大學(xué)生物遺傳學(xué)：第十一章原核基因表達調(diào)控

1、Control of gene expression in prokaryote 幾個重要概念幾個重要概念一、調(diào)控可分為正調(diào)控與負調(diào)控一、調(diào)控可分為正調(diào)控與負調(diào)控二、結(jié)構(gòu)基因簇中各成員是協(xié)同調(diào)控的二、結(jié)構(gòu)基因簇中各成員是協(xié)同調(diào)控的三、三、Lac操縱子基因的表達受阻抑物控制操縱子基因的表達受阻抑物控制四、乳糖操縱子是可誘導(dǎo)的四、乳糖操縱子是可誘導(dǎo)的五、阻抑物由小分子誘導(dǎo)物所控制五、阻抑物由小分子誘導(dǎo)物所控制六、用順式作用的組成型突變來鑒定操縱基因六、用順式作用的組成型突變來鑒定操縱基因七、用反式作用的突變來鑒定調(diào)控基因七、用反式作用的突變來鑒定調(diào)控基因八、多亞基蛋白質(zhì)具有特殊的遺傳性八、多亞基蛋

2、白質(zhì)具有特殊的遺傳性九、阻抑物結(jié)合于操縱基因上九、阻抑物結(jié)合于操縱基因上十、阻抑物結(jié)合誘導(dǎo)物后從操縱基因上脫離十、阻抑物結(jié)合誘導(dǎo)物后從操縱基因上脫離十一、阻抑物單體具有多個結(jié)構(gòu)域十一、阻抑物單體具有多個結(jié)構(gòu)域十二、阻抑物由兩個二聚體組成四聚體十二、阻抑物由兩個二聚體組成四聚體十三、阻抑物與十三、阻抑物與DNA的結(jié)合是通過別構(gòu)作用來調(diào)節(jié)的的結(jié)合是通過別構(gòu)作用來調(diào)節(jié)的十四十四、突變體的表表型與結(jié)構(gòu)域的構(gòu)型有關(guān)突變體的表表型與結(jié)構(gòu)域的構(gòu)型有關(guān)十五、阻抑物與三個操縱基因結(jié)合并與十五、阻抑物與三個操縱基因結(jié)合并與RNARNA聚合酶相互作用聚合酶相互作用十六、操縱基因與低親和力位點競爭性地結(jié)合阻抑物十六、

3、操縱基因與低親和力位點競爭性地結(jié)合阻抑物十七、阻遏可發(fā)生在多個基因座上十七、阻遏可發(fā)生在多個基因座上十八、啟動子與操縱基因相對位置具有多樣性十八、啟動子與操縱基因相對位置具有多樣性十九十九 小小 結(jié)結(jié) 結(jié)構(gòu)基因（結(jié)構(gòu)基因（structural genestructural gene） 編碼各類具有不同結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)編碼各類具有不同結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)的基因（的基因（或或rRNArRNA基因、基因、tRNAtRNA基因基因）。）。 調(diào)控基因（調(diào)控基因（regulator generegulator gene） 編碼蛋白質(zhì)或編碼蛋白質(zhì)或RNARNA來調(diào)節(jié)其他基因表達的來調(diào)節(jié)其他基因表達的基因?；?/p>

4、因。 操縱基因（操縱基因（operatoroperator） DNADNA上的一個位點，阻抑物能與之結(jié)合抑上的一個位點，阻抑物能與之結(jié)合抑制相鄰啟動子起始轉(zhuǎn)錄。制相鄰啟動子起始轉(zhuǎn)錄。阻抑物（阻抑物（repressorrepressor） 能阻止基因表達的蛋白質(zhì)，它可與能阻止基因表達的蛋白質(zhì)，它可與DNADNA操縱基因結(jié)合來阻止轉(zhuǎn)錄或結(jié)合操縱基因結(jié)合來阻止轉(zhuǎn)錄或結(jié)合RNARNA來阻來阻止蛋白質(zhì)的翻譯。止蛋白質(zhì)的翻譯。操縱子（操縱子（operonoperon） 細菌基因表達和調(diào)控的單位，包括結(jié)細菌基因表達和調(diào)控的單位，包括結(jié)構(gòu)基因和能被調(diào)控基因產(chǎn)物識別的構(gòu)基因和能被調(diào)控基因產(chǎn)物識別的 DNADNA

5、控制元件?？刂圃?。lactose operonThe simplest form of the regulatory model ：A regulator gene codes for a protein that acts at a target site on DNA 負調(diào)控（負調(diào)控（negative control） 阻抑物與操縱基因結(jié)合來阻止有關(guān)基阻抑物與操縱基因結(jié)合來阻止有關(guān)基因的表達。因的表達。 正調(diào)控（正調(diào)控（positive control） 調(diào)控因子通過與啟動子元件結(jié)合來激調(diào)控因子通過與啟動子元件結(jié)合來激活基因的表達?；罨虻谋磉_。In negative control,

6、a trans-acting repressor binds to the cis-acting operator to turn off transcription.In positive control, trans-acting factors must bind to cis-acting sites in order for RNA polymerase to initiate transcription at the promoter. 正調(diào)控和負調(diào)控的共同點：正調(diào)控和負調(diào)控的共同點： 調(diào)控蛋白作為反式作用因子調(diào)控蛋白作為反式作用因子，通過與順式，通過與順式作用元件相互作用激活或抑

7、制基因表達。作用元件相互作用激活或抑制基因表達。 雖調(diào)控蛋白與雖調(diào)控蛋白與DNADNA結(jié)合長度較長，但僅靠結(jié)合長度較長，但僅靠識別識別DNADNA上的短序列上的短序列( (常小于常小于10 bp10 bp) )起作用。起作用。The lac operon occupies 6000 bp of DNA. The long lacZ gene is followed by the lacY and lacA genes. 位于位于lac基因簇起點的啟動子與操縱基因具基因簇起點的啟動子與操縱基因具有重疊區(qū)域；有重疊區(qū)域； 阻抑物與操縱基因結(jié)合就可控制阻抑物與操縱基因結(jié)合就可控制lacZYA基基因簇

8、的轉(zhuǎn)錄。因簇的轉(zhuǎn)錄。 阻抑物是由阻抑物是由lacI基因編碼、具有基因編碼、具有4個相同亞個相同亞基的四聚體?；乃木垠w。Repressor and RNA polymerase bind at sites that overlap around the transcription startpoint of the lac operon.-5+21lacI基因編碼的阻抑物基因編碼的阻抑物(repressor) 可以對操縱子進行誘導(dǎo)的小分子，其結(jié)構(gòu)可以對操縱子進行誘導(dǎo)的小分子，其結(jié)構(gòu)通常與操縱子所表達的酶的底物的結(jié)構(gòu)相通常與操縱子所表達的酶的底物的結(jié)構(gòu)相同或類似。同或類似。 -半乳糖苷（含乳糖）

9、是半乳糖苷（含乳糖）是lacZYA基因編碼基因編碼的酶可識別的底物。的酶可識別的底物。 -半乳糖苷不存在時，乳糖操縱子的表達半乳糖苷不存在時，乳糖操縱子的表達水平極低。加入水平極低。加入-半乳糖苷可誘導(dǎo)乳糖操半乳糖苷可誘導(dǎo)乳糖操縱子中三個結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。縱子中三個結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。Addition of inducer results in rapid induction of lac mRNA, and is followed after a short lag by synthesis of the enzymes; removal of inducer is followed by rap

10、id cessation of synthesis.Results of experimentwhen cells of E. coli are grown in the absence of a -galactoside, there is no need for -galactosidase, and they contain very few molecules of the enzymesay, 90 around the center of symmetry. 應(yīng)急應(yīng)答（應(yīng)急應(yīng)答（stringent responsestringent response）：）： 當細菌發(fā)現(xiàn)它們處于很差

11、的生長環(huán)境，沒有足夠的當細菌發(fā)現(xiàn)它們處于很差的生長環(huán)境，沒有足夠的氨基酸來維持蛋白質(zhì)合成時，它們就會停止大部分活動，氨基酸來維持蛋白質(zhì)合成時，它們就會停止大部分活動，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為應(yīng)急應(yīng)答應(yīng)急應(yīng)答。 應(yīng)急應(yīng)答應(yīng)急應(yīng)答產(chǎn)生兩種非正常的核酸堆積物產(chǎn)生兩種非正常的核酸堆積物 有時又稱預(yù)有時又稱預(yù)警子警子(alarmone(alarmone)，即，即ppGppppGpp和和pppGpppppGpp ，統(tǒng)稱，統(tǒng)稱(P)PPGPP(P)PPGPP。 (P)PPGPP(P)PPGPP的作用是協(xié)同調(diào)控大量的分子活動。的作用是協(xié)同調(diào)控大量的分子活動。 (P)PPGPP(P)PPGPP水平和細菌生長速率

12、一般呈相反關(guān)系。水平和細菌生長速率一般呈相反關(guān)系。 應(yīng)急應(yīng)答使得應(yīng)急應(yīng)答使得rRNArRNA和和tRNAtRNA的合成量大幅減少（的合成量大幅減少（10-10-20%20%），一些），一些mRNAmRNA的合成也減少（的合成也減少（1/31/3）。蛋白質(zhì)的降解）。蛋白質(zhì)的降解速率增加，許多代謝調(diào)節(jié)作用開始發(fā)生。速率增加，許多代謝調(diào)節(jié)作用開始發(fā)生。 應(yīng)急因子應(yīng)急因子RelA是一種是一種(p)ppGpp合成酶，約與合成酶，約與5%的核糖體結(jié)合在一起。的核糖體結(jié)合在一起。 當當A位被空載位被空載tRNA占據(jù)時，占據(jù)時， RelA被激活。被激活。 一個空載一個空載tRNA進入進入A位就生成一個位就生成

13、一個(p)ppGppStringent factor catalyzes the synthesis of pppGpp and ppGpp; ribosomal proteins can dephosphorylate pppGpp to ppGpp. In normal protein synthesis, the presence of aminoacyl-tRNA in the A site is a signal for peptidyl transferase to transfer the polypeptide chain, followed by movement catal

14、yzed by EF-G; But under stringent conditions, the presence of uncharged tRNA causes RelA protein to synthesize (p)ppGpp and to expel the tRNA. ppGpp阻止阻止rRNA的轉(zhuǎn)錄。在編碼的轉(zhuǎn)錄。在編碼rRNA的操縱子中，啟動子上轉(zhuǎn)錄起的操縱子中，啟動子上轉(zhuǎn)錄起始被特異地抑制。始被特異地抑制。 ppGpp能縮短許多或大部分模板的轉(zhuǎn)能縮短許多或大部分模板的轉(zhuǎn)錄延伸期，原因可能是錄延伸期，原因可能是ppGpp引起的引起的不斷增高的不斷增高的RNA聚合酶的暫停反應(yīng)

15、。聚合酶的暫停反應(yīng)。The figure summarizes the systems that are used to control rRNA transcription in response to growth rate.Nucleotide levels control initiation of rRNA transcription. This means that the production of ribosomes, and thus the level of protein synthesis, in turn respond to the levels of ATP an

16、d GTP, which reflect the nutritional condition of the cell. 一種翻譯調(diào)節(jié)方式：一種翻譯調(diào)節(jié)方式： 與與mRNAmRNA上靶區(qū)結(jié)合的蛋白質(zhì)通過阻遏上靶區(qū)結(jié)合的蛋白質(zhì)通過阻遏核糖體識別起始區(qū)來實現(xiàn)阻抑物的功能核糖體識別起始區(qū)來實現(xiàn)阻抑物的功能，這和與這和與DNADNA結(jié)合的阻抑物防止結(jié)合的阻抑物防止RNARNA聚合酶聚合酶識別啟動子的機制是相對應(yīng)的。識別啟動子的機制是相對應(yīng)的。A regulator protein may block translation by binding to a site on mRNA that overla

17、ps the ribosome-binding site at the initiation codon. Proteins that bind to sequences within the initiation regions of mRNAs may function as translational repressors. 另一種翻譯調(diào)控方式：另一種翻譯調(diào)控方式： 一個順反子的翻譯需要前一個一個順反子的翻譯需要前一個順反子翻譯所引起的二級結(jié)構(gòu)變順反子翻譯所引起的二級結(jié)構(gòu)變化來調(diào)控?；瘉碚{(diào)控。Secondary structure can control initiation. Only

18、 one initiation site is available in the RNA phage, but translation of the first cistron changes the conformation of the RNA so that other initiation site(s) become available. The cistrons always are expressed in a set order. r-蛋白（核糖體蛋白，蛋白（核糖體蛋白，ribosomal proteins）操縱子的翻譯是由此操縱子）操縱子的翻譯是由此操縱子的表達產(chǎn)物來控制的，

19、該產(chǎn)物可與的表達產(chǎn)物來控制的，該產(chǎn)物可與多順反子多順反子mRNA上某個位點結(jié)合。上某個位點結(jié)合。Genes for ribosomal proteins, protein synthesis factors, and RNA polymerase subunits are interspersed in a small number of operons that are autonomously regulated. Translation of the r-protein operons is autogenously controlled and responds to the leve

20、l of rRNA. A mechanism to link r-protein synthesis to rRNA synthesis.About autogenous regulation: Autogenous regulation: the gene coding for the regulatory product is itself one of the targets for regulation. negative autogenous regulation: the regulatory protein inhibits expression of a contiguous

21、set of genes within the operon. p32 p32與其自身的與其自身的mRNAmRNA結(jié)結(jié)合來阻遏翻譯的起始。合來阻遏翻譯的起始。 T4噬菌體基因噬菌體基因p32表達的表達的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)p32在遺傳在遺傳重組、重組、DNA修復(fù)和復(fù)制中起著主要作用，修復(fù)和復(fù)制中起著主要作用，它的功能是由它與單鏈它的功能是由它與單鏈DNA的結(jié)合能力來的結(jié)合能力來決定的。決定的。 基因的無義突變使無活性蛋白質(zhì)過量表達，基因的無義突變使無活性蛋白質(zhì)過量表達，因此當因此當p32蛋白蛋白功能被阻遏后，就會有更多功能被阻遏后，就會有更多的該的該p32蛋白蛋白產(chǎn)生，這個效應(yīng)發(fā)生在翻譯水產(chǎn)生，這個效

22、應(yīng)發(fā)生在翻譯水平上。平上。Excess gene 32 protein (p32) binds to its own mRNA to prevent ribosomes from initiating translation. Gene 32 protein binds to various substrates with different affinities, in the order single-stranded DNA, its own mRNA, and other mRNAs. Binding to its own mRNA prevents the level of p32

23、from rising 10-6 M. 微管前體，即游離的微管蛋白，微管前體，即游離的微管蛋白，可抑制微管蛋白可抑制微管蛋白mRNA的翻譯。的翻譯。Tubulin is assembled into microtubules when it is synthesized. Accumulation of excess free tubulin induces instability in the tubulin mRNA by acting at a site at the start of the reading frame in mRNA or at the corresponding p

24、osition in the nascent protein. Note:1) 在那些將合成為大分子聚合物的蛋白在那些將合成為大分子聚合物的蛋白質(zhì)中，自主調(diào)節(jié)是一種普遍的調(diào)控方質(zhì)中，自主調(diào)節(jié)是一種普遍的調(diào)控方法。法。2）蛋白質(zhì)）蛋白質(zhì)自主調(diào)控自主調(diào)控是一種內(nèi)在的自我是一種內(nèi)在的自我限制系統(tǒng)，在自主調(diào)節(jié)的情況中，關(guān)限制系統(tǒng)，在自主調(diào)節(jié)的情況中，關(guān)鍵的參數(shù)是蛋白質(zhì)本身的濃度。鍵的參數(shù)是蛋白質(zhì)本身的濃度。 調(diào)控調(diào)控RNARNA中必需發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形中必需發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成可以使轉(zhuǎn)錄終止發(fā)生衰減。成可以使轉(zhuǎn)錄終止發(fā)生衰減。 最直接的衰減機制涉及到促使最直接的衰減機制涉及到促使發(fā)夾結(jié)構(gòu)發(fā)夾結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或不穩(wěn)定穩(wěn)定或

25、不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)。的蛋白質(zhì)。Attenuation occurs when a terminator hairpin in RNA is not prevented from forming. trp operon) 在啟動子和色氨酸基因簇的第一條在啟動子和色氨酸基因簇的第一條基因之間存在一個衰減子基因之間存在一個衰減子(attenuator)(attenuator)(又稱又稱內(nèi)在終止子內(nèi)在終止子）The trp operon consists of five contiguous structural genes preceded by a control region that includ

26、es a promoter, operator, leader peptide coding region, and attenuator. 轉(zhuǎn)錄增加十倍）轉(zhuǎn)錄增加十倍）本質(zhì)：本質(zhì)：衰減作用受衰減作用受mRNAmRNA二級結(jié)構(gòu)改變的二級結(jié)構(gòu)改變的控制并取決于核糖體結(jié)合控制并取決于核糖體結(jié)合mRNAmRNA的位置。的位置。An attenuator controls the progression of RNA polymerase into the trp genes. RNA polymerase initiates at the promoter and then proceeds to

27、position 90, where it pauses before proceeding to the attenuator at position 140. 色氨酸操縱子的前導(dǎo)區(qū)有一個由色氨酸操縱子的前導(dǎo)區(qū)有一個由1414個個密碼子密碼子組成的可讀框，其中包含編碼組成的可讀框，其中包含編碼色氨酸的兩個密碼子。色氨酸的兩個密碼子。 衰減子處的衰減子處的RNARNA結(jié)構(gòu)取決于這個讀框是結(jié)構(gòu)取決于這個讀框是否被翻譯。否被翻譯。The trp leader region can exist in alternative base-paired conformations. The center

28、shows the four regions that can base pair. Region 1 is complementary to region 2, which is complementary to region 3, which is complementary to region 4. On the left is the conformation produced when region 1 pairs with region 2, and region 3 pairs with region 4. On the right is the conformation whe

29、n region 2 pairs with region 3, leaving regions 1 and 4 unpaired. The alternatives for RNA polymerase at the attenuator depend on the location of the ribosome, which determines whether regions 3 and 4 can pair to form the terminator hairpin. 14321234In the presence of tryptophan tRNA, ribosomes tran

30、slate the leader peptide and are released. This allows hairpin formation, so that RNA polymerase terminates. In the absence of tryptophan tRNA, the ribosome is blocked, the termination hairpin cannot form, and RNA polymerase continues. RNA RNA引入真核生物細胞時，可引入真核生物細胞時，可以阻斷其靶基因的表達。以阻斷其靶基因的表達。Antisense RNA

31、 can be generated by reversing the orientation of a gene with respect to its promoter, and can anneal with the wild-type transcript to form duplex RNA. At what level does the antisense RNA inhibit expression? It could in principle prevent: 1) transcription of the authentic gene, 2) processing of its

32、 RNA product, or 3) translation of the messenger. The inhibition depends on formation of RNARNA duplex molecules, but this can occur either in the nucleus or in the cytoplasm. 調(diào)節(jié)因子調(diào)節(jié)因子RNARNA通過與靶通過與靶RNARNA形成雙鏈形成雙鏈區(qū)域來行使功能。區(qū)域來行使功能。 雙鏈體可以阻遏翻譯起始，引起轉(zhuǎn)雙鏈體可以阻遏翻譯起始，引起轉(zhuǎn)錄終止，或產(chǎn)生一個核酸內(nèi)切酶的錄終止，或產(chǎn)生一個核酸內(nèi)切酶的作用靶點。作用靶點。A

33、 protein that binds to a single-stranded region in a target RNA could be excluded by a regulator RNA that forms a duplex in this region. By binding to a target RNA to form a duplex region, a regulator RNA may create a site that is attacked by a nuclease. The secondary structure formed by base pairin

34、g between two regions of the target RNA may be prevented from forming by base pairing with a regulator RNA. In this example, the ability of the 3 end of the RNA to pair with the 5 end is prevented by the regulator. 細菌中的調(diào)節(jié)因子細菌中的調(diào)節(jié)因子RNA是短的分子，是短的分子，統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為sRNA。大腸桿菌包含至少大腸桿菌包含至少17種種不同的不同的sRNA，有一些，有一些sRNA是

35、普遍的是普遍的調(diào)節(jié)因子，可以影響許多靶基因。調(diào)節(jié)因子，可以影響許多靶基因。Oxy R（可被（可被H2O2刺激表達的基因）刺激表達的基因）Oxy S （靶基因之一）（靶基因之一） Oxy S RNA（超過超過10個靶基因個靶基因轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄氧化應(yīng)急反應(yīng)展示了氧化應(yīng)急反應(yīng)展示了RNA作為調(diào)節(jié)因子的通用控制作為調(diào)節(jié)因子的通用控制系統(tǒng)的一個有趣例子。系統(tǒng)的一個有趣例子。oxyS RNA inhibits translation of flhA mRNA by base pairing with a sequence just upstream of the AUG initiation codon. 動物

36、和植物基因組編碼許多短的動物和植物基因組編碼許多短的RNA分子（約分子（約22個堿基），稱為微小個堿基），稱為微小RNA（microRNA，miRNA). 。微小微小RNA通過與靶通過與靶mRNA 序列互補配序列互補配對原則來調(diào)節(jié)基因的表達。對原則來調(diào)節(jié)基因的表達。lin4 RNA regulates expression of lin14 by binding to the 3 nontranslated region. The lin4 RNA is an example of a microRNA (miRNA). There are 80 genes in the C. elegans genome coding for microRNAs of 21-24 nucleotide length. They have varying patterns of expression during development and are likely to be regulators of gene expression. Many of the C. elegans microRNAs have homologues in mammals, so the mechanism may