分子生物学-7原核生物基因表达调控课件

原核生物

基因表达的调控原核生物

基因表达的调控1主要内容概述乳糖操纵子色氨酸操纵子原核生物基因表达的时序原核生物翻译水平上的调控主要内容概述2一、概述一、概述3（一）基因表达(geneexpression)的概念Definition:

基因转录及翻译的过程（一）基因表达(geneexpression)的概念Def4（二）基因的可调控性组成型基因(constitutivegenes)：调控型基因(regulatedgenes)：（二）基因的可调控性组成型基因调控型基因5Definition:

又称管家基因(housekeepinggenes)是维持细胞生存必需的一类基因，在各类细胞中都处于活性状态。组成型基因(constitutivegenes)Definition:组成型基因(constitutive6调控型基因(regulatedgenes)Definition:

又称奢侈基因(luxurygenes)在不同组织细胞中选择表达的基因。根据细胞生长、发育的需要或环境因素的改变，其活性受到调控。调控型基因(regulatedgenes)Definiti7持家基因奢侈基因持家基因奢侈基因8结构基因(structuralgenes):编码有功能产物（RNA或蛋白质）的基因。调控基因(regulatorygenes):编码那些控制其他基因表达的RNA或蛋白质的基因。（三）结构基因和调控基因结构基因(structuralgenes):编码有功能产物9分子生物学-7原核生物基因表达调控课件10调控蛋白激活蛋白（activatorprotein）阻遏蛋白（repressiveprotein）调控蛋白激活蛋白阻遏蛋白11正调控(positiveregulation):与缺乏调控因子比较，调控因子使靶基因的表达水平上升。负调控(negativeregulation):调控因子使靶基因的表达水平下降，甚至关闭。（四）正调控和负调控正调控(positiveregulation):与缺乏调控12诱导(induction):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，这种基因是可诱导的.阻遏(repression):如果基因对环境信号应答时被抑制，基因表达产物水平降低.（五）诱导和阻遏诱导(induction):在特定环境信号刺激下，相应的基因13（六）效应物诱导物(inducer)辅阻遏物(co-repressor)使阻遏蛋白失活或使激活蛋白激活，从而实现诱导。使阻遏蛋白激活或使激活蛋白失活，从而实现阻遏。（六）效应物诱导物辅阻遏物使阻遏蛋白失活或使激活蛋白激活，从14诱导物(inducer)阻遏蛋白阻遏作用诱导物去阻遏作用诱导物阻遏蛋白阻遏作用诱导物去阻遏作用15去阻遏作用阻遏蛋白辅阻遏物(co-repressor)阻遏作用辅阻遏物去阻遏作用阻遏蛋白辅阻遏物阻遏作用辅阻遏物16（七）原核生物基因表达的控制模式可诱导的负调控可阻遏的负调控可阻遏的正调控可诱导的正调控（七）原核生物基因表达的控制模式可诱导的负调控可阻遏的负调控17阻遏阻遏诱导诱导可诱导的系统可诱导的负调控可诱导的正调控阻遏阻遏诱导诱导可诱导的系统可诱导的负调控可诱导的正调控18阻遏诱导可阻遏的系统可阻遏的负调控可阻遏的正调控阻遏诱导阻遏诱导可阻遏的系统可阻遏的负调控可阻遏的正调控阻遏诱导191961年Monod和Jacob提出操纵子学说1965年诺贝尔生理学和医学奖（八）操纵子(operon)1961年（八）操纵子(operon)201940年，Monod发现：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗尽后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿，即产生“二次生长曲线”。1.操纵子学说1940年，Monod发现：E.coli在含葡萄糖和乳糖的21乳糖对－半乳糖苷酶的合成有诱导作用。葡萄糖对－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。乳糖对－半乳糖苷酶的合成有诱导作用。221961年，操纵子学说由Jacob和Monod提出1965年诺贝尔生理学和医学奖1961年，操纵子学说23原核生物基因表达、调控的基本形式；由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调控基因产物的控制。2.操纵子定义原核生物基因表达、调控的基本形式；2.操纵子定义24二、乳糖操纵子

(lacoperon)二、乳糖操纵子

(lacoperon)25ZYAOP结构基因LacIP调控基因β半乳糖苷酶β半乳糖苷透性酶β半乳糖苷乙酰转移酶阻遏蛋白催化β-半乳糖苷水解将β-半乳糖苷转入细胞将乙酰CoA的乙酰基转移到β-半乳糖苷上启动子(lacP)操纵基因（lacO）（一）乳糖操纵子的结构和功能ZYAOP结构基因LacIP调控基因β半乳糖苷酶β半乳糖苷26分子生物学-7原核生物基因表达调控课件27ZYAOP结构基因操纵基因（lacO）LacIP调控基因阻遏蛋白阻遏蛋白存在时，阻止Lac操纵子转录阻遏蛋白缺乏或无活性时，Lac操纵子的基因开启。RNApol（二）lac操纵子的负调控可诱导的负调控ZYAOP结构基因操纵基因LacIP调控基因阻遏阻遏蛋白存28ZYAOP结构基因操纵基因（lacO）LacIP调控基因阻遏蛋白诱导物诱导物-阻遏蛋白复合物诱导物(如乳糖、IPTG)存在时，与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋白的构象，使其不能与LacO结合，基因开始转录。mRNAZYAOP结构基因操纵基因LacIP调控基因阻遏诱导物诱导29分子生物学-7原核生物基因表达调控课件30安慰诱导物

gratuitousinducer：能高效诱导酶的合成但不被所诱导的酶分解的分子。如：IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）安慰诱导物gratuitousinducer：能高效诱311.操纵基因lacO的结构Definition:

操纵基因(operator,O)是原核生物操纵子中被调控蛋白识别并结合的DNA区域。1.操纵基因lacO的结构Definition:32

lacO是-5至+21的序列，与启动子右末端重叠lacO是-5至+21的序列，与启动子右末端重叠33lacO的序列，以+11为对称轴具有反向重复序列lacO的序列，以+11为对称轴具有反向重复序列34分子生物学-7原核生物基因表达调控课件352.阻遏蛋白（repressor）N端有结合DNA的能力两核心区之间有结合诱导物的位点C端有亚基聚合位点2.阻遏蛋白（repressor）N端有结合DNA的能力36阻遏蛋白是由相同亚基组成的同源四聚体(tetramer)阻遏蛋白是由相同亚基组成的同源四聚体(tetramer)37分子生物学-7原核生物基因表达调控课件38分子生物学-7原核生物基因表达调控课件39分子生物学-7原核生物基因表达调控课件40分子生物学-7原核生物基因表达调控课件413.阻遏蛋白与诱导物的作用3.阻遏蛋白与诱导物的作用42诱导物作用的两种模型平衡模型：阻遏蛋白与DNA结合和释放是一个快速动态平衡过程，诱导物与游离的阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白不能与DNA结合诱导物作用的两种模型平衡模型：阻遏蛋白与DN43解离模型：诱导物直接同结合在DNA上阻遏蛋白结合，使其构象改变，从操纵基因上解离。解离模型：诱导物直接同结合在DNA上阻遏蛋白44VirtuallyalltherepressorinthecellisboundtoDNAVirtuallyalltherepressorin45LacZ突变：β半乳糖苷酶基因的突变，因而不能分解利用乳糖lacY突变：β半乳糖透性酶基因的突变，不能从培养基中吸收乳糖4.结构基因和调控基因的突变分析结构基因的突变不可诱导型突变LacZ突变：β半乳糖苷酶基因的突变，因而不能分解利用乳糖46操纵基因lacO的突变lacO突变成为lacOc

阻遏蛋白不能与之结合，使阻遏蛋白不能阻止RNA聚合酶起始转录，操纵子不断地表达，是组成型表达操纵基因lacO的突变lacO突变成为lacOc47调控基因的突变lacI突变成为lacI-阻遏蛋白失活，不能与操纵基因结合，操纵子不断地表达，是组成型表达调控基因的突变lacI突变成为lacI-阻遏48lacI突变成为lacId它不仅本身不能和操纵基因结合，而且能参与形成四聚体，妨碍“好”亚基与操纵基因结合。dlacI

型突变位于阻遏蛋白亚基的DNA结合位点内lacI突变成为lacId它不仅本身不能和操纵基因结合，而且49使阻遏蛋白对诱导物不起反应。因为阻遏蛋白失去了结合诱导物的位点，或它不能将其作用传递给DNA结合位点。lacI突变成为lacIs使阻遏蛋白对诱导物不起反应。lacI突变成为lacIs50通过突变确认并绘制LacI基因内不同的功能区通过突变确认并绘制LacI基因内不同的功能区51分子生物学-7原核生物基因表达调控课件52（四）lac操纵子的正调控启动子ZYAlacOcAMP-CAP位点RNA聚合酶作用位点cAMP-CAP结合结合于启动子上游的激活区域，帮助RNA聚合酶形成开放型起始复合物，促进转录起始。分解代谢物激活蛋白(Cataboliteactivatorprotein，CAP)：转录的活化因子，直接作用于操纵子，激活基因转录。CAP需要cAMP存在时才有活性。（四）lac操纵子的正调控启动子ZYAlacOcAMP-C53ATPcAMP腺苷酸环化酶(ACase)CAP是二聚体，被单个cAMP激活ATP54分子生物学-7原核生物基因表达调控课件551.分解代谢阻遏作用ATPcAMP腺苷酸环化酶(ACase)葡萄糖分解代谢物

抑制作用活化CAPlac操纵子转录葡萄糖降低细胞内cAMP水平,使CAP失活，lac操纵子不能表达,不能利用乳糖.1.分解代谢阻遏作用ATP56ActiveCAPcAMPInactiveCAPActiveCAPcAMPInactiveCAP57分子生物学-7原核生物基因表达调控课件58分解代谢阻遏作用（cataboliterepression）：在细胞中，优先利用葡萄糖作碳源，而不使用其他糖类这种选择，是由葡萄糖的分解代谢物控制的。分解代谢阻遏作用（cataboliterepression59分子生物学-7原核生物基因表达调控课件60分子生物学-7原核生物基因表达调控课件612.CAP的作用位点乳糖操纵子控制区域对L1进行缺失突变分析，L1的右边区域突变表现出乳糖操纵子本底水平的转录，cAMP-CAP不能刺激转录。表明L1区域的缺失突变丧失了CAP结合位点，保留有启动子区域。2.CAP的作用位点乳糖操纵子控制区域对L1进行缺失突变分析62CAP蛋白是二聚体CAP结合的共有序列有2个保守的5碱基序列TGTGACAP蛋白是二聚体633.CAP的作用机制（1）cAMP-CAP通过与RNA聚合酶α亚基CTD相互作用，促进RNA聚合酶同启动子的结合。（2）cAMP-CAP结合DNA后，使其弯曲。使RNA聚合酶结合更紧密，也促进了cAMP-CAP同RNA聚合酶的结合，有利于形成开放型起始复合物，促进转录起始。3.CAP的作用机制（1）cAMP-CAP通过与RNA聚合酶64CAP-cAMP激活作用的模型CAP-cAMP激活作用的模型65促进RNA聚合酶对-35和-10序列的识别和结合，有利于形成开放型起始复合物CAP促进RNA聚合酶对-35和-10序列的识别和结合，有利于形成66分子生物学-7原核生物基因表达调控课件67CAP存在原因CAP存在原因685.lac操纵子正负调控的协调作用负调控：受乳糖和阻遏蛋白调节正调控：受cAMP和CAP调节两种调控机制根据存在的C源性质和水平协调的调节lac操纵子的表达。5.lac操纵子正负调控的协调作用负调控：受乳糖和阻遏蛋白调69无乳糖:阻遏蛋白结合于操纵基因，转录不能起始。有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。有葡萄糖:cAMP↓，CAP失活，不能激活基因转录，lac操纵子本底水平转录。有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。无葡萄糖:CAP活化，激活基因转录，lac操纵子高水平转录。无乳糖:阻遏蛋白结合于操纵基因，转录不能起始。有乳糖:阻遏蛋70三、色氨酸操纵子

(trpoperon)三、色氨酸操纵子

(trpoperon)71（一）trpoperon的结构trpDtrpCtrpBOPtrpEtrpA结构基因启动子操纵基因trpL:编码前导序列(leader)编码前导肽衰减子（一）trpoperon的结构trpDtrpCtrpBO72trpDtrpCtrpBOPtrpEtrpA分枝酸trptrpDtrpCtrpBOPtrpEtrpA分枝酸trp73（二）trpoperon的负调控trpR启动子trpDtrpCtrpBOPtrpEtrpA操纵基因脱辅基阻遏蛋白单体二聚体Trp是辅阻遏物

低浓度Trp或缺乏Trp时，脱辅基阻遏蛋白没有活性，不能与操纵基因结合，结构基因转录。mRNA可阻遏的负调控（二）trpoperon的负调控trpR启动子trpDt74trpR启动子trpDtrpCtrpBOPtrpEtrpA操纵基因二聚体高浓度Trp时，Trp与脱辅基阻遏蛋白结合，使其具有结合操纵基因的构象，阻遏结构基因转录。脱辅基阻遏蛋白单体trp阻遏蛋白二聚体阻遏基因转录trpR启动子trpDtrpCtrpBOPtrpEtrpA操75trpRtrpDtrpCtrpBOPtrpEtrpA脱辅基阻遏蛋白单体mRNAtrp分枝酸二聚体阻遏蛋白二聚体阻遏基因转录trpRtrpDtrpCtrpBOPtrpEtrpA脱辅基阻76（三）trpoperon的衰减作用trpDtrpCtrpBOPtrpEtrpAtrpL:编码前导序列(leader)前导序列：在trpmRNA5’端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。（三）trpoperon的衰减作用trpDtrpCtrp77Definition:

衰减子又称弱化子(attenuator)DNA中可导致转录过早终止的一段核苷酸序列Definition:78前导序列特点前导序列特点793区4区3区和4区富含GC,容易形成茎环二级结构,接着有8个连续的U,构成不依赖ρ因子的终止子,使mRNA合成提前终止.3区4区3区和4区富含GC,容易形成茎环二级结构,接着有8个80由1区和2区还可构成第二个发夹结构由1区和2区还可构成第二个发夹结构812区也可与3区互补,就会阻止3区和4区形成发夹结构,即不形成终止信号12342区也可与3区互补,就会阻止3区和4区形成发夹结构,即不形82衰减作用机制TrpleaderRNA:Trp密码子衰减作用机制TrpleaderRNA:Trp密码子83TranslationofTrpleaderRNA:衰减作用的信号：细胞内色氨酰-tRNA的多少Trp密码子TranslationofTrpleaderRNA:84

trp存在时，核糖体能合成前导肽，核糖体伸展到2区，阻碍1区和2区配对，结果3区同4区配对形成终止子结构，RNA合成终止.终止密码子trp密码子前导肽编码区trp存在时，核糖体能合成前导肽，核糖体伸展85

没有trp时，核糖体在1区的trp密码子停留较长时间，阻碍1区和2区配对，2区同3区配对，4区不能形成终止子,RNA继续合成.trp密码子没有trp时，核糖体在1区的trp密码子停留86Gly饥俄时，核糖体停在GGU上，1区和2区部分配对，3区和4区能形成终止子，trp操纵子不能表达；Thr饥俄时，核糖体停在AUC上，3区和4区仍能形成终止子，trp操纵子不能表达；Arg饥俄时，影响1区和2区配对，但不影响2区和3区形成茎环结构，结果不能形成终止信号，RNA聚合酶继续转录。其他aa饥饿对trp衰减子的作用Gly饥俄时，核糖体停在GGU上，1区和2区部分配对，3区和87四、原核生物

基因表达的时序四、原核生物

基因表达的时序88时序调控方式σ因子的更换合成新的RNA聚合酶合成新的调控因子,影响转录终止时序调控方式σ因子的更换89σ因子的更换大肠杆菌中的各种σ因子比较σ因子编码基因主要功能σ70rpoD参与大多数基因的调控σ54rpoN参与多数氮源利用基因的调控σ38rpoH分裂间期特异基因的表达调控σ32rpoS热休克基因的表达调控σ28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控σ24rpoE过度热休克基因的表达调控σ因子的更换大肠杆菌中的各种σ因子比较σ因子编码基因主要功能90分子生物学-7原核生物基因表达调控课件91温度较高,诱导产生各种热休克蛋白

由σ32参与构成的RNApol与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要.枯草芽孢杆菌的芽孢形成有序的σ因子的替换,RNApol识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达温度较高,诱导产生各种热休克蛋白92抗终止作用抗终止作用93λ噬菌体NcroPRPLtRltLl早早期晚早期早早期晚早期左向转录单位右向转录单位λ噬菌体N94NcroPRPLtRltRl早期转录:产生pN和Cro蛋白pNmRNApN蛋白cromRNACro蛋白Ncro95晚期转录:pN导致转录延伸到晚早期NcroPRPLtRltRlpN晚期转录:pN导致转录延伸到晚早期N96pN抗终止的机制RNA

pol5’boxBboxAnut位点NusGNusAS10NusBpN结合在转录产物的nut位点，并同结合于RNApol的Nus复合物相互作用，改变了RNApol的构象，减弱了RNApol的停顿，引起抗终止作用。pNpN抗终止的机制RNApol5’boxBboxAnut97四、原核生物基因

在翻译水平的调控四、原核生物基因

在翻译水平的调控98翻译的调控主要发生在起始阶段（一）翻译的自我调控蛋白质作为调控因子mRNA的二级结构起调控作用翻译的调控主要发生在起始阶段（一）翻译的自我调控蛋白质作为991.mRNA翻译受自我蛋白质产物的调控mRNA翻译产物作为一种阻遏蛋白发挥作用。通过阻遏蛋白与mRNA的特定区域结合，抑制核糖体对翻译起始区的识别。1.mRNA翻译受自我蛋白质产物的调控mR100RepressorTargetSiteofActionR17外壳蛋白R17复制酶核糖体结合位点的发夹结构T4RegA早期T4mRNA含AUG的序列T4DNApolT4DNApol含SD序列T4p32基因325’单链前导序列结合mRNA的自体蛋白可以阻遏翻译RepressorTargetSiteofActionR101核糖体蛋白质（r-proteins）的自我调控核糖体蛋白质（r-proteins）的自我调控102

存在游离rRNA时，r-蛋白与rRNA结合装配核糖体。没有游离的r-蛋白与mRNA结合，mRNA的翻译继续。rRNA控制r-蛋白水平

rRNA合成减慢或停止，游离r-蛋白富集，就能与mRNA结合，阻止继续翻译。存在游离rRNA时，r-蛋白与rRNA结合装配1032.mRNA的二级结构对翻译的控制

RNA噬菌体mRNA上有2个翻译起始位点。但只有一个可利用的起始位点，另一个被包在茎环结构中，因而核糖体不能识别它。当第一个顺反子被翻译时，RNA的构象发生改变，使其它起始位点也能被利用。2.mRNA的二级结构对翻译的控制RNA104（二）稀有密码子对翻译的影响dnaGrpoDrpsU核糖体小亚基S21引物酶RNA

polα亚基40000个/cell2800个/cell50个/cell（二）稀有密码子对翻译的影响dnaGrpoDrpsU核糖体引105Ile密码子使用频率比较蛋白质AUU/%AUC%AUA%结构蛋白37621α亚基26740DnaG蛋白363232翻译一旦开始，其速度就受对应于mRNA分子所利用的tRNA的供应情况而决定。细胞中对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用稀有密码子,翻译容易受阻，延长了核糖体在mRNA上的移动时间，降低翻译速度，影响合成总量。Ile密码子使用频率比较蛋白质AUU/%AUC%AUA%结构106（三）反义RNA对翻译的调控Definition:

反义RNA（AntisenseRNA)：指与靶RNA(或DNA)具有互补序列的调控RNA。（三）反义RNA对翻译的调控Definition:107转录产生反义RNA的基因称为反义基因通过互补RNA序列与特定靶mRNA结合而起负调控作用。反义RNA结合位点通常是mRNA的SD序列、起始密码子和N端的部分密码子把这类干扰mRNA作用的互补RNA称为micRNA

(mRNA-interferingcomplementaryRNA),即反义RNA.转录产生反义RNA的基因称为反义基因108反义RNA可与RNA结合，阻塞核糖体与之结合的位点，从而阻止蛋白质的合成反义RNA可与RNA结合，阻塞核糖体与之结109反义RNA也可与mRMA结合，形成双螺旋结构，成为内切酶的底物，使mRNA变得不稳定。反义RNA也可与mRMA结合，形成双螺旋结110反义RNA也可与转录物结合，形成类似于终止子的结构，使转录提前结束。反义RNA也可与转录物结合，形成类似于终止子111分子生物学-7原核生物基因表达调控课件112本章总结本章总结113概念（※）

：管家基因(housekeepinggenes)、操纵子(operon)、衰减子(attenuator)、反义RNA（AntisenseRNA)几组名词：管家基因与奢侈基因、结构基因与调控基因、正调控与负调控、诱导与阻遏、诱导物与辅阻遏物原核生物基因表达的控制模式乳糖操纵子（lacoperon)的调控机制和重要作用（※）

试说明色氨酸操纵子（Trpoperon)的调控机制和重要作用（※）

。原核生物基因表达的时序(3种方式)原核生物翻译水平上的调控（※）

概念（※）：管家基因(housekeepinggenes1141.mRNA(信使RN