1、原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控第一节第一节 转录水平的调控转录水平的调控一.操纵子模型：1.调节基因和结构基因.P laci P O lacZ lacY lacADNA1040823510780825mRNA多肽3603810211252603027530氨基酸分子量(KDa)蛋白四聚体152四聚体500膜蛋白30二聚体60结构分子量(KDa)功能阻遏蛋白-半乳糖苷酶 透性酶转乙酰酶 乳糖操纵子的结构和功能(仿 B.Lewin:GENES,1997,Fig.12.3)操纵子操纵子（operon)顺式作用元件顺式作用元件（cis-acting element）结构基因结构基因（st
2、ructural genes）调节基因调节基因（regulator genes）。反式作用因子反式作用因子（trans-acting factor）。诱导物诱导物（inducer）和效应物效应物（effectors）可诱导可诱导的基因和组成型基因组成型基因控制位点控制位点（controlling site）诱导诱导（induction）2.正调控和负调控正调控负调控诱导(induction)阻遏(repression)诱导物(inductor)阻遏物(repressor)辅阻遏物(corepressor)使阻遏蛋白具有活性或使活性蛋白失去活性的物质称。未发现二二.乳糖操纵子乳糖操纵子1 调控位
3、点 (1)Operator 操纵基因 (2)CAP(catabolite gene activation protein)or CRP(cAMP受体蛋白)结合位点 (3)Promotor 2 别乳糖为诱导物 3 本底组成型(background constitutive synthesis)组成型(constitutive gene)即看家基因（Houskeeping gene)乳糖诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响3.操纵子的发现1961年 Jacob&Monod构建部分二倍体(lacI-/FlacI+)lacIS 阻遏蛋白不可诱导性突变，阻遏 蛋白失去诱导物结合位点lacI-阻遏蛋
4、白不能形成寡聚物lacI-d 阻遏蛋白不能和DNA结合，且呈 负互补(反式显性)Oc 操纵基因的组成型突变 (二二)阻遏蛋白和诱导物的互作阻遏蛋白和诱导物的互作诱导诱导（induction）诱导物诱导物（inducers）异丙基-D-硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside,IPTG）安慰诱导物安慰诱导物（gratuitous inducer）多顺反子多顺反子mRNA 变构调控变构调控（allosteric control）协同调控协同调控（coordinate regulation）一系列基因受同一操纵子的调控。基因簇基因簇(cluster)等位基因间的互补等位基因间的
5、互补（interallelic complementation）。负的互补负的互补（negative complementation）lacI-d的产物和lacI+的产物组成多聚体时，阻遏蛋白无活性。反式显性反式显性（trans-dominant）显性失活显性失活（dominant negatives）阻遏蛋白和操纵基因的结合与解离操纵基因的结构阻遏蛋白的结构：N端159aa头部片段：为HTH，与操纵基因DNA的大沟结合；核心区：有6个折叠，诱导物就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。操纵位点的回文序列 阻遏蛋白单体的结构阻遏蛋白单体的三级结构诱导物的结合解离模型(
6、a)(b)图1610 诱导物作用模型。(a)平衡模型，诱导物与游离的阻遏物结合，打破了其游离与结合之间的平衡；(b)解离模型，诱导物直接与结合在操纵位点上的阻遏物结合，使其释放(仿 B.Lewin:GENES,1997,Fig.12.13)诱导物和阻遏蛋白结合的模型阻遏能发生在多个位点上 CAP结合位点 cAMP是由腺苷环化酶腺苷环化酶（adenylate cyclase）催化合成CAP（catabolite activator protein）CAP以两种方法来激活转录：（1）它可能直接和RNA Pol相互作用；（2）作用于DNA，改变其结构，从而帮 助RNA Pol结合。第二节第二节 操纵
7、子的其它调控形式操纵子的其它调控形式一半乳糖操纵子一半乳糖操纵子（gal operon）1.结构2.特点：(1)双启动子；(2)双操纵基因；(3)无35顺序；(4)OE在CAP位点内，OI在 gene E内 Gal 既可为碳源，同时UDPGal 又是合成细菌细胞壁的重要前体 gal 操纵子的结构 3.调节(1)有Gal P1启动 K,T,E 转录 无 Glu 无Gal P1不启动 无Gal OE,O I 结合形成环，仅转 有 录20b 有Gal P2启动 S2 转录E,组成型(2)CAP-cAMP对P1 正调节，对P2 抑制 (3)阻遏物对P1，P2 都是负调控，CAP-cAMP 含量少时P2
8、 可转录(机制不清)(4)P1与RNA Pol亲和力 P2与RNA Pol亲和力二阿拉伯糖操纵子(ara O)1.结构:具有正负调节功能的操纵子2.特点：(1)AraC有双功能 a.纯C结合araO1,阻遏；b.C+Ara C ind,结合于araI，诱导，正调节(2)araC本身也受操纵调节；(3)AraC有三个结合位点(O1,O2和araI)(4)是调节子(regulon)(5)双向转录；(6)Pc和O1重叠；(7)C 自身调节 ara 操纵子的结构araI3.调节 有Glu,无CAPC本底转录，产少量有Ara AraC,结合于O1,停止转录；无Glu,有CAPAra+C Cind ara
9、I ara P BAD转录；无Ara 或用完：C过量，可结合到araO1,阻遏 araPc,还可结合到araI和araO2上，成环，阻遏转录。三.色氨酸操纵子 1.结构2.特点:(1)trpR(89)和trpABCDE(25)不连锁；(2)操纵基因在启动子内(3)有衰减子(attenuator)(4)启动子和结构基因不直接相连，二者被 前导顺序(Leader)所隔开 trp 操纵子的结构3.调节(1)Trp作为辅阻遏物(corepressor)(2)阻遏物和 RNA pol 在P,O重叠区产生竞争性抑制；(3)阻遏物的阻遏能力低，是LacR的1/千；(4)trpO调节合成代谢，存在衰减作用。第
10、三节第三节 转录的终止调控转录的终止调控一一 衰减作用衰减作用1978年 yanofsky发现前导序列前导序列（leader sequence）衰减子衰减子（attenuator）第四节第四节 RNA聚合酶转录起始聚合酶转录起始 一、一、亚基的替换亚基的替换枯草杆菌（B.subtilis）中因子用于转录起始的调节大部分因子转换的例子都发生在孢子形孢子形成成（sporulation）中 孢子形成分为三个阶段 （1）DNA复制；（2）在细胞的一端基因组被分离；（3）分离的基因组外包上一层子外壳。因子的更换用于噬菌体时序调节H43KKG F 对E的活性控制在前孢子中由早期基因产生G,G使RNA聚合酶
11、在前孢子转录晚期孢子形成基因。另一个早期孢子形成基因产物负责和母细胞中的成分联系,F激活SpoR,SpoR由前孢子分泌，然后它激活膜结合蛋白SpoGA，活化的SpoGA在母细胞中剪切失活的前体物Pro-E使其成为活化因子E。二二因子的替代可以控制起始因子的替代可以控制起始在E.coli，不同类型的启动子需要不同类型的因子热休克基因热休克基因（heat shock genes）表 16-4 E.coli因子识别不同保守序列的启动子基因分子量功能-35 序列间隔(bp)-10 序列rpoD70KD普遍TTGACA1618TATAATrpoH32KD热休克CCCTTGAA1315CCCGATNTrp
12、oE24KD热休克？rpoN54KD氮饥饿CTGGNA6TTGCAfliA28KD产生鞭毛CTAAA15GCCGATAA三、修饰核心酶、替换三、修饰核心酶、替换亚基亚基T4噬菌体的时序调节依赖本身携带的蛋白对宿主的核心酶加以修饰,改变其和亚基的结合能力,乘机将本身编码的蛋白取代原来的亚基,从而改变RNA聚合酶的识别能力。内部蛋白内部蛋白ADP-核糖转移酶核糖转移酶（ADPRT）蛋白Mot取代原来的亚基超修饰超修饰（hupermodified）四、四、RNARNA聚合酶的代换聚合酶的代换T7噬菌体的时序调控根据自身的感染特点采用了RNA聚合酶的代换来进行。第五节 DNADNA重排对转录起始的调控
13、重排对转录起始的调控沙门氏菌（S.typhimrium）的相转变相转变（phase variation）Mu噬菌体的G片断倒位 Pphase2 IRL P hin P IRR H2 Repressor IRR P hin P IRL H2 RepressorFig16-Control of alternate expression of Salmonella fragellar genes H1and H2 by an invertible DNA segment 第六节六节 翻译的调控翻译的调控一.翻译起始的调控(一)重叠核苷酸与翻译调控 色氨酸操纵子 TrpE-Thr-Phe-终止密码子
14、ACU UUC UGAUG GCU Met-Ala-TrpDTrpB-Glu-Ile-终止 GAA AUC UGAUG GAA Met-Glu-TrpA.在E.coli的gal操纵子中E.T.K三个基因，T与K以另一种形式重叠来达到协调一致：GalT-Gly-Val-终止密码子GGA GTG TAA GAA ATG AGT S-D Met-Glu-Gal K(二二)翻译水平的自我调控 3 5 5 5 3 +-+-5 35 35 35 53 53 53 3 +-+-53 35 35 5 Fig.16-Schematic model for the replication of RNA phage
15、（Q,MS2,R17,f2）RNA directed by the phage replication(三)二级结构对翻译起始的调控E.coli的RNA噬菌体MS2,R17,f2和Q都非常小（直径约为250）,是最简单的病毒。基因组长36004200nt，只含4个基因：A、cp、Rep和Lys。CP(coat protein)含129aa,MW为13.7KDa。A（atachment）编码附着蛋白（含393氨aa，MW为44KDa）；Rep（replicase）编码复制酶（含544aa，MW为61KKDa）；lys（lysis）白基因编码裂解蛋白,和cp，Rep基因重叠，该蛋白含75aa。(四
16、)反义RNA的调控1884年Mizuno,T.等发现干扰干扰mRNA的互补的互补RNA（mic-RNA,mRNA-interfering complementary RNA）antisenseRNA的作用可能有两种机制。(1)和靶核苷酸序列形成双链区，直接 阻碍其翻译的起始。(2)在靶分子的部分区域形成双链区，改变其构象，直接影响其功能。二.翻译的延伸调控翻译的延伸调控(一一)稀有密码子的调控稀有密码子的调控在25种非调控蛋白中：AUU 37%Ile AUC6 2%AUA 1%在dnaG中22个Ile codons AUU 36 Ile AUC 32 AUA 32%（二）（二）二级结构对翻译延
17、伸的调控二级结构对翻译延伸的调控 1.Off confomation(no erythromycin present)Initiation sequence of methylase gene G A G 1 2 3 4 mRNA Methylase gene coding region 2.On conformation(erythromycin present)2 3 GAG 4 Fig.Control of erythromycin methylase gene expression by a leader peptide and by alternate RNA structures
18、that determine whether ribosome can initiate translation of its gene.Ribosome translating leader to proceeds tothe end of the leader and releases the RNA,allowing the 1,2 hairpin to form;this allowsthe 3,4 hairpin to form,blocking access of aribosome to the methylase initiationsequence.Ribosome inhi
19、bited by erythromycinstalls while translating the leaderpolypeptide,thereby covering sequence1;this allows hairpin 2,3 toform,leaving the methylase initiationsequence in 4 free to bind a secandribosome.三、翻译的终止调控三、翻译的终止调控(一)严紧反应(strigent response)(1)ppGpp四磷酸鸟苷(魔斑I magic spot I)是调控一些反应的效应物，有多种功能，但主要功能是：抑制rRNA基因的启动子；抑制多数或大多数基因转录的延伸。(2)pppGpp五磷酸鸟苷(魔斑II magic spot II)空转反应空转反应（idling reaction）松驰型突变松驰型突变（relaxed(rel)mutants）应急因子应急因子（stringent factor）蛋白质的正常合成 及饥饿时的严紧反应ppGpp对rnn转录的抑制(spoT 编码一种酶，提供ppGpp主要降解途径)(二)mRNA稳定性对翻译的调控
