Chapter6 原核转录调控

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（positiveregulator），使所控制的基因表达水平上升；阻遏蛋白，即负调节蛋白（negativeregulator），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RNaseIII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。1.3原核生物基因表达的特性诱导和阻遏表达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，这种基因称为可诱导基因(induciblegene)。

可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导（induction）。

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(repressiblegene)。可阻遏基因表达产物降低或表达关闭的过程称为阻遏（repression）。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(stringentcontrol)；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RNApol结合；也可能与转录起始位点附近的元件结合，阻止RNApol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CAP二、转录起始的调控2.1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）RNAPol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RNAPOL与启动子结合后发挥调节作用。(3)σ因子决定mRNA识别特异性

σ亚基（又称σ因子）识别特异启动序列；不同的σ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:ActivatorpromoterNtrCglnAMerRmerTSlide34Slide92.2Thelactose(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。

2.2.1乳糖操纵子的结构结构基因(Structuralgenes)：Z,Y,A控制元件(Controlelements):P序列、O序列

和CAP结合位点

调节基因(Regulatorgene)：I编码阻遏蛋白-5－+21I控制区信息区lacZ

编码β-galactosidase(半乳糖苷酶)，乳糖水解；lacY编码膜蛋白－lactosepermease(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。无乳糖时，乳糖操纵子处于阻遏状态操纵序列有乳糖时，乳糖操纵子即可被诱导问题1&2？别乳糖诱导剂并非乳糖，而是β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LacmRNA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β半乳糖苷酶催化乳糖形成的异构乳糖－别乳糖，那么β半乳糖苷酶从何而来？。2.2.3CAP的正（性）调节

有葡萄糖存在时，细菌优先选择葡萄糖供能；葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖。降解物阻遏（cataboliterepression）上述现象是葡萄糖降解物引起，称降解物阻遏。

分子机制

CAP的正（性）调节（catabolitegeneactivationprotein，或称CRP，cAMPreceptorprotein）葡萄糖存在时

[cAMP]降低，因而[cAMP∙CAP]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，cAMP∙CAP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RNAPol互作Slide34CAP有DNA结合域和激活结构域2.2.4CAP与Lac阻遏蛋白以相同的基序同DNA结合

Helix－turn－helix（螺旋－转角－螺旋）模体或基序(motif)是结构域的亚单位,通常由2～3二级结构单位组成,一般为α螺旋、β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。workingwithanarrayofpartners.2.2.5CAP的组合调控（CombinatorialControl）

2.3NtrC

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RNAPol；少数采取别构激活的机制。在这种情况下，RNAPol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。2.3.1NtrCNtrC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。2.3.2MerR控制merT基因。merT编码抗汞酶。汞存在时，MerR结合merT基因的启动子（-10—-35），激活merT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RNAPol与启动子结合。因为操纵序列与启动子部分重叠。如Lacrepressor。阻遏蛋白与启动子的旁侧序列结合，并与RNAPol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Galrepressor。锁住启动子，使之处于一个不利于转录起始的构象。2.4阿拉伯糖操纵子（arabinoseoperon）

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