分子生物學第十一章原核基因表達的調控

基因表達調控(ControllingoftheGeneExpression)9原核生物基因表達的調控9.1基因表達概述9.2操縱元控制理論9.3基因轉錄的時序調控9.4轉錄后加工的調控9.5翻譯水平的調控朱玉賢孫乃恩9.1.1生物遺傳信息C值矛盾CvalueparadoxGenomeDNA10%;結構基因的編碼序列

tripletcodon90%;重復，間隔，調節(jié)序列…

基因選擇性表達指令重要的遺傳信息9.1基因表達概述.遺傳信息的兩大類別II類；特定DNAseq.+特定蛋白質結合基因表達的指令geneon／offI類；DNAseq.RNAseq.(codon)teinphenotype

(centraldogma)9.1.2遺傳信息表達的方式組成型表達（constitutiveexpression）有些基因產(chǎn)物，如tRNA,rRNA,RNApol，參與代謝的有關酶類

幾乎都是細胞的基本組分Housekeepinggene編碼這些特異產(chǎn)物的基因，在大多數(shù)生命周期中持續(xù)表達

誘導型表達

（inducibleexpressionbysignalingmolecular）有些基因的編碼產(chǎn)物，只是為了滿足在特定環(huán)境條件下，細胞生長的特殊要求當環(huán)境變化時，不再需要這類產(chǎn)物，其基因表達活性關閉

LuxurygeneCis-actingelement

能夠影響同一條或相連DNA序列活性的特定DNA片段例如，啟動子9.1.3順、反因子間互作方式的基因表達調控Trans-actingfactor

一種基因的蛋白質產(chǎn)物，能夠影響位于基因組另一條染色體上的（或基因組別處的）另一個基因的表達活性例如，RNA聚合酶原核生物對環(huán)境的適應，相關的應答真核生物的細胞分化,組織特化,個體發(fā)育環(huán)境對個體表型的影響9.1.4基因表達的調控RNA轉錄的開/關，數(shù)量，選擇性加工蛋白質翻譯速率，數(shù)量，加工與降解和分泌…9.2

Operonmodel

操縱元1961,F.Jacob&J.Monod提出,

不斷完善一種完整的具有特定功能的細菌基因表達和調節(jié)的單位，包括調節(jié)基因，操縱位點，結構基因，組成一個控制單元FrancisJacob

JacquesMonod

結構基因產(chǎn)生mRNA,合成蛋白質操縱位點

promotor,operator：啟動子結合位點調節(jié)基因

產(chǎn)生阻遏蛋白（與操縱位點結合）

→結構基因不轉錄誘導物存在時，可與阻遏蛋白結合

→結構基因轉錄ControlelementStructuralgenes9.2.1乳糖操縱元lactoseoperon酶的誘導現(xiàn)象B-半乳糖苷酶1。結構乙?；D移酶半乳糖苷透性酶?-半乳糖苷酶調節(jié)基因操作位點分解底物的酶只有在底物存在時才出現(xiàn)2。酶的誘導現(xiàn)象無乳糖時，幾個B-gal/cell

加入乳糖時，5000個再去掉乳糖，lacmRNA下降

乳糖能激發(fā)lacmRNA的合成

乳糖的誘導作用是由酶前體轉化而來，還是誘導新酶合成？培養(yǎng)基（35S-aa,無乳糖）→E.coli繁殖培養(yǎng)基（無35S-aa,加入乳糖）→β-gal(無35S)調控機理1調控區(qū)結構lacI,1045bp，獨立PiP,82bp，－82～＋1O,35bp，－7～＋28lacZYA體外結合競爭實驗:

阻遏物＋RNApol,off2.阻遏狀態(tài)

RNApol＋阻遏物，on3誘導狀態(tài)誘導物誘導作用：在可誘導的操縱元中，加入對基因表達有調節(jié)額作用的小分子后，開啟基因的轉錄活性4誘導物不是乳糖生成lac誘導物乳糖代謝Allolctose

異構乳糖別乳糖gratuitousinducer

安慰誘導物

義務誘導物可誘導半乳糖苷酶產(chǎn)生，但不是其底物IPTG，異丙基半乳糖苷TMG，巰甲基半乳糖苷ONPG,O-硝基半乳糖苷在研究誘導作用時，很少使用乳糖阻遏蛋白的作用機制1阻遏蛋白結構38KD，4聚體，一個亞基結合一個IPTG分子lacI

組成型轉錄

Pi弱啟動子，

5－10個／cell具有二重性阻止轉錄（與lacO結合）

開始轉錄（與誘導物結合）阻遏蛋白的結構域

頭段，-NH2端，lacO結合區(qū)

絞鏈區(qū)

核心段，-COOH，誘導物結合區(qū)4個亞基的核心片段接觸形成四聚體

對稱軸，+112.

阻遏蛋白的結合位點（lacO的結構）

TGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGT

+1

+10+20對稱序列，6bpFigure10.16Whenarepressortetramerbindstotwooperators,thestretchofDNAbetweenthemisforcedintoatightloop.(ThebluestructureinthecenteroftheloopedDNArepresentsCAP,anotherregulatorproteinthatbindsinthisregion).PhotographkindlyprovidedbyMitchellLewis.無誘導物存在時，細胞內不存在游離的阻遏蛋白四聚體

一個四聚體特異結合在lacO

其他四聚體隨機結合加入誘導物后

誘導物～阻遏蛋白

→變構

→阻遏蛋白與lacO親合力下降

→結構基因轉錄誘導物代謝完畢，一個四聚體回到lacO

3

阻遏蛋白與lacO的相互作用4阻遏蛋白對RNApol功能的影響阻遏蛋白和RNApol可同時與DNA結合平衡常數(shù)1.9X1072.5X109結合著的RNApol不能轉錄二者的結合位點相鄰，并非相互重疊阻遏蛋白實際上使RNApol貯存在啟動子上。這一模式是否存在于其它操縱元系統(tǒng)中？

lac

operon的正調控

1。代謝物阻遏效應實驗，在lac＋Glu培養(yǎng)基上

E.coli只利用G

只有G耗盡時，才會利用lac葡萄糖抑制lacmRNA的轉錄

可阻止誘導物引起的阻遏物失活效應僅去掉阻遏物并不能啟動lac基因表達,有其它因素參與

葡萄糖對lac操縱元表達的抑制是間接的

葡萄糖的降解產(chǎn)物是通過cAMP與

CAP結合起作用的

環(huán)化腺苷酸CAP,cataboliteactivatorproteinCRP,catabolitereceptorprotein缺乏G

cAMP增加與CAP形成復合物促進轉錄

2CAP結合位點二聚體，45KD，由crp編碼被cAMP激活結合位點～22bpI-70~-50II-50~-40不同基因受cAMP激活的水平不同結合位點序列保守

3CAP的結合對DNA構型的影響DNA彎曲彎曲點位于CAP結合位點二重對稱的中心彎曲使CAP能與啟動子上的RNApol

接觸4

CAP對轉錄的影響（1）CAP結合位點與轉錄起始點的位置CAP與轉錄起始點的距離，相距數(shù)個整雙螺旋CAP結合位點在啟動子的上下游，都能發(fā)揮作用（2）基因轉錄對cAMP—CAP系統(tǒng)的依賴性，

與啟動子本身的效率有關無CAP時，-35序列不能與RNApol

結合

-10序列可與RNApol

結合，不轉錄（閉合啟動子復合物）加入CAP，轉錄

lacUV-5突變，-10區(qū)TATGTT→TATAAT

在無CAP時，轉錄

DNAtopI

突變，降低起始轉錄對CAP的依賴

cAMP-CAP復合物的結合，使位點II附近的富含GC區(qū)域雙螺旋結構穩(wěn)定性降低，因而-10區(qū)的熔解溫度降低，促進開放型啟動子復合物的形成（3）CAP激活轉錄的方式CAP直接作用于RNApola亞基缺失RNApola亞基的—C末端時，失去受CAP激活的能力作用于DNA，改變其結構lac

operon

的其它問題lac

operon的功能是在正負兩個相互獨立的調控體系作用下實現(xiàn)的CAP，組成型合成cAMP－CAP復合物取決于cAMP腺苷酸環(huán)化酶位于細胞膜，

活性與葡萄糖運輸?shù)拿赣嘘P降解物敏感型操縱元乳糖，半乳糖，阿拉伯糖等2.A基因及其生理功能編碼B-半乳糖苷乙?；D移酶，使半乳糖苷乙?；肴樘擒疹愇镔|的分解產(chǎn)物不能進一步代謝，積累，抑制細胞生長

lacA抑制有害物質的積累3.lac基因產(chǎn)物數(shù)量，1：0.5：0.2

核糖體脫離（多順反子的差別性翻譯）內切酶作用CABA:RNApolymeraseB:lacrepressorC:CRP-cAMPSummarySummaryoflac

operonregulationGlucosecAMPLactoseTranscriptionoflacmRNAHighLowAbsentessentiallynoneHighLowPresentlowrateofexpressionLowHighAbsentessentiallynoneLowHighPresenthighrateofexpression9.2.2Trp

operon基因組成trpR,阻遏蛋白P，-40~+18O,-21~+1L,+1~+162結構基因t,A下游36bp,不依賴pt’,t下游250bp，依賴psne29Trp

operon

的阻遏系統(tǒng)1TrpR四聚體阻遏蛋白＋trp

→

有活性的阻遏物

＋trpO→不轉錄SNE2992阻遏蛋白的結合位點

trpO-21~+1，反向重復序列trpP-40~+18活性阻遏物與trpO

的結合RNApol與啟動子的結合SNE2993阻遏系統(tǒng)主管轉錄是否啟動，TrpmRNA一旦起始合成，不能自動延伸一般在trpE之前終止轉錄粗調開關弱化作用

attenuation1弱化子，衰減子，α前導RNA，140bpα弱化子，衰減子，α序列分析發(fā)現(xiàn)，其中4個片段進行配對，形成不同的二級結構2前導肽14aa第10,11位是兩個連續(xù)的Trp

S3123轉錄弱化作用LackoftrpLackofaminoacyltRNARibosomepauseattrpdons,occludingsequence1Form2:3hairpin(anti-terminator)TranscriptionintotrpEandbeyond高Trp時HightrpTrpisinsertedatthetrpcodonsTranslatetotheendofleadermessageRibosomeoccludesequence2Terminatetranscriptionat(3:4)弱化子對轉錄調控的關鍵hasanefficientribosome-bindingsite

空間結構，10thand11thcodonsencodetrpresidues(rareAA)時間，核糖體停頓在2個Trp

密碼子上時，產(chǎn)生延宕，此時4區(qū)未轉錄出來Theleaderpeptideistodeterminertrpavailabilityandtoregulatetranscriptiontermination14–amino-acid(encodedby27-68oftheleaderRNAsummary阻遏作用與弱化作用的協(xié)調阻遏效率啟動子的轉錄起始頻率相差70倍弱化作用

trp存在時，約有10％的RNApol僥幸轉錄

-trp

活性阻遏物－－－－→

無活性阻遏物

←－－－－

+trp

經(jīng)濟9.2.3trp操縱子具有雙重調節(jié)體系？

為什么還需要弱化系統(tǒng)當trp濃度低時，阻遏物從有活性變?yōu)闊o活性，速度極慢，不能很快引發(fā)trp

合成因此需要一個能快速作出反應的系統(tǒng)，以保持培養(yǎng)基中適當?shù)腡rp水平為什么還需要阻遏體系當大量Trp

存在時，阻遏物與之結合，阻止先導mRNA合成

9.2.4正控制系統(tǒng)和負控制系統(tǒng)

負控制系統(tǒng)：在沒有調節(jié)蛋白質存在時基因表達，加入調節(jié)蛋白后基因表達活性被關閉阻遏蛋白：負控制系統(tǒng)中的調節(jié)蛋白Addsignalmol.

OperonoffCo-repressor輔阻遏物Addsignalmol.

OperononInducer誘導物(inducibleoperon)(repressibleoperon)正控制系統(tǒng)：沒有調節(jié)蛋白質存在時基因關閉,加入這種調節(jié)蛋白質后基因活性被開啟誘導蛋白9.3基因轉錄的時序調控概念：原核生物在生長發(fā)育的各個階段，基因的表達是按照一定時間順序進行的意義有效利用能源避免不適當?shù)谋磉_，造成的危害途徑亞基的更換（枯草桿菌，E.coli，T4phage）

T7噬菌體生長過程中RNApol的替代

噬菌體基因表達的調控

9.3.1亞基的更換枯草桿菌噬菌體SPO1早中晚基因表達的轉換SPO1，烈性噬菌體如何實現(xiàn)早中晚基因表達的轉換?通過更換亞基，使SPO1的早中晚基因有條不紊地表達早期，2‘55，產(chǎn)生gp28gp28

取代

55中期，gp28取代55產(chǎn)生gp33,gp34晚期,gp33,gp34取代

gp28，

55枯草桿菌中每個因子都能識別具有特征性的一致序列的一組啟動子調節(jié)蛋白質相互取代的原因，可能是它們與核心酶的親和力所決定的E.coli

熱休克基因的表達熱激反應（熱休克，熱震驚）應急反應正常情況下，70

高溫下，

32

，32kD

rpoH

識別熱休克基因的啟動子70S304不同熱休克基因識別的啟動子序列不同70，熱激反應中不需要，但大量表達！?從E.coli到人類，都有熱休克基因不同種屬中，熱激蛋白的氨基酸序列高度相關

Phs

，熱休克啟動子為恢復正常秩序作準備Phs70大多數(shù)熱休克基因，在細菌適應較高溫度后，停止表達。如大腸桿菌，42度，20分鐘9.3.2T7phage生長過程中RNA聚合酶的取代s3069.3.3噬菌體基因表達的調控生活史Lyticphase裂解

烈性噬菌體：只俱有溶菌生長周期的噬菌體Lysogenicphase溶源

原噬菌體：在溶源性細菌內存在的雜合或非雜合的噬菌體DNA

溶源性細菌：具有一套完整噬菌體基因組的細菌溫和噬菌體即能進入溶源周期，又能進入溶菌周期的噬菌體誘導，溶源性細菌受外界因素（UV，絲裂霉素C）影響，原噬菌體脫離細菌染色體，進行自主復制，導致細菌裂解phage基因組48502bp，雙鏈S3phage的基因轉錄左向早期操縱元,PL阻遏蛋白操縱元,PM右向早期操縱元,PRPR1右向晚期操縱元,PR’PR2S39,2061前早期轉錄產(chǎn)生轉錄物L1,PL~tL1,NR1,PR~tR1,croN蛋白

抗終止蛋白有兩個結合位點，nutL,nutR

長17bp,其中有5bp的反向重復序列

AGCCCTGAAPUAAGGGCATCGGGACTTPYTTCCCGTS207N結合在nut位點上，當RNApol通過時，N與RNApol結合，修飾酶的構象，通過tL1,tR1,繼續(xù)轉錄S2075bppalindromictL1NNutL1PLPRNpCRONptR1NutL1PLtL1NpReading-throughNutR1tR1NpS207Nus,Nutilizationsubstance2晚早期轉錄轉錄物

L2,cⅢ，bet,exo,xis,intR2,cⅡ，O,PR3,QQ，抗終止蛋白,qutPaq(anti-Qpromter)在Q基因內，有依賴于cII蛋白的啟動子轉錄方向相反轉錄產(chǎn)物為～200bp的RNA，不編碼pro，與Q基因的5‘部分序列互補Q基因內，存在cII蛋白結合位點cII蛋白抑制晚期基因轉錄3晚期轉錄PR’R4,6SRNA(194bp)，功能？

R5，頭部，尾部，組裝，裂解

phage對溶原、溶菌生長的調控

phage進入寄主細胞后,沒有任何調節(jié)蛋白

前早期轉錄(PL,PR)：N，cro

晚早期轉錄：cII,O,P,Q,cIIIphage侵染寄主后，是進入溶源／溶菌過程，

是cI

和cro蛋白競爭操作位點的過程cI~cro(trans-factor)operator(cis-factor)S381cI

，OL1>OL2>OL3OR1>OR2>OR3cro

，OL1<OL2<OL3OR1<OR2<OR3OR1OR2OR3OL1OL2OL3cro基因的表達早于cIcI基因表達需要cII,cIII蛋白寄主體內的hfl基因產(chǎn)物（蛋白酶）可水解cII蛋白cro表達cI不表達cro結合于OR3PMoffO,P,Q晚期基因表達A~J,S,Rlytic1溶菌生長PRonPLonN,cIII2導致噬菌體溶源化的因素寄主能源枯竭時，hfl蛋白酶減少

MOI（：Ecoli）過高時cII表達

cIII

PE

Cro反義RNAPaq→抑制QmRNA

cIcI>cro與OR1(OL1)結合，PR,PLoff，PEoff(negativecontrol)PMon(positivecontrol)lysogeny抑制PRcII,cIII促進PE轉錄出cIcI與OR1,OR2結合,關閉PE,開啟PM9.4轉錄后加工的調控9.4.1經(jīng)mRNA切割進行的調控多順反子，無需加工，即可翻譯例外，T3，T7噬菌體的早晚期基因RNaseIII切割9.4.2通過切割釋放rRNArDNA,tDNA排列在一個操縱元中S213P16P23RNaseIII30smRNA

RNaseIII

內切酶作用于雙鏈識別發(fā)夾結構9.5翻譯水平的調控9.5.1翻譯過程中的自體調控阻遏蛋白對翻譯起始的調控

與mRNA翻譯起始區(qū)內序列結合抑制翻譯的阻遏蛋白阻遏蛋白靶基因作用位點R17外被蛋白R17復制酶核糖體結合位點的發(fā)夾T4RegA

早期T4mRNA包括AUG的各種序列T4DNA聚合酶

T4DNA聚合酶S—D序列T4p32基因32單鏈5’端前導序列mRNA二級結構對翻譯的調控單鏈噬菌體R17基因表達的調控（孫319）蛋白質合成的自體調控表達受自身基因產(chǎn)物的調控主要是核酸結合蛋白可與mRNA，rRNA結合例如，E.coli蛋白質合成釋放因子RF2

核糖體蛋白質的合成

T4噬菌體蛋白p32的合成例，核糖體蛋白質合成的自體調控1蛋白質基因散布在幾個操縱元中細菌基因表達裝置包括核糖體蛋白質輔助因子

RNApol亞基單拷貝混合排列，組成若干個操縱元zyj254S324現(xiàn)已知6個以其中第一個已知功能的基因命名在一個操縱元中，各基因產(chǎn)物常無功能上的相關性幾個操縱元的共同特點表達受自身基因產(chǎn)物的調控調控蛋白是核糖體蛋白（r—蛋白）調控蛋白可與mRNA，rRNA結合結合位點序列同源性高，有相似的二級結構調控蛋白與rRNA的結合能力大于mRNAS3252調控模式調控蛋白核糖體裝配(S324)阻止r－蛋白翻譯

r－蛋白與mRNA結合

結合位點位于S-D序列附近3在同一個操縱元中，有的基因產(chǎn)物受控制，有的不受控制？是否有自己的S-D序列L11～L1每個操縱元中受控制的基因總是連在一起4核糖體蛋白質合成自體調控模式的意義通過控制rRNA，實現(xiàn)對核糖體所有蛋白質合成的控制

保證r-蛋白的合成水平與rRNA的量協(xié)調一般在每個核糖體中有一個r-蛋白分子由這些操縱元編碼的其它蛋白質，合成不受r—蛋白基因翻譯的影響。

Str，EF-Tu蛋白，是核糖體的10倍

rif，RNApolB亞基比核糖體數(shù)目少

9.5.2stringentresponsecontrol嚴謹反應，應急反應原核生物在在不良營養(yǎng)條件下生長時，由于缺乏氨基酸，關閉大量的代謝過程，生長緩慢。是細菌的一種適應性表現(xiàn)rRNA，

tRNA轉錄下降某些mRNA合成下降

pro,降解核苷酸，脂類，糖合成下降ppGpp,pppGpp

增加

magicspot魔斑魔斑的產(chǎn)生Idlingreaction，

當缺乏aa時，相應的aa-tRNA缺乏，空載的tRNA

仍能與核糖體A位結合，結果無法形成肽鍵relA基因編碼一種蛋白質，stringentfactor核糖體50S蛋白質L11的基因splKtRNA基因的TC位置

relAGTP＋ATPpppGpp+AMPr-proteinEF-TuEF-GGDP＋ATPppGpp＋AMP＋Pi

relAppGpp的調控機制？當生存條件恢復時，ppGpp降解GDPSpoT報警素，alarmones(p)ppGpp，細菌缺乏氨基酸cAMP，細菌C源供應不足AppppA，雙腺苷四磷酸

原核細胞內tRNA缺乏真核細胞中復制叉停頓9.5.3attenuatorcontrol弱化作用：通過前導肽的翻譯來控制mRNA的合成在第一個結構基因上游操作位點下游，存在前導區(qū)前導區(qū)序列編碼短的前導肽

前導肽中有與操縱元相應的連續(xù)氨基酸（見表）前導序列mRNA可通過堿基配對，形成不同的二級結構，阻礙結構基因的轉錄可阻遏的正控制，核糖體，正調控蛋白氨?！猼RNA，輔阻遏物在負責氨基酸，核苷酸合成的操縱元中普遍存在s31