基因表達(dá)調(diào)控-原核-王

南華大學(xué)心血管病研究所王佐博士基因表達(dá)的調(diào)控Geneexpressionregulation1/11/20231本章要掌握的內(nèi)容

操縱子（operon）啟動(dòng)子(promoter)負(fù)調(diào)控（negativeregulation）哀減子（attenuator）順式作用元件（cis-actingelements）SD序列(Shine-Dalgarnosequence):mRNA干擾性互補(bǔ)RNA（mRNAinterferingcomplementaryRNA,micRNA）增強(qiáng)子（Enhancers）反式作用因子（trans-actingfactor）選擇剪接（alternativesplicing）1/11/20232第一節(jié)原核生物基因表達(dá)的調(diào)控原核生物調(diào)控：轉(zhuǎn)錄水平、翻譯乳糖操縱子（TheLacOperon）色氨酸操縱子（TheTrp

Operon

）1/11/20233一、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（一）影響轉(zhuǎn)錄的因素

1、啟動(dòng)子決定轉(zhuǎn)錄的方向與效率啟動(dòng)子（promoter）與RNA酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異性的DNA序列。是基因的一個(gè)組成部分，控制基因轉(zhuǎn)錄的起始時(shí)間和表達(dá)的程度。分原核啟動(dòng)子和真核啟動(dòng)子。

1/11/20234

原核基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)：通常是嘌呤，其序列為CAT（A為起始位點(diǎn)）

-10區(qū)：是一個(gè)6堿基保守序列（常以-10為中心）：80A95t45A60A50T96，有助于

DNA的解鏈。

-35區(qū)：是另一個(gè)6堿基保守序列（常以-35為中心），2T84G78A65C54a45

-10區(qū)與-35區(qū)之間的間隔：當(dāng)-10區(qū)和-35區(qū)中心位置相距16-18bp時(shí)，該啟動(dòng)子的功能較強(qiáng)；相距較近或較遠(yuǎn)時(shí)，起始轉(zhuǎn)錄的功能都相應(yīng)減弱。

Ⅰ.原核啟動(dòng)子組成：轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，-10區(qū)，-35區(qū)和-10區(qū)與-35區(qū)之間的間隔。1/11/20235Ⅱ.真核基因啟動(dòng)子

：真核生物有3類RNA聚合酶，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄3類不同的啟動(dòng)子。

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第一部分：核心啟動(dòng)子（corepromoter），-45—+20，單獨(dú)存在時(shí)就足以起始轉(zhuǎn)錄。

另一部分：-170—-107，上游調(diào)控元件，能有效地增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率。

I類啟動(dòng)子：RNA聚合酶I負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的rRNA基因，其啟動(dòng)子（I類）比較單一，由轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近的兩部分序列構(gòu)成。1/11/20237兩類5SrRNA和tRNA基因的啟動(dòng)子是內(nèi)部啟動(dòng)子（internalpromoter），位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的下游，都由兩部分組成。第三類啟動(dòng)子由三個(gè)部分組成，位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游。

Ⅲ類啟動(dòng)子：由RNA聚合酶Ⅲ負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的是5SrRNA、tRNA和某些核內(nèi)小分子RNA（snRNA），其啟動(dòng)子（Ⅲ類）組成較復(fù)雜，又可被分為三個(gè)亞類。1/11/20238轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)沒有廣泛的序列同源性，但第一個(gè)堿基為腺嘌呤，而兩側(cè)是嘧啶堿基。這個(gè)區(qū)域被稱為起始子（initiator，

Inr），序列可表示為Py2CAPy5。Inr元件位于-3—+5。僅由Inr元件組成的啟動(dòng)子是具有可被RNA聚合酶II識(shí)別的最簡(jiǎn)單啟動(dòng)子形式。

多數(shù)II類啟動(dòng)子有一個(gè)被稱為TATA盒的共有序列，通常處于-30區(qū)，相對(duì)于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的位置比較固定。TATA盒存在于所有真核生物中，TATA盒是一個(gè)保守的七堿基對(duì)，其序列為：Ⅱ類啟動(dòng)子：由RNA聚合酶II負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的II類基因包括所有蛋白質(zhì)編碼基因和部分snRNA基因，后者的啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)與III類基因啟動(dòng)子中的第三種類型相似，編碼蛋白質(zhì)的II類基因啟動(dòng)子在結(jié)構(gòu)上有共同的保守序列。1/11/20239也有一些II類啟動(dòng)子不含有TATA盒，這樣的啟動(dòng)子稱為無TATA盒啟動(dòng)子。

1/11/202310⑴啟動(dòng)子決定轉(zhuǎn)錄的方向⑵啟動(dòng)子決定轉(zhuǎn)錄的效率一致性序列（consensussequences）-35區(qū)：T82G78A65C54A95；-10區(qū)：T80A95T45A60A50T961/11/2023112、б因子的種類與濃度

不同的б因子競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合特定的RNA聚合酶，打開特定的基因。

Б32：控制熱休克蛋白基因表達(dá)，30℃為50拷貝/細(xì)胞，

42℃時(shí)為850拷貝/細(xì)胞，熱休克蛋白大量合成。1/11/2023123、阻遏蛋白（repressor）的負(fù)調(diào)控負(fù)調(diào)控（negativeregulation）：阻遏蛋白與結(jié)合特定的DNA序列后抑制基因轉(zhuǎn)錄。如乳糖操縱子4、正調(diào)控蛋白促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄正調(diào)控（positiveregulation）：調(diào)控蛋白結(jié)合特定的DNA序列后促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄。如CAP（分解代謝物基因活化蛋白，catabolitegeneacticatorprotein）①葡萄糖饑餓：cAMP結(jié)合CAP→CAP構(gòu)像變化→結(jié)合特定的DNA序列→激活基因；②葡萄糖充足：cAMP與CAP解離→CAP恢復(fù)到無活性狀態(tài)→基因轉(zhuǎn)錄關(guān)閉。1/11/2023135、倒位蛋白（inversionprotein）通過DNA重組倒位而調(diào)控基因表達(dá)。1/11/2023146、RNA聚合酶抑制物與RNA結(jié)合抑制轉(zhuǎn)錄細(xì)菌在氨基酸缺乏時(shí)，產(chǎn)生ppGpp（鳥苷-4磷酸）與RNA聚合酶結(jié)合，降低其活性，阻止rRNA

和tRNA合成。7、哀減子（attenuator）：又稱弱化子，位于操縱子第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因之前，是一段減弱轉(zhuǎn)錄作用的DNA序列。1/11/202315㈡、Lac操縱子1961，JacobandMonod.組成：由調(diào)控區(qū)（regulated）和信息區(qū)（structural）組成。上游為調(diào)控區(qū)，包括啟動(dòng)子和操縱元件二部分，啟動(dòng)子是同RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異性DNA序列，操縱元件是特異的阻遏物結(jié)合區(qū)。1/11/202316順式作用元件（cis-actingelements）：基因內(nèi)外的特定DNA序列，其與結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)調(diào)控有關(guān)，能被基因調(diào)控蛋白識(shí)別和結(jié)合。原核生物中主要是啟動(dòng)子、阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)、正調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)、增強(qiáng)子。1/11/202317Theβ-galactosidasereactionConversionoflactosetoallolactose（異乳糖）半乳糖1/11/202318乳糖操縱子結(jié)構(gòu)β-半乳糖苷酶通透酶乙酰酶結(jié)構(gòu)基因：lacZ,lacYandlacA

轉(zhuǎn)錄單位啟動(dòng)子：Plac調(diào)節(jié)基因：lacI

，位于Plac上游，翻譯出lac阻遏蛋白（lacrepressor），起負(fù)調(diào)控作用。1/11/202319由4個(gè)同型亞基組成，形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，與回文（palindromic

）結(jié)構(gòu)結(jié)合，28bp

操縱基因Olac，

Olac

與lacZYA

起始位點(diǎn)有部分重疊。阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合阻斷從啟動(dòng)子Plac的轉(zhuǎn)錄。Lac阻遏蛋白（Thelacrepressor）1/11/202320NegativeControloflac

operon。1/11/202321

.誘導(dǎo)（Induction

）：當(dāng)lac抑制物與誘導(dǎo)物結(jié)合

(lactose),其構(gòu)型發(fā)生變化，不能再結(jié)合Olac

操縱子，lacZYA快速轉(zhuǎn)錄。IPTG充當(dāng)誘導(dǎo)物1/11/202322cAMP

受體蛋白（ThecAMPreceptorprotein，CRP

）又稱降解物激活蛋白(cataboliteactivatorprotein,CAP)通過結(jié)合cAMP

產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄活化作用。1/11/202323葡萄糖缺乏引起

cAMP

升高；CAP-cAMP復(fù)合物結(jié)合位點(diǎn)位于

Plac啟動(dòng)子上游，引起DNA分子90度彎曲.其引起RNA聚合酶結(jié)合到轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄.CRP活化子廣泛介導(dǎo)對(duì)葡萄糖水平反應(yīng)的催化操縱子調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。1/11/202324Wild-typeCAPMutantCAPCAP-cAMP

活化

lac

轉(zhuǎn)錄示意圖1/11/202325㈢、色氨酸操縱子（TheTrp

Operon）1/11/202326色氨酸操縱子組成與色氨酸合成有關(guān)的5個(gè)結(jié)構(gòu)基因；

使用單個(gè)啟動(dòng)子

(Ptrp)和操縱子位點(diǎn)

(Otrp)。1/11/202327trp阻遏蛋白為獨(dú)立操縱子（trpR

operon）的產(chǎn)物；trp阻遏蛋白為二聚物，當(dāng)其與色氨酸結(jié)合后會(huì)與操縱子元件結(jié)合，阻遏蛋白能使轉(zhuǎn)錄降低70倍。1/11/202328trp

operon負(fù)調(diào)控:脫抑制脫輔基阻遏蛋白單體二聚體先導(dǎo)序列衰減子色氨酸水平低時(shí)，不產(chǎn)生阻遏作用1/11/202329trp

operon的負(fù)調(diào)控:抑制色氨酸阻遏蛋白二聚體色氨酸水平高時(shí)，產(chǎn)生阻遏作用脫輔基阻遏蛋白二聚體脫輔基阻遏蛋白單體1/11/202330衰減子(Theattenuator)為一種類型的終止子（terminator）；位于結(jié)構(gòu)基因E之前162bp的前導(dǎo)序列，在結(jié)構(gòu)基因E與操縱元件（O）之間的L基因中；它是

rho-因子

獨(dú)立的終止子，在+140bp處終止,由發(fā)夾結(jié)構(gòu)后連續(xù)8個(gè)尿嘧啶核苷酸組成.

被稱為哀減子（attenuator，又稱弱化子）,引起trpRNA合成提前終止。1/11/202331Mechanismofattenuation.1/11/202332LeaderRNAstructure含有四個(gè)區(qū)域性互補(bǔ)序列形成選擇型發(fā)夾結(jié)構(gòu)，其中一種是衰減發(fā)夾。1/11/2023332種先導(dǎo)哀減模式或者1/11/202334先導(dǎo)肽（Theleaderpeptide）先導(dǎo)RNA（leaderRNA）含高效的核糖體結(jié)合位點(diǎn)和14個(gè)氨基酸組成的前導(dǎo)肽leaderpeptide.密碼10、11為色氨酸，當(dāng)色氨酸水平低時(shí)，核糖體在編碼二個(gè)色氨酸的密碼子10、11處停下來。Sequenceoftheleader

aa123456789

1011

121314151/11/202335Overridingattenuation缺乏色氨酸色氨酸豐富終止子發(fā)夾結(jié)構(gòu)聚合酶中止合成無終止子聚合酶繼續(xù)合成在終止子信號(hào)部位核糖體脫離核糖體停滯不前密碼子10、111/11/202336Attenuationinthetrp

operon.1/11/202337二、翻譯水平的調(diào)控㈠SD序列1、SD序列的順序及位置SD序列(Shine-Dalgarnosequence

)：位于多順反子mRNA中起始密碼子前，富含嘌呤的堿基序列，為核糖體結(jié)合位點(diǎn)。SD序列本身