生物基因表达调控

RegulationofGeneExpressionin

Prokaryotes第十八章原核生物基因表达调控第一节

基因表达调控基本原理PrinciplesofGeneRegulation一、原核生物和真核生物基因表达调控有共同规律储存在DNA的遗传信息经转录合成各种RNA，以mRNA为模板，翻译出执行生命活动功能的蛋白质，这一从DNA到蛋白质的遗传信息传递过程称为基因表达。基因表达(geneexpression)染色质活化转录起始、延长、终止转录后加工蛋白质翻译翻译后加工修饰基因表达在全过程的各水平上都可以受调控：目录转录起始调节是基因表达调控的主要环节（一）基因表达有时（间）空（间）特异性

在各种因素调控下，基因表达按一定时间顺序有序地发生，称为基因表达时间特异性（temporalspecificity）。同一基因在不同细胞或组织表达方式、表达水平不同，所表达的基因种类（数量）也不同，表现为明显的细胞特异性和组织特异性，这就是基因表达的空间特异性（spatialspecificity）。（二）基因表达受顺式作用元件与反式作用因子调节顺式作用元件(cis-actingelement)位于受调控的DNA编码区段上游，具有调控功能的DNA特异序列。BADNA编码序列转录起始点

对顺式作用元件起作用的蛋白质。反式作用因子(trans-actingfactor)由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。这种调节作用称为反式作用。有的蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。cDNAaDNA反式调节C顺式调节mRNAC蛋白质CBAmRNA蛋白质AA调节原核生物基因表达的效应蛋白可分3类：（三）基因表达有正调控和负调控各种

因子（RNApol亚基）阻遏蛋白----负调控因素

激活蛋白----正调控因素

（四）DNA/蛋白质相互作用是基因表达调控的分子基础转录激活调控依赖于效应蛋白以高亲和力准确结合DNA特定序列。二、转录起始调节是基因表达调控的主要环节转录起始调节是最核心的环节。原核生物mRNA生成后，甚至就在转录当中即可作翻译模板，没有真核生物由初级转录产物加工修饰而成熟，成熟RNA從核内向胞浆输送的过程，故调控集中在转录起始（transcriptionalinitiation）。操纵子（operon）：以线性阵列存在的若干个结构基因加上它们上游的调控区DNA，组成的转录单元。结构基因（structuralgene）：为蛋白质编码的基因。基因簇（genecluster）：原核生物功能相关的结构基因集合组成的转录单元。顺反子（cistron）：与一个肽链编码序列（即一个基因）对应的DNA或mRNA单位。多顺反子（polycistron）：单个mRNA分子为不只一个蛋白质编码。

三、诱导和阻遏是原核生物转录调控的基本规律在化学分子或调控信号变化所引起的应答中，基因表达增强称为诱导（induction）。

在对环境信号变化引起的反应中，基因表达减弱或抑制，称为阻遏（repression）。

①以转录起始为主要调控点；②操纵子是大多数基因簇的调控方式，主要以代谢酶类作为受调控对象；③以负调控居主要优势，由诱导物解除阻遏；④多顺反子mRNA只在原核生物出现；⑤相当多基因属于组成型表达(constitutiveexpression)，即在整个生活过程中以恒定而适当的速率表达。这些基因在真核生物也称为管家基因(housekeepinggene)。原核生物基因表达调控的特点：第二节

细菌的操纵子TheOperonofBacteria

操纵子在研究基因表达的重要性具有普遍性；真核生物研究的借鉴；开拓了分子识别（molecularrecognition)的研究；研究成果应用于实践，具有指导意义。一、操纵子是原核生物基因表达的协调单位操纵子理论实验依据实验模型：细菌的乳糖代谢酶类诱导突破点:乳糖阻遏蛋白基因lacI的发现lacI

是组成型表达基因，其突变(lacI-)引起管辖的基因族也发生组成型表达。用噬菌体转导方法把野生型(lacI+)转入突变株(lacI-)，逆转了组成型突变。操纵子(operon)是由结构基因及其上游调控序列组成的转录单元，结构基因转录受调控序列控制。调控序列包括远端的阻遏蛋白(repressor)基因I，近端的启动子(promoter,P)和操纵序列(operator,O)。

蛋白质因子特异DNA序列结构基因

启动子

操纵序列阻遏蛋白基因

(promoter)(operator)启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列操纵序列是阻遏蛋白的结合位点。当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白二、乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭和被诱导物开放

调控区CAP结合位点启动子操纵序列

结构基因z：β-半乳糖苷酶y：通透酶a：乙酰基转移酶zyaOPDNAI基因乳糖操纵子的结构阻遏基因mRNA阻遏蛋白IDNAzyaOPpol没有乳糖存在时乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAzyaOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶乳糖操纵子被诱导物开放

三、乳糖操纵子由cAMP-CAP系统进行正调控TTTACATATGTTN17N6AlacTTGACATATAAT共有序列乳糖操纵子是弱启动子，被RNA-pol结合后，还需cAMP-CAP（分解代谢物基因活化蛋白）活化。++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP结合位点mRNA低半乳糖时高半乳糖时

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOOＩＩ无转录无转录低水平转录四、微生物代谢还有其它类型的调控方式（一）合成代谢操纵子由合成产物关闭合成代谢操纵子在基础状态下持续开放，在产物达到满足需要量时才关闭。分解和合成代谢的操纵子操纵子基础状态调控方式分解代谢关闭由诱导物开放合成代谢开放由辅阻遏物关闭TrpTrp

高时Trp

低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操纵子的作用原理操纵子关闭目录（二）严谨应答是由氨基酸饥饿引发的大规模合成代谢下降E.coli在氨基酸供应缺乏或不足时，会引发大规模合成代谢的下降。该现象命名为严谨应答（stringentresponse）。严谨因子（stringentfactor）GTP+ATP（p）ppGpp+PiRelA严谨反应的直接触发因子目录氨基酸饥饿时，细菌对有限的营养物选择地利用，优先合成最必需的蛋白质，暂缓或不合成对生命活动非至关重要的蛋白质。严谨应答的生物学意义：第三节

Lambda噬菌体的基因表达调控RegulationofgeneexpressioninLambdaphage

一、Lambda噬菌体调控区段的表达产物与生活周期有关λ噬菌体的生活史溶菌生长途径(lysispathway)溶源菌生长途径(lysogenicpathway)Lambda噬菌体的溶原和裂解生活周期

Lambda噬菌体的基因结构和调控区域二、cI基因表达的阻遏蛋白封闭大部分基因使λ进入溶原周期λ的转录按先后分即刻早期(immediateearly)，晚早期(delayearly)和晚期(late)，三期的表达依次连续相互制约。前两期转录是双向的。晚期转录单向，在环状基因组从R沿环到A-J结构区，和向左到达重组区的晚早期转录汇合，完成一个转录周期。表达产物供溶菌周期装配感染型噬菌体。调控的主要关键在阻遏蛋白基因cI。cI两侧启动子受宿主RNApol催化向左转录出12SRNA，翻译为抗终止蛋白N；向右转录出7SRNA，翻译为Cro蛋白。Cro蛋白有封闭阻遏蛋白基因的作用。N蛋白在nut位点帮助RNApol越过左、右终止点tR和tL，进行晚早转录，并继续完成晚期转录。晚期转录之前，还受另一抗终止蛋白Q的活化。——这些都是完成溶菌作用的必须条件。首先是cⅡ的表达，CⅡ开启cI。cI

表达的阻遏蛋白结合左、右操纵序列OL和OR。E.coli的RNApol结合PR后不能向右转录，无法完成晚早和晚期表达，没有结构蛋白的生成。PL的启动活性比PR强，可使重组区表达，产物分别有附加（att），整合（int），和切割（xis）作用。完成整合后，CIII维持cII

活性，CⅡ开启cI。cI单独表达，产生的阻遏蛋白封闭启动子，进入溶原状态。溶原状态的建立：Lambda溶菌和溶原建立的调控溶菌溶原第四节

原核生物翻译水平的基因表达调控RegulationoftranslationalgeneexpressioninProkaryotes一、衰减是转录-翻译的偶联调控色氨酸操纵子（trpoperon）除了产物阻遏负调控外，还有转录衰减（attenuation）调控方式。TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶?色氨酸操纵子的作用原理UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽15’trp密码子结构基因前导DNARNA聚合酶当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构前导mRNA二、SOS反应由操纵子网络组成的调节子控制

DNA损伤作为信号引发多个操纵子同步协调表达，称为SOS反应或应答(SOSresponse)。由操纵子群组成的网络系统称为调节子(regulon)。

SOS基因紫外线激活RecALexA阻遏蛋白

与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因表达LexA阻遏蛋白操纵序列DNASOS调节子三、核糖体蛋白与rRNA合成是互相协调的原核生物的16SrRNA与21种核糖体蛋白(ribosomalproteins)，简称r-蛋白，组成核糖体小亚基；5S和23SrRNA与31种r-蛋白组成大亚基。大、小亚基在翻译起始组合为70S核糖体。蛋白质事物合成是生存的最基本需要，细胞必然要严格控制rRNA和r-蛋白的比例。核糖体蛋白基因与RNApol亚基基因的多顺反子操纵子基因簇表达产物rif(rpoBC)rpL-K-A-J-L-rpoB-rpoCL-11-1-10-12-RNApol-B-BrpoArpsM-K-D-rpoA-rpL-QS13-11-4-RNApol-O-L-17spcrpL-N-X-E-rpsN-H-rpL-F-R-rpsE-