原核生物基因表達(dá)調(diào)控(陳娟)

1、Regulation of Gene Expression in Prokaryotes第二十章原核(yun h)生物基因表達(dá)調(diào)控共五十九頁第一節(jié) 原核(yun h)生物基因表達(dá)特點(diǎn)Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes共五十九頁操縱子在研究基因(jyn)表達(dá)的重要性具有普遍性；真核生物研究(ynji)的借鑒；開拓了分子識(shí)別（molecular recognition)的研究；研究成果應(yīng)用于實(shí)踐，具有指導(dǎo)意義。一、操縱子是原核生物的基因轉(zhuǎn)錄單元共五十九頁操縱子理論實(shí)驗(yàn)(shyn)依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停杭?xì)菌的乳糖代謝酶類誘導(dǎo)突破點(diǎn): 乳糖阻遏蛋

2、白基因(jyn)lac I的發(fā)現(xiàn)lac I 是組成型表達(dá)基因，其突變(lac I-)引起管轄的基因族也發(fā)生組成型表達(dá)用噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)方法把野生型(lac I+)轉(zhuǎn)入突變株(lac I-)，逆轉(zhuǎn)了組成型突變共五十九頁操縱子(operon)是由結(jié)構(gòu)基因及其上游調(diào)控序列組成的轉(zhuǎn)錄單元，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受調(diào)控序列控制(kngzh)。調(diào)控序列包括遠(yuǎn)端的阻遏蛋白(repressor)基因I，近端的啟動(dòng)子(promoter, P)和操縱序列(operator, O)。 共五十九頁 蛋白質(zhì)因子(ynz)特異(ty)DNA序列結(jié)構(gòu)基因 啟動(dòng)子 操縱序列阻遏蛋白基因 (promoter)(operator)共五十九頁啟動(dòng)

3、子是RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合(jih)的部位。RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共五十九頁操縱序列是阻遏(z )蛋白的結(jié)合位點(diǎn)當(dāng)操縱序列(xli)結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng) ，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白共五十九頁二、原核生物中mRNA的轉(zhuǎn)錄(zhun l

4、)、翻譯和降解偶聯(lián)進(jìn)行共五十九頁 三、mRNA所攜帶的信息(xnx)差別很大細(xì)菌mRNA所編碼的蛋白質(zhì)數(shù)量有很大差異。有的mRNA只帶有一個(gè)(y )結(jié)構(gòu)基因的信息（編碼一個(gè)(y )蛋白質(zhì)），稱為單順反子mRNA（monocistronic mRNA）；大部分mRNA都是從操縱子轉(zhuǎn)錄而成，帶有編碼幾個(gè)甚至十幾個(gè)蛋白質(zhì)的序列信息，這種mRNA是從幾個(gè)首尾相連的結(jié)構(gòu)基因（存在于一個(gè)操縱子中）一次轉(zhuǎn)錄而成，稱為多順反子mRNA（polycistronic mRNA）。共五十九頁第二節(jié) 原核生物基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄(zhun l)水平調(diào)控Regulation of Prokaryotic Gene Expre

5、ssion at Transcription Level共五十九頁一、轉(zhuǎn)錄調(diào)控是以特定的DNA序列(xli)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)（一）特定的DNA序列是轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 在基因內(nèi)和基因外都有一些特定的DNA序列，與結(jié)構(gòu)基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)、能夠被基因調(diào)控蛋白特異性識(shí)別和結(jié)合，這些特定的DNA序列稱為順式作用元件(yunjin)（cis-acting elements），亦稱為順式調(diào)控元件。在原核生物中主要是啟動(dòng)子、阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)、正調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)、增強(qiáng)子等。共五十九頁BADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) 共五十九頁E.coli的啟動(dòng)子區(qū) 共五十九頁（二）調(diào)控(dio kn)蛋白具有結(jié)合DNA所需的

6、結(jié)構(gòu)特征 基因特異性轉(zhuǎn)錄因子（gene specific transcription factors）:能夠(nnggu)與順式作用元件特異性結(jié)合、對(duì)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄起始過程有調(diào)控作用的蛋白質(zhì) 激活蛋白或正調(diào)控蛋白:對(duì)基因表達(dá)有激活作用的 蛋白質(zhì) 阻遏蛋白:對(duì)基因表達(dá)有抑制作用的蛋白質(zhì) 共五十九頁最常見(chn jin)的DNA結(jié)合域： 1. 鋅指(zinc finger)C CysH His常結(jié)合(jih)GC盒共五十九頁123stand for zinc ion共五十九頁 2.螺旋(luxun)-回折-螺旋（helix-turn-helix, HTH）usually binds to CAA

7、T box共五十九頁二、特定蛋白質(zhì)與DNA結(jié)合后控制(kngzh)轉(zhuǎn)錄起始（一）因子(ynz)和啟動(dòng)子決定轉(zhuǎn)錄是否能夠起始 啟動(dòng)子及其與轉(zhuǎn)錄的關(guān)系 共五十九頁（二）阻遏蛋白結(jié)合操縱元件對(duì)轉(zhuǎn)錄(zhun l)起始進(jìn)行負(fù)調(diào)控 阻遏蛋白是一類在轉(zhuǎn)錄水平對(duì)基因表達(dá)產(chǎn)生負(fù)調(diào)控作用的蛋白質(zhì)。阻遏蛋白主要通過抑制開放啟動(dòng)子復(fù)合物的形成而抑制基因的轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白與DNA結(jié)合后，RNA聚合酶仍有可能與啟動(dòng)子結(jié)合，但不能形成開放起始復(fù)合物，不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄；這種作用稱為阻遏（repression），特定的信號(hào)分子與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白失活，從DNA 上脫落下來，稱為去阻遏，或脫阻遏（derepression）。共

8、五十九頁 阻遏蛋白都可以與信號(hào)分子結(jié)合而發(fā)生變構(gòu)，在不同構(gòu)象時(shí)，阻遏蛋白或者與DNA結(jié)合，或者與DNA解離。在可誘導(dǎo)型操縱子中，信號(hào)分子使阻遏物從DNA釋放下來(xi li)，解除對(duì)轉(zhuǎn)錄的抑制作用；在可阻遏型操縱子中，信號(hào)分子使阻遏物結(jié)合DNA，抑制轉(zhuǎn)錄。在兩種情況下，阻遏蛋白結(jié)合于DNA后都是抑制轉(zhuǎn)錄，這種類型的基因表達(dá)調(diào)控稱為負(fù)調(diào)控。共五十九頁1. 乳糖(r tn)操縱子是可誘導(dǎo)型操縱子 調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)子操縱序列 結(jié)構(gòu)基因z： -半乳糖苷酶y： 通透酶a：乙酰基轉(zhuǎn)移酶zyaOPDNAI基因乳糖(r tn)操縱子的結(jié)構(gòu)共五十九頁阻遏基因mRNA阻遏蛋白IDNAzyaOPpol沒有乳

9、糖(r tn)存在時(shí)乳糖(r tn)操縱子被阻遏蛋白封閉共五十九頁mRNA阻遏蛋白有乳糖(r tn)存在時(shí)IDNAzyaOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶乳糖(r tn)操縱子被誘導(dǎo)物開放共五十九頁 2. 色氨酸操縱子是可阻遏(z )操縱子 合成代謝(dixi)操縱子由合成產(chǎn)物關(guān)閉合成代謝操縱子在基礎(chǔ)狀態(tài)下持續(xù)開放，在產(chǎn)物達(dá)到滿足需要量時(shí)才關(guān)閉。 共五十九頁分解(fnji)和合成代謝的操縱子操縱子基礎(chǔ)狀態(tài)調(diào)控方式分解代謝關(guān)閉由誘導(dǎo)物開放合成代謝開放由阻遏物關(guān)閉共五十九頁Trp Trp 高時(shí)Trp 低時(shí)mRNA OPtrpR調(diào)節(jié)(tioji)區(qū) 結(jié)構(gòu)(jigu)基因 RNA聚合酶

10、RNA聚合酶 色氨酸操縱子的作用原理操縱子關(guān)閉共五十九頁（三）激活蛋白結(jié)合正調(diào)控元件而對(duì)轉(zhuǎn)錄(zhun l)起始進(jìn)行正調(diào)控 1正調(diào)控蛋白可結(jié)合(jih)啟動(dòng)子鄰近序列進(jìn)行 調(diào)控 2激活蛋白結(jié)合增強(qiáng)子可遠(yuǎn)距離進(jìn)行轉(zhuǎn)錄 起始正調(diào)控共五十九頁ntrC蛋白對(duì)轉(zhuǎn)錄(zhun l)的正調(diào)控作用 共五十九頁三、原核基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄過程(guchng)可通過 不同模式進(jìn)行調(diào)控（一）去阻遏和正調(diào)控機(jī)制對(duì)轉(zhuǎn)錄起始進(jìn)行 雙重調(diào)控1乳糖操縱子受阻遏蛋白（負(fù)性調(diào)節(jié)(tioji)）和 CAP（正性調(diào)節(jié)）的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié) 共五十九頁 乳糖(r tn)操縱子由cAMP-CAP系統(tǒng)進(jìn)行正調(diào)控TTTACATATGTTN17N6Alac

11、TTGACA TATAAT共有序列乳糖操縱子是弱啟動(dòng)子，被RNA-pol結(jié)合后，還需cAMP-CAP（分解(fnji)代謝物基因活化蛋白）活化共五十九頁+ + + + 轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度(nngd)高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度(nngd)低時(shí)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP結(jié)合位點(diǎn)共五十九頁mRNA低半乳糖時(shí)高半乳糖時(shí) 葡萄糖低 cAMP濃度(nngd)高 葡萄糖高cAMP濃度(nngd)低RNA-polOOOO無轉(zhuǎn)錄無轉(zhuǎn)錄低水平轉(zhuǎn)錄共五十九頁2AraC的別構(gòu)調(diào)節(jié)使阿拉伯糖操縱子調(diào)控(dio kn)更精細(xì) 阿拉伯糖操縱子的轉(zhuǎn)錄(zhun l)起始調(diào)控 共五

12、十九頁（二）色氨酸操縱子的弱化機(jī)制實(shí)質(zhì)是 轉(zhuǎn)錄與翻譯(fny)調(diào)控的偶聯(lián)色氨酸操縱子(trp operon)除了產(chǎn)物阻遏(z )負(fù)調(diào)控外，還有轉(zhuǎn)錄衰減(attenuation)調(diào)控方式。衰減是轉(zhuǎn)錄-翻譯的偶聯(lián)調(diào)控。 共五十九頁Trp Trp 高時(shí)Trp 低時(shí)mRNA OPtrpR調(diào)節(jié)(tioji)區(qū) 結(jié)構(gòu)(jigu)基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 ?色氨酸操縱子的作用原理共五十九頁UUUUUUUU調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因 trpROP前導(dǎo)(qindo)序列 衰減子區(qū)域 UUUU前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu) 第10、11密碼子為trp密碼子 終止密碼子 14aa前導(dǎo)(qindo)肽編碼區(qū): 包含序列

13、1 形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱： 序列1/2序列2/3序列3/4 trp 密碼子 UUUU共五十九頁UUUU34UUUU 334核糖體 前導(dǎo)(qindo)肽 前導(dǎo)(qindo)mRNA當(dāng)色氨酸濃度高時(shí) 轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制 125 trp 密碼子 衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNA UUUU 3 RNA聚合酶 終止共五十九頁UUUU342423UUUU核糖體 前導(dǎo)(qindo)肽 15 trp 密碼子 結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNA RNA聚合酶 當(dāng)色氨酸濃度(nngd)低時(shí) Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄 序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu) 前導(dǎo)mRNA 共五十九頁（三）DNA片段倒位和阻遏蛋白的協(xié)同(xitng)作

14、用沙門(shmn)菌鞭毛素基因的調(diào)節(jié) H2鞭毛素 阻遏蛋白 Hin重組酶轉(zhuǎn)位片段hinH2IH1 H1鞭毛素hinH2IDNA啟動(dòng)序列H1啟動(dòng)序列共五十九頁原核生物基因(jyn)表達(dá)的翻譯水平調(diào)控Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Translation Level 第三節(jié)共五十九頁一、SD序列決定翻譯起始(q sh)效率（一）SD序列的堿基序列影響(yngxing)翻譯起始的效率（二）SD序列的定位影響翻譯起始的效率紅霉素甲基化酶mRNA的翻譯調(diào)控 共五十九頁二、mRNA的穩(wěn)定性是決定翻譯產(chǎn)物(chnw)量的重要因素原核生物mRNA分子某

15、些片段，例如發(fā)夾有RNase抗性。細(xì)胞內(nèi)有結(jié)合RNA、使之免受RNase降解(jin ji)的保護(hù)蛋白。近年發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源或外源的小分子RNA可特異互補(bǔ)結(jié)合細(xì)胞RNA，使其失去功能。與減少表達(dá)量一樣，降低mRNA穩(wěn)定性也是基因表達(dá)調(diào)控方式共五十九頁三、翻譯產(chǎn)物可對(duì)翻譯過程(guchng)產(chǎn)生反饋 調(diào)節(jié)效應(yīng)核糖體蛋白控制多順反子mRNA的翻譯翻譯終止因子RF-2調(diào)節(jié)(tioji)自身的翻譯 共五十九頁核糖體蛋白(dnbi)與rRNA 合成是互相協(xié)調(diào)的原核生物的16S rRNA與21種核糖體蛋白(ribosomal proteins)，簡(jiǎn)稱r-蛋白，組成(z chn)核糖體小亞基；5S和23S rRN

16、A與31種r-蛋白組成大亞基。大、小亞基在翻譯起始組合為70S核糖體。 蛋白質(zhì)合成是生存的最基本需要，細(xì)胞必然要嚴(yán)格控制rRNA和r-蛋白的比例。共五十九頁核糖體蛋白(dnbi)基因與RNA pol 亞基基因的多順反子操縱子基因簇表達(dá)產(chǎn)物rif (rpoBC)rpL-K-A-J-L-rpoB- rpoCL-11-1-10-12-RNApol-rpoArpsM-K-D-rpoA-rpL-QS13-11-4-RNApol-O-L-17spcrpL-N-X-E-rpsN-H-rpL-F-R-rpsE-rpL-D-OL14-24-5-S14-8-L6-18-S-5-L-30-15 r-蛋白基因(jyn

17、)在各個(gè)操縱子上轉(zhuǎn)錄為多順反子共五十九頁這類操縱子有轉(zhuǎn)錄-翻譯偶聯(lián)調(diào)控(dio kn)現(xiàn)象，稱為自我調(diào)節(jié)（autogenous control）。 共五十九頁四、小分子反義RNA參與(cny)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成（一）小分子RNA參與基因表達(dá)產(chǎn)物類型轉(zhuǎn) 換的調(diào)控(dio kn)（二）小分子RNA參與維持極低水平的基因 表達(dá)共五十九頁 大腸桿菌(d chn n jn)滲透壓調(diào)節(jié)中mic RNA的調(diào)節(jié)作用 共五十九頁小分子(fnz)RNA 在翻譯水平的調(diào)控作用 共五十九頁第四節(jié)Lambda 噬菌體的基因表達(dá)(biod)調(diào)控Regulation of gene expression in Lambda p

18、hage 共五十九頁一、Lambda 噬菌體調(diào)控(dio kn)區(qū)段的表達(dá)產(chǎn)物與生活周期有關(guān) 噬菌體的生活史溶菌生長(zhǎng)(shngzhng)途徑(lysis pathway)溶原菌生長(zhǎng)途徑(lysogenic pathway)共五十九頁Lambda 噬菌體的溶原和裂解(li ji)生活周期 共五十九頁 Lambda 噬菌體的基因(jyn)結(jié)構(gòu)和調(diào)控區(qū)域共五十九頁二、cI 基因表達(dá)的阻遏(z )蛋白封閉大部分基因使進(jìn)入溶原周期的轉(zhuǎn)錄按先后(xinhu)分即刻早期(immediate early)，晚早期(delay early)和晚期(late)，三期的表達(dá)依次連續(xù)相互制約 。前兩期轉(zhuǎn)錄是雙向的。晚期轉(zhuǎn)錄單向，在環(huán)狀基因組從R沿環(huán)到A-J結(jié)構(gòu)區(qū)，和向左到達(dá)重組區(qū)的晚早期轉(zhuǎn)錄匯合，完成一個(gè)轉(zhuǎn)錄周期。表達(dá)產(chǎn)物供溶菌周期裝配感染型噬菌體。 共五十九頁調(diào)控(dio kn)的主要關(guān)鍵在阻遏蛋白基因cI cI兩側(cè)啟動(dòng)子受宿主RNA pol催化向左轉(zhuǎn)錄出12S RNA，翻譯為抗終止蛋白(dnbi)N；向右轉(zhuǎn)錄出7SRNA，翻譯為Cro蛋白。Cro蛋白有封閉阻遏蛋白基因的作用。N蛋白在nut位點(diǎn)幫助RNA pol越過左、右終止點(diǎn)tR和tL，進(jìn)行晚早轉(zhuǎn)錄，并繼續(xù)完成晚期