1、第一節第一節 概述概述第二節第二節 轉錄水平的調控轉錄水平的調控第三節第三節 操縱子類型操縱子類型第第2章章 原核生物基因表達調控原核生物基因表達調控 第一節第一節 概述概述 （Introduction）、 原核生物對環境的適應，相關的應答原核生物對環境的適應，相關的應答是基因表達的結果是基因表達的結果、 基因表達的調控涉及基因表達的調控涉及RNA轉錄的開轉錄的開/關，數量，選擇性加工關，數量，選擇性加工蛋白質翻譯速率，數量，加工與蛋白質翻譯速率，數量，加工與 降解和分泌降解和分泌調控機理上調控機理上調控層次上調控層次上核酸分子間的互作核酸分子間的互作核酸與蛋白質分子間的互作核酸與蛋白質分子間

2、的互作蛋白質分子間的互作蛋白質分子間的互作轉錄水平轉錄水平后轉錄水平后轉錄水平翻譯水平翻譯水平后翻譯水平后翻譯水平、轉錄水平上的調控是最為經濟、轉錄水平上的調控是最為經濟, 靈活，又是最為重要，復雜的調控靈活，又是最為重要，復雜的調控在復雜的基因組內，確定需要基因轉錄的起始位點在復雜的基因組內，確定需要基因轉錄的起始位點精細調節基因表達的水平精細調節基因表達的水平, 以保證生物體對環境的適應以保證生物體對環境的適應保證保證RNA polymerase 的進行式轉錄（不中斷，準確終止）的進行式轉錄（不中斷，準確終止）、 生物遺傳信息的概念生物遺傳信息的概念Genome DNA10%; 結構基因的

3、編碼序列結構基因的編碼序列 triplet codon90%; 重復，間隔，調節序列重復，間隔，調節序列 基因選擇性表達指令基因選擇性表達指令 重要的遺傳信息重要的遺傳信息遺傳信息的兩大類別遺傳信息的兩大類別II類；特定類；特定DNA seq. + 特定蛋白質特定蛋白質/ 核酸結合核酸結合基因表達的指令基因表達的指令 gene on / offI類；類；DNA seq. RNA seq. (codon) aa seq. protein phenotype、 遺傳信息表達的方式遺傳信息表達的方式 組成型表達（組成型表達（constitutive expression）Housekeeping g

4、eneHousekeeping gene 誘導型表達誘導型表達 （inducible expression by signaling molecular）Luxury geneLuxury gene操縱子：啟動子、操縱基因、結構基因和終止子結構基因：編碼蛋白質或RNA的任何基因調節基因：參與其他基因表達調控的RNA 和蛋白質的編碼基因 阻遏物和激活物（調節基因編碼的調節蛋白）HTH結構正調控：調節蛋白與DNA特定位點的相互作用，啟動或增強操縱子的轉錄活性負調控誘導物：能夠結合在阻遏物或激活物上啟動操縱子的轉錄的效應物共阻遏物：能夠結合在阻遏物上關閉操縱子的轉錄活性的效應物、幾個基本概念、幾個基

5、本概念誘導物引起正調控誘導物引起正調控共阻遏物引起負調控共阻遏物引起負調控第二節轉錄水平的調控轉錄是遺傳信息由DNA轉換到RNA的過程。作為蛋白質生物合成的第一步，轉錄是mRNA以及非編碼RNA（tRNA、rRNA等）的合成步驟。、細菌的、細菌的RNA 聚合酶：聚合酶：個亞基組成，分子量為個亞基組成，分子量為480kD，2 , 2 組成核心酶，組成核心酶， 亞基主要功亞基主要功能是參與啟動子的識別和結合以及轉錄起始復合物能是參與啟動子的識別和結合以及轉錄起始復合物的異構化，體積大，橫跨的異構化，體積大，橫跨60個堿基。個堿基。、啟動子、啟動子TTGACATATAATA/G16-19bp5-9b

6、p核心酶核心酶 因子因子-35區（識別部位）區（識別部位）-10區（結合部位）轉錄起始位點區（結合部位）轉錄起始位點、上游激活序列和操縱基因、上游激活序列和操縱基因UAS Operator 與啟動子重疊與啟動子重疊激活蛋白激活蛋白RNApolRNApol阻遏物阻遏物、轉錄過程、轉錄過程識別-35區核心酶結合在-10區DNA雙鏈打開1個三磷酸核苷酸（A或G）與模板鏈結合構成RNA的5端以磷酸二酯鍵的形式與第二個核苷酸結合，形成69個核苷酸， 因子釋放形成轉錄泡 RNA-DNA雜合鏈在多種生物體細胞中發現了不同的在多種生物體細胞中發現了不同的因子因子，根據，根據其分子量來命名，例如其分子量來命名，

7、例如E.coli中有中有70 和和32，正常情況下正常情況下70 負責多種基因的轉錄；負責多種基因的轉錄；32少量少量存在，熱激條件下，存在，熱激條件下， 32含量增加，促進熱激蛋含量增加，促進熱激蛋白基因的轉錄。白基因的轉錄。分子伴侶分子伴侶：正常細胞中指導新合成的蛋白質的：正常細胞中指導新合成的蛋白質的折疊；熱激后與變性蛋白結合，指導它們重新折疊；熱激后與變性蛋白結合，指導它們重新折疊而使它們恢復生物活性。折疊而使它們恢復生物活性。、 因子與轉錄起始調控因子與轉錄起始調控、終止子：強終止子和弱終止子、終止子：強終止子和弱終止子轉錄終止點之前有7-20bp反向重復序列，產生的mRNA可以形成

8、莖環狀的發夾結構。轉錄終止位點的序列結構：轉錄終止位點的序列結構：GTCAAAAGCCTCCGGTCGGAGGCTTTTGACTCAGTTTTCGGAGGCCAGCCTCCGAAAACTGA其反向重復序列富含GC，下游常有個，轉錄后含有相對應的，是使RNA聚合酶脫離模板的信號。）不依賴因子的終止子（強終止子）強終止子）不依賴于 因子的終止子轉錄終止模型被轉錄的RNA可以在終止子處形成莖環狀的RNA-RNA發莢結構，其穩定性比RNA-DNA雜合鏈穩定性高，可以把RNA聚合酶和RNA都從DNA鏈上脫離下來，從而終止轉錄。）依賴于因子的終止子（弱終止子弱終止子） 因子有RNA結合位點和ATP結合位點

9、，以六聚體形式起作用，可以輔助轉錄終止 因子只引起沒有正在進行翻譯的RNA合成終止 因子是RNA-dependent ATPase，需要RNA存在 因子能使RNA-DNA雜合雙鏈解旋 因子結合在RNA的不被核糖體翻譯的rut位點，利用水解ATP的能量沿著RNA鏈按53方向移動； 當RNA聚合酶遇到終止子暫停轉錄時， 因子可以在終止子處追趕上RNA聚合酶，并躋身于轉錄泡的RNA-DNA雜合鏈中； 因子的RNA-DNA解旋酶活性使RNA-DNA雜合鏈解旋，使RNA聚合酶從DNA上釋放出來，轉錄終止，RNA鏈和因子也釋放出來。依賴于 因子的終止子轉錄終止模型基因表達的極性效應：基因表達的極性效應：在

10、某一條件下，同一轉錄單元里由于一個基因在某一條件下，同一轉錄單元里由于一個基因的無義突變，阻礙了下游相鄰基因表達的效應，稱的無義突變，阻礙了下游相鄰基因表達的效應，稱為基因表達的極性效應。為基因表達的極性效應。在發生無義突變時，無義突變使翻譯提前終止，在發生無義突變時，無義突變使翻譯提前終止，核糖體提前釋放，核糖體提前釋放，因子就有機會趕上因子就有機會趕上RNApol，從，從而引起轉錄的終止。而引起轉錄的終止?？菇K止作用？lacI P O lacZ lacY lacA大腸桿菌乳糖操縱子的結構模型：大腸桿菌乳糖操縱子的結構模型：半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶半乳糖苷轉乙酰酶半乳

11、糖苷轉乙酰酶阻遏物阻遏物第三節操縱子類型第三節操縱子類型operon concept 控制某一代謝途徑的相關基因控制某一代謝途徑的相關基因, 緊密連鎖地排列在一起緊密連鎖地排列在一起, 受同一操縱子控制受同一操縱子控制 各結構基因按一定比例協調翻譯各結構基因按一定比例協調翻譯 ( Z : Y : A = 5 : 2 : 1 ) 具有極性突變效應具有極性突變效應 P & O基因基因(cis)緊密連鎖緊密連鎖 或或 彼此重疊彼此重疊 I 基因基因(trans) 位點不固定位點不固定Lac operon I p o Z Y A、乳糖操縱子的負調控、乳糖操縱子的負調控 I gene activ

12、e repressorbinding on Operator38 kd / monomertetramer 152 kdO gene (operator)O gene (operator)mRNA startpoint RNA polymerase binding Repressor bindingObstruction?Obstruction?Competition?Competition?O gene (operator) O gene (operator) cis-action factorcis-action factorrepressionrepressionO gene (oper

13、ator)O gene (operator)Repressor 對重疊位點的競爭力下降對重疊位點的競爭力下降有利于有利于RNA polymerase 的結合的結合O gene (operator) O gene (operator) cis-action factorcis-action factormRNA startpointunwinding RNA polymerase binding Repressor bindingO & P overlap repressor & RNA polymerase bindat sites that overlap around th

14、e start point of Lac operonrepressor & RNA polymerase 對重疊位點競爭對重疊位點競爭-調控機理調控機理Inducer (lactose) 與與repressor 特異結合特異結合tetramer 變構變構 特異結合力下降特異結合力下降1000X作用于作用于 O 位點上的位點上的repressor 變構變構 脫離脫離O位位作用于游離的作用于游離的repressor operon onrepessor tetramer與與operator發生特異結合發生特異結合 operon off 變構變構 失去結合于失去結合于O位的能力位的能力 (a

15、) No lactose; repression. (b) Presence of lactose, derepression. Lac. Operon structureLac. Operon structure、乳糖操縱子的正調控、乳糖操縱子的正調控：cAMP controlcAMP control (universal controlling system)Lac operon open but no transcriptsGlucoseGlucoseLactoseLactoseE.coliWhy?ATPppp c AcAMPp c A 5-AMPp c AI (crp gene)(cA

16、MP reccept protein)(or catabilite gene activator protein)cAMPase (-)phosphodiesterase (+)+GlucoseGlucoseLac.Operon I P OStimulation of -galactosidase synthesis by cAMP withwild-type and mutant CAP Pastan 1970 P. N. A. S. 480-487, June 66 (2)CAP-cAMP complex is important in lac operontranscriptionCAP

17、 plus cAMP allow formation of an open promoter complexThe lac control region. just upstream of the operator, contains the activator site, or CAP binding site, on the left (yellow) and the promoterThe CAP-cAMP dimer binds to its activator site on the DNA, and the -CTD interacts with a specific site on the CAP protein This strengthens binding between polymerase and promoter., Hypothesis for CAP-cAMP activation of la