第七章原核生物的讲义转录调控
第七章原核生物的基因调控
第七讲原核生物的基因调控科学家把这个从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。
要了解动、植物发展发育的规律、形态布局特征和生物学功能，就必需弄清楚基因表达调控的时间和空间概念，掌握了基因表达调控的奥秘，我们手中就有了一把揭示生物学微妙的金钥匙。
基因表达调控主要暗示在以下几个方面：①转录程度上的调控(transcriptional regulation)；②mRNA加工成熟程度上的调控(differential processing of RNAtranscript)；③翻译程度上的调控(differential translation of mRNA).原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)和环境因素(environmental factor)对基因表达起着举足轻重的影响。
在真核生物尤其是高等真核生物中，激素程度(hormone level)和发育阶段(developmental stage)是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。
二、基因表达调控的底子道理〔一〕基因表达的多级调控基因的布局活化、转录起始、转录后加工及转运、mRNA降解、翻译及翻译后加工及蛋白质降解等均为基因表达调控的控制点。
可见，基因表达调控是在多级程度长进行的复杂事件。
此中转录起始是基因表达的底子控制点。
四个底子的调控点：〔1〕基因布局的活化。
DNA表露碱基后RNA聚合酶才能有效结合。
活化状态的基因暗示为：1.对核酸酶敏感；2.结合有非组蛋白及修饰的组蛋白；3.低甲基化。
〔2〕转录起始。
最有效的调节环节，通过DNA元件与调控蛋白彼此作用来调控基因表达。
〔3〕转录后加工及转运。
RNA编纂、剪接、转运。
〔4〕翻译及翻译后加工。
翻译程度可通过特异的蛋白因子阻断mRNA 翻译翻译后对蛋白的加工、修饰也是底子调控环节。
原核生物转录调控
原核细胞
转录，翻
译相偶联
5’
真核生物
L2: The trp operon
在色氨酸操纵子转录进行的过程 中, RNA Polymerease 在 sequence 2的末端停滞直到 核糖体开始翻译前导肽
调控
弱化作用 抗终止作用
L2: The trp operon
L2: The trp operon
CRP-cAMPΒιβλιοθήκη lactosemRNA
PlacI
Plac
lacI
lacZ
lacY
lacA
Olac
startpoint
Plac / RNA polymerase
-60 -50 -40
-30
-20
-10
1
10
20
30
CRP binding
Olac / repressor
v When glucose is absent
Transcriptional regulation by alternative s Factors
Regulation of Transcription in Prokaryotes
Many bacteria produce alternative sets of σfactors to meet the regulation requirements of transcription under normal and extreme growth condition
3.因此色氨酸决定核糖体的位置，从而控 制转录。
Trp（—）
Trp（+）
Trp Trp
Trp Trp
Regulation of Transcription in Prokaryotes
分子生物学复习7-9
第七章基因的表达与调控（上）——原核基因表达调控模式（一）基本概念1．基因表达：细胞在生命过程中，把蕴藏在DNA中的遗传信息经过转录和翻译，转变成为蛋白质或功能RNA分子的过程称为基因表达。
2．基因表达调控：围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都统称为基因表达调控。
rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA 的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。
3．组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的表达。
管家基因：某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因。
管家基因无论表达水平高低，较少受到环境因素的影响。
在基因表达研究中，常作为对照基因适应型表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。
应环境条件变化基因表达水平增高或从无到有的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低或变为不表达的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。
4．结构基因：编码蛋白质或功能性RNA的任何基因。
所编码的蛋白质主要是组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、具有催化活性的酶和调节蛋白等。
原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。
结构基因簇由单一启动子共同调控。
调节基因：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。
①调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。
②调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式（启动或增强基因表达活性调节靶基因，也能以负调控的方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。
操纵子：由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录受操纵基因的控制。
（二）原核基因调控的分类和主要特点一、原核生物的基因调控特点：（1）基因调控主要发生在转录水平上，形式主要是操纵子调控.（2）有时也从DNA水平对基因表达进行调控，实质是基因重排。
第七章原核生物的转录调控
• lacZ、 lacY、 lacA被同一个转录单元 lacZYA编码，有一个启动子Plac • 乳糖操纵子的三个结构蛋白是作为一个 多顺反子（在同一调控序列下含有不止 一个编码区）的mRNA一起表达的。
调节基因
结构基因
顺式作用元件
lacI lacZ
lacY
lacA
DNA
PlacI
使聚合酶结合到乳糖 启动子上的能力增加了两个数量级。 • RNA聚合酶与Plac结合紧密 ,但是由于阻 抑物的作用,使得转录不能进行。
Plac
4.诱导
• 当缺少诱导物时，乳糖阻抑物阻碍了几 乎全部的lac ZYA的转录而使之保持很低 的转录水平。 • 当乳糖加入到细胞中后，细胞本身所含 的低量的透性酶使之能吸收乳糖，β-半 乳糖苷酶则催化一些乳糖转化为异乳糖。
• Plac启动子并非强启动子。 • Plac及其相关的启动子没有强的-35序列， 其中一些甚至只有弱的-10的共有序列。 • 为了实现高水平的转录，它们需要一种 特定的激活蛋白即CRP。
• 葡萄糖会降低细胞内cAMP的水平。 • 当葡萄糖缺乏时，大肠杆菌细胞内cAMP 水平上升，CRP结合到上cAMP 。 • CRP –cAMP复合物结合到乳糖操纵子的 启动子Plac上，这增强了RNA与启动子的 结合，使转录效率提高50倍。
lac及其相关的启动子没有强的35序列其中一些甚至只有弱的10的共有序crpcamp复合物结合到乳糖操纵子的启动子plac上这增强了rna与启动子的结合使转录效率提高50倍
第七章 原核生物的转录调控
一、乳糖操纵子
1.操纵子
• 1961年，Jacob和Monod提出了操纵子模 型，这是与特殊代谢途径有关的基因转 录的协同调控模型。
原核生物的转录及调控
称转录。
• 转录单位：就是从启动子到终止子的一段DNA序
列。
一、基因的编码链和有意义链
• 模板链：用于转录RNA的链称为模板链，或负
（－）链，又称无义链。
ห้องสมุดไป่ตู้
• 编码链：与模板链互补的DNA链称为编码链，
或正（＋）链，又称有义链。
二、转录的基本要点
• 底物：NTP；
AR II + CAP-cAMP 复合体：
促使-35 box附近GC岛区的双螺旋结构稳定性降低，-10 box的解链温度降低，有利于转录启动
RNA pol ARI ARII GC Island
RNA pol RNA pol -35 -10
CAP-cAMP ARI ARII α-CTD
Up element + CAP-cAMP ＋RNA Polymerase复合体 CAP-cAMP 与RNA
Cartoon illustrating separation of the subunits of E. coli RNA polymerase by SDS-PAGE
Richard Burgess and Andrew Travers (1969)
150 kD 160 kD 70 kD 40 kD
• 利链菌素（ streptolydigin）：与细菌
RNA pol β亚基结合，抑制转录的延伸。
• 肝素：与细菌RNA pol β’亚基结合，阻
碍其与模板DNA的结合。
第三节 原核生物转录的过程
• RNA的转录包括promotion，elongation，termination 三过程； • 从promoter到terminator称为transcriptional unit； • 原核生物中的转录单位多为 polycistron ； • 转录起始点记为+1，其上游记为负值，下游记为正值。
第7章原核生物基因表达的调控
Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。
Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆
菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。
A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷
上，形成乙酰半乳糖。
gene
正调控
调控蛋白
负调控
结构基因表达
▪ 负调控：抑制基因表达的调控方式 ▪ 正调控：促进基因表达的调控方式
B、特殊代谢物的调控
诱导(induction)
阻遏(repression)
inducer
gene
repressor
gene
特殊代谢物
诱导 阻遏
结构基因表达
诱导物、可诱导基因 阻遏物、可阻遏基因
无葡萄糖、 有乳糖-----cAMP水平高 （2）cAMP与CRP结合形成有活性的
CRP- cAMP 复合物 （3）CRP-cAMP 与Plac结合 （4）增强了RNA聚合酶与启动子的结合
（5）lacZ， lacY 、 lacA高表达
105
40
105
41
乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、 基因开放与关闭情况如下：
CRP
Binding
RNA
Promoter
Operator
CRP
Pol. Repressor
cAMP
LacZ
LacY
LacA
Repressor mRNA
STOP
Right there
CRP
Polymerase
cAMP
Repressor
cAMP
CRP
原核生物的转录及调控习题
原核生物的转录及调控习题原核生物的转录及转录调控习题一填空题1 能够诱导操纵子但不是代谢底物的化合物称为诱导物。
能够诱导乳糖操纵子的化合物就是其中一例。
这种化合物同蛋白质结合，并使之与分离。
乳糖操纵子的体内功能性诱导物是。
2色氨酸是一种调节分子，被视为。
它与一种蛋白质结合形成乳糖操纵子和色氨酸操纵子是两个控制的例子。
cAMP-CAP蛋白通过控制起作用。
色氨酸操纵子受另一种系统一一的调控，它涉及到第一个结构基因被转录前的转录。
二、选择题(单选或多选)1 标出以下所有正确表述:( )(a)转录是以半保留方式获得序列相同的两条DNA链的过程(b)依赖DNA的DNA聚合酶是多亚基酶，它负责DNA的转录(c)细菌的转录物(mRNA)是多基因的(d)σ因子指导真核生物hnRNA的转录后加工，最后形成mRNA(e)促旋酶在模板链产生缺口，决定转录的起始和终止2·下面哪些真正是乳糖操纵子的诱导物?( )(a)乳糖(b)蜜二糖(c)O-硝基苯酚-β-半乳糖苷(ONPG)(d)异丙基-卜半乳糖甘(e)异乳糖3·σ因子的结合依靠( )(a)对启动子共有序列的长度和间隔的识别(b)与核心酶的相互作用(c)弥补启动子与共有序列部分偏差的反式作用因子的存在(d)转录单位的长度(e)翻译起始密码子的距离4·下面哪一项是对三元转录复合物的正确描述:( )(a)σ因子、核心酶和双链DNA在启动子形成的复合物(b)全酶、TFⅠ和解链DNA双链形成的复合物(c)全酶、模板DNA和新生RNA形成的复合物(d)三个全酶在转录起始位点(tsp)形成的复合物(e)σ因子、核心酶和促旋酶形成的复合物5 σ因子和DNA之间相互作用的最佳描述是:( )(a)游离和与DNA结合的σ因子的数量是一样的，而且σ因子合成得越多，转录起始的机会越大(b) σ因子通常与DNA结合，且沿着DNA搜寻，直到在启动子碰到核心酶。
它与DNA的结合不需依靠核心酶(c) σ因子通常与DNA结合，且沿着DNA搜寻，直到碰到启动子，在有核心酶存在的时候与之结合(d) σ因子是DNA依赖的RNA聚合酶的固有组分，它识别启动子共有序列且与全酶结合(e) σ因子加入三元复合物而启动RNA合成6 DNA依赖的RNA聚合酶的通读可以靠( )(a)ρ因子蛋白与核心酶的结合(b)抗终止蛋白与一个内在的ρ因子终止位点结合，因而封闭了终止信号(c)抗终止蛋白以它的作用位点与核心酶结合，因而改变其构象，使终止信号不能被核心酶识别(d)NusA蛋白与核心酶的结合(e)聚合酶跨越抗终止子蛋白一一终止子复合物7 σ因子专一性表现在:( )(a) σ因子修饰酶(SME)催化。
原核生物的转录调控
异乳糖
lacY lacA
突变基因
表型
LacZ
突变体不能进行乳糖代谢
LacY 突变体不能从培养基中摄取乳 糖
LacA
无影响
异乳糖
半乳糖和葡萄糖 乳糖转化 分解乳糖
β-半乳糖苷酶
乙酰辅酶A
乙酰半乳糖
β-半乳糖苷乙酰转移酶
运送乳糖透过细胞壁
β-半乳糖通透酶
启动子
PlacI
lacl
调节基因
启动子 操纵基因
细菌生长特点
• 环境变化 细菌能够快速做出应答，迅速从利用一种物 • 营养供给 质转变为另一种物质
• 能量消耗最低化 当某种物质不存在时，细菌就不合成该物质代谢
途径中的酶；而当该物质出现时，立即合成所需 的代谢酶。这种当特定底物出现才合成特定酶的 过程称为诱导（induction）。
双峰生长(diauxic growth)
靶基因位点
激活蛋白（activator）：增强转录 调控蛋白
阻遏蛋白（repressor） ：抑制转录
操纵基因，调控蛋 白的结合位点
正调控和负调控
调控蛋白缺失: 基底转录
负调控（negative regulation）：阻遏蛋白 结合DNA 抑制基因表达
正调控（positive regulation）：激活蛋白 结合DNA 增强基因表达
细菌基因表达调控策略： 将功能相关的基因集合成组，这样易于整体调控。
&相互临近、协同调控的一组基因的被称为操纵子 （operon）。
如：lac操纵子 &非临近但协同调控的一组基因的被称为调节子 如：mal调节子
操纵子与乳糖操纵子
1.提出：1961年, Jacob （雅格布） -Monod（莫诺）.
分子生物学第七章原核生物基因表达调控
（三）、阻遏物 lac I 基因产物及功能
Lac 操纵子阻遏物 mRNA 是由弱启动子控制下组 成型合成的，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚 基均含347个氨基酸残基。
lacI 基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获 得较多的阻遏蛋白；
阻遏物 2022/10/18
β-半乳糖苷酶 透过酶 转乙酰3酶2
2022/10/18
16
调节机理：
细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度发生改变
氨酰 – tRNA的浓度变化
核糖体在转录产物RNA上的结合位置不 同，使得RNA形成特定的二级结构 由RNA的二级结构判断基因能否继续转录
2022/10/18
17
3、降解物对基因活性的调节P252
葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在 葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等 诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现 象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。
这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种 效应称为降解物抑制（catabolite repression）。
2022/10/18
35
（五）、cAMP与代谢物激活蛋白
葡萄糖
葡萄糖-6-磷酸
甘油 某些代谢产物抑制活性
腺苷酸环化酶
ATP
cAMP
编码
cAMP-CAP
Crp基因
代谢物激活蛋白 CAP
葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对 cAMP的抑制完成的。
2022/10/18
22
一、酶的诱导 ——
lac 体系受调控的证据
两种含硫的乳糖类似物：
异丙基巯基半乳糖苷
（IPTG）
巯甲基半乳糖苷（TMG）
E. coli 在不含乳糖的培养基生 长时，β-半乳糖苷酶含量极低；
分子生物学-13-4-第七章原核基因表达调控-Arb
因此只有在没有葡萄糖的时候，同时又有半乳糖的时候，启动子1才是开放的为什么gal 操纵子需要两个转录起始位点？（涉及半乳糖在细胞代谢中的双重功能）半乳糖两个作用： 可以作为唯一碳源供细胞生长; 与之相关的物质--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal ）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。
而启动子也有两个： galP1起始的转录——无内源葡萄糖、有外源半乳糖时进行，以保证碳源的供应。
galP2起始的转录——有内源葡萄糖、无外源半乳糖时进行，以保证细胞壁的合成需要。
生理功能（可以理解为生物学意义？）无论从必要性和经济性考虑，都要有一个不依赖于cAMP-CAP 的启动子(s2) 进行本底水平的组成型合成，以及一个依赖于cAMP-CAP 的启动子(s1),进行高水平的调节，这样既可以满足细胞最基本的需要（细胞壁），又可以满足在没有葡萄糖而有半乳糖时，细胞能够利用半乳糖进行生长。
进一步解释:gal P2是不依赖于cAMP-CRP 的，相反： cAMP-CRP 对gal P2还起到一种抑制作用，这是因为其与结合位点的结合，会影响到RNA 聚合酶对gal P2的利用。
因此教材上（page257）认为：只有S2活性完全被抑制时，（S1）的调控作用才是有效的。
7.4.2 阿拉伯糖操纵子（arabinose operon)araB 基因、araA 基因和araD, 形成一个基因簇，简写为araBAD三个基因的表达受到ara 操纵子中araC 基因产物AraC 蛋白的调控。
C 蛋白有三个结合位点O2、O1和 I 。
I BADCRPO2O1C结构基因调节基因P BADaraC 基因是araBAD 的调节基因L核酮糖激酶L阿拉伯糖异构酶L核酮糖-5-磷酸-4-差相异构酶结合到ara I 的时候，由于araBAD的启动子本身与ara I有部分重叠，另外还可以引起上游序列回折弯曲，使得AraC同时与O2结合，从而使CRP 聚合酶也不能结合到启动子上，araBAD基因不转录。
分子生物学基础第七章真核基因表达的调控第三节真核基因表达转录水平的调控
第七章 真核基因表达的调控
第三节 真核基因表达转录水平的调控
一、真核基因转录与染色质结构变化的关系 DNA绝大部分都在细胞核内与组蛋白等结合成染色质， 染色质的结构影响转录，至少有以下现象： 1．染色质结构影响基因转录 在真核细胞中以核小体为基本单位的染色质是真核基 因组DNA的主要存在方式。DNA盘绕组蛋白核心形成核小体， 妨碍了与转录因子及RNA聚合酶的靠近和结合，使基因的 活性受到抑制。 2．组蛋白的作用 组蛋白H1及核心组蛋白共同参与核小体的组装与凝聚。 在特殊氨基酸残基上的乙酰化、甲基化或磷酸化等修饰， 可改变蛋白质分子表面的电荷，影响核小体的结构，从而 调节基因的活性。
第三节 真核基因表达转录水平的调控
图7-6 碱性螺旋-环-螺旋结构图
第三节 真核基因表达转录水平的调控
螺旋-转角-螺旋结构域是最早发现于原核生物中的一个关键因子， 该结构域长约20个aa，主要是两个α-螺旋区和将其隔开的β转角。 其中的一个被称为识别螺旋区，因为它常常带有数个直接与DNA序列 相识别的氨基酸。其结构如图7-3所示。
图7-3 螺旋-转角-螺旋结构及其与 DNA的结合
第三节 真核基因表达转录水平的调控
2．增强子 增强子是指能使基因转录频率明显增加的DNA序列。增强子的作 用有以下特点。 ①增强效应十分明显。一般能使基因转录频率增加10~200倍，有 的可以增加上千倍， ②增强效应与其位置和取向无关。 ③大多为重复序列。 ④增强效应有严密的组织和细胞特异性。说明只有特定的蛋白质 （转录因子）参与才能发挥其功能。 ⑤没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应。 ⑥许多增强子还受外部信号的调控，如金属硫蛋白的基因启动区 上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。 ⑦增强子要有启动子才能控
L 原核生物的转录调控
The cis-acting sequence functions exclusively as a DNA sequence 在原位, affecting only the DNA to which it is physically linked. (In some cases, a cisacting sequence functions in an RNA rather than in a DNA molecule, such as RNA termintor)
Inducible genes （诱导性基因）: expressed only when they are activated by inducers or cellular factors.
真核生物与原核生物表达调控的差异
In eukaryotic cells, RNA 生成过程 may be regulated at the stages of modification, splicing, transport, or stability. In bacteria, an mRNA is in principle available for translation as soon as it is synthesized, and these stages of control are not available.
影响自身基因表达活性的非编码DNA序列。
Operon: a unit of prokarytoic gene
expression and regulation which typically includes: 1. Structural genes for enzymes in a specific biosynthetic pathway whose expression is coordinately controlled 2. Control elements, such as operator sequence 3. Regulator gene(s) whose products recognize the control elements.
(武汉大学)分子18.原核生物的转录调控
（武汉大学）分子18.※原核生物的转录调控●本章概要●不同基因启动子的强度不同，基因表达水平不同●受调控的基因（管家基因与组织特异性基因）●持家基因所有细胞中均要表达的一类基因●控制细胞基本生命过程●可诱导基因当被诱导物或细胞因子激活时表达●常常由胞外信号的改变而表达●基因调控在转录起始时最为常见●转录调控的原理●调控蛋白DNA结合蛋白，识别受其控制的基因上或基因附近的特异位点●activator 活化子（正调控蛋白）增强基因转录●repressor 抑制子（负调控蛋白）降低或关闭基因转录●一般在转录起始作用的原因●在起始阶段抑制能够避免能量和资源的浪费●比起翻译起始（调控数个mRNA），转录起始（调控一个启动子）更容易调控●在转录起始之外阶段调控的优势●可以有更多信号参与调控，具有更多检查点●对信号有更快的反应●recruitment 募集调控靶点——RNA聚合酶与启动子结合●basal level 本底水平表达组成型低水平表达●通常情况下RNA聚合酶微弱地结合在启动子上●activator 活化子同时结合DNA和RNA聚合酶，增加两者间的亲和力●有两个结合位点：DNA和RNA聚合酶●增加转录水平●repressor 抑制子结合到DNA与RNA聚合酶结合区相重叠的位点●阻止RNA聚合酶的结合，从而抑制或阻止转录●operator 操作子（注意区别operon 操纵子）DNA上抑制子结合的位点●allostery 变构调控靶点——从closed complex向open complex的转变●activator 活化子closed complex: 聚合酶与启动子结合，DNA保持双链状态 open complex: 在起始位点周围约14bp处解链形成转录泡●使RNA聚合酶从closed complex转变为open complex，继而开始转录●repressor 抑制子●抑制闭合式到开放式复合物的转变●抑制启动子逃离●远程激活和DNA环化●DNA结合蛋白互作调控蛋白可以结合在离启动子区较远的位点并发挥作用●DNA-弯曲蛋白协助弯曲DNA●转录起始外的调控●其他调控点●转录的延伸和终止●核糖体蛋白基因的翻译●由RNA进行的转录和翻译的调控●attenuation 衰减作用●核糖开关●小干扰RNA●原核生物转录调控实例●乳糖操纵子 (lac operon) [recruitment 募集调控]细菌利用乳糖作为碳源时需要lacZYA编码的酶●启动子结构组成●3个结构基因受一个启动子P_{lac}调控，转录为一条lacZYA mRNA●lacZ●编码β-半乳糖苷酶将乳糖切割成半乳糖和葡萄糖●lacY●编码乳糖渗透酶插入细胞膜，将乳糖转运到细胞内●lacA●编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶消除lacY转入的硫代半乳糖，防止毒伤细胞●2个控制元件●CAP site●结合活化子CAP (cAMP receptor protein, CRP)●招募RNA聚合酶指导转录起始●启动子P_{lac}的-35区缺乏UP-element，不适合RNA聚合酶结合暗示了活化子结合位点的存在●O_{lac} (lac operator)●结合lac 抑制子●抑制RNA聚合酶的结合●O_{lac}与P_{lac}有重叠，阻止RNA聚合酶与启动子结合●发生机制CAP和抑制子的联合作用保证在乳糖存在且缺少葡萄糖的环境中，lac基因得以显著表达●同时存在葡萄糖和乳糖时，优先使用葡萄糖，lac基因低水平转录●抑制子感应乳糖信号●当乳糖含量低时，抑制子激活，lac基因不转录●活化子CAP感应葡萄糖信号与RNA聚合酶的αCTD直接相互作用（αCTD：原结合UP-element的位点）｜帮助RNA聚合酶与P_{lac}结合和稳定●当葡萄糖含量低时，活化子激活，lac基因高水平转录●信号控制二级信号：异乳糖 / cAMP●异乳糖← lactose乳糖由β-半乳糖苷酶介导转变为异乳糖，能关闭抑制子，抑制其与O_{lac}的结合●乳糖水平低，异乳糖水平低，大部分lacZYA被抑制子抑制●乳糖水平高，（细胞内原有的）乳糖渗透酶吸收乳糖转变为异乳糖，与抑制子结合使其失活，lacZYA得到转录●cAMP← glucose葡萄糖降低cAMP浓度，抑制CAP-cAMP与CAP site的结合●葡萄糖水平低，cAMP浓度高，CAP-cAMP可以与lacZYA结合并转录●葡萄糖水平高，cAMP浓度低，CAP缺少cAMP而无法与lacZYA结合●不同的σ factor不同的σ因子结合RNA聚合酶，与不同的启动子亲和力增强，从而转录不同的启动子●σ^{70}——最常见的σ factor●热休克σ^{32}（heat shock 热休克反应）●当环境温度>37℃，参与转录蛋白质●有其特有的启动子共有序列●感染B. subtilis的噬菌体SPO1的级联表达上一时期基因的转录产物中包含这一时期所需的σ factor●两个活化子NtrC和MerR[allostery 变构调控]●NtrC——参与控制氮(N)代谢的基因表达●具有ATPase活性为诱导聚合酶产生构象变化而提供能量●作用于离基因较远处●具有独立的激活域和DNA结合域，只有在低氮时与DNA结合，使RNA聚合酶由closed complex向open complex转变低氮水平（信号）→ NtrC磷酸化发生构象改变→ 暴露NtrC的DNA结合区，发生结合→ NtrC与σ^{54}直接相互作用→ 激活NtrC的ATPase活性，为RNA聚合酶构象改变提供能量→ 转录起始●MerR——控制merT基因编码抗汞(Hg)酶●通过改变DNA构象激活merT的表达●Hg离子不存在MerR结合启动子，但其构象不利于转录（-35元件与-10元件间的距离是19bp）●Hg离子存在MerR-Hg^{2+}构象改变→ 启动子中心扭曲→ -35与-10 元件间距缩短（易于σ^{70}结合）→ 转录起始●抑制作用的其他变构机制●E.coli Gal抑制子抑制closed complex向open complex的转变●噬菌体Φ29的P_4蛋白抑制启动子的逃离（在不同启动子中作用不同）●结合强启动子P_{A2c}——抑制聚合酶和启动子之间的强相互作用加上活化子相互作用所提供的总结合能太强，将聚合酶固定在启动子上无法移动●结合弱启动子P_{A3}——激活活化子的额外结合能协助招募聚合酶●阿拉伯糖操纵子 (araBAD operon)●启动子在有阿拉伯糖而没有葡萄糖时启动激活转录，编码代谢阿拉伯糖所需的酶（类似于lac operon）●两个活化子●AraC●有阿拉伯糖时阿拉伯糖结合AraC，AraC结合araI_1和araI_2位点，I_2位点上的AraC激活RNA聚合酶起始转录●无阿拉伯糖时AraC结合araI_1和araO_2位点而发生DNA环化，araI_2位点未被激活，转录不能起始●CAP在无葡萄糖时结合到CAP site协助转录●阿拉伯糖转录启动子常被用作expression vector 表达载体●阿拉伯糖诱导araBAD启动子的数量级非常大●阿拉伯糖对araBAD启动子的控制力很强●λ噬菌体的调控●基因组结构●50Kb，含有61个基因●启动子●强启动子：P_R, P_L（P_R：向右转录，P_L：向左转录）●弱启动子：P_{RM} (Repressor Maintance), P_{RE} (Repressor Establishment)●两种生长模式●lytic growth 裂解生长●噬菌体DNA的复制●新外壳蛋白的合成●通过宿主细胞裂解释放●lysogenic growth 溶原生长●噬菌体DNA整合进入细菌染色体●在每次细胞分裂的时候主动复制●非常稳定●lysogenic induction 溶原性诱导——从溶原生长到裂解生长的转变●生长模式的维持机制由不同的启动子和调控蛋白决定●cro(control of repressor and other thing)（启动裂解生长）抑制转录●由P_R起始转录单个Cro二聚体结合O_{R3}（占据了弱启动子P_{RM}的位点）→ 强启动子P_R自身进行Cro的转录→ 不断产生Cro蛋白强化过程进行●cⅠ→λ repressor（启动溶原生长）既可以激活也可以抑制转录●正自我调控●由P_{RM}起始转录cⅠ所编码产生的λ repressor二聚化后于O_{R1}结合→ 四聚化使之与O_{R2}结合（占据了强启动子P_R的位点）→ O_{R2}上的λ repressor作为活化子招募RNA聚合酶→ 激活P_{RM}的转录进而转录cⅠ不断产生λ repressor ●生长模式的建立——cⅡ蛋白●裂解生长——通过P_R启动●P_R是强启动子，一旦感染发生，它就启动转录，产生cro蛋白●cro蛋白水平达到一定量时结合O_{R3}，关闭P_{RM}（导致溶原生长无法进行）●溶原生长——通过P_{RM}启动为建立溶原生长，cⅡ 必须在cro抑制P_{RM}前激活之由P_{RE}建立，由P_{RM}维持●P_R转录的产物除了cro外还有cⅡ●cⅡ结合DNA，激活启动子P_{RE}，产生cⅠ蛋白●当cⅠ达到一定量时结合在O_{R1}和O_{R2}上，启动P_{RM}的转录●cⅡ 稳定性受E. coli生长条件控制——FtsH 蛋白cⅡ在E. coli中不稳定，被蛋白酶FtsH降解●E. coli生长条件良好●FtsH活性高→ cⅡ被其降解→ 发生裂解生长●E. coli生长条件恶劣●FtsH活性低→ cⅡ积累→ 发生溶原生长●本章名词●转录调控的原理●activator●repressor●basal level (contitutive expression)●operator●recruitment●allostery●原核生物转录调控实例●Lac repressor●lac operator●lactose●glucose●expression vector●λ噬菌体的调控●lytically●lysogenically●lysogenic induction●重点知识点●什么是调控蛋白？什么是受调控基因？转录调控的原理是什么？调控蛋白可分为两类：正调控蛋白或活化子、负调控蛋白或抑制子。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3.乳糖阻抑物
• lacI基因编码乳糖阻抑物，只有以同亚基 四聚体形式存在时才具有活性。
• 阻抑物对于Olac具有很强的亲和力，对于 DNA也有较高的亲和力。
• Olac由具有回文结构的28 bp碱基组成。 • 回文结构：双链中每一条链均按5’ 3’
方向阅读，其序列相同。
第七章原核生物的转录调控
一、乳糖操纵子
1.操纵子
• 1961年，Jacob和Monod提出了操纵子模 型，这是与特殊代谢途径有关的基因转 录的协同调控模型。
操纵子是基因表达和调控的单元， 典型的操纵子包括：
• 结构基因：除调节基因以外的所有基因，
编码在特定的生物合成途径中起作用的、 其表达被协同调控的酶。
2. 色氨酸阻抑物
• 色氨酸阻抑物能与色氨酸操纵子的操纵 基因位点特异性相互作用。
• 色氨酸阻抑物能结合色氨酸并且只有当 它与色氨酸结合形成复合物后才能结合 到操纵基因上。
3. 弱化子
• 在操纵基因和trpE基因编码序列之间一段 序列的缺失将导致基本转录水平和活化 （解阻抑）后的转录水平的上升。该位 点称为弱化子，它是位于trpE起始密码子 前面 162 nt的转录前导序列的末端。
i po
z
y
a
Inactive -GalactosidasePermease Transacetylase
• 乳糖或合成诱导物如异丙基- β-D-硫代半 乳糖苷（IPTG）能非常迅速地刺激乳糖 操纵子结构基因的转录。
• IPTG经常用于LacZ启动子控制下的克隆 基因的表达。
5. cAMP受体蛋白（CRP）
• lacZ：编码β-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。
• lacZ、 lacY、 lacA被同一个转录单元 lacZYA编码，有一个启动子Plac
• 乳糖操纵子的三个结构蛋白是作为一个 多顺反子（在同一调控序列下含有不止 一个编码区）的mRNA一起表达的。
• 异乳糖可以作为诱导物结合到乳糖阻抑 物上，从而引起阻抑物四聚体构象的变 化，从而降低其对乳糖操纵序列的亲和 力。
• 乳糖阻抑物从操纵序列上脱离下来，聚 合酶迅速开始lac ZYA基因的转录。
Absence of lactose
i po
z
y
a
Active
No lac mRNA
Presence of lactose
• 调控元件：如操纵序列，是协调结构基
因转录的一段DNA序列。
• 调节基因：其产物能够识别调控元件，
例如阻抑物，可以结合并调控操纵基因 序列。
调控元件 结构基因
2.乳糖操纵子
• E.coli能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖 作为碳源的酶只有当乳糖作为唯一的碳 源时才能被合成。
乳糖操纵子由三个结构基因组成
5’------GAATTC-------3’ 3’------CTTAAG-------5’
• 当缺少诱导物（如乳糖）时，阻抑物占 据了操纵序列的结合位点。
• 乳糖阻抑物和RNA聚合酶能够同时结合 到乳糖启动子和操纵序列位点。
• 乳糖阻抑物实际上使聚合酶结合到乳糖 启动子上的能力增加了两个数量级。
• CRP –cAMP复合物结合到乳糖操纵子的 启动子Plac上，这增强了RNA与启动子的 结合，使转录效率提氨酸操纵子
• 色氨酸操纵子包括色氨酸合成途径中相 关的5个结构基因，它们都在单一启动子 Ptrp和操纵基因Otrp位点的调控之下。
• 该操纵子编码一个转录单元，即从色氨 酸启动子Ptrp和操纵基因位点Otrp向下游 转录出7 kb的转录物。
调节基因 顺式作用元件
结构基因
lacI
lacZ
lacY
lacA
DNA
PlacI
Plac Olac
m-RNA
β-半乳糖苷酶 透性酶
Protein
乙酰基转移酶
• 操纵基因位点Olac：位于Plac启动子5’端 的-5到+21之间
• Olac可与乳糖阻抑物结合 • 乳糖阻抑物被一个独立的调节基因lacI
• Plac启动子并非强启动子。 • Plac及其相关的启动子没有强的-35序列，
其中一些甚至只有弱的-10的共有序列。 • 为了实现高水平的转录，它们需要一种
特定的激活蛋白即CRP。
• 葡萄糖会降低细胞内cAMP的水平。
• 当葡萄糖缺乏时，大肠杆菌细胞内cAMP 水平上升，CRP结合到上cAMP 。
• RNA聚合酶与Plac结合紧密 ,但是由于阻 抑物的作用,使得转录不能进行。
Plac
4.诱导
• 当缺少诱导物时，乳糖阻抑物阻碍了几 乎全部的lac ZYA的转录而使之保持很低 的转录水平。
• 当乳糖加入到细胞中后，细胞本身所含 的低量的透性酶使之能吸收乳糖，β-半 乳糖苷酶则催化一些乳糖转化为异乳糖。
THANKS