原核生物基因表达调控

1、基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）原核基因表达调控原核基因表达调控 主要内容主要内容1. 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2. 乳糖操纵子乳糖操纵子3. 色氨酸操纵子色氨酸操纵子概概 念念n如果将从如果将从DNA到蛋白质的过程称为基因表达，那对这个到蛋白质的过程称为基因表达，那对这个过程的调节就称为过程的调节就称为基因表达调控（基因表达调控（gene regulation或或gene control）。）。n基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。基因的全能性及基因表达的空间性和时间性基因的全能性及基因表达的空间性和时间性n

2、基因组基因组(genome) 是指含有一个生物体生存、发育、活动是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。n但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的，但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的，大肠杆菌基因组含有约大肠杆菌基因组含有约4000个基因，一般情况下只有个基因，一般情况下只有510%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达。达，有的就暂时不表达。基因的全能性及基因表达的空间性和时间性基因的全能性及基因表达的空间性和时间性n不同组织细

3、胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的组织特异达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的组织特异性性(tissue specificity) 。n例如肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其它组织例如肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其它组织细胞，合成的某些酶细胞，合成的某些酶(如精氨酸酶如精氨酸酶)为肝脏所特有；胰岛为肝脏所特有；胰岛细胞合成胰细胞合成胰岛素；甲状腺滤泡旁细胞岛素；甲状腺滤泡旁细胞(C细胞细胞)专一分泌降血钙素等。专一分泌降血钙素等。 基因的全能性及基因表达的

4、空间性和时间性基因的全能性及基因表达的空间性和时间性n细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的，细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的，这就是基因表达的阶段特异性这就是基因表达的阶段特异性(stagespecificity) 。n一般在胚胎时期基因开放的数量最多，随着分化发展，细胞中某些基一般在胚胎时期基因开放的数量最多，随着分化发展，细胞中某些基因关闭因关闭(turn off)、某些基因转向开放、某些基因转向开放(turn on)，显示出基因表达调，显示出基因表达调控在空间和时间上极高的有序性。控在空间和时间上极高的有序性。基因表达的方式基因表达的方式n根据基因表达的变化情

5、况，可以大致把基因表达分成根据基因表达的变化情况，可以大致把基因表达分成两类：两类：组成性表达组成性表达(constitutive expression)指不大受环境变指不大受环境变动而变化的一类基因表达。动而变化的一类基因表达。 其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，是细胞基本的基因表达，这类基因可称为必不可少的，是细胞基本的基因表达，这类基因可称为看家基因看家基因(housekeeping gene)。如编码组蛋白基因、编码核糖体蛋白基因、线粒。如编码组蛋白基因、编码核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因

6、、糖酵解酶的基因等。体蛋白基因、糖酵解酶的基因等。 基因表达的方式基因表达的方式适应性表达适应性表达(adaptive expression)指环境的变化容易使其指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。表达水平变动的一类基因表达。n应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类，这类基因被称为基因被称为可诱导的基因可诱导的基因(inducible gene)；n相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为，相应的基因

7、被称为可阻遏的基因可阻遏的基因(repressible gene)。 基因表达的方式基因表达的方式n改变基因表达的情况以适应环境，在改变基因表达的情况以适应环境，在原核生物、单细胞生物原核生物、单细胞生物中尤其显得突出和重要。中尤其显得突出和重要。n例如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不例如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，当外界没有葡萄糖时，细菌就要适必更多去合成利用其它糖类的酶类，当外界没有葡萄糖时，细菌就要适应环境中存在的其它糖类应环境中存在的其它糖类(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)，

8、如大肠杆菌细，如大肠杆菌细胞中一般只有胞中一般只有15个个-半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每细胞中这个酶的量可高达几万个分子。中，每细胞中这个酶的量可高达几万个分子。基因表达调控的意义基因表达调控的意义n综上所述：生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着综上所述：生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严严密、精确调控密、精确调控的，的，不仅生命的遗传信息是生物生存所必需不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。n原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着

9、举足轻重的影响。原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着举足轻重的影响。n真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和发育阶段是基因表达调真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和发育阶段是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。一、原核基因表达调控总论一、原核基因表达调控总论本底水平表达本底水平表达Basal level组成型表达组成型表达Constitutive expressionIn the absence of regulatory proteins, RNA is often expressed at a low ,

10、basal level.基因表达由调控蛋白控制基因表达由调控蛋白控制1.调控蛋白通过结合在启动子上进行转录调控调控蛋白通过结合在启动子上进行转录调控Activation by recruitment of RNA polymerase. (a) In the absence of both activator and repressor, RNA polymerase occasionally binds the promoter spontaneously and initiates a low level (basal level) of transcription, (b) Bindin

11、g of the repressor to the operator sequence blocks binding of RNA polymerase and so inhibits transcription, (c) Recruitment of RNA polymerase by the activator gives high levels of transcription. RNA polymerase is shown recruited in the closed complex. It then spontaneously isomerizes to the open com

12、plex and initiates transcription. If both the repressor and activator are present and functional, the action of the repressor typically overcomes that of the activator.在没有调节蛋白质与目标序列结合时，基因表达；当调节蛋白质与目标在没有调节蛋白质与目标序列结合时，基因表达；当调节蛋白质与目标序列结合时，基因表达被关闭，这种控制系统叫做序列结合时，基因表达被关闭，这种控制系统叫做负调控负调控(negative regulation

13、 )。负调控中的调节蛋白质称为。负调控中的调节蛋白质称为阻遏蛋白（阻遏蛋白（repressor）。 在没有调节蛋白质与目标序列结合时，基因是关闭的；当调节蛋白质与在没有调节蛋白质与目标序列结合时，基因是关闭的；当调节蛋白质与目标序列结合时，基因就被开启，这种控制系统叫做目标序列结合时，基因就被开启，这种控制系统叫做正调控正调控(positive regulation )。正调控中的调节蛋白质称为。正调控中的调节蛋白质称为激活子（激活子（activator）。Regulation can be negative or positiveIn negative control, a trans-ac

14、ting repressor binds to the cis-acting operator to turn off transcription.In positive control, trans-acting factors must bind to cis-acting sites in order for RNA polymerase to initiatetranscription at the promoter.A structural gene codes for any RNA or protein product other than a regulator.A regul

15、ator gene codes for a product (typically protein) that controls the expression of other genes (usually at the level of transcription).Activators that stimulate this kind of promoter work by triggering a conformational change in either RNA polymerase or DNA. 2.调控蛋白通过变构作用进行转录调控调控蛋白通过变构作用进行转录调控Alloster

16、ic activation of RNA polymerase. (a) Binding of RNA polymerase to the promoter in a stable closed complex, (b) The activator interacts with polymerase to trigger transition to the open complex and high levels of transcription.Action at a Distance and DNA Looping DNA-binding proteins that interact wi

17、th each other often bind to adjacent sites. But some proteins interact with each other even when bound to sites well separated on the DNA. To accommodate this interaction, the DNA between the sites loops out, bringing the sites into proximity with one another.Interactions between proteins bound to D

18、NA. (a)Cooperative binding of proteins to adjacent sites(b) Cooperative binding of proteins to separated sites.A protein that bends DNA binds to a site between the activator binding site and the promoter. This brings the two sites closer together in space and thereby helps the interaction between th

19、e activator and polymerase.二、乳糖二、乳糖lac操纵子操纵子Francois Jacob(19202013 )Jacques Lucien Monod(19101976)An operon is a unit of bacterial gene expression and regulation, including structural genes and control elements in DNA recognized by regulator gene product(s).操纵子学说的提出操纵子学说的提出n 酶的诱导现象酶的诱导现象: 分解底物的酶只有在

20、底物存在时才出现：没有乳糖时，分解底物的酶只有在底物存在时才出现：没有乳糖时，与其分解代谢有关的与其分解代谢有关的半乳糖苷酶只有约半乳糖苷酶只有约5个分子个分子/细胞；有乳糖时，细胞；有乳糖时，在在2-3 分钟内开始出现分钟内开始出现半乳糖苷酶，很快达到半乳糖苷酶，很快达到5000个分子个分子/细胞。细胞。 如撤除底物，合成迅速停止，就象当初加入底物时迅速合成一样。如撤除底物，合成迅速停止，就象当初加入底物时迅速合成一样。乳糖乳糖(lac)操纵子的结构操纵子的结构启动子启动子 promoter（Plac）操纵基因操纵基因 operator（Olac），与阻遏蛋白），与阻遏蛋白repressor

21、结合结合调控基因调控基因 regulatory gene (lac I ) ，编码阻遏蛋白，编码阻遏蛋白结构基因结构基因 lacZ, lacY, lacARepressorlacZ codes for the enzyme b-galactosidase (-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 ), lactose is cleaved into glucose and galactose (which are then further metabolized). lacY codes for the b-galactoside permease(透过酶透过酶 ), transports lactose i

22、nto the cell.lacA codes for b-galactoside transacetylase (转乙酰酶转乙酰酶 ), an enzyme that transfers an acetyl group from acetyl-CoA to b-galactosides.乳糖操纵子的结构基因及编码产物乳糖操纵子的结构基因及编码产物外周胞质外周胞质乳糖乳糖细胞内面细胞内面乳糖乳糖半乳糖苷半乳糖苷透过酶透过酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶葡萄糖葡萄糖半乳糖半乳糖内膜内膜半乳糖苷半乳糖苷透过酶透过酶 乳糖操纵子所受的负调控乳糖操纵子所受的负调控 (negative regulation) 负

23、调控系统中主要的作用因子是负调控系统中主要的作用因子是阻遏蛋白阻遏蛋白(Repressor )，诱导物诱导物乳糖乳糖(lactose)的结合可使之失活。的结合可使之失活。 Repressor and RNA polymerase bind at sites that overlap around the transcription startpoint of the lac operon.OperatorAn inducer (such as lactose) is a small molecule that triggers gene transcription by binding to

24、a regulator protein.A corepressor is a small molecule that triggers repression of transcription by binding to a regulator protein.In the absence of an inducer, the genes are not transcribed, because repressor protein is in an active form that is bound to the operator.When an inducer is added, the re

25、pressor is converted intoan inactive form that leaves the operator. An inducer functions by converting the repressor protein into an inactive form. Repressor has two binding sites, one for the operator and another for the inducer. Repressor is inactivated by an allosteric变构的变构的 interaction in which

26、binding of inducer at its site changes the properties of the DNA-binding site.诱导物诱导物inducern乳糖乳糖是是lac操纵子转录的活性诱导物，人们发现一个合成的、操纵子转录的活性诱导物，人们发现一个合成的、结构上类似于乳糖、不能被结构上类似于乳糖、不能被-半乳糖苷酶水解的半乳糖苷酶水解的-半乳糖半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（苷异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）起着起着lac操纵子的一个诱导物的作用，所以操纵子的一个诱导物的作用，所以IPTG常用于诱导常用于诱导含有使

27、用了含有使用了lac启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。达。lac 操纵子受阻遏蛋白调控。操纵子受阻遏蛋白调控。在没有诱导物（乳糖或在没有诱导物（乳糖或IPTG）存在）存在时，阻遏蛋白与时，阻遏蛋白与lac 操纵子操纵子DNA序列结合得非常紧密，序列结合得非常紧密，lac 基基因不能进行转录。当诱导物存在时，诱导物与阻遏蛋白相互作因不能进行转录。当诱导物存在时，诱导物与阻遏蛋白相互作用，使得阻遏蛋白变构，对用，使得阻遏蛋白变构，对lac 操纵基因的亲和性为单独阻遏操纵基因的亲和性为单独阻遏蛋白的亲和性的千分之一。蛋白的亲和性的千分之一。乳糖操纵子负调

28、控总结乳糖操纵子负调控总结控制区基因突变造成的影响：控制区基因突变造成的影响：lacI 或 lacO， lacP的突变影响乳糖操纵子中三个结构基因的表达：lacI- ，阻遏蛋白失活， lacZ、Y、A永久表达，即组成型表达(constitutive expression)lacOc，此突变造成lacO序列不再被阻遏蛋白识别结合，故下游结构基因组成型表达lacIs ，阻遏蛋白变成超阻遏物, 不能与诱导物结合而永久结合在lacO上, 乳糖操纵子永久关闭it metabolizes the glucose and represses the use of lactose.这一现象涉及到乳糖操纵子的这

29、一现象涉及到乳糖操纵子的正调控系统正调控系统。只有葡萄糖时，利用葡萄糖；只有乳糖时，利用乳糖。只有葡萄糖时，利用葡萄糖；只有乳糖时，利用乳糖。So when E. coli finds both glucose and lactose in the medium ?乳糖操纵子所受的正调控乳糖操纵子所受的正调控Positive regulation正调控系统中主要的作用因子是正调控系统中主要的作用因子是cAMP-CAP ，葡萄糖通，葡萄糖通过降低细胞内的过降低细胞内的cAMP的含量来抑制它的作用。的含量来抑制它的作用。Catabolite activator protein (CAP，分解代谢产

30、物激活蛋分解代谢产物激活蛋白白) is active only in the presence of cyclic AMP.乳糖操纵子所受的正调控乳糖操纵子所受的正调控Positive regulationActivator(CAP) 活性由其信号变构调控活性由其信号变构调控RNA聚合酶的亚基CTD(C-terminal domain)与CAP相互作用CAP具有独立的激活结构域和具有独立的激活结构域和DNA结合结构域结合结构域CAP通过募集RNA聚合酶激活lac基因。uCAP could interact directly with RNA polymeraseuIt also could a

31、ct upon DNA to change its structure in some way that assists RNA polymerase to bind.n负调控系统中主要的作用因子是负调控系统中主要的作用因子是阻遏蛋白阻遏蛋白，诱导物乳糖的，诱导物乳糖的结合可使之失活。结合可使之失活。n正调控系统中主要的作用因子是正调控系统中主要的作用因子是cAMP-CAP，葡萄糖通过，葡萄糖通过降低细胞内的降低细胞内的cAMP的含量来抑制它的作用。的含量来抑制它的作用。每一个调控蛋白分别响应一种环境信号并将其传递给每一个调控蛋白分别响应一种环境信号并将其传递给lac基因基因uCAP介导葡萄糖

32、信号介导葡萄糖信号ulac repressor介导乳糖信号介导乳糖信号Repressor and activator(CAP) 活性由其信号变构调控活性由其信号变构调控Expression of the lac genes: The presence or absence of the sugars lactose and glucose control the level of expression of the lac genes. High levels of expression require the presence of lactose (and hence the absenc

33、e of functional Lac repressor) and absence of the preferred energy source, glucose (and hence presence of the activator CAP). When bound to the operator, Lac repressor excludes polymerase whether or not active CAP is present. CAP and Lac repressor are shown as single units, but CAP actually binds DN

34、A as a dimer, and Lac repressor binds as a tetramer. CAP recruits polymerase to the lac promoter where it spontaneously undergoes isomerization异构化作用 to the open complex (the state shown in the bottom line).RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man,

35、 Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CAPRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great, I can transcribe!Some transcription occurs, but at a slow rateThis lactose has bent me out of shapeRepresso

36、rPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol

37、.RepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through!三、色氨酸三、色氨酸trp操纵子操纵子n结构基因，结构基因，被最终合成产物所阻遏，是一个典型的被最终合成产物所阻遏，是一个典型的可阻遏操纵子可阻遏操纵子弱化弱化子子前导区前导区trp 操纵子的调节有两种机制操纵子的调节有两种机制:1. 负控阻遏系统负控阻遏系统 粗开关粗开关 主管转录是否启动主管转录是否启动2. 弱化作

38、用弱化作用(attenuation) 细调开关细调开关 主管已经启动的转录是否继续下去主管已经启动的转录是否继续下去。1.负控阻遏系统（粗调控）负控阻遏系统（粗调控）当培养基中色氨酸含量较高时，它与当培养基中色氨酸含量较高时，它与 trpR 基因产物（阻遏物基因产物（阻遏物-repressor）相结合，并使之与操纵区）相结合，并使之与操纵区DNA紧密结合，阻止转录进紧密结合，阻止转录进行。故色氨酸作为共阻遏物调控色氨酸的合成。行。故色氨酸作为共阻遏物调控色氨酸的合成。抑制作用可导致操纵子的转录水平降低约抑制作用可导致操纵子的转录水平降低约70倍倍。当培养基中色氨酸供应不足时，阻遏物失去色氨酸并

39、从操纵区解当培养基中色氨酸供应不足时，阻遏物失去色氨酸并从操纵区解离，色氨酸操纵子去阻遏。离，色氨酸操纵子去阻遏。2. 弱化作用（细调控）弱化作用（细调控）转录也受弱化子控制，翻译出的是一条短的、不完整的多肽转录也受弱化子控制，翻译出的是一条短的、不完整的多肽.当细胞处于色氨酸饥饿状态时，当细胞处于色氨酸饥饿状态时，trp 基因大量表达基因大量表达.在色氨酸饥饿状态缓解时，在色氨酸饥饿状态缓解时，trp 基因的表达水平也相对降低基因的表达水平也相对降低. 弱化作用的结构基础弱化作用的结构基础前导区（前导区（leader region) 在在trp mRNA5端端trp E基因的起始密码前有一个

40、长基因的起始密码前有一个长162bp的的mRNA片段，片段，称为前导区。称为前导区。弱化子弱化子(attenuation)： 其中的其中的123-150区为弱化子。转录终止发生在这一区域。区为弱化子。转录终止发生在这一区域。前导肽：前导肽： 前导序列中，发现有起始密码子前导序列中，发现有起始密码子AUG和终止密码子和终止密码子UGA。如果翻译。如果翻译起始于起始于AUG，应该产生一个含有，应该产生一个含有14个氨基酸的多肽。个氨基酸的多肽。 特点：前导肽中在其第特点：前导肽中在其第10和和11位上有相邻的两个位上有相邻的两个色氨酸密码子色氨酸密码子。色氨酸操纵子的前导区及弱化子色氨酸操纵子的前

41、导区及弱化子Attenuation can be controlled by translation In the presence of tryptophan, the leader is translated, and the attenuator is able to form the hairpin that causes termination. In the absence of tryptophan, the ribosome stalls at the tryptophan codons and an alternative secondary structure preven

42、ts formation of the hairpin, so that transcription continues.The alternatives for RNA polymerase at the attenuator depend on the location of the ribosome, which determines whether regions 3 and 4 can pair to form the terminator hairpin.色氨酸浓度很低时色氨酸浓度很低时:1. 负载有负载有Trp的的Trp-tRNAs 就少就少, 核糖体通过核糖体通过Trp 密码子的速度就密码子的速度就会很慢，从而覆盖了前导肽的会很慢，从而覆盖了前导肽的1区区2. 此时此时1区不能和区不能和2区配对，所以区配对，所以2区和区和3区在转录完成后配对区在转录完成后配对3. 此时和此时和2区配对的区配对的3区在区在4区转录完成后，不能形成区转录完成后，不能形成34区配对区配对4. 此时