Chapter6 原核转录调控课件

1、第六章 原核生物基因表达的调控本章主要内容原核基因表达调控总论转录起始的调控转录后调控一、原核基因表达调控总论基因转录成RNA再翻译成蛋白质的过程，称基因表达（expression）。对rRNA、tRNA基因来说，其表达即基因的转录。基因表达调控受严格的调控。 怎样调控？调控的层次？1.1 基因的表达受调节蛋白控制外界信号是原核生物基因表达与否的重要因素。 营养状况（N、C）；环境因素（热击、重金属等）。调节蛋白是外界信号和表达的基因的媒介。调节蛋白分激活蛋白（activator）和阻遏蛋白（repressor） 激活蛋白，即正调节蛋白（positive regulator），使所控制的基因表

2、达水平上升；阻遏蛋白，即负调节蛋白（negative regulator），使所控制的基因表达下降或关闭。1.2 基因表达调控的层次Hot！起始延伸终止：抗终止原核mRNA合成后大多不需加工。但少数多顺反子mRNA需要核酸内切酶切成较小的单位，再进行翻译。如L10-L7/L12-b-b 组成的多顺反子mRNA，需要RNase III 将核糖体蛋白与RNA聚合酶亚基的mRNA切开，各自翻译，有利于调节。1.4 严谨控制细菌的应急反应能源的全面馈乏，如氨基酸饥饿，引发严谨控制；当处于氨基酸饥饿，无法满足蛋白质的正常合成，细菌关闭大部分的代谢过程，借以渡过难关。这种现象称为严谨控制(stringen

3、t control)；ppGpp(魔斑I)和pppGpp (魔斑II)是信号；空载的tRNA是诱导物；机制不详。 ppGpp可能与RNA pol结合；也可能与转录起始位点附近的元件结合，阻止RNA pol结合。属于转录水平的调控。1.5 降解物对基因活性的调节降解物阻遏cAMP与CAP2.1 转录的起始是最有效的调节环节 转录水平的调控是最主要的调控，其中转录起始的调控最重要、最有效；WHY？转录起始： （1）RNA Pol与启动子结合：activator帮助结合；repressor阻碍结合。如乳糖操纵子。 （2）封闭的起始复合物到开放起始复合物的转变 一些激活蛋白或阻遏蛋白在RNA POL与

4、启动子结合后发挥调节作用。 (3) 因子决定mRNA识别特异性 亚基（又称因子）识别特异启动序列；不同的因子决定不同 基因的转录激活，决定tRNA、mRNA和rRNA基因的转录。 Examples:Activator promoterNtrC glnAMerR merTSlide 34Slide 92.2 The lactose (Lac) Operon(乳糖操纵子)操纵子（Operon）:在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织形式称为操纵子。 典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。 信息区由数个结构基因串联在一起组成； 控制区通常由调节基因、启

5、动子序列promoter,RNA聚 合酶结合区）、操纵序列（operator,调节蛋白结合位 点）和CAP结合位点构成。 lacZ 编码 -galactosidase (半乳糖苷酶) ， 乳糖水解；lacY编码膜蛋白 lactose permease (半乳糖苷渗透酶)，转运乳糖通过细胞膜；lacA编码 thiogalactoside transacetylase (硫代半乳糖苷转乙酰酶)，此酶虽不在乳糖利用中发挥作用，但消除毒性的硫代半乳糖苷。operator2.2.2 阻遏蛋白的负（性）调节 在没有乳糖存在时，乳糖操纵子处于阻遏状态；当有乳糖存在时，乳糖操纵子即可被诱导。有乳糖时，乳糖操纵

6、子即可被诱导问题1&2？别乳糖诱导剂并非乳糖，而是半乳糖苷酶催化乳糖形成的异构乳糖别乳糖。?阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对；细胞中有本底水平的Lac mRNA合成。Q1: 乳糖需要透过性酶转运，那么第一个乳糖分子如何到达细胞？Q2: 诱导剂并非乳糖，而是半乳糖苷酶催化乳糖形成的异构乳糖别乳糖，那么半乳糖苷酶从何而来？。分子机制 CAP的正（性）调节（catabolite gene activation protein，或称CRP，cAMP receptor protein） 葡萄糖存在时 cAMP降低，因而cAMPCAP降低, 抑制操纵子 转录，只能利用葡萄糖； 无葡萄糖而只有乳糖时 cAMP高，

7、cAMPCAP与操纵子的CAP位点， 激活转录，细菌利用乳糖。 结合位点在-60CAP与RNA Pol互作Slide 34CAP有DNA结合域和激活结构域2.2.4 CAP与Lac 阻遏蛋白以相同的基序同DNA结合 Helixturnhelix（螺旋转角螺旋）模体或基序(motif)是结构域的亚单位,通常由23二级结构单位组成,一般为螺旋、折叠和环(loop)的组合。 总 结CAP 也控制其他基因的表达； CAP与不同的阻遏蛋白组合，控制不同的操纵子。CAP在E. coli 作用于 100 多个基因。working with an array of partners.2.2.5 CAP的组合调

8、控（ Combinatorial Control ）2.3 NtrC和MerR 以及别构激活大多数激活蛋白（activator）采取招募（recruit）的机制。如CAP招募RNA Pol；少数采取别构激活的机制。在这种情况下，RNA Pol与启动子结合所形成的复合物是没有活性的（inactive），激活蛋白与之结合后转变成有活性的复合物。2.3.1 NtrCNtrC具有ATPase活性，在基因上游较远的地方发挥作用；控制N代谢相关基因的表达，如glnA（谷氨酰胺合成酶）；NtrC有分开的DNA结合域和转录激活域，只有在N素水平低的情况下发挥作用。低N时，NtrC磷酸化且构象变化，其DNA结合

9、域与-150处的序列结合， NtrC与s54(识别谷氨酰胺合成酶启动子)，ATP水解，RNA聚合酶构象变化，转录启动。2.3.2 MerR控制mer T基因。 mer T编码抗汞酶。汞存在时，MerR结合mer T基因的启动子（-10-35），激活mer T的表达。阻遏蛋白工作的方式阻遏蛋白与操纵序列结合，阻断RNA Pol与启动子结合。因为操纵序列与启动子部分重叠。如Lac repressor。阻遏蛋白与启动子的旁侧序列结合，并与RNA Pol相互作用，阻断封闭的起始复合物向开放的起始复合物的转变。如Gal repressor。锁住启动子，使之处于一个不利于转录起始的构象。2.4 阿拉伯糖操

10、纵子（arabinose operon）结构基因B、A、D调节基因AraC，其转录的方向与BAD的方向相反。控制元件araO2、araO1、araI有阿拉伯糖时无阿拉伯糖时所以AraC既可作为正调控因子，也可作为负调控因子阿拉伯糖诱导araBAD 启动子的效率很高，所以araBAD启动子常作为基因工程表达载体的启动子。 如果一个基因融合到该启动子的下游，那么基因的表达很容易受控于外加的阿拉伯糖。2.5 倒位蛋白（inversion protein）沙门氏菌鞭毛蛋白的相变鞭毛蛋白是H2鞭毛蛋白是H1三、转录起始后的调控5个合成Trp的结构基因；Trp有限时，这些基因有效地表达；2个水平调节：Tr

11、p repressor（转录起始）；弱化子（转录起始后）3.1 色氨酸(Trp)操纵子3.1.1 Trp阻遏蛋白由TrpR编码；TrpR属于另一独立的操纵子；阻遏蛋白单独无活性，当结合上Trp时，才有活性。Trp是辅阻遏物 (co-repressor)。反馈调节。活性的阻遏蛋白与操纵部位结合，使转录起始的效率降低约70倍效率，比Lac repressor的效率低很多。?Trp阻遏蛋白参与的调节属于转录起始的调节吗？3.1.2 弱化子（attenuator）弱化子（attenuator）：位于结构基因上游前导区的终止子。弱化作用于转录终止步骤；Repressor是基因表达的一级开关（primar

12、y switch），作用于转录起始，粗调；而弱化子是精调，决定转录起始后是否进行下去；阻遏的信号是Trp，而弱化的信号是负载Trp的tRNA，即Trp-tRNATrp。？弱化的信号是什么？如果细胞中色氨酸浓度高，色氨酸操纵子的转录会提前终止，产生140 nt的前导mRNA。？140 nt前导mRNA和前导肽(leading peptide)前导肽：14肽4个配对区：1-4trpE的起始密码子140162转录go on转录stop原核生物中，转录和翻译偶连。前导肽的翻译紧接着转录；前导肽mRNA含2个连续的Trp密码子。如果细胞中Trp浓度很低，核糖体就会在此暂停；核糖体的暂停改变前导mRNA的

13、二级结构，2&3配对，不形成内在性终止子结构，转录继续。如果细胞中Trp浓度高，核糖体很快通过2个连续的Trp密码子，3&4配对,形成内在性终止子结构，转录终止。3.1.3 弱化作用的意义氨基酸合成中的反馈抑制。经济的原则。细菌利用阻遏和弱化双重机制感受细胞内外Trp的变化，精确调控Trp的合成。反应灵敏。单独的弱化作用的效率很高，其他氨基酸操纵子如His、Leu，没有阻遏蛋白，全靠弱化作用调节。效率高。提供了一条不依靠调节蛋白，只依赖RNA结构的基因表达调控途径。3.2 翻译水平的调控3.2.1核糖体蛋白合成的反馈抑制核糖体蛋白合成存在反馈抑制；每一核糖体包含50种以上的核糖体蛋白，其合成的

14、速率要保持一致；核糖体蛋白的合成与生长速率紧密相关；核糖体蛋白与那些与生长速率紧密相关的其他蛋白组成几个操纵子，如RNA Pol a，b，b。属翻译水平的调控；控制生长速率。控制生长速率的另一调控手段是严谨控制，但属于转录水平的调控。核糖体蛋白操纵子调控的机理：核糖体蛋白与本身操纵子的mRNA翻译起始序列结合，阻遏核糖体结合和翻译的起始；翻译阻遏。阻遏了第一个基因表达，就阻遏了其它的基因表达。3.2.2 mRNA翻译能力的差异 SD序列（Shine-Dalgarno sequence） 原核mRNA与核糖体16s rRNA结合的序列，由J. Shine 和 L. Dalgarno发现(1974年), 故命。它是mRNA起始密码子前的一段富含嘌呤核苷酸的序列(9-12bp)。 其顺序和位置对翻译有影响。SD与AUG一般410 个nt，9个最佳。 5 -AGGAPuPuUUUPuPuAUG- 3稀有密码子 稀有密码子比例高的mRNA，翻译的速度慢；多顺反子的每一个顺反子翻译的频率和速度不一。重叠基因(overlapping gene) 重叠基因可能是保证基因产物等量的机制之一。3.2.3 反义RNA的调控作用micRNA