分子生物学第十一章原核基因表达的调控

基因表达调控(ControllingoftheGeneExpression)9原核生物基因表达的调控9.1基因表达概述9.2操纵元控制理论9.3基因转录的时序调控9.4转录后加工的调控9.5翻译水平的调控朱玉贤孙乃恩9.1.1生物遗传信息C值矛盾CvalueparadoxGenomeDNA10%;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9.1基因表达概述.遗传信息的两大类别II类；特定DNAseq.+特定蛋白质结合基因表达的指令geneon／offI类；DNAseq.RNAseq.(codon)teinphenotype

(centraldogma)9.1.2遗传信息表达的方式组成型表达（constitutiveexpression）有些基因产物，如tRNA,rRNA,RNApol，参与代谢的有关酶类

几乎都是细胞的基本组分Housekeepinggene编码这些特异产物的基因，在大多数生命周期中持续表达

诱导型表达

（inducibleexpressionbysignalingmolecular）有些基因的编码产物，只是为了满足在特定环境条件下，细胞生长的特殊要求当环境变化时，不再需要这类产物，其基因表达活性关闭

LuxurygeneCis-actingelement

能够影响同一条或相连DNA序列活性的特定DNA片段例如，启动子9.1.3顺、反因子间互作方式的基因表达调控Trans-actingfactor

一种基因的蛋白质产物，能够影响位于基因组另一条染色体上的（或基因组别处的）另一个基因的表达活性例如，RNA聚合酶原核生物对环境的适应，相关的应答真核生物的细胞分化,组织特化,个体发育环境对个体表型的影响9.1.4基因表达的调控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…9.2

Operonmodel

操纵元1961,F.Jacob&J.Monod提出,

不断完善一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调节的单位，包括调节基因，操纵位点，结构基因，组成一个控制单元FrancisJacob

JacquesMonod

结构基因产生mRNA,合成蛋白质操纵位点

promotor,operator：启动子结合位点调节基因

产生阻遏蛋白（与操纵位点结合）

→结构基因不转录诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合

→结构基因转录ControlelementStructuralgenes9.2.1乳糖操纵元lactoseoperon酶的诱导现象B-半乳糖苷酶1。结构乙酰基转移酶半乳糖苷透性酶ß-半乳糖苷酶调节基因操作位点分解底物的酶只有在底物存在时才出现2。酶的诱导现象无乳糖时，几个B-gal/cell

加入乳糖时，5000个再去掉乳糖，lacmRNA下降

乳糖能激发lacmRNA的合成

乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶合成？培养基（35S-aa,无乳糖）→E.coli繁殖培养基（无35S-aa,加入乳糖）→β-gal(无35S)调控机理1调控区结构lacI,1045bp，独立PiP,82bp，－82～＋1O,35bp，－7～＋28lacZYA体外结合竞争实验:

阻遏物＋RNApol,off2.阻遏状态

RNApol＋阻遏物，on3诱导状态诱导物诱导作用：在可诱导的操纵元中，加入对基因表达有调节额作用的小分子后，开启基因的转录活性4诱导物不是乳糖生成lac诱导物乳糖代谢Allolctose

异构乳糖别乳糖gratuitousinducer

安慰诱导物

义务诱导物可诱导半乳糖苷酶产生，但不是其底物IPTG，异丙基半乳糖苷TMG，巯甲基半乳糖苷ONPG,O-硝基半乳糖苷在研究诱导作用时，很少使用乳糖阻遏蛋白的作用机制1阻遏蛋白结构38KD，4聚体，一个亚基结合一个IPTG分子lacI

组成型转录

Pi弱启动子，

5－10个／cell具有二重性阻止转录（与lacO结合）

开始转录（与诱导物结合）阻遏蛋白的结构域

头段，-NH2端，lacO结合区

绞链区

核心段，-COOH，诱导物结合区4个亚基的核心片段接触形成四聚体

对称轴，+112.

阻遏蛋白的结合位点（lacO的结构）

TGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGT

+1

+10+20对称序列，6bpFigure10.16Whenarepressortetramerbindstotwooperators,thestretchofDNAbetweenthemisforcedintoatightloop.(ThebluestructureinthecenteroftheloopedDNArepresentsCAP,anotherregulatorproteinthatbindsinthisregion).PhotographkindlyprovidedbyMitchellLewis.无诱导物存在时，细胞内不存在游离的阻遏蛋白四聚体

一个四聚体特异结合在lacO

其他四聚体随机结合加入诱导物后

诱导物～阻遏蛋白

→变构

→阻遏蛋白与lacO亲合力下降

→结构基因转录诱导物代谢完毕，一个四聚体回到lacO

3

阻遏蛋白与lacO的相互作用4阻遏蛋白对RNApol功能的影响阻遏蛋白和RNApol可同时与DNA结合平衡常数1.9X1072.5X109结合着的RNApol不能转录二者的结合位点相邻，并非相互重叠阻遏蛋白实际上使RNApol贮存在启动子上。这一模式是否存在于其它操纵元系统中？

lac

operon的正调控

1。代谢物阻遏效应实验，在lac＋Glu培养基上

E.coli只利用G

只有G耗尽时，才会利用lac葡萄糖抑制lacmRNA的转录

可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应仅去掉阻遏物并不能启动lac基因表达,有其它因素参与

葡萄糖对lac操纵元表达的抑制是间接的

葡萄糖的降解产物是通过cAMP与

CAP结合起作用的

环化腺苷酸CAP,cataboliteactivatorproteinCRP,catabolitereceptorprotein缺乏G

cAMP增加与CAP形成复合物促进转录

2CAP结合位点二聚体，45KD，由crp编码被cAMP激活结合位点～22bpI-70~-50II-50~-40不同基因受cAMP激活的水平不同结合位点序列保守

3CAP的结合对DNA构型的影响DNA弯曲弯曲点位于CAP结合位点二重对称的中心弯曲使CAP能与启动子上的RNApol

接触4

CAP对转录的影响（1）CAP结合位点与转录起始点的位置CAP与转录起始点的距离，相距数个整双螺旋CAP结合位点在启动子的上下游，都能发挥作用（2）基因转录对cAMP—CAP系统的依赖性，

与启动子本身的效率有关无CAP时，-35序列不能与RNApol

结合

-10序列可与RNApol

结合，不转录（闭合启动子复合物）加入CAP，转录

lacUV-5突变，-10区TATGTT→TATAAT

在无CAP时，转录

DNAtopI

突变，降低起始转录对CAP的依赖

cAMP-CAP复合物的结合，使位点II附近的富含GC区域双螺旋结构稳定性降低，因而-10区的熔解温度降低，促进开放型启动子复合物的形成（3）CAP激活转录的方式CAP直接作用于RNApola亚基缺失RNApola亚基的—C末端时，失去受CAP激活的能力作用于DNA，改变其结构lac

operon

的其它问题lac

operon的功能是在正负两个相互独立的调控体系作用下实现的CAP，组成型合成cAMP－CAP复合物取决于cAMP腺苷酸环化酶位于细胞膜，

活性与葡萄糖运输的酶有关降解物敏感型操纵元乳糖，半乳糖，阿拉伯糖等2.A基因及其生理功能编码B-半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化半乳糖苷类物质的分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细胞生长

lacA抑制有害物质的积累3.lac基因产物数量，1：0.5：0.2

核糖体脱离（多顺反子的差别性翻译）内切酶作用CABA:RNApolymeraseB:lacrepressorC:CRP-cAMPSummarySummaryoflac

operonregulationGlucosecAMPLactoseTranscriptionoflacmRNAHighLowAbsentessentiallynoneHighLowPresentlowrateofexpressionLowHighAbsentessentiallynoneLowHighPresenthighrateofexpression9.2.2Trp

operon基因组成trpR,阻遏蛋白P，-40~+18O,-21~+1L,+1~+162结构基因t,A下游36bp,不依赖pt’,t下游250bp，依赖psne29Trp

operon

的阻遏系统1TrpR四聚体阻遏蛋白＋trp

→

有活性的阻遏物

＋trpO→不转录SNE2992阻遏蛋白的结合位点

trpO-21~+1，反向重复序列trpP-40~+18活性阻遏物与trpO

的结合RNApol与启动子的结合SNE2993阻遏系统主管转录是否启动，TrpmRNA一旦起始合成，不能自动延伸一般在trpE之前终止转录粗调开关弱化作用

attenuation1弱化子，衰减子，α前导RNA，140bpα弱化子，衰减子，α序列分析发现，其中4个片段进行配对，形成不同的二级结构2前导肽14aa第10,11位是两个连续的Trp

S3123转录弱化作用LackoftrpLackofaminoacyltRNARibosomepauseattrpdons,occludingsequence1Form2:3hairpin(anti-terminator)TranscriptionintotrpEandbeyond高Trp时HightrpTrpisinsertedatthetrpcodonsTranslatetotheendofleadermessageRibosomeoccludesequence2Terminatetranscriptionat(3:4)弱化子对转录调控的关键hasanefficientribosome-bindingsite

空间结构，10thand11thcodonsencodetrpresidues(rareAA)时间，核糖体停顿在2个Trp

密码子上时，产生延宕，此时4区未转录出来Theleaderpeptideistodeterminertrpavailabilityandtoregulatetranscriptiontermination14–amino-acid(encodedby27-68oftheleaderRNAsummary阻遏作用与弱化作用的协调阻遏效率启动子的转录起始频率相差70倍弱化作用

trp存在时，约有10％的RNApol侥幸转录

-trp

活性阻遏物－－－－→

无活性阻遏物

←－－－－

+trp

经济9.2.3trp操纵子具有双重调节体系？

为什么还需要弱化系统当trp浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发trp

合成因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基中适当的Trp水平为什么还需要阻遏体系当大量Trp

存在时，阻遏物与之结合，阻止先导mRNA合成

9.2.4正控制系统和负控制系统

负控制系统：在没有调节蛋白质存在时基因表达，加入调节蛋白后基因表达活性被关闭阻遏蛋白：负控制系统中的调节蛋白Addsignalmol.

OperonoffCo-repressor辅阻遏物Addsignalmol.

OperononInducer诱导物(inducibleoperon)(repressibleoperon)正控制系统：没有调节蛋白质存在时基因关闭,加入这种调节蛋白质后基因活性被开启诱导蛋白9.3基因转录的时序调控概念：原核生物在生长发育的各个阶段，基因的表达是按照一定时间顺序进行的意义有效利用能源避免不适当的表达，造成的危害途径亚基的更换（枯草杆菌，E.coli，T4phage）

T7噬菌体生长过程中RNApol的替代

噬菌体基因表达的调控

9.3.1亚基的更换枯草杆菌噬菌体SPO1早中晚基因表达的转换SPO1，烈性噬菌体如何实现早中晚基因表达的转换?通过更换亚基，使SPO1的早中晚基因有条不紊地表达早期，2‘55，产生gp28gp28

取代

55中期，gp28取代55产生gp33,gp34晚期,gp33,gp34取代

gp28，

55枯草杆菌中每个因子都能识别具有特征性的一致序列的一组启动子调节蛋白质相互取代的原因，可能是它们与核心酶的亲和力所决定的E.coli

热休克基因的表达热激反应（热休克，热震惊）应急反应正常情况下，70

高温下，

32

，32kD

rpoH

识别热休克基因的启动子70S304不同热休克基因识别的启动子序列不同70，热激反应中不需要，但大量表达！?从E.coli到人类，都有热休克基因不同种属中，热激蛋白的氨基酸序列高度相关

Phs

，热休克启动子为恢复正常秩序作准备Phs70大多数热休克基因，在细菌适应较高温度后，停止表达。如大肠杆菌，42度，20分钟9.3.2T7phage生长过程中RNA聚合酶的取代s3069.3.3噬菌体基因表达的调控生活史Lyticphase裂解

烈性噬菌体：只俱有溶菌生长周期的噬菌体Lysogenicphase溶源

原噬菌体：在溶源性细菌内存在的杂合或非杂合的噬菌体DNA

溶源性细菌：具有一套完整噬菌体基因组的细菌温和噬菌体即能进入溶源周期，又能进入溶菌周期的噬菌体诱导，溶源性细菌受外界因素（UV，丝裂霉素C）影响，原噬菌体脱离细菌染色体，进行自主复制，导致细菌裂解phage基因组48502bp，双链S3phage的基因转录左向早期操纵元,PL阻遏蛋白操纵元,PM右向早期操纵元,PRPR1右向晚期操纵元,PR’PR2S39,2061前早期转录产生转录物L1,PL~tL1,NR1,PR~tR1,croN蛋白

抗终止蛋白有两个结合位点，nutL,nutR

长17bp,其中有5bp的反向重复序列

AGCCCTGAAPUAAGGGCATCGGGACTTPYTTCCCGTS207N结合在nut位点上，当RNApol通过时，N与RNApol结合，修饰酶的构象，通过tL1,tR1,继续转录S2075bppalindromictL1NNutL1PLPRNpCRONptR1NutL1PLtL1NpReading-throughNutR1tR1NpS207Nus,Nutilizationsubstance2晚早期转录转录物

L2,cⅢ，bet,exo,xis,intR2,cⅡ，O,PR3,QQ，抗终止蛋白,qutPaq(anti-Qpromter)在Q基因内，有依赖于cII蛋白的启动子转录方向相反转录产物为～200bp的RNA，不编码pro，与Q基因的5‘部分序列互补Q基因内，存在cII蛋白结合位点cII蛋白抑制晚期基因转录3晚期转录PR’R4,6SRNA(194bp)，功能？

R5，头部，尾部，组装，裂解

phage对溶原、溶菌生长的调控

phage进入寄主细胞后,没有任何调节蛋白

前早期转录(PL,PR)：N，cro

晚早期转录：cII,O,P,Q,cIIIphage侵染寄主后，是进入溶源／溶菌过程，

是cI

和cro蛋白竞争操作位点的过程cI~cro(trans-factor)operator(cis-factor)S381cI

，OL1>OL2>OL3OR1>OR2>OR3cro

，OL1<OL2<OL3OR1<OR2<OR3OR1OR2OR3OL1OL2OL3cro基因的表达早于cIcI基因表达需要cII,cIII蛋白寄主体内的hfl基因产物（蛋白酶）可水解cII蛋白cro表达cI不表达cro结合于OR3PMoffO,P,Q晚期基因表达A~J,S,Rlytic1溶菌生长PRonPLonN,cIII2导致噬菌体溶源化的因素寄主能源枯竭时，hfl蛋白酶减少

MOI（：Ecoli）过高时cII表达

cIII

PE

Cro反义RNAPaq→抑制QmRNA

cIcI>cro与OR1(OL1)结合，PR,PLoff，PEoff(negativecontrol)PMon(positivecontrol)lysogeny抑制PRcII,cIII促进PE转录出cIcI与OR1,OR2结合,关闭PE,开启PM9.4转录后加工的调控9.4.1经mRNA切割进行的调控多顺反子，无需加工，即可翻译例外，T3，T7噬菌体的早晚期基因RNaseIII切割9.4.2通过切割释放rRNArDNA,tDNA排列在一个操纵元中S213P16P23RNaseIII30smRNA

RNaseIII

内切酶作用于双链识别发夹结构9.5翻译水平的调控9.5.1翻译过程中的自体调控阻遏蛋白对翻译起始的调控

与mRNA翻译起始区内序列结合抑制翻译的阻遏蛋白阻遏蛋白靶基因作用位点R17外被蛋白R17复制酶核糖体结合位点的发夹T4RegA

早期T4mRNA包括AUG的各种序列T4DNA聚合酶

T4DNA聚合酶S—D序列T4p32基因32单链5’端前导序列mRNA二级结构对翻译的调控单链噬菌体R17基因表达的调控（孙319）蛋白质合成的自体调控表达受自身基因产物的调控主要是核酸结合蛋白可与mRNA，rRNA结合例如，E.coli蛋白质合成释放因子RF2

核糖体蛋白质的合成

T4噬菌体蛋白p32的合成例，核糖体蛋白质合成的自体调控1蛋白质基因散布在几个操纵元中细菌基因表达装置包括核糖体蛋白质辅助因子

RNApol亚基单拷贝混合排列，组成若干个操纵元zyj254S324现已知6个以其中第一个已知功能的基因命名在一个操纵元中，各基因产物常无功能上的相关性几个操纵元的共同特点表达受自身基因产物的调控调控蛋白是核糖体蛋白（r—蛋白）调控蛋白可与mRNA，rRNA结合结合位点序列同源性高，有相似的二级结构调控蛋白与rRNA的结合能力大于mRNAS3252调控模式调控蛋白核糖体装配(S324)阻止r－蛋白翻译

r－蛋白与mRNA结合

结合位点位于S-D序列附近3在同一个操纵元中，有的基因产物受控制，有的不受控制？是否有自己的S-D序列L11～L1每个操纵元中受控制的基因总是连在一起4核糖体蛋白质合成自体调控模式的意义通过控制rRNA，实现对核糖体所有蛋白质合成的控制

保证r-蛋白的合成水平与rRNA的量协调一般在每个核糖体中有一个r-蛋白分子由这些操纵元编码的其它蛋白质，合成不受r—蛋白基因翻译的影响。

Str，EF-Tu蛋白，是核糖体的10倍

rif，RNApolB亚基比核糖体数目少

9.5.2stringentresponsecontrol严谨反应，应急反应原核生物在在不良营养条件下生长时，由于缺乏氨基酸，关闭大量的代谢过程，生长缓慢。是细菌的一种适应性表现rRNA，

tRNA转录下降某些mRNA合成下降

pro,降解核苷酸，脂类，糖合成下降ppGpp,pppGpp

增加

magicspot魔斑魔斑的产生Idlingreaction，

当缺乏aa时，相应的aa-tRNA缺乏，空载的tRNA

仍能与核糖体A位结合，结果无法形成肽键relA基因编码一种蛋白质，stringentfactor核糖体50S蛋白质L11的基因splKtRNA基因的TC位置

relAGTP＋ATPpppGpp+AMPr-proteinEF-TuEF-GGDP＋ATPppGpp＋AMP＋Pi

relAppGpp的调控机制？当生存条件恢复时，ppGpp降解GDPSpoT报警素，alarmones(p)ppGpp，细菌缺乏氨基酸cAMP，细菌C源供应不足AppppA，双腺苷四磷酸

原核细胞内tRNA缺乏真核细胞中复制叉停顿9.5.3attenuatorcontrol弱化作用：通过前导肽的翻译来控制mRNA的合成在第一个结构基因上游操作位点下游，存在前导区前导区序列编码短的前导肽

前导肽中有与操纵元相应的连续氨基酸（见表）前导序列mRNA可通过碱基配对，形成不同的二级结构，阻碍结构基因的转录可阻遏的正控制，核糖体，正调控蛋白氨酰—tRNA，辅阻遏物在负责氨基酸，核苷酸合成的操纵元中普遍存在s31