转录水平的调控课件

二、转录水平的调控（一）原核生物的操纵子模型1.乳糖操纵子二、转录水平的调控（一）原核生物的操纵子模型11.乳糖操纵子大肠杆菌生长需要碳源,常见的是糖类,最方便利用的是葡萄糖,但有些条件下培养基中并无葡萄糖，仅有半乳糖等糖类，这时分解它们的酶类必须合成，才能利用半乳糖。1.乳糖操纵子大肠杆菌生长需要碳源,常见的是糖类,2转录水平的调控课件3转录水平的调控课件4转录水平的调控课件5转录水平的调控课件6转录水平的调控课件7转录水平的调控课件8转录水平的调控课件9当葡萄糖与乳糖共存，情况比较复杂，分解它们的酶类必须不合成。降解物基因活化蛋白CAP（catabolicgeneactivateprotein,CAP),与cAMP形成复合物结合于启动子部位，引起DNA构象的变化，促进RNA聚合酶与启动子结合，使转录的起始更加频繁，是一种正调控。当有葡萄糖存在时，其分解代谢产物可抑制腺苷酸环化酶活性，激活磷酸二酯酶活性，cAMP含量下降，使CAP失活。当葡萄糖与乳糖共存，情况比较复杂，分解它们的酶类必须不合成。10转录水平的调控课件11

cAMP-CAP-DNA

cAMP-CAP-DNA

12转录水平的调控课件13EversincethefunctionofCRPasanactivatoroftranscriptionwasestablished,agreatdealofworkhasbeendonetotryandunderstandexactlyhowthisoccurs.

EversincethefunctionofCRP14DoesCRPactivatetranscriptiondirectly?Inotherwords,doesitassistRNApolymerasetorecognizethepromoterbymeansofdirectprotein-proteincontactsbetweenCRPandRNApolymerase?

OR

DoesCRPactivatetranscriptionindirectly?SinceCRPbendsandthusdistortstheDNAdoublehelixwhenitbinds,isitpossiblethatincreasedRNApolymerasebindingisaresultofstructuralchangesintheDNA?

Athirdpossibilityisthatsomecombinationofbothdirectandindirecteffectsmightberesponsibleforactivationatindividualpromoters.DoesCRPactivatetranscriptio15Wecannowdistinguish3classesofCRP-activatedpromoter:Wecannowdistinguish3class16CLASSIClassICRP-activatedpromotersrequireonlyCRPforactivationandtheCRPbindingsiteislocatedupstreamofthepromoter.TheprototypeCLASSI

CRP-activatedpromoteristhelacoperonpromoter(lacP1).ThisCRP-bindingsiteiscentred61.5bpupstreamofthestartpointoftranscription.

CLASSI17转录水平的调控课件18转录水平的调控课件19转录水平的调控课件20转录水平的调控课件21转录水平的调控课件22CLASSIICLASSII

CRP-activatedpromotersrequireonlyCRPforactivationandtheCRPbindingsiteoverlapsthepromoter.Inthesepromoters,theCRPbindingsiteappearstoreplacetheusual-35regionofthepromoter.TheprototypeCLASSII

CRP-activatedpromoteristhegaloperonpromoter(galP1).ThisCRP-bindingsiteiscentred41.5bpupstreamofthestartpointoftranscription.CLASSII23CLASSIIICLASSIII

CRP-activatedpromotersrequireadditionalregulatorproteinsaswellasCRPforactivation.ThelocationoftheCRPbindingsitecanbequitevariablethoughitistypicallymorethan90bpupstreamofthestartpointoftranscription.ThereisnoprototypeCLASSIII

CRP-activatedpromotersincetheyallhavedifferentrequirementsbywayofadditionalregulatorproteins.ExamplesofCLASSIII

CRP-activatedpromotersarethearaBADpromoterandthemalKpromoterCLASSIII242.色氨酸操纵子

大肠肝菌培养在只含无机盐及单一碳源的培养基中，大肠杆菌细胞内可以测出色氨酸合成的酶系,如果在培养基中加入色氨酸,大肠杆菌中色氨酸合成的酶系就明显降低。色氨酸存在时,阻止了色氨酸合成酶系的形成,细菌可直接利用色氨酸,而不用自己合成,这种减少酶量的现象称为酶合成的阻遏。2.色氨酸操纵子

大肠肝菌培养在只含无机盐及单一碳源的培养25转录水平的调控课件26转录水平的调控课件27翻译过程对转录的调节

衰减作用(弱化作用)E.Coli的色氨酸合成翻译过程对转录的调节

衰减作用(弱化作用)E.Coli的色28翻译过程对转录的调节

衰减作用(弱化作用)

色氨酸mRNA的5’端有162核苷酸的前导序列，当RNA的合成启动后除非缺乏色氨酸，否则大部分mRNA仅合成140核苷酸即停止。前导肽能编码一小段14肽，其终止区具有潜在的茎环构象和成串的U，表现出转录终止位点的特征。前导RNA链有4个区域彼此互补，可形成奇特的二级结构，有些情况下出现终止子结构。翻译过程对转录的调节

衰减作用(弱化作用)色氨酸mRNA的29转录水平的调控课件30转录水平的调控课件31转录水平的调控课件32转录水平的调控课件33转录水平的调控课件34转录与翻译偶联是原核生物的特征。原核生物翻译结束mRNA上有特殊的终止子结构。

转录与翻译偶联是原核生物的特征。35转录水平的调控课件36衰减作用(弱化作用)的意义E.Coli衰减作用(弱化作用)的意义E.Coli37E.coliBacteriumE.coliBacterium38弱化子系统主要是对外源色氨酸浓度作出反应，维持浓度的恒定。色氨酸浓度t弱化子系统主要是对外源色氨酸浓度作出反应，维39AUG-AAA-CGC-GUU-CAA-UUU-AAA-CAC-CAC-CAU-CAU-CAC-CAU-CAU-CCU-GACMet-Thr-Arg-Val-Gln-Phe-Lys-His-His-His-His-His-His-His-Pro-Asp-aleadercodingregion3.TheHistidineOperon:AnAttenuatorAUG-AAA-CGC-GUU-CAA-UUU-AAA-CA40转录水平的调控课件412．阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖(arabinose)是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因：araB、araA和araD，分别编码3个酶：araB基因编码核酮糖激酶(ribulokinase)，araA编码L-阿拉伯糖异构酶(L-arabinoseisomerase)，araD编码L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶(L-ribulose-5phosphate-4epimerase)。2．阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖(arabinose42转录水平的调控课件43

与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因araC，这个AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。AraBAD和araC基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上，araBAD基因簇从启动子PBAD开始向左进行转录，而araC基因则是从Pc向右转录。与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和44转录水平的调控课件45转录水平的调控课件46AraC蛋白以Crep与araO1的结合阻遏自身基因的调节并控制着自身的合成。AraC蛋白以Crep与araO1的结合阻遏自身基因的调节并47有葡萄糖无阿拉伯糖有葡萄糖无阿拉伯糖48无葡萄糖有阿拉伯糖无葡萄糖有阿拉伯糖49阿拉伯糖和葡萄糖都很低或都很高的情况下，araBCD的转录都被阻遏。阿拉伯糖和葡萄糖都很低或都很高的情况下，araBCD的转录都505.QuorumSensing:AnActivator

(群体意识）Thereexistsaspeciesofsquid（鱿鱼）thesquidhasevolvedalightorganinwhichitculturesaverypure,verydensepopulationofabacteriacalledVibriofischeri.Thisbacteriaproducesasubstancecalledluciferase,whichglowswiththesameintensityasthemoon.5.QuorumSensing:AnActivator51Euprymnascolopesswimming

Euprymnascolopesswimming52Euprymnascolopeshatching

Euprymnascolopeshatching53EuprymnascolopesventralviewoflightorganEuprymnascolopesventralview54Inthisventralcross-sectionofEuprymnaScolopes,thesymbioticlight-emitting"photophore"istheblackandsilver,two-lobedstructureinthecenter.CourtesyofMargaretMcFall-Ngai.bobtailsquid

Inthisventralcross-section55ThisHawaiianbobtailsquid(Euprymnascolopes)hassilverytissuearoundandacrossitseye.Thesereflective,silverytissuesoftheeyeandskinaremadeofthesameunusualproteinsthathelpmakethesquid'sflashlightwork.ThisHawaiianbobtailsquid(E56ThisHawaiianbobtailsquid(Euprymnascolopes)isanightactivepredatorthatburiesinthesandduringthedayandcomesoutatnighttoforage.Thisadultspecimen,whichispreparingtoburyfortheday,hassilverytissuesarounditseyesandblue-silvertissuesinitsskinduetoproteinscalledreflectins.ThisHawaiianbobtailsquid(E57Protein-basedreflectorsappeartobeuniquetosquid,octopusandothermembersofthecephalopodclassofmarineanimals.Mostcephalopodshavebigheads,largeeyes,grabbingtentaclesandsacsfilledwithink.

Protein-basedreflectorsappea58Close-upoftheeyeofaHawaiianbobtailsquid(Euprymnascolopes).

Close-upoftheeyeofaHawai59

WhenVibriofischeriisnotinthesquid'slightorgan,itdoesnotneedtobemakingluciferase,sinceglowingwillnothelpitoranythingelse.Ontheotherhand,wheninsidethelightorgan,itistothebacteria'sadvantagetoglow,becausethenthesquidwillnotgeteatenandwillfeedit,awayfromcompetitionfromanyotherkindsofbacteria.Sohowcanthebacteriaknowthatitisinalightorganinordertoturnonsynthesisofluciferase?WhenVibriofischeriis60TheHawaiianbobtailsquidhasabuilt-inflashlightonitsundersidewhichisbeameddownwardbystacksofsilveryreflectorplateswhicharemadefromanunusualfamilyofproteins,accordingtonewresearch.TheHawaiianbobtailsquidhas61Thesquid'slightproducingorganispoweredbyglowingbacteriawithstacksofthereflectorplatessurroundingthelightorgan.Thisglowing"flashlight"servesasaspotlightduringfeedinginthedarkocean.Thesquid'slightproducingor62转录水平的调控课件63Vibriofischerigrownfor24hoursonPhotobacteriumseawateragar

Vibriofischerigrownfor24h64转录水平的调控课件65TransmissionElectronmicrographofVibriofischeri

TransmissionElectronmicrogra66quorumsensing

EachbacteriumiscontinuouslysecretingauniquesmallmoleculecalledVAI(Vibriofischeriautoinducer)thatcandiffusereadilythroughthecellmembrane.Thus,thereisadecliningconcentrationofthesmallmoleculeinagrowingcircumferencearoundthebacterium.Whentherearemanybacteriaaround,thelocalconcentrationofthesmallmoleculewillbeveryhigh.quorumsensing

Eachbact67

Thegenesformakingluciferasearecontainedintheluxoperon.ADNAbindingsite(luxO)neartheluxpromoter(luxP)bindsaproteincalledluxR.ThisproteinsomehowcallsRNApolymeraseoverwhenitisboundtotheDNA,thusincreasingtranscriptionoftheDNAandmakingmorepolymerase.Thus,luxRisatranscriptionalactivatoroftheluxoperon.Thegenesformakinglucif68转录水平的调控课件69

ItisimportanttonotethatLuxIisthegenethatencodesfortheenzymethatsynthesizesVAI（autoinducer）.Whenabacteriumundergoesthetransitionfromnotmakingluciferasetomakingluciferase,itneedstohavetheautoinduceraroundinordertopromotebindingofLuxRtotheoperator.Itisimportanttonote70转录水平的调控课件71SerineSerine72N-acyl-L-homoserinelactones(AHLs)酰化高丝氨酸内酯N-acyl-L-homoserinelactones(73发光的的好处对于弧菌：稳定的食物来源和生活环境。发光的的好处对于弧菌：74对于squid：诱捕消除阴影吓阻通讯对于squid：75MargaretMcFall-Ngai,abiologistattheUniversityofHawaii.Shesaysthatwhilesymbioticrelationshipsbetweenluminescentbacteriaandanimalsarenothingnew,there'ssomeevidencethatthebacteriaaregettingarawdeal.MargaretMcFall-Ngai,abiolog76Soisthismaybelessacaseofsymbiosisthanofslavery.Thesquid,sheobserves,"inhibitsthegrowthofthebacteriatoenhancetheirluminescence."Andthebacteriumcouldmakeabetterlivingdriftingintheocean,orinthegutofanothermarineanimal,sheobserves.转录水平的调控课件77

细菌的许多行为,包括:生物发光、共生现象、生物膜形成、抗生素生产、群体移动性(Swarmingmotility)、孢子形成、基因交换以及发病机理等均受到群体效应的调节。细菌的许多行为,包括:生物发光、共生现象、生物78

例子铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)是肺囊肿性纤维化病人患慢性或致命性感染的最为常见的病原,并会感染烧烫伤或癌症接受化疗的病患。例子铜绿假单胞菌(Pseudomonas79转录水平的调控课件80含有铜绿假单胞菌的痰液的革兰染色囊性纤维变性病人痰液显示葡萄球菌和铜绿假单胞菌、细的革兰阴性杆菌。（革兰染色，放大1000倍）含有铜绿假单胞菌的痰液的革兰染色囊性纤维变性病人痰液显示葡81铜绿假单胞菌培养于麦康培养基，铜绿假单胞菌为非乳糖发酵菌，经常产生稍带绿色的绿脓菌素色素，其氧化酶阳性。（麦康基琼脂，18小时，37℃）

铜绿假单胞菌培养于麦康培养基，铜绿假单胞菌为非乳糖发酵菌，82转录水平的调控课件83铜绿假单胞菌生物膜的形成受到群体效应的调控,这种生物膜对包裹其中的铜绿假单胞菌起到一定的保护作用(避免了暴露于人体免疫反应中,减少了与抗菌药物的直接接触),使得感染持久而且难以治愈。在感染早期通过基因手段切除了铜绿假单胞菌中的信息素合成酶后发现感染症状明显减轻了。因此,自诱导剂的生物合成酶及自诱导剂感应部位为新的抗菌药物的开发提供了有潜力的靶点铜绿假单胞菌生物膜的形成受到群体效应的调控,这种84㈢真核生物转录的调节㈢真核生物转录的调节851．转录因子

①顺式作用成分与反式作用成分顺式作用元件：转录其始点上游30bp处的TATA序列上游几百bp的CCAAT序列或GGGCGG序列(GCbox)在基因上或下游远端或内含子内增强子(enhancer)序列负调控序列抑制子(silencer)其它特异调控序列以上各种特异的核苷酸序列都是反式作用因子蛋白质的靶位点。1．转录因子

①顺式作用成分与反式作用成分86反式作用因子：通用转录因子：结合在TATA附近的：TFⅡA、TFⅡB、TFⅡD、TFⅡE.转录调控因子：结合在上游特异核苷酸序列上的因子如SPI、CTF、AP-1、CREB还有些蛋白质因子，它们自身并不与DNA相结合，却能激活基因的转录，可能在两种不同的调控因子中起桥梁作用。反式作用因子：872.转录因子的功能域(domain)

a.转录因子DNA结合区

Helix-turn-helix(orhelix-loop-helix)motif2.转录因子的功能域(domain)

a.转录因子D88最早在λ噬菌体CI和Cro蛋白及大肠杆菌的CAP蛋白中发现。虽然在氨基酸序列上有很大的可变性，但在高级结构上是高度保守的。在两个helix中，一个为识别螺旋，它的氨基酸残基直接与靶DNA大沟的碱基专一结合。真核生物中最早在控制果蝇早期发育的同源域（homeodomain)蛋白中发现。最早在λ噬菌体CI和Cro蛋白及大肠杆菌的CAP蛋白中发现89CAP-cAMP

CAP-cAMP

90CAP-cAMP-DNACAP-cAMP-DNA91ZincfingermotifH2C2最早发现于TFIIA的DNA结合区，是RNA聚合酶转录5SRNA基因的必需的因子。含有碱性和极性氨基酸的的区域是识别特异DNA序列的位点。哺乳细胞的SP-1有类似的结构。C4：酵母细胞的GAL-4,哺乳动物甾体激素受体，这一类蛋白质中的锌指对DNA的结合是必需的，但对结合的专一性并不重要，在锌指附近的其他氨基酸残基与DNA直接作用形成专一结合。ZincfingermotifH2C2最早发现于TFII92Zincfinger(H2C2)motifZincfinger(H2C2)motif93Zincfinger(C4)motifZincfinger(C4)motif94Zincfinger(C4)Zincfinger(C4)95Zinefinger-DNAZinefinger-DNA96Zinefinger-DNAZinefinger-DNA97ZinefingerDNAZinefingerDNA98P53-DNA(exampleofzincfinger)P53-DNA(exampleofzincfinger99LeuzippermotifLeuzippermotif100酵母的GCN4，哺乳动物的fos,jun,mys等蛋白质DNA结合区都含有4－5个Leu，它们之间相距7个氨基酸，在helix上每两圈出现一个Leu,它们排成了一行。这类蛋白质因子都是以双体形式与DNA靶位点结合，两个蛋白质分子相应的helix之间靠Leu残基的疏水作用形成一条拉链，对双体的形成十分重要，但参与于DNA作用的使该区域以外的氨基酸残基。在Leu重复区N端的邻近的30个氨基酸片段中有许多碱性氨基酸。当Leu拉链使亚基形成双体时，碱性区处于适当位置，决定了与DNA序列的专一结合。酵母的GCN4，哺乳动物的fos,jun,mys等蛋白质DN101GCN4-DNAGCN4-DNA102TrprepressorTrprepressor103β–sheetmotifβ–sheetmotif104MetrepressorMetrepressor105b.转录因子激活基因转录的功能区

酵母的GAL4,GCN4：GAL4有两个激活转录的功能区，分别在147-196和768-881aa的范围内。GCN4的在106-125aa的肽段内。共同特点是含有很多带负电荷的α螺旋，但在aa序列上很少有同源性，aa的替换实验表明激活转录的水平与净负电荷变化有关，增加激活区的负电荷数能提高激活转录的水平。哺乳动物的AP-1、fos、jun、及糖皮质激素受体也有类似的酸性激活区。酵母和哺乳动物的酸性激活区可以互换。用GAL4的DNA结合区与fos的酸性激活区融合成的杂蛋白具有激活GAL基因表达的功能，同样用fos的DNA结合区与GAL4酸性激活区融合也具有促进基因转录的功能。b.转录因子激活基因转录的功能区酵母的GAL4,GCN4106SP1：结合于GCbox上，其中在N端的两个主要结合区含有25%的谷氨酰胺。类似的有：

果蝇的Antennapedia和Zeste蛋白酵母的HAP-1、HAP-2和GAL11哺乳动物的Oct-1、Oct-2、jun、fos、SRF等。SP1：结合于GCbox上，其中在N端的两个主要结合区含有107CTF-1、CTF-、CTF-3和AP-2蛋白质羧基端具有激活基因转录的功能，这一区域含有20-30%的脯氨酸残基。CTF-1、CTF-、CTF-3和AP-21083.转录因子的作用规律

一种蛋白质因子可以结合多个顺式作用元件。一种顺式作用元件可以作为多种蛋白质因子的作用靶区。有些蛋白质因子经物理或化学诱导后才具有活性。磷酸化作用对一些蛋白质因子的功能作用是很重要的。蛋白质因子与特异DNA序列相互作用涉及蛋白质因子之间的反应。3.转录因子的作用规律一种蛋白质因子可以结合多个顺式作用元1094.转录因子与生物的性状

同源异型突变和同源域l

指发育过程中躯体的一部分发育成另外一部分，最早在果蝇中发现，说明不同蛋白质或者几种调节蛋白质的不同组合可以控制细胞的发育。4.转录因子与生物的性状

同源异型突变和同源域l

指发育110转录水平的调控课件111转录水平的调控课件112转录水平的调控课件113

现已证明，有两类8个同源异形基因控制胚胎最早期的空间方位，这些基因从果蝇到人类都是基本相同的。这些基因都含有180个核苷酸的序列，称homeobox（同源域），高度保守，编码蛋白质羧基末端的60个氨基酸。现已证明，有两类8个同源异形基因控制胚胎最早114

这些同源异型基因编码的都是区域特异性的转录因子。动物的发育过程开始由少数几个主基因(mastergene)控制胚胎分化的方向性，然后由不同的器官特异性基因决定器官的发生。基因与基因间存在明显的等级关系。这些同源异型基因编码的都是区域特异性的转录因115同源域-DNA（Helix-turn-helix）同源域-DNA（Helix-turn-helix）1165.真核生物转录调控的例子：

GalactoseMetabolismIsRegulatedbySpecificPositiveandNegativeControlFactorsinYeast5.真核生物转录调控的例子：

GalactoseMetab117MetabolismofgalactoseMetabolismofgalactose118MetabolismofgalactoseMetabolismofgalactose119Evenwhenfunctionallyrelatedgenesareclustered,theyusuallygiverisetoseparatetranscripts.Threeofthefourgenes(GAL7:transferase,GAL10:epimerase,GAL1;kinase)associatedwithgalactoseutilizationareclusteredonchromosomeXI,whereasthefourth,forgalactosetransport,isspecifiedbyagene(GAL2)locatedonchromosomeXII.Evenwhenfunctionallyrelated120Expressionofthefourstructuralgenesisbyspecificpostiveandnegativecontrols.EachofthestructuralgenesisassociatedwithadistinctmRNA.TheGAL7andGSL10genesaretranscribedfromthesameDNAstrand,whereastheGAL1gene,approximately600bpfromGAL10,istranscribedfromthecomplementaryDNAstrand.Expressionofthefourstructu121TranscriptionoftheGAL1,GAL7,andGAL10genesareincreasedover1,000-foldwhengalactoseispresent,suggestingthatgalactoseisaninducer.Twotran-actinggeneproductsthatregulateexpression:GAL