52Regulationoftranscriptioninprokaryotes

1、5. transcription5.1 transcription in prokaryotes5.2 regulation of transcription in prokaryotes5.3 transcription in eukaryotes5.4 regulation of transcription in eukaryotes 5.5 rrna process and rnps 5.2 regulation of transcription in prokaryotes5.2.1 the lac operon5.2.2 the trp operon5.2.1 the lac ope

2、ronnthe operon model was proposed by jacob and monod in 1961the operon is a unit of gene expression and regulation, includes: lthe structural genes for enzymes involved in a specific biosynthetic pathway whose expression is coordinately (協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)) controlled.lcontrol elements such as an operator sequenc

3、e, which is a dna seq that regulate transcription of the structural genes.lregulator genes whose products recognize（識別）（識別） the control elements. nthe lactose operonle. coli can use lactose as a source of carbon. the enzymes required for the use of lactose as a carbon source are only synthesized whe

4、n latose is available as the sole carbon source.p3 structure genes: lacz, lacy, lacallacz -galactosidase, hydrolysis of lactose to galactose and glucosellacy galactoside permease, lactose transport across the bacterial cell wallllaca thiogalactoside transacetylase (硫代半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；噶虼肴樘擒辙D(zhuǎn)乙?；?ppromoter p

5、lac ; ppolycistronic (多順反子多順反子) mrna; poperator site olac -5 - +20nthe lac repressorpthe laci gene encodes the lac repressor, which is active as a tetramer(四聚體四聚體) of identical subunits.pthe lac operator site consists of 28bp which is palindromic (回文結(jié)構(gòu)的回文結(jié)構(gòu)的). pin the absence of lactose, the repress

6、or occupies the operator-binding site. the repressor actually increases the binding of the polymerase to the lac promoter.ninduction pin the absence of inducer, the lac repressor blocks all but a very low level of transcription of laczya. when lactose is added to cells, the low basal level of the pe

7、rmease allows its uptake, and -galactosidase catalyzes the conversion of some lactose to allolactose (異乳糖異乳糖).pallolactose act as an inducer and binds to the lac repressor. removal of the lac repressor from the operator site allows to begin transcription. psynthetic inducer: iptg(異丙基巰基半乳糖苷), tmg（巰甲基

8、半乳糖苷）, onpg（o-硝基半乳糖苷）ncamp receptor protein （crp）pthe plac is not a strong promoter.pcrp also be called cap (catabolite activator protein)pgluctose is the first carbon source.pgluctose reduces the level of camp in the cell. when glucose is absent, the levels of camp in e.coli increase and crp binds

9、to camp.campp the crp-camp complex binds to the lactose operon promoter just upstream from the site for rna polymerase.p crp binding is believed to enhance rna polymerase binding to the promoter, enhancing transcription by 50-fold.crp-campcrp-camp與上游與上游dnadna位位點(diǎn)結(jié)合后造成模板點(diǎn)結(jié)合后造成模板dnadna沿對稱序列中央發(fā)生沿對稱序列中央發(fā)

10、生大于大于90900 0的彎曲的彎曲3 3種操縱子上游啟動區(qū)與種操縱子上游啟動區(qū)與crp-campcrp-camp結(jié)合位點(diǎn)的相對位置分析結(jié)合位點(diǎn)的相對位置分析nthe tryptophan operon structurethe trp operon encodes five structural genes involved in tryptophan biosynthesis.single promoter (ptrp) and operator (otrp)5.2.2 the trp operon 色氨酸操縱子色氨酸操縱子nthe trp repressora gene product

11、of the separate trpr operon, the trp repressor, specifically interacts with the operator site of the trp operon.the core binding site is a palindrome of 18bp (-21 to +3) .the repressor is a dimer of two subunits.tryptophan acts as a co-repressor and inhibits its own synthesis through end-product inh

12、ibition.the repressor reduces the transcription initiation by around 70-fold.nthe attenuator 弱化子弱化子deletion of a squence between operator and trpe resulted the increase of transcription. this site is termed attenuator and it lies towards the end of the transcribed leader sequence of 162 nt that proc

13、edes the initiator codon.a attenuator is a rho-independent terminator site which has a short gc-rich palindrome followed by eight successive u residues.if this sequence is able to form a hairpin in the rna transcript, then it acts as a highly efficient terminator and only a 140bp transcript is synth

14、esized.nleader rna structurefour regions1:2, 3:4 attenuator hairpin2:3nthe leader peptidethe leader rna sequence contains an efficent ribosome-binging site and can form a 14-amino-acid leader peptide.the 10th and 11th codons of this peptide encode successive tryptophan residues.its function is to de

15、termine tryptophan availability (可利用可利用性性) and to regulate transcription termination.nattenuation 弱化作用弱化作用the availability of tryptophan is sensed through its being required in translation, and determines whether or not the terminator (3:4) hairpin forms in the mrna.as transcription, the rna polymer

16、ase pauses at the end of seq 2 untill a ribosome begins to translate the leader peptide.high tryptophan, 3:4; attenuationtryptophan scarce, anti-terminator nimportance of attenuation 弱化作用弱化作用the presence of tryptophan gives rise to a 10-fold repression of trp operon transcription through the process

17、 of attenuation alone. so tryptophan levels exerts a 700-fold regulatory effect on expression from the trp operon.attennuation occurs in at least six operons.his operon, 7 successive histidine codons, only mechanism of feedback control.總結(jié)補(bǔ)充：總結(jié)補(bǔ)充：色氨酸操縱子色氨酸操縱子2 2個(gè)水平的阻遏系統(tǒng)個(gè)水平的阻遏系統(tǒng) 色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)

18、是色氨酸合成途徑的第一水平調(diào)是色氨酸合成途徑的第一水平調(diào)控，它主要調(diào)控轉(zhuǎn)錄的控，它主要調(diào)控轉(zhuǎn)錄的啟動與否啟動與否。 色氨酸操縱子的第二水平控制是色氨酸操縱子的色氨酸操縱子的第二水平控制是色氨酸操縱子的弱化系統(tǒng)弱化系統(tǒng)，它決定著它決定著已經(jīng)啟動的轉(zhuǎn)錄是否能夠繼續(xù)進(jìn)行下去已經(jīng)啟動的轉(zhuǎn)錄是否能夠繼續(xù)進(jìn)行下去。nthe trp repressor the trp repressor 色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)trp trp 操縱子中產(chǎn)生阻遏物的基因是操縱子中產(chǎn)生阻遏物的基因是trprtrpr，距，距trptrp基因簇很遠(yuǎn)?；虼睾苓h(yuǎn)。trpr trpr 基因突變常引起基因突變常引起t

19、rp mrnatrp mrna的組成型合成，該基因產(chǎn)物的組成型合成，該基因產(chǎn)物被成為輔阻遏蛋白（被成為輔阻遏蛋白（aporepressor）。該輔阻遏蛋白與色）。該輔阻遏蛋白與色氨酸結(jié)合形成有活性的阻遏物，與操縱區(qū)結(jié)合并關(guān)閉氨酸結(jié)合形成有活性的阻遏物，與操縱區(qū)結(jié)合并關(guān)閉trptrp mrnamrna轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄。除非培養(yǎng)基中有色氨酸，否則這個(gè)輔阻遏蛋白不會與操縱除非培養(yǎng)基中有色氨酸，否則這個(gè)輔阻遏蛋白不會與操縱區(qū)結(jié)合。區(qū)結(jié)合。trp操操縱縱區(qū)區(qū)的的堿堿基基序序列列這個(gè)系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)效應(yīng)物分子效應(yīng)物分子是是色氨酸色氨酸。培養(yǎng)基中色氨酸過量時(shí)，。培養(yǎng)基中色氨酸過量時(shí)，它能與阻遏蛋白形成復(fù)合物，并結(jié)合到

20、操縱基因上阻止結(jié)它能與阻遏蛋白形成復(fù)合物，并結(jié)合到操縱基因上阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸供應(yīng)不足時(shí)，阻遏物失去構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸供應(yīng)不足時(shí)，阻遏物失去色氨酸并從操縱區(qū)上解離，色氨酸并從操縱區(qū)上解離，trptrp操縱子去阻遏。操縱子去阻遏。阻遏阻遏- -操縱機(jī)制對色氨酸來說是一個(gè)一級開關(guān)，主管轉(zhuǎn)錄操縱機(jī)制對色氨酸來說是一個(gè)一級開關(guān)，主管轉(zhuǎn)錄是否啟動，相當(dāng)于是否啟動，相當(dāng)于粗調(diào)開關(guān)粗調(diào)開關(guān)。trptrp操縱子中對應(yīng)于色氨酸操縱子中對應(yīng)于色氨酸生物合成的還有另一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行生物合成的還有另一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)控細(xì)調(diào)控，指示已經(jīng)啟動的，指示已經(jīng)啟動的轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)下去。這個(gè)細(xì)微調(diào)控是通過轉(zhuǎn)錄達(dá)

21、到第一個(gè)轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)下去。這個(gè)細(xì)微調(diào)控是通過轉(zhuǎn)錄達(dá)到第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因之前的過早終止來實(shí)現(xiàn)的，由色氨酸的濃度來調(diào)結(jié)構(gòu)基因之前的過早終止來實(shí)現(xiàn)的，由色氨酸的濃度來調(diào)節(jié)這種過早終止的頻率。節(jié)這種過早終止的頻率。nthe trp attenuator the trp attenuator 色氨酸操縱子的弱化系統(tǒng)色氨酸操縱子的弱化系統(tǒng)l在色氨酸高濃度和低濃度下觀察到在色氨酸高濃度和低濃度下觀察到trptrp操縱子的表達(dá)水平操縱子的表達(dá)水平相差約相差約600600倍倍, ,而阻遏作用僅使轉(zhuǎn)錄作用降低而阻遏作用僅使轉(zhuǎn)錄作用降低7070倍。阻遏物倍。阻遏物失活突變不能完全消除色氨酸對失活突變不能完全消除色氨酸對

22、trptrp操縱子表達(dá)的影響。操縱子表達(dá)的影響。（1 1） leader peptide(leader peptide(前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽) )及其序列結(jié)構(gòu)及其序列結(jié)構(gòu)在色氨酸在色氨酸mrna 5mrna 5端端trpe trpe 起始密碼子前有一段起始密碼子前有一段162 bp162 bp的的mrnamrna片段被稱為前導(dǎo)區(qū)（片段被稱為前導(dǎo)區(qū)（leaderleader），其中），其中123-150123-150位堿基位堿基序列缺失，色氨酸操縱子基因表達(dá)可提高序列缺失，色氨酸操縱子基因表達(dá)可提高6-106-10倍。倍。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)mrnamrna轉(zhuǎn)錄起始后，如培養(yǎng)基中轉(zhuǎn)錄起始后，如培養(yǎng)基

23、中有一定水平色有一定水平色氨酸，轉(zhuǎn)錄能夠被啟動，但在這個(gè)區(qū)域終止氨酸，轉(zhuǎn)錄能夠被啟動，但在這個(gè)區(qū)域終止，產(chǎn)生一個(gè)，產(chǎn)生一個(gè)140 nt140 nt的的rnarna分子，終止分子，終止trptrp基因轉(zhuǎn)錄，這就是基因轉(zhuǎn)錄，這就是123-150123-150位位堿基序列缺失提高堿基序列缺失提高trptrp基因表達(dá)的原因；基因表達(dá)的原因；如果如果沒有色氨酸存在，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行合成沒有色氨酸存在，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行合成trpe mrnatrpe mrna，所，所以這個(gè)區(qū)域參與了色氨酸操縱子基因表達(dá)的調(diào)節(jié)。因?yàn)檗D(zhuǎn)以這個(gè)區(qū)域參與了色氨酸操縱子基因表達(dá)的調(diào)節(jié)。因?yàn)檗D(zhuǎn)錄終止發(fā)生在這個(gè)區(qū)域，且能被調(diào)節(jié)，因此稱這個(gè)區(qū)域?yàn)?/p>

24、錄終止發(fā)生在這個(gè)區(qū)域，且能被調(diào)節(jié)，因此稱這個(gè)區(qū)域?yàn)槿趸尤趸樱╝ttenuatorattenuator），或衰減子。），或衰減子。前導(dǎo)序列有起始密碼子前導(dǎo)序列有起始密碼子augaug和終止密碼子和終止密碼子ugauga。當(dāng)翻譯起始。當(dāng)翻譯起始于于augaug則產(chǎn)生一個(gè)氨基酸多肽，稱為則產(chǎn)生一個(gè)氨基酸多肽，稱為前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽(leader (leader peptide)peptide)。（2 2） mrnamrna前導(dǎo)區(qū)序列分析前導(dǎo)區(qū)序列分析研究引起終止的研究引起終止的mrnamrna堿基序列發(fā)現(xiàn)，該區(qū)堿基序列發(fā)現(xiàn)，該區(qū)mrnamrna通過自我配通過自我配對可以形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)

25、。對可以形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)。前導(dǎo)序列可分前導(dǎo)序列可分4 4個(gè)區(qū)域，以個(gè)區(qū)域，以2 2種不同方式進(jìn)行堿基配對，有種不同方式進(jìn)行堿基配對，有時(shí)時(shí)1-21-2和和3-43-4配對，有時(shí)配對，有時(shí)2-32-3配對。配對。rnase t1rnase t1降解實(shí)驗(yàn)（此酶不能水解配對的降解實(shí)驗(yàn)（此酶不能水解配對的rnarna）表明，純）表明，純化的化的trptrp前導(dǎo)序列中確有前導(dǎo)序列中確有1-21-2和和3-43-4配對方式，由此定位的配對方式，由此定位的3-43-4配對方式正好位于終止密碼子的識別區(qū)，當(dāng)這個(gè)區(qū)域配對方式正好位于終止密碼子的識別區(qū)，當(dāng)這個(gè)區(qū)域發(fā)生破壞自我配對的堿基突變時(shí)有利于

26、轉(zhuǎn)錄的繼續(xù)進(jìn)行。發(fā)生破壞自我配對的堿基突變時(shí)有利于轉(zhuǎn)錄的繼續(xù)進(jìn)行。（3 3） 轉(zhuǎn)錄的弱化效應(yīng)轉(zhuǎn)錄的弱化效應(yīng)前導(dǎo)序列中兩個(gè)相鄰色氨酸密碼子對前導(dǎo)序列中兩個(gè)相鄰色氨酸密碼子對trnatrnatrptrp濃度十分敏感。濃度十分敏感。培養(yǎng)基中色氨酸濃度低時(shí)，培養(yǎng)基中色氨酸濃度低時(shí)，trnatrnatrptrp少，翻譯通過色氨酸密少，翻譯通過色氨酸密碼子速度慢，碼子速度慢，2-32-3配對，轉(zhuǎn)錄進(jìn)行。培養(yǎng)基中色氨酸濃度配對，轉(zhuǎn)錄進(jìn)行。培養(yǎng)基中色氨酸濃度高時(shí)，高時(shí)，trnatrnatrptrp多，翻譯通過色氨酸密碼子速度快，多，翻譯通過色氨酸密碼子速度快，3-43-4配配對，轉(zhuǎn)錄終止。對，轉(zhuǎn)錄終止。弱化子

27、對弱化子對rnarna聚合酶轉(zhuǎn)錄終止依賴于前導(dǎo)肽翻譯中核糖體聚合酶轉(zhuǎn)錄終止依賴于前導(dǎo)肽翻譯中核糖體所處位置，而細(xì)胞中色氨酸的存在與否決定了所處位置，而細(xì)胞中色氨酸的存在與否決定了mrnamrna轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄的弱化子結(jié)構(gòu)，使弱化子弱化子結(jié)構(gòu)，使弱化子4 4區(qū)競爭性配對，從而產(chǎn)生弱化效區(qū)競爭性配對，從而產(chǎn)生弱化效應(yīng)。應(yīng)。（4 4）弱化子對基因表達(dá)活性的影響普遍性弱化子對基因表達(dá)活性的影響普遍性弱化子對基因表達(dá)活性的影響普遍存在于大腸桿菌氨基酸弱化子對基因表達(dá)活性的影響普遍存在于大腸桿菌氨基酸生物合成的操縱子中。生物合成的操縱子中。每個(gè)操縱子的前導(dǎo)序列中都含有該操縱子所要調(diào)控的重復(fù)每個(gè)操縱子的前導(dǎo)序列

28、中都含有該操縱子所要調(diào)控的重復(fù)密碼子。色氨酸前導(dǎo)序列含密碼子。色氨酸前導(dǎo)序列含2 2個(gè)相鄰的色氨酸密碼子，組個(gè)相鄰的色氨酸密碼子，組氨酸氨酸7 7個(gè)，苯丙氨酸個(gè)，苯丙氨酸7 7個(gè)。個(gè)。（5 5）弱化機(jī)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)）弱化機(jī)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)a a 色氨酸色氨酸t(yī)rnatrna合成酶對合成酶對trp trp 操縱子表達(dá)的作用：操縱子表達(dá)的作用：含高濃度色氨酸培養(yǎng)基中，含高濃度色氨酸培養(yǎng)基中，trptrptrnatrna合成酶缺陷型大腸合成酶缺陷型大腸桿菌中，桿菌中，trp trp 操縱子結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)卻并沒有完全受到抑操縱子結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)卻并沒有完全受到抑制。制。溫度敏感型突變株溫度敏感型突變株trps

29、5trps5編碼的編碼的trptrptrnatrna合成酶在合成酶在3030時(shí)時(shí)有活性，能使色氨酸活化成有活性，能使色氨酸活化成trnatrnatrptrp，4242時(shí)該酶沒有活性。時(shí)該酶沒有活性。野生型大腸桿菌野生型大腸桿菌trptrptrnatrna合成酶不受溫度控制，所以合成酶不受溫度控制，所以trptrp基因表達(dá)基本不受溫度影響?；虮磉_(dá)基本不受溫度影響。b b 前導(dǎo)區(qū)的調(diào)節(jié)作用前導(dǎo)區(qū)的調(diào)節(jié)作用 前導(dǎo)區(qū)及前導(dǎo)區(qū)及d d基因缺失的基因缺失的trpld102 trpld102 ：色氨酸合成酶活性：色氨酸合成酶活性提高提高8-108-10倍；缺失前導(dǎo)區(qū)表達(dá)比有前導(dǎo)區(qū)高得多，充分倍；缺失前導(dǎo)區(qū)表達(dá)比有前導(dǎo)區(qū)高得多，充分說明說明trptrp操縱子的表達(dá)調(diào)控除阻遏作用外，還受到前導(dǎo)區(qū)操縱子的表達(dá)調(diào)控除阻遏作用外，還受到前導(dǎo)區(qū)的影響。的影響。trpl29 trpl29 ：啟動子：啟動子augaug變成變成auaaua，有利于，有利于mrna