原核生物基因表达调控专家讲座

第一节原核生物基因表示调控概述一、基因表示调控意义在一定调整机制控制下，基因经过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等过程。大多数基因表示产物是蛋白质,部分基因如tRNA和rRNA基因表示产物是RNA。围绕基因表示过程中发生各种各样调整方式都通称为基因表示调控。原核生物基因表达调控专家讲座第1页原核生物基因表达调控专家讲座第2页在生物体生命活动中并不是全部基因都同时表示，在生物体代谢过程中所需要各种酶和蛋白质基因以及组成细胞化学成份各种编码基因，在正常情况下是连续表示，而与生物发育过程相关基因则要在特定时间和空间才进行表示。（1）时间特异性或阶段特异性（2）空间特异性或组织细胞特异性原核生物基因表达调控专家讲座第3页1时间特异性按功效需要，某一特定基因表示严格按特定时间次序发生，称之为基因表示时间特异性(temporalspecificity)。多细胞生物基因表示时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。原核生物基因表达调控专家讲座第4页2空间特异性（spatialspecificity）在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不一样组织空间次序出现，称之为基因表示空间特异性(spatialspecificity)。基因表示伴随时间次序所表现出这种分布差异，实际上是由细胞在器官分布决定，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。原核生物基因表达调控专家讲座第5页二、原核生物基因表示调控特点与方式（1）原核生物基因表示调控包含在DNA水平、转录水平、转录后水平和翻译水平，但转录水平调整是最有效、最经济方式，也是最主要调整方式。（2）原核生物基因表示调控多以操纵子为单位进行，即将功效相关基因组织在一起，同时开启或关闭基因表示。（3）基因调控模式可分成两大类，正调控和负调控，原核生物以负调控为主。原核生物基因表达调控专家讲座第6页转录水平上调控转录后水平上调控原核生物基因表达调控专家讲座第7页操纵子学说1961年，法国巴斯德研究院FrancoisJacob（雅各布）与JacquesMonod（莫洛）提出，获1965年诺贝尔生理学和医学奖。原核生物基因表达调控专家讲座第8页

操纵子(operon)

结构基因

开启子

操纵基因

调整基因(promoter)(operator)阻抑蛋白原核生物基因表达调控专家讲座第9页三、原核生物基因表示调控几个主要概念结构基因：编码细胞结构和基本代谢活动所必要RNA和蛋白质基因。调整基因：编码合成那些参加基因表示调控RNA和蛋白质特异DNA序列。调整基因编码调整物经过与DNA上特定位点结合控制转录是调控关键。顺式作用元件（cis-actingelements）:调整基因表示DNA序列。反式作用因子（trans-actingfactors）：调整基因表示蛋白质因子，可直接或间接结合顺式作用元件。原核生物基因表达调控专家讲座第10页正调控和负调控正调控(positivecontrol)在没有调整蛋白质存在时基因是关闭，加入某种调整蛋白后基因活性就被开启，这么调控为正转录调控。调整基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白调整蛋白原核生物基因表达调控专家讲座第11页负调控（negativecontrol)在没有调整蛋白质存在时基因是表示，加入这种调整蛋白质后基因表示活性便被关闭，这么调控负转录调控。调整基因操纵基因结构基因阻遏蛋白不转录，基因封闭原核生物基因表达调控专家讲座第12页2024/4/1913

正调控（positiveregulation）与缺乏调控因子时比较，若调控因子使靶基因表示水平上升。调控因子称激活蛋白（activator）正调控可分为：可诱导正调控系统调整因子在诱导物作用下，能与开启子结合开启结构基因转录。可阻遏正调控系统调整因子可与开启子结合，促进结构基因转录。但当其与辅阻遏物结合后，不能开启结构基因转录。原核生物基因表达调控专家讲座第13页2024/4/1914原核生物基因表达调控专家讲座第14页2024/4/1915负调控（negativeregulation）与缺乏调控因子时比较，若调控因子使基因表示水平下降，甚至关闭，调控因子称阻遏蛋白（repressor）负调控可分为：可诱导负调控系统阻遏蛋白与操纵基因结合，可阻止结构基因转录，但有诱导物时，它与阻遏蛋白结合从而解除对结构基因转录抑制。可阻遏负调控系统阻遏蛋白不影响结构基因转录，但它与辅阻遏物结合后，抑制结构基因转录。原核生物基因表达调控专家讲座第15页2024/4/1916原核生物基因表达调控专家讲座第16页四、原核生物基因表示调控机制1代谢产物对基因活性调整

一些基因特殊代谢产物对基因活性调整含有诱导或阻遏作用。一些基因在特殊代谢物或化合物作用下，由原来关闭状态转变为工作状态，即在一些物质诱导下使基因活化.如乳糖操纵子，调整分解代谢操纵子，同时受cAMP-CAP活性调整原核生物基因表达调控专家讲座第17页2弱化子对基因活性影响弱化子：在操纵基因与结构基因之间一段能够终止转录作用核苷酸序列。当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸序列起终止转录信号作用。UUUU……RNA聚合酶起调整作用是某种氨酰-tRNA浓度原核生物基因表达调控专家讲座第18页RNA在分子内采取不一样碱基配对方式，形成不一样二级结构而参加调控。当不一样结构对是否允许终止存在差异时，改变二级结构可对转录终止进行调控。

弱化子作用机制原核生物基因表达调控专家讲座第19页UUUU……UUUU……调整区结构基因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……原核生物基因表达调控专家讲座第20页5’trpmRNAtrpL1234寡聚U区trpE(a)正常(b)高[Trp]12转录终止34(C)低[Trp]1234转录延伸原核生物基因表达调控专家讲座第21页原核生物基因表达调控专家讲座第22页UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.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聚合酶终止原核生物基因表达调控专家讲座第23页UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子

结构基因前导DNARNA聚合酶2.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原核生物基因表达调控专家讲座第24页原核生物基因表达调控专家讲座第25页3降解物对基因活性调整葡萄糖效应（降解物抑制作用）是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌碳源时葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖存在阻止了其它糖类利用现象。原核生物基因表达调控专家讲座第26页降解物对基因活性调整葡萄糖经过降低cAMP含量而抑制基因表示原核生物基因表达调控专家讲座第27页4细菌应急反应

细菌应急反应指细菌在恶劣生长环境中关闭tRNA和核糖体形成能力。原核生物基因表达调控专家讲座第28页细菌应急反应机制应急信号：鸟苷四磷酸（ppGpp）、鸟苷五磷酸（pppGpp）诱导物：空载tRNA焦磷酸转移酶原核生物基因表达调控专家讲座第29页30DiscoveryofOperon

1940年，Monod发觉：细菌在含葡萄糖和乳糖培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。JacquesMonod

第二节乳糖操纵子原核生物基因表达调控专家讲座第30页2024/4/19311951年，Monod与Jacob合作，发觉两基因：

Z基因：与合成β-半乳糖苷酶相关；

I基因：决定细胞对诱导物反应。1961年,F.Jacob&J.Monod提出乳糖操纵子学说，

今后不停完善。1965年获诺贝尔生理学和医学奖。FrancisJacob

JacquesMonod

原核生物基因表达调控专家讲座第31页一、乳糖操纵子（lacoperon）结构与组成

调控区阻遏基因开启子控制基因

结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAI原核生物基因表达调控专家讲座第32页Lac操纵子P、O区重合原核生物基因表达调控专家讲座第33页乳糖操纵子模型Z、Y、A基因产物为一条多顺反子mRNAlacZ：编码β-半乳糖苷酶，它能够将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运输透过细菌细胞壁；lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。原核生物基因表达调控专家讲座第34页乳糖操纵子结构基因及其表示产物原核生物基因表达调控专家讲座第35页二、酶诱导-lac体系受调控证据在不含乳糖及β-半乳糖苷培养基中，lac+基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有1～2个酶分子。假如在培养基中加入乳糖，酶浓度很快到达细胞总蛋白量6%或7%，每个细胞中可有超出105个酶分子。1试验证据原核生物基因表达调控专家讲座第36页原核生物基因表达调控专家讲座第37页原核生物基因表达调控专家讲座第38页2024/4/1939mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因（1）Lac阻遏物作用---负调控原核生物基因表达调控专家讲座第39页原核生物基因表达调控专家讲座第40页2024/4/1941mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol开启转录mRNA乳糖异乳糖乳糖操纵子为一个可诱导负控制系统原核生物基因表达调控专家讲座第41页（2）CAP正性调整原核生物基因表达调控专家讲座第42页代谢物阻遏效应研究认为葡萄糖一些降解产物抑制lacmRNA合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应。原核生物基因表达调控专家讲座第43页葡萄糖效应原核生物基因表达调控专家讲座第44页原核生物基因表达调控专家讲座第45页

原核生物基因表达调控专家讲座第46页Catabolitegeneactivationproteinsite-10site-35siteCACCCCAGGCTTTACACTTTATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTGAGCGGATAACAATTTCACACCTCATTAGGACTCGATTGAGTGTAATTA5’3’Operonregion20bpRNApolymerasebindingregionorpromoterregionPrimarystructureoflacoperonregulationregion5’TATAAT3’Pribnowbox原核生物基因表达调控专家讲座第47页原核生物基因表达调控专家讲座第48页（3）协调调整当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。原核生物基因表达调控专家讲座第49页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-polOOOO原核生物基因表达调控专家讲座第50页mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因弱开启子控制组成型合成二、阻遏蛋白作用机制原核生物基因表达调控专家讲座第51页原核生物基因表达调控专家讲座第52页原核生物基因表达调控专家讲座第53页阻遏蛋白结构含有对称性，是相同亚基组成四聚体。原核生物基因表达调控专家讲座第54页原核生物基因表达调控专家讲座第55页原核生物基因表达调控专家讲座第56页原核生物基因表达调控专家讲座第57页第三节色氨酸操纵子原核生物基因表达调控专家讲座第58页trp操纵子结构阻遏型操纵子trpAtrpBtrpCtrpEtrpDPtrpOtrp前导序列aTrp阻抑物色氨酸激活RNAtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA色氨酸合成所需酶trpR一、trp操纵子阻遏系统原核生物基因表达调控专家讲座第59页酶阻遏操纵子模型辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构基因表示。调整基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白.........辅阻遏蛋白原核生物基因表达调控专家讲座第60页trp操纵子阻遏调控机制色氨酸操纵子主要参加调控一系列用于色氨酸合成代谢酶蛋白转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成色氨酸过多时，此操纵子被关闭。色氨酸操纵子调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。原核生物基因表达调控专家讲座第61页TrpTrp浓度高时Trp浓度低时mRNAOPtrpR调整区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操纵子——阻遏调整?原核生物基因表达调控专家讲座第62页二、色氨酸操纵子弱化系统（一）弱化子在操纵区与结构基因之间一段能够终止转录作用核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.调整区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234原核生物基因表达调控专家讲座第63页UUUU……RNA聚合酶起调整作用是某种氨酰-tRNA浓度原核生物基因表达调控专家讲座第64页（二）前导肽UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’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原核生物基因表达调控专家讲座第65页原核生物基因表达调控专家讲座第66页（三）mRNA前导区序列分析前导区mRNA上有两个连续色氨酸密码子；前导序列上有4个分别以1、2、3、4表示片断能以两种不一样方式进行碱基配对，有时以1-2和3-4配对，有时只以2-3方式互补配对。UUUU……前导mRNA1234原核生物基因表达调控专家讲座第67页（四）转录弱化作用mRNA转录终止是经过前导肽基因翻译来调整。在前导肽基因中有两个相邻色氨酸密码子，故这个前导肽翻译必定对tRNATrp浓度敏感。原核生物基因表达调控专家讲座第68页原核生物基因表达调控专家讲座第69页（五）衰减子生物学意义活性阻遏物和非活性阻遏物转变可能较慢，而tRNA荷载是否可能更为灵敏；氨基酸主要用途是合成蛋白质，因而以tRNA荷载情况为标准来进行控制可能更为恰当。当细胞内氨基酸高于某一水平时，能够实现完全阻遏；而只有低于这一水平时，才需用衰减子这个调整系统来进行调整，阻遏蛋白和衰减子调整机制都是为了防止浪费，提升效率。原核生物基因表达调控专家讲座第70页第四节转录后水平调控方式一、mRNA本身结构元件对翻译其实调整1、SD序列对翻译影响SD序列：mRNA起始密码前一段富含嘌呤核苷酸序列(9-12bp)。

5′-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3′SD序列次序及位置对翻译影响SD与AUG之间相距普通以4-10个核苷酸为佳，9个核苷酸最正确。原核生物基因表达调控专家讲座第71页………RBS原核生物基因表达调控专家讲座第72页2、mRNA二级结构对翻译起始调控SDsequenceAUG~10basesUAAGGAGGU:complementarywith16srRNA5’原核生物基因表达调控专家讲座第73页原核生物基因表达调控专家讲座第74页原核生物基因表达调控专家讲座第75页原核生物基因表达调控专家讲座第76页试验证据RNA引物由dnaG基因编码引物酶催化合成。dnaG、rpoD及rpsU属于大肠杆菌基因组上同一个操纵子基因转录出来三个蛋白对应mRNA拷贝数大致相同，因为翻译调控使得蛋白拷贝数发生了很大改变。二、稀有密码子对翻译影响原核生物基因表达调控专家讲座第77页原核生物基因表达调控专家讲座第78页因为细胞内对应于稀有密码子tRNA较少，高频率使用这些密码子基因翻译过程轻易受阻，影响了蛋白质合成总量。原核生物基因表达调控专家讲座第79页三、重合基因对翻译影响A基因B基因A基因终止密码子与B基因起始密码子重合原核生物基因表达调控专家讲座第80页重合密码确保了同一核糖体对两个连续基因进行翻