基因表达与调控

第一节概述第二节转录水平的调控第三节操纵子类型第2章原核生物基因表达调控

第一节概述（Introduction）１、原核生物对环境的适应，相关的应答

是基因表达的结果２、基因表达的调控涉及

RNA转录的开/关，数量，选择性加工蛋白质翻译速率，数量，加工与降解和分泌…调控机理上调控层次上核酸分子间的互作核酸与蛋白质分子间的互作蛋白质分子间的互作转录水平后转录水平翻译水平后翻译水平３、转录水平上的调控是最为经济,

灵活，又是最为重要，复杂的调控在复杂的基因组内，确定需要基因转录的起始位点精细调节基因表达的水平,以保证生物体对环境的适应保证RNApolymerase的进行式转录（不中断，准确终止）４、生物遗传信息的概念GenomeDNA10%;结构基因的编码序列

tripletcodon90%;重复，间隔，调节序列…

基因选择性表达指令重要的遗传信息遗传信息的两大类别II类；特定DNAseq.+特定蛋白质/核酸结合基因表达的指令geneon/offI类；DNAseq.RNAseq.(codon)teinphenotype５、遗传信息表达的方式

组成型表达（constitutiveexpression）Housekeepinggene

诱导型表达（inducibleexpressionbysignalingmolecular）Luxurygene操纵子：启动子、操纵基因、结构基因和终止子结构基因：编码蛋白质或RNA的任何基因调节基因：参与其他基因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因

阻遏物和激活物（调节基因编码的调节蛋白）

HTH结构正调控：调节蛋白与DNA特定位点的相互作用，启动或增强操纵子的转录活性负调控诱导物：能够结合在阻遏物或激活物上启动操纵子的转录的效应物共阻遏物：能够结合在阻遏物上关闭操纵子的转录活性的效应物６、几个基本概念诱导物引起正调控共阻遏物引起负调控第二节转录水平的调控转录是遗传信息由DNA转换到RNA的过程。作为蛋白质生物合成的第一步，转录是mRNA以及非编码RNA（tRNA、rRNA等）的合成步骤。１、细菌的RNA聚合酶：５个亚基组成，分子量为480kD，α2ββ‘σ

,α2ββ‘

组成核心酶，σ亚基主要功能是参与启动子的识别和结合以及转录起始复合物的异构化，体积大，横跨60个碱基。２、启动子TTGACATATAATA/G16-19bp5-9bp核心酶σ因子-35区（识别部位）-10区（结合部位）转录起始位点３、上游激活序列和操纵基因UASOperator

与启动子重叠激活蛋白RNApol阻遏物４、转录过程σ识别-35区核心酶结合在-10区DNA双链打开1个三磷酸核苷酸（A或G）与模板链结合构成RNA的5’端以磷酸二酯键的形式与第二个核苷酸结合，形成6－9个核苷酸，σ因子释放形成转录泡RNA-DNA杂合链在多种生物体细胞中发现了不同的σ因子，根据其分子量来命名，例如E.coli

中有σ70

和σ32，正常情况下σ70负责多种基因的转录；σ32少量存在，热激条件下，σ32含量增加，促进热激蛋白基因的转录。分子伴侣：正常细胞中指导新合成的蛋白质的折叠；热激后与变性蛋白结合，指导它们重新折叠而使它们恢复生物活性。５、σ因子与转录起始调控

６、终止子：强终止子和弱终止子转录终止点之前有7-20bp反向重复序列，产生的mRNA可以形成茎环状的发夹结构。转录终止位点的序列结构：GTCAAAAGCCTCCGGTCGGAGGCTTTTGACTCAGTTTTCGGAGGCCAGCCTCCGAAAACTGA其反向重复序列富含GC，下游常有６－８个Ａ，转录后含有相对应的Ｕ，是使RNA聚合酶脱离模板的信号。１）不依赖ρ因子的终止子（强终止子）不依赖于ρ因子的终止子转录终止模型

被转录的RNA可以在终止子处形成茎环状的RNA-RNA发荚结构，其稳定性比RNA-DNA杂合链稳定性高，可以把RNA聚合酶和RNA都从DNA链上脱离下来，从而终止转录。

２）依赖于ρ因子的终止子（弱终止子）

ρ因子有RNA结合位点和ATP结合位点，以六聚体形式起作用，可以辅助转录终止ρ因子只引起没有正在进行翻译的RNA合成终止ρ因子是RNA-dependentATPase，需要RNA存在ρ因子能使RNA-DNA杂合双链解旋ρ因子结合在RNA的不被核糖体翻译的rut位点，利用水解ATP的能量沿着RNA链按5’－3’方向移动；当RNA聚合酶遇到终止子暂停转录时，ρ因子可以在终止子处追赶上RNA聚合酶，并跻身于转录泡的RNA-DNA杂合链中；ρ因子的RNA-DNA解旋酶活性使RNA-DNA杂合链解旋，使RNA聚合酶从DNA上释放出来，转录终止，RNA链和ρ因子也释放出来。依赖于ρ因子的终止子转录终止模型基因表达的极性效应：

在某一条件下，同一转录单元里由于一个基因的无义突变，阻碍了下游相邻基因表达的效应，称为基因表达的极性效应。

在发生无义突变时，无义突变使翻译提前终止，核糖体提前释放，ρ因子就有机会赶上RNApol，从而引起转录的终止。抗终止作用？lacI

P

OlacZ

lacY

lacA大肠杆菌乳糖操纵子的结构模型：β－半乳糖苷酶β－半乳糖苷透性酶β－半乳糖苷转乙酰酶阻遏物第三节操纵子类型operonconcept●控制某一代谢途径的相关基因,

紧密连锁地排列在一起,受同一操纵子控制●各结构基因按一定比例协调翻译(Z:Y:A=5:2:1)●具有极性突变效应●P&O基因(cis)紧密连锁或彼此重叠

I基因(trans)位点不固定LacoperonIpoZYA１、乳糖操纵子的负调控Igene

activerepressorbindingonOperator38kd/monomertetramer152kdOgene(operator)mRNAstartpointRNApolymerasebindingRepressorbindingObstruction?Competition?Ogene(operator)cis-actionfactorrepressionOgene(operator)Repressor对重叠位点的竞争力下降有利于RNApolymerase的结合Ogene(operator)cis-actionfactormRNAstartpointunwindingRNApolymerasebindingRepressorbindingO&Poverlaprepressor&RNApolymerasebindatsitesthatoverlaparoundthestartpointofLacoperonrepressor&RNApolymerase对重叠位点竞争---调控机理Inducer(lactose)

与repressor特异结合tetramer变构

特异结合力下降1000X作用于O

位点上的repressor

变构

脱离O位作用于游离的repressor

operononrepessortetramer与operator发生特异结合

operonoff

变构

失去结合于O位的能力(a)Nolactose;repression.(b)Presenceoflactose,derepression.Lac.Operonstructure２、乳糖操纵子的正调控：cAMPcontrol

(universalcontrollingsystem)LacoperonopenbutnotranscriptsGlucoseLactoseE.coliWhy?ATPpppcAcAMPpcA5’-AMPpcAI(crpgene)(cAMPrecceptprotein)(orcatabilitegeneactivatorprotein)cAMPase(-)phosphodiesterase(+)+GlucoseLac.OperonIPOStimulationofβ-galactosidasesynthesisbycAMPwithwild-typeandmutantCAPPastan1970P.N.A.S.

480-487,June66(2)CAP-cAMPcomplexisimportantinlacoperontranscriptionCAPpluscAMPallowformationofanopenpromotercomplexThelaccontrolregion.justupstreamoftheoperator,containstheactivatorsite,orCAPbindingsite,ontheleft(yellow)andthepromoterTheCAP-cAMPdimerbindstoitsactivatorsiteontheDNA,andtheα-CTDinteractswithaspecificsiteontheCAPproteinThisstrengthensbindingbetweenpolymeraseandpromoter.,

HypothesisforCAP-cAMPactivationoflac