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1、第七章 原核基因的表达与调控,本章主要内容,原核基因表达调控总论乳糖操纵子和负控诱导系统色氨酸操纵子与负控阻遏系统其他操纵子固氮基因调控转录水平上的其他调控方式转录后调控,组成型、永久型（constitutive）蛋白质 蛋白质并不是以相同拷贝数存在于每个细胞中，有些蛋白质的数目相当固定，如糖酵解酶体系、DNA聚合酶、RNA聚合酶等。适应型、调节型（adaptive or regulated）蛋白质 合成速率明显受环境影响的蛋白质。,7.1 原核基因表达调控总论,基因表达（gene expression）是指 从DNA到蛋白质或功能RNA的过程。对这个过程的调节就称为基因表达调控（gene r
2、egulation or gene control）,基因表达调控水平 转录水平上的调控（transcriptional regulation）转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation）mRNA加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控,调控信号 原核生物 营养状况和环境因素 真核生物 激素水平和发育阶段,原核基因调控分类,负转录调控负控诱导阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；负控阻遏阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。,正转录调控正控诱导效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；正控阻遏效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态。,
3、大肠杆菌中的因子（以70为例）主要包括四个结构域,大肠杆菌中最普遍的调控方式是因子介导的,70（上）和54（下）因子识别并结合在所调控基因上游的不同区域,7.2.1 Discovery of Operon 1961年,F.Jacob&J.Monod提出,此后不断完善。获1965年诺贝尔生理学和医学奖1940年，Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，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”。,7.2 乳糖操纵子,1951年，Monod与Jacob合作，发现两对基因：Z基因：与合成-半乳糖苷酶有关；I基因：决定细胞对诱导
4、物的反应。Szilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。Jacob：结构基因旁有开关基因（操纵基因），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。,乳糖操纵子结构,调节基因,操纵子是一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调节的单位，包括调节基因，启动子，操纵位点，结构基因，组成一个控制单元结构基因：产生mRNA,合成蛋白质操纵位点 operator：阻遏蛋白结合位点调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）结构基因不转录 诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合 结构基因转录,7.2.2 Lac 体系受调控的证据：酶的诱导现象,-半乳糖苷酶,分
5、解底物的酶只有在底物存在时才出现！,无乳糖时，几个-gal/cell 加入乳糖时，105个 再去掉乳糖，lac mRNA下降 乳糖能激发lac mRNA的合成 乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶合成？培养基（35S-aa,无乳糖）E.coli繁殖 培养基（无35S-aa,加入乳糖）-gal(无35S),gratuitous inducer 安慰诱导物 义务诱导物,可诱导半乳糖苷酶产生，但不是其底物IPTG，异丙基半乳糖苷TMG，巯甲基半乳糖苷ONPG,O-硝基半乳糖苷,在研究诱导作用时，很少使用乳糖,7.2.3 操纵子模型（负控诱导）,1 调控区结构 lacI,1040bp，独立P
6、iP,82bp，821O,35bp，728lacZYA,阻遏状态,诱导状态,诱导物,2.两个矛盾,细胞内-半乳糖苷酶来源?,细胞内透过酶来源?,3 大肠杆菌对乳糖的反应,4 阻遏蛋白的作用机制,阻遏蛋白结构38KD，4 聚体，一个亚基结合一个IPTG分子lacI 组成型转录 Pi 弱启动子，510个cell具有二重性 阻止转录（与lacO结合）开始转录（与诱导物结合）,阻遏蛋白的结构域,N端159aa,头部片段HTH，与操纵基因DNA的大沟结合；核心区：有6个折叠，诱导物结合在两个核心区之间的裂缝中；C端为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。诱导物的结合可导致阻遏蛋白产生重要的构象改变，两个分子的诱导
7、物和四聚体阻遏蛋白相结合就足以使诱导物释放。,阻遏蛋白对RNA pol功能的影响,阻遏蛋白和RNA pol可同时与DNA结合 RNA pol 与启动子结合的平衡常数 1.9X107 有阻遏蛋白时,2.5X109结合着的RNA pol不能转录.但加入诱导物后,释放出阻遏蛋白,变为开放型启动子复合物.阻遏蛋白实际上使RNA pol贮存在启动子上。,7.2.4 lac operon的正调控1 葡萄糖对lac操纵子的影响,实验，在lacGlu培养基上 E.coli只利用G，只有G 耗尽时，才会利用lac葡萄糖抑制lac mRNA的转录：可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应 仅去掉阻遏物并不能启动lac基因
8、表达,有其它因素参与,CAP,catabolite activator protein 由crp编码，代谢物激活蛋白CRP,catabolite receptor protein,Glu，cAMP；Glu,cAMP,cAMP的浓度受葡萄糖代谢的影响,糖酵解途径中位于葡萄糖-6-磷酸与甘油之间的某些代谢产物是腺苷酸环化酶活性的抑制剂。,腺苷酸环化酶基因和crp突变体不能合成lac mRNA,cAMP-CAP复合物,2 CRP结合位点,CRP为二聚体，45KD，被cAMP激活结合位点 I-70-50 II-50-40,3 CRP的结合对DNA构型的影响,DNA弯曲弯曲点位于CRP结合位点二重对称的
9、中心弯曲使CRP能与启动子上的RNA pol 接触,（1）CRP结合位点与转录起始点的位置CRP与转录起始点的距离，相距数个双螺旋，结合位点在启动子的上游.,4 CRP对转录的影响,（2）基因转录对cAMPCRP系统存在依赖性,cAMP-CRP复合物的结合于启动子上游，能使DNA双螺旋发生弯曲，有利于形成开放型启动子-RNA聚合酶复合物。,CRP直接作用于RNA pol 亚基缺失RNA pol 亚基的C末端时，失去受CRP激活的能力,7.2.5 lac operon 的其它问题,1.lac operon的功能是在正负两个调控体系的协调作用(coordinate regulation)下实现的。
10、阻遏蛋白封闭转录时，CRP不发挥作用；如没有CRP加强转录，即使阻遏蛋白从0上解聚仍无转录活性CRP组成型合成，所以cAMPCRP复合物取决于cAMP含量腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，因此cAMPCAP调控乳糖、半乳糖等糖类代谢有关的酶,2.A基因及其生理功能 编码-半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒.所以lacA虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累3.lac基因产物数量，1：0.5：0.2 不同酶的数量差
11、异，是由于在翻译水平上的调节。方式有二:核糖体脱离:多顺反子的差别性翻译 内切酶作用:在lac mRNA分子内部，a基因比z基因更易受内切酶作用,Summary,乳糖操纵子,由lacZYA三个结构基因组成，分别编码半乳糖苷酶，半乳糖苷透过酶和半乳糖苷乙酰基转移酶，结构基因上游有启动子，操纵位点和cAMP-CRP激活蛋白结合位点，乳糖操纵子由正负两个调控系统协调调控的。负控诱导系统：正调控系统：正负调控系统的协调乳糖操纵子仅在有乳糖而没有葡萄糖的时候表达，此时，阻遏蛋白从操纵区释放，cAMP含量高，cAMP-CRP激活蛋白结合。,7.3 Trp operon,生物细胞中的氨基酸合成，也受操纵子的
12、调节。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。,trpR,阻遏蛋白P，-40+18 O,-21+1L,+1+162结构基因,7.3.1 基因组成,7.3.2 Trp operon 的阻遏系统,1 Trp R 四聚体,阻遏蛋白trp 有活性的阻遏物,SNE299,trp O 不转录,2 阻遏蛋白的结合位点 trpO-21+1，反向重复序列trpP-40+18活性阻遏物与trpO 的结合与RNA pol与启动子的结合发生竞争,3 阻遏系统,主管转录是否启动，在缺乏TrpR时，mRNA起始合成，但不能自动延伸，一般在trpE之前终止转录,粗调开关,7.3.3 弱化作用
13、attenuation,1 弱化子，衰减子，前导RNA，140bp,弱化子，衰减子，,序列分析发现，其中4个片段进行配对，形成不同的二级结构,S312,2 前导肽14aa,3 转录弱化作用,Lack of trp,Lack of aminoacyl tRNA,Ribosome pause at trp codons,occluding sequence 1,Form 2:3 hairpin anti-terminator,Transcription into trpE and beyond,High trp,Trp is inserted at the trp codons,Translate
14、 to the end of leader message,Ribosome occlude sequence 2,Terminate transcription at(3:4 form terminator),弱化子对转录调控的关键,空间结构，10th and 11th codons encode trp residues(rare AA)时间，核糖体停顿在2个Trp 密码子上时，4区未转录出来Trp浓度高时，4区转录之前核糖体到达2区。,summary,Negativerepressible operon可以被最终合成产物所阻遏,为什么需要阻遏体系？当大量Trp 存在时，阻遏系统起作用。阻
15、遏物与之结合，阻止先导mRNA合成。,经济,为什么需要弱化子系统？,7.4 其他操纵子,7.4.1 半乳糖操纵子,大肠杆菌半乳糖操纵子（galactoseoperon）在大肠杆菌遗传图上位于17分钟处，包括3个结构基因：异构酶（UDP-galactose-4-epimerase，galE），半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶（galactosetransferase，galT），半乳糖激酶（galactosekinase，galK），使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。,半乳糖操纵子的调节基因是galR，位于遗传图上55分钟处。与lac操纵子所不同的是，galR与galE、T、K及操纵区O等的距离都很远，
16、而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。在galR-和galOc突变体中，E、T、K基因得到永久性表达，gal操纵子的诱导物主要是半乳糖。,gal操纵子有两个特点：它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；它有两个O区，一个在P区上游-67-73，另一个在结构基因galE内部。,1、cAMP-CRP对gal启动子的作用 有葡萄糖存在时仍可以被诱导；有些细胞株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合成半乳糖代谢酶类（gal结构基因高效表达），在另一类细胞株中，没有葡萄糖，gal基因不表达。在gal操纵子P-O区有两个相距仅为5bp的启动子，gal操纵子可以从两个启动子
17、分别起始基因转录，每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。,从S1起始的转录只有在无葡萄糖时才能顺利进行，RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CRP和较高浓度的cAMP。当腺苷环化酶突变（cya-）或cAMP受体蛋白突变（crp-）时，gal操纵子不能从S1起始转录。当有cAMP-CRP时，转录从S1开始；当无 cAMP-CRP时，转录从S2开始。,2、双启动子的生理功能 为什么gal操纵子需要两个转录起始位点呢？因为半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体，细胞必须随时合成差向异构酶，以保证尿苷二磷酸的供应
18、。在没有外源半乳糖的情况下，细胞通过半乳糖差向异构酶（galactoseepimerase，galE基因产物）的作用由UDP-葡萄糖合成UDPgal。,如果只有S1一个启动子，由于这个启动子的活性依赖于cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时就不能合成异构酶。如果S2是唯一的启动子，那么，即使有葡萄糖存在，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，能量被浪费。,7.4.2 阿拉伯糖操纵子,araB、araA和araD基因参与阿拉伯糖的降解，它们是一个基因簇，简写为araBAD。araB基因编码核酮糖激酶，araA编码L-阿拉伯糖异构酶，araD编码L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶。araE和a
19、raF负责将阿拉伯糖运入细胞内。它们位于远离这个基因簇的地方，分别编码一个膜蛋白和一个位于细胞壁与细胞膜之间的阿拉伯糖结合蛋白。,启动子区域，与araBAD相邻两个操纵区（O1，O2）调节基因araC。cAMP-CRP是正调节因子，AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。,Ara操纵子的结构,ara操纵子上游调控区序列与功能分析,ara操纵子是可诱导的。诱导物是阿拉伯糖，cAMP-CRP起正调控作用。AraC蛋白具有PBAD活性正、负调节因子的双重功能。Pr是起阻遏作用的形式，可与类操纵区位点相结合，而Pi是起诱导作用的形式，它通过与PBAD启动子结合进行调节。,a.没有AraC蛋白时，由P
20、c启动子起始araC基因转录；b.葡萄糖水平较高时，AraC蛋白与操纵区O2以及araI上半区相结合，形成DNA回转结构，araBAD基因不表达；c.有阿拉伯糖但无葡萄糖存在时，AraC与阿拉伯糖相结合，变构成为激活蛋白，与araO1和araI区相结合，在CRP-cAMP的共同作用下起始结构基因表达。,a.培养基含有葡萄糖，无阿拉伯糖时，cAMP-CRP没有与操纵区位点相结合，AraC蛋白处于Pr形式并与操纵区O2位点结合，RNA聚合酶不能与Pc结合，araC基因受到抑制，整个系统几乎处于静止状态。,b.没有葡萄糖糖，也没有阿拉伯糖。因为没有诱导物，尽管有cAMP-CRP与操纵区位点相结合，A
21、raC蛋白仍以Pr形式为主，无法与操纵区O2位点相结合，无araBADmRNA转录。,c.无葡萄糖，有阿拉伯糖。大量araC基因产物以Pi形式存在，并分别与操纵区O1、I位点相结合，在cAMP-CRP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表达，操纵子充分激活。,7.4.4 二组分调控系统和信号转导 最简单的细胞信号系统称为二组分系统（two-component systems），由二种不同的蛋白质组成：即位于细胞质膜上的传感蛋白（sensor protein）及位于细胞质中的应答调节蛋白（response regulator protein）。,细菌中参与信号转导的二组分调控系统,7.4
22、.5 多启动子调控的操纵子1、rRNA操纵子rRNA操纵子（rrnE）有两个启动子P1和P2。其中，P1为强启动子。当细菌处于紧急状态，细胞中ppGpp浓度增加，P1的作用被抑制。为维持细菌最低能量需求，由P2起始rrnE基因转录。,魔斑核苷酸,魔斑核苷酸为ppGpp或pppGpp，因其能在色谱上检测出斑点而被称为魔斑氨基酸缺乏时，空载tRNA进入A位点。A位点积聚的GTP进入另一反应途径：GTP+ATP pppGpp+AMP ppGpp,2、核糖体蛋白S1操纵子 核糖体蛋白SI操纵子rpsA有4个启动子，P1、P2是强启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表达，合成S1蛋白。P3、P4是弱启动
23、子，只有在紧急情况下，P1、P2启动子受ppGpp的抑制，由P3、P4起始合成的S1蛋白维持了生命的最低需要。,3、DnaQ蛋白操纵子DnaQ蛋白是DNA聚合酶全酶的亚基。其操纵子有两个启动子，P1为强启动子，P2为弱启动子。增殖速度慢时，在细胞中RNA聚合酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子P2控制；而RNA聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子P1。,7.6 转录水平上的其他调控方式,7.6.1 因子的调节作用,E和K 存在于母细胞中，F 和G 存在于孢子细胞中。母细胞阶段，F 与抗因子SpoAB结合，不能作为聚合酶组分。孢子形成时，SpoAA结合SpoAB，释放F因子，转录孢子形成期基因。
24、包括G和降解E的蛋白酶基因。G转录孢子形成后期基因和降解K蛋白酶基因。,7.6.3 转录调控因子的作用,转录调控因子指能够与基因的启动子区相结合，对基因的转录起激活或抑制作用的DNA结合蛋白质；有些能够调控大量基因的表达，而有些仅调控一两个基因；有些转录因子对某个基因起激活作用却对另一个基因起抑制作用；有些转录因子对同一基因也能发挥两种不同的作用；许多基因的启动子区有多个转录调控因子的结合位点。,7.7 转录后调控7.7.1 翻译起始的调控 起始密码子对翻译效率的影响；SD序列结构及其与起始密码子AUG的距离；mRNA 5端二级结构；核糖开关 能够感受细胞内诸如代谢物浓度、离子浓度、温度等的变
25、化而改变自身的二级结构和调控功能，从而改变基因的表达状态。,甲硫氨酸途径的基因编码区上游一段序列，通过小分子物质（SAM，S-腺苷甲硫氨酸）的结合，改变该区域mRNA的二级结构，从而调控核糖体翻译或RNA聚合酶转录,glmS基因5端有一段核酶；6-磷酸葡糖胺浓度高时激活核酶活性；核酶切割自身mRNA，蛋白翻译受阻。温度调控pfrA的翻译,7.7.2 mRNA稳定性对转录水平的影响,CsrAB调节系统；CsrA为RNA结合蛋白，CsrB是一个非编码RNA分子。CsrA还可与mRNA结合。调节实例，糖酵解过程，糖原合成受抑制。,7.7.4 反义RNA的调节作用,1983年，Mizuno,Simon
26、几乎同时发现RNA可作为调节因子，与调节蛋白一样，RNA合成后，可扩散到靶位点。反义RNA，与mRNA中部分序列互补 结合位点是S-D,AUG,部分N端密码子 与RNA形成双螺旋结构，作为内切酶底物 与转录产物结合，使转录提前终止,实例,bfr编码细菌铁蛋白，储存细胞中过剩的铁离子，anti-bfr编码反义RNA。,bfr组成型表达,anti-bfr受铁浓度调控,anti-bfr受铁浓度调控,高铁浓度anti-bfr不表达,低铁浓度anti-bfr表达,结合bfr,使之失活,7.7.5 稀有密码子对翻译的影响 大肠杆菌细胞内仅有50个拷贝的dnaG蛋白，却有2 800个拷贝的rpoD蛋白，更有
27、高达40 000个拷贝的rpsU蛋白。细胞通过翻译调控，解决了这个问题。,几种蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较,许多调控蛋白如LacI、AraC、TrpR等在细胞内含量很低，这些基因中密码子的使用频率与dnaG相似。科学家认为，由于细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。,7.7.6 重叠基因对翻译的影响 正常情况下，trp操纵子中5个基因产物是等量的，但trpE突变后，其邻近的trpD产量比下游trpBA产量要低得多。研究trpE和trpD以及trpB和trpA两对基因中核苷酸序列与翻译的关系，发现trpE基因的终止密码子和trpD基因的起始密码子共用核苷酸。,大肠杆菌gal操纵子中也存在基因重叠现象。galT的终止密码子虽然与galK的起始密码子相隔3个核苷酸，galK基因的SD序列却位于galT基因终止密码子之前，当galT翻译终止时，核糖体还没有脱落就直接与SD序列结合，开始galK的翻译，也能保证两个基因的等量翻译。,作业1、简述乳糖操纵子模型；2、简述色氨酸操纵子模型；,
