第八章 原核生物的基因表达调控

第八章原核生物的基因表达调控Chapter8Regulationofgeneexpressioninprokaryote基因表达(geneexpression)：指基因转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。基因表达表现为严格的规律性：即时间、空间特异性。

时间、空间特异性由特异基因的启动子和(或)增强子与调节蛋白相互作用决定。基因表达按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性（temporalspecificity）。

多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性（stagespecificity）。时间特异性:在个体发育、生长的全过程，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，称之为基因表达的空间特异性（spatialspecificity）。基因表达的这种空间分布差异是由细胞在器官的分布决定的，因此又称细胞特异性（cellspecificity）或组织特异性(tissuespecificity)。空间特异性:

RiceGenomeExpressionProfiles水稻基因时空动态HumanGenomeExpression人基因组时空动态一、原核生物基因操纵子的概念操纵子（operon）：原核生物基因表达和调控的一个完整单元，包括调节基因、启动子、结构基因和操纵基因。原核生物基因表达在DNA、转录和翻译三个不同层次进行调控，但转录水平的调控是最主要的方式。操纵子是原核转录调控的主要形式。IPOZYA调节基因控制位点结构基因

结构基因、调控基因

结构基因：编码细胞结构和基本代谢活动所必要的RNA和蛋白质。调控基因：调节其它基因表达的基因。

顺式作用因子（cis-actingelements）:调节基因表达的DNA序列。

反式作用因子（trans-actingfactors）：调节基因表达的蛋白质因子。诱导、阻遏

开启基因的转录活性，这种作用及过程称为诱导（induction）

关闭基因的转录活性，这种作用及过程称为阻遏（repression）

诱导物、辅阻遏物（Corepressor）辅阻遏物：产生阻遏作用的小分子

正调控（positiveregulation）与缺乏调控因子时比较，若调控因子使靶基因的表达水平上升。调控因子称激活蛋白（activator）分为：可诱导的正调控系统调节因子在诱导物的作用下，能与启动子结合开启结构基因的转录可阻遏的正调控系统

调节因子可与启动子结合，促进结构基因的转录。但当其与辅阻遏物结合后，不能启动结构基因的转录负调控（negativeregulation）与缺乏调控因子时比较，若调控因子使基因的表达水平下降，甚至关闭。调控因子称阻遏蛋白（repressor）分为：可诱导的负调控系统阻遏蛋白与操纵基因结合，可阻止结构基因的转录，但有诱导物时，它与阻遏蛋白结合从而解除对结构基因转录的抑制可阻遏的负调控系统阻遏蛋白不影响结构基因的转录，但它与辅阻遏物结合后，抑制结构基因的转录二、乳糖操纵子（lactoseoperon，lac）1、DiscoveryofOperon

1940年，Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，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”。JacquesMonod

1951年，Monod与Jacob合作，发现两基因：Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关；I基因：决定细胞对诱导物的反应。1961年,F.Jacob&J.Monod提出乳糖操纵子学说

,此后不断完善。获1965年诺贝尔生理学和医学奖FrancisJacob

JacquesMonod

IPOZYA调控基因控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列cAMP-CAP结合位点操纵基因β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶2、lac的结构RNA聚合酶结合位点（－67~－59）（－7~＋28）（1）Lac阻遏物的作用---负调控3、lac的调控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因（1）Lac阻遏物的作用---负调控mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖异乳糖乳糖操纵子为一个可诱导的负控制系统突变分析结构基因：

lacZ－,lacY－IZYAOP不能分解乳糖的原因？ICmut.

(IC

O+P+)

constitutivemut.(组成型)ICgene产物repressor丧失与O位点结合的能力ISmut.(IS

O+P+)super-repressionmut.(超阻型)ISgene产物repessor不能与inducer结合调控基因I：OC失去与repressor特异结合的能力OCmut.(I+

OC

P+)constitutivemut.（组成型）操纵基因O：Ogene(operator)cis-actionfactorSymmetricalseq.

of

26bp&G/CasaxisMethylationenhancedbyrepressorProtectedbyrepressoragainstmethylation（2）CAP-cAMP复合物的作用---Lac的正调控同二聚体:

DNA结合区

cAMP(cyclicAMP)结合位点CAP(Cataboliteactivatorprotein)—分解代谢基因激活蛋白

葡萄糖cAMPLac操纵子被抑制++++

转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPmRNA无乳糖时有乳糖时无葡萄糖cAMP浓度高有葡萄糖cAMP浓度低RNA-polOOOOlac操纵子基因表达既需要乳糖又需缺乏葡萄糖Lac阻遏蛋白不封闭转录时,没有CAP存在,也无高效转录活性。Lac阻遏蛋白封闭转录时,CAP对该系统不发挥作用Lac阻遏蛋白不封闭转录,CAP+cAMP加强转录。协调调节负性调节与正性调节协调合作阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转录结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖1、阿拉伯糖操纵子（arabinoseoperon）具有正负调节功能的操纵子。是利用同一调控蛋白的不同结构形式，活化和抑制操纵基因的调控单位。结构基因：araB、araA和araD，形成一个基因簇（简写为araBAD），分别编码异构酶、激酶、表位酶（参与阿拉伯糖的降解）调节基因：araC基因，编码调控蛋白araC蛋白araBAD和araC的转录方向相反三、其它原核操纵子的调控araI

PibindingsitetranscriptionforaraBADO1,O2

PrbindingsiterepressionforPC&PBADCAPbindingsiteforCAP-cAMPAra操纵子的特点：有两个操纵基因araO1和araO2；araBAD和araC有各自的启动子，但转录方向相反；AraC有双功能：

纯C结合araO1,阻遏；C+AraCind,结合于araI，诱导，正调节；AraC有三个结合位点(O1,O2和araI)；Pc和O1重叠；araC表达受到AraC的自动调控2、色氨酸操纵子(tryptohaneoperon，trp)trp操纵子—属阻遏型操纵子，主要调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶的转录合成。色氨酸操纵子通常处于开放状态，其阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合，从而使基因转录关闭辅阻遏蛋白的负调控调控基因：trpR调控区：trpP,trpO,trpL结构基因：trpE,trpD,trpC,trpB,trpA（1）色氨酸操纵子的结构Thetrpoperonencodesfivestructuralgenesrequiredfortryptophanesynthesis.Itencodesasignaltranscription(7kb)downstreamofOtrp.Thesegenesareco-ordinatelyexpressedwhentryptophanisinshortsupplyinthecell.Trp有Trp无TrpmRNAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

（2）阻遏物对色氨酸操纵子的负调控色氨酸操纵子前导区（Leader）：结构基因起始密码子前有162bp的DNA序列。（3）色氨酸操纵子的衰减作用前导序列的特点：3‘端富含GC，易形成茎环结构，后面有连续8个U，形成不依赖ρ因子的终止信号；可形成1/2,3/4,或2/3的互补结构；含有两个连续的色氨酸密码子；前导肽（Leaderpeptide）：推测前导区mRNA可编码14个氨基酸组成的多肽，其中第10和第11位均为色氨酸前导肽14aaPOE4321LDNARNAATGTGA2trp1432◆衰减子（attenuator）：一段位于结构基因上游前导区具有终止子结构的短序列，通过前导序列转录产生的mRNA形成类似于终止子的二级结构，达到转录终止的目的。TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶?转录衰减色氨酸操纵子UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……