1、原核生物基因的表达及其调控原核生物基因的表达及其调控一种生物的整套遗传密码可以比作一本密一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典码字典,该种生物的每个细胞中都有这本字该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有在它应该发挥作用的典。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态化状态?结论：必然有一个基因调控系统在发挥作结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。用。第一节第一节 原核生物基因的转录和翻译原核生物基因的转录和翻译原核生物的原核生物的DNA： 单个裸露的单个裸露的DNA 不编码占不编码占5% 转录和翻译同一时间，地
2、点进行转录和翻译同一时间，地点进行 基因调控主要在三个水平上进行基因调控主要在三个水平上进行: . DNA水平水平 . 转录水平转录水平(主主) . 翻译水平翻译水平 一、转录的起始一、转录的起始 转录是原核生物基因表达的主要调控点，转录是原核生物基因表达的主要调控点，主要涉及两个方面：主要涉及两个方面：1、RNA合成的酶系；合成的酶系；2、RNA合成起始和终止信号，即合成起始和终止信号，即DNA分分子上的特定序列。子上的特定序列。 通过通过RNA聚合酶、转录因子和启动子的聚合酶、转录因子和启动子的相互作用实现转录调控，改变细胞的表相互作用实现转录调控，改变细胞的表型，从而实现细胞生理状态和环
3、境的变型，从而实现细胞生理状态和环境的变化。化。（一）（一）RNA聚合酶聚合酶(RNA polymerase)：大肠杆菌的大肠杆菌的RNA聚合酶：由聚合酶：由5个个亚基组成，即亚基组成，即2， 2组组成的酶称全酶。成的酶称全酶。 亚基与其他亚基亚基与其他亚基结合较松弛，易从全酶上解离；结合较松弛，易从全酶上解离；其余部分其余部分2称为核心酶称为核心酶(core enzyme)。亚基作用：亚基作用：参与启动参与启动子的识别和结合以及转录起始复子的识别和结合以及转录起始复合物的异构化。细胞内哪条合物的异构化。细胞内哪条DNA链被转录、转录方向与转录起点链被转录、转录方向与转录起点的选择都与的选择都
4、与亚基有关。亚基有关。 在启动子与终止子之间在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常是一个转录单位，通常将将mRNA开始的一个核开始的一个核苷酸定为苷酸定为o点点(即即+1)由由此向右常称为下游此向右常称为下游(downstream)，其核苷酸，其核苷酸依次编为正序号；起始依次编为正序号；起始点左例称为上游点左例称为上游(upstream)其核苷酸则其核苷酸则依次以负号表示紧接依次以负号表示紧接起始点左侧的核苷酸为起始点左侧的核苷酸为-1。离体实验表明：离体实验表明：全酶所转录的全酶所转录的RNA和细胞内所转录出的和细胞内所转录出的RNA，其起始点相同，序列相同，若仅其起始点相同，序列相同，若
5、仅用核心酶进行转录，则模板链和用核心酶进行转录，则模板链和起始点的选择都有很大的随意性，起始点的选择都有很大的随意性，而且往往同一段而且往往同一段DNA的两条链都的两条链都被转录。被转录。由此可见：由此可见：亚基对识别亚基对识别DNA链链上的转录信号是不可缺少的，它上的转录信号是不可缺少的，它是核心酶和启动子之间的桥梁。是核心酶和启动子之间的桥梁。 因子的取代在细胞发育和对环因子的取代在细胞发育和对环境应答的反应中起主导作用。如境应答的反应中起主导作用。如在枯草杆菌中就有不同相对分子在枯草杆菌中就有不同相对分子质量的质量的因子因子Figure 9.6 RNA polymerase moves
6、like an inchworm during elongation, when it compresses from the back end and release from the front end.9.2 Transcription is catalyzed by RNA polymeraseRNA聚合酶体积很大，横聚合酶体积很大，横跨近跨近60个碱基，而解旋个碱基，而解旋的的DNA区域可能不到区域可能不到17个碱基。当聚合酶按个碱基。当聚合酶按53方向延伸方向延伸RNA链时，链时，解旋的解旋的DNA区域也随之区域也随之移动。靠近移动。靠近3端的端的DNA不不断解旋。同时在断解旋。同
7、时在5端重新端重新形成形成DNA双链，不断将双链，不断将RNA-DNA杂合链中的杂合链中的RNA链挤出。链挤出。 （二）启动子（二）启动子 (promoter)： 转录的起始是基因表达的关转录的起始是基因表达的关键阶段，启动子就是连接在键阶段，启动子就是连接在基因基因3端上游的端上游的DNA序列，序列，其长度从其长度从100 bp到到200 bp不不等，是转录起始时等，是转录起始时RNA聚合聚合酶识别、结合的特定部位，酶识别、结合的特定部位，但其本身并不被转录。但其本身并不被转录。原核生物启动子结构含有同源序列。整个原核生物启动子结构含有同源序列。整个启动子包括两个部分：其上游部分是启动子包括
8、两个部分：其上游部分是CAP-cAMP结合位点，下游部分是结合位点，下游部分是RNA聚聚合酶的进入位点。合酶的进入位点。 二、转录的终止二、转录的终止 （一）终止子及其结构：（一）终止子及其结构： 1、概念：、概念： DNA上提供转录停止信号的一段上提供转录停止信号的一段序列称为终止子序列称为终止子(terminator)，是一个基因的，是一个基因的末端或是一个操纵子的末端的一段特定序列。末端或是一个操纵子的末端的一段特定序列。 2、类型：强终止子和弱终止子、类型：强终止子和弱终止子 强终止子：强终止子：不依赖于不依赖于Rho蛋白质辅助因子而能蛋白质辅助因子而能实现终止作用，这类终止子属于强终
9、止子；实现终止作用，这类终止子属于强终止子； 弱终止子：弱终止子：依赖于依赖于Rho蛋白质辅助因子才能实蛋白质辅助因子才能实现终止作用，这类终止子属于弱终止子。蛋白现终止作用，这类终止子属于弱终止子。蛋白质辅助因子称为释放因子，通常称为质辅助因子称为释放因子，通常称为因子。因子。回文顺序回文顺序 (Palindromic sequence) 5 GTGAGCTCAC 3 3 CACTCGAGTG 5画上荷花和尚画书临汉字翰林书所有原核生物的终止子共同的序列特征所有原核生物的终止子共同的序列特征 在转录终止点之前有一在转录终止点之前有一段回文结构，因而所产段回文结构，因而所产生的生的mRNA可形
10、成茎环可形成茎环状的发夹结构，它可使状的发夹结构，它可使RNA聚合酶的移动停止聚合酶的移动停止或减缓。或减缓。第二节第二节 大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控 一、操纵子与操纵子模型一、操纵子与操纵子模型 操纵子学说操纵子学说/操纵子模型：操纵子模型： F.Jacob J.Mond（1960）E.coli lac operon( 1965诺贝尔医学生诺贝尔医学生理学奖理学奖) 操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本单元，由结构基因、操纵基因（单元，由结构基因、操纵基因（O）和启动基）和启动基因（因（P）组成。）组成。 promot
11、er structural genes operator启动基因启动基因 操纵基因操纵基因 结构基因结构基因操纵子操纵子(operon(operon) )模型模型转录、翻译、合成蛋白转录、翻译、合成蛋白结合调节蛋白结合调节蛋白结合结合RNA聚合酶聚合酶调控（节）蛋白调控（节）蛋白 操纵子操纵子RNARPO structural genesDNAProtein调控蛋白的作用机制注：注：R R：Regulator PRegulator P：Promoter OPromoter O：OperatorOperator 正调控与负调控正调控与负调控 调节基因调节基因 RNA 调节蛋白调节蛋白 正调节蛋白
12、激活正调节蛋白激活+操纵子操纵子 结构基因转录、表达结构基因转录、表达 正调节蛋白失活，结构基因不表达正调节蛋白失活，结构基因不表达 （正控制（正控制/正调节正调节 ） 负调节蛋白激活负调节蛋白激活+操纵子操纵子 结构基因转录、表达结构基因转录、表达 负调节蛋白失活，结构基因表达负调节蛋白失活，结构基因表达 （负控制（负控制/负调节负调节 ）阻遏物与辅阻遏物 阻遏物（repressor）：由调节基因产生的一种变构蛋白，当它与操纵基因结合时，能够抑制转录的进行。 辅阻遏物(corepressor)：能够与失活的阻遏蛋白结合，并恢复阻遏蛋白与操纵基因结合能力的物质。诱导调控与非诱导调控诱导调控与非
13、诱导调控根据辅因子（小分子）结合后调控效果，根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分：可分： 开启调控系统中结构基因的转录活性开启调控系统中结构基因的转录活性 诱导诱导 关闭调控系统中结构基因的转录活性关闭调控系统中结构基因的转录活性 阻遏阻遏操纵子调控系统的基本类型v可诱导负控制系统v可诱导正控制系统v可阻遏负控制系统v可阻遏正控制系统 正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；控又有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调原核生物以负调控为主，真核生物以正
14、调控为主；控为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。的合成。如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加:. -半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖. 渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖. 转乙酰酶：转乙酰酶：-半乳糖转变成乙酰半乳糖半乳糖转变成乙酰半乳糖大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加大量乳
15、糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加.乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止.大肠杆菌乳糖操纵子的负调控大肠杆菌乳糖操纵子的负调控(可诱导可诱导)P structural genes OlacZ lacY lacARlacZ lacY lacA 四、大肠杆菌乳糖操纵子的正调控四、大肠杆菌乳糖操纵子的正调控 当即有大量乳糖又有葡萄糖时，当即有大量乳糖又有葡萄糖时， 基因表达将是怎样？基因表达将是怎样？葡萄糖效应葡萄糖效应培养基中有葡培养基中有葡萄糖存在时，即使有乳糖存萄糖存在时，即使有乳糖存在，不诱导靶基因表达
16、。这在，不诱导靶基因表达。这样的操纵子称葡萄糖敏感操样的操纵子称葡萄糖敏感操纵子。这种效应由一种正控纵子。这种效应由一种正控制机制决定。制机制决定。 葡萄糖葡萄糖 腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶活性降低活性降低 ATP无法转变无法转变成成cAMP 不能形成不能形成CAP-cAMP复合蛋白复合蛋白 RNA酶酶无法结合在无法结合在DNA上上 结构结构基因不表达。基因不表达。葡萄糖抑制操纵子的原理：葡萄糖抑制操纵子的原理：阿拉伯糖操纵子的双向控制Ara操纵子是控制分解代谢途径的另一调操纵子是控制分解代谢途径的另一调控系统。控系统。特点特点：调节蛋白既可起正调控作用，又可：调节蛋白既可起正调控作用，又可起负
17、调控作用。起负调控作用。色氨酸操纵子的转录调控色氨酸操纵子的转录调控 1色氨酸操纵子模型：色氨酸操纵子模型：由雅各布（由雅各布（Jacob F.）和莫诺）和莫诺（Monod J.）提出，具有合成代）提出，具有合成代谢途径典型的操纵子模型。谢途径典型的操纵子模型。操纵子：包括色氨酸合成有关操纵子：包括色氨酸合成有关的的5种酶的结构基因；种酶的结构基因；大量色氨酸时：大肠杆菌大量色氨酸时：大肠杆菌5种种酶的转录同时受到抑制；酶的转录同时受到抑制；色氨酸不足时：这种酶的基色氨酸不足时：这种酶的基因开始转转录；因开始转转录；色氨酸：作为阻遏物而不是诱色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录
18、。导物参与调控结构基因的转录。trp操纵子是一个典型的操纵子是一个典型的可阻遏操纵元模型可阻遏操纵元模型(repressible operon)。 色氨酸操纵子模型结构：色氨酸操纵子模型结构：5种结构基因：种结构基因：trpE、D、C、B、A；调控结构：启动子、调控结构：启动子、操纵基因操纵基因、前导序列、前导序列、弱化子；弱化子；阻遏物阻遏物trpR基因：与基因：与trp操纵子相距较远；操纵子相距较远； 2.色氨酸操纵子的负调控：色氨酸操纵子的负调控： . 阻遏调控：阻遏调控：trpR基因编码无辅基阻遏物基因编码无辅基阻遏物 与色氨与色氨酸结合酸结合 形成有活性的色氨酸阻遏物形成有活性的色氨
19、酸阻遏物 与操纵子结合与操纵子结合 阻止转录；阻止转录； 色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化 ，不能与操纵子结合，操纵元开始转录；不能与操纵子结合，操纵元开始转录；色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操纵子结合，阻止转空间结构发生变化，可与操纵子结合，阻止转录。录。 . 弱化子调控：弱化子调控：当有色氨酸存在而当有色氨酸存在而trp操纵子受抑制时，仍有一段前导序列发生操纵子受抑制时，仍有一段前导序列发生转录，可能存在另一种的机制来抑制转录，可能存在另一种的机制来抑制trp操纵元的转录。操纵元的转
20、录。色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列140bp长，其中有一长，其中有一28bp的弱化子区域；形成发夹结构，为内部终止子，的弱化子区域；形成发夹结构，为内部终止子，RNA酶从酶从DNA上脱落，上脱落，不能转录；不能转录；色氨酸低浓度或不存在时，色氨酸低浓度或不存在时，RNA聚合酶能通过弱化子区域，转录完聚合酶能通过弱化子区域，转录完整的多顺反子整的多顺反子mRNA序列；序列； 问题：弱化子如何进行调控？问题：弱化子如何进行调控？前导序列可翻译出一段前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽，在该短肽的第个氨基酸的短肽，在该短肽的第10、11位置位置上是两个色氨酸密
21、码子；两个密码子之后是一段上是两个色氨酸密码子；两个密码子之后是一段mRNA序列，该序列可序列，该序列可分为四个区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。分为四个区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种二级结原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种二级结构构,从而决定弱化子是否可形成终止信号。从而决定弱化子是否可形成终止信号。 . 当有色氨酸时，完整翻译短肽当有色氨酸时，完整翻译短肽 核糖体核糖体停留在终止密码子处，邻近区段停留在终止密码子处，邻近区段2位置位置 阻阻碍了碍了2,3配对配对 使使3, 4区段配对区段配
22、对 形成形成发夹结构终止子发夹结构终止子 RNA酶在弱化子处终止，酶在弱化子处终止，不能向前移动。不能向前移动。 .如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时 由由于没有色氨酰于没有色氨酰tRNA的供应的供应 停留在该密码子位置，停留在该密码子位置，位于区段位于区段1 使区段使区段2与区段与区段3配对配对 区段区段4无对无对应序列配对呈单链状态应序列配对呈单链状态 RNA聚合酶通过弱化子，聚合酶通过弱化子，继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。缺乏色氨酸缺乏色氨酸有色氨酸有色氨酸 衰减作用的生物学意义衰减作用的生物学意义 从衰减机制的分析来看，它不仅能够把几种水从衰减机制的分析来看，它不仅能够把几种水平如平如DNA和和RNA的构象变化、的构象变化、mRNA上内部终上内部终止止(衰减衰减)子的重建以及核糖体上子的重建以及核糖体上tRNA对终止密对终止密码的识别等统一起来，严格控制表达，而且衰码的识别等统一起来，严格控制表达，而且衰减子还可依细胞内某一氨基酸水平的高低而行减子还可依细胞内某一氨基酸水平的高低而行止。所以它是一种应答灵敏、调节灵活的多重止。所以它是一种应答灵敏、调节灵活的多重调控方式。调控方式。比较大肠杆菌乳糖操纵子负调控和色氨酸操纵子负调控
