分子生物学11 原核生物的表达调控.docx

第 11 章 原核生物基因表达调控11.1 概述基因表达：基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子（少数 RNA 分子）的过程基因表达是受调控的 管家基因/组成型基因 奢侈基因• 基因表达= 基因转录+ 翻译• 围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都通称为基因表达调控• 原核基因表达调控主要是在转录水平上的调控ⅢⅢ ⅢⅢ1.ⅢRNAⅢⅢ ⅢRNAⅢⅢ2.ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ3.ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ4.ⅢⅢⅢⅢⅢUsⅢⅢⅢⅢ ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ5.ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ6.ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ ⅢⅢⅢⅢRNAⅢⅢⅢⅢⅢ ⅢⅢ1ⅢⅢⅢⅢⅢ ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ2ⅢⅢ70S( 30Ⅲ50S ) 80S(4Ⅲ60S)3mRNAⅢ5′capⅢolyⅢAⅢ Ⅲ5′ⅢⅢpolyⅢAⅢ4ⅢⅢ ⅢⅢ5ⅢⅢAUGⅢUGAUG6ⅢtRNⅢⅢⅢⅢⅢⅢ7ⅢⅢSDⅢ ⅢⅢⅢAUGⅢⅢ8ⅢⅢⅢIF Ⅲ12ⅢeIF9ⅢⅢE-Ts/u/GEF-//210ⅢⅢⅢRFⅢeR基因转录的调节• 在复杂的基因组内，确定需要基因转录的起始位点• 保证 RNA 聚合酶进行的转录（不中断，准确终止） 。

以下三项共同影响 RNA 聚合酶的活性• 1.DNA 序列• 2.调控蛋白• 3.DNA-蛋白质相互作用负调控• 无调节蛋白存在时 操纵子中的结构基因是表达的；加入调节蛋白与DNA 序列相互作用之后，基因的表达就被关闭了，这样的调控就叫做负调控• 负调控系统中的调节蛋白叫做阻遏蛋白（repressor ） • 在负调控中，反式作用的阻遏物与顺式作用的操纵子区域结合，关闭操纵子，终止基因的转录• 许多阻遏物都能以活性和无活性的状态存在 诱导物（inducor）的结合能使阻遏物失活，辅阻遏物（corepressor）的结合则能激活无活性的阻遏物，使之变为活性状态正调控• 无调节蛋白存在时基因是关闭的，加入调节蛋白后调节蛋白与 DNA 的结合能促进结构基因的表达，这样的调节方式叫做正调控• 正调节中的调节蛋白叫做激活蛋白或正调节蛋白ⅢⅢ• 操纵子处于关闭状态是指它的表达水平很低，但总还是存在本底水平的基因表达• 在正调控中，反式作用因子须与顺式作用位点结合以利于基因的转录如：起始因子与启动子结合后，有利于 RNA合成酶在启动子位置起始基因的转录顺式作用 基因活性的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）与顺式作用元件（通常在 DNA 上）相互作用而实现。

 顺式作用元件（cis-acting element）是指对基因表达有调节活性的 DNA 序列，其活性只影响与其自身同处在一个 DNA 分子上的基因；同时， DNA 序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中，如启动子、操纵子、终止子 顺式作用元件的作用属于顺式作用反式作用• 反式作用因子（trans-acting factor）是能调节与它们接触的基因的表达的各种扩散分子（ RNA 或蛋白质） ，如转录因子；其编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个 DNA 分子上• 基因的产物（RNA 或蛋白质）的作用属反式作用• 调控基因则属于反式作用元件（trans-acting element） ，其编码产生的调控蛋白为反式作用因子（trans-acting factor） 操纵子(operon)• 操纵子：是原核生物基因表达和调控的基本单位，包括结构基因和调控元件两部分• 操纵子 operon 学说：法国生物学家 1961 年提出 • 基本结构：结构基因、调控元件：调节基因、操作子（操纵基因，operator）和启动子、终止子结构基因(structural gene)• 结构基因(structural gene) ：操纵子中被调控的编码蛋白质的基因。

• 一个操纵子中含有 2 个以上的结构基因，多的可达十几个每个结构基因是一个连续的开放阅读框(ORF), 5’端有翻译起始密码， 3’端有翻译终止码• 各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群• 至少在第一个结构基因 5’侧具有 SD 序列，因而当这段含多个结构基因的 DNA 被转录成多顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并起始翻译• 操作子(操纵基因 )：凡能与调控蛋白特异性结合、从而影响基因转录强弱的序列，不论其对基因转录的作用是减弱、阻止或增强、开放，都可称为操作子效应物（effector）某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录的影响，这些特定物质可称为效应物• 其中凡能引起诱导发生的分子称为诱导物（inducer） ，它与调控蛋白的结合能促进基因的表达ⅢⅢ• 能导致阻遏发生的分子称为辅阻遏物（corepressor） ，它与调控蛋白的结合能阻遏基因的表达式诱导物• 诱导物能与处于活性状态的阻遏蛋白结合，使之失活而不能与操作子结合，于是 RNA 聚合酶就能起始转录辅阻遏物（corepressor ）• 辅阻遏物与阻遏物结合,使之变为活性形式(激活)后与操作子结合,抑制操纵子.11.2 乳糖操纵子• 当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。

大肠杆菌利用乳糖至少需要需要两个酶：促使乳糖进入细菌的乳糖透过酶(lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 β－半乳糖苷酶(β-galactosidase) ，还需要一个转乙酰酶lac 操纵子的调控 1、由调节基因表达的乳糖阻遏蛋白的可诱导的负调控 2、由 CAP-cAMP 引起的正调控1 lac 基因可诱导的负调控• 1. lac 阻遏蛋白与操作子结合• 在没有乳糖存在时，lac 操纵子处于阻遏状态• I 基因在其自身的启动子 Pi 控制下，低水平、组成型表达产生阻遏蛋白 R，每个细胞中仅维持约10 个分子的阻遏蛋白R 以四聚体形式与操纵子ｏ结合，阻碍了 RNA 聚合酶与启动子 Plac 的结合，阻止了基因的转录起动组成型表达：在一个个体的几乎所有细胞中持续表达的基因，通常被称为管家基因(housekeeping gene)管家基因的表达叫组成型表达2. 阻遏蛋白与操作子的解离• 当有乳糖存在时，细胞中很低水平的乳糖透过酶能使乳糖透过细胞膜被细胞摄取乳糖受 β－半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，别乳糖是天然的诱导物，与阻遏蛋白结合使之变构，由四聚体解聚成单体，导致其与操作子的亲和力下降 1000 倍，乳糖对 lac 操纵子的诱导作用• 一些化学合成的乳糖类似物，不受 β－半乳糖苷酶的催化分解，却也能与 R 特异性结合使 R 构象变化，诱导 lac 操纵子的开放。

• 例如异丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiog- alactoside，IPTG)：诱导剂，不被细菌代谢而十分稳定• X-gal（5-溴-4-氯-3-吲哚-β-半乳糖苷）：人工合成的半乳糖苷，可被 β－半乳糖苷酶水解产生蓝色化合物沉淀，因此可以用作 β－半乳糖苷酶活性的指示剂蓝白斑筛选• 载体含 LacZ 基因（编码 β 半乳糖苷酶） ，该酶能分解生色底物 X-gal(5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷)产生蓝色，从而使菌株变蓝当外源 DNA 插入后，LacZ 基因不能表达，菌株呈白色，以此来筛选重组细菌称之为蓝白斑筛选 • 是重组子筛选的一种方法 2 lac 操纵子由 CAP-cAMP 引起的正调控• lac 操纵子的启动子 Plac 本身并不是一个强启动子，要使其达到一个高水平的转录活性，需要一个特殊的激活蛋白—— cAMP 受体蛋白（cAMP receptor protein，CRP） ，也称作降解激活蛋白•ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢLacZⅢⅢⅢX-gal Ⅲ•ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ—ⅢⅢIPTGⅢⅢⅢLacIⅢⅢⅢ—ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢRNAⅢⅢⅢLacZⅢⅢⅢLacZⅢⅢⅢ—βⅢⅢ X-galⅢⅢⅢⅢ（catabolite activator protein）来加强转录。

• 当 CRP 未与 cAMP 结合时它是没有活性的，当 cAMP 浓度升高时，CRP 与 cAMP 结合并发生空间构象的变化而活化，称为分解代谢的激活蛋白 CAP（CRP-cAMP activated protein） ，能以二聚体的方式与特定的 DNA序列结合 CAP 结合位点（CAP binding site）• 在 lac 操纵子的启动子 Plac 上游端有一段序列与它部分重叠，这段序列能与 CAP 特异结合，称为 CAP 结合位点• CAP 与这段序列结合时，可增强 RNA 聚合酶的转录活性，使转录提高 50 倍 （因此说，这种调控方式是正调控）• 相反，当有葡萄糖可供分解利用时，cAMP浓度降低，CRP 不能被活化，lac 操纵子的结构基因表达下降因此，这是一种可诱导的正调控10.3 色氨酸操纵子（可阻遏负调控）一、trp 操纵子的结构：二、trp 操纵子的调控：1、启动子调控— —阻遏系统2、弱化子（衰减子）调控• 弱化子（衰减子）：在 trpE 与操纵基因之间有一段前导序列 L（162bp） ，它能编码出一个内含两个并联的 trp 的 14 肽，由于这两个 trp 的合成速度能控制核糖体在 mRNA 上的移动，使得前导序列的转录产物 mRNA 可形成特殊的结构，类似转录终止信号，因此编码该结构区域的序列被称为弱化子（衰减子） 。

 在 trpA 之后有两个终止信号 t 和 t´，其中 t´为  因子所识别，因此  因子也参与了调控  Trp 操纵子的调节基因（trpR）产生辅阻遏蛋白，远离 trp 操纵子色氨酸阻遏蛋白• 调控基因 TrpR 编码阻遏蛋白，它是一个由两个亚基组成的二聚体；• 阻遏蛋白本身并无活性，不能与操作子 O 结合，只有与色氨酸结合后才具有活性，能与 O 结合，因此在这里色氨酸充当的是辅阻遏物的角色；• 所以 trp 操纵子属于可阻遏的负调控的操纵子；Cycli AMP isan iducer that ctivates RP to act my opnsⅢⅢⅢⅢcAMPⅢⅢⅢⅢⅢⅢ:ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢcAMP-CRⅢⅢlacⅢⅢⅢ ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ•trpⅢⅢ5ⅢⅢⅢⅢEⅢDⅢCⅢBⅢAⅢⅢⅢ5ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢPⅢⅢ O L a• 阻遏蛋白与色氨酸结合后，色氨酸操纵子转录活性降低 70 倍二、trp 操纵子的调控 1、启动子调控— —阻遏系统： 2、弱化子（衰减子）调控： 3、启动子调控与弱化子调控的协调 ⅢⅢⅢ•trpⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ1Ⅲ2ⅢⅢ2ⅢⅢ3ⅢⅢ3ⅢⅢ4ⅢⅢⅢⅢ1Ⅲ2ⅢⅢ3Ⅲ4ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ2Ⅲ3ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢtrp有 色 氨 酸 时 ， 核糖 体 的 移 动 阻 止了 2、 3 茎 环 的形 成 ， 但 、 4茎环 形 成 ， 终 止 转录ⅢⅢⅢⅢⅢtrpⅢ2Ⅲ3ⅢⅢⅢ3Ⅲ4Ⅲ•ⅢⅢⅢRNAⅢⅢⅢⅢ, ⅢⅢ3Ⅲ4ⅢⅢⅢⅢ. ⅢⅢⅢ•ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢtrpⅢⅢⅢⅢⅢ1ⅢⅢ23 Ⅲ4 ⅢⅢⅢⅢ•ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ1ⅢⅢ2ⅢⅢⅢⅢⅢⅢ 34 4ⅢⅢⅢⅢ翻译水平的调控• 反义 RNA 的调控 • 严谨反应反义 RNA 的调控• 1884 年 Mizuno,T.等发现• 干扰 mRNA 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，直接影响其功能翻译的终止调控• (一) 严紧反应(strigent response)色氨酸操纵子的可阻遏调控EnvZ(感 受 器 ) 细 胞 膜 。