大學(xué)生物遺傳學(xué)：第十一章原核基因表達(dá)調(diào)控

1、第十一章 原核基因表達(dá)調(diào)控,Control of gene expression in prokaryote,第一節(jié) 操縱子operon,Table of content,幾個(gè)重要概念 一、調(diào)控可分為正調(diào)控與負(fù)調(diào)控 二、結(jié)構(gòu)基因簇中各成員是協(xié)同調(diào)控的 三、Lac操縱子基因的表達(dá)受阻抑物控制 四、乳糖操縱子是可誘導(dǎo)的 五、阻抑物由小分子誘導(dǎo)物所控制 六、用順式作用的組成型突變來(lái)鑒定操縱基因 七、用反式作用的突變來(lái)鑒定調(diào)控基因 八、多亞基蛋白質(zhì)具有特殊的遺傳性 九、阻抑物結(jié)合于操縱基因上,Table of content,十、阻抑物結(jié)合誘導(dǎo)物后從操縱基因上脫離 十一、阻抑物單體具有多個(gè)結(jié)構(gòu)域 十二

2、、阻抑物由兩個(gè)二聚體組成四聚體 十三、阻抑物與DNA的結(jié)合是通過(guò)別構(gòu)作用來(lái)調(diào)節(jié)的 十四、突變體的表表型與結(jié)構(gòu)域的構(gòu)型有關(guān) 十五、阻抑物與三個(gè)操縱基因結(jié)合并與RNA聚合酶相互作用 十六、操縱基因與低親和力位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合阻抑物 十七、阻遏可發(fā)生在多個(gè)基因座上 十八、啟動(dòng)子與操縱基因相對(duì)位置具有多樣性 十九 小 結(jié),幾個(gè)重要概念,順式作用（cis-acting） 不轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问剑≧NA或蛋白質(zhì)）而只以DNA形式在原來(lái)位置起作用的DNA序列發(fā)輝作用的過(guò)程。 反式作用（trans-acting） 基因的編碼產(chǎn)物從合成地點(diǎn)擴(kuò)散到其它場(chǎng)所而起作用的過(guò)程稱反式作用。,結(jié)構(gòu)基因（structural gen

3、e） 編碼各類具有不同結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)的基因（或rRNA基因、tRNA基因）。 調(diào)控基因（regulator gene） 編碼蛋白質(zhì)或RNA來(lái)調(diào)節(jié)其他基因表達(dá)的基因。 操縱基因（operator） DNA上的一個(gè)位點(diǎn)，阻抑物能與之結(jié)合抑制相鄰啟動(dòng)子起始轉(zhuǎn)錄。,阻抑物（repressor） 能阻止基因表達(dá)的蛋白質(zhì)，它可與DNA操縱基因結(jié)合來(lái)阻止轉(zhuǎn)錄或結(jié)合RNA來(lái)阻止蛋白質(zhì)的翻譯。 操縱子（operon） 細(xì)菌基因表達(dá)和調(diào)控的單位，包括結(jié)構(gòu)基因和能被調(diào)控基因產(chǎn)物識(shí)別的 DNA控制元件。,lactose operon,The simplest form of the regulatory mode

4、l ：A regulator gene codes for a protein that acts at a target site on DNA,一、調(diào)控可分為正調(diào)控與負(fù)調(diào)控,負(fù)調(diào)控（negative control） 阻抑物與操縱基因結(jié)合來(lái)阻止有關(guān)基因的表達(dá)。 正調(diào)控（positive control） 調(diào)控因子通過(guò)與啟動(dòng)子元件結(jié)合來(lái)激活基因的表達(dá)。,In negative control, a trans-acting repressor binds to the cis-acting operator to turn off transcription.,In positive con

5、trol, trans-acting factors must bind to cis-acting sites in order for RNA polymerase to initiate transcription at the promoter.,正調(diào)控和負(fù)調(diào)控的共同點(diǎn)： 調(diào)控蛋白作為反式作用因子，通過(guò)與順式作用元件相互作用激活或抑制基因表達(dá)。 雖調(diào)控蛋白與DNA結(jié)合長(zhǎng)度較長(zhǎng)，但僅靠識(shí)別DNA上的短序列(常小于10 bp)起作用。,二、結(jié)構(gòu)基因簇中各成員是協(xié)同調(diào)控的,對(duì)同一條代謝途徑中的某些蛋白質(zhì)，通常編碼它們的基因在DNA上也緊密排列在一起，作為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位轉(zhuǎn)錄出多順?lè)醋觤RNA。,

6、The lac operon occupies 6000 bp of DNA. The long lacZ gene is followed by the lacY and lacA genes.,三、Lac操縱子基因的表達(dá)受阻抑物控制,位于lac基因簇起點(diǎn)的啟動(dòng)子與操縱基因具有重疊區(qū)域； 阻抑物與操縱基因結(jié)合就可控制lacZYA基因簇的轉(zhuǎn)錄。 阻抑物是由lacI基因編碼、具有4個(gè)相同亞基的四聚體。,Repressor and RNA polymerase bind at sites that overlap around the transcription startpoint of the

7、 lac operon.,-5+21,lacI基因編碼的阻抑物(repressor),四、乳糖操縱子是可誘導(dǎo)的,可以對(duì)操縱子進(jìn)行誘導(dǎo)的小分子，其結(jié)構(gòu)通常與操縱子所表達(dá)的酶的底物的結(jié)構(gòu)相同或類似。 -半乳糖苷（含乳糖）是lacZYA基因編碼的酶可識(shí)別的底物。 -半乳糖苷不存在時(shí)，乳糖操縱子的表達(dá)水平極低。加入-半乳糖苷可誘導(dǎo)乳糖操縱子中三個(gè)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。,Addition of inducer results in rapid induction of lac mRNA, and is followed after a short lag by synthesis of the enzymes

8、; removal of inducer is followed by rapid cessation of synthesis.,Results of experiment when cells of E. coli are grown in the absence of a -galactoside, there is no need for -galactosidase, and they contain very few molecules of the enzymesay, 5. When a suitable substrate is added, the enzyme activ

9、ity appears very rapidly in the bacteria. Within 2-3 minutes some enzyme is present, and soon there are 5000 molecules of enzyme per bacterium. (Under suitable conditions, -galactosidase can account for 5-10% of the total soluble protein of the bacterium.) If the substrate is removed from the medium

10、, the synthesis of enzyme stops as rapidly as it had originally started.,五、阻抑物由小分子誘導(dǎo)物所控制,誘導(dǎo)物可使阻抑物失活。 阻抑物具兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，分別與操縱基因和誘導(dǎo)物結(jié)合。 當(dāng)阻抑物與誘導(dǎo)物結(jié)合后，發(fā)生別構(gòu)效應(yīng)使DNA結(jié)合位點(diǎn)的性質(zhì)改變，不能再和操縱基因相結(jié)合，這樣就不能抑制轉(zhuǎn)錄起始。,Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to the operator. The shape of the repressor

11、is represented as a series of connected domains as revealed by its crystal structure,Addition of inducer converts repressor to an inactive form that cannot bind the operator. This allows RNA polymerase to initiate transcription.,-galactosidase,-galactoside permease,-galactoside transacetylase,六、用順式作

12、用的組成型突變來(lái)鑒定操縱基因,調(diào)控通路中順式作用元件的突變可能消除操縱子的表達(dá)，也可能導(dǎo)致不受控制的表達(dá)。 1）使操縱子在任何情況下都不能表達(dá)的突變稱為不可誘導(dǎo)型突變（uninducible mutation）； 2）不受調(diào)控物影響的持續(xù)表達(dá)稱為組成型基因表達(dá)，這種突變稱為組成型突變（constitutive mutaion） 這些突變是順式的，只影響鄰近區(qū)域DNA上的基因。,Operator mutations are constitutive because the operator is unable to bind repressor protein; this allows RNA

13、polymerase to have unrestrained access to the promoter. The Oc mutations are cis-acting, because they affect only the contiguous set of structural genes.,七、用反式作用的突變來(lái)鑒定調(diào)控基因,lacI基因的突變是反式作用的，它可影響細(xì)菌內(nèi)所有l(wèi)acZYA基因簇的表達(dá)。 使lacI基因失活的突變可導(dǎo)致組成型表達(dá)。 阻抑物上誘導(dǎo)物結(jié)合位點(diǎn)的突變使它不會(huì)失活，因而這會(huì)引起操縱子的非誘導(dǎo)性。,Mutations that inactivate the

14、lacI gene cause the operon to be constitutively expressed, because the mutant repressor protein cannot bind to the operator.,注意： Oc 突變是順式顯性的 （cis-dominant） lacI- 型突變則是反式隱性的 (trans-recessive),八、多亞基蛋白質(zhì)具有特殊的遺傳性,活性阻抑物由4個(gè)相同亞基組成的四聚體。 lac-d 突變發(fā)生在DNA結(jié)合位點(diǎn)。只有阻抑物中4個(gè)亞基的DNA結(jié)合位點(diǎn)都處于正常時(shí)，整個(gè)蛋白質(zhì)才具有活性。,When it is prese

15、nt in the same cell as a wild-type gene, multimeric repressors are assembled at random from both types of subunits. A lacId mutant gene makes a monomer that has a damaged DNA binding site. It only requires one of the subunits of the multimer to be of the lacId type to block repressor function.,九、阻抑物

16、結(jié)合于操縱基因上,阻抑物結(jié)合于操縱基因的雙鏈DNA序列中。 操縱基因是一短的回文序列。 操縱基因的每個(gè)反向重復(fù)序列結(jié)合一個(gè)阻抑物亞基。,The lac operator has a symmetrical sequence. The sequence is numbered relative to the startpoint for transcription at +1.,十、阻抑物結(jié)合誘導(dǎo)物后從操縱基因上脫離,阻抑物與誘導(dǎo)物結(jié)合后發(fā)生構(gòu)象變化，使它與DNA的親和力降低，因而從操縱基因上脫離。,Two models for releasing repressor,十一、阻抑物單體具有多個(gè)結(jié)

17、構(gòu)域,阻抑物單體可分為三部分：N端DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域、鉸鏈區(qū)和核心區(qū)。 DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域具有兩個(gè)螺旋，用來(lái)與DNA大溝結(jié)合。 負(fù)責(zé)多聚化的區(qū)域和誘導(dǎo)物結(jié)合位點(diǎn)都位于核心區(qū)。,The structure of a monomer of Lac repressor identifies several independent domains.,十二、阻抑物由兩個(gè)二聚體組成四聚體,兩個(gè)單體通過(guò)核心結(jié)構(gòu)域2之間的接觸和負(fù)責(zé)寡聚化的螺旋之間的接觸形成二聚體。 兩個(gè)二聚體通過(guò)寡聚化螺旋之間的相互作用形成四聚體。,The repressor tetramer consists of two dimers. D

18、imers are held together by contacts involving core domain 2 as well as by the oligomerization helix. The dimers are linked into the tetramer by the oligomerization interface.,十三 、阻抑物與DNA的結(jié)合是通過(guò)別構(gòu)作用來(lái)調(diào)節(jié)的,阻抑物單體的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域插入到DNA的大溝。 在活性阻抑物中，二聚體的兩個(gè)DNA結(jié)合域可以插入連續(xù)的雙螺旋轉(zhuǎn)角。 誘導(dǎo)物的結(jié)合使阻抑物構(gòu)象改變，這樣兩個(gè)DNA結(jié)合位點(diǎn)不能形成正確的幾何構(gòu)象以維持

19、與DNA的同時(shí)接觸。,Inducer changes the structure of the core so that the headpieces of a repressor dimer are no longer in an orientation that permits binding to DNA.,十四、突變體的表型與結(jié)構(gòu)域的構(gòu)型有關(guān),不同類型的突變發(fā)生在阻抑物亞基的不同結(jié)構(gòu)域,The locations of three type of mutations in lactose repressor: 1）Recessive lacI mutants that cannot r

20、epress can map anywhere in the protein. 2）Dominant negative lacId mutants that cannot repress map to the DNA-binding domain. 3）Dominant lacIs mutants that cannot induce because they do not bind inducer map to core domain 1.,十五、阻抑物與三個(gè)操縱基因結(jié)合并與RNA聚合酶相互作用,阻抑物四聚體中的每個(gè)二聚體都可以與一個(gè)操縱基因結(jié)合。 若要完全阻遏轉(zhuǎn)錄，阻抑物除結(jié)合lacZ 操

21、縱基因（original operator）外, 同時(shí)還要結(jié)合一個(gè)上游-83或下游+410的“操縱基因”（pseudo-operator）。 阻抑物結(jié)合到操縱基因可促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合,但結(jié)合的RNA聚合酶不能起始轉(zhuǎn)錄。,If both dimers in a repressor tetramer bind to DNA, the DNA between the two binding sites is held in a loop.,(The blue structure in the center of the looped DNA represents CAP(or CRP),

22、another regulator protein that binds in this region).,十六、操縱基因與低親和力位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合阻抑物,當(dāng)誘導(dǎo)物不存在時(shí)，操縱基因與阻抑物的親和力比低親和力位點(diǎn)與阻抑物的親和力高107倍。 每個(gè)細(xì)胞含10個(gè)阻抑物分子，這保證了在絕大多數(shù)情況下，操縱基因都是與阻抑物結(jié)合的. (Escherichia coli K12, 4 639 675 bp circular DNA) 誘導(dǎo)使阻抑物從操縱基因直接轉(zhuǎn)移到低親和力位點(diǎn)。 當(dāng)細(xì)胞內(nèi)有效DNA濃度減少時(shí),上述參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。,All but 0.01% of repressor is bound

23、to (random) DNA. Since there are 10 molecules of repressor per cell, this is tantamount to saying that there is no free repressor protein.,Lac repressor binds strongly and specifically to its operator, but is released by inducer.,Virtually all the repressor in the cell is bound to DNA.,Repression af

24、fects the sites at which repressor is bound on DNA,十七、阻遏可發(fā)生在多個(gè)基因座上,阻抑物可以作用于具有操縱基因靶序列的任何基因座。,The trp repressor recognizes operators at three loci. Conserved bases are shown in red. The location of the startpoint and mRNA varies, as indicated by the white arrows.,十八、啟動(dòng)子與操縱基因相對(duì)位置具有多樣性,Operators may lie

25、 at various positions relative to the promoter.,十 九、 小 結(jié),1）轉(zhuǎn)錄調(diào)控是通過(guò)反式作用因子和順式作用位點(diǎn)的相互作用來(lái)進(jìn)行的。 反式作用因子是調(diào)控基因的產(chǎn)物，通常為蛋白質(zhì)，也有可能是RNA，它可以在細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散，因此可以作用于任何合適的靶基因。 位于DNA或RNA上的順式作用位點(diǎn)是通過(guò)反式作用因子識(shí)別并在原位發(fā)揮作用的序列,它沒(méi)有編碼功能,并只對(duì)空間上緊密相連的序列起調(diào)節(jié)作用。,2）細(xì)菌中編碼功能相關(guān)的蛋白質(zhì)（例如某個(gè)代謝途徑中的一系列酶）的基因通常位于同一個(gè)基因簇中，由單一啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄出多順?lè)醋觤RNA, 這樣, 控制了這個(gè)啟動(dòng)子就可以控制整個(gè)

26、代謝途徑。 包括結(jié)構(gòu)基因和順式作用元件在內(nèi)的調(diào)控單位, 稱為操縱子。 3）轉(zhuǎn)錄的起始調(diào)控是通過(guò)啟動(dòng)子附近蛋白質(zhì)與DNA的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 RNA聚合酶對(duì)轉(zhuǎn)錄的起始作用可以被其他蛋白質(zhì)阻遏或增強(qiáng)。若一條基因平時(shí)都有活性,被阻抑物關(guān)閉時(shí)則失活,則其調(diào)節(jié)方式稱為負(fù)調(diào)控。若一條基因只有與調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)合時(shí)才具有活性，其調(diào)節(jié)方式稱為正調(diào)控。,4）阻抑物可以阻止RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合或阻止其激活轉(zhuǎn)錄。 阻抑物結(jié)合的靶序列 - 操縱基因，通常定位在轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)的附近。 操縱基因的序列比較短，通常具有回文結(jié)構(gòu)。 阻抑物通常是同源多聚體，其對(duì)稱性反映了結(jié)合靶位的對(duì)稱性。 5）阻抑物與操縱基因結(jié)合能力可由小分子調(diào)節(jié)

27、。 誘導(dǎo)物 (如-半乳糖苷) 可以阻止阻抑物與靶位點(diǎn)的結(jié)合，輔阻抑物 (如色氨酸) 可以活化這種結(jié)合。與誘導(dǎo)物或輔阻抑物結(jié)合會(huì)導(dǎo)致阻抑物DNA結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)改變。無(wú)論阻抑物是游離的還是已經(jīng)與DNA結(jié)合的，都可以發(fā)生這種別構(gòu)效應(yīng)。,6）一個(gè)蛋白質(zhì)若與DNA上的特定靶序列親和力很高，那么它必然與其他DNA序列的親和力較低，兩者親和力的比值即為專一性。 由于基因組中非特異性位點(diǎn)要遠(yuǎn)多于特異位點(diǎn), 基此靶序列的特異性必須足夠大, 以克服大量非特異性的競(jìng)爭(zhēng)。 細(xì)菌調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的數(shù)量和特異性之間存在一種平衡，在活化狀態(tài)，它允許對(duì)靶位點(diǎn)的識(shí)別；在關(guān)閉狀態(tài)下，它允許幾乎所有蛋白質(zhì)從靶位點(diǎn)上釋放出來(lái)。,第二節(jié) 調(diào)

28、控線路Regulatory Circuits,Table of Contents,一、前 言 二、區(qū)分正調(diào)控與負(fù)調(diào)控 三、葡萄糖阻遏作用調(diào)控碳源的利用 四、cAMP是CRP的誘導(dǎo)劑,可激活CRP作用于許多操縱子 五、CRP在不同的靶操縱子中的作用方式不同 六、CRP促使DNA彎曲 七、應(yīng)急應(yīng)答產(chǎn)生(p)ppGpp 八、(p)ppGpp由核糖體生成 九、ppGpp有許多作用 十、翻譯是可調(diào)控的 十一、r-蛋白合成的自主調(diào)控 十二、T4噬菌體p32合成的自主調(diào)控過(guò)程,Table of Contents,十三、自主調(diào)節(jié)常用來(lái)控制大分子聚合物的合成 十四、可變性二級(jí)結(jié)構(gòu)調(diào)控衰減作用 十五、大腸桿菌色氨

29、酸操縱子(trp operon)受衰減作用控制 十六、衰減作用可以為翻譯所控制 十七、反義RNA（ antisense RNA）可以抑制基因表達(dá) 十八、小RNA分子可以調(diào)節(jié)翻譯 十九、細(xì)菌內(nèi)含有調(diào)節(jié)因子RNA 二十、在許多真核生物中，微小RNA是調(diào)節(jié)因子 二十一、RNA干擾與基因沉默有關(guān) 二十二、小結(jié),一、前 言,表達(dá)水平上的調(diào)控 以DNA為靶標(biāo)的轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控 以RNA為靶標(biāo)的翻譯水平上的調(diào)控 調(diào)控因子可能是蛋白質(zhì)也可能是RNA。,調(diào)控既可以表示調(diào)控因子關(guān)閉（或者抑制）了靶標(biāo)的表達(dá)，也可以表示調(diào)控因子起始（或活化）了靶標(biāo)的表達(dá)。 若多條基因均含有其調(diào)控因子識(shí)別的序列或結(jié)構(gòu)，則這些基因的表達(dá)

30、可由該調(diào)控因子共同調(diào)控。 調(diào)控因子本身也可能被調(diào)控，最典型的就是被一些小分子所調(diào)控，而這些小分子的產(chǎn)生是周圍環(huán)境所致。 調(diào)控因子如受到其他調(diào)控因子調(diào)控，則構(gòu)成了復(fù)雜的調(diào)控線路。,(一)調(diào)控因子直接調(diào)控靶標(biāo),（二）一個(gè)調(diào)控因子直接調(diào)控另一個(gè)調(diào)控因子的活性。,二、區(qū)分正調(diào)控與負(fù)調(diào)控,正調(diào)控基因只有存在活性調(diào)控因子時(shí)，它才會(huì)表達(dá)。 負(fù)調(diào)控基因只有在沒(méi)有阻抑物的情況下是一直表達(dá)的。 誘導(dǎo)(使轉(zhuǎn)錄發(fā)生)：可以通過(guò)使阻抑物的失活來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)活化其激活劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。 阻遏(使轉(zhuǎn)錄不能發(fā)生):可以通過(guò)使激活劑的失活來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)活化阻抑物來(lái)實(shí)現(xiàn)。,據(jù)對(duì)調(diào)控操縱子表達(dá)的小分子所產(chǎn)生的不同應(yīng)答的特性，操縱子

31、可分為： 誘導(dǎo)型操縱子(inducible) ：只有小分子誘導(dǎo)物(small-molecule inducer)存在時(shí)才發(fā)生轉(zhuǎn)錄。 阻遏型操縱子(repressible) ：只有小分子輔阻遏物(small- molecule corepressor) 不存在時(shí)才發(fā)生轉(zhuǎn)錄。,Control circuits are versatile.,三、葡萄糖阻遏作用調(diào)控碳源的利用,當(dāng)大腸桿菌對(duì)碳源進(jìn)行選擇時(shí)，它優(yōu)先利用葡萄糖。 葡萄糖防止了從培養(yǎng)基中吸收可替代碳源。 從細(xì)胞中排除其他碳源阻止了編碼代謝這些碳源的酶的操縱子的表達(dá)。,Glucose is imported through the Pts sy

32、stem. This causes the Lac permease to be inactivated. The absence of lactose means that the lac repressor switches off the operon. When glucose is absent, lactose can be imported, and inactivates the lac repressor, so the operon is switched on. Pts: glycose phosphotransferase system,四、cAMP是CRP的誘導(dǎo)劑，可

33、激活CRP作用于許多操縱子,CRP是一種可以與某個(gè)啟動(dòng)子的靶序列結(jié)合的激活劑。 CRP二聚體可以由cAMP分子激活。,Cyclic AMP has a single phosphate group connected to both the 3 and 5 positions of the sugar ring.,By reducing the level of cyclic AMP, glucose inhibits the transcription of operons that require CRP activity. The level of cyclic AMP is inver

34、sely related to the level of glucose.,注意：CRP CRP蛋白是一種激活劑。該激活劑控制了大腸桿菌中的多種操縱子活動(dòng)。 這種蛋白質(zhì)是一種正調(diào)控因子。 CRP只有在cAMP的存在下才有活性，因此cAMP可以作為經(jīng)典的小分子誘導(dǎo)物。,五、CRP在不同的靶操縱子中的作用方式不同,注意： CRP因子：是一個(gè)由兩個(gè)相同亞基組成的二聚體，每個(gè)亞基為22.5 kDa, 二聚體可以被單個(gè)分子cAMP激活。CRP單體包含一個(gè)DNA結(jié)合區(qū)和一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活區(qū)。 CRP因子與DNA結(jié)合后，形成cAMP.CRP.DNA復(fù)合物。 在應(yīng)答的啟動(dòng)子上，CRP二聚體約結(jié)合22個(gè)堿基，結(jié)合位點(diǎn)

35、在共有序列中有所變化，但有些序列卻是保守的。 在CRP所調(diào)控的操縱子中，其結(jié)合位點(diǎn)坐落于自起始位點(diǎn)的不同位置上。,The consensus sequence for CRP contains the well conserved pentamer TGTGA and (sometimes) an inversion of this sequence (TCANA).,The CRP protein can bind at different sites relative to RNA polymerase.,六、CRP促使DNA彎曲,CRP在它的結(jié)合位點(diǎn)可使DNA成90彎曲。,CRP ben

36、ds DNA 90 around the center of symmetry.,七、應(yīng)急應(yīng)答產(chǎn)生(p)ppGpp,應(yīng)急應(yīng)答（stringent response）： 當(dāng)細(xì)菌發(fā)現(xiàn)它們處于很差的生長(zhǎng)環(huán)境，沒(méi)有足夠的氨基酸來(lái)維持蛋白質(zhì)合成時(shí)，它們就會(huì)停止大部分活動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)急應(yīng)答。 應(yīng)急應(yīng)答產(chǎn)生兩種非正常的核酸堆積物有時(shí)又稱預(yù)警子(alarmone)，即ppGpp和pppGpp ，統(tǒng)稱(P)PPGPP。 (P)PPGPP的作用是協(xié)同調(diào)控大量的分子活動(dòng)。 (P)PPGPP水平和細(xì)菌生長(zhǎng)速率一般呈相反關(guān)系。 應(yīng)急應(yīng)答使得rRNA和tRNA的合成量大幅減少（10-20%），一些mRNA的合成也減少

37、（1/3）。蛋白質(zhì)的降解速率增加，許多代謝調(diào)節(jié)作用開(kāi)始發(fā)生。,八、(p)ppGpp由核糖體生成,應(yīng)急因子RelA是一種(p)ppGpp合成酶，約與5%的核糖體結(jié)合在一起。 當(dāng)A位被空載tRNA占據(jù)時(shí)， RelA被激活。 一個(gè)空載tRNA進(jìn)入A位就生成一個(gè)(p)ppGpp,Stringent factor catalyzes the synthesis of pppGpp and ppGpp; ribosomal proteins can dephosphorylate pppGpp to ppGpp.,In normal protein synthesis, the presence of a

38、minoacyl-tRNA in the A site is a signal for peptidyl transferase to transfer the polypeptide chain, followed by movement catalyzed by EF-G; But under stringent conditions, the presence of uncharged tRNA causes RelA protein to synthesize (p)ppGpp and to expel the tRNA.,九、ppGpp有許多作用,ppGpp阻止rRNA的轉(zhuǎn)錄。在編碼

39、rRNA的操縱子中，啟動(dòng)子上轉(zhuǎn)錄起始被特異地抑制。 ppGpp能縮短許多或大部分模板的轉(zhuǎn)錄延伸期，原因可能是ppGpp引起的不斷增高的RNA聚合酶的暫停反應(yīng)。,The figure summarizes the systems that are used to control rRNA transcription in response to growth rate. Nucleotide levels control initiation of rRNA transcription.,This means that the production of ribosomes, and thus

40、the level of protein synthesis, in turn respond to the levels of ATP and GTP, which reflect the nutritional condition of the cell.,十、翻譯是可調(diào)控的,一種翻譯調(diào)節(jié)方式： 與mRNA上靶區(qū)結(jié)合的蛋白質(zhì)通過(guò)阻遏核糖體識(shí)別起始區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抑物的功能，這和與DNA結(jié)合的阻抑物防止RNA聚合酶識(shí)別啟動(dòng)子的機(jī)制是相對(duì)應(yīng)的。,A regulator protein may block translation by binding to a site on mRNA that ov

41、erlaps the ribosome-binding site at the initiation codon.,Proteins that bind to sequences within the initiation regions of mRNAs may function as translational repressors.,另一種翻譯調(diào)控方式： 一個(gè)順?lè)醋拥姆g需要前一個(gè)順?lè)醋臃g所引起的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化來(lái)調(diào)控。,Secondary structure can control initiation. Only one initiation site is available in

42、the RNA phage, but translation of the first cistron changes the conformation of the RNA so that other initiation site(s) become available. The cistrons always are expressed in a set order.,十一、r-蛋白合成的自主調(diào)控,r-蛋白（核糖體蛋白，ribosomal proteins）操縱子的翻譯是由此操縱子的表達(dá)產(chǎn)物來(lái)控制的，該產(chǎn)物可與多順?lè)醋觤RNA上某個(gè)位點(diǎn)結(jié)合。,Genes for ribosomal pr

43、oteins, protein synthesis factors, and RNA polymerase subunits are interspersed in a small number of operons that are autonomously regulated.,Translation of the r-protein operons is autogenously controlled and responds to the level of rRNA.,A mechanism to link r-protein synthesis to rRNA synthesis.,

44、About autogenous regulation: Autogenous regulation: the gene coding for the regulatory product is itself one of the targets for regulation. negative autogenous regulation: the regulatory protein inhibits expression of a contiguous set of genes within the operon.,十二、T4噬菌體p32合成的自主調(diào)控過(guò)程,p32與其自身的mRNA結(jié)合來(lái)阻

45、遏翻譯的起始。,T4噬菌體基因p32表達(dá)的蛋白質(zhì)p32在遺傳重組、DNA修復(fù)和復(fù)制中起著主要作用，它的功能是由它與單鏈DNA的結(jié)合能力來(lái)決定的。 基因的無(wú)義突變使無(wú)活性蛋白質(zhì)過(guò)量表達(dá)，因此當(dāng)p32蛋白功能被阻遏后，就會(huì)有更多的該p32蛋白產(chǎn)生，這個(gè)效應(yīng)發(fā)生在翻譯水平上。,Excess gene 32 protein (p32) binds to its own mRNA to prevent ribosomes from initiating translation.,Gene 32 protein binds to various substrates with different affi

46、nities, in the order single-stranded DNA, its own mRNA, and other mRNAs. Binding to its own mRNA prevents the level of p32 from rising 10-6 M.,十三、自主調(diào)節(jié)常用來(lái)控制大分子聚合物的合成,微管前體，即游離的微管蛋白，可抑制微管蛋白mRNA的翻譯。,Tubulin is assembled into microtubules when it is synthesized. Accumulation of excess free tubulin induce

47、s instability in the tubulin mRNA by acting at a site at the start of the reading frame in mRNA or at the corresponding position in the nascent protein.,Note: 在那些將合成為大分子聚合物的蛋白質(zhì)中，自主調(diào)節(jié)是一種普遍的調(diào)控方法。 2）蛋白質(zhì)自主調(diào)控是一種內(nèi)在的自我限制系統(tǒng)，在自主調(diào)節(jié)的情況中，關(guān)鍵的參數(shù)是蛋白質(zhì)本身的濃度。,十四、可變性二級(jí)結(jié)構(gòu)調(diào)控衰減作用,調(diào)控RNA中必需發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成可以使轉(zhuǎn)錄終止發(fā)生衰減。 最直接的衰減機(jī)制涉及到促使

48、發(fā)夾結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)。,Attenuation occurs when a terminator hairpin in RNA is not prevented from forming.,十五、大腸桿菌色氨酸操縱子(trp operon)受衰減作用控制,在啟動(dòng)子和色氨酸基因簇的第一條基因之間存在一個(gè)衰減子(attenuator)(又稱內(nèi)在終止子）,The trp operon consists of five contiguous structural genes preceded by a control region that includes a promoter, opera

49、tor, leader peptide coding region, and attenuator.,衰減子的終止作用與色氨酸水平有關(guān)： 1）當(dāng)存在足夠色氨時(shí)，便會(huì)有效地發(fā)生終止作用； 2）當(dāng)色氨氨酸缺乏時(shí)，RNA聚合酶就會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因（轉(zhuǎn)錄增加十倍）。 本質(zhì)：衰減作用受mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)改變的控制并取決于核糖體結(jié)合mRNA的位置。,An attenuator controls the progression of RNA polymerase into the trp genes. RNA polymerase initiates at the promoter and then proc

50、eeds to position 90, where it pauses before proceeding to the attenuator at position 140.,十六、衰減作用可以為翻譯所控制,色氨酸操縱子的前導(dǎo)區(qū)有一個(gè)由14個(gè)密碼子組成的可讀框，其中包含編碼色氨酸的兩個(gè)密碼子。 衰減子處的RNA結(jié)構(gòu)取決于這個(gè)讀框是否被翻譯。,The trp leader region can exist in alternative base-paired conformations. The center shows the four regions that can base pair

51、. Region 1 is complementary to region 2, which is complementary to region 3, which is complementary to region 4. On the left is the conformation produced when region 1 pairs with region 2, and region 3 pairs with region 4. On the right is the conformation when region 2 pairs with region 3, leaving r

52、egions 1 and 4 unpaired.,當(dāng)存在色氨酸時(shí)，前導(dǎo)序列被翻譯，使得衰減子能夠形成引起終止的發(fā)夾結(jié)構(gòu)。 當(dāng)不存在色氨酸時(shí)，核糖體停在色氨酸密碼子處，形成的二級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)阻止發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成，于是轉(zhuǎn)錄得以繼續(xù)。,The alternatives for RNA polymerase at the attenuator depend on the location of the ribosome, which determines whether regions 3 and 4 can pair to form the terminator hairpin.,In the presen

53、ce of tryptophan tRNA, ribosomes translate the leader peptide and are released. This allows hairpin formation, so that RNA polymerase terminates. In the absence of tryptophan tRNA, the ribosome is blocked, the termination hairpin cannot form, and RNA polymerase continues.,十七、反義RNA（ antisense RNA）可以抑

54、制基因表達(dá),RNA引入真核生物細(xì)胞時(shí)，可以阻斷其靶基因的表達(dá)。,Antisense RNA can be generated by reversing the orientation of a gene with respect to its promoter, and can anneal with the wild-type transcript to form duplex RNA.,At what level does the antisense RNA inhibit expression? It could in principle prevent: 1) transcriptio

55、n of the authentic gene, 2) processing of its RNA product, or 3) translation of the messenger. The inhibition depends on formation of RNARNA duplex molecules, but this can occur either in the nucleus or in the cytoplasm.,十八、小RNA分子可以調(diào)節(jié)翻譯,調(diào)節(jié)因子RNA通過(guò)與靶RNA形成雙鏈區(qū)域來(lái)行使功能。 雙鏈體可以阻遏翻譯起始，引起轉(zhuǎn)錄終止，或產(chǎn)生一個(gè)核酸內(nèi)切酶的作用靶點(diǎn)。,

56、A protein that binds to a single-stranded region in a target RNA could be excluded by a regulator RNA that forms a duplex in this region.,By binding to a target RNA to form a duplex region, a regulator RNA may create a site that is attacked by a nuclease.,The secondary structure formed by base pairing between two regions of the target RNA may be prevented from forming by base pairing with a regulator RNA. In this example, th