第六章原核基因表达调控

一、原核基因表达调控总论二、乳糖操纵子的调控模式三、色氨酸操纵子的调控模式四、其他操纵子的调控机制五、原核生物的转录后调控第七章原核基因表达调控模式基因表达：基因组：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。生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达大肠杆菌:约3000个基因，一般情况下只有5－10%在高水平转录状态。高等类:果蝇1.36万个、线虫1.95万个、人类2.5万个以下、稻米4.5万个、玉米5万个、拟南芥2.7万。不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且表达强度和种类也不相同，这就是基因表达的组织特异性基因表达的阶段特异性:空间和时间上极高的有序性，一般在胚胎时期基因开放的数量最多。SAGE（serialanalysisofgeneexpression）：家蚕卵、幼虫、蛹、成虫等4个不同发育时期的SAGE表达库，经测序分别得到69100、62232、63966和62666个基因标签序列，其中特异标签数目依次为17718、13243、14044和15224。中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所，黄健华等《蚕业科学》，2005年第31卷第4期同一个细胞，处在不同的细胞周期状态，其基因的表达和蛋白质合成的情况也不尽相同.基因表达适应环境的变化：①组成性表达(constitutiveexpression)指不大受环境变动而变化的一类基因表达。看家基因(housekeepinggene)。组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。②适应性表达(adaptiveexpression)指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)；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)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。返回首页组成型合成蛋白质适应型或调节型蛋白质一、原核基因表达调控总论基因表达遗传信息从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(geneexpression)，对这个过程的调节就为基因表达调控(generegulation或genecontrol)。原核基因表达的特点

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。在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。

基因的“开-关”活性是通过调节转录来建立的当一个系统处于“关"状态时，也有本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成1或2个mRNA分子。所谓"关"实际的意思是基因表达量特别低，很难甚至无法检测。

基因表达调控主要表现在以下几个方面：返回首页（1）转录水平上的调控（2）转录后的调控mRNA加工成熟水平上的调控翻译水平上的调控原核基因调控机制的类型与特点正调控系统：调节基因的产物是激活蛋白根据激活蛋白的作用性质，又可分为可诱导的正调控和可阻遏的正调控。负调控系统:调节基因的产物是阻遏蛋白。根据其作用特征又可分为可诱导的负调控和可阻遏的负调控。二、乳糖操纵子(lac)的调控模式(一)

lac的功能

E.coli可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖。大肠杆菌二阶段生长现象lacZE.coli利用乳糖至少需要两个酶：促使乳糖进入细菌的乳糖透过酶;催化乳糖分解第一步的LacZ(图)z、y和a型是结构基因，p是转录z、y、a所需要的启动子，调控基因ｉ编码合成调控蛋白R，R能与O（操纵序列）结合而阻碍从P开始的基因转录乳糖能改变R结构使其不能与O

结合，因而乳糖浓度增高时基因就开放，转录合成所编码的酶类，这样E.coli就能适应外界乳糖供应的变化而改变利用乳糖的状况。(二）lacZ的结构(三）lacZ的开、关调节Jacob和Monod根据对lacZ,Y,A基因突变体的研究，于1961年提出了操纵子学说。要点:一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵位点组成一个转录单元。这个单元就称其为操纵子。（四）操纵子（operon）学说（五）操纵子/元(operon)的基本组成1、乳糖操纵子模型的主要内容和表达调控：操纵子三要素：结构、功能、开关调节Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子编码；结构基因Z、Y编码的酶使细菌能够利用乳糖；启动区P位于阻遏基因I与操纵区O之间；操纵区是DNA上的一小段序列，是阻遏物结合的位点；当阻遏物与操纵区结合时，lac的转录起始受到抑制；乳糖作为诱导物与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区结合，使lacmRNA能够合成。2、结构基因：操纵元中编码蛋白质的基因。一个操纵元中含有2个以上的结构基因，多的可达十几个。每个结构基因是一个连续的开放读框，5′端有翻译起始码ATG，3′端有翻译终止码。各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。至少在第一个结构基因5′侧具有RBS。在合成完第一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA而继续翻译合成下一个基因编码的多肽。3、启动子及其测定操纵元至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5′侧上游，控制整个结构基因群的转录。用RNA聚合酶与分离的一段DNA双链混合，再加入外切核酸酶去水解DNA，由此可以测出启动子的范围及其序列。

4、操纵区操纵区是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵区上，会影响其下游基因转录。举乳糖操纵元中的操纵子为例，如图所示，其操纵子(o)序列位于启动子(p)与被调控的基因之间，部分序列与启动子序列重叠。仔细分析该操纵子序列，可见这段双链DNA具有回文对称结构，能形成十字形的茎环构造。不少操纵子都具有类似的对称性序列，可能与特定蛋白质的结合相关。5、调控基因调控基因(rg)是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白(RP)，其介导的调控方式称为负性调控；与操纵子结合后能增强或起动调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白(AP)，所介导的调控方式称为正性调控。某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因录的影响，这些特定物质可称为效应物，其中凡能引起诱导发生的分子称为诱导剂，能直接或间接导致阻遏发生的分子称为阻遏剂或辅助阻遏剂。6、终止子在一个操纵元中至少在构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。每一个操纵元以上5种元件是必定含有的。

7、安慰性诱导物一些化学合成的乳糖类似物，不受1acZ的催化分解，却也能与R特异性结合，使R构象变化，诱导1ac操纵元的开放。例如异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)就是很强的诱导剂，不被细胞代谢而十分稳定。X－gal(5－溴－4－氯－3－吲哚－β－半乳糖苷)也是一种人工化学合成的半乳糖苷，可被1acZ水解产生兰色化合物，因此可以用作1acZ活性的指示剂。8、葡萄糖对操纵元的影响和cAMP的正性调控cAMP受体蛋白CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，称为CAP，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。在P1ac上游端有一段与P1ac部分重叠的序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合位点。CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活性，使转录提高50倍。在原核生物中cAMP被认为是直接活化RNA聚合酶以促进转录，即通过该酶的δ因子的磷酸化来实现促进mRNA转录。细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关：葡萄糖（+）：cAMP生成少而分解多，cAMP含量降低，CRP非活性；葡萄糖（-）：cAMP生成多而分解少，cAMP含量升高，CRP活性两套机制：偶联还是独立？CAP激活蛋白，结合于CAP结合位点，编码CRP的基因并不在1ac操纵元的附近；乳糖诱导通过去阻遏作用，改变操纵区O返回首页综合结果？？？葡萄糖和乳糖共存：优先使用哪一种？葡萄糖（+）：CRP非活性；乳糖（+）：可以诱导表达。综合结果P1ac是弱启动子，单纯因乳糖的去阻遏使1ac操纵元转录，还不能使细胞很好利用乳糖，必须同时有CAP来加强转录活性，才能合成足够的酶来利用乳糖。1ac操纵元的强诱导既需要有乳糖的存在，又需要没有葡萄糖可供利用。通过这种机制，细菌优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。细菌通常需要自己合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸。色氨酸操纵子负责色氨酸的生物合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，trp基因表达.色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程中起作用。由于trp体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CAP的调控。三、色氨酸操纵子的调控模式色氨酸的合成分5步完成。每个环节需要一种酶，编码这5种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子mRNA上，分别以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表。产生阻遏物的基因是trpR，该基因距trp基因簇很远，后者在大肠杆菌染色体图上25min处，而前者则位于90min处。。1、色氨酸操纵元的结构与阻遏蛋白的负性调控

trp操纵子的阻遏系统trpR基因突变常引起trpmRNA的永久型合成。除非培养基中有色氨酸，否则R不会与操纵区结合。R与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并使之关闭转录trpmRNA。因此R被称为辅阻遏蛋白2、衰减子及其作用色氨酸操纵元中的衰减子结构及其调控示意图实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度，但还没有高到能够活化R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。前导区序列特点与弱化作用三种不同情况下A、B、C形成发夹结构的状态实验证明当色氨酸达一定浓度时，转录会终止在先导序列(L)162bp。L中含有编码由14个氨基酸短肽的开放读框，其中有2个色氨酸相连，在此读框前有RBS序列;

L的后半段含有3对反向重复序列，都能形成发夹结构;后面紧跟一串A。在[trp]

未达到能起阻遏作用时，起始转录，RNA聚合酶沿DNA转录合成mRNA，同时核糖体结合到新生的mRNA上开始翻译。当[trp]低时，生成的tRNAtrp少，能供给核糖体合成短肽的几率低，使核糖体移动的速度慢，赶不上RNA聚合酶沿DNA移动转录的速度，这时核糖体占据1区，生成2-3发夹结构，4区独立，不形成终止结构，继续去转录其后trpE等基因，trp操纵元就处于开放状态。当[trp]增高时，tRNAtrp随之升高，核糖体移动的速度加快，占据、2区，只能生成3-4发夹结构，这是典型的终止结构，于是转录减弱。激酶KUDP转移酶T差向异构酶E半乳糖半乳糖+葡萄糖半乳糖-1-磷酸乳糖UDP-葡萄糖UDP-半乳糖葡萄糖UDP转移酶T细胞壁四、其他操纵子的调控机制1．半乳糖操纵子galEgalTgalkgalRPOP包括3个结构基因：

异构酶(galE)，

半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)，

半乳糖激酶(galk)。

这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。gal操纵子的特点：

①有两个启动子，相距仅5bp,每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；

②有两个O区，一个在P区上游-67--53，一个在结构基因galE内部。从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时进行，RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP。从S2起始的转录完全依赖于葡萄糖，cAMP-CAP能抑制S2。当有cAMP-CAP时，转录从S1开始，当无cAMP-CAP时，转录从S2开始。双启动子的生理功能半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。在没有外源半乳糖的情况下，UDP-gal是通过半乳糖差向异构酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，该酶是galE基因的产物。如果只有S1，那么当培养基中有葡萄糖存在时就不能合成异构酶。如果只有S2，那么，即使在葡萄糖存在的情况下，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，这无疑是一种浪费。2、阿拉伯糖操纵子ara操纵子的结构araBAD和araC的转录是分别在DNA的两条链上反向进行的AraC蛋白的正、负调节作用ara操纵子的调控有三个特点：第一，araC表达受到AraC的自动调控。第二，AraC即可充当阻遏物，也可作为激活剂。第三，AraC与CAP结合可充分诱导ara操纵子。AraC蛋白的两种异构体：Pr

Pi

两种异构体的量处在动态的平衡之中营养状况对ara操纵子活性的影响

●有葡萄糖时，不转录●无葡萄糖，也无阿拉伯糖时，不转录●无葡葡糖，有阿拉伯糖时，araBAD基因表达Sos应答（P260）

多启动子调控的操纵子（P262)

固氮基因调控(略)返回首页五、转录水平的其他调控方式δ因子的调控（P270）组蛋白类似蛋白调节作用:H-NS蛋白非特异结合DNA抑制转录转录调控因子的作用抗终止因子的调节作用（P271）：

Nus蛋白:NusA可以结合核心酶，当结合NusA的核心酶遇到终止序列时，NusB/S10就会在NusG的帮助下实现抗终止。六、原核生物的转录后调控1、翻译起始的调控SD序列与起始密码子间的距离影响RBS的结合强度翻译的阻遏2、稀有密码子对翻译的影响研究dnaG序列发现其中含有不少稀有密码子。许多调控蛋白如LacI、AraC、TrpR等在细胞内含量也很低，编码这些蛋白的基因中密码子的使用频率和dnaG相似，而明显不同于非调节蛋白。同一个操纵子：dnaG

（编码引物酶）和rpoD（编码δ

亚基）及rpsU（30S核糖体上的S21б蛋白）拷贝数AUU/%AUC/%AUA/%S21б蛋白4000037621δ

亚基280026740引物酶503632323、重