第20章 原核生物基因表达调控

目录RegulationofGeneExpressioninProkaryotes第二十章原核生物基因表达调控目录第一节原核生物基因表达特点CharacteristicsofGeneExpressionofProkaryotes目录•操纵子在研究基因表达的重要性具有普遍性；真核生物研究的借鉴；开拓了分子识别（molecularrecognition)的研究；研究成果应用于实践，具有指导意义。一、操纵子是原核生物的基因转录单元目录•操纵子理论实验依据实验模型：细菌的乳糖代谢酶类诱导突破点:乳糖阻遏蛋白基因lacI的发现lacI是组成型表达基因，其突变(lacI-)引起管辖的基因族也发生组成型表达用噬菌体转导方法把野生型(lacI+)转入突变株(lacI-)，逆转了组成型突变目录操纵子(operon)是由结构基因及其上游调控序列组成的转录单元，结构基因转录受调控序列控制。调控序列包括远端的阻遏蛋白(repressor)基因I，近端的启动子(promoter,P)和操纵序列(operator,O)。目录蛋白质因子特异DNA序列结构基因启动子操纵序列阻遏蛋白基因(promoter)(operator)目录•启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列目录•操纵序列是阻遏蛋白的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白目录二、原核生物中mRNA的转录、翻译和降解偶联进行开始转录继续转录，同时，核糖体结合mRNA进行翻译RNA5'端开始降解转录终止，继续翻译和降解RNApol开始转录继续转录，同时，核糖体结合mRNA进行翻译RNA5'端开始降解转录终止，继续翻译和降解RNApol目录三、mRNA所携带的信息差别很大细菌mRNA所编码的蛋白质数量有很大差异。有的mRNA只带有一个结构基因的信息（编码一个蛋白质），称为单顺反子mRNA（monocistronicmRNA）；大部分mRNA都是从操纵子转录而成，带有编码几个甚至十几个蛋白质的序列信息，这种mRNA是从几个首尾相连的结构基因（存在于一个操纵子中）一次转录而成，称为多顺反子mRNA（polycistronicmRNA）。目录第二节原核生物基因表达的转录水平调控RegulationofProkaryoticGeneExpressionatTranscriptionLevel目录一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋白质结构为基础（一）特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列，与结构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合，这些特定的DNA序列称为顺式作用元件（cis-actingelements），亦称为顺式调控元件。在原核生物中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合位点、增强子等。目录BADNA编码序列转录起始点目录E.coli的启动子区－35－10+1+20+28RNA聚合酶结合区阻遏蛋白结合区－35－10+1+20+28RNA聚合酶结合区阻遏蛋白结合区目录（二）调控蛋白具有结合DNA所需的结构特征基因特异性转录因子（genespecifictranscriptionfactors）:能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质激活蛋白或正调控蛋白:对基因表达有激活作用的蛋白质阻遏蛋白:对基因表达有抑制作用的蛋白质目录最常见的DNA结合域：1.锌指(zincfinger)C——CysH——His常结合GC盒目录123standforzincion目录2.螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix,HTH）usuallybindstoCAATbox目录二、特定蛋白质与DNA结合后控制转录起始（一）σ因子和启动子决定转录是否能够起始启动子及其与转录的关系-TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG··············-ATCACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC··············5'3'-3'-5'-35-10+1transcriptionAGGUCCACG···········RNA5'--3'-TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG··············-ATCACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC··············5'3'-3'-5'-35-10+1transcriptionAGGUCCACG···········RNA5'--3'目录（二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起始进行负调控阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与DNA结合后，RNA聚合酶仍有可能与启动子结合，但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种作用称为阻遏（repression），特定的信号分子与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA上脱落下来，称为去阻遏，或脱阻遏（derepression）。目录阻遏蛋白都可以与信号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与DNA结合，或者与DNA解离。在可诱导型操纵子中，信号分子使阻遏物从DNA释放下来，解除对转录的抑制作用；在可阻遏型操纵子中，信号分子使阻遏物结合DNA，抑制转录。在两种情况下，阻遏蛋白结合于DNA后都是抑制转录，这种类型的基因表达调控称为负调控。目录1.乳糖操纵子是可诱导型操纵子调控区CAP结合位点启动子操纵序列结构基因z：β-半乳糖苷酶y：通透酶a：乙酰基转移酶zyaOPDNAI基因•乳糖操纵子的结构目录阻遏基因mRNA阻遏蛋白IDNAzyaOPpol没有乳糖存在时•乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭目录mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAzyaOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶•乳糖操纵子被诱导物开放目录2.色氨酸操纵子是可阻遏操纵子合成代谢操纵子由合成产物关闭合成代谢操纵子在基础状态下持续开放，在产物达到满足需要量时才关闭。目录分解和合成代谢的操纵子操纵子基础状态调控方式分解代谢关闭由诱导物开放合成代谢开放由阻遏物关闭目录TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操纵子的作用原理操纵子关闭目录（三）激活蛋白结合正调控元件而对转录起始进行正调控1．正调控蛋白可结合启动子邻近序列进行调控2．激活蛋白结合增强子可远距离进行转录起始正调控目录ntrC蛋白对转录的正调控作用ntrC结合位点启动子转录起始位点ntrCP磷酸化ntrCRNA聚合酶P闭合起始复合物P开放起始复合物PPntrC结合位点启动子转录起始位点ntrCPPP磷酸化ntrCRNA聚合酶PP闭合起始复合物PP开放起始复合物PPPPPP目录三、原核基因表达的转录过程可通过不同模式进行调控（一）去阻遏和正调控机制对转录起始进行双重调控1．乳糖操纵子受阻遏蛋白（负性调节）和CAP（正性调节）的协调调节目录乳糖操纵子由cAMP-CAP系统进行正调控TTTACATATGTTN17N6AlacTTGACATATAAT共有序列•乳糖操纵子是弱启动子，被RNA-pol结合后，还需cAMP-CAP（分解代谢物基因活化蛋白）活化目录++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP结合位点目录mRNA低半乳糖时高半乳糖时葡萄糖低cAMP浓度高葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOOＩＩ无转录无转录低水平转录目录2．AraC的别构调节使阿拉伯糖操纵子调控更精细阿拉伯糖操纵子的转录起始调控RNA聚合酶cAMPCAParabinosearaO1araO2araI启动子启动子CAP结合位点CmRNABADmRNA(A)阿拉伯糖操纵子的调控区3.有AraC和阿拉伯糖，无葡萄糖1.无AraCAraC2.有AraC和葡萄糖，有或无阿拉伯糖(B)阿拉伯糖操纵子的调控RNA聚合酶cAMPCAParabinosearaO1araO2araI启动子启动子CAP结合位点CmRNABADmRNA(A)阿拉伯糖操纵子的调控区3.有AraC和阿拉伯糖，无葡萄糖1.无AraCAraC2.有AraC和葡萄糖，有或无阿拉伯糖(B)阿拉伯糖操纵子的调控目录（二）色氨酸操纵子的弱化机制实质是转录与翻译调控的偶联色氨酸操纵子(trpoperon)除了产物阻遏负调控外，还有转录衰减(attenuation)调控方式。衰减是转录-翻译的偶联调控。目录TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操纵子的作用原理目录UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:包含序列1形成发夹结构能力强弱：序列1/2序列2/3序列3/4trp密码子UUUU……目录UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA•当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止目录UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽15’trp密码子结构基因前导DNARNA聚合酶•当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构前导mRNA目录（三）DNA片段倒位和阻遏蛋白的协同作用沙门菌鞭毛素基因的调节H2鞭毛素阻遏蛋白Hin重组酶转位片段hinH2IH1H1鞭毛素hinH2IDNA启动序列H1启动序列目录原核生物基因表达的翻译水平调控RegulationofProkaryoticGeneExpressionatTranslationLevel第三节目录一、SD序列决定翻译起始效率（一）SD序列的碱基序列影响翻译起始的效率（二）SD序列的定位影响翻译起始的效率红霉素甲基化酶mRNA的翻译调控53红霉素甲基化酶mRNA1234SDSD前导肽编码区(A)不存在红霉素(B)有红霉素前导肽编码区终止密码1234SD无翻译2前导肽34SDEryr核糖体进行翻译53红霉素甲基化酶mRNA1234SDSD前导肽编码区(A)不存在红霉素(B)有红霉素前导肽编码区终止密码1234SD无翻译2前导肽34SDEryr核糖体进行翻译目录二、mRNA的稳定性是决定翻译产物量的重要因素原核生物mRNA分子某些片段，例如发夹有RNase抗性。细胞内有结合RNA、使之免受RNase降解的保护蛋白。近年发现，内源或外源的小分子RNA可特异互补结合细胞RNA，使其失去功能。•与减少表达量一样，降低mRNA稳定性也是基因表达调控方式目录三、翻译产物可对翻译过程产生反馈调节效应核糖体蛋白控制多顺反子mRNA的翻译翻译终止因子RF-2调节自身的翻译目录核糖体蛋白与rRNA合成是互相协调的•原核生物的16SrRNA与21种核糖体蛋白(ribosomalproteins)，简称r-蛋白，组成核糖体小亚基；5S和23SrRNA与31种r-蛋白组成大亚基。大、小亚基在翻译起始组合为70S核糖体。•蛋白质合成是生存的最基本需要，细胞必然要严格控制rRNA和r-蛋白的比例。目录核糖体蛋白基因与RNApol亚基基因的多顺反子操纵子基因簇表达产物rif(