原核基因表达的调控

原核基因表达的调控第一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五IntroductionTranscriptionofteniscontrolledatthestageofinitiation.Transcriptionisnotusuallycontrolledatelongation,butmaybecontrolledatterminationtopreventtranscriptionfromproceedingpastaterminatortothegene(s)beyond.

Ineukaryoticcells,processingoftheRNAproductmayberegulatedatthestagesofmodification,splicing,transport,orstability.

Inbacteria,anmRNAisinprincipleavailablefortranslationassoonasitissynthesized,andthesestagesofcontrolarenotavailable.

Translationmayberegulated,usuallyatthestagesofinitiationandtermination(liketranscription).Regulationofinitiationisformallyanalogoustotheregulationoftranscription:thecircuitrycanbedrawninsimilartermsforregulatinginitiationoftranscriptiononDNAorinitiationoftranslationonRNA.第二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Stagesofregulation:Activationofgenestructure

↓

Initiationoftranscription↓Processingthetranscript↓Transporttocytoplasm

↓TranslationofmRNA第三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第一节转录水平的调控一、操纵子模型

由法国科学家Jacob和Monod于1960年提出的一个有关原核基因表达调控的模型。获得1965年诺贝尔生理学奖。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965."fortheirdiscoveriesconcerninggeneticcontrolofenzyme"Jacob,Perrin,Sanchez,andMonodproposedtheoperonconceptofgeneregulationinbacteria.JacobandMonodlaterproposedthataproteinrepressorblocksRNAtranscriptionofaspecificsetofgenes,termedthelacoperon,unlessaninducer,lactose,bindstotherepressor,thusalteringitsconformationandpreventingtherepressorfrombindingtotheoperonsite.第四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五（一）基本概念

顺式作用元件（cis-actingelement）：DNA元件是指DNA上的一段序列，它只能作用于同一条DNA，故称为顺式作用元件。

结构基因（structuralgene）：编码细胞必需的蛋白，如酶和结构蛋白的基因，叫结构基因。

调节基因（regulatorygene）：编码的产物能够调节其他基因的表达，这样的基因叫调节基因。

调节蛋白（regulatoryprotein）：调节基因的表达产物，叫调节蛋白。由于调节蛋白能够自由地与其相应的结合位点结合，故又称为反式作用因子（trans-actingelement）。包括正调节蛋白（又叫激活蛋白actitivator）；负调节蛋白，又叫阻遏蛋白(repressor)。第五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

可诱导基因（induciblegene）：当培养基中加入诱导物时，可以诱导相应基因的表达，这些基因就叫可诱导基因。

组成型基因（constitutivegene）：为了维持细菌或细胞的基本生命需要，总是在不断表达的基因，叫组成型基因。

组成蛋白（constitutiveproteins）：在细胞内有许多蛋白质，其数量几乎不受外界环境的影响。这些蛋白质称为组成蛋白质。组成蛋白质合成的速度是遗传上规定的，由于（1）启动子的天然效率，靠它以制造mRNA；（2）核糖体阅读信使的速度；（3）其信使被核酸酶降解的敏感性。

正调控（positivecontrol）：在操纵子中，结构基因本来不表达，可当加入调节蛋白时，使该结构基因进行表达。这样的调控叫正调控。

负调控（negativecontrol）：在操纵子中，结构基因本来是表达的，当加入调节蛋白时，使该结构基因不表达。这样的调控叫负调控。第六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五（二）乳糖操纵子的结构Figure10.4Thelacoperonoccupies~6000bpofDNA.AttheleftthelacI

genehasitsownpromoterandterminator.TheendofthelacIregionisadjacenttothepromoter,P.Theoperator,O,occupiesthefirst26bpofthelonglacZ

gene,followedbythelacYandlacAgenesandaterminator.第七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五lacZ

codesfortheenzymeβ-galactosidase,whoseactiveformisatetramerof~500kDa.Theenzymebreaksaβ-galactosideintoitscomponentsugars.Forexample,lactoseiscleavedintoglucoseandgalactose.

lacY

codesfortheβ-galactosidepermease,a30kDamembrane-boundproteinconstituentofthetransportsystem.Thistransportsβ-galactosidesintothecell.

lacA

codesforβ-galactosidetransacetylase,anenzymethattransfersanacetylgroupfromacetyl-CoAtoβ-galactosides.第八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五（三）乳糖操纵子学说（LacOperonTheory）

一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵基因组成一个操纵子。调节基因编码调节蛋白，调节蛋白与操纵基因结合，从而调控结构基因的表达。乳糖为诱导物。当有乳糖存在时，乳糖与有活性的调节蛋白（阻遏物）结合时，阻遏物失活，则不能与操纵基因结合，解除对β-半乳糖苷酶基因（结构基因）的抑制，开始表达。如果去掉乳糖时，阻遏物又恢复其活力，与操纵基因DNA结合，将β-半乳糖苷酶基因关闭。但这种关闭或开启并不是100%。第九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.7Repressormaintainsthelacoperonintheinactiveconditionbybindingtotheoperator;additionofinducerreleasestherepressor,andtherebyallowsRNApolymerasetoinitiatetranscription.第十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五（四）调控类型

正调控（positivecontrol）：

在操纵子中，结构基因本来不表达，可当加入调节蛋白（无辅基诱导蛋白）时，使该结构基因进行表达。这样的调控叫正调控。负调控（negativecontrol）：在操纵子中，结构基因本来是表达的，当加入调节蛋白（阻遏蛋白）时，使该结构基因不表达。这样的调控叫负调控。

1.

可诱导的调控：在可诱导的操纵子中，加入对基因表达有调节作用的小分子物质（诱导物），则开启基因的转录活性。

2.

可阻遏的调控：在可阻遏的操纵子中，加入对基因表达有调节作用的小分子物质（辅阻遏物），则关闭基因的转录活性。第十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.3Inpositivecontrol,trans-actingfactorsmustbindtocis-actingsitesinorderforRNApolymerasetoinitiatetranscriptionatthepromoter.Inaeukaryoticsystem,astructuralgeneiscontrolledindividually.第十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.2Innegativecontrol,atrans-actingrepressorbindstothecis-actingoperatortoturnofftranscription.Inprokaryotes,multiplegenesarecontrolledcoordinately.

第十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.21Controlcircuitsareversatileandcanbedesignedtoallowpositiveornegativecontrolofinductionorrepression.第十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure9.15FootprintingidentifiesDNA-bindingsitesforproteinsbytheirprotectionagainstnicking.

（五）操纵基因的鉴定（foot-printing

技术）：

第十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五内切酶

SDSSDS第十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五（六）操纵基因的结构Figure10.11Thelacoperatorhasasymmetricalsequence.Thesequenceisnumberedrelativetothestartpointfortranscriptionat+1.Theregionsofdyadsymmetryareindicatedbytheshadedblocks.第十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.20Operatorsmaylieatvariouspositionsrelativetothepromoter.（七）操纵基因的位置第十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure9.10RNApolymeraseinitiallycontactstheregionfrom-55to+20.Whensigmadissociates,thecoreenzymecontractsto-30;whentheenzymemovesafewbasepairs,itbecomesmorecompactlyorganizedintothegeneralelongationcomplex.

第十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五（八）阻遏蛋白与操纵基因的结合Figure10.13ThestructureofamonomerofLacrepressoridentifiesseveralindependentdomains.1.

调节蛋白的基本结构第二十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.14ThecrystalstructureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.PhotographskindlyprovidedbyAlanFriedman.

第二十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.15InducerchangesthestructureofthecoresothattheheadpiecesofarepressordimerarenolongerinanorientationthatpermitsbindingtoDNA.PhotographskindlyprovidedbyMitchellLewis.

第二十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2.其他调节蛋白的结构：如Zinc-fingerandLeucinezipperetcFigure21.3TranscriptionfactorSP1hasaseriesofthreezincfingers,eachwithacharacteristicpatternofcysteineandhistidineresiduesthatconstitutethezinc-bindingsite.第二十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure21.4Zincfingersmayforma-helicesthatinsertintothemajorgroove,associatedwithb-sheetsontheotherside.

第二十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure21.15ThebasicregionsofthebZIPmotifareheldtogetherbythedimerizationattheadjacentzipperregionwhenthehydrophobicfacesoftwoleucinezippersinteractinparallelorientation.第二十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第二节操纵子的其他调控形式阿拉伯糖操纵子半乳糖操纵子氨基酸操纵子（色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等十几种）核苷酸操纵子第二十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.2Innegativecontrol,atrans-actingrepressorbindstothecis-actingoperatortoturnofftranscription.Inprokaryotes,multiplegenesarecontrolledcoordinately.

乳糖操纵子的负调控第二十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五操纵子的调控类型第二十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五一、阿拉伯糖操纵子（Arabinoseoperon）

阿拉伯糖操纵子是调控阿拉伯糖分解代谢所需酶系的操纵子。它具有正调控和负调控的功能。参与阿拉伯糖分解代谢的酶系共由三个操纵子编码，这三个操纵子分别是：araBAD、araE和araF。它们由一个共同的araC调节基因进行调控。（1）araBAD：包括三个基因：araB、araA和araD。分别编码L-核酮糖激酶、L-阿拉伯糖异构酶和L-核酮糖-5-磷酸-4-表面异构酶。（2）araE和araF：编码膜结合蛋白，与阿拉伯糖的结合与转运有关。第二十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五1.结构与功能araCaraO2araO1/PcaraIaraBaraAaraDC蛋白mRNA

mRNAKinaseIsomeraseEpimerase阿拉伯糖核酮糖核酮糖-5-P木酮糖-5-P第三十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

（1）C蛋白具有双功能：它单独与araO1(-100~-144bp)结合，起阻遏作用，包括其自身的表达；C与阿拉伯糖结合形成Cind复合物，即诱导型C蛋白。它结合与araI区（-40~-78bp），使RNA聚合酶结合于PBAD

位点（+40bp），转录B、A和D三个基因。（2）C蛋白的两种状态：Cind和Crep

，功能不同，结合的位点也不同。前者结合于araI，后者结合于araO1和araO2

（3）C蛋白还可以调节分散的基因：araE和araF。SonamedRegulon。（4）有两个启动子：PC和PBAD

。

PC启动子与araO1

重叠。第三十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2.调控方式

（1）当存在Ara和Glu时，araC转录少量C蛋白并与araO1结合，反馈性抑制araC的转录。（2）当有Ara而无Glu时，Ara可作为糖源。此时Ara与少量的C蛋白结合，形成诱导型C蛋白

Cind，它作为正调控因子与araI结合，促进了araPBAD的转录，产生了3种酶，促进Ara的分解。（3）当无Ara或用完后，C蛋白（Crep

）与araO1结合，阻碍RNA聚合酶在此区域结合，关闭操纵子；或与araI和araO2

结合，形成环状，阻遏了PBAD和PC启动。第三十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五araDaraAaraBPBADCindAracAMPCAPRNApolaraDaraAaraBaraO2araIA:

诱导B:

阻遏CC

CC+1-100-200-300第三十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五二、色氨酸（Trp）操纵子

目前，有多种氨基酸操纵子的结构已研究清楚，如色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等十余种。我们仅讨论Trp操纵子的基因表达调控。

Trp操纵子是合成代谢途径中最具代表性的例子。它控制着5个结构基因（编码3种酶）的表达，分别为trpE，D（邻氨基苯甲酸合成酶），C（吲哚甘油硼酸合成酶），B、A（色氨酸合成酶B链和A链）。当色氨酸低或缺乏时，这5个邻近的基因才开始转录成mRNA。

由于Trp操纵子是一个合成体系，与糖的分解代谢无关，所以，与Glu的存在与否没有关系，也就不存在cAMP-CAP结合位点。第三十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.41Thetrpoperonconsistsoffivecontiguousstructuralgenesprecededbyacontrolregionthatincludesapromoter,operator,leaderpeptidecodingregion,andattenuator.

1.结构与功能第三十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五结构特点：

（1）阻遏物基因trpR和结构基因trpEDCBA不紧密连锁；（2）操纵基因在启动子区域内；（3）启动子，操纵基因不直接和结构基因毗邻，而和前导序列直接相连；（4）有衰减子结构。在合成代谢的操纵子的前导区内，存在着类似终止子结构的一段DNA序列，该序列可以辅助阻遏作用，进行转录调控，故称为衰减子（attenuator）。第三十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2.调控方式trpRmRNAA:B:无活性mRNAsTrptrpRmRNARNApol第三十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

经测序后发现，在第一个结构基因（trpE）的5’-端有一个长160bp的前导序列（leadersequence）。当此序列缺失130~160bp时，mRNA总是最高水平的。而当trp存在时，mRNA的表达水平降低。因此，此序列称为衰减子（attenuator）。3.衰减作用第三十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五表.衰减子控制的氨基酸合成的操纵子中前导肽的氨基酸序列操纵子前导肽的氨基酸序列色氨酸

MetLysAlaIlePheValLysGlyTrpTrpArgThrSer苏氨酸

MetLysArgIleSerThrThrIleThrThrThrIleThrIleThrThrGlyAsnGlyAlaGly组氨酸

MetThrArgValGlnPheLysHisHisHisHisHisHisHisProAsp异亮氨酸

MetThrAlaLeuLeuArgValIleSerLeuValValIleSerValValVaLIle·缬氨酸GEDA

…

IleIleProProCysGlyAlaAlaLeuGlyArgGlyLysAla…亮氨酸

MetSerHisIleValArgPheThrGlyLeuLeuLeuLeuAsnAlaPheIleVei…

…ArgGlyArgProValGlyGlyIleGlnHis苯丙氨酸

MetLysHisIleProPhePhePheAlaPhePhePheThrPhePro异亮氨酸-缬氨酸B

MetThrThrSerMetLeuAsnAlaLysLeuLeuProThrAlaProSerAla…

…AlaValValValValArgValValValVaLValGlyAsnAlaPro第三十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.42AnattenuatorcontrolstheprogressionofRNAothetrpgenes.RNApol.initiatesatthePandthenproceedstoposition90,whereitpausesbeforeproceedingtotheattenuatorat140.IntheabsenceofTrp,theRNApol.continuesintothetrpEgenes(startsat+163).InthepresenceofTrp,~90%probabilityofterminationtoreleasethe140bleaderRNA.第四十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.43Thetrpleaderregioncanexistinalternativebase-pairedconformations.Thecentershowsthefourregionsthatcanbasepair.Region1iscomplementarytoregion2,whichiscomplementarytoregion3,whichiscomplementarytoregion4.Ontheleftistheconformationproducedwhenregion1pairswithregion2,andregion3pairswithregion4.Ontherightistheconformationwhenregion2pairswithregion3,leavingregions1and4unpaired.

Figure9.26Intrinsicterminatorsincludepalindromicregionsthatformhairpinsvaryinginlengthfrom7-20bp.Thestem-loopstructureincludesaG-C-richregionandisfollowedbyarunofUresidues.

第四十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.44ThealternativesforRNApolymeraseattheattenuatordependonthelocationoftheribosome,whichdetermineswhetherregions3and4canpairtoformtheterminatorhairpin.

第四十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五衰减子调控系统的生物学意义：

（1）活性阻遏物与非活性阻遏物之间的转换可能较慢，而tRNA的荷载与否可能更快捷；

（2）氨基酸的主要用途是合成蛋白质，所以，以tRNA的荷载情况为标准来进行调控可能更为合适；

（3）阻遏蛋白与衰减子共同作用，提高了效率，避免了氨基酸的浪费。当细胞内氨基酸高于某一水平时，可完全实现阻遏；而低于该水平时，则启用衰减子进行微细调控。某些氨基酸操纵子仅使用衰减子即可实现调控。第四十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第三节翻译水平的调控

内容回顾：

1.

翻译过程主要包括：起始、延伸和终止。

2.

参与翻译过程的物质：

mRNAtRNA

核糖体（ribosome）氨基酸（AA）氨酰基-tRNA合成酶各种可溶性蛋白因子第四十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

★mRNA的结构与功能

（一）一级结构:

（二）二级结构：（三）

密码子的特性：三联体，连续性，不重叠，通用性，兼并性，兼职等。但存在例外；

（四）密码子的使用频率

（稀有密码子）。第四十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五★★

tRNA的结构与功能

（一）tRNA的功能

AA+ATP=AA-AMP+PPi(氨基酸活化)AA-AMP+tRNA=氨酰基-tRNA+AMP

（二）tRNA的丰富度与密码子的使用频率

第四十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五★★★

核糖体的结构与功能第四十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.48AntisenseRNAcanbegeneratedbyreversingtheorientationofagenewithrespecttoitspromoter,andcanannealwiththewild-typetranscripttoformduplexRNA.

一、反义RNA的调控作用第四十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五mRNA5’反义RNAAUG+1S-D3’

以大肠杆菌外膜蛋白的表达为例，说明反义RNA的调控作用。大肠杆菌外膜蛋白有两种：ompC和ompF。它们的表达受渗透压的调节。渗透压高：ompC合成增多，ompF的合成受到控制；渗透压低：ompF合成增多，ompC的合成受到控制。第四十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.46IncreaseinosmolarityactivatesEnvZ,whichactivatesOmpR,whichinducestranscriptionofmicFandompC(notshown).micFRNAiscomplementarytothe5’-regionofompFmRNAandpreventsitstranslation.

第五十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五Figure10.45AntisenseRNAcanaffectfunctionorstabilityofanRNAtarget.

1）调控翻译的起始；2）调控RNA的稳定性；3）调控转录的终止。第五十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五反义RNA的应用：

SynthesisofantisenseRNAcaninactivateatargetRNAineitherprokaryoticoreukaryoticcells.ArtificialgenescodingforantisenseRNAshavebeenintroducedintoE.coli,wheretheypreventexpressionofthespecifictargetgenestowhosemRNAstheyarecomplementary.Thistechniqueoffersapowerfulapproachforturningoffgenesatwill;forexample,thefunctionofaregulatorygenecanbeinvestigatedbyintroducinganantisenseversion.Anextensionofthistechniqueistoplacetheantisensegeneundercontrolofapromoteritselfsubjecttoregulation.ThenthetargetgenecanbeturnedoffandonbyregulatingtheproductionofantisenseRNA.Thistechniqueallowsinvestigationoftheimportanceofthetimingofexpressionofthetargetgene.

第五十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五二、严谨反应（Stringent

Response）

Stringentresponse：

Whenbacteriafindthemselvesinsuchpoorgrowthconditionsthattheylackasufficientsupplyofami