原核基因表達的調(diào)控

原核基因表達的調(diào)控第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四IntroductionTranscriptionofteniscontrolledatthestageofinitiation.Transcriptionisnotusuallycontrolledatelongation,butmaybecontrolledatterminationtopreventtranscriptionfromproceedingpastaterminatortothegene(s)beyond.

Ineukaryoticcells,processingoftheRNAproductmayberegulatedatthestagesofmodification,splicing,transport,orstability.

Inbacteria,anmRNAisinprincipleavailablefortranslationassoonasitissynthesized,andthesestagesofcontrolarenotavailable.

Translationmayberegulated,usuallyatthestagesofinitiationandtermination(liketranscription).Regulationofinitiationisformallyanalogoustotheregulationoftranscription:thecircuitrycanbedrawninsimilartermsforregulatinginitiationoftranscriptiononDNAorinitiationoftranslationonRNA.第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Stagesofregulation:Activationofgenestructure

↓

Initiationoftranscription↓Processingthetranscript↓Transporttocytoplasm

↓TranslationofmRNA第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控一、操縱子模型

由法國科學(xué)家Jacob和Monod于1960年提出的一個有關(guān)原核基因表達調(diào)控的模型。獲得1965年諾貝爾生理學(xué)獎。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965."fortheirdiscoveriesconcerninggeneticcontrolofenzyme"Jacob,Perrin,Sanchez,andMonodproposedtheoperonconceptofgeneregulationinbacteria.JacobandMonodlaterproposedthataproteinrepressorblocksRNAtranscriptionofaspecificsetofgenes,termedthelacoperon,unlessaninducer,lactose,bindstotherepressor,thusalteringitsconformationandpreventingtherepressorfrombindingtotheoperonsite.第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四（一）基本概念

順式作用元件（cis-actingelement）：DNA元件是指DNA上的一段序列，它只能作用于同一條DNA，故稱為順式作用元件。

結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）：編碼細胞必需的蛋白，如酶和結(jié)構(gòu)蛋白的基因，叫結(jié)構(gòu)基因。

調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）：編碼的產(chǎn)物能夠調(diào)節(jié)其他基因的表達，這樣的基因叫調(diào)節(jié)基因。

調(diào)節(jié)蛋白（regulatoryprotein）：調(diào)節(jié)基因的表達產(chǎn)物，叫調(diào)節(jié)蛋白。由于調(diào)節(jié)蛋白能夠自由地與其相應(yīng)的結(jié)合位點結(jié)合，故又稱為反式作用因子（trans-actingelement）。包括正調(diào)節(jié)蛋白（又叫激活蛋白actitivator）；負調(diào)節(jié)蛋白，又叫阻遏蛋白(repressor)。第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四

可誘導(dǎo)基因（induciblegene）：當培養(yǎng)基中加入誘導(dǎo)物時，可以誘導(dǎo)相應(yīng)基因的表達，這些基因就叫可誘導(dǎo)基因。

組成型基因（constitutivegene）：為了維持細菌或細胞的基本生命需要，總是在不斷表達的基因，叫組成型基因。

組成蛋白（constitutiveproteins）：在細胞內(nèi)有許多蛋白質(zhì)，其數(shù)量幾乎不受外界環(huán)境的影響。這些蛋白質(zhì)稱為組成蛋白質(zhì)。組成蛋白質(zhì)合成的速度是遺傳上規(guī)定的，由于（1）啟動子的天然效率，靠它以制造mRNA；（2）核糖體閱讀信使的速度；（3）其信使被核酸酶降解的敏感性。

正調(diào)控（positivecontrol）：在操縱子中，結(jié)構(gòu)基因本來不表達，可當加入調(diào)節(jié)蛋白時，使該結(jié)構(gòu)基因進行表達。這樣的調(diào)控叫正調(diào)控。

負調(diào)控（negativecontrol）：在操縱子中，結(jié)構(gòu)基因本來是表達的，當加入調(diào)節(jié)蛋白時，使該結(jié)構(gòu)基因不表達。這樣的調(diào)控叫負調(diào)控。第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四（二）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)Figure10.4Thelacoperonoccupies~6000bpofDNA.AttheleftthelacI

genehasitsownpromoterandterminator.TheendofthelacIregionisadjacenttothepromoter,P.Theoperator,O,occupiesthefirst26bpofthelonglacZ

gene,followedbythelacYandlacAgenesandaterminator.第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四lacZ

codesfortheenzymeβ-galactosidase,whoseactiveformisatetramerof~500kDa.Theenzymebreaksaβ-galactosideintoitscomponentsugars.Forexample,lactoseiscleavedintoglucoseandgalactose.

lacY

codesfortheβ-galactosidepermease,a30kDamembrane-boundproteinconstituentofthetransportsystem.Thistransportsβ-galactosidesintothecell.

lacA

codesforβ-galactosidetransacetylase,anenzymethattransfersanacetylgroupfromacetyl-CoAtoβ-galactosides.第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四（三）乳糖操縱子學(xué)說（LacOperonTheory）

一個或幾個結(jié)構(gòu)基因與一個調(diào)節(jié)基因和一個操縱基因組成一個操縱子。調(diào)節(jié)基因編碼調(diào)節(jié)蛋白，調(diào)節(jié)蛋白與操縱基因結(jié)合，從而調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的表達。乳糖為誘導(dǎo)物。當有乳糖存在時，乳糖與有活性的調(diào)節(jié)蛋白（阻遏物）結(jié)合時，阻遏物失活，則不能與操縱基因結(jié)合，解除對β-半乳糖苷酶基因（結(jié)構(gòu)基因）的抑制，開始表達。如果去掉乳糖時，阻遏物又恢復(fù)其活力，與操縱基因DNA結(jié)合，將β-半乳糖苷酶基因關(guān)閉。但這種關(guān)閉或開啟并不是100%。第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.7Repressormaintainsthelacoperonintheinactiveconditionbybindingtotheoperator;additionofinducerreleasestherepressor,andtherebyallowsRNApolymerasetoinitiatetranscription.第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四（四）調(diào)控類型

正調(diào)控（positivecontrol）：

在操縱子中，結(jié)構(gòu)基因本來不表達，可當加入調(diào)節(jié)蛋白（無輔基誘導(dǎo)蛋白）時，使該結(jié)構(gòu)基因進行表達。這樣的調(diào)控叫正調(diào)控。負調(diào)控（negativecontrol）：在操縱子中，結(jié)構(gòu)基因本來是表達的，當加入調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白）時，使該結(jié)構(gòu)基因不表達。這樣的調(diào)控叫負調(diào)控。

1.

可誘導(dǎo)的調(diào)控：在可誘導(dǎo)的操縱子中，加入對基因表達有調(diào)節(jié)作用的小分子物質(zhì)（誘導(dǎo)物），則開啟基因的轉(zhuǎn)錄活性。

2.

可阻遏的調(diào)控：在可阻遏的操縱子中，加入對基因表達有調(diào)節(jié)作用的小分子物質(zhì)（輔阻遏物），則關(guān)閉基因的轉(zhuǎn)錄活性。第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.3Inpositivecontrol,trans-actingfactorsmustbindtocis-actingsitesinorderforRNApolymerasetoinitiatetranscriptionatthepromoter.Inaeukaryoticsystem,astructuralgeneiscontrolledindividually.第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.2Innegativecontrol,atrans-actingrepressorbindstothecis-actingoperatortoturnofftranscription.Inprokaryotes,multiplegenesarecontrolledcoordinately.

第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.21Controlcircuitsareversatileandcanbedesignedtoallowpositiveornegativecontrolofinductionorrepression.第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure9.15FootprintingidentifiesDNA-bindingsitesforproteinsbytheirprotectionagainstnicking.

（五）操縱基因的鑒定（foot-printing

技術(shù)）：

第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四內(nèi)切酶

SDSSDS第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四（六）操縱基因的結(jié)構(gòu)Figure10.11Thelacoperatorhasasymmetricalsequence.Thesequenceisnumberedrelativetothestartpointfortranscriptionat+1.Theregionsofdyadsymmetryareindicatedbytheshadedblocks.第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.20Operatorsmaylieatvariouspositionsrelativetothepromoter.（七）操縱基因的位置第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure9.10RNApolymeraseinitiallycontactstheregionfrom-55to+20.Whensigmadissociates,thecoreenzymecontractsto-30;whentheenzymemovesafewbasepairs,itbecomesmorecompactlyorganizedintothegeneralelongationcomplex.

第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四（八）阻遏蛋白與操縱基因的結(jié)合Figure10.13ThestructureofamonomerofLacrepressoridentifiesseveralindependentdomains.1.

調(diào)節(jié)蛋白的基本結(jié)構(gòu)第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.14ThecrystalstructureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.PhotographskindlyprovidedbyAlanFriedman.

第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.15InducerchangesthestructureofthecoresothattheheadpiecesofarepressordimerarenolongerinanorientationthatpermitsbindingtoDNA.PhotographskindlyprovidedbyMitchellLewis.

第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四2.其他調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)構(gòu)：如Zinc-fingerandLeucinezipperetcFigure21.3TranscriptionfactorSP1hasaseriesofthreezincfingers,eachwithacharacteristicpatternofcysteineandhistidineresiduesthatconstitutethezinc-bindingsite.第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure21.4Zincfingersmayforma-helicesthatinsertintothemajorgroove,associatedwithb-sheetsontheotherside.

第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure21.15ThebasicregionsofthebZIPmotifareheldtogetherbythedimerizationattheadjacentzipperregionwhenthehydrophobicfacesoftwoleucinezippersinteractinparallelorientation.第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)操縱子的其他調(diào)控形式阿拉伯糖操縱子半乳糖操縱子氨基酸操縱子（色氨酸、蘇氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸等十幾種）核苷酸操縱子第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.2Innegativecontrol,atrans-actingrepressorbindstothecis-actingoperatortoturnofftranscription.Inprokaryotes,multiplegenesarecontrolledcoordinately.

乳糖操縱子的負調(diào)控第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四操縱子的調(diào)控類型第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四一、阿拉伯糖操縱子（Arabinoseoperon）

阿拉伯糖操縱子是調(diào)控阿拉伯糖分解代謝所需酶系的操縱子。它具有正調(diào)控和負調(diào)控的功能。參與阿拉伯糖分解代謝的酶系共由三個操縱子編碼，這三個操縱子分別是：araBAD、araE和araF。它們由一個共同的araC調(diào)節(jié)基因進行調(diào)控。（1）araBAD：包括三個基因：araB、araA和araD。分別編碼L-核酮糖激酶、L-阿拉伯糖異構(gòu)酶和L-核酮糖-5-磷酸-4-表面異構(gòu)酶。（2）araE和araF：編碼膜結(jié)合蛋白，與阿拉伯糖的結(jié)合與轉(zhuǎn)運有關(guān)。第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四1.結(jié)構(gòu)與功能araCaraO2araO1/PcaraIaraBaraAaraDC蛋白mRNA

mRNAKinaseIsomeraseEpimerase阿拉伯糖核酮糖核酮糖-5-P木酮糖-5-P第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四

（1）C蛋白具有雙功能：它單獨與araO1(-100~-144bp)結(jié)合，起阻遏作用，包括其自身的表達；C與阿拉伯糖結(jié)合形成Cind復(fù)合物，即誘導(dǎo)型C蛋白。它結(jié)合與araI區(qū)（-40~-78bp），使RNA聚合酶結(jié)合于PBAD

位點（+40bp），轉(zhuǎn)錄B、A和D三個基因。（2）C蛋白的兩種狀態(tài)：Cind和Crep

，功能不同，結(jié)合的位點也不同。前者結(jié)合于araI，后者結(jié)合于araO1和araO2

（3）C蛋白還可以調(diào)節(jié)分散的基因：araE和araF。SonamedRegulon。（4）有兩個啟動子：PC和PBAD

。

PC啟動子與araO1

重疊。第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四2.調(diào)控方式

（1）當存在Ara和Glu時，araC轉(zhuǎn)錄少量C蛋白并與araO1結(jié)合，反饋性抑制araC的轉(zhuǎn)錄。（2）當有Ara而無Glu時，Ara可作為糖源。此時Ara與少量的C蛋白結(jié)合，形成誘導(dǎo)型C蛋白

Cind，它作為正調(diào)控因子與araI結(jié)合，促進了araPBAD的轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生了3種酶，促進Ara的分解。（3）當無Ara或用完后，C蛋白（Crep

）與araO1結(jié)合，阻礙RNA聚合酶在此區(qū)域結(jié)合，關(guān)閉操縱子；或與araI和araO2

結(jié)合，形成環(huán)狀，阻遏了PBAD和PC啟動。第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四araDaraAaraBPBADCindAracAMPCAPRNApolaraDaraAaraBaraO2araIA:

誘導(dǎo)B:

阻遏CC

CC+1-100-200-300第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四二、色氨酸（Trp）操縱子

目前，有多種氨基酸操縱子的結(jié)構(gòu)已研究清楚，如色氨酸、蘇氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸等十余種。我們僅討論Trp操縱子的基因表達調(diào)控。

Trp操縱子是合成代謝途徑中最具代表性的例子。它控制著5個結(jié)構(gòu)基因（編碼3種酶）的表達，分別為trpE，D（鄰氨基苯甲酸合成酶），C（吲哚甘油硼酸合成酶），B、A（色氨酸合成酶B鏈和A鏈）。當色氨酸低或缺乏時，這5個鄰近的基因才開始轉(zhuǎn)錄成mRNA。

由于Trp操縱子是一個合成體系，與糖的分解代謝無關(guān)，所以，與Glu的存在與否沒有關(guān)系，也就不存在cAMP-CAP結(jié)合位點。第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.41Thetrpoperonconsistsoffivecontiguousstructuralgenesprecededbyacontrolregionthatincludesapromoter,operator,leaderpeptidecodingregion,andattenuator.

1.結(jié)構(gòu)與功能第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)構(gòu)特點：

（1）阻遏物基因trpR和結(jié)構(gòu)基因trpEDCBA不緊密連鎖；（2）操縱基因在啟動子區(qū)域內(nèi)；（3）啟動子，操縱基因不直接和結(jié)構(gòu)基因毗鄰，而和前導(dǎo)序列直接相連；（4）有衰減子結(jié)構(gòu)。在合成代謝的操縱子的前導(dǎo)區(qū)內(nèi)，存在著類似終止子結(jié)構(gòu)的一段DNA序列，該序列可以輔助阻遏作用，進行轉(zhuǎn)錄調(diào)控，故稱為衰減子（attenuator）。第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四2.調(diào)控方式trpRmRNAA:B:無活性mRNAsTrptrpRmRNARNApol第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四

經(jīng)測序后發(fā)現(xiàn)，在第一個結(jié)構(gòu)基因（trpE）的5’-端有一個長160bp的前導(dǎo)序列（leadersequence）。當此序列缺失130~160bp時，mRNA總是最高水平的。而當trp存在時，mRNA的表達水平降低。因此，此序列稱為衰減子（attenuator）。3.衰減作用第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四表.衰減子控制的氨基酸合成的操縱子中前導(dǎo)肽的氨基酸序列操縱子前導(dǎo)肽的氨基酸序列色氨酸

MetLysAlaIlePheValLysGlyTrpTrpArgThrSer蘇氨酸

MetLysArgIleSerThrThrIleThrThrThrIleThrIleThrThrGlyAsnGlyAlaGly組氨酸

MetThrArgValGlnPheLysHisHisHisHisHisHisHisProAsp異亮氨酸

MetThrAlaLeuLeuArgValIleSerLeuValValIleSerValValVaLIle·纈氨酸GEDA

…

IleIleProProCysGlyAlaAlaLeuGlyArgGlyLysAla…亮氨酸

MetSerHisIleValArgPheThrGlyLeuLeuLeuLeuAsnAlaPheIleVei…

…ArgGlyArgProValGlyGlyIleGlnHis苯丙氨酸

MetLysHisIleProPhePhePheAlaPhePhePheThrPhePro異亮氨酸-纈氨酸B

MetThrThrSerMetLeuAsnAlaLysLeuLeuProThrAlaProSerAla…

…AlaValValValValArgValValValVaLValGlyAsnAlaPro第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.42AnattenuatorcontrolstheprogressionofRNAothetrpgenes.RNApol.initiatesatthePandthenproceedstoposition90,whereitpausesbeforeproceedingtotheattenuatorat140.IntheabsenceofTrp,theRNApol.continuesintothetrpEgenes(startsat+163).InthepresenceofTrp,~90%probabilityofterminationtoreleasethe140bleaderRNA.第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.43Thetrpleaderregioncanexistinalternativebase-pairedconformations.Thecentershowsthefourregionsthatcanbasepair.Region1iscomplementarytoregion2,whichiscomplementarytoregion3,whichiscomplementarytoregion4.Ontheleftistheconformationproducedwhenregion1pairswithregion2,andregion3pairswithregion4.Ontherightistheconformationwhenregion2pairswithregion3,leavingregions1and4unpaired.

Figure9.26Intrinsicterminatorsincludepalindromicregionsthatformhairpinsvaryinginlengthfrom7-20bp.Thestem-loopstructureincludesaG-C-richregionandisfollowedbyarunofUresidues.

第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.44ThealternativesforRNApolymeraseattheattenuatordependonthelocationoftheribosome,whichdetermineswhetherregions3and4canpairtoformtheterminatorhairpin.

第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四衰減子調(diào)控系統(tǒng)的生物學(xué)意義：

（1）活性阻遏物與非活性阻遏物之間的轉(zhuǎn)換可能較慢，而tRNA的荷載與否可能更快捷；

（2）氨基酸的主要用途是合成蛋白質(zhì)，所以，以tRNA的荷載情況為標準來進行調(diào)控可能更為合適；

（3）阻遏蛋白與衰減子共同作用，提高了效率，避免了氨基酸的浪費。當細胞內(nèi)氨基酸高于某一水平時，可完全實現(xiàn)阻遏；而低于該水平時，則啟用衰減子進行微細調(diào)控。某些氨基酸操縱子僅使用衰減子即可實現(xiàn)調(diào)控。第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)翻譯水平的調(diào)控

內(nèi)容回顧：

1.

翻譯過程主要包括：起始、延伸和終止。

2.

參與翻譯過程的物質(zhì)：

mRNAtRNA

核糖體（ribosome）氨基酸（AA）氨酰基-tRNA合成酶各種可溶性蛋白因子第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四

★mRNA的結(jié)構(gòu)與功能

（一）一級結(jié)構(gòu):

（二）二級結(jié)構(gòu)：（三）

密碼子的特性：三聯(lián)體，連續(xù)性，不重疊，通用性，兼并性，兼職等。但存在例外；

（四）密碼子的使用頻率

（稀有密碼子）。第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四★★

tRNA的結(jié)構(gòu)與功能

（一）tRNA的功能

AA+ATP=AA-AMP+PPi(氨基酸活化)AA-AMP+tRNA=氨?；?tRNA+AMP

（二）tRNA的豐富度與密碼子的使用頻率

第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四★★★

核糖體的結(jié)構(gòu)與功能第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.48AntisenseRNAcanbegeneratedbyreversingtheorientationofagenewithrespecttoitspromoter,andcanannealwiththewild-typetranscripttoformduplexRNA.

一、反義RNA的調(diào)控作用第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四mRNA5’反義RNAAUG+1S-D3’

以大腸桿菌外膜蛋白的表達為例，說明反義RNA的調(diào)控作用。大腸桿菌外膜蛋白有兩種：ompC和ompF。它們的表達受滲透壓的調(diào)節(jié)。滲透壓高：ompC合成增多，ompF的合成受到控制；滲透壓低：ompF合成增多，ompC的合成受到控制。第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.46IncreaseinosmolarityactivatesEnvZ,whichactivatesOmpR,whichinducestranscriptionofmicFandompC(notshown).micFRNAiscomplementarytothe5’-regionofompFmRNAandpreventsitstranslation.

第50頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四Figure10.45AntisenseRNAcanaffectfunctionorstabilityofanRNAtarget.

1）調(diào)控翻譯的起始；2）調(diào)控RNA的穩(wěn)定性；3）調(diào)控轉(zhuǎn)錄的終止。第51頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四反義RNA的應(yīng)用：

SynthesisofantisenseRNAcaninactivateatargetRNAineitherprokaryoticoreukaryoticcells.ArtificialgenescodingforantisenseRNAshavebeenintroducedintoE.coli,wheretheypreventexpressionofthespecifictargetgenestowhosemRNAstheyarecomplementary.Thistechniqueoffersapowerfulapproachforturningoffgenesatwill;forexample,thefunctionofaregulatorygenecanbeinvestigatedbyintroducinganantisenseversion.Anextensionofthistechniqueistoplacetheantisensegeneundercontrolofapromoteritselfsubjecttoregulation.ThenthetargetgenecanbeturnedoffandonbyregulatingtheproductionofantisenseRNA.Thistechniqueallowsinvestigationoftheimportanceofthetimingofexpressionofthetargetgene.

第52頁，共55頁，2023年，2月20日，星期四二、嚴謹反應(yīng)（Stringent

Response）

Stringentresponse：

Whenbacteriafindthemselvesinsuchpoorgrowthconditionsthattheylackasufficientsupplyo