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1、第八章 原核生物基因表达调控概述,第一节原核生物基因表达调控概述,一、基因表达调控的意义在一定调节机制控制下，基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等的过程 。大多数基因的表达产物是蛋白质,部分基因如tRNA和rRNA基因表达产物是RNA。围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都通称为基因表达调控。,在生物体生命活动中并不是所有的基因都同时表达，在生物体代谢过程中所需要的各种酶和蛋白质的基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，在正常情况下是持续表达的，而与生物发育过程有关的基因则要在特定的时间和空间才进行表达。,（1）时间特异性或阶段特异性
2、,（2）空间特异性或组织细胞特异性,1 时间特异性,按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。,多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。,2 空间特异性（spatial specificity）,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。,基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue
3、 specificity)。,二、原核生物基因表达调控的特点与方式,（1）原核生物基因表达调控包括在DNA水平、转录水平、转录后水平和翻译水平，但转录水平的调节是最有效、最经济的方式，也是最主要的调节方式。（2）原核生物基因的表达调控多以操纵子为单位进行，即将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达。（3）基因调控的模式可分成两大类，正调控和负调控，原核生物以负调控为主。,转录水平上的调控转录后水平上的调控,操纵子学说 1961年，法国巴斯德研究院的Francois Jacob（雅各布）与Jacques Monod（莫洛）提出，获1965年诺贝尔生理学和医学奖。,操纵子(operon)
4、,三、原核生物基因表达调控的几个重要概念,结构基因：编码细胞结构和基本代谢活动所必要的RNA和蛋白质的基因。调节基因：编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。顺式作用元件（cis-acting elements）:调节基因表达的DNA序列。反式作用因子（trans-acting factors）：调节基因表达的蛋白质因子，可直接或间接结合顺式作用元件。,正调控和负调控,正调控(positive control),在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白后基因活性就被开启，这样的调控为正转录调
5、控。,负调控（negative control),在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。,2021/12/1,14,正调控（positive regulation）与缺乏调控因子时比较，若调控因子使靶基因的表达水平上升。调控因子称激活蛋白（activator）,正调控可分为：可诱导的正调控系统 调节因子在诱导物的作用下，能与启动子结合开启结构基因的转录。可阻遏的正调控系统 调节因子可与启动子结合，促进结构基因的转录。但当其与辅阻遏物结合后，不能启动结构基因的转录。,2021/12/1,15,2021/12/1,16,负调控（nega
6、tive regulation） 与缺乏调控因子时比较，若调控因子使基因的表达水平下降，甚至关闭，调控因子称阻遏蛋白（repressor）,负调控可分为：可诱导的负调控系统阻遏蛋白与操纵基因结合，可阻止结构基因的转录，但有诱导物时，它与阻遏蛋白结合从而解除对结构基因转录的抑制。可阻遏的负调控系统阻遏蛋白不影响结构基因的转录，但它与辅阻遏物结合后，抑制结构基因的转录。,2021/12/1,17,四、原核生物基因表达调控机制,1 代谢产物对基因活性的调节 一些基因的特殊代谢产物对基因活性的调节具有诱导或阻遏作用。一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的
7、诱导下使基因活化.如乳糖操纵子，调节分解代谢的操纵子，同时受cAMP-CAP的活性调节,2 弱化子对基因活性的影响,弱化子：在操纵基因与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列。当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸序列起终止转录信号作用。,RNA聚合酶,起调节作用的是某种氨酰-tRNA的浓度,RNA在分子内采用不同的碱基配对方式，形成不同的二级结构而参与调控。当不同的结构对是否允许终止存在差异时，改变二级结构可对转录终止进行调控。,弱化子作用机制,前导序列,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:,包含序列1,形成发夹结构能力强弱： 序列1/2序列2/3序列3/
8、4,5,trp mRNA trpL,1 2,3 4,寡聚U区,trpE,(a) 正常,(b) 高 Trp,1,2,转录终止,3 4,(C) 低Trp,1,2 3,4,转录延伸,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构就是终止子可使转录,RNA聚合酶,终止,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,3 降解物对基因活性的调节,葡萄糖效应（降解物抑制作用） 是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖类的利用的现象。,降解物对基因活性
9、的调节,葡萄糖通过降低cAMP的含量而抑制基因表达,4 细菌的应急反应,细菌的应急反应指细菌在恶劣生长环境中关闭tRNA和核糖体形成的能力。,细菌的应急反应的机制,应急信号： 鸟苷四磷酸（ppGpp）、 鸟苷五磷酸（pppGpp）诱导物：空载tRNA,焦磷酸转移酶,31,Discovery of Operon 1940年， Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。,Jacques Monod,第二节 乳糖操纵子,2021/12/1,32,1951年，Monod与Jacob合作，
10、发现两基因： Z基因：与合成-半乳糖苷酶有关； I基因：决定细胞对诱导物的反应。1961年, F. Jacob & J.Monod提出乳糖操纵子学说， 此后不断完善。1965年获诺贝尔生理学和医学奖。,Francis Jacob,Jacques Monod,一、乳糖操纵子（lac operon）的结构与组成,I,Lac操纵子P、O区的重叠,乳糖操纵子模型,Z、Y、A基因的产物为一条多顺反子mRNA,lacZ：编码-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。,乳糖操纵子的
11、结构基因及其表达产物,二、酶的诱导-lac体系受调控的证据,在不含乳糖及-半乳糖苷的培养基中，lac+基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有12个酶分子。如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个酶分子。,1 实验证据,2021/12/1,40,没有乳糖存在时,（1）Lac阻遏物的作用-负调控,2021/12/1,42,有乳糖存在时,乳糖操纵子为一个可诱导的负控制系统,（2）CAP的正性调节,代谢物阻遏效应研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制lac mRNA的合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应。,葡萄糖效应,（3）协调调节,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对
12、该系统不能发挥作用；如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,弱启动子控制的组成型合成,二、阻遏蛋白的作用机制,阻遏蛋白结构具有对称性，是相同亚基构成的四聚体。,第三节 色氨酸操纵子,trp操纵子的结构,阻遏型操纵子,trpA,trpB,trpC,trpE,trpD,Ptrp Otrp,前导序列 a,Trp 阻抑物 色氨酸,激活,RNA,trpE trpD trpC trpB trpA,色氨酸合成所需的
13、酶,trpR,一、 trp操纵子的阻遏系统,酶阻遏的操纵子模型,辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构基因表达。,辅阻遏蛋白,trp操纵子的阻遏调控机制,色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。 色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。,Trp 浓度高时,Trp浓度低时,mRNA,O,P,trpR,调
14、节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,色氨酸操纵子阻遏调节,?,二、 色氨酸操纵子的弱化系统,（一）弱化子,在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.,前导序列,RNA聚合酶,起调节作用的是某种氨酰-tRNA的浓度,（二）前导肽,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,（三）mRNA前导区的序列分析,前导区mRNA上有两个连续的色氨酸密码子；前导序列上有4个分别以1、2、3、4表示的片断能以两种不同的方式进行碱基配对，有时以1-2
15、和3-4配对，有时只以2-3方式互补配对。,（四）转录的弱化作用,mRNA转录的终止是通过前导肽基因的翻译来调节的。在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子，故这个前导肽的翻译必定对tRNATrp 的浓度敏感。,（五）衰减子的生物学意义,活性阻遏物和非活性阻遏物的转变可能较慢，而tRNA荷载与否可能更为灵敏；氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而以tRNA荷载情况为标准来进行控制可能更为恰当。当细胞内氨基酸高于某一水平时，可以实现完全的阻遏；而只有低于这一水平时，才需用衰减子这个调节系统来进行调节，阻遏蛋白和衰减子调节机制都是为了避免浪费，提高效率。,第四节 转录后水平调控方式,一、mRNA自身结构
16、元件对翻译其实的调节1、SD序列对翻译的影响SD序列：mRNA起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列(9-12bp)。 5-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3SD序列的顺序及位置对翻译的影响SD与AUG之间相距一般以4-10个核苷酸为佳，9个核苷酸最佳。,2、mRNA的二级结构对翻译起始的调控,SD sequence,AUG,10bases,UAAGGAGGU:complementary with 16s rRNA,5,实验证据RNA引物由dnaG基因编码的引物酶催化合成。dnaG、rpoD及rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子基因转录出来的三个蛋白相应的mRNA拷贝数大体相同，由于
17、翻译的调控使得蛋白的拷贝数发生了很大的变化。,二、稀有密码子对翻译的影响,由于细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。,三、重叠基因对翻译的影响,A基因,B基因,A基因终止密码子与B基因的起始密码子重叠,重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。偶联翻译是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段。,重叠基因对翻译的影响,trp操纵子trpE基因与trpD基因的翻译偶联机制,trpE苏氨酸苯丙氨酸终止,ACU-UUC-UGA-UGG-CU,AUG-GCU,甲硫氨酸丙氨酸trpD,gal操纵子中galT和galK基因的翻
18、译偶联机制,SD序列,四、poly（A）对翻译的影响,Poly A结合蛋白,帽子结合蛋白,五、翻译的阻遏,六、魔斑核苷酸水平对翻译的影响,空载氨酰-tRNA对蛋白质和RNA的合成速度进行调控,（一）严紧控制和松散控制,1、严紧控制（基因型rel）,当细菌处于饥饿条件下，缺乏维持蛋白质合成的氨基酸，其大部分活性区域将被关闭，此称之为严禁控制。严禁控制导致两种特殊的核苷酸积累：PPGpp、pppGpp,AMP,条件恢复，Spot基因催化ppGpp迅速降解,2、松弛控制（基因型rel-）,松弛突变株（基因型rel- ）去除了严禁控制反应；蛋白质合成停止，但RNA的合成速度没有下降；氨基酸的匮乏不会导致（p）ppGpp的合成；若有严禁因子存在，也能合成（p）ppGpp.,（二）调控机制,应急信号： 鸟苷四磷酸（ppGpp）、 鸟苷五磷酸（pppGpp）诱导物：空载tRNA,