第8章Prok基因表達(dá)的調(diào)控第一節(jié)相關(guān)概念及操縱元調(diào)控花式概述第二節(jié)乳糖操縱元（LacOperon）第三節(jié)TrpOperon及弱化作用機(jī)理第四節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的時序調(diào)控第五節(jié)Prok.翻譯水平的調(diào)控第六節(jié)DNA序列重排對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控第一節(jié)相關(guān)概念及

操縱元概述代謝調(diào)控過程是自身生存和繁衍所必須Prok.和Euk.都有各自準(zhǔn)確調(diào)節(jié)基因表達(dá)的機(jī)制基因表達(dá)(geneexpression):基因表達(dá)調(diào)控(generegulationorgenecontrol):任何影響基因轉(zhuǎn)錄過程和翻譯過程的開啟、關(guān)閉和這兩個過程速率的較為直接的因素及其作用涉及：RNA轉(zhuǎn)錄的開/關(guān)，數(shù)量，選擇性加工蛋白質(zhì)翻譯速率，數(shù)量，加工與降解和分泌…Prok.和Euk.的調(diào)控極其相似調(diào)控機(jī)制：核酸分子間的互作核酸與蛋白質(zhì)分子間的互作蛋白分子間的互作調(diào)控層次：DNA水平的調(diào)控

轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控

轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控（mRNA加工成熟水平上的調(diào)控）翻譯水平上的調(diào)控翻譯后水平的調(diào)控共同的起源與共同的分子基礎(chǔ)●

轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控是最為經(jīng)濟(jì),靈活，又是最為重要，復(fù)雜的調(diào)控a、在復(fù)雜的基因組內(nèi)，確定需要基因轉(zhuǎn)錄的起始位點(diǎn)b、精細(xì)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的水平,以保證生物體對環(huán)境的適應(yīng)c、cisfactor&transfactor間嚴(yán)格而又靈活的互作d、保證RNApolymerase的進(jìn)行式轉(zhuǎn)錄（不中斷，準(zhǔn)確終止）●

生物遺傳信息的概念GenomeDNA10%;結(jié)構(gòu)基因的編碼序列tripletcodon90%;重復(fù)，間隔，調(diào)節(jié)序列…基因選擇性表達(dá)指令重要的遺傳信息遺傳信息的兩大類別II類；特定DNAseq.+特定蛋白質(zhì)/核酸結(jié)合基因表達(dá)的指令geneon/offI類；DNAseq.RNAseq.(codon)aaseq.protein表型(centraldogma)

內(nèi)在信息內(nèi),外(信號分子)結(jié)合信息

ORFonlyHelix,Nt

seq….遺傳信息存在于模版鏈三維空間結(jié)構(gòu)/DNA序列的一級結(jié)構(gòu)上(IR,Box,paracodon…)三聯(lián)體密碼空間，調(diào)控密碼(鑰匙與鎖)簡并簡并搖擺同工受體cis1trans2cis2trans1cis1trans3cis3I類II類

表達(dá)specificalbindingaabaseDNARNAprotein●遺傳信息表達(dá)的方式（Euk.）組成型表達(dá)（constitutiveexpression）Housekeepinggene誘導(dǎo)型表達(dá)（inducibleexpressionbysignalingmolecular）Luxurygene順、反因子間互作方式的基因表達(dá)調(diào)控?順式作用元件（cis-actingelement）:對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，只影響與其同處一個DNA分子或物理上相連的DNA上的基因?反式作用因子（trans-actingfactor）:與順式作用元件相互作用影響基因表達(dá)的蛋白因子，其編碼基因與其識別或結(jié)合的靶核苷酸序列不一定在同一個DNA分子上●操縱元(Operon):Prok.中,基因表達(dá)調(diào)控的一個完整單元,包括結(jié)構(gòu)基因和控制區(qū)(O、P)以及調(diào)節(jié)基因的整個核苷酸序列?操縱元中各結(jié)構(gòu)基因按一定比例協(xié)調(diào)翻譯?具有極性突變效應(yīng)：操縱元中一個近基因的無義突變能夠影響遠(yuǎn)基因表達(dá)，且根據(jù)距離遠(yuǎn)近呈極性梯度效應(yīng)?P、O緊密連鎖或彼此重疊，I基因位點(diǎn)不固定（順式作用元件、反式作用因子）●正調(diào)控系統(tǒng):沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時，結(jié)構(gòu)基因是關(guān)閉的，而加入有活性的調(diào)節(jié)蛋白后,結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)活性被開啟無輔基誘導(dǎo)物或激活物●負(fù)控制系統(tǒng):沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時，結(jié)構(gòu)基因是開啟的，加入這種有活性的調(diào)節(jié)蛋白后，結(jié)構(gòu)基因表達(dá)活性被關(guān)閉阻遏蛋白●所謂“關(guān)閉”指表達(dá)水平很低本底水平的基因表達(dá)(1～2個mRNA分子／細(xì)胞周期)“開啟”也常有程度的差異●操縱元的調(diào)控體系負(fù)調(diào)控系統(tǒng)正調(diào)控系統(tǒng)誘導(dǎo)阻遏●基因表達(dá)調(diào)控的分子機(jī)制1、調(diào)控蛋白質(zhì)的對稱性與其識別序列的對稱性調(diào)控蛋白都是同種分子的多聚體－－二聚體、四聚體

二倍旋轉(zhuǎn)對稱通過單體和多聚體間的平衡迅速作用于特異識別位點(diǎn)之間提高調(diào)控作用的特異性（反向重復(fù)序列）inmajorgroove特異和非特異結(jié)合力2、調(diào)控蛋白的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域的主要花式主要有：α螺旋-轉(zhuǎn)角-α螺旋（HTH）Cys-Cys鋅指Cys-His鋅指調(diào)控蛋白上存在與DNA和其它蛋白質(zhì)相互作用的位點(diǎn)

★α螺旋-轉(zhuǎn)角-α螺旋*兩個α螺旋被一個β轉(zhuǎn)角隔開*一個螺旋起識別結(jié)合DNA的作用3個—helix,H1與H2平行H2與H3形成HTHmotifH3位于大溝中，與DNA特異結(jié)合CⅠ蛋白N端有五個螺旋,螺旋2和3與DNA相互作用C端負(fù)責(zé)二聚體形成N端負(fù)責(zé)與DNA接觸★鋅指結(jié)構(gòu)概念:與DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)中一小組保守AA與一個Zn2+結(jié)合起來形成蛋白質(zhì)中一個相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域按結(jié)合的AA不同有兩種類型a、Cys-His(C2/H2)鋅指經(jīng)典的鋅指蛋白中部芳香族氨基酸保守，加上Zn＋＋和Cys和His之間的配位結(jié)構(gòu)形成疏水核經(jīng)典的鋅指蛋白、類固醇受體（激素）不同鋅指蛋白中鋅指數(shù)目多少不等鋅指可以串聯(lián)重復(fù)排列，兩指間7-8aaTFⅢA有9個鋅指、通用轉(zhuǎn)錄因子SP1有三個經(jīng)典鋅指的三維結(jié)構(gòu)：一個β－折疊和一個α－螺旋鋅指上的α－螺旋負(fù)責(zé)與DNA作用b、Cys-Cys(C2/C2)鋅指類固醇受體Zn＋＋與4個Cys殘基形成配位鍵CysCys糖皮質(zhì)激素受體ZYJ272

3、調(diào)控蛋白與蛋白質(zhì)結(jié)合的方式（1）HLH結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：長40～50個AA殘基中含有兩個既親水有親酯的α螺旋,被不同長度的連接區(qū)隔開(環(huán))此類蛋白借助兩個螺旋對應(yīng)面上疏水基團(tuán)的相互作用形成二聚體(同種或不同種亞基)鑒定的較清楚的蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用的結(jié)構(gòu)基元有螺旋-環(huán)-螺旋（HLH）Leu拉鏈HLH基元附近有個高度堿性的區(qū)段為結(jié)合DAN所必須bHLH（2）Leu拉鏈蛋白上含有4或5個精確的相距7個AA的Leu殘基概念：調(diào)控蛋白上富含亮氨酸殘基的結(jié)構(gòu)域參與形成二聚體Leu出現(xiàn)在α-螺旋疏水的一側(cè)，并直線排列于是，兩個蛋白分子的兩個α－螺旋之間依賴Leu殘基之間的疏水作用形成一條拉鏈Leu拉鏈區(qū)的氨基端約30個殘基的堿性區(qū)與DNA結(jié)合Leu拉鏈作用形成Y型結(jié)構(gòu)，拉鏈為莖、堿性區(qū)分叉對稱成臂－－拉鏈蛋白的目標(biāo)DNA為沒有間隔的反向重復(fù)第二節(jié)乳糖操縱元一、乳糖操縱元1961Jacob&Monod（法國）1、結(jié)構(gòu):2、調(diào)節(jié)基因I產(chǎn)物為阻遏蛋白,四聚體為活性形式轉(zhuǎn)錄方式為組成型轉(zhuǎn)錄LacI的表達(dá)效率很低,原因—其啟動子與RNApol的親和性很低阻遏蛋白有兩個結(jié)合位點(diǎn):

操作子位點(diǎn)、

誘導(dǎo)物位點(diǎn)二、LacOperon的負(fù)調(diào)控1、細(xì)胞內(nèi)無誘導(dǎo)物時,呈阻遏狀態(tài)阻遏蛋白和操作子的結(jié)合,影響了RNApol在-10序列上形成開放型的啟動子復(fù)合物2、細(xì)胞內(nèi)有誘導(dǎo)物時,呈誘導(dǎo)狀態(tài)誘導(dǎo)物與阻遏蛋白迅速結(jié)合而改變其構(gòu)象→→→從O上解離→→→RNApol3、誘導(dǎo)物?異乳糖(allolactose)乳糖進(jìn)入細(xì)胞后，由β-半乳糖苷酶催化產(chǎn)生?β-半乳糖苷酶來源于乳糖操縱元的本底組成型合成RNApol利用LacO處于游離狀態(tài)的瞬間進(jìn)行轉(zhuǎn)錄(阻遏蛋白與LacO有10min～20min的結(jié)合半衰期)一個mRNA／細(xì)胞周期?安慰誘導(dǎo)物（義務(wù)誘導(dǎo)物）可誘導(dǎo)半乳糖苷酶產(chǎn)生但不是其底物*IPTG，異丙基-β-D硫代半乳糖苷*TMG，巰甲基半乳糖苷*ONPG，O-硝基半乳糖苷4、阻遏蛋白與操作子的相互作用（硝酸纖維素膜結(jié)合試驗(yàn)）

IPTGLacOCIR序列以+11為對稱軸兩邊為兩段各6bp的重復(fù)序列＋11+5到+17之間大部分在左側(cè)－5＋21操作子的結(jié)構(gòu)LacRepressor=tetramer三、LacOpreon的正調(diào)控－－CAP-cAMP復(fù)合物cAMPCAP蛋白cAMPLowglucose=highcAMP總結(jié)lacoperontranscription-controlregion正控制：CAPprotein負(fù)控制：repressor第三節(jié)TrpOperon及弱化作用機(jī)理一、結(jié)構(gòu)

?結(jié)構(gòu)基因?末端---終止子trpt’(依賴ρ)、trpt(不依賴ρ)鄰氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶Trp合成酶?相距很遠(yuǎn)的trpR編碼阻遏蛋白其活性形式為四聚體,并且只有結(jié)合trp時才有活性?控制區(qū)域:P、O和前導(dǎo)區(qū)及弱化子?trpO與trpE之間的162bp的前導(dǎo)區(qū)可轉(zhuǎn)錄到mRNA中?trpO的結(jié)構(gòu)*位于trpP內(nèi)，20bp,有完美的IR序列*trpP有正常的－35和－10區(qū)，－10區(qū)完全在trpO內(nèi)二、阻遏調(diào)控機(jī)制無trp時有trp時無活性※弱化作用控制-----基因轉(zhuǎn)錄的翻譯調(diào)控通過核糖體對前導(dǎo)區(qū)的翻譯而對轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)控弱化子（attenuator):TrpOperon中trpE前的一段非結(jié)構(gòu)基因的對應(yīng)序列（123－150），其中包括不依賴ρ因子的終止子，由于翻譯的作用使轉(zhuǎn)錄終止，這段序列稱為…(衰減子)發(fā)現(xiàn)－－－缺失增加結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，且與阻遏蛋白無關(guān)弱化子調(diào)控的表現(xiàn)：（與阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控結(jié)果類似）*無trp時，所有RNApol都能通過弱化子*有trp時，部分逃過阻遏蛋白監(jiān)督的RNApol在弱化子處大部分被扣留，而只有10％能通過1、TrpOperonmRNA的前導(dǎo)序列結(jié)構(gòu)?下游---14aa的前導(dǎo)肽的ORF，其中兩個相連的trp的codonUGG(60位)對弱化作用的實(shí)現(xiàn)起重要作用?下游長28bp的不依賴ρ因子的終止子為弱化子的核心部分?前面有核糖體結(jié)合位點(diǎn)（S－D序列）2、前導(dǎo)序列的二級結(jié)構(gòu)決定RNApol在弱化子處是終止轉(zhuǎn)錄還是繼續(xù)轉(zhuǎn)錄1和2、3和4配對★序列1和2、3和4配對時，RNApol在3、4區(qū)的不依賴ρ因子的終止子處終止,其后的trpE等基因表達(dá)受到限制（翻譯作用不存在時或順利進(jìn)行）2和3配對★序列2和3配對時，RNApol繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，使前導(dǎo)序列后的結(jié)構(gòu)基因得以轉(zhuǎn)錄3、弱化子弱化控制的機(jī)制

Prok.無核膜，轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)（1）細(xì)胞缺少trp，Trp-tRNATrp水平低，核糖體停頓在兩個鄰近的Trp密碼子處，此時核糖體占據(jù)序列1，此時序列4還沒轉(zhuǎn)錄出來，序列2和3有機(jī)會配對，RNApol可通過弱化子(3)此外,Arg饑餓時有相同的后果(2)當(dāng)細(xì)胞有Trp時,Trp-tRNATrp水平很高,核糖體順利地翻譯出前導(dǎo)肽而在終止密碼子處(+70,UGA位于序列1和2之間)解離,此時,核糖體占據(jù)了序列1和部分序列2,使序列2不能有效地和序列3配對,因而序列3和4產(chǎn)生終止子發(fā)夾結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)錄終止?實(shí)現(xiàn)弱化子對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控關(guān)鍵是時間和空間上的巧妙安排空間上：兩個Trp的codon位置至關(guān)重要時間上：核糖體停頓在兩個Trpcodon上時，序列4還沒轉(zhuǎn)錄出來，否則……這種巧妙安排的一個原因就是RNApol在轉(zhuǎn)錄完+90序列處時產(chǎn)生一次延宕給與核糖體以追趕的機(jī)會5、Prok.中弱化子（衰減子）的普遍性許多負(fù)責(zé)氨基酸合成的operon都受弱化子的控制，尤其是Hisoperon中，弱化子是唯一的調(diào)控機(jī)制第四節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的時序調(diào)控時序調(diào)控:Prok.在生長發(fā)育的各個階段，基因的表達(dá)是按照一定的時間順序而展開的如:噬菌體的復(fù)制和顆粒的包裝*有效利用能源避免浪費(fèi)*避免了某些基因表達(dá)時機(jī)不當(dāng)所帶來的危害是多種蛋白質(zhì)與RNApol作用的結(jié)果一、枯草桿菌中σ亞基的替換1、枯草桿菌中phageSPO1早、中、晚期基因表達(dá)的轉(zhuǎn)換早期基因---寄主的RNApol全酶σ55早期基因28編碼的gp28取代σ55含有g(shù)p28的全酶轉(zhuǎn)錄中期基因中期基因33、34編碼的gp33、gp34取代gp28以gp33－gp34為σ亞基的全酶轉(zhuǎn)錄晚期基因2、枯草桿菌孢子形成過程中σ亞基的替換二、λphage裂解性生長和溶源狀態(tài)的調(diào)控λphage進(jìn)入寄主體內(nèi)后環(huán)化其中—?裂解周期--環(huán)形分子大部分基因表達(dá)?溶源狀態(tài)--以線性分子形式整合到寄主的染色體上,使大部分基因不表達(dá)λPhage的操縱元組織情況(一)λphage裂解生長過程中的基因表達(dá)進(jìn)入寄主cell的λphage的DNA上沒有任何調(diào)節(jié)蛋白，因此寄主的RNApol便結(jié)合于PL和PR1、抗終止蛋白PN和調(diào)節(jié)蛋白Cro首先被轉(zhuǎn)錄2、PN蛋白的作用導(dǎo)致PL和PR控制的遲早期基因的表達(dá)表達(dá)產(chǎn)物CⅢ蛋白、CⅡ蛋白、O蛋白、P蛋白、Q蛋白3、PQ蛋白的作用導(dǎo)致PR’控制的晚期基因的表達(dá)表達(dá)產(chǎn)物頭尾蛋白、溶菌酶蛋白（二）溶源途徑巧妙的調(diào)控，小區(qū)段表達(dá)，整合到寄主染色體上*此外，CⅡ促進(jìn)Pint啟動子轉(zhuǎn)錄，使intgene表達(dá)產(chǎn)生整合酶1、溶源化的建立－－PE啟動子的轉(zhuǎn)錄*CⅢ、CⅡ蛋白共同確立PE處CⅠ的轉(zhuǎn)錄（左向）PE(EstablismentPromoter)*CⅠ阻遏與裂解生長有關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，其中轉(zhuǎn)錄出的CⅠmRNA含有S-D序列，因此有很高的翻譯活性Pint啟動子N蛋白和Cro蛋白被轉(zhuǎn)錄N蛋白抗終止CⅢ、CⅡ蛋白被轉(zhuǎn)錄CⅡ作用于PE(PRE)轉(zhuǎn)錄CⅠ左向轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白結(jié)合于OROLCⅠ導(dǎo)致自身從PRM處轉(zhuǎn)錄?CⅢ、CⅡ蛋白是CⅠ合成的正調(diào)控因子，作用于PE處，CⅡ是關(guān)鍵?Cro蛋白間接抑制CⅢ、CⅡ的轉(zhuǎn)錄，直接阻止CⅠ的轉(zhuǎn)錄2、溶源化的維持—PM啟動子的轉(zhuǎn)錄?已產(chǎn)生的整合酶使λ整合并實(shí)現(xiàn)溶源化（attp、attB）?溶源化的維持需要低水平的CⅠ轉(zhuǎn)錄，保持自身阻遏循環(huán)，這個功能由PM完成?CⅠ蛋白對PM正調(diào)控，但PM起始轉(zhuǎn)錄的CⅠ沒有S-D序列，因此翻譯效率很低，但足以維持溶源狀態(tài)?溶源狀態(tài)的維持通過CⅠ蛋白結(jié)合于OL、OR上而實(shí)現(xiàn)溶源周期3、CⅡ、CⅢ蛋白對CⅠ和Cro的影響CⅠ和Cro是λphage的兩種調(diào)節(jié)蛋白，其中Cro能關(guān)閉CⅠ的表達(dá)溶源化狀態(tài)的進(jìn)入與否靠二者結(jié)合操作子的情況決定，數(shù)量是誰占上風(fēng)的關(guān)鍵二者與操作子的親和次序?yàn)镃Ⅰ蛋白OL1?OL2?OL3OR1?OR2?OR3Cro蛋白OL3?OL2?OL1OR3?OR2?OR1OL1?OL2?OL3OR1?OR2?OR3結(jié)合的結(jié)果阻止PL和PR的轉(zhuǎn)錄CⅡ、CⅢ蛋白是CⅠ和Cro蛋白誰占上風(fēng)的關(guān)鍵因?yàn)椋贑Ⅱ、CⅢ的幫助下CⅠ表達(dá)而Cro蛋白遠(yuǎn)早于CⅠ蛋白的表達(dá)OL1和OR1分別與PL和PR重疊即---CⅠ阻遏二啟動子的能力強(qiáng)★正常情況下，寄主的hfl基因產(chǎn)物大量存在導(dǎo)致Cro占上風(fēng)因?yàn)閔fl編碼一種蛋白酶水解CⅡ

?此時Cro蛋白對左右兩個早期操作子親和力的差異，使兩個操縱元初期表達(dá)一段時間才關(guān)閉

?因此產(chǎn)生足夠的O、P蛋白（復(fù)制有關(guān)）和PQ，從而使菌4、導(dǎo)致溶源化的因素（1）營養(yǎng)耗竭：寄主能源瀕臨枯竭時，導(dǎo)致cAMP產(chǎn)生等一系列生理變化

*cAMP對hfl基因負(fù)調(diào)控，使分解CⅡ蛋白的酶大大減少，CⅡ又能抑制該酶，因而CⅡ、CⅢ→CⅠ

體走向裂解（2）MOI值過高（≧10）：MOI指感染時λ噬菌體與細(xì)菌的比例，稱感染復(fù)數(shù)

*CⅡ蛋白其作用的形式是寡聚體形式，單體不穩(wěn)定無活性

*一兩個噬菌體感染寄主時，產(chǎn)生的CⅡ不足以形成寡聚體

*MOI值過