5.1微生物代谢调控原核

1、5.1原核微生物表达调控5.1.1概述一、表达 ( gene expres)Translation二、表达的时间性和空间性1.时间特异性按功能需要某一特定表达严格按特定的时间顺序发生，如。2. 空间特异性指在生长全过程，某种产物在不同组织表达存在差异。又称细胞或组织特异性。三、表达的方式1.基本表达（组成型表达）较少受环境影响，而是在各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小，如管家。即表达不受时期、部位、环境的影响。常见的管家中文名称Beta肌动蛋白甘油醛3-磷酸脱氢酶A Box结合蛋白18s 核糖体核糖核酸微管蛋白英文缩写-actin GAPDHTBP18s rRNA-Tub

2、ulin三、表达的方式2. 诱导和阻遏型表达或称调节型蛋白/适应型蛋白：表达受时期、部位、非组成型表达。（1）诱导表达(induction expres)（2）阻遏表达(represexpres)四、表达调控机体各种细胞中含有的相同遗传信息(相同的结构)，根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定的过程。对表达这个过程的调节即为表达调控，包括转录水平和翻译水平两个方面。五、表达调控水平RNADNARNA蛋白质逆转录水平转录水平翻译水平5.1.2 原核生物一、原核微生物的转录和翻译表达的特点1.原核生物的组和结构都比真核简单，原核生物的“细胞核”实

3、质上是呈闭合环状的DNA（单个露的DNA，不编码占5%），因此调控相对简单。转录和翻译偶联进行：原核生物2.露的环形DNA，在拟核内转录成 mRNA 后，直接在胞浆中与核糖体结合翻译为蛋白质。3. 只有一种RNA聚合酶。RNA聚合酶用来识别原核细胞的启动子，催化所有RNA的。mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列SD序列（5-AGGAGG-3）。4. 原核生物RNA表达的调控主要在转录水平，即对的调控。通常有两种方式：起始调控，即启动子调控；终止调控，即衰减子调控。5.表达以含子，反子。子为基本是连续的。原核。原核转录一般不含内多为多顺6. 原核细胞常与质粒共存，并同步各自；也可重排。入序列和转

4、座子，引起遗传突变和反子 (monocistron) ：编码一个多肽链的DNA的序列区域，相当于真核细胞的一个多顺反子 (polycistron)：原核。中多个功能相关的。通常依赖同一结构串联在一起一个转录调控序列对其转录进行调节，使这些相关表达。子（operon）：一个多顺反子转录实现协同与其调控序列即子。启动子 promoter终止子 terminator元件 operatorpromoterterminatorpozyatStructural geneoperator子结构示意图启动子就是连接在3端上游的DNA序列，其长度从100 bp到200 bp不等，是转录起始时RNA聚合酶识别、结

5、合的特定部位，但其本身并不被转录。在启动子与终止子之间是一个转录，通常将mRNA开始的一个核苷酸定为0点(即+1)由此向右常称为下游(downstream)，其核苷酸依次编为正序号；起始点左例称为上游(upstream)，其核苷酸则依次以负号表示；紧接起始点左侧的核苷酸为-1。CAP-c结合位点RNA聚合酶的进入位点二、原核微生物表达的调控机制1.2.3.4.转录起始调控转录终止调控转录衰减调控翻译水平调控二、原核微生物1. 转录起始调控表达的调控机制离体实验表明：全酶所转录的RNA和细胞内所转录出的RNA，其起始点相同，序列相同，若仅用酶进行转录，则模板链和起始点的选择都有很大的随意性，而且

6、往往同一段DNA的两条链都被转录。由此可见：亚基对识别DNA链上的转录信号是不可缺少的，它是酶和启动子之间的桥梁。 因子的取代在细胞发育和对环境应答的反应中起主导作用，如在枯草杆菌中就有不同相对分子质量的因子。因子作用机理：a.因子独立存在时，N端部分抑制了C端的DNA结合活性，与DNA不能结合。b.当因子与酶组成全酶时，空间构象改变，N端，可与DNA发生特异结合。对C端抑制作用c.转录起始完成后因子脱落，酶不再停留在启动区部位，向下游滑动完成转录。亚基作用：对RNA聚合酶的功能，参与RNA、终止信号的识别。由于亚基与RNA的前体核苷三磷酸具有很高亲和力，推测它可能参与底物的结合，以及催化磷酸

7、二酯键的形成。亚基作用：可使聚合酶结合到模板DNA上。亚基作用：游离状态，常以二聚体的形式存在，参与全酶同启动子的牢固结合。2） RNA 聚合酶与启动区序列的相互作用启动序列：RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。-35区-10区RNA转录起始trptRNATylacrecAAra BA共有序列AATTTGACADCTGACGN16TACTGTN6AN7ATTGAATAATTTTACAN17GTTN6ArTTTACAN16GATN7ATTGACAN17TTAACTN7A-35区-10区6细菌启动区特异序列有4个保守特征:起始点：+190% 以上为嘌呤核苷酸。“10”序列：-10区 一致序

8、列为AAT。“35”序列：-35区 一致序列为TTGACA。“35”和“10”序列的间距：对RNA聚合酶结合具有重要影响。AATTTGACATTGACAN1AATN6A二、原核微生物3）正调控和负调控表达的调控机制调节RNA调节蛋白正调节蛋白+子结构转录、表达失活，结构不表达（正控制/正调节 ）负调节蛋白+操作子结构转录、表达失活，结构组成型表达 （负控制/负调节 ）根据调节蛋白突变失活所产生的，可分：隐性的组成型表达负控制系统结构处于不可诱导状态正控制系统根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分：开启调控系统中结构的转录活性诱导关闭调控系统中结构的转录活性阻遏操纵子调控系统的基本类型正调控与

9、负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的。子（lactose operon, lac）是原核生物乳糖转录负调控的最典型模式。结构调控区DNAZ： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基转移酶阻遏ICAP结合位点启动子元件POZYA仅有葡萄糖葡萄糖耗完，有乳糖存在二、原核微生物表达的调控机制1.2.3.4.转录起始调控转录终止调控转录衰减调控翻译水平调控二、原核微生物2. 转录终止调控表达的调控机制原核生物的转录终止调控方式分两大类：（1）

10、依赖因子的终止调控；（2）不依赖因子的终止调控。此外，核糖体也参与转录终止。终止子：DNA上提供转录停止信号的一段序列称为终止子(terminator)，是一个的末端的一段特定序列。的末端或是一个子强终止子：不依赖于Rho蛋白质辅助因子而能实现终止作用；弱终止子：依赖于Rho蛋白辅助因子才能实现终止作用。所有原核生物的终止子共同的序列特征：即在转录终止点之前有一段回文结构，因而所产生的 mRNA可形成茎环状的发夹结构，它可使RNA聚合酶的移动停止或减缓。回文结构中富含GC对，在回文序列的下游常有6-8个AU对，因此这段终止子转录后形成的RNA具有与A相对应的寡聚U，是使RNA聚合酶脱离模板的信

11、号。依赖因子的弱终止子：其回文序列中GC对含量较少，回文序列下方没有固定结构，其AU对含量也较低，因而是弱终止子，必需有因子存在时才发生终止作用。这也就是说依赖于因子的终止子由于其茎环结构常较短，在没有因子时这种茎环结构不稳定。即如果没有因子存在RNA聚合酶会继续转录下去，这就称为通读(read through)，当因子存在时，转录才能终止。不依赖因子的强终止子：其DNA模板上富含GC而使转录出的RNA上富含 C和G，于是RNA与模板之间可以形成较强的氢键，成为DNARNA杂合分子，从而阻碍DNA聚合酶的前进而有利于终止。二、原核微生物表达的调控机制1.2.3.4.转录起始调控转录终止调控转录

12、衰减调控翻译水平调控二、原核微生物3. 转录衰减调控表达的调控机制一些调控系统不一调节蛋白与DNA结合的方式来减作用并物的子。进用不数调节区结构RNA聚合酶Trp 低时mRNA6700个核苷酸Trp 高时 色氨酸子 Trp140个核苷酸NA聚合trpRR结构调节区前导序列衰减子区域前导mRNA1234UUUUtrp终止子子衰减子结构UUUU14aa前导肽编码区 包含序列:1形成发夹结构能力: 序列1/2序列2/3序列3/4POtrpR转录衰减机制RNA聚合酶UUUU 34核糖体33412UUUU U3UUU5trp子 1.当色氨酸浓度高时 前导DNA前导肽衰减子结构就是终止子可使转录 终止前导

13、mRNATrp结构酶系相关被转录 前导DNA 结构RNA聚合酶23核1糖体3 UUU4U24UUUU5序列3、4不能形成衰减子结构trp子 前导肽 2.当色氨酸浓度低时前导mRNA衰减调控的生物学意义：就像在色氨酸子中，阻遏作用与衰减机制一起协同控制其为有效。表达，显然比单一的阻遏负调控系统更一方面，当有活性的阻遏物向无活性阻遏物的转变速度极低时衰减系统能更迅速地作出反应，使色氨酸从较高浓度快速下降到中等浓度。另一方面，若外源色氨酸浓度实在太低，细菌本身又没有其他的内源性色氨酸体系，以致细菌难以支持自身的生长时，就需要有衰减体系加以调节通过不终止mRNA的色氨酸的浓度。来增加Trp酶的从而提高

14、内源二、原核微生物表达的调控机制1.2.3.4.转录起始调控转录终止调控转录衰减调控翻译水平调控二、原核微生物4. 翻译水平调控表达的调控机制翻译一般在起始和终止阶段受到调节。调节分子:RNA、蛋白质调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为白体所利用。1）RNA 干扰 (RNAerference, RNAi)将与mRNA编码区某段序列相对应的正义RNA 和反义RNA 组成的双链RNA (double-stranded RNA,dsRNA)导入细胞，使mRNA发生特异性的降解，导致其相应的沉默(表达受抑制)。这种转录后沉默（t-transcriptional gene silencing, PTGS) 被称为RNAi。2）反义RNA的调控作用反义RNA （anti-sense RNA)：能与特定mRNA互补结合的RN段，由反义转录而来。天然的具有功能的反义RNA分子一般在200个碱基以下。反义RNA