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1、Regulation of Gene Expression in Prokaryotes,第二十章,原核生物基因表达调控,第一节 原核生物基因表达特点Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes,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（molecular recognition)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,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lac I的发现 lac I 是组成型表达基因，其突变(lac
2、 I-)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(lac I+)转入突变株(lac I-)，逆转了组成型突变,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)。,蛋白质因子,特异DNA序列,启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。,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。,二、原核生物中mRNA的转录
3、、翻译和降解偶联进行,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（monocistronic mRNA）； 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（polycistronic mRNA）。,第二节 原核生物基因表达的 转录水平调控 Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Leve
4、l,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-acting elements），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。,E.coli的启动子区,（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（gene specific transcription factors）: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
5、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,最常见的DNA结合域：,1. 锌指(zinc finger),C Cys H His,常结合GC盒,2.螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix, HTH）,usually binds to CAAT box,二、特定蛋白质与DNA结合后控制 转录起始,（一）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,（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
6、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）。,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。,1. 乳糖操纵子
7、是可诱导型操纵子,乳糖操纵子的结构,没有乳糖存在时,乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭,有乳糖存在时,乳糖操纵子被诱导物开放,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。,分解和合成代谢的操纵子,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,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,（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,ntrC蛋白对转录的正调控作用,三、原核基因
8、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,乳糖操纵子由cAMP-CAP系统进行正调控,TTTACA,TATGTT,N17,N6,A,lac,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,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,CAP,CAP结合位点,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,无转录,无转录,低水平转录,2AraC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
9、转录起始调控,（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(trp operon)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。,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,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,前导序列,第10、11密码子为trp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3/4,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构 就是终止子 可使转录,RNA聚合酶,终止,前
10、导肽,RNA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,（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,原核生物基因 表达的翻译水平调控,Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Translation Level,第三节,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,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
11、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,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,核糖体蛋白与rRNA 合成是互相协调的,原核生物的16S rRNA与21种核糖体蛋白(ribosomal proteins)，简称r-蛋白，组成核糖体小亚基；5S和23S rRNA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
12、然要严格控制rRNA和r-蛋白的比例。,核糖体蛋白基因与RNA pol 亚基基因的多顺反子,r-蛋白基因在各个操纵子上转录为多顺反子,这类操纵子有转录-翻译偶联调控现象，称为自我调节（autogenous control）。,四、小分子反义RNA参与调节蛋白质合成,（一）小分子RNA参与基因表达产物类型转 换的调控 （二）小分子RNA参与维持极低水平的基因 表达,大肠杆菌渗透压调节中mic RNA的调节作用,小分子RNA 在翻译水平的调控作用,第四节 Lambda 噬菌体的基因表达调控,Regulation of gene expression in Lambda phage,一、Lambda
13、 噬菌体调控区段的表达产物与生活周期有关,噬菌体的生活史,溶菌生长途径(lysis pathway) 溶原菌生长途径(lysogenic pathway),Lambda 噬菌体的溶原和裂解生活周期,Lambda 噬菌体的基因结构和调控区域,二、cI 基因表达的阻遏蛋白封闭大部分基因使进入溶原周期,的转录按先后分即刻早期(immediate early)，晚早期(delay early)和晚期(late)，三期的表达依次连续相互制约 。,前两期转录是双向的。晚期转录单向，在环状基因组从R沿环到A-J结构区，和向左到达重组区的晚早期转录汇合，完成一个转录周期。表达产物供溶菌周期装配感染型噬菌体。,
14、调控的主要关键在阻遏蛋白基因cI,cI两侧启动子受宿主RNA pol催化向左转录出12S RNA，翻译为抗终止蛋白N；向右转录出7SRNA，翻译为Cro蛋白。 Cro蛋白有封闭阻遏蛋白基因的作用。 N蛋白在nut位点帮助RNA pol越过左、右终止点tR和tL，进行晚早转录，并继续完成晚期转录。 晚期转录之前，还受另一抗终止蛋白Q的活化。,这些都是完成溶菌作用的必须条件,首先是c的表达，C开启cI。cI 表达的阻遏蛋白结合左、右操纵序列OL和OR。 E. coli的RNA pol 结合PR后不能向右转录，无法完成晚早和晚期表达，没有结构蛋白的生成。 PL的启动活性比PR强，可使重组区表达，产物分别有附加（att）、整合（int）和切割（xis）作用。 完成整合后，CIII 维持cII 活性，C开启cI。 cI单独表达，产生的阻遏蛋白封闭启动子，进入溶原状态。,溶原状态的建立：,Lambda 溶菌和溶原建立的调控,溶菌,溶原,
