原核生物基因表達(dá)調(diào)控

原核生物基因表達(dá)調(diào)控第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

第一節(jié)

原核生物基因表達(dá)特點(diǎn)CharacteristicsofGeneExpressionofProkaryotes

第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三操縱子在研究基因表達(dá)的重要性具有普遍性；真核生物研究的借鑒；開拓了分子識(shí)別（molecularrecognition)的研究；研究成果應(yīng)用于實(shí)踐，具有指導(dǎo)意義。一、操縱子是原核生物的基因轉(zhuǎn)錄單元第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三操縱子理論實(shí)驗(yàn)依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停杭?xì)菌的乳糖代謝酶類誘導(dǎo)突破點(diǎn):乳糖阻遏蛋白基因lacI的發(fā)現(xiàn)lacI

是組成型表達(dá)基因，其突變(lacI-)引起管轄的基因族也發(fā)生組成型表達(dá)用噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)方法把野生型(lacI+)轉(zhuǎn)入突變株(lacI-)，逆轉(zhuǎn)了組成型突變第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三操縱子(operon)是由結(jié)構(gòu)基因及其上游調(diào)控序列組成的轉(zhuǎn)錄單元，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受調(diào)控序列控制。調(diào)控序列包括遠(yuǎn)端的阻遏蛋白(repressor)基因I，近端的啟動(dòng)子(promoter,P)和操縱序列(operator,O)。第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

蛋白質(zhì)因子特異DNA序列結(jié)構(gòu)基因

啟動(dòng)子

操縱序列阻遏蛋白基因

(promoter)(operator)第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三啟動(dòng)子是RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位。RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三操縱序列是阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng)，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三二、原核生物中mRNA的轉(zhuǎn)錄、翻譯和降解偶聯(lián)進(jìn)行第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

三、mRNA所攜帶的信息差別很大細(xì)菌mRNA所編碼的蛋白質(zhì)數(shù)量有很大差異。有的mRNA只帶有一個(gè)結(jié)構(gòu)基因的信息（編碼一個(gè)蛋白質(zhì)），稱為單順反子mRNA（monocistronicmRNA）；大部分mRNA都是從操縱子轉(zhuǎn)錄而成，帶有編碼幾個(gè)甚至十幾個(gè)蛋白質(zhì)的序列信息，這種mRNA是從幾個(gè)首尾相連的結(jié)構(gòu)基因（存在于一個(gè)操縱子中）一次轉(zhuǎn)錄而成，稱為多順反子mRNA（polycistronicmRNA）。第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)

原核生物基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控RegulationofProkaryoticGeneExpressionatTranscriptionLevel第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三一、轉(zhuǎn)錄調(diào)控是以特定的DNA序列和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)（一）特定的DNA序列是轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

在基因內(nèi)和基因外都有一些特定的DNA序列，與結(jié)構(gòu)基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)、能夠被基因調(diào)控蛋白特異性識(shí)別和結(jié)合，這些特定的DNA序列稱為順式作用元件（cis-actingelements），亦稱為順式調(diào)控元件。在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)子等。第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三BADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)

第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三E.coli的啟動(dòng)子區(qū)

第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三（二）調(diào)控蛋白具有結(jié)合DNA所需的結(jié)構(gòu)特征

基因特異性轉(zhuǎn)錄因子（genespecifictranscriptionfactors）:能夠與順式作用元件特異性結(jié)合、對基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄起始過程有調(diào)控作用的蛋白質(zhì)激活蛋白或正調(diào)控蛋白:對基因表達(dá)有激活作用的蛋白質(zhì)阻遏蛋白:對基因表達(dá)有抑制作用的蛋白質(zhì)第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三最常見的DNA結(jié)合域：

1.鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結(jié)合GC盒第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三123standforzincion第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2.螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix,HTH）usuallybindstoCAATbox第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三二、特定蛋白質(zhì)與DNA結(jié)合后控制

轉(zhuǎn)錄起始（一）σ因子和啟動(dòng)子決定轉(zhuǎn)錄是否能夠起始啟動(dòng)子及其與轉(zhuǎn)錄的關(guān)系

第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三（二）阻遏蛋白結(jié)合操縱元件對轉(zhuǎn)錄起始進(jìn)行負(fù)調(diào)控

阻遏蛋白是一類在轉(zhuǎn)錄水平對基因表達(dá)產(chǎn)生負(fù)調(diào)控作用的蛋白質(zhì)。阻遏蛋白主要通過抑制開放啟動(dòng)子復(fù)合物的形成而抑制基因的轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白與DNA結(jié)合后，RNA聚合酶仍有可能與啟動(dòng)子結(jié)合，但不能形成開放起始復(fù)合物，不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄；這種作用稱為阻遏（repression），特定的信號(hào)分子與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白失活，從DNA上脫落下來，稱為去阻遏，或脫阻遏（derepression）。第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

阻遏蛋白都可以與信號(hào)分子結(jié)合而發(fā)生變構(gòu)，在不同構(gòu)象時(shí)，阻遏蛋白或者與DNA結(jié)合，或者與DNA解離。在可誘導(dǎo)型操縱子中，信號(hào)分子使阻遏物從DNA釋放下來，解除對轉(zhuǎn)錄的抑制作用；在可阻遏型操縱子中，信號(hào)分子使阻遏物結(jié)合DNA，抑制轉(zhuǎn)錄。在兩種情況下，阻遏蛋白結(jié)合于DNA后都是抑制轉(zhuǎn)錄，這種類型的基因表達(dá)調(diào)控稱為負(fù)調(diào)控。第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三1.乳糖操縱子是可誘導(dǎo)型操縱子

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)子操縱序列

結(jié)構(gòu)基因z：β-半乳糖苷酶y：通透酶a：乙?；D(zhuǎn)移酶zyaOPDNAI基因乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三阻遏基因mRNA阻遏蛋白IDNAzyaOPpol沒有乳糖存在時(shí)乳糖操縱子被阻遏蛋白封閉第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAzyaOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶乳糖操縱子被誘導(dǎo)物開放第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2.色氨酸操縱子是可阻遏操縱子

合成代謝操縱子由合成產(chǎn)物關(guān)閉合成代謝操縱子在基礎(chǔ)狀態(tài)下持續(xù)開放，在產(chǎn)物達(dá)到滿足需要量時(shí)才關(guān)閉。第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三分解和合成代謝的操縱子操縱子基礎(chǔ)狀態(tài)調(diào)控方式分解代謝關(guān)閉由誘導(dǎo)物開放合成代謝開放由阻遏物關(guān)閉第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三TrpTrp高時(shí)Trp低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操縱子的作用原理操縱子關(guān)閉第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三（三）激活蛋白結(jié)合正調(diào)控元件而對轉(zhuǎn)錄起始進(jìn)行正調(diào)控

1．正調(diào)控蛋白可結(jié)合啟動(dòng)子鄰近序列進(jìn)行

調(diào)控

2．激活蛋白結(jié)合增強(qiáng)子可遠(yuǎn)距離進(jìn)行轉(zhuǎn)錄起始正調(diào)控第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三ntrC蛋白對轉(zhuǎn)錄的正調(diào)控作用第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三三、原核基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄過程可通過

不同模式進(jìn)行調(diào)控（一）去阻遏和正調(diào)控機(jī)制對轉(zhuǎn)錄起始進(jìn)行雙重調(diào)控1．乳糖操縱子受阻遏蛋白（負(fù)性調(diào)節(jié)）和

CAP（正性調(diào)節(jié)）的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)

第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

乳糖操縱子由cAMP-CAP系統(tǒng)進(jìn)行正調(diào)控TTTACATATGTTN17N6AlacTTGACATATAAT共有序列乳糖操縱子是弱啟動(dòng)子，被RNA-pol結(jié)合后，還需cAMP-CAP（分解代謝物基因活化蛋白）活化第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP結(jié)合位點(diǎn)第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三mRNA低半乳糖時(shí)高半乳糖時(shí)

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOOＩＩ無轉(zhuǎn)錄無轉(zhuǎn)錄低水平轉(zhuǎn)錄第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三2．AraC的別構(gòu)調(diào)節(jié)使阿拉伯糖操縱子調(diào)控更精細(xì)

阿拉伯糖操縱子的轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三（二）色氨酸操縱子的弱化機(jī)制實(shí)質(zhì)是

轉(zhuǎn)錄與翻譯調(diào)控的偶聯(lián)色氨酸操縱子(trpoperon)除了產(chǎn)物阻遏負(fù)調(diào)控外，還有轉(zhuǎn)錄衰減(attenuation)調(diào)控方式。衰減是轉(zhuǎn)錄-翻譯的偶聯(lián)調(diào)控。

第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三TrpTrp高時(shí)Trp低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶?色氨酸操縱子的作用原理第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA當(dāng)色氨酸濃度高時(shí)轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’RNA聚合酶終止第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽15’trp密碼子結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNARNA聚合酶當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)前導(dǎo)mRNA第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三（三）DNA片段倒位和阻遏蛋白的協(xié)同作用沙門菌鞭毛素基因的調(diào)節(jié)H2鞭毛素

阻遏蛋白Hin重組酶轉(zhuǎn)位片段hinH2IH1H1鞭毛素hinH2IDNA啟動(dòng)序列H1啟動(dòng)序列第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三

原核生物基因表達(dá)的翻譯水平調(diào)控RegulationofProkaryoticGeneExpressionatTranslationLevel

第三節(jié)第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三一、SD序列決定翻譯起始效率（一）SD序列的堿基序列影響翻譯起始的效率（二）SD序列的定位影響翻譯起始的效率紅霉素甲基化酶mRNA的翻譯調(diào)控第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三二、mRNA的穩(wěn)定性是決定翻譯產(chǎn)物量的重要因素原核生物mRNA分子某些片段，例如發(fā)夾有RNase抗性。細(xì)胞內(nèi)有結(jié)合RNA、使之免受RNase降解的保護(hù)蛋白。近年發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源或外源的小分子RNA可特異互補(bǔ)結(jié)合細(xì)胞RNA，使其失去功能。與減少表達(dá)量一樣，降低mRNA穩(wěn)定性也是基因表達(dá)調(diào)控方式第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三三、翻譯產(chǎn)物可對翻譯過程產(chǎn)生反饋

調(diào)節(jié)效應(yīng)核糖體蛋白控制多順反子mRNA的翻譯翻譯終止因子RF-2調(diào)節(jié)自身的翻譯第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三核糖體蛋白與rRNA合成是互相協(xié)調(diào)的原核生物的16SrRNA與21種核糖體蛋白(ribosomalproteins)，簡稱r-蛋白，組成核糖體小亞基；5S和23SrRNA與31種r-蛋白組成大亞基。大、小亞基在翻譯起始組合為70S核糖體。蛋白質(zhì)合成是生存的最基本需要，細(xì)胞必然要嚴(yán)格控制rRNA和r-蛋白的比例。第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三核糖體蛋白基因與RNApol亞基基因的多順反子操縱子基因簇表達(dá)產(chǎn)物rif(rpoBC)rpL-K-A-J-L-rpoB-rpoCL-11-1-10-12-RNApol-β-β’rpoArpsM-K-D-rpoA-rpL-QS13-11-4-RNApol-O-L-17spcrpL-N-X-E-rpsN-H-rpL-F-R-rpsE-rpL-D-OL14-24-5-S14-8-L6-18-S-5-L-30-15

r-蛋白基因在各個(gè)操縱子上轉(zhuǎn)錄為多順反子第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三這類操縱子有轉(zhuǎn)錄-翻譯偶聯(lián)調(diào)控現(xiàn)象，稱為自我調(diào)節(jié)（autogenouscontrol）。第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期三四、小分子反義RNA參與調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成（一）小分子RNA參與基因表達(dá)產(chǎn)物類型轉(zhuǎn)換的調(diào)控（二）小分子RNA參與維