生物學原核生物基因表達的調(diào)控

生物學原核生物基因表達的調(diào)控第1頁/共58頁操縱子在研究基因表達的重要性具有普遍性；真核生物研究的借鑒；開拓了分子識別（molecularrecognition)的研究；研究成果應用于實踐，具有指導意義。一、操縱子是原核生物的基因轉錄單元第2頁/共58頁操縱子理論實驗依據(jù)實驗模型：細菌的乳糖代謝酶類誘導突破點:乳糖阻遏蛋白基因lacI的發(fā)現(xiàn)lacI

是組成型表達基因，其突變(lacI-)引起管轄的基因族也發(fā)生組成型表達用噬菌體轉導方法把野生型(lacI+)轉入突變株(lacI-)，逆轉了組成型突變第3頁/共58頁操縱子(operon)是由結構基因及其上游調(diào)控序列組成的轉錄單元，結構基因轉錄受調(diào)控序列控制。調(diào)控序列包括遠端的阻遏蛋白(repressor)基因I，近端的啟動子(promoter,P)和操縱序列(operator,O)。第4頁/共58頁

蛋白質因子特異DNA序列結構基因

啟動子

操縱序列阻遏蛋白基因

(promoter)(operator)第5頁/共58頁啟動子是RNA聚合酶識別和結合的部位。RNA轉錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列第6頁/共58頁操縱序列是阻遏蛋白的結合位點當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白第7頁/共58頁二、原核生物中mRNA的轉錄、翻譯和降解偶聯(lián)進行第8頁/共58頁

三、mRNA所攜帶的信息差別很大細菌mRNA所編碼的蛋白質數(shù)量有很大差異。有的mRNA只帶有一個結構基因的信息（編碼一個蛋白質），稱為單順反子mRNA（monocistronicmRNA）；大部分mRNA都是從操縱子轉錄而成，帶有編碼幾個甚至十幾個蛋白質的序列信息，這種mRNA是從幾個首尾相連的結構基因（存在于一個操縱子中）一次轉錄而成，稱為多順反子mRNA（polycistronicmRNA）。第9頁/共58頁第二節(jié)

原核生物基因表達的轉錄水平調(diào)控RegulationofProkaryoticGeneExpressionatTranscriptionLevel第10頁/共58頁一、轉錄調(diào)控是以特定的DNA序列和蛋白質結構為基礎（一）特定的DNA序列是轉錄起始調(diào)控的結構基礎

在基因內(nèi)和基因外都有一些特定的DNA序列，與結構基因表達調(diào)控相關、能夠被基因調(diào)控蛋白特異性識別和結合，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子、阻遏蛋白結合位點、正調(diào)控蛋白結合位點、增強子等。第11頁/共58頁BADNA編碼序列轉錄起始點

第12頁/共58頁E.coli的啟動子區(qū)

第13頁/共58頁（二）調(diào)控蛋白具有結合DNA所需的結構特征

基因特異性轉錄因子（genespecifictranscriptionfactors）:能夠與順式作用元件特異性結合、對基因表達的轉錄起始過程有調(diào)控作用的蛋白質激活蛋白或正調(diào)控蛋白:對基因表達有激活作用的蛋白質阻遏蛋白:對基因表達有抑制作用的蛋白質第14頁/共58頁最常見的DNA結合域：

1.鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結合GC盒第15頁/共58頁123standforzincion第16頁/共58頁2.螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix,HTH）usuallybindstoCAATbox第17頁/共58頁二、特定蛋白質與DNA結合后控制

轉錄起始（一）σ因子和啟動子決定轉錄是否能夠起始啟動子及其與轉錄的關系

第18頁/共58頁（二）阻遏蛋白結合操縱元件對轉錄起始進行負調(diào)控

阻遏蛋白是一類在轉錄水平對基因表達產(chǎn)生負調(diào)控作用的蛋白質。阻遏蛋白主要通過抑制開放啟動子復合物的形成而抑制基因的轉錄。阻遏蛋白與DNA結合后，RNA聚合酶仍有可能與啟動子結合，但不能形成開放起始復合物，不能啟動轉錄；這種作用稱為阻遏（repression），特定的信號分子與阻遏蛋白結合，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19頁/共58頁

阻遏蛋白都可以與信號分子結合而發(fā)生變構，在不同構象時，阻遏蛋白或者與DNA結合，或者與DNA解離。在可誘導型操縱子中，信號分子使阻遏物從DNA釋放下來，解除對轉錄的抑制作用；在可阻遏型操縱子中，信號分子使阻遏物結合DNA，抑制轉錄。在兩種情況下，阻遏蛋白結合于DNA后都是抑制轉錄，這種類型的基因表達調(diào)控稱為負調(diào)控。第20頁/共58頁1.乳糖操縱子是可誘導型操縱子

調(diào)控區(qū)CAP結合位點啟動子操縱序列

結構基因z：β-半乳糖苷酶y：通透酶a：乙?；D移酶zyaOPDNAI基因乳糖操縱子的結構第21頁/共58頁阻遏基因mRNA阻遏蛋白IDNAzyaOPpol沒有乳糖存在時乳糖操縱子被阻遏蛋白封閉第22頁/共58頁mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAzyaOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶乳糖操縱子被誘導物開放第23頁/共58頁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)物關閉合成代謝操縱子在基礎狀態(tài)下持續(xù)開放，在產(chǎn)物達到滿足需要量時才關閉。第24頁/共58頁分解和合成代謝的操縱子操縱子基礎狀態(tài)調(diào)控方式分解代謝關閉由誘導物開放合成代謝開放由阻遏物關閉第25頁/共58頁TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結構基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操縱子的作用原理操縱子關閉第26頁/共58頁（三）激活蛋白結合正調(diào)控元件而對轉錄起始進行正調(diào)控

1．正調(diào)控蛋白可結合啟動子鄰近序列進行

調(diào)控

2．激活蛋白結合增強子可遠距離進行轉錄起始正調(diào)控第27頁/共58頁ntrC蛋白對轉錄的正調(diào)控作用第28頁/共58頁三、原核基因表達的轉錄過程可通過

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

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

第29頁/共58頁

乳糖操縱子由cAMP-CAP系統(tǒng)進行正調(diào)控TTTACATATGTTN17N6AlacTTGACATATAAT共有序列乳糖操縱子是弱啟動子，被RNA-pol結合后，還需cAMP-CAP（分解代謝物基因活化蛋白）活化第30頁/共58頁++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP結合位點第31頁/共58頁mRNA低半乳糖時高半乳糖時

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOOＩＩ無轉錄無轉錄低水平轉錄第32頁/共58頁2．AraC的別構調(diào)節(jié)使阿拉伯糖操縱子調(diào)控更精細

阿拉伯糖操縱子的轉錄起始調(diào)控第33頁/共58頁（二）色氨酸操縱子的弱化機制實質是

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

第34頁/共58頁TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結構基因RNA聚合酶RNA聚合酶?色氨酸操縱子的作用原理第35頁/共58頁UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結構基因trpROP前導序列衰減子區(qū)域UUUU……前導mRNA1234衰減子結構

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結構能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……第36頁/共58頁UUUU……34UUUU3’34核糖體前導肽前導mRNA當色氨酸濃度高時轉錄衰減機制125’trp密碼子衰減子結構就是終止子可使轉錄前導DNAUUUU3’RNA聚合酶終止第37頁/共58頁UUUU……342423UUUU……核糖體前導肽15’trp密碼子結構基因前導DNARNA聚合酶當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關結構基因被轉錄序列3、4不能形成衰減子結構前導mRNA第38頁/共58頁（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重組酶轉位片段hinH2IH1H1鞭毛素hinH2IDNA啟動序列H1啟動序列第39頁/共58頁

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

第三節(jié)第40頁/共58頁一、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41頁/共58頁二、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。細胞內(nèi)有結合RNA、使之免受RNase降解的保護蛋白。近年發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源或外源的小分子RNA可特異互補結合細胞RNA，使其失去功能。與減少表達量一樣，降低mRNA穩(wěn)定性也是基因表達調(diào)控方式第42頁/共58頁三、翻譯產(chǎn)物可對翻譯過程產(chǎn)生反饋

調(diào)節(jié)效應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43頁/共58頁核糖體蛋白與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。蛋白質合成是生存的最基本需要，細胞必然要嚴格控制rRNA和r-蛋白的比例。第44頁/共58頁核糖體蛋白基因與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-蛋白基因在各個操縱子上轉錄為多順反子第45頁/共58頁這類操縱子有轉錄-翻譯偶聯(lián)調(diào)控現(xiàn)象，稱為自我調(diào)節(jié)（autogenouscontrol）。第46頁/共58頁四、小分子反義RNA參與調(diào)節(jié)蛋白質合成（一）小分子RNA參與基因表達產(chǎn)物類型轉換的調(diào)控（二）小分子RNA參與維持極低水平的基因表達第47頁/共58頁

大腸桿菌滲透壓調(diào)節(jié)中micRNA的調(diào)節(jié)作用

第48頁/共58頁小分子RNA在翻譯水平的調(diào)控作用第49頁/共58頁第四節(jié)

Lambda噬菌體的基因表達調(diào)控RegulationofgeneexpressioninLambdaphage

第50頁/共58頁一、Lambda噬菌體調(diào)控區(qū)段的表達產(chǎn)物與生活周期有關λ噬菌體的生活史溶菌生長途徑(lysispathway)溶原菌生長途徑(lysogenicpathway)第51頁/共58頁Lambda噬菌體的溶原和裂解生活周期第52頁/共58頁

Lambda噬菌體的基因結構和調(diào)控區(qū)域第53頁/共58頁二、cI

基因表達的阻遏蛋白封閉大部分基因使λ進入溶原周期λ的轉錄按先后分即刻早期(immediateearly)，晚早期(delayearly