分子生物学-7原核生物基因表达调控

原核生物基因表达的调控主要内容概述乳糖操纵子色氨酸操纵子原核生物基因表达的时序原核生物翻译水平上的调控一、概述（一）基因表达(geneexpression)的概念Definition:基因转录及翻译的过程（二）基因的可调控性组成型基因(constitutivegenes)：调控型基因(regulatedgenes)：Definition:又称管家基因(housekeepinggenes)是维持细胞生存必需的一类基因，在各类细胞中都处于活性状态。组成型基因(constitutivegenes)调控型基因(regulatedgenes)Definition:又称奢侈基因(luxurygenes)在不同组织细胞中选择表达的基因。根据细胞生长、发育的需要或环境因素的改变，其活性受到调控。持家基因奢侈基因结构基因(structuralgenes):编码有功能产物（RNA或蛋白质）的基因。调控基因(regulatorygenes):编码那些控制其他基因表达的RNA或蛋白质的基因。（三）结构基因和调控基因调控蛋白激活蛋白（activatorprotein）阻遏蛋白（repressiveprotein）正调控(positiveregulation):与缺乏调控因子比较，调控因子使靶基因的表达水平上升。负调控(negativeregulation):调控因子使靶基因的表达水平下降，甚至关闭。（四）正调控和负调控诱导(induction):在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因是可诱导的.阻遏(repression):如果基因对环境信号应答时被抑制，基因表达产物水平降低.（五）诱导和阻遏（六）效应物诱导物(inducer)辅阻遏物(co-repressor)使阻遏蛋白失活或使激活蛋白激活，从而实现诱导。使阻遏蛋白激活或使激活蛋白失活，从而实现阻遏。诱导物(inducer)阻遏蛋白阻遏作用诱导物去阻遏作用去阻遏作用阻遏蛋白辅阻遏物(co-repressor)阻遏作用辅阻遏物（七）原核生物基因表达的控制模式可诱导的负调控可阻遏的负调控可阻遏的正调控可诱导的正调控阻遏阻遏诱导诱导可诱导的系统可诱导的负调控可诱导的正调控阻遏诱导可阻遏的系统可阻遏的负调控可阻遏的正调控阻遏诱导1961年Monod和Jacob提出操纵子学说1965年诺贝尔生理学和医学奖（八）操纵子(operon)1940年，Monod发现：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗尽后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿，即产生“二次生长曲线”。1.操纵子学说乳糖对－半乳糖苷酶的合成有诱导作用。葡萄糖对－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。1961年，操纵子学说由Jacob和Monod提出1965年诺贝尔生理学和医学奖原核生物基因表达、调控的基本形式；由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调控基因产物的控制。2.操纵子定义二、乳糖操纵子(lacoperon)ZYAOP结构基因LacIP调控基因β半乳糖苷酶β半乳糖苷透性酶β半乳糖苷乙酰转移酶阻遏蛋白催化β-半乳糖苷水解将β-半乳糖苷转入细胞将乙酰CoA的乙酰基转移到β-半乳糖苷上启动子(lacP)操纵基因（lacO）（一）乳糖操纵子的结构和功能ZYAOP结构基因操纵基因（lacO）LacIP调控基因阻遏蛋白阻遏蛋白存在时，阻止Lac操纵子转录阻遏蛋白缺乏或无活性时，Lac操纵子的基因开启。RNApol（二）lac操纵子的负调控可诱导的负调控ZYAOP结构基因操纵基因（lacO）LacIP调控基因阻遏蛋白诱导物诱导物-阻遏蛋白复合物诱导物(如乳糖、IPTG)存在时，与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋白的构象，使其不能与LacO结合，基因开始转录。mRNA安慰诱导物gratuitousinducer：能高效诱导酶的合成但不被所诱导的酶分解的分子。如：IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）1.操纵基因lacO的结构Definition:操纵基因(operator,O)是原核生物操纵子中被调控蛋白识别并结合的DNA区域。lacO是-5至+21的序列，与启动子右末端重叠lacO的序列，以+11为对称轴具有反向重复序列2.阻遏蛋白（repressor）N端有结合DNA的能力两核心区之间有结合诱导物的位点C端有亚基聚合位点阻遏蛋白是由相同亚基组成的同源四聚体(tetramer)3.阻遏蛋白与诱导物的作用诱导物作用的两种模型平衡模型：阻遏蛋白与DNA结合和释放是一个快速动态平衡过程，诱导物与游离的阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白不能与DNA结合解离模型：诱导物直接同结合在DNA上阻遏蛋白结合，使其构象改变，从操纵基因上解离。VirtuallyalltherepressorinthecellisboundtoDNALacZ突变：β半乳糖苷酶基因的突变，因而不能分解利用乳糖lacY突变：β半乳糖透性酶基因的突变，不能从培养基中吸收乳糖4.结构基因和调控基因的突变分析结构基因的突变不可诱导型突变操纵基因lacO的突变lacO突变成为lacOc阻遏蛋白不能与之结合，使阻遏蛋白不能阻止RNA聚合酶起始转录，操纵子不断地表达，是组成型表达调控基因的突变lacI突变成为lacI-阻遏蛋白失活，不能与操纵基因结合，操纵子不断地表达，是组成型表达lacI突变成为lacId它不仅本身不能和操纵基因结合，而且能参与形成四聚体，妨碍“好”亚基与操纵基因结合。dlacI型突变位于阻遏蛋白亚基的DNA结合位点内使阻遏蛋白对诱导物不起反应。因为阻遏蛋白失去了结合诱导物的位点，或它不能将其作用传递给DNA结合位点。lacI突变成为lacIs通过突变确认并绘制LacI基因内不同的功能区（四）lac操纵子的正调控启动子ZYAlacOcAMP-CAP位点RNA聚合酶作用位点cAMP-CAP结合结合于启动子上游的激活区域，帮助RNA聚合酶形成开放型起始复合物，促进转录起始。分解代谢物激活蛋白(Cataboliteactivatorprotein，CAP)：转录的活化因子，直接作用于操纵子，激活基因转录。CAP需要cAMP存在时才有活性。ATPcAMP腺苷酸环化酶(ACase)CAP是二聚体，被单个cAMP激活1.分解代谢阻遏作用ATPcAMP腺苷酸环化酶(ACase)葡萄糖分解代谢物抑制作用活化CAPlac操纵子转录葡萄糖降低细胞内cAMP水平,使CAP失活，lac操纵子不能表达,不能利用乳糖.ActiveCAPcAMPInactiveCAP分解代谢阻遏作用（cataboliterepression）：在细胞中，优先利用葡萄糖作碳源，而不使用其他糖类这种选择，是由葡萄糖的分解代谢物控制的。2.CAP的作用位点乳糖操纵子控制区域对L1进行缺失突变分析，L1的右边区域突变表现出乳糖操纵子本底水平的转录，cAMP-CAP不能刺激转录。表明L1区域的缺失突变丧失了CAP结合位点，保留有启动子区域。CAP蛋白是二聚体CAP结合的共有序列有2个保守的5碱基序列TGTGA3.CAP的作用机制（1）cAMP-CAP通过与RNA聚合酶α亚基CTD相互作用，促进RNA聚合酶同启动子的结合。（2）cAMP-CAP结合DNA后，使其弯曲。使RNA聚合酶结合更紧密，也促进了cAMP-CAP同RNA聚合酶的结合，有利于形成开放型起始复合物，促进转录起始。CAP-cAMP激活作用的模型促进RNA聚合酶对-35和-10序列的识别和结合，有利于形成开放型起始复合物CAPCAP存在原因5.lac操纵子正负调控的协调作用负调控：受乳糖和阻遏蛋白调节正调控：受cAMP和CAP调节两种调控机制根据存在的C源性质和水平协调的调节lac操纵子的表达。无乳糖:阻遏蛋白结合于操纵基因，转录不能起始。有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。有葡萄糖:cAMP↓，CAP失活，不能激活基因转录，lac操纵子本底水平转录。有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。无葡萄糖:CAP活化，激活基因转录，lac操纵子高水平转录。三、色氨酸操纵子(trpoperon)（一）trpoperon的结构trpDtrpCtrpBOPtrpEtrpA结构基因启动子操纵基因trpL:编码前导序列(leader)编码前导肽衰减子trpDtrpCtrpBOPtrpEtrpA分枝酸trp（二）trpoperon的负调控trpR启动子trpDtrpCtrpBOPtrpEtrpA操纵基因脱辅基阻遏蛋白单体二聚体Trp是辅阻遏物低浓度Trp或缺乏Trp时，脱辅基阻遏蛋白没有活性，不能与操纵基因结合，结构基因转录。mRNA可阻遏的负调控trpR启动子trpDtrpCtrpBOPtrpEtrpA操纵基因二聚体高浓度Trp时，Trp与脱辅基阻遏蛋白结合，使其具有结合操纵基因的构象，阻遏结构基因转录。脱辅基阻遏蛋白单体trp阻遏蛋白二聚体阻遏基因转录trpRtrpDtrpCtrpBOPtrpEtrpA脱辅基阻遏蛋白单体mRNAtrp分枝酸二聚体阻遏蛋白二聚体阻遏基因转录（三）trpoperon的衰减作用trpDtrpCtrpBOPtrpEtrpAtrpL:编码前导序列(leader)前导序列：在trpmRNA5’端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。Definition:衰减子又称弱化子(attenuator)DNA中可导致转录过早终止的一段核苷酸序列前导序列特点邻氨基苯吲哚甘油色氨酸合成酶甲酸合成酶硼酸合成酶TrpEterpDtrpCtrpBtrpAtt’启动子操纵基因前导顺序衰减子pppN26AUGAAAGCAAUUUUCGUACUGAAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43AUUUUUUUU富含G-C的发GCLeaderpeptide夹结构/富含CGU的单链末端CGAaaaaaCGMetLysAlyIlePheValLeuLysGlyTrpTrpArgThrSerAGCCGACGUUAA图16-28trp操纵子含有5个结构基因和1个控制区。控制区由启动子、操纵基因、前导顺序和衰减子构成。前导区编码14个氨基酸，其中有2个是色氨酸。(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.12.38)3区4区3区和4区富含GC,容易形成茎环二级结构,接着有8个连续的U,构成不依赖ρ因子的终止子,使mRNA合成提前终止.由1区和2区还可构成第二个发夹结构2区也可与3区互补,就会阻止3区和4区形成发夹结构,即不形成终止信号1234衰减作用机制TrpleaderRNA:Trp密码子TranslationofTrpleaderRNA:衰减作用的信号：细胞内色氨酰-tRNA的多少Trp密码子trp存在时，核糖体能合成前导肽，核糖体伸展到2区，阻碍1区和2区配对，结果3区同4区配对形成终止子结构，RNA合成终止.终止密码子trp密码子前导肽编码区没有trp时，核糖体在1区的trp密码子停留较长时间，阻碍1区和2区配对，2区同3区配对，4区不能形成终止子,RNA继续合成.trp密码子Gly饥俄时，核糖体停在GGU上，1区和2区部分配对，3区和4区能形成终止子，trp操纵子不能表达；Thr饥俄时，核糖体停在AUC上，3区和4区仍能形成终止子，trp操纵子不能表达；Arg饥俄时，影响1区和2区配对，但不影响2区和3区形成茎环结构，结果不能形成终止信号，RNA聚合酶继续转录。其他aa饥饿对trp衰减子的作用四、原核生物基因表达的时序时序调控方式σ因子的更换合成新的RNA聚合酶合成新的调控因子,影响转录终止σ因子的更换大肠杆菌中的各种σ因子比较σ因子编码基因主要功能σ70rpoD参与大多数基因的调控σ54rpoN参与多数氮源利用基因的调控σ38rpoH分裂间期特异基因的表达调控σ32rpoS热休克基因的表达调控σ28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控σ24rpoE过度热休克基因的表达调控温度较高,诱导产生各种热休