1、6 轉(zhuǎn)錄水平上的其他調(diào)控方式,轉(zhuǎn)錄過(guò)程涉及轉(zhuǎn)錄機(jī)器附著與DNA，識(shí)別啟動(dòng)子序列，起始RNA的合成，延伸和終止。轉(zhuǎn)錄的任何一步都受到調(diào)控。轉(zhuǎn)錄水平上以下其它調(diào)控方式： 因子的調(diào)節(jié)作用 組蛋白類似蛋白的調(diào)節(jié)作用 轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的作用 抗終止因子的調(diào)節(jié)作用,6.1 因子的調(diào)節(jié)作用,不同的因子可以獨(dú)立地起作用，但是，為了保證細(xì)胞準(zhǔn)確地響應(yīng)不同的環(huán)境信號(hào)變化，因子之間常常交互作用構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)調(diào)控模式，使得原核基因的表達(dá)穩(wěn)定而平衡。 因子本身的活性受蛋白水解酶的調(diào)控，也能被同源的抗因子失活。 抗因子能夠與特定的因子結(jié)合，阻止它們與RNA聚合酶組裝。,1. 原核生物RNA聚合酶,2 , 亞基（ factor ）的

2、功能是幫助核心酶識(shí)別啟動(dòng)子，它不是RNA鏈延伸必需的。 能提高RNA聚合酶與特異啟動(dòng)子的親和力，也能降低與非特異啟動(dòng)子的親和力。 新生RNA鏈達(dá)到6-9個(gè)核苷酸，形成穩(wěn)定的酶-DNA-RNA復(fù)合物時(shí)，因子釋放。 The factor 通過(guò)降低核心酶與非特異序列的親和力,和增加其與啟動(dòng)子的親和力來(lái)幫助核心酶識(shí)別啟動(dòng)子。 無(wú) factor 的核心酶也能在DNA模板上合成RNA，但不能正確地起始轉(zhuǎn)錄。,E.coli有不同的 factor 分別轉(zhuǎn)錄不同類型的基因。這在基因表達(dá)調(diào)控中起重要作用。,連續(xù)置換,6.1.1 噬菌體SPO1基因的表達(dá),6.1.2 枯草桿菌的孢子形成過(guò)程中的級(jí)聯(lián)調(diào)控,芽孢的形成與

3、釋放,芽孢形成過(guò)程中的因子激活級(jí)聯(lián),F激活早期芽孢形成基因的轉(zhuǎn)錄,E激活母細(xì)胞前期分化基因的轉(zhuǎn)錄,隔膜,G激活晚期芽孢形成基因的轉(zhuǎn)錄,K激活母細(xì)胞后期分化基因的轉(zhuǎn)錄,級(jí)聯(lián)保證了芽孢形成過(guò)程中各個(gè)步驟按正確的順序發(fā)生。在級(jí)聯(lián)中每一因子控制著芽孢形成的一個(gè)階段，并且控制著在下一階段發(fā)揮作用的因子合成。并且在母細(xì)胞和芽孢之間存在著信息交換，使前芽孢和母細(xì)胞中的基因表達(dá)相互協(xié)調(diào)。,抗因子與抗抗因子,6.1.3 熱激蛋白的表達(dá),大腸桿菌的最適生長(zhǎng)溫度是37。當(dāng)溫度上升至46時(shí)，大腸桿菌幾乎停止生長(zhǎng)。在46下細(xì)胞合成的蛋白質(zhì)大約30為一組相當(dāng)保守的熱激蛋白（heat shock protein, HSP）

4、。很多熱激蛋白是分子伴侶（molecular chaperones）和蛋白酶。分子伴侶的作用是介導(dǎo)蛋白質(zhì)正確折疊；蛋白酶的作用則是降解受到熱損傷而又不能修復(fù)的蛋白質(zhì)。,熱激蛋白的表達(dá)調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上。熱激蛋白基因的啟動(dòng)子被32而不是通常的70識(shí)別。32也不能識(shí)別70啟動(dòng)子，因?yàn)檫@兩種因子識(shí)別的啟動(dòng)子序列不一樣,HSP的誘導(dǎo)合成是由于細(xì)胞內(nèi)的32水平瞬間升高引起的。 在熱激條件下，32的合成會(huì)增加，熱激誘導(dǎo)32合成發(fā)生在翻譯水平。 另一方面，在熱激條件下32的穩(wěn)定性也增加了。,6.2 組蛋白類似蛋白的調(diào)節(jié)作用,細(xì)菌中存在一些組蛋白類似蛋白，能非特異地結(jié)合DNA，維持其高級(jí)結(jié)構(gòu)（例如H-N

5、S）。H-NS與大腸桿菌基因組上分散的大量基因的調(diào)控區(qū)有較高的親和性，這些基因大都與環(huán)境條件的變化有關(guān)，H-NS的結(jié)合能抑制這些基因的轉(zhuǎn)錄。,6.3 轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的作用,大腸桿菌中大約有300多個(gè)基因編碼與啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合的蛋白，它們能激活或抑制轉(zhuǎn)錄，稱為轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。 它們大多是序列特異性的DNA結(jié)合蛋白，能與特定的啟動(dòng)子結(jié)合。 有些轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子能調(diào)控很多基因的表達(dá)（如CRP, FNR, IHF, Fis），有些只能調(diào)節(jié)一兩個(gè)啟動(dòng)子。 許多基因的啟動(dòng)子區(qū)有多個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的結(jié)合位點(diǎn)，共同作用才能使RNA聚合酶順利起始基因轉(zhuǎn)錄。,6.4 抗終止作用,抗終止蛋白阻止轉(zhuǎn)錄的終止作用，因此RNA聚合酶能

6、夠越過(guò)終止子繼續(xù)轉(zhuǎn)錄DNA。 抗終止因子在RNAP到達(dá)終止子之前與之結(jié)合。 主要見(jiàn)于噬菌體和少數(shù)細(xì)菌。,噬菌體是以E.coli為宿主的溫和病毒。它一旦感染細(xì)菌就會(huì)以2種方式繁殖。 溶源途徑：噬菌體感染E.coli后，將其基因組整合到細(xì)菌染色體上，隨著細(xì)菌染色體的復(fù)制而復(fù)制。整合有噬菌體基因組的細(xì)菌稱為溶源菌，這一過(guò)程稱為溶源途徑。 溶菌途徑：噬菌體感染宿主后也可以利用細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的養(yǎng)料進(jìn)行繁殖，最終使宿主裂解而死亡，這一過(guò)程稱為溶菌途徑。溶菌途徑需要噬菌體DNA的復(fù)制和病毒外殼蛋白的形成。,噬菌體裂解周期中的級(jí)聯(lián)調(diào)控依賴于抗終止作用,噬菌體裂解周期中的級(jí)聯(lián)調(diào)控依賴于抗終止作用,溶源性細(xì)菌在正常情

7、況下非常穩(wěn)定；但在細(xì)菌受某些外界物理或化學(xué)因素(如紫外線、絲裂霉素C等)的作用，就會(huì)有效的轉(zhuǎn)向溶菌途徑。原噬菌體便脫離細(xì)菌染色體而進(jìn)行自主復(fù)制，于是細(xì)菌裂解，游離出大量的噬菌體，這一過(guò)程稱為溶源性誘導(dǎo)。 對(duì)繁殖途徑的選擇依賴于細(xì)胞對(duì)2種選擇性基因表達(dá)程序的選擇。,Bacteriophage Lambda,7. 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控,基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是生物最經(jīng)濟(jì)的調(diào)控方式。但轉(zhuǎn)錄生成mRNA以后，再在翻譯或翻譯后水平進(jìn)行“微調(diào)”，是對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的補(bǔ)充，它使基因表達(dá)的調(diào)控更加適應(yīng)生物本身的需求和外界條件的變化。調(diào)控方式有： mRNA自身結(jié)構(gòu)元件對(duì)翻譯起始的調(diào)控 mRNA穩(wěn)定性對(duì)轉(zhuǎn)錄水平的影響 調(diào)節(jié)蛋白的調(diào)控

8、作用 反義RNA的調(diào)節(jié)作用 稀有密碼子對(duì)翻譯的影響 重疊基因?qū)Ψg的影響 翻譯的阻遏 魔斑核苷酸水平對(duì)翻譯的影響,7.1 mRNA自身結(jié)構(gòu)元件對(duì)翻譯起始的調(diào)控,大腸桿菌有14%的基因起始密碼子是GUG、3%為UUG，另有兩個(gè)是AUU，這些密碼子與fMet-tRNA的配對(duì)能力弱，從而導(dǎo)致翻譯效率下降。 RBS的結(jié)合強(qiáng)度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及與AUG的距離。SD與AUG相距一般以410核苷酸為佳，9核苷酸最佳。 mRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)也是翻譯起始調(diào)控的重要因素。因?yàn)楹颂求w的30S亞基必須與mRNA結(jié)合，要求mRNA5端有一定的空間結(jié)構(gòu)。SD序列的微小變化，往往會(huì)導(dǎo)致表達(dá)效率成百上千倍的差異，這是由于核

9、苷酸的變化改變了形成mRNA 5端二級(jí)結(jié)構(gòu)的自由能，影響了30S亞基與mRNA的結(jié)合，從而造成了蛋白質(zhì)合成效率上的差異。,7.2 mRNA穩(wěn)定性對(duì)轉(zhuǎn)錄水平的影響,所有細(xì)胞都有一系列核酸酶，用來(lái)清除無(wú)用的mRNA。一個(gè)典型的mRNA半衰期為2-3min。mRNA分子被降解的可能性取決于其二級(jí)結(jié)構(gòu)。,7.3 調(diào)節(jié)蛋白的調(diào)控作用,細(xì)菌中有些mRNA結(jié)合蛋白可激活靶基因的翻譯。相反，mRNA特異性抑制蛋白則通過(guò)與核糖體競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合mRNA分子來(lái)抑制翻譯的起始。大腸桿菌中的核糖體蛋白就存在翻譯抑制現(xiàn)象。,與mRNA起始區(qū)結(jié)合抑制翻譯的阻抑蛋白,7.4 反義RNA的調(diào)節(jié)作用,RNA調(diào)節(jié)是原核基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄后調(diào)

10、節(jié)的另一種重要機(jī)制。細(xì)菌響應(yīng)環(huán)境壓力的改變，會(huì)產(chǎn)生一些非編碼小RNA分子，能與mRNA中的特定序列配對(duì)并改變其構(gòu)象，導(dǎo)致翻譯過(guò)程的開(kāi)啟或關(guān)閉等作用。,1983年Mizuno、 Simous、 Kleckner同時(shí)發(fā)現(xiàn)反義RNA（antisense RNA）。 反義RNA(antisense RNA)是與mRNA互補(bǔ)的RNA分子。,7.4.1 反義RNA的作用,反義RNA能與mRNA分子特異性地互補(bǔ)結(jié)合，從而抑制該mRNA的加工與翻譯?？烧{(diào)控原核細(xì)胞中基因表達(dá)、控制噬菌體溶菌-溶源狀態(tài)以及抑制轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)位作用等。 在真核細(xì)胞中也存在反義RNA，但功能尚未全部搞清楚。 通過(guò)人工合成反義RNA的基因

11、，并將其導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄出反義RNA，即能抑制特定基因的表達(dá)，阻斷該基因的功能，有助于了解該基因?qū)?xì)胞生長(zhǎng)和分化的作用。同時(shí)也有對(duì)腫瘤實(shí)施基因治療的可能性。,7.4.2 反義RNA的作用機(jī)制,反義RNA直接作用于其靶mRNA的SD序列和（或）編碼區(qū)，引起翻譯的直接抑制或與靶mRNA結(jié)合后引起該雙鏈RNA分子對(duì)RNase的敏感性增加，使其降解。 反義RNA與mRNA的SD序列的上游非編碼區(qū)結(jié)合，從而抑制靶mRNA的翻譯功能。其作用機(jī)制可能是反義RNA與靶mRNA的上游序列結(jié)合后阻止了核糖體的結(jié)合。 反義RNA可直接抑制靶mRNA的轉(zhuǎn)錄。反義RNA和mRNA有不完全的互補(bǔ)序列，可以形成雙鏈的RNA雜

12、交體。而在mRNA上緊隨雜交區(qū)之后的是一段U豐富區(qū)。其結(jié)構(gòu)類似于終止子結(jié)構(gòu)，從而使轉(zhuǎn)錄開(kāi)始不久后即終止。,7.4.3 人工合成構(gòu)建反義RNA,通過(guò)人工設(shè)計(jì)在天然狀態(tài)下不存在的反義RNA，可調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)。 由于對(duì)靶mRNA的SD序列上游區(qū)的結(jié)構(gòu)了解甚少，因此，很難設(shè)計(jì)用于和靶mRNA SD序列上游區(qū)結(jié)合的反義RNA。 在原核生物中針對(duì)SD序列及其附近區(qū)域的反義RNA的作用可能更有效。在真核生物中，對(duì)應(yīng)于5端非編碼區(qū)的反義RNA比針對(duì)編碼區(qū)的反義RNA更有效。也有實(shí)驗(yàn)表明針對(duì)第一內(nèi)含子的反義RNA也同樣有效。 如果在靶mRNA上找到一段連續(xù)的U序列，就可以設(shè)計(jì)出反義RNA，與該U序列上游的mR

13、NA鏈互補(bǔ)，以形成類似終止子結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)錄水平上抑制靶基因的表達(dá)。,Regulation of target RNAs by OxyS and DsrA. The left box shows a schematics of inhibition mechanisms of OxyS and the right box inhibition by DsrA.,7.6 稀有密碼子對(duì)翻譯的影響,dnaG、rpoD及rpsU屬于大腸桿菌基因組上的同一個(gè)操縱子，而這3個(gè)基因產(chǎn)物在數(shù)量上卻大不相同，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)50個(gè)拷貝的dnaG蛋白，2800個(gè)拷貝的rpoD蛋白；40000個(gè)拷貝的rpsU蛋白?；蜣D(zhuǎn)錄出

14、來(lái)的三個(gè)蛋白相應(yīng)的mRNA拷貝數(shù)大體相同，由于翻譯的調(diào)控使得蛋白的拷貝數(shù)發(fā)生了很大的變化。,細(xì)胞可通過(guò)翻譯調(diào)控不同蛋白含量的高低。即使對(duì)于同一操縱子上不同的基因，其產(chǎn)物在數(shù)量上也可大不相同。,許多調(diào)控蛋白在細(xì)胞內(nèi)含量很低，編碼這些蛋白的基因中高頻率地使用了很多稀有密碼子，稀有密碼子對(duì)應(yīng)次要（低豐度）的tRNA。因此，翻譯速度受tRNA供應(yīng)的限制，影響了蛋白質(zhì)合成的總量。 而其它基因中利用這些稀有密碼子頻率很低。,7.7 重疊基因?qū)Ψg的影響,正常情況下，trp操縱子中5個(gè)基因產(chǎn)物是等量的，但trpE突變后，其鄰近的trpD產(chǎn)量比下游trpBA產(chǎn)量要低得多。研究trpE和trpD以及trpB和t

15、rpA兩對(duì)基因中核苷酸序列與翻譯的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)trpE基因的終止密碼子和trpD基因的起始密碼子共用核苷酸。 trpE-ThrPheSTP .ACUUUCUGAUGGCU. MetAla-trpD trpB-GluIleSTP .GAAAUCUGAUGGAA. MetGlu-trpA,偶聯(lián)翻譯是保證兩個(gè)基因產(chǎn)物在數(shù)量上相等的重要手段。,glaT的終止密碼子與K的起始密碼子相隔3個(gè)核苷酸，但K基因的SD序列卻位于T基因的終止密碼子之前。當(dāng)T翻譯終止時(shí)，核糖體覆蓋了SD序列和K基因的起始密碼子，還沒(méi)有脫落就開(kāi)始了K的翻譯。,7.8 翻譯的阻遏,轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控一般都是蛋白質(zhì)或某些小分子物質(zhì)對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的

16、阻遏或激活，而在翻譯水平上也發(fā)現(xiàn)了類似的蛋白質(zhì)阻遏作用。 大腸桿菌RNA噬菌體 Q包含有3個(gè)基因，當(dāng)噬菌體感染細(xì)菌，RNA進(jìn)入細(xì)胞后，這條稱為(+)鏈的RNA可直接作為模板指導(dǎo)RNA復(fù)制酶的翻譯，并與宿主中已有的亞基結(jié)合行使復(fù)制功能。但是Q(+)RNA鏈上已結(jié)合有許多核糖體，它們從5向3方向進(jìn)行翻譯，這必將會(huì)影響復(fù)制酶催化的從35端方向進(jìn)行的 (-)RNA鏈的合成。這一矛盾的解決就需要QRNA復(fù)制酶作為翻譯阻遏物進(jìn)行調(diào)節(jié)。,基因A 外殼蛋白 RNA復(fù)制酶,翻譯,+RNA,復(fù)制受阻,阻遏翻譯起始,翻譯結(jié)束開(kāi)始復(fù)制,+RNA -RNA,噬菌體 Q,細(xì)菌在葡萄糖缺乏時(shí)可產(chǎn)生報(bào)警物質(zhì)cAMP；可保證其利用其它糖類，如lac（乳糖）操縱子、gal （半乳糖）操縱子和ara （阿拉伯糖）操縱子等。 細(xì)菌在饑餓條件下，缺乏各種氨基酸使得蛋白質(zhì)合成受阻，將采取關(guān)閉大量的代謝過(guò)程來(lái)抵御不良條件，保存自己的一種機(jī)制。 當(dāng)氨基酸缺乏時(shí)， tRNA成為空載體，就觸發(fā)ATP和GTP合成一種新化合物，稱為四磷酸鳥(niǎo)