过程分子生物学(1 )
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膜激活母体细胞中的sK。即：sF → sE → sG → sK 。
枯草杆菌孢
Spo0A 前孢区
母细胞
子 形成过程中 两 条途径的 s s43
子 因交叉激
sF
活
打开48个基
因
s
s
F
E
SpoII
隔膜
s43
R
SpoIIG
sE
A
sG
SpoIIA
s
s 打开
SpoIVB
G
K
81
sK
激活
个基
表达
因
5h 5h
Spo0 A
s E（rpoE） 202
20
GAA
16 bp
YCTAGA
s FecI（fecI） 173
2 TGNCTG
15 bp CGTCTT
1A 原核生物基因表达的启动开关
b 枯草杆菌启动子的多样性
枯草杆菌中存在着大约二十类不同的启动 子，其中有些隶属于正常的生理代谢基因，有 些则隶属于噬菌体感染、孢子生成、次级代谢 过程中的相关基因。
5 - 9 bp
结构基因
-10区 T80A95T45A60A50T96
1A 原核生物基因表达的启动开关
a 大肠杆菌启动子的多样性
绝大多数原核生物的RNA聚合酶均由五个亚基组成：a2bb’s（全酶），其中 a2bb’称为（核心酶）。各种原核细菌的a、b、b’亚基呈高度的同源性，唯独s因 子差别较大。RNA聚合酶核心酶对DNA链具有非特异性的亲和力（碱性蛋白与酸
母细胞裂解，孢子释 放
枯草杆菌孢子形成过程中的RNA聚合酶及其 s因当子环境压力（例如营养成份枯竭）时，枯草杆菌细胞内发生一连串的磷酸基团
传递反应，最终导致转录调控因子Spo0A的磷酸化。磷酸化了的Spo0A同时启动两 种不同操纵子的转录，分别表达出sproE和sF。sF一方面启动sG的表达，另一方面又 表达SpoIIR，后者再激活隔膜结合型蛋白SpoIIGA，活化了的SpoIIGA将母体细胞 中表达的sproE裂解为有活性的sE；而在前孢区域内产生的sE均被前孢特有的蛋白酶 摧毁殆尽。母体细胞中sE的活性是激活前孢区域sG所必需的（通过SpoIIA和一种未 知蛋白因子）；而sG的活性又能产生一种信号，跨隔
性DNA之间的静电引力），但s因子增强了RNA聚合酶与启动子区域的特异性结合。
s
因
子
帮
助
R
N
A
聚合酶识别启动子，同时启动转录。
大肠杆菌启动子与s因子的对应关系 （Lewin‘s GENES
X 2010）
因子/基
氨 基 识别数
因
酸
s 70（rpoD） 613 100
-35区序 列 TTGAC
间隔 区 16-18
分别构成RNA聚合酶全酶a2bb’sgp33和a2bb’sgp34。
SPO1噬菌体基因 表
早期基 因
达的级联调控模式
通过更换不同的s因子，
s28
s43
识别并作用于不同基因
的启动子，最终导致这 些基因有次序地级联表
中期基 因
达。前一基因编码后一
s33 / 34
s28
基因表达所需的s因子。
（Lewin‘s GENES X 2010）
基因表达的调控机制
A 原核生物基因表达的启动开关
B 真核生物多转录因子的协同作 C 用 原核生物的RNA结构调 D 控 真核生物的RNA剪切调 E 控 原核生物反义RNA的调 F 控 真核生物sRNA介导的RNA
干扰 G 真核生物应答元件的转录调
控
1A 原核生物基因表达的启动开关
a 大肠杆菌启动子的多样性
华东理工大学硕士研究生学位课程
过程分子生物学
张惠展
分子生物学是生命科学的主导性学 科 基因的表达与调控是分子生物学的主题 思 过程想分子生物学是分子生物学理论发展的高 级阶段
1953-1983 基础分子生物学 阶段20世纪50年代 DNA双螺旋模型的建立
20世纪60年代 遗传密码的破译
20世纪70年代 DNA重组技术的诞生
sproE 打开262个基
因
sproK 打开75个基
因
枯草杆菌各类s因子识别启动子的序列偏好性 Science
335 2012
sA
19 bp
sG
17 bp
sB
18 bp
sH
15 bp
sD
15 bp
sK
13 bp
sE
sL
14 bp
sF
1Hale Waihona Puke Baidu bp
在SPO1噬菌体感染过程中的RNA聚合酶及其 s因子SPO1噬菌体感染枯草杆菌后，早期基因表达；4-5分钟后，中期基因表达，
早期基因关闭；8-12分钟后，晚期基因表达，中期基因关闭。早期基因的启动子 由s43（即sA）识别启动，这是枯草杆菌细胞内具有广泛生理生化功能的s因子， 与大肠杆菌中的s70同源，组成a2bb’s43型RNA聚合酶，转录中期基因表达所需的s 因子编码基因gp28。中期基因的启动子由sgp28识别启动，它与枯草杆菌的核心酶 构成a2bb’sgp28型RNA聚合酶全酶，负责转录晚期基因表达所需的s因子编码基因 gp33和gp34。晚期基因的启动子由sgp33和sgp34识别启动，
-10区序 列
TATAA
s 54（rpoN） 477
05
CTGAGN
6 bbpp
TTGTCA
s 32（rpoH） 284
30 CCCTATGA
13-15 CCCGATN
s S（rpoS） 330
100
TTGAACA
16-b1p8
TATTAAT
s F（rpoF） 239
40
CTAAA
15 bbpp GCCGATA
晚期基 因
枯草杆菌的孢子生成过 程 枯草杆菌在对数生长阶段结
束后，培养基中营养物质耗尽， 这时便启动孢子生成过程：先是 DNA复制，隔膜形成，孢衣合成， 母体裂解，孢子释放。最后在细 胞内约40%的mRNA是孢子生
专一性的。
对数生长期细 菌
基因组复 制
隔膜形成
DNA转位至前 孢
孢衣形成
（Lewin‘s GENES X 2010）
通过对100多个大肠杆菌启动子的序列分析，结果表明：大多数具有普通生 理生化功能的基因所属的启动子，具有统一的特征序列。
一个典型的大肠杆菌启动子通常包括下列四个结构要素：
启动子
转录起始位
点
TTGACA AACTGT
16 - 10
bp
-35区 T82T84G78A65C54A45
TATAAT ATATTA
1983-？ 过程分子生物学 阶段20世纪80年代 动植物转基因技术的问世
20世纪90年代 人类基因组计划的实施
21世纪00年代 RNA干扰现象的发现
过程分子生物学
1 基因表达的调控机制
2 细胞通讯的分子机 制
3 免疫多样性的分子识 别
4 胚胎发育的基因表达 谱
5 肿瘤发生的分子机制
6 基因组学与系统生 物学
枯草杆菌孢
Spo0A 前孢区
母细胞
子 形成过程中 两 条途径的 s s43
子 因交叉激
sF
活
打开48个基
因
s
s
F
E
SpoII
隔膜
s43
R
SpoIIG
sE
A
sG
SpoIIA
s
s 打开
SpoIVB
G
K
81
sK
激活
个基
表达
因
5h 5h
Spo0 A
s E（rpoE） 202
20
GAA
16 bp
YCTAGA
s FecI（fecI） 173
2 TGNCTG
15 bp CGTCTT
1A 原核生物基因表达的启动开关
b 枯草杆菌启动子的多样性
枯草杆菌中存在着大约二十类不同的启动 子，其中有些隶属于正常的生理代谢基因，有 些则隶属于噬菌体感染、孢子生成、次级代谢 过程中的相关基因。
5 - 9 bp
结构基因
-10区 T80A95T45A60A50T96
1A 原核生物基因表达的启动开关
a 大肠杆菌启动子的多样性
绝大多数原核生物的RNA聚合酶均由五个亚基组成：a2bb’s（全酶），其中 a2bb’称为（核心酶）。各种原核细菌的a、b、b’亚基呈高度的同源性，唯独s因 子差别较大。RNA聚合酶核心酶对DNA链具有非特异性的亲和力（碱性蛋白与酸
母细胞裂解，孢子释 放
枯草杆菌孢子形成过程中的RNA聚合酶及其 s因当子环境压力（例如营养成份枯竭）时，枯草杆菌细胞内发生一连串的磷酸基团
传递反应，最终导致转录调控因子Spo0A的磷酸化。磷酸化了的Spo0A同时启动两 种不同操纵子的转录，分别表达出sproE和sF。sF一方面启动sG的表达，另一方面又 表达SpoIIR，后者再激活隔膜结合型蛋白SpoIIGA，活化了的SpoIIGA将母体细胞 中表达的sproE裂解为有活性的sE；而在前孢区域内产生的sE均被前孢特有的蛋白酶 摧毁殆尽。母体细胞中sE的活性是激活前孢区域sG所必需的（通过SpoIIA和一种未 知蛋白因子）；而sG的活性又能产生一种信号，跨隔
性DNA之间的静电引力），但s因子增强了RNA聚合酶与启动子区域的特异性结合。
s
因
子
帮
助
R
N
A
聚合酶识别启动子，同时启动转录。
大肠杆菌启动子与s因子的对应关系 （Lewin‘s GENES
X 2010）
因子/基
氨 基 识别数
因
酸
s 70（rpoD） 613 100
-35区序 列 TTGAC
间隔 区 16-18
分别构成RNA聚合酶全酶a2bb’sgp33和a2bb’sgp34。
SPO1噬菌体基因 表
早期基 因
达的级联调控模式
通过更换不同的s因子，
s28
s43
识别并作用于不同基因
的启动子，最终导致这 些基因有次序地级联表
中期基 因
达。前一基因编码后一
s33 / 34
s28
基因表达所需的s因子。
（Lewin‘s GENES X 2010）
基因表达的调控机制
A 原核生物基因表达的启动开关
B 真核生物多转录因子的协同作 C 用 原核生物的RNA结构调 D 控 真核生物的RNA剪切调 E 控 原核生物反义RNA的调 F 控 真核生物sRNA介导的RNA
干扰 G 真核生物应答元件的转录调
控
1A 原核生物基因表达的启动开关
a 大肠杆菌启动子的多样性
华东理工大学硕士研究生学位课程
过程分子生物学
张惠展
分子生物学是生命科学的主导性学 科 基因的表达与调控是分子生物学的主题 思 过程想分子生物学是分子生物学理论发展的高 级阶段
1953-1983 基础分子生物学 阶段20世纪50年代 DNA双螺旋模型的建立
20世纪60年代 遗传密码的破译
20世纪70年代 DNA重组技术的诞生
sproE 打开262个基
因
sproK 打开75个基
因
枯草杆菌各类s因子识别启动子的序列偏好性 Science
335 2012
sA
19 bp
sG
17 bp
sB
18 bp
sH
15 bp
sD
15 bp
sK
13 bp
sE
sL
14 bp
sF
1Hale Waihona Puke Baidu bp
在SPO1噬菌体感染过程中的RNA聚合酶及其 s因子SPO1噬菌体感染枯草杆菌后，早期基因表达；4-5分钟后，中期基因表达，
早期基因关闭；8-12分钟后，晚期基因表达，中期基因关闭。早期基因的启动子 由s43（即sA）识别启动，这是枯草杆菌细胞内具有广泛生理生化功能的s因子， 与大肠杆菌中的s70同源，组成a2bb’s43型RNA聚合酶，转录中期基因表达所需的s 因子编码基因gp28。中期基因的启动子由sgp28识别启动，它与枯草杆菌的核心酶 构成a2bb’sgp28型RNA聚合酶全酶，负责转录晚期基因表达所需的s因子编码基因 gp33和gp34。晚期基因的启动子由sgp33和sgp34识别启动，
-10区序 列
TATAA
s 54（rpoN） 477
05
CTGAGN
6 bbpp
TTGTCA
s 32（rpoH） 284
30 CCCTATGA
13-15 CCCGATN
s S（rpoS） 330
100
TTGAACA
16-b1p8
TATTAAT
s F（rpoF） 239
40
CTAAA
15 bbpp GCCGATA
晚期基 因
枯草杆菌的孢子生成过 程 枯草杆菌在对数生长阶段结
束后，培养基中营养物质耗尽， 这时便启动孢子生成过程：先是 DNA复制，隔膜形成，孢衣合成， 母体裂解，孢子释放。最后在细 胞内约40%的mRNA是孢子生
专一性的。
对数生长期细 菌
基因组复 制
隔膜形成
DNA转位至前 孢
孢衣形成
（Lewin‘s GENES X 2010）
通过对100多个大肠杆菌启动子的序列分析，结果表明：大多数具有普通生 理生化功能的基因所属的启动子，具有统一的特征序列。
一个典型的大肠杆菌启动子通常包括下列四个结构要素：
启动子
转录起始位
点
TTGACA AACTGT
16 - 10
bp
-35区 T82T84G78A65C54A45
TATAAT ATATTA
1983-？ 过程分子生物学 阶段20世纪80年代 动植物转基因技术的问世
20世纪90年代 人类基因组计划的实施
21世纪00年代 RNA干扰现象的发现
过程分子生物学
1 基因表达的调控机制
2 细胞通讯的分子机 制
3 免疫多样性的分子识 别
4 胚胎发育的基因表达 谱
5 肿瘤发生的分子机制
6 基因组学与系统生 物学