第七章原核生物表达调控

第一节概述第二节操纵子第三节转录后加工的调控第四节翻译水平的调控当前1页，总共94页。顺式作用元件：对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；反式作用因子：通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达,基因表达的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常在DNA上）相互识别、相互作用而实现。当前2页，总共94页。1.1基因表达：储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。基因表达调控：对基因表达过程的调节。生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控:当前3页，总共94页。组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达(adaptiveexpression）1.2基因表达的方式当前4页，总共94页。1.2.1组成性表达：

指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。维持细胞最低限度功能所不可少的基因。如编码组蛋白基因、编码核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因、糖酵解酶的基因等。

当前5页，总共94页。1.2.2适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。诱导(induction)：应环境条件变化基因表达水平增高的现象，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)；阻遏(repression)：随环境条件变化而基因表达水平降低的现象相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。

当前6页，总共94页。1.3基因表达的规律

——时间性和空间性基因表达的组织特异性-空间特异性：在个体生长过程中，各个组织只合成自身结构和功能所需蛋白。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。基因表达的阶段特异性-时间特异性：细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的。某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。当前7页，总共94页。1.4基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）维持个体发育与分化（真核）生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的，尽管现在对调控机理的奥妙所知还不多，但已经认识到：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。当前8页，总共94页。1.5原核生物基因表达调控环节：①转录水平上的调控；②转录后水平上的调控：mRNA加工成熟水平上的调控；翻译水平上的调控。当前9页，总共94页。2基本概念2.1结构基因和调控基因2.2操纵基因2.3启动子和终止子2.4顺式作用元件和反式作用因子2.5转录因子当前10页，总共94页。2.1结构基因和调控基因结构基因（structuralgene）：编码蛋白质或RNA的任何基因。原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。调控基因（regulatorgene）：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。其编码产物与DNA上的特定位点结合调控基因表达。2基本概念PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorPromoterGene当前11页，总共94页。调控基因调控蛋白影响结构基因的表达当前12页，总共94页。2.2操纵基因

操纵基因（operatorgene，O）：调控蛋白特异性结合的一段DNA序列；调控蛋白结合在操纵基因的序列上，会影响其下游基因转录的强弱：调控基因调控蛋白影响结构基因的表达当前13页，总共94页。负性调控：调控蛋白结合在操纵基因的序列上，减弱或阻止其调控基因转录，相应的调控蛋白称为阻抑蛋白；当前14页，总共94页。正性调控：调控蛋白结合在操纵基因的序列上，增强或启动其调控基因转录，相应的调控蛋白称为激活蛋白。当前15页，总共94页。2.3启动子和终止子启动子(promoter,P)：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。终止子(terminator,T)

：给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。当前16页，总共94页。2基本概念2.1结构基因和调控基因2.2操纵基因2.3启动子和终止子2.4顺式作用元件和反式作用因子2.5转录因子当前17页，总共94页。2.4顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件(cis-actingelement)：对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中，如启动子、终止子、操纵基因等。调控基因当前18页，总共94页。反式作用因子(trans-actingfactor)

：通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达,

其编码基因与其识别或结合的靶序列不在同一个DNA分子上。如调控蛋白、转录因子等。调控基因调控蛋白影响结构基因的表达当前19页，总共94页。2.5转录因子转录因子：转录起始过程中，RNA聚合酶所需要的辅助因子。转录因子是参与正调控的反式作用因子。在无转录因子时，RNA聚合酶不能起始转录。转录因子通常识别位于基因上游启动子附近的顺式作用元件。当前20页，总共94页。RNApolIITFIIDTAFs

TBPPolIII启动子

TFIIIBTFIIICTBPRNApolIII

PolI启动子RNApolISL1

UBF1

TBPPolII启动子转录起始点TATA

当前21页，总共94页。基因表达的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常在DNA上）相互识别、相互作用而实现。顺式作用元件转录因子反式作用因子调控基因RNApolymarase启动子当前22页，总共94页。第一节概述第二节操纵子第三节转录后加工的调控第四节翻译水平的调控当前23页，总共94页。第二节操纵子1乳糖操纵子(lacoperon)的结构2乳糖操纵子的调控机制2.1阻抑蛋白的负性调控2.2阻抑蛋白的作用机制2.3分解代谢产物阻抑作用的正调控3色氨酸操纵子4正调控系统和负调控系统当前24页，总共94页。1乳糖操纵子(lacoperon)的结构发现：1940年Monod：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌才利用乳糖繁殖增长；1961年，法国人Jacob&Monod提出乳糖操纵子学说。获1965年诺贝尔生理学和医学奖。FrancisJacob

JacquesMonod

当前25页，总共94页。外周胞质乳糖细胞内面乳糖透(性)酶透(性)酶β－半乳糖苷酶葡萄糖半乳糖内膜当前26页，总共94页。操纵子的结构组成：结构基因群:ZYA启动子:P操纵基因：O调控基因:I终止子:TT当前27页，总共94页。操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。当前28页，总共94页。第二节操纵子1乳糖操纵子(lacoperon)的结构2乳糖操纵子的调控机制2.1阻抑蛋白的负性调控2.2阻抑蛋白的作用机制2.3分解代谢产物阻抑作用的正调控3色氨酸操纵子4正调控系统和负调控系统当前29页，总共94页。1阻抑蛋白的负性调控β-半乳糖苷酶降解乳糖为葡萄糖和半乳糖；葡萄糖作为细胞的能源和碳源，半乳糖可被另外的酶系统转变为葡萄糖。调控基因当前30页，总共94页。1.1可诱导的负性调控－乳糖操纵子调控方式；诱导物（inducer）：作用于调控蛋白-阻抑蛋白，引起诱导发生的小分子物质。当前31页，总共94页。1.2Lac操纵子的本底水平表达诱导物先要越膜才能与阻遏蛋白结合由乳糖被β-半乳糖苷酶降解产生的异构乳糖才是真正的诱导物。问题：预先存在β-半乳糖苷酶和透过酶吗？非诱导条件下Lac操纵子微量表达。原因：阻抑蛋白对操纵基因的结合不是绝对紧密。当前32页，总共94页。当前33页，总共94页。安慰诱导物：

如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。当前34页，总共94页。第二节操纵子1乳糖操纵子(lacoperon)的结构2乳糖操纵子的调控机制2.1阻抑蛋白的负性调控2.2阻抑蛋白的作用机制2.3分解代谢产物阻抑作用的正调控3色氨酸操纵子4正调控系统和负调控系统当前35页，总共94页。当前36页，总共94页。阻抑蛋白的结构和功能阻抑蛋白与特异DNA（操纵基因）的结合位点阻抑蛋白对DNA的特异结合作用阻抑蛋白对RNA聚合酶的影响2阻抑蛋白的作用机制当前37页，总共94页。N端1～59aa,头部片段HTH，与操纵基因DNA的大沟结合；2个核心区：每个有6个折叠，诱导物结合在两个核心区之间的裂缝中；C端为一组a-螺旋2.1阻抑蛋白的结构和功能的关系核心结构域1核心结构域2HTH铰链区头部尾部－聚合当前38页，总共94页。4个亚基的核心片段接触形成四聚体当前39页，总共94页。2.2阻抑蛋白与特异DNA（操纵基因）的结合位点操纵基因的对称序列对称轴：+11当前40页，总共94页。2.3阻抑蛋白对DNA的特异结合作用：非诱导条件下，阻抑蛋白都结合在DNA上，特异位点的亲和力高，非特异位点的亲和力低。诱导物的加入改变了阻抑蛋白的分布。当前41页，总共94页。2.4阻抑蛋白对RNA聚合酶的影响阻抑蛋白和RNApol可同时与DNA结合；阻抑蛋白存在增强了RNApol的结合：RNApol与启动子结合的平衡常数1.9X107；有阻抑蛋白时，2.5X109。虽然阻抑蛋白存在使得RNApol不能转录。但加入诱导物后，释放出阻抑蛋白，闭合复合体变成为开放复合体，立即起始转录。阻抑蛋白结合区当前42页，总共94页。操纵基因和启动子的相对位置关系当前43页，总共94页。第二节操纵子1乳糖操纵子(lacoperon)的结构2乳糖操纵子的调控机制2.1阻抑蛋白的负性调控2.2阻抑蛋白的作用机制2.3分解代谢产物CAP的正调控3色氨酸操纵子4正调控系统和负调控系统当前44页，总共94页。2.3CAP对乳糖操纵子的正调控作用2.3.1CAP(分解代谢物激活蛋白，catobolitegeneactivatorinprotein)：由cap编码，结合cAMP后成为有活性的CAP；cAMP：分解代谢产物，其含量与葡萄糖的分解代谢有关：当前45页，总共94页。当前46页，总共94页。cAMP-CAP复合物对lac操纵子的正调控葡萄糖效应：葡萄糖的存在降低了cAMP的量，不能形成cAMP-CAP复合物，操纵子关闭当前47页，总共94页。2.3.2CAP的作用机制（1）CAP以两种方法来激活转录：a可能直接CAP作用于RNApola亚基，b作用于DNA，改变其结构，从而帮助RNAPol结合。当前48页，总共94页。（2）CAP结合位点结合位点～22bpI-70~-50II-50~-40CAP为二聚体，45KD，被cAMP激活当前49页，总共94页。2.3.3

CAP存在原因：由于pLac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使lac操纵元转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。当前50页，总共94页。乳糖当前51页，总共94页。第二节操纵子1乳糖操纵子(lacoperon)的结构2乳糖操纵子的调控机制2.1阻抑蛋白的负性调控2.2阻抑蛋白的作用机制2.3分解代谢产物CAP阻抑作用的正调控3色氨酸操纵子4正调控系统和负调控系统当前52页，总共94页。3色氨酸操纵子3.1色氨酸trp操纵子的结构当前53页，总共94页。1）阻抑蛋白的负调控3.2trp操纵子的双重调控体系辅阻遏物当缺乏色氨酸时,该操纵子开放表达阻遏物当存在色氨酸时，该操纵子关闭当前54页，总共94页。可阻抑的负调控-trp操纵子阻抑蛋白的阻遏能力低，是LacR的1/1000；辅阻遏物(corepressor)：作用于阻抑蛋白，引起基因表达阻抑的小分子物质。诱导物（inducer）：作用于调控蛋白-阻抑蛋白，引起诱导发生的小分子物质。效应物（effector）：在操纵子系统中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，从而改变其对基因转录的影响的特定物质。当前55页，总共94页。2）弱化作用/衰减作用当色氨酸达到一定浓度，但还没有高到能够活化阻抑蛋白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。弱化子当前56页，总共94页。前导序列trpL(leadersequence):在trpmRNA5’端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。起着随色氨酸浓度升高降低转录的作用；弱化子(attenuator)：也称内部终止子，DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150bp）。弱化作用(attenuation)：弱化子控制RNA聚合酶通读弱化子能力的调控机制。当前57页，总共94页。当前58页，总共94页。高色氨酸当前59页，总共94页。为什么需要阻遏体系？当大量Trp存在时，阻遏系统起作用。阻抑蛋白与之结合，阻止先导mRNA合成。为什么需要弱化系统？当trp浓度低时，阻抑蛋白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。两个调控系统，避免浪费提高效率；

阻遏系统高水平trp时，不转录低水平trp时，转录至前导序列

弱化系统细调原核生物细致的精细调控机制，增强原核生物对环境的适应性当前60页，总共94页。当前61页，总共94页。第二节操纵子1乳糖操纵子(lacoperon)的结构2乳糖操纵子的调控机制2.1阻抑蛋白的负性调控2.2阻抑蛋白的作用机制2.3分解代谢产物CAP阻抑作用的正调控3色氨酸操纵子4正调控系统和负调控系统当前62页，总共94页。5正调控系统和负调控系统操纵子调控系统的基本类型：负性调控：减弱或阻止其调控基因转录，可诱导负调控系统可阻遏负调控系统正性调控：增强或起动其调控基因转录，可诱导正调控系统可阻遏正调控系统当前63页，总共94页。当前64页，总共94页。乳糖当前65页，总共94页。第一节概述第二节操纵子第三节转录后加工的调控第四节翻译水平的调控当前66页，总共94页。第三节转录后加工的调控当前67页，总共94页。1经mRNA切割进行的调控原核生物的mRNA很少经过加工，少数情况下多顺反子mRNA先被内切酶切成较小的单位再作为翻译的模板。rpIL(L7)当前68页，总共94页。当前69页，总共94页。2

通过切割释放原核rRNA大肠杆菌的rRNA：16S，23S和5S。7个操纵子编码rRNA，在染色体上并不紧密连锁。每个操纵子都含有16S、23S、5SRNA及几个tRNA。tRNA的数量，种类及位置都不固定。每个操纵子都有一个双重启动子结构：第一个启动子在16SrRNA起始点上约300bp处，可能是基本的启动子。离P1110bp有第二个启动子P2。当前70页，总共94页。第一节概述第二节操纵子第三节转录后加工的调控第四节翻译水平的调控当前71页，总共94页。第四节翻译水平的调控

翻译过程中的自体调控重叠核苷酸与翻译调控稀有密码子的调控魔斑核苷酸水平对翻译的影响小分子RNA调节翻译当前72页，总共94页。自体调控：某种蛋白质或者RNA调控自身的表达。

1.1阻抑蛋白对翻译起始的调控1.2参与基因表达装置的蛋白质的合成的自体调控1.3mRNA二级结构对翻译的调控1翻译过程中的自体调控当前73页，总共94页。1.1阻抑蛋白对翻译起始的调控阻抑蛋白通过与mRNA的特定区域结合，抑制核糖体对翻译起始区的识别。最常见形式：阻抑蛋白与含有起始密码子AUG的序列直接结合，从而阻止核糖体结合。当前74页，总共94页。表

与mRNA起始区结合抑制翻译的阻抑蛋白阻抑蛋白靶基因作用位点R17外壳蛋白R17复制酶核糖体结合位点的发夹结合T4RegAT4早期mRNA含有起始密码子的各种序列T4DNA聚合酶T4DNA聚合酶S-D序列T4p32基因32单链5'前导序列当前75页，总共94页。p32易与单链DNA结合，不影响自身合成

。缺乏单链DNA，过量的p32直接地结合在mRNA上阻断了翻译的起始。图过量的基因32的蛋白p32与自身的mRNA结合抑制核糖体翻译起始T4噬菌体蛋白p32合成的自体调控当前76页，总共94页。1.2参与基因表达装置的蛋白质的合成的自体调控参与基因表达装置的蛋白质包括：核糖体蛋白质、蛋白质合成因子和RNA聚合酶亚基等。当前77页，总共94页。物当前78页，总共94页。参与基因表达装置的蛋白质的基因混合组成几个操纵子，每个操纵子都含有数个基因。这些操纵子的表达都受操纵子自身的一些基因产物的调控。蛋白质富集后抑制其自身及一些相关基因产物的进一步合成。当前79页，总共94页。1.3mRNA二级结构对翻译的调控翻译一个顺反子需要二级结构的改变，而这种二级结构的改变又依赖于前一个顺反子的翻译。mRNA上有多个核糖体存在时，第一个顺反子的翻译会破坏mRNA原有的二级结构，使核糖体能够与下一个顺反子的翻译起始区域结合。当前80页，总共94页。当前81页，总共94页。举例-RNA噬菌体基因的表达调控：CP外壳蛋白CP是阻遏物，占据rep的核糖体结合位点，控制其合成Rep复制酶CP和Rep并不等量当前82页，总共94页。当前83页，总共94页。2

重叠核苷酸与翻译调控色氨酸操纵子

TrpE-Thr-Phe-终止密码子ACUUUCUGAUGGCU

Met-Ala-TrpDTrpB

-Glu-Ile-终止GAAAUCUGAUGGAA

Met-Glu-TrpA当前84页，总共94页。3稀有密码子的调控在原核生物中，有时同一个操纵子中的基因其功能并无相关性，那么它们的产量就不可能要求一致，但又同在一个操纵子中，如何来进行调节呢？当前85页，总共94页。当前86页，总共94页。表在不同产物中Ile(异亮）密码子使用频率不同密码子在25种非调控蛋白中(%)在引物酶中(%)在σ因子中(%)AUU373626AUC623274AUA1320蛋白质翻译一旦开始后，其速度即受对应于mRNA分子中所利用的各种tRNA的供应情况而决定。稀少tRNA分子所识别的密码子大都翻译得较慢，而被丰富的tRNA识别的密码子则翻译得要快些。当前87页，总共94页。4魔斑核苷酸