原核基因表達(dá)調(diào)控

基因表達(dá)是指貯存在DNA序列中的遺傳信息經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物學(xué)功能的過程永久型和調(diào)節(jié)型表達(dá)原核基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)=基因轉(zhuǎn)錄+翻譯原核基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控（regulationofgeneexpression）：對基因表達(dá)過程各層次的調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)錄水平（transcriptionallevel）轉(zhuǎn)錄后水平（post-transcriptionallevel）翻譯水平（translationlevel）翻譯后水平（post-translationlevel）原核基因表達(dá)調(diào)控主要是轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控1.DNA序列2.調(diào)控蛋白3.DNA-蛋白質(zhì)相互作用RNA聚合酶活性原核基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)的調(diào)控方式:阻遏負(fù)調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列基因的表達(dá)(相應(yīng)蛋白質(zhì)降低)促進(jìn)正調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列基因的表達(dá)

(相應(yīng)蛋白質(zhì)增加)原核基因表達(dá)調(diào)控第一節(jié)原核生物基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)調(diào)控原核基因表達(dá)調(diào)控一、乳糖操縱子(lactoseoperon)操縱子（operon）：原核生物中幾個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列組成的一個基因表達(dá)的協(xié)同單位（DNA序列）.一個操縱子=編碼序列（2-6）+啟動序列+操縱序列+(其他調(diào)節(jié)序列)原核基因表達(dá)調(diào)控乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌以葡萄糖為能量來源葡萄糖充分時：

與葡萄糖代謝有關(guān)的酶基因---表達(dá)

與其他糖代謝有關(guān)的酶基因---關(guān)閉葡萄糖耗盡時，乳糖存在（培養(yǎng)基）：

與乳糖代謝有關(guān)的酶基因---表達(dá)

與葡萄糖代謝有關(guān)的酶基因---關(guān)閉原核基因表達(dá)調(diào)控細(xì)菌對乳糖的利用及其相關(guān)的酶:乳糖(在透過酶作用下進(jìn)入細(xì)菌）β半乳糖苷酶

（細(xì)菌中少量存在）異構(gòu)乳糖β半乳糖苷酶

（細(xì)菌中少量存在）

葡萄糖+半乳糖

β半乳糖苷酶（細(xì)菌中少量存在）轉(zhuǎn)乙?；冈嘶虮磉_(dá)調(diào)控IPOZYa控制位點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因DNA阻遏蛋白啟動序列操縱序列β半乳糖苷酶β半乳糖苷透過酶乙?；D(zhuǎn)移酶（一）乳糖操縱子（lactoseopron）結(jié)構(gòu)RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)調(diào)控基因原核基因表達(dá)調(diào)控（二）Lac阻遏物的作用---負(fù)調(diào)控Lac阻遏物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)調(diào)控機(jī)制（負(fù)調(diào)控）由基因I編碼生成的蛋白質(zhì)具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)具有4個相同亞基每個亞基中都有一與誘導(dǎo)劑結(jié)合的位點(diǎn)Lac阻遏物與O基因結(jié)合：結(jié)構(gòu)基因關(guān)閉Lac阻遏物與誘導(dǎo)劑結(jié)合：不與O基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因開放RNA聚合酶結(jié)合，轉(zhuǎn)錄開始原核基因表達(dá)調(diào)控生理性誘導(dǎo)劑實驗常用誘導(dǎo)劑別位乳糖異丙基硫代半乳糖（IPTG）Lac操縱子誘導(dǎo)劑原核基因表達(dá)調(diào)控IOOρ誘導(dǎo)劑乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控圖15-4原核基因表達(dá)調(diào)控可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化原核基因表達(dá)調(diào)控（三）CAP-cAMP復(fù)合物在乳糖操縱子表達(dá)中

的作用----乳糖操縱子的正調(diào)控低葡萄糖、高乳糖、高cAMP時：

Lac阻遏蛋白不封閉轉(zhuǎn)錄,CAP+cAMP

加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄。原核基因表達(dá)調(diào)控葡萄糖存在時：優(yōu)先利用葡萄糖作為能源。與阻遏蛋白的存在有關(guān)--乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控與cAMP有關(guān)：葡萄糖

cAMPLac操縱子（-）只有乳糖存在時：只能利用乳糖解除阻遏蛋白的作用CAP-cAMP復(fù)合物的激活作用CAP+cAMP乳糖操縱子導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄(正調(diào)控)cAMP在原核生物中的作用（饑餓信號）CAP(分解物基因激活物蛋白):有二個相同亞基的蛋白質(zhì)一個與DNA結(jié)合的domain一個與cAMP結(jié)合的domain原核基因表達(dá)調(diào)控IPOZYa調(diào)控基因控制位點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因DNA阻遏蛋白啟動序列cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)操縱序列β半乳糖苷酶通透酶乙?；D(zhuǎn)移酶乳糖操縱子（lactoseopron）結(jié)構(gòu)RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)原核基因表達(dá)調(diào)控

CAP-cAMP復(fù)合物

在乳糖操縱子表達(dá)中的作用---正調(diào)控條件2:低乳糖條件3:低乳糖條件4:高葡萄糖低cAMP高乳糖Lac阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時,CAP對該系統(tǒng)不發(fā)揮作用條件1:低葡萄糖高cAMP高乳糖Lac阻遏蛋白不封閉轉(zhuǎn)錄時,沒有CAP存在,也無高效轉(zhuǎn)錄活性。Lac阻遏蛋白不封閉轉(zhuǎn)錄,CAP+cAMP加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄。OOOOO圖15-5原核基因表達(dá)調(diào)控原核生物基因表達(dá)的一般情況

（乳糖操縱子）環(huán)境條件的變化是相關(guān)基因表達(dá)的外界信號基因表達(dá)的負(fù)調(diào)控基因表達(dá)的正調(diào)控正、負(fù)調(diào)控協(xié)同表達(dá)葡萄糖、乳糖濃度的變化Lac阻遏物與操縱基因cAMP+CAP與相應(yīng)的DNA序列原核基因表達(dá)調(diào)控二、色氨酸操縱子

1.阻遏物對色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控

調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因

催化分支酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼?/p>

的酶

trpRtrp原核基因表達(dá)調(diào)控阻遏物對色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控

阻遏物+Trp結(jié)合操縱基因相同二個共阻遏物亞基組成的蛋白質(zhì)高Trp時：阻遏物+Trp結(jié)合操縱基因低Trp時：阻遏物不結(jié)合操縱基因原核基因表達(dá)調(diào)控2.衰減作用對色氨酸操縱子的調(diào)控衰減子（attenuator）---DNA位于L基因中,離E基因5’端約30-60bp。通過衰減子（轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)）使轉(zhuǎn)錄終止。高Trp時：衰減子起作用，終止轉(zhuǎn)錄。

產(chǎn)生“衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物”（mRNA)，轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián)，同時產(chǎn)生“前導(dǎo)肽”。原核基因表達(dá)調(diào)控

前導(dǎo)肽轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)圖15-6原核基因表達(dá)調(diào)控TheleaderRNAandleaderpeptideofthetrpoperon原核基因表達(dá)調(diào)控LowTrpHighTrpComplementary2:3ElongationoftranscriptionComplementary3:4terminationoftranscription原核基因表達(dá)調(diào)控高Trp時：Trp-tRNATrp存在

核糖體通過片段1(2個Trp密碼子)

封閉片段2

片段3，4形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)類似于不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止序列RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄,產(chǎn)生衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián),產(chǎn)生前導(dǎo)肽原核基因表達(dá)調(diào)控低Trp時：Trp-tRNATrp沒有供應(yīng)核糖體翻譯停止在片段1

（2個Trp密碼子）片段2，3形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)錄不終止

RNA聚合酶繼續(xù)轉(zhuǎn)錄原核基因表達(dá)調(diào)控三、其他操縱子的調(diào)控機(jī)制

1．半乳糖操縱子大腸桿菌半乳糖操縱子(galactoseoperon)包括3個結(jié)構(gòu)基因：

異構(gòu)酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，

半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galactosetransferase,galT)，

半乳糖激酶(galactosekinase,galk)。

這3個酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖-1-磷酸。GalR與galE、T、K及操縱區(qū)O等離得很遠(yuǎn)，而galR產(chǎn)物對galO的作用與lacI-lacO的作用相同。原核基因表達(dá)調(diào)控原核基因表達(dá)調(diào)控

gal操縱子的特點(diǎn)：

①它有兩個啟動子，其mRNA可從兩個不同的起始點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄；

②它有兩個O區(qū)，一個在P區(qū)上游-67--53，另一個在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。原核基因表達(dá)調(diào)控分析gal操縱子P-O區(qū)的DNA序列發(fā)現(xiàn)，該操縱子確實存在兩個相距僅5bp的啟動子，可以分別起始mRNA的合成。每個啟動子擁有各自的RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)S1和S2。

從S1起始的轉(zhuǎn)錄只有在培養(yǎng)基中無葡萄糖時，才能順利進(jìn)行，RNA聚合酶與S1的結(jié)合需要半乳糖、CAP和較高濃度的cAMP。從S2起始的轉(zhuǎn)錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由這個啟動子起始的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)有cAMP-CAP時，轉(zhuǎn)錄從S1開始，當(dāng)無cAMP-CAP時，轉(zhuǎn)錄從S2開始。原核基因表達(dá)調(diào)控2．阿拉伯糖操縱子

阿拉伯糖(arabinose)是另一個可以為代謝提供碳源的五碳糖。在大腸桿菌中阿拉伯糖的降解需要3個基因：araB、araA和araD，分別編碼3個酶：araB基因編碼核酮糖激酶(ribulokinase)，araA編碼L-阿拉伯糖異構(gòu)酶(L-arabinoseisomerase)，araD編碼L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構(gòu)酶(L-ribulose-5phosphate-4epimerase)。與araBAD相鄰的是一個復(fù)合的啟動子區(qū)域和一個調(diào)節(jié)基因araC，這個AraC蛋白同時顯示正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的功能。AraBAD和araC基因的轉(zhuǎn)錄是分別在兩條鏈上以相反的方向進(jìn)行的。在標(biāo)準(zhǔn)的遺傳學(xué)圖譜上，araBAD基因簇從啟動子PBAD開始向左進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，而araC基因則是從Pc向右轉(zhuǎn)錄。原核基因表達(dá)調(diào)控原核基因表達(dá)調(diào)控原核基因表達(dá)調(diào)控AraC蛋白作為PBAD活性正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的雙重功能是通過該蛋白的兩種異構(gòu)體來實現(xiàn)的。Pr是起阻遏作用的形式，可以與現(xiàn)在尚未鑒定的類操縱區(qū)位點(diǎn)相結(jié)合，而Pi是起誘導(dǎo)作用的形式，它通過與PBAD啟動子結(jié)合進(jìn)行調(diào)節(jié)。在沒有阿拉伯糖時，Pr形式占優(yōu)勢；一旦有阿拉伯糖存在，它就能夠與AraC蛋白結(jié)合，使平衡趨向于Pi形式。這樣，阿拉伯糖的誘導(dǎo)作用就可以解釋為阿拉伯糖與Pr的結(jié)合，使Pr離開它的結(jié)合位點(diǎn)，然后，產(chǎn)生大量的Pi，并與啟動子結(jié)合。原核基因表達(dá)調(diào)控3.組氨酸操縱子

與His降解代謝有關(guān)的兩組酶類被稱為hut酶(histidineutilizingenzyme)，控制這些酶合成的操縱子被稱為hutoperon。由一個多重調(diào)節(jié)的操縱子控制，有兩個啟動子，兩個操縱區(qū)及兩個正調(diào)節(jié)蛋白。

Hut操縱子共編碼4種酶和一個阻遏物。4種酶分別由hutG、hutH、hutI及hutU基因編碼，阻遏物則由hutC基因編碼。在產(chǎn)氣克氏菌中，以上基因構(gòu)成兩個轉(zhuǎn)錄單位，hutI、hutG、hutC和hutU、hutH分別被轉(zhuǎn)錄合成兩條mRNA長鏈。這兩個轉(zhuǎn)錄單位各自都有一個啟動子和一個操縱區(qū)，其轉(zhuǎn)錄過程都是從左向右進(jìn)行的，hutC阻遏物能與每個操縱區(qū)相結(jié)合。原核基因表達(dá)調(diào)控原核基因表達(dá)調(diào)控?zé)o論以組氨酸作為唯一碳源或氮源，hut操縱子都會處于有活性狀態(tài)。Hut操縱子的每一個啟動子上都有cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)，當(dāng)碳供應(yīng)匱乏時，能合成cAMP，出現(xiàn)cAMP-CAP復(fù)合物，并與操縱區(qū)上的相應(yīng)位點(diǎn)結(jié)合，誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄。雖然尚不清楚氮源缺乏時的信號是什么，但它很可能也是一個正效應(yīng)子。原核基因表達(dá)調(diào)控4.多啟動子調(diào)控的操縱子

I．rRNA操縱子

大腸桿菌rRNA操縱子（rrnE）上有兩個啟動子，P1和P2。P1是強(qiáng)啟動子，營養(yǎng)充沛時，由P1起始的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物比由P2起始的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物高3-5倍。當(dāng)營養(yǎng)匱乏時，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。原核基因表達(dá)調(diào)控II.核糖體蛋白SI操縱子

核糖體蛋白SI操縱子（rpsA），它也受應(yīng)急反應(yīng)調(diào)節(jié)。RpsA有4個啟動子，P1、P2是強(qiáng)啟動子，平時主要依靠它們來啟動基因的表達(dá)，合成SI蛋白。P3、P4是弱啟動子，只有在緊急情況下，P1、P2啟動子受ppGpp的抑制，由P3、P4起始合成的SI蛋白維持了生命的最低需要。原核基因表達(dá)調(diào)控III.DnaQ蛋白操縱子

DnaQ蛋白是DNA聚合酶全酶的亞基之一，其主要功能是校正DNA復(fù)制中可能出現(xiàn)的錯誤。在RNA聚合酶活性較低時，操縱子的轉(zhuǎn)錄由弱啟動子P2控制；而RNA聚合酶活性較高時，就開始利用強(qiáng)啟動子P1。原核基因表達(dá)調(diào)控四、轉(zhuǎn)錄水平上的其它調(diào)控方式1σ因子的調(diào)節(jié)作用原核基因表達(dá)調(diào)控2組蛋白類似蛋白的調(diào)節(jié)作用細(xì)菌中一些非特異性的DNA結(jié)合蛋白，用來維持DNA的高級結(jié)構(gòu)，這些蛋白稱為組蛋白類似蛋白（histone-likeproteins）H-NS包含2個結(jié)構(gòu)域，DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域和蛋白－蛋白相互作用結(jié)構(gòu)域原核基因表達(dá)調(diào)控3轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的作用能夠與基因的啟動子區(qū)結(jié)合，對基因的轉(zhuǎn)錄起激活或抑制作用的DNA結(jié)合蛋白稱為轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子CRP、FNR、IHF、Fis、ArcA、NarL和Lrp調(diào)控了50％基因的表達(dá)調(diào)控結(jié)果的差異原核基因表達(dá)調(diào)控4抗終止因子的調(diào)節(jié)作用原核基因表達(dá)調(diào)控四、原核生物種的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控

原核基因表達(dá)調(diào)控1mRNA自身結(jié)構(gòu)元件對翻譯起始的調(diào)節(jié)起始密碼子的差異，GUG14%,UUG3%RBS：SD序列結(jié)構(gòu)及其與起始密碼子之間的距離mRNA的二級結(jié)構(gòu)原核基因表達(dá)調(diào)控2mRNA的穩(wěn)定性對轉(zhuǎn)錄水平的影響CsrAB調(diào)節(jié)系統(tǒng)，CsrA為RNA結(jié)合蛋白，CsrB為RNA分子糖原合成途徑中酶的編碼基因glg的mRNA的調(diào)控降解原核基因表達(dá)調(diào)控原核基因表達(dá)調(diào)控3調(diào)節(jié)蛋白的調(diào)控作用mRNA結(jié)合蛋白可激活靶基因的翻譯。BipA蛋白能激活fismRNA的翻譯mRNA特異性抑制蛋白通過與核糖體競爭性結(jié)合mRNA分子來抑制翻譯的起始。如在rRNA不足的情況下核糖體蛋白抑制自身mRNA的翻譯原核基因表達(dá)調(diào)控4反義RNA的調(diào)節(jié)作用一些非編碼的小RNA分子能與mRNA中的特定序列配對并改變所配對mRNA分子的構(gòu)象，導(dǎo)致翻譯過程被開啟或關(guān)閉原核基因表達(dá)調(diào)控原核基因表達(dá)調(diào)控5稀有密碼子對翻譯的影響

已知dnaG和rpoD（編碼RNA聚合酶亞基）及rpsU同一個操縱子，而這3個基因產(chǎn)物在數(shù)量上卻大不相同，每個細(xì)胞內(nèi)僅有dnaG產(chǎn)物50拷貝，而rpoD為2800拷貝，rpsU則高達(dá)40000拷貝之多。細(xì)胞通過翻譯調(diào)控，解決了這個問題。

研究dnaG序列發(fā)現(xiàn)其中含有不少稀有密碼子，也就是說這些密碼子在其他基因中利用頻率很低，而在dnaG中卻很高。

許多調(diào)控蛋白如LacI