微生物第八章-2

第二节原核基因的表达调控机制8.2.1转录起始调控8.2.2转录后调控8.2.3

E.coli乳糖操纵子的表达调控机制8.2.1基因表达的转录起始调控需要始终维持一定水平的持家蛋白编码基因，表达不受调控，称为组成型表达（constitutiveexpression）；大多数原核基因的表达都受到严格调控，以适应胞内外环境条件的变化，保证生命活动的有序进行；转录起始调控：是最常见的基因表达调控方式，通过调节蛋白与调控元件结合，提高转录起始复合物的形成效率（激活、正控），或者降低转录起始复合物的形成效率（阻遏、负控），而实现调控；转录起始水平的正控激活调节模式激活：当激活物存在时，与调节蛋白形成复合物，然后与调控元件结合，促进转录起始复合物的形成；环境信号感受蛋白（受体蛋白）响应蛋白激活物调控元件调节蛋白激活物调控蛋白激活物调节蛋白调控元件激活基因表达胞外胞内转录起始水平的负控诱导调控模式诱导：当有诱导物存在时，诱导调节蛋白与调控元件解离，而解除对转录起始复合物的形成阻遏；环境信号感受蛋白（受体蛋白）响应蛋白诱导物调控元件基因表达的阻遏解除调节蛋白诱导物胞内胞外调节蛋白调控元件基因表达的负控诱导调控模式当无诱导物存在时，阻遏蛋白与调控元件（操纵区）结合，阻遏RNA聚合酶的转录；当有诱导物存在时，阻遏蛋白优先与诱导物结合，而从操纵区上解离下来，基因得以表达；转录起始水平调控的负控阻遏模式阻遏：当有辅阻遏物存在时，与阻遏蛋白形成复合物后，再与调节元件结合，阻遏基因的表达；环境信号感受蛋白（受体蛋白）响应蛋白辅阻遏物调控元件阻遏基因表达调节蛋白辅阻遏物胞内胞外调节蛋白辅阻遏物调节蛋白调控元件调节蛋白的结构特点调节蛋白一般都有两个功能区：DNA结合域（DBD）和效应物结合域，分别位于蛋白的C端和N端；根据调节蛋白结构特点和氨基酸序列的保守性而划分为不同的调节蛋白家族；常见的调节蛋白结构类型螺旋-转角-螺旋结构（HTH）调节蛋白的效应物效应物（effector）：能够与调节蛋白结合，而影响其与调控元件结合的小分子有机物或小分子蛋白；效应物的类型：诱导物：与阻遏蛋白结合后，降低阻遏蛋白与调控元件的亲和力，促进基因表达；辅阻遏物：与阻遏蛋白结合后，提高阻遏蛋白与调控元件的亲和力，阻遏基因表达；激活物：与激活蛋白结合后，提高激活蛋白与调控元件的亲和力，促进基因表达；7.4.2基因表达的转录终止调控转录起始后，首先合成的mRNA5’端非编码区形成的二级结构（终止结构、抗终止结构），可以决定转录的暂停、终止和继续延伸；转录终止调控（transcriptiontermination）：通过调节蛋白、或小RNA、或代谢中间物与mRNA5’端非编码区的RNA元件结合，调控其二级结构的形态，而实现对转录效率的控制，影响基因表达的效率，也称转录弱化（transcriptionattenuation）；终止结构与抗终止结构新合成的mRNA5’端非编码区，可以在紧随RNA聚合酶的后面形成类似终止子的二级结构（茎环结构），使RNA聚合酶-DNA复合物解离，转录终止；反之，则为抗终止结构，转录可以继续延伸；B.subtilis色氨酸操纵子表达的转录终止调控调节蛋白为：trpRNA-bindingattenuationprotein（TRAP）抗终止结构终止结构核糖开关调控核糖开关调控（Riboswitchgeneregulation）：小分子代谢物直接作用于mRNA5’端非编码区内的受体（RNA元件），通过改变其二级结构，而决定转录的终止或延伸；8.2.3E.coli乳糖操纵子的表达调控机制大肠杆菌乳糖代谢的调控现象：环境中不存在乳糖时，细胞不表达与乳糖代谢相关的酶；当环境中只有乳糖这一种碳源时，细胞表达相关的酶，能够吸收和利用乳糖；当环境中葡萄糖和乳糖共同存在时，细胞也不吸收、利用乳糖，而是优先吸收、利用葡萄糖；当葡萄糖耗尽时，才开始吸收、利用乳糖；E.coli乳糖操纵子的结构乳糖操纵子（lacoperon）：大肠杆菌与乳糖代谢相关的三个酶的编码基因构成的一个操纵子；lacZgene：编码b-半乳糖苷酶（LacZ）；lacYgene：编码乳糖专一性运输蛋白（LacY）；lacAgene：编码半乳糖苷转乙酰基酶（LacA）紧邻lac操纵子上游的是阻遏蛋白编码基因（lacI）乳糖操纵子的启动子和调控元件乳糖操纵子阻遏蛋白的调控元件（lacO）位于+1~+21，是一段反相互补对称序列；乳糖操纵子表达的负控机制当缺乏乳糖时，LacI与lacO结合，使RNA聚合酶-启动子开放转录起始复合物不能有效形成；被阻遏蛋白负控的乳糖操纵子表达效率极低，胞内的β-半乳糖苷酶少于3个分子；乳糖操纵子表达的诱导机制当环境中有乳糖存在时，乳糖被异构为异乳糖；异乳糖作为诱导物与LacI亲和力高，诱导LacI从lacO上释放下来而与诱导物结合；这时，lac操纵子的阻遏被解除，转录可以起始；乳糖操纵子表达的激活机制lac操纵子的表达同时还受正控调节，调节蛋白为分解代谢物激活蛋白（CAP），其效应物是环腺苷酸（cAMP），所以，CAP也称为cAMP受体蛋白（CRP）；当胞内cAMP水平升高时，形成cAMP-CAP复合物，然后结合到lac操纵子启动子上游-61bp附近的调节元件上，提高RNA聚合酶对启动子的识别效率，促进lac操纵子的表达；胞内cAMP水平响应环境葡萄糖浓度的变化有葡萄糖存在时，葡萄糖分解代谢物水平升高，抑制AMP环化酶活性、激活cAMP水解酶活性、同时促进cAMP排出细胞外，则胞内cAMP浓度降低；当葡萄糖缺乏时，情况相反，胞内cAMP浓度升高；乳糖操纵子表达调控的生理效应没有乳糖时，lac操纵子受LacI的负控，仅维持基础水平的表达，使细胞不浪费代谢资源；只有乳糖时，lac操纵子被诱导