原核基因表達(dá)調(diào)控RegulationinprokaryotesChapter5OUTLINE5.1原核基因表達(dá)調(diào)控總論5.2乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控5.3色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控5.4其它操縱子(半乳糖、阿拉伯糖)5.5翻譯水平的調(diào)控一、基因表達(dá)的概念

geneexpression：基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程。對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱(chēng)為generegulation。

注意：rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過(guò)程也屬于基因表達(dá)。5.1原核基因表達(dá)調(diào)控總論(1)組成性表達(dá)(constitutiveexpression)

指在個(gè)體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)進(jìn)行的基因表達(dá)。其基因表達(dá)產(chǎn)物通常是對(duì)生命過(guò)程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。

(2)適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression)

指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類(lèi)基因表達(dá)。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(lèi)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(chēng)為管家基因(housekeepinggene)。管家基因表達(dá)水平受環(huán)境因素影響較小，而是在個(gè)體各個(gè)生長(zhǎng)階段的大多數(shù)、或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。它的表達(dá)只受啟動(dòng)序列或啟動(dòng)子與RNA聚合酶相互作用的影響，而不受其他機(jī)制調(diào)節(jié)。指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類(lèi)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(chēng)為誘導(dǎo)(induction)，這類(lèi)基因被稱(chēng)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(chēng)為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱(chēng)為可阻遏的基因(repressiblegene)。(2)適應(yīng)性表達(dá)5.1原核基因表達(dá)調(diào)控總論基因調(diào)控主要表現(xiàn)在：轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(Transcriptionalregulation)轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控(post-Transcriptionalregulation)mRNA加工成熟水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控基因調(diào)控的主要水平誘導(dǎo)作用：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來(lái)關(guān)閉的狀態(tài)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。例如：乳糖-乳糖操縱子（β-半乳糖苷酶-使乳糖水解為半乳糖和葡萄糖；β-半乳糖苷透過(guò)酶-使乳糖進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)；β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶-使半乳糖苷第六位碳原子乙?；?.1.1誘導(dǎo)和阻遏阻遏作用：一些基因平時(shí)都是開(kāi)啟的，處在蛋白質(zhì)或酶的工作過(guò)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)。例如：色氨酸－色氨酸合成酶。一般情況下細(xì)菌自身可以合成色氨酸，但加入色氨酸，細(xì)菌因?yàn)椴恍枰陨砗铣缮彼?，因此關(guān)閉該操縱子基因。5.1.1誘導(dǎo)和阻遏原核基因表達(dá)調(diào)控類(lèi)型及特點(diǎn)負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控(調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物為阻遏蛋白)正轉(zhuǎn)錄調(diào)控(調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物為激活蛋白)負(fù)控誘導(dǎo)(阻遏蛋白不與誘導(dǎo)物結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄)負(fù)控阻遏(阻遏蛋白與誘導(dǎo)物結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄)正控誘導(dǎo)(誘導(dǎo)物使激活蛋白處于活性狀態(tài))正控阻遏(誘導(dǎo)物使激活蛋白處于非活性狀態(tài))原核生物的基因調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平1.GeneExpressionisControlledbyRegulatoryProteins(調(diào)控蛋白)GeneexpressionisveryoftencontrolledbyExtracellularSignals,

whicharecommunicatedtogenesbyregulatoryproteins:Positive

regulatorsoractivators(激活蛋白)INCREASEthetranscriptionNegativeregulatorsorrepressors(阻遏蛋白)DECREASEorELIMINATEthetranscription2.GeneexpressioniscontrolledatdifferentstagesThebulkofgeneregulationtakesplaceattheinitiationoftranscription.Someinvolvetranscriptionalelongation/termination,RNAprocessing,andtranslationofthemRNAintoprotein.3.Targetingpromoterbinding:

manypromotersareregulatedbyactivatorsthathelpRNAPbindDNA(recruitment)andbyrepressorsthatblockthebinding.RNAPbindsmanypromotersweakly,activatorsthatcontaintwobindingsitestobindaDNAsequenceandRNAPsimultaneouslycanenhancetheRNAPaffinitywiththepromoters,andthusincreasesgenetranscription.Thisiscalledrecruitmentregulation(招募調(diào)控).

Onthecontrary,Repressorscanbindtotheoperatorinsideofthepromoterregion,whichpreventsRNAPbindingandthetranscriptionofthetargetgene.4.Targetingtransitiontotheopencomplex:Allosteryregulation(異構(gòu)調(diào)控)aftertheRNAPolymeraseBindingInsomecases,RNAPbindsthepromotersefficiently,butnospontaneousisomerizationoccurstoleadtotheopencomplex,resultinginnoorlowtranscription.Someactivatorscanbindtotheclosedcomplex,inducingconformationalchangeineitherRNAPorDNApromoter,whichconvertstheclosedcomplextoopencomplexandthuspromotesthetranscription.5.TargetingpromoterescapebysomerepressorsRepressorscanworkinways:blockingthepromoterbinding.blockingthetransitiontotheopencomplex.blockingpromoterescape.6.Cooperativebinding(recruitment)andallosteryhavemanyrolesingeneregulationForexample:groupofregulatorsoftenbindDNAcooperatively(activatorsand/orrepressorsinteractwitheachotherandwiththeDNA,helpingeachothertobindnearagenetheyregulated):producesensitiveswitchestorapidlyturnonageneexpression,integratesignals(somegenesareactivatedwhenmultiplesignalsarepresent).5.1.2弱化子對(duì)基因活性的影響弱化子：(色氨酸、蘇氨酸、苯丙氨酸等)當(dāng)操縱子(是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動(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。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制)被阻遏，RNA合成被終止時(shí)，起終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)作用的一段核苷酸。核糖體在基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上的不同位置，決定了RNA可以形成哪一種形式的二級(jí)結(jié)構(gòu)，并由此決定基因能否繼續(xù)轉(zhuǎn)錄。起信號(hào)作用的是有特殊負(fù)載的氨酰-tRNA的濃度。5.1.3降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)通過(guò)提高轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)基因表達(dá)：葡萄糖效應(yīng)(降解物抑制效應(yīng))：在有葡萄糖存在的情況下，即使在細(xì)菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麥芽糖等誘導(dǎo)物，與其相對(duì)應(yīng)的操縱子也不會(huì)啟動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生出代謝這些糖的酶來(lái)。葡萄糖：抑制腺苷酸環(huán)化酶，減少cAMP的合成，與其相結(jié)合的環(huán)腺苷酸受體蛋白CRP或分解代謝物蛋白CAP，找不到配體而不能形成復(fù)合物。5.1.4細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)實(shí)施應(yīng)急反應(yīng)的信號(hào)是鳥(niǎo)苷四磷酸(ppGpp)和鳥(niǎo)苷五磷酸(pppGpp)；產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物是空載tRNA。當(dāng)氨基酸饑餓時(shí)，細(xì)胞中存在大量空載tRNA，其激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成，從而關(guān)閉和打開(kāi)一些基因。1961年操縱子模型的提出

—莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)

獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)是一種負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)5.2乳糖操縱子(lactoseoperon)5.2.1酶的誘導(dǎo)如何發(fā)現(xiàn)？乳糖誘導(dǎo)lacmRNA的合成真正的誘導(dǎo)劑？IPTG(異丙基硫代半乳糖苷)TMG(巰甲基半乳糖苷)發(fā)色底物O-硝基半乳糖苷(ONPG)別乳糖和IPTG是Lac操縱子的誘導(dǎo)物操縱子(operon):阻遏基因(inhibitor,I,產(chǎn)生阻遏物repressor)、啟動(dòng)子(promoter,P)、操縱基因(operator,O)、結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)。Lac操縱子結(jié)構(gòu)Operon:

aunitofprokarytoicgeneexpressionandregulationwhichtypicallyincludes:1.

Structuralgenes

forenzymesinaspecificbiosyntheticpathwaywhoseexpressioniscoordinatelycontrolled.

2.

Controlelements,suchas

operatorsequence.

3.

Regulatorgene(s)

whoseproductsrecognizethecontrolelements.SometimesareencodedbythegeneunderthecontrolofadifferentpromoterlacYencodesacellmembraneproteincalledlactosepermease(半乳糖苷滲透酶)totransportLactoseacrossthecellwalllacZencodesforβ-galactosidase(半乳糖苷酶)forlactosehydrolysislacAencodesathiogalactosidetransacetylase(硫代半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶)togetridofthetoxicthiogalacosides三種結(jié)構(gòu)基因ThelacZ,lacY,lacAgenesaretranscribedintoasinglelacZYAmRNA(polycistronicmRNA)underthecontrolofasignalpromoterPlac

.

LacZYAtranscriptionunitcontainsan

operatorsiteOlac

positionbetweenbases-5and+21atthe3’-endofPlacBindswiththelacrepressor

TheLACoperonZ、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順?lè)醋拥膍RNA分子所編碼；該mRNA分子的P區(qū)位于I與O之間，不能單獨(dú)起始半乳糖苷酶和透過(guò)酶基因的高效表達(dá)。5.2.2操縱子模型與影響因子O區(qū)是DNA上的一小段序列(26bp)，是阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)；當(dāng)阻遏蛋白與O相結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制；誘導(dǎo)物通過(guò)與阻遏蛋白結(jié)合，改變其三維構(gòu)象，使之不能與O結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。5.2.2操縱子模型與影響因子1.lac操縱子的本底水平表達(dá)兩個(gè)矛盾：誘導(dǎo)物需要穿過(guò)細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，即需要透過(guò)酶來(lái)轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物，而透過(guò)酶的合成又需要誘導(dǎo)物進(jìn)行誘導(dǎo)。乳糖(葡萄糖-1,4-半乳糖)并不與阻遏物結(jié)合，真正的誘導(dǎo)物是乳糖的異構(gòu)體(葡萄糖-1,6-半乳糖)，而后者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖生成的，因此乳糖誘導(dǎo)β-半乳糖苷酶的合成需要有β-半乳糖苷酶的預(yù)先存在。對(duì)矛盾的解釋?zhuān)涸诜钦T導(dǎo)狀態(tài)下有少量lacmRNA合成，這種合成稱(chēng)之為本底水平的組成型合成(backgroundlevelconstitutivesynthesis)。由于阻遏物的結(jié)合并不是絕對(duì)緊密的，即使在它與操縱基因緊密結(jié)合時(shí)，也會(huì)偶爾掉下來(lái)，這時(shí)啟動(dòng)子的障礙被解除，RNA聚合酶開(kāi)始轉(zhuǎn)錄。（即:無(wú)需誘導(dǎo)物，阻遏物從操縱基因處掉下，啟動(dòng)子可以啟動(dòng)結(jié)構(gòu)基因表達(dá)）1.lac操縱子的本底水平表達(dá)2.大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)加入乳糖以后，在單個(gè)透過(guò)酶分子作用下，少量乳糖分子進(jìn)入細(xì)胞，在單個(gè)β-半乳糖苷酶作用下轉(zhuǎn)變?yōu)楫悩?gòu)乳糖。異構(gòu)乳糖與結(jié)合在O區(qū)的I相結(jié)合并使I失活而離開(kāi)O區(qū)，開(kāi)始lacmRNA的合成，最終結(jié)果導(dǎo)致乳糖大量涌入細(xì)胞。ipozyaVerylowleveloflacmRNAAbsenceoflactoseActivePresenceoflactoseipozyab-GalactosidasePermeaseTransacetylaseInactiveLackofinducer:thelacrepressorblockallbutaverylowleveloftrans-criptionoflacZYA.WhenLactoseispresent,thelowbasallevelofpermeaseallowsitsuptake,andb-galactosidasecatalyzestheconversionofsomelactosetoallolactose.Allolactose

actsasaninducer,bindingtothelacrepressorandinactivateit.Responsetolactose3.阻遏物lacI基因產(chǎn)物及其功能lac操縱子阻遏物mRNA：由弱啟動(dòng)子控制組成型合成，該阻遏蛋白有四個(gè)相同的亞基，每個(gè)亞基含有347個(gè)氨基酸殘基，并能夠與1分子IPTG結(jié)合。當(dāng)I基因由弱啟動(dòng)子突變?yōu)閺?qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來(lái)克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)lac操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)，結(jié)構(gòu)基因處在關(guān)閉狀態(tài)。Responsetoglucose，cAMP受葡萄糖濃度調(diào)節(jié)4.葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響代謝物激活蛋白CAP(cataboliteactivatorprotein)，由Crp基因編碼，能與cAMP形成復(fù)合物。凡是Crp及腺苷酸環(huán)化酶基因突變的細(xì)菌都不能合成lacmRNA，CRP-cAMP(CAP-cAMP)復(fù)合物是獨(dú)立于阻遏物的正調(diào)控因子。5.cAMP與代謝物激活蛋白CAP結(jié)合位點(diǎn)(mRNA啟動(dòng)子內(nèi)部)ZYAOPDNA調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶cAMP—CAP復(fù)合物5.cAMP與代謝物激活蛋白++++轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調(diào)控兩個(gè)區(qū)：P區(qū)(啟動(dòng)子區(qū))：一般是從I基因結(jié)束到mRNA轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)下游5~10bp。O區(qū)(阻遏物結(jié)合區(qū))：位于-7～+28bp阻遏物與O區(qū)的結(jié)合影響了RNA聚合酶與啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的效率。5.2.3lac操縱子DNA的調(diào)控區(qū)域總結(jié)一：阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)

(negativecontrolofrepressor)無(wú)乳糖(nolactose):lac操縱子處于阻遏狀態(tài)(repression)有乳糖(presenceoflactose)lac操縱子即可被誘導(dǎo)(derepression,induction)

誘導(dǎo)劑(inducer):別乳糖、半乳糖、IPTG（異丙基硫代半乳糖苷）乳糖操縱子(lacoperon)的調(diào)控方式總結(jié)二：CAP的正性調(diào)節(jié)

(PositiveControlofCAP)CAP-cAMP幫助RNA聚合酶有效的結(jié)合到lacP位點(diǎn)，加快RNA合成的起始反應(yīng)：RNA聚合酶與CAP相互足夠靠近，直接復(fù)合，以蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)接觸提供額外的能量，大大增強(qiáng)RNA聚合酶的結(jié)合能力；CAP的結(jié)合可能把位點(diǎn)周?chē)腄NA雙螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N更容易被RNA聚合酶識(shí)別的外形和構(gòu)象，增加了封閉復(fù)合物的形成或者從封閉型復(fù)合物轉(zhuǎn)向開(kāi)放型復(fù)合物的速度。CAP以二聚體形式行使功能，二聚體被單個(gè)cAMP活化，其上有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)：cAMP結(jié)合位點(diǎn)；DNA結(jié)合區(qū)(lacP內(nèi)CAP-cAMP結(jié)合位點(diǎn)序列具有對(duì)稱(chēng)性，lacP的-54~-58,-65~-69是CAP-cAMP結(jié)合位點(diǎn))?？傊篊AP-cAMP復(fù)合物與DNA的CAP位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，促進(jìn)RNA聚合酶對(duì)-35和-10序列的識(shí)別和結(jié)合，并形成開(kāi)放起始復(fù)合物，提高了轉(zhuǎn)錄效率?？偨Y(jié)二：CAP的正性調(diào)節(jié)

(PositiveControlofCAP)CAP的正性調(diào)節(jié)CAP的正性調(diào)節(jié)5.3色氨酸操縱子(tryptophanoperon)Lac操縱子負(fù)責(zé)營(yíng)養(yǎng)碳源的分解，平時(shí)關(guān)閉，只有當(dāng)需要消耗乳糖時(shí)，才通過(guò)誘導(dǎo)物使阻遏蛋白失活而開(kāi)放，是可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控基因；另外還存在CAP的正調(diào)控。Trp操縱子負(fù)責(zé)Trp的合成，平時(shí)開(kāi)放，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物使其關(guān)閉，是可阻遏的負(fù)調(diào)控；另外還存在翻譯與轉(zhuǎn)錄耦聯(lián)的衰減子調(diào)控手段。Trp操縱子與lac操縱子的不同1.StructureofthetrpoperonED-編碼鄰氨基苯甲酸合成酶(2×60KD)C-編碼吲哚甘油磷酸合成酶(45KD)BA-編碼Trp合成酶β亞基(50KD)和α亞基(29KD)La為前導(dǎo)肽和衰減子序列O為控制子(含-10區(qū))P為啟動(dòng)子R為阻遏基因1.Structureofthetrpoperon(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(kāi)

色氨酸操縱子特點(diǎn)Thetrpoperonencodesfivestructuralgenesrequiredfortryptophan(色氨酸)synthesis.Thesegenesareregulatedtoefficientlyexpressonlywhentryptophanislimiting.Twolayersofregulationareinvolved:(1)transcriptionrepressionbytheTrprepressor(initiation);(2)attenuation2.thetrpoperonTrprepressorisencodedbyaseparateoperontrpR,andspecificallyinteractswiththeoperatorthatoverlapswiththepromotersequenceTherepressorcanonlybindtotheoperatorwhenitiscomplexedwithtryptophan.Therefore,Tryisaco-repressorandinhibitsitsownsynthesisthroughend-productinhibition(negativefeed-backregulation).3.TheTrprepressorTherepressorreducestranscriptioninitiationbyaround70-fold,whichismuchsmallerthanthebindingoflacrepressor.TherepressorisadimeroftwosubunitswhichhasastructurewithacentralcoreandtwoflexibleDNA-readingheads(carboxyl-terminalofeachsubunit)3.TheTrprepressortrpoperonTheTRPoperontrp操縱子的阻遏系統(tǒng)低Trp時(shí)：阻遏物不結(jié)合操縱基因；高Trp時(shí)：阻遏物與Trp結(jié)合操縱基因色氨酸高濃度和低濃度下表達(dá)水平相差600倍，而阻遏作用僅使轉(zhuǎn)錄降低70倍。aregulationatthetranscriptionterminationstep&asecondmechanismtoconfirmthatlittletryptophanisavailable4.Attenuation(衰減作用)RepressorservesastheprimaryswitchtoregulatetheexpressionofgenesinthetrpoperonAttenuationservesasthefineswitchtodetermineifthegenesneedtobeefficientlyexpressed4.Attenuation(衰減作用)弱化子：DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過(guò)早終止的一段核甘酸序列（123-150區(qū)）研究引起終止的mRNA堿基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNA通過(guò)自我配對(duì)可以形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因E上游具有：?jiǎn)?dòng)子-操縱子基因-前導(dǎo)序列-衰減子區(qū)域mRNA5‘端162個(gè)核苷酸，其中139個(gè)構(gòu)成前導(dǎo)序列：14個(gè)氨基酸的前導(dǎo)肽4個(gè)互補(bǔ)區(qū)段1個(gè)衰減子終點(diǎn)Trp操縱子的前導(dǎo)序列TrpL前導(dǎo)序列：在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前一個(gè)長(zhǎng)162bp的mRNA片段某些區(qū)段富含GC，GC之間容易形成莖環(huán)二級(jí)結(jié)構(gòu)，接著有8個(gè)U構(gòu)成一個(gè)不依賴于ρ因子的終止信號(hào)；由(1)和(2)區(qū)序列構(gòu)成第二個(gè)發(fā)夾結(jié)構(gòu)，其中(1)區(qū)處于14個(gè)氨基酸的前導(dǎo)肽序列中；(2)和(3)區(qū)互補(bǔ)，可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)