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1、第八章第八章 原核原核细胞的基因表达胞的基因表达调控控第一节基因表达基因表达调控概述控概述 生物体内基因表达的调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间和空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当反应的复杂过程，并且也是生物体内细胞分化、形态发生和个体发育的分子基础。一原核生物基因表达调控的特点由于原核生物大都为单细胞生物，缺乏核膜，因此极易受外界环境的影响，需要不断地调控基因的表达，以适应外界环境的营养条件和克服不利因素，提高生物的应变与适应能力以完成生长发育与繁殖的过程。这种调控大多以操纵子为单位进行。二二.操纵子调控模型是是19611961年由年由JacobJacob和和MonodM
2、onod提案并确立，即提案并确立，即编码某特定区某特定区域的基因与只在域的基因与只在DNADNA分子上分子上发挥作用的区域是各不相同作用的区域是各不相同的。基因的表达的。基因的表达调控主要控主要发生在生在转录水平上。水平上。(一)概念 原核生物细胞内功能相关的结构基因组成一排基因簇，由此而形成的转录单位，即为操纵子。(二二)主要主要组成成1.结构基因（structuralgene）:生物酶与细胞结构所必需的蛋白质的编码基因，该基因又称为cis作用因子（cisacting）。相关结构基因的表达产物协同完成一个生理生化过程，这些结构基因在一套调控系统作用下统一开放与关闭，维持合适而精确的基因产物分
3、子比。结构基因编码各类具有不同结构与功能的蛋白质，包括结构蛋白、酶和调控蛋白2.2.调调控基因（控基因（regulatorgeneregulatorgene）:基因表达基因表达调调控蛋白的控蛋白的编码编码基基因，又称因，又称为为反式作用因子（反式作用因子（transactingtransacting）。主要是通。主要是通过编码过编码蛋白或者蛋白或者RNARNA来来调节调节其他基因的表达。其他基因的表达。三.原核细胞转录调控的基本模式顺式作用元件反式作用因子引起目的基因表达的正引起目的基因表达的正调控或者控或者负调控模式控模式反式作用:编码产物将从合成地点扩散到其作用靶位的过程。顺式作用:不转变
4、为其他任何形式而只以DNA形式在原来位置起作用的DNA序列。调节区域区域启启动子子转录起始点起始点结构基因构基因Operator/promotorOperator/promotorRNARNA几几个个相应的相应的蛋白蛋白质RepressorbindingRepressorbindingwithoperatorwithoperatorRNApolymeraseRNApolymerase负调控控:由某一基因表达由某一基因表达产生的蛋白生的蛋白质因子，通因子，通过与另一基与另一基因的特异的因的特异的顺式作用元件相互作用，从而达到控制其表达式作用元件相互作用，从而达到控制其表达的目的，称的目的，称为负
5、调控。控。正正调控控:某一基因某一基因编码的的产物作用于自己基因的物作用于自己基因的调控元件控元件,以达到控制其表达的目的以达到控制其表达的目的,称称为正正调控。控。t ta ay yz z o op pStructuralgeneStructuralgeneP PromoterromoterO OperatorperatorTerminatorTerminator功能功能启动子:一个操纵子一般只含有一个启动子操作子:由一个或多个DNA顺式调控元件组成，是基因反式调控因子的结合区，这种蛋白-DNA的二元复合物通过与启动子-RNA聚合酶复合物的相互作用，对操纵子的开发或关闭进行调控结构基因:若干
6、个生物功能相关的结构基因以相同极性密集排列终止子:使转录不同程度地终止阻遏基因阻遏基因阻遏基因阻遏基因I I I I 调控区控区 启启动子子操作子操作子DNADNAZ ZY YA AO OP P 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：通透酶通透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶第二节乳糖操纵子（一）结构及其性质lacIlacZlacYlacAZ ZY YA AO OP PP PDNADNAmRNAmRNA1040823510780825多多肽3601021260275氨基酸氨基酸38000125000 30000 30000DaltonDalton蛋白蛋白质四聚体四聚体二聚体膜蛋白结构构
7、152000500000 30000 60000DaltonDalton功能功能阻遏蛋白-半乳糖苷半乳糖苷酶(二)调控机理阻遏蛋白阻遏蛋白单聚体聚体阻遏蛋白阻遏蛋白四聚体四聚体lacI启动子/操作子lacZlacYlacA转录翻译无无诱导物物结构基因构基因被阻遏被阻遏诱导物无活阻遏蛋白无活阻遏蛋白有有诱导物物RNARNA聚合聚合酶转录翻译转录mRNAmRNA翻译(三)操纵基因的鉴定n n不可不可诱导诱导型突型突变变(uninduciblemutation):(uninduciblemutation):使操使操纵纵子子在在任何情况下都不能表达的突任何情况下都不能表达的突变变。n n组组成型突成型
8、突变变体体(consititutivemutant):(consititutivemutant):不受不受调调控物影控物影响的持响的持续续表达称表达称为组为组成型基因表达，其突成型基因表达，其突变变体即体即为组为组成型突成型突变变体。体。组组成型突成型突变鉴变鉴定出的操定出的操纵纵基因基因O OC C 表明表明调调控元件能控元件能够够以不可以不可扩扩散的散的产产物形式行使其功能，操物形式行使其功能，操纵纵基因是一基因是一个典型的个典型的顺顺式作用位点，其功能依式作用位点，其功能依赖赖于一些反式作用于一些反式作用因子因子对对其其DNADNA序列的序列的识别识别。操。操纵纵基因基因对邻对邻近基因的
9、控近基因的控制与制与细细胞内是否存在其他等位基因并无关系，胞内是否存在其他等位基因并无关系，这这种位点种位点的突的突变变称称为顺为顺式式显显性突性突变变(ciscis-dominant-dominant)(四)调控基因的鉴定n nlacIlacI基因的突基因的突变变是反式作用的，它可以影响是反式作用的，它可以影响细细菌内所菌内所有有结结构基因簇的表达构基因簇的表达n n使使lacIlacI基因失活得突基因失活得突变变是是隐隐性的，它可以性的，它可以导导致致组组成型表达成型表达n n因因为为阻遏物不能与操阻遏物不能与操纵纵基因基因结结合，所以阻遏物的合，所以阻遏物的DNADNA结结合合位点的突位
10、点的突变变是是组组成型的成型的n n阻遏物上阻遏物上诱导诱导物物结结合位点的突合位点的突变变使它不会失活，因此使它不会失活，因此这这会引起操会引起操纵纵子的非子的非诱导诱导性性n n启启动动子突子突变变是是顺顺式作用和非式作用和非诱导诱导性的性的ACAACACACCTTAACACAACACACCTTAACA ACTCCTCG GCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTATTGTTAAAGTGTGTTGTTGTTGTGTGTGTGTGG GAATTGAATTGA AG GA AG GC CGGATAACAATTTCACACAGGATAACAATTTCACACA对称称轴1051510152025
11、(五)阻遏蛋白与操纵基因的相互作用mRNAmRNA(六)阻遏蛋白结合诱导物后从操纵基因上脱离(七)阻遏蛋白的其他特性n n阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白单单体有多个体有多个体有多个体有多个结结构域构域构域构域阻遏蛋白单体结构:N端DNA结合结构域、铰链区与核心区DNA结合结构域有两个短螺旋用以与DNA大沟结合负责多聚化的区域和诱导物结合位点都位于核心区阻遏蛋白由两个二聚体阻遏蛋白由两个二聚体阻遏蛋白由两个二聚体阻遏蛋白由两个二聚体组组成四聚体成四聚体成四聚体成四聚体两个单体通过核心结构域2和寡聚化螺旋之间的结合形成二聚体，二聚体的一端是DNA结构域，另一端是寡聚化螺旋，两个二聚体通过寡聚化界
12、面之间的相互作用形成四聚体阻遏蛋白单体的DNA结合结构域插入到DNA的大沟活性阻遏蛋白中，二聚体的两个DNA结合区域可以插入连续的双螺旋转角诱导物的结合使阻遏蛋白的构象改变，从而造成DNA结合位点不能形成正确的几何构象以维持与DNA的接触第三节操纵子的调控网络模式一一.概述概述1.1.细细菌基因菌基因调调控控:基因表达受到基因表达受到调调控因子的控制，控因子的控制，该调该调控控因子在受因子在受调调控的蛋白控的蛋白质质合成之前，可能与一段特定序合成之前，可能与一段特定序列作用或者列作用或者结结构相互作用。构相互作用。表达水平上的表达水平上的调调控控:以以DNADNA为为targettarget的
13、的转录转录水平上的水平上的调调控与以控与以RNARNA为为targettarget的翻的翻译译水平上的水平上的调调控控2.2.调调控因子的控因子的类类型型a.a.蛋白蛋白质类调质类调控因子控因子:通通过变过变构效构效应应(allostery)(allostery)发挥发挥作用作用b.RNAb.RNA调调控因子控因子:通通过过改改变变二二级结级结构构发挥发挥作用。作用。调调控因子控因子通常是二通常是二级结级结构丰富的小构丰富的小RNARNA分子，但存在一段分子，但存在一段单链单链区域能与区域能与targettarget互互补补，调调控因子与之相互作用，形成双控因子与之相互作用，形成双螺旋螺旋结结
14、构，从而构，从而调调控基因表达。控基因表达。操操纵子子可可诱导可阻遏可阻遏负调控正调控负调控正调控二.分类灭活阻遏蛋白活阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物物阻遏阻遏诱导诱导诱导负调控控灭活激活蛋白活激活蛋白激活激活蛋白激活激活蛋白诱导正正调控控三.调控模式辅阻遏物阻遏物灭活阻遏蛋白活阻遏蛋白激活阻遏蛋白激活阻遏蛋白诱导阻遏阻遏阻遏阻遏负调控控灭活激活蛋白活激活蛋白激活激活蛋白激活激活蛋白阻遏阻遏正正调控控四四.大大肠肠杆菌的碳源利用机制杆菌的碳源利用机制1.1.葡萄糖阻遏作用葡萄糖阻遏作用调调控碳源利用控碳源利用a.a.诱导诱导物排除法物排除法:葡萄糖阻止从培养基中吸收其他可葡萄糖阻止从培养基中吸
15、收其他可替代碳源的能力。替代碳源的能力。b.b.由由CRPCRP激活很多操激活很多操纵纵子子2 2 2 2.乳糖操乳糖操纵纵子的正子的正调调控作用控作用正正调调控因子控因子:辅辅助助RNARNA聚合聚合酶酶与启与启动动子子结结合而起合而起始始转录转录的蛋白的蛋白质质。葡萄糖葡萄糖活性活性C CR RP P？无活无活CRPCRPcAMPCRP结构及其作用a.CRP因子是一同源二聚体,每个亚基为22.5kDa，可被单分子cAMP激活，在应答启动子上，CRP二聚体约结合22bp，其中含有一对保守的五聚体对称序列，是CRP的识别位点，且具有双向性。b.每个CRP亚基均含有一个DNA结合区与一个转录激活
16、区，其中结合区的定位因操纵子而异。AANAANTGTGATGTGANNTNNNNNTNNNTCANATCANATTNNTTNNTTNTTNACACTACACTNNANNNNNANNNAGTNTAGTNTAANNAANN高度保守五聚体高度保守五聚体低度保守五聚体低度保守五聚体转录CCR RP P的激活途径的激活途径a.直接与RNA聚合酶作用，RNA聚合酶的亚基是CRP的结合区。b.作用于DNA，改变其结构以协助RNA聚合酶定位于启动子上。C CR RP P与与RNARNA聚合聚合酶之之间的相互作用的精确效的相互作用的精确效应依依赖于于C CR RP P相相对启启动子区域的定位，子区域的定位，对乳
17、糖操乳糖操纵子而言，子而言，C CR RP P的的优势效效应是提高是提高RNARNA聚合聚合酶与启与启动子形成复合物的启子形成复合物的启动效率。效率。第四第四节 各种操各种操纵子子调控系控系统galKgalTgalEPOgalRmRNAmRNAP Pgalgal11P Pgalgal 2 2O OE EO OI IGalGalC C激激酶Gal-1-PGal-1-P转移移酶UDP-GalUDP-Gal+Glu-1-PGlu-1-PUDP-GlcUDP-Glc异构异构酶galgalmRNAmRNA特征特征:有两套有两套调控元件控元件一.半乳糖操纵子(一)结构及其性质(二)调控机制GluGlu环境
18、境cAMPcAMP细胞内胞内C CR RP P结合型合型C CR RP PP Pgalgal1 1P Pgalgal 2 2启启动关闭关闭GluGlucAMPcAMPCAPCAPC CR RP PcAMPcAMP失活失活openopen二二.阿拉伯糖操纵子(一一)结结构与性构与性质质调控子控子arara aBADBADaraaraE EaraaraFGFG调控基因控基因araaraCC定位于定位于细菌膜上，与阿拉伯糖运菌膜上，与阿拉伯糖运输有关。有关。L-L-核核酮糖激糖激酶L-L-阿拉伯糖异构阿拉伯糖异构酶L-L-核核酮糖糖-5-5-磷酸磷酸-4-4-异构异构酶(二)阿拉伯糖调控系统的组成a
19、raC基因的调控araBAD基因的转录两基因区间的共享调控区araaraO O2 2araaraO O1 1P ParaaraCCC CR RP P结合位点合位点araaraI IP Paraara BADBADC C蛋白蛋白结合位点合位点araaraCmRNACmRNAara BAD mRNA148nt148nt(三)调控机制araaraO O2 2araaraO O1 1araaraI IC C蛋白存在蛋白存在时araaraCmRNACmRNARNARNA聚合聚合酶阿拉伯糖阿拉伯糖-AraC-AraC激活激活arara aCC，AraCorbindingAracAraCorbindingA
20、rac a araraO O1 1araaraC C表达被阻遏表达被阻遏三三.色氨酸操色氨酸操纵子子P P O OtrptrpL La atrptrpEEtrptrp D Dtrptrp C Ctrptrp B Btrptrp A At ttttrptrpEEtrptrp D Dtrptrp C Ctrptrp B Btrptrp A A邻氨基苯甲酸合成氨基苯甲酸合成酶两个两个亚基基吲哚甘油酸合成甘油酸合成酶色氨酸合成色氨酸合成酶两个两个亚基基第五第五节 紧急急应答系答系统一一.概念概念stringentresponsestringentresponsestringentresponsestr
21、ingentresponse:当当维维持持细细菌的蛋白合成所需的氨基菌的蛋白合成所需的氨基酸的供酸的供给发给发生生问题时问题时，其生，其生长长条件也条件也发发生了生了变变化，从而化，从而使其各使其各项项生理活生理活动动的的现现象。象。二二.产产生生现现象象a.rRNA与tRNA的合成极度减少b.全部RNA的合成是正常的5%-10%c.全mRNA的合成减少为正常的1/3d.蛋白质的分解速度上升e.核苷、碳水化合物与脂质的合成减少ppGppppGpppppppGpppGppAminoacyl-tRNAAminoacyl-tRNARibosomeidlingreactionRibosomeidlin
22、greaction启启动子开始的阻碍因子子开始的阻碍因子模板的伸长反应受阻模板的伸长反应受阻三三.ppGpp.ppGpp的作用的作用a.a.在在编码编码rRNArRNA的操的操纵纵子中，启子中，启动动子上子上转录转录起始被特起始被特异地抑制。用于异地抑制。用于应应急急调调控的启控的启动动子的突子的突变变可以消可以消除除应应急控制，表明急控制，表明该该效效应应与特异的启与特异的启动动子序列子序列发发生相互作用生相互作用b.b.ppGPPppGPP能能缩缩短短许许多或大部分模板的多或大部分模板的转录转录延伸期，延伸期，原因可能是由原因可能是由ppGppppGpp引起的不断增高的引起的不断增高的RNARNA聚合聚合酶酶的的暂暂停反停反应应。