原核基因表達調控6課件

1、原核基因表達調控6原核基因表達調控6一、原核基因表達調控分類在正轉錄調控系統(tǒng)中，調節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白(activator)。根據(jù)其作用特征又可分為正控誘導系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)。 在負轉錄調控系統(tǒng)中，調節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白(repressor)。也可分為負控誘導系統(tǒng)和負控阻遏系統(tǒng)二大類。阻遏蛋白激活蛋白轉錄激活負控誘導正控誘導轉錄抑制負控阻遏正控阻遏一、原核基因表達調控分類在正轉錄調控系統(tǒng)中，調節(jié)基因的產(chǎn)物是二、原核基因表達調控主要特點這種表達的調節(jié)主要是通過體內(nèi)DNA區(qū)段與相應蛋白及其他因子相互作用來實現(xiàn)的原核生物通過特殊代謝物調節(jié)的基因活性主要分為可誘導和可阻遏兩大類:1.可誘導調節(jié)。是

2、指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關閉的狀態(tài)轉變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質的誘導下使基因活化。這類基因中最突出的例子是大腸桿菌的乳糖操縱子（分解代謝相關基因）。2.可阻遏調節(jié)。這類基因平時都是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關閉，阻遏了基因的表達。比如大腸桿菌中的色氨酸操縱子（合成代謝相關基因）。二、原核基因表達調控主要特點這種表達的調節(jié)主要是通過體內(nèi)DN三、與基因表達調控相關的名詞1.看家基因（Housekeeping genes）: 呈組成型表達 ,使細胞復制和生長所必需的基本過程能夠正常進行。2.誘導性基因（Inducible g

3、enes）: 在誘導因子或細胞因子的誘導下才活化表達的基因。三、與基因表達調控相關的名詞1.看家基因（Housekeep3. 順式作用元件和反式作用因子 Cis-acting element：是指具有調節(jié)功能的特定DNA序列或影響自身基因表達活性的DNA序列，在基因的同一條DNA分子上；如啟動子。 Trans-acting factor （轉錄因子TF）：由調節(jié)基因編碼，調節(jié)基因是一種特殊的結構基因，其編碼產(chǎn)物（RNA或蛋白質）可以擴散，控制其他基因的表達。 基因表達的調節(jié)控制基本上是反式作用因子與順式作用元件的相互作用。反式作用因子只識別DNA上非常短的一段序列（順式元件）。Cis-elem

4、entTrans-acting factorRegulator RNA polymarase3. 順式作用元件和反式作用因子 基因表達的調節(jié)反式作用因子（轉錄因子）含有兩種不同的結構域：a、DNA結合結構域（domaim ） （1）、螺旋-反轉-螺旋（Helix-turn-helix） （2）、鋅指（Znic finger） （3）、Basic domains (Helix-loop-helix, and leucine zipper). 基域通常以二聚體形式結合于 DNA上. b、轉錄激活結構域（功能域） （1）、酸性激活域 （2）、谷酰胺豐富域 （3）、脯氨酸豐富域阻遏域（represso

5、r domain）：專一性的直接阻遏的結構域反式作用因子（轉錄因子）含有兩種不同的結構域：b、轉錄激活結三種DNA結合結構域模式： 三種DNA結合結構域模式： Zinc-finger蛋白結構特征Zinc-finger蛋白結構特征Zinc-finger蛋白結構特征Zinc-finger蛋白HLH結構特征HLH的結構特征HLH結構特征HLH的結構特征Leucine-zipper的結構特征Lwucine-zipper結構特征Leucine-zipper的結構特征Lwucine-zip轉錄激活結構域主要有如下三個特征： （1）、酸性激活域 （2）、谷酰胺豐富域 （3）、脯氨酸豐富域阻遏域（repres

6、sor domain） 是專一性的直接阻遏的結構域，也是一種功能結構域。轉錄激活結構域主要有如下三個特征：4.操縱子（Operon）: 是原核生物基因表達和調控的基本單元，一個典型的操縱子包括: 1. 結構基因：是指參與特異性生物合成途徑酶的基因，這些基因共同被調控。 2. 控制元件：如操縱基因 3. 調節(jié)基因：其產(chǎn)物識別控制元件可以是另一個操縱子所編碼的基因原核生物的基因往往成套的誘導表達4.操縱子（Operon）: 是原核生物基因表達和調控的基本一、 The Lac Operon （乳糖操縱子）二、 The Trp Operon （色氨酸操縱子）三、 其他操縱子調節(jié)第二節(jié) 操縱子調控一、

7、The Lac Operon （乳糖操縱子）二、 Th一、乳糖操縱子 (The lactose Operon， Lac) 乳糖作為碳源起作用所需要的酶只有在乳糖作為唯一碳源時才能合成。E. coli 能夠利用乳糖作為碳源.一、乳糖操縱子 乳糖作為碳源起作用所需要的酶只有在乳糖作為唯iOperonRegulatory GenepozyaDNAm-RNA-GalactosidasePermeaseTransacetylaseProtein一個乳糖操縱子由三個結構基因組成lacZControl elements編碼 -半乳糖苷酶, 用于裂解乳糖產(chǎn)生半乳糖和葡萄糖-5+21repressorlacY編

8、碼半乳糖苷透過酶用于乳糖透過細胞壁lacA 編碼硫代半乳糖苷轉乙酰酶，用于乳糖代謝iOperonRegulatory GenepozyaDNAlac 操縱子Lac repressor 阻遏物轉錄阻滯 誘導劑活化 Plac 轉錄CRP + cAMP (glucose repressed) 高水平轉錄(Lactose)lac 操縱子Lac repressor 阻遏物轉錄阻滯 誘Lac repressorLac 阻遏物由 LacI編碼, 其活化形式是由相同的亞單位構成的四聚體. 其占據(jù)操縱子結合位點 （Olac , 28bp) ，在缺乏誘導物（如乳糖）的情況下，幾乎阻止整個lacZYA的轉錄Plac

9、-5+21Lac repressorLac 阻遏物由 LacI編碼, RNA 聚合酶和阻遏物能夠同時結合到 lac 啟動子和操縱基因（ operator）上， lac 阻遏物增加了RNA聚合酶對 lac 的結合能力，約為2倍以上。這樣RNA聚合酶緊密結合 Plac ，但由于有阻遏物的結合并不引起轉錄的進行。 RNA 聚合酶和阻遏物能夠同時結合到 lac 啟動子和操縱ipozyaNo lac mRNAAbsence of lactoseActiveipozya-GalactosidasePermeaseTransacetylasePresence of lactoseInactive誘導物缺乏時

10、 : 阻遏物阻止lac轉錄，但此時有 lacZYA 的低水平轉錄.當乳糖存在時 , 基礎轉錄水平的透過酶（ permease） 允許乳糖被吸收 , 而且-半乳糖苷酶催化乳糖分解成半乳糖.異乳糖（Allolactose）作為誘導物, 結合到 lac 阻遏物上并使其滅活. ipozyaNo lac mRNAAbsence of laAllolactose (異乳糖) 能引起阻遏物四聚體形成中發(fā)生變化 ，降低其對乳糖操縱基因的親和性，從而使四聚體從lac 操縱基因上被移除，并使聚合酶迅速開始 lacZYA的轉錄.Allolactose (異乳糖) 能引起阻遏物四聚體形成中Lactose/allola

11、ctose （乳糖/異乳糖）是Lac 發(fā)生轉錄釋放RNA的一個天然誘導劑。IPTG (isopropyl-D-thiogalacto-pyranoside異丙基硫代半乳糖苷), 是一個合成的誘導劑, 能迅速刺激 lac 操縱子結構基因的轉錄. IPTG 被用于許多含有l(wèi)ac啟動子的載體中誘導克隆基因的表達, 如 pUC18.Lactose/allolactose （乳糖/異乳糖）是LBack AmproripUC18(3 kb)MCS (Multiple cloning sites,多克隆位點） Gene XLac promoterlacZNo IPTG, little protein XWi

12、th IPTG, a lot of protein XBack AmproripUC18MCS (Multiple誘導: cAMP receptor protein (CRP)（cAMP acceptor protein or catabolite activator protein, CAP）The Plac 不是強啟動子Plac 不含有 35 序列和 10 保守序列.cAMP receptor protein (CRP) 能增強轉錄水平. 只有在與 cAMP 結合時才有活性, 而 cAMP 又受 glucose的控制。誘導: cAMP receptor protein (CR 當葡萄糖存在

13、時細胞中 cAMP的水平很低, 而且 CAP 以二聚體的形式存在，因此不能結合 DNA 以調節(jié)轉錄. 當葡萄糖缺乏時 cAMP 水平升高， CAP 結合 cAMP. CAP-cAMP 復合物結合到Plac 與 RNA 聚合酶結合位點的上游. 誘導 DNA 發(fā)生90的彎曲，增強了 RNA 聚合酶結合啟動子的能力 ，使轉錄增強50倍. 當葡萄糖存在時細胞中 cAMP的水平很低, 而且 CAP 原核基因表達調控6Back CABSummaryA: RNA polymeraseB: lac repressor C: CAP-cAMPBack CABSummaryA: RNA polymera二、 Tr

14、p 操縱子色氨酸操縱子編碼用于色氨酸合成中的5個結構基因，這5個結構基因構成在Ptrp 和 Otrp下游的一個單一轉錄單元.當細胞內(nèi)色氨酸缺乏時，這些基因同時進行表達。ABC二、 Trp 操縱子色氨酸操縱子編碼用于色氨酸合成中的5個結162162trp 阻遏物（repressor) 由一個獨立的 trpR編碼, 特異性作用于 Otrp, 一個 18 bp的回文序列, 覆蓋在 Ptrp 序列的 21 到 +3區(qū)域阻遏物與Trp形成復合物時只結合在 Otrp 。因此, Trp 是一個附阻遏物 ，通過抑制末端產(chǎn)物的合成而抑制其自身的合成。 (大約下調70 倍)阻遏物是由兩個亞單位構成的二聚體。整個結

15、構包括一個中心區(qū)和兩個DNA閱讀區(qū) (carboxyl-terminal of each subunit 每個亞單位的羧基末端)trp 阻遏物（repressor) 由一個獨立的 trpR原核基因表達調控6The attenuator 弱化子 (10 x down)1. 位于162 nt的轉錄前導序列末端，在trpE 起始密碼之前. 2. 缺失時, 無論是基礎水平還是在活化狀態(tài)的轉錄均增強. 3.弱化子是一個 因子非依賴性終止位點 (富含GC回文結構), 后接8個連續(xù)的 U殘基. 4. 當在RNA轉錄中形成發(fā)夾結構時，弱化子作為一個高效的轉錄終止子只產(chǎn)生140bp的轉錄物。The attenu

16、ator 弱化子 (10 x down)1前導 RNA 的結構 Complementary 3:4 termination of transcription Complementary 2:3 Elongation of transcription 前導序列包括4個有互補序列的區(qū)域(sequence 1,2,3,4) ，可形成不同的結構。前導 RNA 的結構 Complementary 3:4 14個氨基酸 （由前導RNA 中第27-68 bp的堿基編碼）第十和第十一密碼 編碼trp殘基(rare AA) 有一個有效的核糖體結合位點 前導肽決定所獲得的色氨酸的多少并調節(jié)著轉錄的終止在低 trp

17、條件下核糖體暫停在此處 14個氨基酸 （由前導RNA 中第27-68 bp的堿基編碼弱化作用(Attenuation):依賴于轉錄和翻譯的高度配合RNA 聚合酶暫停在序列 2的末端，直到一個核糖體開始翻譯前導肽 。High trp (弱化作用) Lack of trp (前進通過整個轉錄 ) trp 操縱子的轉錄弱化作用(Attenuation):RNA 聚合酶暫停在序列High trp Trp 被插入 trp 密碼部位翻譯前導鏈的末端 核糖體封閉序列 23:4處轉錄發(fā)生終止Figure High trp Trp 被插入 trp 密碼部位翻譯前導鏈Lack of trp 氨酰 tRNA缺乏 核

18、糖體暫停在trp密碼處 , 封閉著序列 1形成 2:3 發(fā)夾(anti-terminator )轉錄物進入 trpE 并越過此處 Figure Lack of trp 氨酰 tRNA缺乏 核糖體暫停在tLow TrpHigh TrpLow TrpHigh Trp弱化作用的調節(jié)在氨基酸合成中是普遍的 (6 operons), 例如 His 操縱子有一個前導序列，其編碼含有7個連續(xù)的組氨酸的多肽. (His 操縱子不含有阻遏物-操縱基因調節(jié)).弱化作用的調節(jié)在氨基酸合成中是普遍的 (6 operons三、其他操縱子1. 半乳糖操縱子（galactose operon）其調節(jié)基因galR遠離操縱基因

19、（O）和編碼基因（ETK）；galR-和galOc突變體中，ETK永久表達；誘導物為半乳糖。gal操縱子還有兩個特點：有兩個啟動子，mRNA可從兩個不同的起始點轉錄；有兩個O區(qū)，一個在P區(qū)上游-73-67，另一個在結構基因galE內(nèi)部。三、其他操縱子1. 半乳糖操縱子（galactose opeRNA聚合酶識別兩個起始位點S1和S2，cAMP-CRP復合物對S1和S2起始有不同作用，抑制從S2部位轉錄，促進從S1轉錄。體內(nèi)有葡萄糖時，不能形成cAMP-CRP復合物，則S2部位轉錄，產(chǎn)生本底水平表達合成半乳糖差向異構酶（galE的產(chǎn)物），促使尿苷二磷酸（UDP）-葡萄糖轉變成UDP-半乳糖（大腸

20、桿菌細胞壁合成前體），供細菌生理所需。當體內(nèi)有半乳糖（無葡萄糖）時， cAMP-CRP復合物抑制從S2部位轉錄，促進從S1轉錄。產(chǎn)生大量的相關酶，以利用半乳糖合成葡萄糖-1-磷酸供機體利用。Gal操縱子的雙啟動子功能，既保證了細胞壁合成所需的本底表達，又可在半乳糖存在時，利用其做碳源，充分體現(xiàn)了其經(jīng)濟型。RNA聚合酶識別兩個起始位點S1和S2，cAMP-CRP復合2、阿拉伯糖（arabinose）操縱子結構基因：araB基因編碼核酮糖激酶，araA編碼L-阿拉伯糖異構酶，araD編碼L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構酶。它們是一個基因簇，簡寫為araBAD。 araE和araF負責將阿拉伯糖運

21、入細胞內(nèi)，它們位于遠離這個基因簇的地方，分別編碼一個膜蛋白和一個位于細胞壁與細胞膜之間的阿拉伯糖結合蛋白。調節(jié)基因：araC基因編碼AraC蛋白；調控元件：PC：araC基因的啟動子；PBAD：結構基因的啟動子；cAMP-CRP結合位點；3個AraC蛋白結合位點：araI、araO1和araO2。2、阿拉伯糖（arabinose）操縱子結構基因：araB基原核基因表達調控6ara-operon操縱子如何調節(jié)ara-operon操縱子如何調節(jié)3.阻遏蛋白LexA的降解與細菌中的SOS應答當細菌DNA遭到破壞時，細胞內(nèi)會啟動一個被稱為SOS的誘導型DNA修復系統(tǒng)。參與SOS DNA修復系統(tǒng)的基因都

22、受LexA阻遏蛋白的抑制，SOS體系的誘導表達過程中LexA阻遏蛋白被移開。3.阻遏蛋白LexA的降解與細菌中的SOS應答當細菌DNA遭 一般情況下，約有1000個RecA蛋白單體分散在每個細胞中。當DNA嚴重受損時，單鏈DNA缺口數(shù)量增加，RecA與這些缺口處單鏈DNA相結合，被激活成為蛋白酶，將LexA蛋白切割成沒有阻遏和操縱區(qū)DNA結合活性的兩個片段，導致SOS體系（包括recA基因）高效表達，DNA得到修復。 一般情況下，約有1000個RecA蛋白單體分散在每個4. 二組分調控系統(tǒng)和信號轉導最簡單的細胞信號系統(tǒng)稱為二組分系統(tǒng)（two-component systems），由二種不同的蛋

23、白質組成：即位于細胞質膜上的傳感蛋白（sensor protein）及位于細胞質中的應答調節(jié)蛋白（response regulator protein）。傳感激酶常在與膜外環(huán)境的信號反應過程中被磷酸化，再將其磷?；鶊F轉移到應答調節(jié)蛋白上，磷酸化的應答調節(jié)蛋白即成為阻遏或誘導蛋白，通過對操縱子的阻遏或激活作用調控下游基因表達。4. 二組分調控系統(tǒng)和信號轉導最簡單的細胞信號系統(tǒng)稱為二組分5. 多啟動子調控的操縱子（1）rRNA操縱子 大腸桿菌rRNA操縱子（rrnE）上有兩個啟 動子P1和P2。在對數(shù)生長期，P1起始的轉錄產(chǎn)物比P2起始的產(chǎn)物多35倍。當細菌處于緊急狀態(tài)，細胞中ppGpp濃度增加，

24、P1的作用被抑制。因為rRNA是細胞中蛋白質合成機器核糖體的重要組成部分，不能完全停止供應，由P2起始rrnE基因轉錄。5. 多啟動子調控的操縱子（1）rRNA操縱子6.固氮基因調控地球上僅有幾類用原核生物能夠直接利用氮氣，包括根瘤菌屬的固氮菌（1）根瘤的產(chǎn)生：根瘤菌屬的小種在根毛部位通過細菌細胞壁與植物血凝素相互作用來專一性結合特定的植物（2）固氮酶：固氮作用的發(fā)揮是通過固氮酶來進行的。6.固氮基因調控地球上僅有幾類用原核生物能夠直接利用氮氣，包（3）與固氮有關的基因及其調控。nifAL基因座控制固氮酶系統(tǒng)基因的表達和活性。nifA基因產(chǎn)物（蛋白）起激活或增強固氮酶活性。nifL蛋白則為除其

25、自身（nifAL）操縱子外的負調控因子。ntrA、ntrB及ntrC共同調控nifA基因活性ntrA基因產(chǎn)物在ntrC基因產(chǎn)物的幫助下激活nif基因，ntrC活性又受NH3影響，NH3濃度高時ntrC幾乎無活性細胞中NH3濃度較高時，ntrB產(chǎn)物+GlnBntrC產(chǎn)物去磷酸化nifAL不轉錄細胞中NH3濃度較低時， GlnB被尿苷化并與 ntrB產(chǎn)物脫離ntrC產(chǎn)物磷酸化激活nifAL轉錄（3）與固氮有關的基因及其調控。c. 豆血紅蛋白（leghemoglobin，Lb）及根瘤素基因的調控植物基因組中由根瘤菌誘導表達的20余種蛋白統(tǒng)稱為根瘤素。第一類 根瘤結構蛋白第二類 氮素同化及轉移酶系統(tǒng)第

26、三類 菌體功能維持蛋白，如Lb。固氮酶只能在幾十納摩爾O2下發(fā)揮活性，而細胞中O2卻有數(shù)百微摩爾。Lb對自由的O2高度結合，從而降低了自由O2的濃度，又可將分子氧直接輸送到呼吸鏈。c. 豆血紅蛋白（leghemoglobin，Lb）及根瘤素（2）核糖體蛋白S1操縱子 核糖體蛋白S1操縱子（rpsA）也受應急反應調節(jié)。rpsA有4個啟動子，P1、P2是強啟動子，平時主要依靠它們來啟動基因的表達，合成S1蛋白。P3、P4是弱啟動子，只有在緊急情況下，P1、P2啟動子受ppGpp的抑制，由P3、P4起始合成的S1蛋白維持了生命的最低需要。（3）DnaQ蛋白操縱子 DnaQ蛋白是DNA聚合酶全酶的亞基

27、，這一操縱子受RNA聚合酶活性的調節(jié)。在細胞中RNA聚合酶活性較低時，操縱子的轉錄由弱啟動子P2控制；而RNA聚合酶活性較高時，就開始利用強啟動子P1。也就是說，在細胞生命活動比較緩慢時，DnaQ蛋白的合成靠弱啟動子P2來維持。當細胞增殖速度加快，RNA聚合酶活性升高時，P1就被激活。（2）核糖體蛋白S1操縱子第三節(jié) 轉錄水平上的其他調控一、選擇性因子的轉錄調節(jié) 因子作為一個雙功能蛋白，識別特異性啟動子，與核心酶（ 2）結合，其釋放是轉錄延伸的標志。第三節(jié) 轉錄水平上的其他調控一、選擇性因子的轉錄調節(jié) 因Promoter recognition不同的因子 結合到同一 RNA 聚合酶上 此復合物

28、則具有識別不同的啟動子的能力70 因子是大腸桿菌在正常的生長條件下最普遍的一個因子Promoter recognition不同的因子 結合到許多細菌能產(chǎn)生不同類型的 factors 以滿足在正常情況下和非正常條件下轉錄調節(jié)所需E. coli: 熱休克Sporulation in Bacillus subtilis（枯草桿菌的出芽調節(jié)）噬菌體 factors許多細菌能產(chǎn)生不同類型的 factors 以滿足在正常情況Heat shock 當環(huán)境溫度超過 37C時，在E. coli中大約可有17種蛋白發(fā)生特異性表達.這些蛋白通過 RNA聚合酶利用一個選擇性的 因子由rhoH 基因編碼的32來轉錄而得

29、到表達. 32 有其自身的特異性啟動子序列.Heat shock 當環(huán)境溫度超過 37C時，在E. c熱休克蛋白32 和標準 70 所對應啟動子的比較 Consensus promoter 35 sequence 10 sequence Standard 70Heat shock 32 -TTGACA-1618bp-TATAATT-C-C-CTTGAA-1315bp-CCCCAT-T熱休克蛋白32 和標準 70 所對應啟動子的比較 CHeat shock 暫時性表達 17 種熱休克蛋白溫度進一步增加 (至50C) 在 E. coli 中只生產(chǎn)熱休克蛋白以維持其生存從37C 到 42C Back

30、 Heat shock 暫時性表達 17 種熱休克蛋白溫度進一枯草桿菌 (Bacillus subtilis ）芽孢的形成在非最佳環(huán)境條件下，枯草桿菌通過一個基本的細胞分化過程（包括細胞分割成母細胞和前芽孢）形成芽孢 。芽孢的形成過程包括 細菌細胞不對稱的分割成兩部分, 前孢子（最終形成芽孢）和母細胞（最終被丟棄）.枯草桿菌 (Bacillus subtilis ）芽孢的形成原核基因表達調控6 植物性的 B. subtilis 細胞含有不同套的 因子 芽孢的形成是通過另一套 因子調節(jié)形成的在細胞分割發(fā)生前不同的 因子被特異性活化, 在前芽孢和母細胞中交叉調節(jié)轉錄. 這種組分分區(qū)的交叉調節(jié)使得前

31、芽孢和母細胞在整個分化過程中緊密的協(xié)作。 植物性的 B. subtilis 細胞含有不同套的 因噬菌體 因子許多噬菌體合成其自身的 因子以應對于替代宿主細胞自身的轉錄機器 （通過替代正常細胞的因子和改變RNA 聚合酶識別啟動子的特異性），從而合成噬菌體自身的基因.B. subtilis SPO1 噬菌體表達一系列 因子，從而調節(jié)不同的噬菌體基因表達特定的序列.噬菌體 因子許多噬菌體合成其自身的 因子以應對于替代正常的細菌全酶 表達早期基因 編碼用于后期基因轉錄的factor編碼28 表達中期基因 (基因34 和33 ) 正常的細菌全酶 表達早期基因 編碼用于后期基因轉錄的fac二、其他因子的調

32、節(jié)作用組蛋白類似蛋白的調節(jié)作用 細菌中的一些非特異性DNA結合蛋白，可以抑制某些基因的轉錄。H-NS蛋白轉錄調控因子的作用 能夠與基因啟動子結合，對基因轉錄起激活或抑制作用的DNA結合蛋白，有300多個抗終止因子的調節(jié)作用 與RNA聚合酶結合，使其對終止信號不敏感。大腸桿菌的Nus蛋白。二、其他因子的調節(jié)作用組蛋白類似蛋白的調節(jié)作用第四節(jié) 轉錄后的調控基因表達的轉錄調控是生物最經(jīng)濟的調控方式。但轉錄生成mRNA以后，會在翻譯或翻譯后水平進行“微調”，是對轉錄調控的補充，它使基因表達的調控更加適應生物本身的需求和外界條件的變化。調控方式有：mRNA自身結構元件對翻譯起始的調控mRNA穩(wěn)定性對轉錄

33、水平的影響調節(jié)蛋白的調控作用反義RNA的調節(jié)作用稀有密碼子對翻譯的影響重疊基因對翻譯的影響翻譯的阻遏魔斑核苷酸水平對翻譯的影響第四節(jié) 轉錄后的調控基因表達的轉錄調控是生物最經(jīng)濟的調控方式1. 翻譯起始的調控遺傳信息的翻譯起始于mRNA上的核糖體結合位點（RBS）起始密子AUG上游的一段非翻譯區(qū)。在RBS中有SD序列，與核糖體16S rRNA的3端互補配對，促使核糖體與mRNA相結合。RBS的結合強度取決于SD序列的結構及與AUG的距離。SD與AUG相距一般以410核苷酸為佳，9核苷酸最佳。SD序列的微小變化，往往會導致表達效率成百上千倍的差異，這是由于核苷酸的變化改變了形成mRNA 5端二級結

34、構的自由能，影響了30S亞基與mRNA的結合，從而造成了蛋白質合成效率上的差異。1. 翻譯起始的調控2.mRNA穩(wěn)定性對轉錄水平的影響所有細胞都有一系列核酸酶，用來清除無用的mRNA。一個典型的mRNA半衰期為2-3min。mRNA分子被降解的可能性取決于其二級結構。3. 調節(jié)蛋白的調控作用細菌中有些mRNA結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與核糖體競爭性結合mRNA分子來抑制翻譯的起始。大腸桿菌中的核糖體蛋白就存在翻譯抑制現(xiàn)象。2.mRNA穩(wěn)定性對轉錄水平的影響堿基序列正好與有意義的mRNA互補的RNA稱為反義RNA。RNA調節(jié)是原核基因表達轉錄后調節(jié)的另一種重要

35、機制。細菌相應環(huán)境壓力的改變，會產(chǎn)生一些非編碼小RNA分子，能與mRNA中的特定序列配對并改變其構象，導致翻譯過程的開啟或關閉等作用。4. 反義RNA的調節(jié)作用堿基序列正好與有意義的mRNA互補的RNA稱為反義RNA。45. 稀有密碼子對翻譯的影響dnaG、rpoD及rpsU屬于大腸桿菌基因組上的同一個操縱子，而這3個基因產(chǎn)物在數(shù)量上卻大不相同，每個細胞內(nèi)50個拷貝的dnaG蛋白，2800個拷貝的rpoD蛋白；40000個拷貝的rpsU蛋白。基因轉錄出來的三個蛋白相應的mRNA拷貝數(shù)大體相同，由于翻譯的調控使得蛋白的拷貝數(shù)發(fā)生了很大的變化。研究dnaG序列發(fā)現(xiàn)其中含有不少稀有密碼子。分別計算大

36、腸桿菌中25種結構蛋白和dnaC、rpoD序列中64種密碼子的利用頻率，可以看出dnaG與其他兩類有明顯不同。5. 稀有密碼子對翻譯的影響很明顯，稀有密碼子AUA在高效表達的結構蛋白及因子中均極少使用，而在表達要求較低的dnaG蛋白中使用頻率就相當高。許多與dnaG一樣含量少的蛋白，由于細胞內(nèi)對應于稀有密碼子的tRNA較少，高頻率使用這些密碼子的基因翻譯過程容易受阻，影響了蛋白質合成的總量。很明顯，稀有密碼子AUA在高效表達的結構蛋白及因子中均極少6. 重疊基因對翻譯的影響正常情況下，trp操縱子中5個基因產(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t

37、rpE和trpD以及trpB和trpA兩對基因中核苷酸序列與翻譯的關系，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蘇氨酸苯丙氨酸終止 ACUUUC-UGAuggcu AUGGCU 甲硫氨酸丙氨酸 trpD6. 重疊基因對翻譯的影響由于trpE的終止密碼子與trpD的起始密碼重疊，trpE翻譯終止時核糖體立即處在起始環(huán)境中，這種重疊的密碼保證了同一核糖體對兩個連續(xù)基因進行翻譯的機制。trpB和trpA基因也存在著翻譯耦聯(lián)現(xiàn)象。實驗證明，耦聯(lián)翻譯可能是保證兩個基因產(chǎn)物在數(shù)量上相等的重要手段。大腸桿菌gal操縱子中也存在基因重疊現(xiàn)象。由于trpE的終止密碼子與trpD

38、的起始密碼重疊，trpE翻7. 翻譯的阻遏：某些噬菌體8. 魔斑核苷酸水平對翻譯的影響鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp）是在色譜上檢出的斑點，當時稱魔斑（magic spot）。7. 翻譯的阻遏：某些噬菌體科學上，把培養(yǎng)基中營養(yǎng)缺乏，蛋白質合成停止后，RNA合成也趨于停止這種現(xiàn)象稱為嚴緊控制（rel+）；反之則稱為松散控制（rel-）。研究發(fā)現(xiàn)，在氨基酸缺乏時，rel+菌株能合成鳥苷四磷酸（ppGpp）和五磷酸（pppGpp），而rel-菌則不能。ppGpp的主要作用是影響RNA聚合酶與啟動子結合的專一性。當細胞缺乏氨基酸時產(chǎn)生ppGpp，可在很大范圍內(nèi)做出應急反應，如抑制核

39、糖體和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操縱子的轉錄表達，抑制與氨基酸運轉無關的轉運系統(tǒng)，活化蛋白水解酶等。科學上，把培養(yǎng)基中營養(yǎng)缺乏，蛋白質合成停止后，RNA合成也趨 復習題一、選擇題：1、關于管家基因敘述錯誤的是 (A) 在生物個體的幾乎各生長階段持續(xù)表達 (B) 在生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達 (C) 在生物個體全生命過程的幾乎所有細胞中表達 (D) 在生物個體的某一生長階段持續(xù)表達 (E) 在一個物種的幾乎所有個體中持續(xù)表達2、一個操縱子通常含有 (A) 數(shù)個啟動序列和一個編碼基因 (B) 一個啟動序列和數(shù)個編碼基因 (C) 一個啟動序列和一個編碼基因 (D) 兩個啟動序列和數(shù)個編碼

40、基因 (E) 數(shù)個啟動序列和數(shù)個編碼基因 復習題一、選擇題：3、下列情況不屬于基因表達階段特異性的是，一個基因在 (A) 分化的骨骼肌細胞表達，在未分化的心肌細胞不表達 (B) 胚胎發(fā)育過程不表達，出生后表達 (C) 胚胎發(fā)育過程表達，在出生后不表達 (D) 分化的骨骼肌細胞表達，在未分化的骨骼肌細胞不表達 (E) 分化的骨骼肌細胞不表達，在未分化的骨骼肌細胞表達 4、乳糖操縱子的直接誘導劑是 (A) 葡萄糖 (B) 乳糖 (C) 一半乳糖苷酶 (D) 透過酶(E)異構乳糖3、下列情況不屬于基因表達階段特異性的是，一個基因在 (A5、Lac阻遏蛋白結合乳糖操縱子的 (A) CAP結合位點 (B

41、) O序列 (C) P序列 (D) Z基因 (E) I基因6、cAMP與CAP結合、CAP介導正性調節(jié)發(fā)生在 (A) 葡萄糖及cAMP濃度極高時 (B) 沒有葡萄糖及cAMP較低時 (C) 沒有葡萄糖及cAMP較高時 (D) 有葡萄糖及cAMP較低時 (E) 有葡萄糖及CAMP較高時5、Lac阻遏蛋白結合乳糖操縱子的 (A) CAP結合位點7、Lac阻遏蛋白由 (A) Z基因編碼 (B) Y基因編碼 (C) A基因編碼 (D) I基因編碼 (E) 以上都不是8、色氨酸操縱子調節(jié)過程涉及 (A) 轉錄水平調節(jié) (B) 轉錄延長調節(jié) (C) 轉錄激活調節(jié) (D) 翻譯水平調節(jié) (E) 轉錄翻譯調節(jié)

42、7、Lac阻遏蛋白由 (A) Z基因編碼 (B) Y基因9、與O序列結合（ ），與P序列結合（ ），與CRP結合（ ），與CRP位點結合（ ）。 (A) Lac阻遏蛋白 (B) RNA聚合酶 (C) 環(huán)一磷酸腺苷 (D) CAP-cAMP (E) 異構乳糖10、乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物質在基因表達調控中作用的共同特點是A與啟動子結合B與DNA結合影響模板活性C與RNA聚合酶結合影響其活性D與蛋白質結合影響該蛋白質結合DNA E與操縱基因結合ABCD9、與O序列結合（ ），與P序列結合（ ），與CRP結合（ 11、DNA損傷修復的SOS系統(tǒng) A是一種保真性很高的復制過程 BLexA蛋白是

43、一系列操縱子的阻遏物 CRecA蛋白是一系列操縱子的阻遏物 D它只能修復嘧啶二聚體12關于“基因表達”的概念敘述錯誤的是A其過程總是經(jīng)歷基因轉錄及翻譯的過程 B某些基因表達經(jīng)歷基因轉錄及翻譯等過程C某些基因表達產(chǎn)物是蛋白質分子D某些基因表達產(chǎn)物不是蛋白質分子E某些基因表達產(chǎn)物是RNA分子11、DNA損傷修復的SOS系統(tǒng)13當培養(yǎng)基內(nèi)色氨酸濃度較大時，色氨酸操縱子處于A誘導表達 B阻遏表達 C基本表達 D組成表達 E協(xié)調表達 14色氨酸操縱子的調控作用是受兩種相互獨立的系統(tǒng)控制的，其中一個需要前導肽的翻譯。下面哪一種調控這個系統(tǒng)？（） A色氨酸 B色氨酰tRNATrp CtRNA DcAMP E

44、以上都不是15為什么葡萄糖可參與乳糖操縱子的代謝阻遏？（）A與乳糖操縱子的調控毫無關聯(lián)B乳糖分解生成葡萄糖，因此葡萄糖的存在可成為細胞內(nèi)具有正常乳糖水平的信號 C因為葡萄糖也是半乳糖苷酶的底物D葡萄糖的存在增加了細胞內(nèi)乳糖阻抑物的含量13當培養(yǎng)基內(nèi)色氨酸濃度較大時，色氨酸操縱子處于A誘導16在大腸桿菌的熱激反應中，某些蛋白質表達的開啟和關閉的機制是（）。A溫度升高使特定阻抑蛋白失活B編碼熱敏感蛋白的基因的啟動子區(qū)域在較高溫度下發(fā)生變性C在高溫時成新的因子，調節(jié)熱激基因的表達 D高溫時，已存在的聚合酶因子與啟動子的結合能力增強 17在色氨酸操縱子中，衰減作用通過前導序列中兩個色氨酸密碼子的識別而進行，如果這兩個密碼子突變?yōu)榻K止密碼子，會有什么結果？（）A該操縱子將失去對色氨酸衰減調節(jié)的應答功能B突變?yōu)榻M成型基因，不受色氨酸存在與否的調節(jié)C將合成色氨酸合成酶 D