三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性第二节 原核基因表达调控操纵子是原核基因转录调控的基本单位 蛋白质因子蛋白质因子特异特异DNA序列序列编码序列编码序列 启动子启动子 操纵元件操纵元件 其他调节基因其他调节基因(promoter)(operator)原核基因组中，由几个功能相关的结构基因及其调控区组成一个基因表达单位，称为操纵子第二节 原核基因表达调控操纵子，基因表达的协调单位。它由 启动子、操纵基因、结构基因以及能够调控其活性的调控基因组成操纵基因 operat

3、or，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第二节 原核基因表达调控01多顺反子(polycistron)：mRNA分子携带了几个多肽链的编码信息02启动子是RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定基因表达效率的关键元件03各种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游-10及-35区域存在一些相似序列，称为共有序列04E.coli及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域是TATAAT，在-35区域为TTGACA05共有序列决定启动序列的转录活性大小。操纵子模型的普遍性第二节 原核基因表达调控第二节 原核基因表达调控第二节 原核基因表达调控根

4、据操纵子对调节蛋白的应答，可将原核细胞基因调控分为， 正转录调控(positive regulation) 和 负转录调控(negative regulation)。第一节 基本概念和原理正调控和负调控第一节 基本概念和原理正调控和负调控第一节 基本概念和原理如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被增强或开启，这样的调控称为 正转录调控。介导正调控的调节蛋白称为 激活蛋白(activating protein)。如果在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性降低或被关闭，这样的调控为 负转录调控。介导负调控的调节蛋白称为 阻遏蛋白(re

5、pressive protein)调控的正与负，指的是结合到基因调节区域(操纵区)的蛋白质的作用第一节 基本概念和原理 有一些效应物，它们能够与调控蛋白相结合改变调控蛋白的空间构象从而改变其对基因转录的影响。第二节 原核基因表达调控操纵子有两种类型诱导操纵子：即诱导基因，这些基因因环境中某些物质的出现而被活化。许多负责糖代谢的基因属于这种类型。阻遏操纵子：即阻遏基因，一般情况下处于表达状态，但当其产物大量出现时即关闭，合成氨基酸的操纵子属于这一类型。第一节 基本概念和原理负调控正调控结合调控蛋白和效应物的作用， 可以将转录调控分为4类第一节 基本概念和原理顺式作用元件和反式作用因子共同调节一般

6、说来，调节序列与被调控的编码序列位于同一条DNA链上，称为顺式作用元件(cis -acting element)。调节序列远离被调控的编码序列，实际上是其他分子的编码基因，只能通过其表达产物来发挥作用，这些蛋白质或RNA分子称为反式作用因子(trans-acting factor)。第一节 基本概念和原理调节基因 （regulator gene）转录生成 mRNA 并翻译出 调节蛋白（regulator protein） ， 该蛋白就是反式作用因子，这一蛋白能够结合到 DNA链上一段目标区域（target site）从而调控目标区域下游结构基因的表达。这个目标区域的 DNA 就是顺式作用元件第

7、一节 基本概念和原理基因是编码可扩散产物的DNA序列，这种产物可以是蛋白质（大多数），也可以是RNA。编码产物将从合成地点扩散到其他场所起作用。基因产物自由扩散至其作用靶位的过程称反式作用（trans-acting）。顺式作用（cis-acting）：不转变为其他任何形式（RNA或蛋白质）只以DNA形式在原来位置起作用的DNA序列，只影响与其临近的DNA序列。第二节 原核基因表达调控二 乳糖操纵子 诱导（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构 弱启动子 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列I基因基因操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： -半乳糖

8、苷酶透性酶半乳糖苷酶透性酶A：-半乳糖苷酶乙酰转移酶半乳糖苷酶乙酰转移酶ZYAOPIDNA第二节 原核基因表达调控（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构-半乳糖苷酶透性酶乙酰转移酶二 乳糖操纵子 诱导型第二节 原核基因表达调控第二节 原核基因表达调控思考细菌对潜在的碳源有偏好，当存在葡萄糖时，其他糖类将不被利用。那乳糖操纵子平时是开还是关呢（假设大肠杆菌平时环境中葡萄糖更多）第二节 原核基因表达调控结构基因簇受到其上游操纵基因lac O的调控，而 lac O与结构基因启动子具有部分重叠第二节 原核基因表达调控mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻

9、遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因二 乳糖操纵子 诱导型思考环境中没有葡萄糖，只有乳糖，细菌该怎么办呢第二节 原核基因表达调控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乳糖乳糖异乳糖异乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶二 乳糖操纵子 诱导型思考基因若想表达转录开始诱导剂半乳糖苷酶基因得表达思考没有乳糖时，ZYA只有几分子，但当出现乳糖时，几分钟内ZYA可以上千倍增多，可占蛋白质的10%。为什么不取个中间值？思考三个基因成蔟排列，A是做什么的呢？思考是不是有乳糖且进入细胞就可以使乳糖操纵子开放了呢？RNA 聚合酶的发动仍需要一个正调控信号才能激活转录。

10、这个蛋白称为正调控蛋白。对所有葡萄糖敏感的操纵子而言， 这一正调控是CAP 因子第二节 原核基因表达调控+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP CAP: （catabolite gene activator protein）分解代谢基因活化蛋白二 乳糖操纵子 诱导CRP cAMP receptor protein第二节 原核基因表达调控二 乳糖操纵子 诱导第二节 原核基因表达调控adenylate cyclaseG-思考一个CAP正性调节一个阻遏蛋白的负性调节两者一起如何调

11、节？第二节 原核基因表达调控协同调节 当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用； 如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。 二 乳糖操纵子 诱导第二节 原核基因表达调控mRNA低乳糖时高乳糖时 葡萄糖低 cAMP浓度高 葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOOII二 乳糖操纵子 诱导ImRNA-+-+-I+第二节 原核基因表达调控第二节 原核基因表达调控图图18-318-

12、3CAPCAP、阻遏蛋白、阻遏蛋白、cAMPcAMP和诱导剂对和诱导剂对laclac操纵子的调节操纵子的调节 第二节 原核基因表达调控CHECK YOUR UNDERSTANDING有一种突变株大肠杆菌在既含有葡萄糖也含有乳糖的培养基中生长时，乳糖操纵子呈现较高水平的表达。此突变株最有可能思考作为合成蛋白质的氨基酸之一，细菌平时把合成色氨酸的相关基因开还是关好呢？第二节 原核基因表达调控Trp OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子色氨酸过量时：三色氨酸操纵子 阻遏第二节 原核基因表达调控mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA

13、 RNA聚合酶聚合酶 三色氨酸操纵子 阻遏色氨酸操纵子色氨酸缺乏或不足时：第二节 原核基因表达调控第二节 原核基因表达调控转录终止阶段调节（一）不依赖Rho因子的转录终止（二）依赖Rho因子的转录终止常见于噬菌体中，结构特点不清楚。 两段富含GC的反向重复序列，中间间隔若干核苷酸； 下游含一系列T序列。 终止子结构特点：思考实验观察表明：当存在充足的色氨酸时，终止作用是有效的。但当色氨酸达到一定浓度，却还没有高到能够活化阻遏蛋白使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。这又是怎么回事呢？第二节 原核基因表达调控五、转录翻译偶联调节 衰减子衰

14、减是转录-翻译的偶联调控色氨酸操纵子（trp operon）除了产物阻遏负调控外，还有转录衰减（attenuation）调控方式。 第二节 原核基因表达调控转录-翻译的偶联调控第二节 原核基因表达调控色氨酸操纵子示意图广义衰减区第二节 原核基因表达调控色氨酸操纵子前导序列第二节 原核基因表达调控色氨酸操纵子前导序列第二节 原核基因表达调控色氨酸操纵子前导序列第二节 原核基因表达调控前导序列第二节 原核基因表达调控Trp 前导mRNA最稳定的二级结构。衰减作用依赖于12， 34的配对发夹结构。34配对是终止信号第二节 原核基因表达调控第二节 原核基因表达调控Trp大量时，核糖体移动顺利通过12，

15、34发夹形成。核糖体顺利通过1翻译完前导肽，在终止密码停顿。这样34发夹形成，转录终止，释放RNApol第二节 原核基因表达调控第二节 原核基因表达调控Trp少的时候，因为被tRNA携带的Trp减少，会导致核糖体在1处停留，其停留导致12发夹不能形成，23发夹结构（衰减结构）形成，而23的形成导致34不能形成，故RNA聚合酶可以一直转录下去ABCDE第二节 原核基因表达调控第二节 原核基因表达调控衰减子作用第二节 原核基因表达调控前导序列发挥了随色氨酸浓度升高而降低转录的作用，这段序列称衰减子色氨酸浓度决定了核糖体经过前导区继续转录的能力核糖体在 mRNA 上的位置决定前导序列中终止发夹结构的生成，从而决定 RNA 聚合酶通过衰减子的能力第二节 原核基因表达调控思考而当其他氨基酸短缺或所有的氨基酸都不足时，细菌是打开色氨酸操纵子呢还是关闭呢？第二节 原核基因表达调控核糖体翻译移动的速度更慢，甚至不能占据 1 区的序列，结果有利于 1 和 2 发夹结构的形成，于是 RNA聚合酶停止转录，等于告诉细菌：“整个氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能合成蛋白质，不如