分子生物學(xué)原核生物基因表達(dá)調(diào)控

分子生物學(xué)原核生物基因表達(dá)調(diào)控教學(xué)要求掌握操縱子的結(jié)構(gòu)理解誘導(dǎo)和阻抑操縱子的調(diào)控機(jī)制理解葡萄糖對(duì)乳糖操縱子的調(diào)控方式掌握色氨酸對(duì)操縱子的阻抑和弱化作用第1節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念第2節(jié)TheLacoperon乳糖操縱子第3節(jié)Thetrpoperon色氨酸操縱子第4節(jié)不同σ因子對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)主要內(nèi)容第1節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念一、基因表達(dá)的概念geneexpression

：基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。對(duì)這個(gè)過程的調(diào)節(jié)就稱為generegulation

。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達(dá)

組成性表達(dá)(constitutiveexpression)

適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression）二、基因表達(dá)的方式

1、組成性表達(dá)：

指不大受環(huán)境變動(dòng)而變化的一類基因表達(dá)。某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為持家基因(housekeepinggene)。2、適應(yīng)性表達(dá)指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類基因表達(dá)。應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)(induction)，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因(induciblegene)；相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。

三、基因表達(dá)的規(guī)律

——時(shí)間性和空間性1、時(shí)間特異性（temporalspecificity）按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。

2、空間特異性(spatialspecificity)基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性。四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義

適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（原核、真核）

維持個(gè)體發(fā)育與分化（真核）五、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理(一)基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控可見于從基因激活到蛋白質(zhì)生物合成的各個(gè)階段，因此基因表達(dá)的調(diào)控可分為轉(zhuǎn)錄水平（基因激活及轉(zhuǎn)錄起始）轉(zhuǎn)錄后水平（加工及轉(zhuǎn)運(yùn)）翻譯水平翻譯后水平但以轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)調(diào)控最重要。

（二）基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素1.順式作用元件2.反式作用因子3.RNA聚合酶(1)原核生物的順式作用元件

原核生物基因表達(dá)與調(diào)控是通過操縱子機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。其順式作用元件由啟動(dòng)基因、操縱基因組成。(2)真核生物的順式作用元件在真核生物中，與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的順式作用元件主要有啟動(dòng)子（promoter）、增強(qiáng)子（enhancer）和沉默子（silencer）

1.順式作用元件：又稱分子內(nèi)作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的特殊順序。操縱子Theoperonmodel操縱子模型

JacobandMonod,1961

獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

操縱子：是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由調(diào)節(jié)基因、啟動(dòng)子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。Structuralgenes(結(jié)構(gòu)基因)

：用于表達(dá)參與特異生化合成途徑所需的酶。

Controlelements

(調(diào)控元件)：調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列，包括啟動(dòng)子、操縱基因等。Regulatorgene(s)(調(diào)節(jié)基因)

：編碼合成那些參與基因表達(dá)調(diào)控的RNA和蛋白質(zhì)的特異DNA序列。ControlelementStructuralgenes

操縱子調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)序列操縱序列編碼序列（結(jié)構(gòu)基因）

表達(dá)

轉(zhuǎn)錄ICAPPOZYA阻遏蛋白結(jié)合部位RNA聚合酶結(jié)合部位多順反子mRNA

功能上相關(guān)聯(lián)的多個(gè)結(jié)構(gòu)基因受同一啟動(dòng)序列調(diào)控，被一起轉(zhuǎn)錄和翻譯生成多種蛋白質(zhì)的

mRNA

。啟動(dòng)序列（P）：其中的-35區(qū)

-10區(qū)是RNA聚合酶識(shí)別并結(jié)合的部位。多順反子mRNA阻遏蛋白（負(fù)性調(diào)節(jié)）

（正性調(diào)節(jié)）多種蛋白質(zhì)

R

P

O

ST1

ST2T

啟動(dòng)操縱調(diào)節(jié)基因基因基因結(jié)構(gòu)基因控制區(qū)

操縱元信息區(qū)操縱元模型的一般結(jié)構(gòu)2．反式作用因子（trans-actingfactor）

定義：又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的蛋白質(zhì)因子。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達(dá)到對(duì)特定基因進(jìn)行調(diào)控的目的。1)原核生物的反式作用因子（3類）特異因子

決定RNA聚合酶對(duì)啟動(dòng)序列的特異識(shí)別和結(jié)合能力；

(如RNA聚合酶的因子)阻遏蛋白

通過與操縱序列結(jié)合，阻遏基因轉(zhuǎn)錄，發(fā)揮負(fù)性調(diào)控作用；（由調(diào)節(jié)基因表達(dá)的阻遏蛋白）激活蛋白

與啟動(dòng)子上游DNA序列結(jié)合，促進(jìn)RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄活性，發(fā)揮正性調(diào)控作用。（如，CAP—分解代謝物基因活化蛋白）

2)真核生物的反式作用因子

真核生物中的反式作用因子通常稱為轉(zhuǎn)錄因子

按其功能不同，常有以下三類：

基本轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子共調(diào)節(jié)因子Heyman,I’mTheoperonmodel操縱子模型二、乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制JacobandMonod,1961(1)受乳糖與阻遏蛋白調(diào)控的、可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控系統(tǒng);(4)啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)，生成的tRNAtrp就少，核糖體在序列1的trp密碼子處暫停，序列2和3之間形成配對(duì)結(jié)構(gòu)，阻止了衰減，因?yàn)樾蛄?不再與序列4之間形成衰減結(jié)構(gòu)，RNA聚合酶得以沿DNA前進(jìn)，繼續(xù)去轉(zhuǎn)錄其后trpE等基因，trp操縱元就處于開放狀態(tài)。β-GalactosidaseComplementary2:3ElongationoftranscriptionHightryptophanlevelsDuringtranscriptionoftheRNAfromtrpoperon,theRNAPolymereasepausesattheendofsequence2(sequences1and2formahairpin)untilaribosomebegantotranslatetheleaderpeptide.Lactose(allolactose)：天然的誘導(dǎo)物(回文對(duì)稱):當(dāng)一條鏈以5′到3′方向從左向右讀與其互補(bǔ)鏈5′到3′方向從右向左讀時(shí)具有相同的序列。cAMP結(jié)合區(qū)→cAMP-CAP復(fù)合物（有活性）3.RNA聚合酶

1.啟動(dòng)子堿基序列變化影響RNA聚合酶活性（尤其－10區(qū)和－35區(qū)的共有堿基序列變化）

2.調(diào)節(jié)蛋白構(gòu)象變化影響RNA聚合酶活性

第2節(jié)TheLacoperon乳糖操縱子一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)二、乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)大腸肝菌能夠利用乳糖：環(huán)境中乳糖作為唯一碳源→表達(dá)并合成一系列與乳糖代謝相關(guān)的酶類環(huán)境中沒有乳糖→編碼上述乳糖代謝酶的基因則被關(guān)閉ThelacoperonLacrepressor抑制因子TranscriptionblockedInducerActivatethePlactranscriptionCRP+cAMP(glucoserepressed)Highleveloftranscription(誘導(dǎo)子，Lactose)Overview一、乳糖操縱元的結(jié)構(gòu)i基因POlacZlacYlacA阻遏基因CAP啟動(dòng)子操縱基因結(jié)構(gòu)基因代謝激活蛋白結(jié)合位點(diǎn)一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)(一)乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)aregulatorygene(調(diào)節(jié)基因):LacI,encodethelacrepressor(編碼乳糖阻抑物)3stucturalgenes(結(jié)構(gòu)基因):LacY、LacZ、LacA2controlelements(調(diào)控元件):Plac（啟動(dòng)子)、Olac(操縱基因位點(diǎn))lacIRegulatorygenelacZlacYlacADNAm-RNAβ

-GalactosidasePermeaseTransacetylaseProteinStructuralGenesPlacIPlacOlaclacY編碼半乳糖苷滲透酶)，促進(jìn)半乳糖苷進(jìn)入細(xì)胞lacZ編碼半乳糖苷酶，將乳糖水解為葡萄糖和半乳糖lacA編碼硫代半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶G2:TheLACoperonlacZ,lacY,lacA

三個(gè)結(jié)構(gòu)基因位于同一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元中。1.結(jié)構(gòu)基因G2:TheLACoperon2.操縱基因位于-5至＋21這段區(qū)域，和啟動(dòng)子的右側(cè)末端重疊，26~28bp是阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)。(回文對(duì)稱):當(dāng)一條鏈以5′到3′方向從左向右讀與其互補(bǔ)鏈5′到3′方向從右向左讀時(shí)具有相同的序列。以+11為對(duì)稱軸，每邊為兩段各6bp反向重復(fù)序列

3.

乳糖阻抑物RegulationofTranscriptioninProkaryotes(1)是由4個(gè)相同亞基組成的同源四聚體(2)具有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)：操縱基因結(jié)合位點(diǎn)和誘導(dǎo)物結(jié)合位點(diǎn)(3)無誘導(dǎo)物存在時(shí)，能阻止基因的轉(zhuǎn)錄,誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)相結(jié)合，激活基因轉(zhuǎn)錄。(4)阻遏蛋白和DNA的結(jié)合能增強(qiáng)RNA聚合酶結(jié)合DNA的能力乳糖操縱元的雙調(diào)控系統(tǒng)：(1)受乳糖與阻遏蛋白調(diào)控的、可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控系統(tǒng);(2)受cAMP與CAP調(diào)節(jié)的、可誘導(dǎo)的正調(diào)控系統(tǒng)。葡萄糖通過調(diào)節(jié)cAMP的合成間接監(jiān)控這一過程。以此保證大腸桿菌靈活、經(jīng)濟(jì)、有效地適應(yīng)外界環(huán)境，只有在必需的時(shí)候（只有乳糖，沒有葡萄糖）才啟動(dòng)乳糖操縱子的表達(dá)。二、乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制二、乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制(一)負(fù)調(diào)節(jié)機(jī)制1.無誘導(dǎo)物時(shí)，阻抑物與操縱基因結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄

2.Induction誘導(dǎo)誘導(dǎo)物跟乳糖阻抑物結(jié)合，改變了阻抑物的構(gòu)象，使其不能結(jié)合到操縱位點(diǎn)上。G2:TheLACoperon

誘導(dǎo)物和結(jié)合于操縱基因上的阻遏物結(jié)合，使其從操縱基因上釋放。而不是和游離阻遏物結(jié)合，影響阻遏物和DNA結(jié)合的平衡

誘導(dǎo)物改變阻遏蛋白在DNA上的分布，而不是產(chǎn)生游離阻遏蛋白：隨機(jī)DNA序列和阻遏蛋白也具有親和力，但比操縱基因和阻遏蛋白的親和力低107倍誘導(dǎo)物和阻遏蛋白結(jié)合時(shí)，阻遏蛋白和操縱基因的親和力下降，所有阻遏蛋白結(jié)合在DNA的隨機(jī)序列上除去誘導(dǎo)物后，阻遏蛋白恢復(fù)活性，從隨機(jī)位點(diǎn)直接轉(zhuǎn)移到操縱基因上ipozyaVerylowleveloflacmRNAAbsenceoflactoseActiveipozyab-GalactosidasePermeaseTransacetylasePresenceoflactoseInactiveLactose(乳糖)

ispresent,thelowbasallevelof

permease(透過酶)

allowsitsuptake,andβ-galactosidase

(半乳糖苷酶)catalyzestheconversionofsomelactosetoallolactose

(異乳糖).Allolactoseactsasaninducer,

bindingtothelacrepressorandinactivateit.Lactose

(allolactose)：天然的誘導(dǎo)物IPTG(異丙基-b-D-硫代半乳糖苷),

人工合成的誘導(dǎo)物，,能快速激活乳糖操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，但自身不被分解(義務(wù)誘導(dǎo)物)IPTGisusedtoinducetheexpressionoftheclonedgenefromLacZpromoterinmanyvectors,suchaspUC19.AmproripUC18(3kb)MCS(Multiplecloningsites,

多克隆位點(diǎn)）LacpromoterlacZ’GeneXNoIPTG,

littleexpressionofXgeneWithIPTG,efficientexpressionofXgene.L1:TheLACoperon可誘導(dǎo)調(diào)控的操縱元，其基因表達(dá)產(chǎn)物都是利用某種營養(yǎng)物的酶體系（分解代謝）

有營養(yǎng)物——相應(yīng)基因開放

無營養(yǎng)物——細(xì)胞就沒必要產(chǎn)生相應(yīng)的酶2CAP位點(diǎn)

操縱序列RNA聚合酶

啟動(dòng)序列cAMPmRNA5'

DNA結(jié)合區(qū)→與CAP位點(diǎn)結(jié)合CAP(同二聚體),含

cAMP結(jié)合區(qū)→cAMP-CAP復(fù)合物（有活性）CAP（二）CAP的正性調(diào)節(jié)作用

1.

CRP，cAMP受體蛋白G2:TheLACoperonCRP

是一種轉(zhuǎn)錄激活因子(分解代謝激活蛋白,CAP)與cAMP結(jié)合后才有活性：CAP與cAMP結(jié)合后，發(fā)生空間構(gòu)象的變化而活化，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合，從而增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，可使轉(zhuǎn)錄提高50倍cAMP水平受葡萄糖調(diào)節(jié)

CRP激活因子參與分解代謝操縱子對(duì)葡萄糖水平反應(yīng)的基因表達(dá)的全局調(diào)控。(二)弱化系統(tǒng)cAMP—CAP復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。分解代謝蛋白的基因如果在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是關(guān)閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開啟，這樣的調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。Positivecontrol酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型如果某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。RegulationofTranscriptioninProkaryotestheraces.HeatshockproteinsaretheonlyproteinsmadeinE.三、正調(diào)控系統(tǒng)和負(fù)調(diào)控系統(tǒng)Structuralgenes(結(jié)構(gòu)基因)：用于表達(dá)參與特異生化合成途徑所需的酶。一、色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)第1節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念cAMP：CyclicAMPATP在腺苷酸環(huán)化酶的作用下轉(zhuǎn)變成環(huán)腺苷酸(cyclicadenosinemonophosphate,cAMP)。Whenglucoseispresent當(dāng)葡萄糖存在時(shí)，細(xì)胞中cAMP含量低，CRP以二聚體的形式存在，從而不能跟DNA結(jié)合調(diào)控轉(zhuǎn)錄。

Whenglucoseisabsent當(dāng)葡萄糖缺乏時(shí)，cAMP含量升高，與CRP結(jié)合；CRP-cAMP復(fù)合物結(jié)合到啟動(dòng)子中RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)上游的序列，使DNA彎曲90°，增強(qiáng)了RNA聚合酶跟啟動(dòng)子的結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄提高了50倍。

CRP-bindingsiteisaninvertedrepeat.正調(diào)節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。cAMP—CAP復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。(三)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)葡萄糖對(duì)lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前一個(gè)長162bp的mRNA片段。共調(diào)節(jié)因子基因表達(dá)調(diào)控可見于從基因激活到蛋白質(zhì)生物合成的各個(gè)階段，因此基因表達(dá)的調(diào)控可分為在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。Whenglucoseisabsent分子生物學(xué)原核生物基因表達(dá)調(diào)控methrough!methrough!鞭毛趨化相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控methrough!順式作用元件：又稱分子內(nèi)作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的特殊順序。TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresent前導(dǎo)RNA含有一個(gè)有效的核糖體結(jié)合位點(diǎn)，并能編碼一個(gè)由14個(gè)氨基酸組成的前導(dǎo)肽功能上相關(guān)聯(lián)的多個(gè)結(jié)構(gòu)基因受同一啟動(dòng)序列調(diào)控，被一起轉(zhuǎn)錄和翻譯生成多種蛋白質(zhì)的mRNA。如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物。TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!TheLacOperon:

WhenGlucoseandLactosearePresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.Comeon,letmethroughCAPRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorRepressorThislactosehasbentmeoutofshapeLacXTheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!第2節(jié)TheTrp

Operon色氨酸操縱子一、色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)二、色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制三、正調(diào)控系統(tǒng)和負(fù)調(diào)控系統(tǒng)RegulationofTranscriptioninProkaryotes調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因

催化分枝酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼?/p>

的酶

一、色氨酸操縱元的結(jié)構(gòu)trpR

trpRPLeader前導(dǎo)序列編碼色氨酸合成所需的5種結(jié)構(gòu)基因當(dāng)細(xì)胞中色氨酸短缺時(shí)，這些基因協(xié)同表1.特點(diǎn):(1)

trpR和trpABCDE不連鎖；

(2)操縱基因在啟動(dòng)子內(nèi)

(3)有衰減子(attenuator)/弱化子

(4)啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被前導(dǎo)序列(Leader)所隔開ABCG3:ThetrpoperonG3:Thetrpoperon二、色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制(一)負(fù)調(diào)控機(jī)制(二)弱化系統(tǒng)RegulationofTranscriptioninProkaryotes調(diào)節(jié)基因trpR編碼色氨酸阻抑物與色氨酸形成復(fù)合物后，與操縱基因相結(jié)合，阻止結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄Trp

：協(xié)同抑制因子，能抑制色氨酸的合成(負(fù)反饋調(diào)控)能使轉(zhuǎn)錄的起始效率下降70倍是一種粗調(diào)控機(jī)制，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的起始(一)負(fù)調(diào)控機(jī)制G3:Thetrpoperon

Therepressorisadimer(二聚體)oftwosubunitswhichhasastructurewithacentralcore

(中心區(qū)域)andtwoflexibleDNA-readingheads(DNA解讀頭部)(carboxyl-terminalofeachsubunit)centralcoreDNA-readingheads色氨酸阻抑物G3:ThetrpoperontrpRoperontrpoperonO

阻遏蛋白mRNATrp

trpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA轉(zhuǎn)錄生成162核苷酸長的前導(dǎo)序列，可以形成“衰減子”結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)基因關(guān)閉）調(diào)節(jié)區(qū)

在高濃度色氨酸存在下，通過形成特殊的“衰減子”結(jié)構(gòu)，對(duì)轉(zhuǎn)錄進(jìn)行更精細(xì)的調(diào)控。

(二)弱化系統(tǒng)有活性1.

前導(dǎo)RNA的結(jié)構(gòu)

RegulationofTranscriptioninProkaryotes在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前一個(gè)長162bp的mRNA片段。含有四個(gè)互補(bǔ)序列區(qū)，堿基互補(bǔ)形成不同的結(jié)構(gòu)Complementary3:4terminationoftranscription

Complementary2:3ElongationoftranscriptionfreeleaderRNAG3:ThetrpoperonStructuralgenes(結(jié)構(gòu)基因)：用于表達(dá)參與特異生化合成途徑所需的酶。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達(dá)在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前一個(gè)長162bp的mRNA片段。在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。(-35and–10)inDNA識(shí)別DNA中特異的啟動(dòng)子序列如果某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。(回文對(duì)稱):當(dāng)一條鏈以5′到3′方向從左向右讀與其互補(bǔ)鏈5′到3′方向從右向左讀時(shí)具有相同的序列。無誘導(dǎo)物時(shí)，阻抑物與操縱基因結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄(3)無誘導(dǎo)物存在時(shí)，能阻止基因的轉(zhuǎn)錄,誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)相結(jié)合，激活基因轉(zhuǎn)錄。NoIPTG,littleexpressionofXgeneLackoftrp(proceedingthroughthewholeoperon)HightryptophanlevelsCorepressor當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用(4)啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被2.

前導(dǎo)肽RegulationofTranscriptioninProkaryotes前導(dǎo)RNA含有一個(gè)有效的核糖體結(jié)合位點(diǎn)，并能編碼一個(gè)由14個(gè)氨基酸組成的前導(dǎo)肽該前導(dǎo)序列的第10個(gè)和11個(gè)密碼子編碼色氨酸。單林娜制作71

3.弱化子：DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核苷酸序列（123-150區(qū)）。123~150Attenuatorsequencecharacteristic位于前導(dǎo)序列(在trpE起始密碼子之前)的末端非

依賴型的終止位點(diǎn)，有一富含GC的回文對(duì)稱結(jié)構(gòu)，緊跟著一串8個(gè)U殘基序列高效的轉(zhuǎn)錄終止子3.

弱化作用RegulationofTranscriptioninProkaryotesTranscriptionandtranslationinbacteriaarecoupled.Therefore,synthesisoftheleaderpeptideimmediatelyfollowsthetranscriptionofleaderRNA,andtheattenuationispossible.Hightrp

(attunation)Lackoftrp(proceedingthroughthewholeoperon)

Transcriptionofthetrpoperon

DuringtranscriptionoftheRNAfromtrpoperon,

theRNAPolymereasepauses

attheendof

sequence2

(sequences1and2formahairpin)

untilaribosomebegantotranslatetheleaderpeptide.G3:Thetrpoperon單林娜制作76

Lowtryptophanlevels當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)，生成的tRNAtrp就少，核糖體在序列1的trp密碼子處暫停，序列2和3之間形成配對(duì)結(jié)構(gòu)，阻止了衰減，因?yàn)樾蛄?不再與序列4之間形成衰減結(jié)構(gòu)，RNA聚合酶得以沿DNA前進(jìn)，繼續(xù)去轉(zhuǎn)錄其后trpE等基因，trp操縱元就處于開放狀態(tài)。單林娜制作77

當(dāng)色氨酸濃度增高時(shí)，tRNAtrp濃度隨之升高，核糖體快速翻譯序列1(前導(dǎo)肽閱讀框)，占據(jù)到2的機(jī)會(huì)增加，1和2生成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)減少，3和4形成類似終止子的衰減子結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)增多，導(dǎo)致RNA聚合酶終止轉(zhuǎn)錄。Hightryptophanlevels通過前導(dǎo)肽中核糖體所處的位置，實(shí)現(xiàn)RNA聚合酶對(duì)DNA轉(zhuǎn)錄的影響。

LowTrpHighTrpImportanceofattenuation衰減作用的重要性

細(xì)菌通過弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒糇饔弥荒苁罐D(zhuǎn)錄不起始，對(duì)于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過弱化作用使之中途停下來。阻遏作用的信號(hào)是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少；弱化作用的信號(hào)則是細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少。它通過前導(dǎo)肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)這兩種作用相輔相成，體現(xiàn)著生物體內(nèi)周密的調(diào)控作用。RegulationofTranscriptioninProkaryotes如果其他氨基酸不足，對(duì)轉(zhuǎn)錄有何影響？三、正調(diào)控系統(tǒng)和負(fù)調(diào)控系統(tǒng)1)根據(jù)操縱子對(duì)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應(yīng)答，可分為：

正轉(zhuǎn)錄調(diào)控

負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控如果在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是關(guān)閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開啟，這樣的調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控?？烧T導(dǎo)調(diào)節(jié)：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子分解代謝蛋白的基因根據(jù)操縱子對(duì)某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應(yīng)答，可分為可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和可阻遏調(diào)節(jié)兩大類：調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白誘導(dǎo)物mRNA酶蛋白酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型誘導(dǎo)物如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物。可阻遏調(diào)節(jié)：基因平時(shí)是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。例：色氨酸操縱子合成代謝蛋白的基因酶合成的阻遏操縱子模型調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因mRNA酶蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因輔阻遏物輔阻遏物如果某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。3)在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白（repressor），起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。根據(jù)其作用特征又可分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏：在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。4)在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白（activator）。根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)和正控阻遏在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；在正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（輔阻遏物）的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。InductionInducerInducerPositivecontrolNegativecontrol負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)NegativecontrolPositivecontrolRepressionCorepressorCorepressor負(fù)控阻遏系統(tǒng)正控阻遏系統(tǒng)RegulationofTranscriptioninProkaryotes第4節(jié)不同σ因子對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)SigmafactorHeatshock熱休克SporulationinB.subtilis枯草芽孢桿菌的孢子形成Bacteriophageσ

factors噬菌體σ因子σfactorsubunitboundtoRNApolfortran