分子生物学第5章

CAP的正性调节 + + + + 转录
DNA
CAP
P
O
Z
Y
A
CAP CAP CAP CAP
无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
4· 乳糖操纵子的双重调控
• LacI和CAP的双重调控 存在乳糖而解除LacI的阻遏调控 缺乏葡萄糖而启动CAP的激活调控 • 意义：经济
高效表达
合，RNA聚合酶可以有效地转录结构基因，最终提高色氨酸的合成 速度
• (2)当色氨酸充足时，色氨酸作为阻遏物与阻遏蛋白TrpR结合，使
之变构成为活性TrpR ，与操纵基因trpO结合，阻遏RNA聚合酶与 启动子trpP结合。己经转录的mRNA也很快降解，最终降低色氨酸 的合成速度
3、衰减调控
• 作用于转录延长环节
二、转录水平的调控
(一)调控因素
• 原核生物基因的转录调
控是由RNA聚合酶、调控序列
和调节蛋白决定的
1· 调控序列
• 启动子和终止子，操纵基因和分解代谢物基因激活蛋白结合 （CAP）位点 (1)操纵基因(operator):位于启动子和结构基因之间，相邻、 重叠或包含于启动子内，是阻遏蛋白的结合位点 (2) CAP位点:位于启动子上游，CAP的结合位点
操纵基因 ——阻遏蛋白的结合位点
当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍 RNA 聚合酶与启动序列的结合，或是 RNA 聚合 酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。
启动序列 操纵序列 阻遏蛋白 编码序列 pol
2· 调节蛋白
• DNA结合蛋白，与调控序列结合影响转录 (1)分类: • ①特异因子：σ因子——启动子 • ②阻遏蛋白：操纵基因（负调控） • ③激活蛋白：CAP位点（正调控） (2)作用模式：环境信号（诱导物和阻遏物）影响 环境信号与调节蛋白结合，改变调节蛋白构象，影响调节蛋白 与调控序列的结合，调控基因表达。四种模式: 钝化 可诱导基因： 诱导物 活化 活化 可阻遏基因： 阻遏物 钝化 激活蛋白 激活蛋白 阻遏蛋白 阻遏蛋白
• 大肠杆菌DNA聚合酶IV和V的编码基因只在SOS应答后期表达 • 长期饥饿时人体表达糖异生途径关键酶 • 受到病原体感染时人体表达细胞因子、免疫球蛋白
三、基因表达调控的生理意义
• 根本目的：适应环境 细胞生长、分裂、分化、凋亡 个体生存、生长、发育、繁殖、衰老 • 1· 适应性调控 适应环境
• 单细胞生物：维持细胞生长和细胞分裂
2、 空间特异性
在同一生长发育阶段，不同基因在同一组织器官的 表达水平不同；而同一基因在不同组织器官的表达水平 也不同。 基因表达的空间特异性是细胞分化所形成的组织器 官中体现，所以也成为细胞或组织特异性
3、条件特异性
• 许多基因(特别是奢侈基因)的表达水平受代谢条件和环境
因素影响
• 例如:
• 大肠杆菌乳糖操纵子在有乳糖而缺乏葡萄糖时高水平表达
结合乳糖、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：
葡萄糖（G） 乳糖 基因开放 基因关闭 机理简述（学生填充）
①
×
× √ √
√
× × √
√
√ √ √
CAP正控、乳糖去阻遏、基因开放、转录进行 不能诱导去阻遏，CAP即使结合，基因未开放 细菌优先用G，无CAP结合，无诱导去阻遏 CAMP-CAP复合物无，CAP位点空，去阻遏 也无RNA pol结合
二、基因表达调控的特异性
1、 时间特异性
在生命同一生长发育阶段，不同基因的表达水平不 同；而同一基因在生命的不同生长发育阶段的表达水平 也不同 单细胞生物，特定基因的表达随时间、环境而变化； 多细胞生物，从受精卵到组织器官形成的各个不同发育
阶段，相应基因严格按一定时间顺序开启或关闭，基因
表达的时间特异性与分化阶段、发育阶段一致，所以又 称阶段特异性。
• trpL位于trpE与trp0之间，转录产物长162nt，分为四个
区段，分别用序列1、2、3、4表示 • 序列1编码一个被称为前导肽的十四肽，其中第10、11号 氨基酸是两个色氨酸 • 序列2、3存在互补序列，可形成茎环结构
• 序列3、4也存在互补序列，可形成茎环结构，该茎环结构
之后有一段连续的U序列，是一个不依赖ρ因子的终止子 结构，称为衰减子 (attenuator，也称为弱化子)
方式属于组成性表达
2、奢侈基因（luxury gene）：仅在特定组织中有高
表达，表达产物具有特殊功能。易受环境因素影响，
即受到调控，表达方式属于条件性表达
奢侈基因
对环境信号的应答方式，分2类： • ①可诱导基因：受环境信号刺激时启动表达或表达增强， 属于诱导表达（induce expression） • ②可阻遏基因：受环境信号刺激时终止表达或表达减弱， 属于阻遏表达（repress expression），相应的环境信号 称为阻遏物（repressor）
• 高等生物：调节代谢，例如:经常饮酒者体内醇氧化酶活性提高 • 2· 程序性调控 生长发育的不同阶段；不同组织器官 • 高等哺乳动物细胞的分化和各种组织器官的发育都是由相应的基 因控制的，一旦某种基因发生突变或表达异常，就会导致相应组
织器官的发育异常
四、基因表达调控的多环节性
系统、复杂、精巧的基因表达调控机制
物称为反式作用因子 (trans-acting factor)。
• 包括蛋白质 (即调节蛋白)和RNA(例如微RNA)等。
2、调节蛋白 • 属于反式作用因子，通过与顺式作用元件结合调控基
因表达
• 分两种情况: ①正调节蛋白促进基因表达，称为正调控;
②负调节蛋白阻遏基因表达，称为负调控。
• 原核生物：正调控和负调控 真核生物：正调控为主
低Trp时： Trp-tRNATrp 没有供应 核糖体翻译停止在片段1 （2个Trp密码子） 片段2，3 形成发夹结构 转录不终止
RNA聚合酶继续转录
I
pol P
O
Z
Y
A
没有乳糖存在时
DNA mRNA
I
pol
P
O
Z
Y
A
mRNA
启动转录
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶 别乳糖 乳糖
有乳糖存在时
3· 乳糖操纵子的激活调控
野生型lacP为弱启动子，需要激活蛋白CAP的激活调控 CAP含两个结构域: • ①N端结构域:cAMP结合域 • ②C端结构域:DNA结合域，与CAP位点结合 CAP须先与cAMP形成复合物——CAP位点——CAP的激活受 cAMP浓度控制。 cAMP的浓度与葡萄糖的浓度呈负相关 • ①当葡萄糖缺乏时，cAMP浓度高，CAP· cAMP复合物浓度高， 与CAP位点的结合效应强，通过与RNA聚合酶α亚基作用促进 其与启动子的结合，可以将转录启动效率提高50倍; • ②当葡萄糖充足时，与上相反
第五章
基因表达调控
第一节 基因表达调控的基本原理
• 在不同时期和不同条件下，基因表达的开启 或关闭以及基因活性的增加或减弱等是受到 严格调节控制的，这种控制即基因表达调控 • 调控可以发生在基因表达的任何阶段。
一、基因表达调控的基本方式
• 基因根据表达及表达调控特点分2类 1、管家基因（housekeeping gene）：其表达产物在 整个生命过程中都是必需的，因此在一个生物体的 各中细胞内持续表达。受环境因素影响较小，表达
序列3、4不能形成衰减子结构，下游的结构基因可以被有效转 录
(2)当色氨酸充足时，色氨酰tRNA供给充足，核糖体迅速翻译序列1
合成前导肽，并对序列2形成约束，使序列2、3不能形成茎环结 构，转而序列3、4形成转录终止子结构衰减子，使下游正在转 录结构基因的RNA聚合酶脱落，终止转录
转录衰减机制:
新生肽链 核糖体
前导序列：在trp mRNA5'端trpE基因的起始密码前一 个长162nt的mRNA片段。
第10和第11位上有相 邻的两个色氨酸密码子
转录与翻译的偶联是衰减调控的基础 色氨酰tRNA浓度的变化是衰减调控的信号
(1)当色氨酸缺乏时，色氨酰tRNA供给不足，合成前导肽的核糖体
停滞于序列1的色氨酸密码子位点，序列2、3形成茎环结构，使
基因表达（+）
基因表达（-）
(二)乳糖操纵子
• 葡萄糖是大肠杆菌的主要能源 • 葡萄糖效应或分解代谢物阻遏：当可以得到葡萄糖和乳糖时， 大肠杆菌会先利用葡萄糖。当葡萄糖全部耗尽之后，大肠杆 菌停止生长。经过短时间的适应，大肠杆菌就会利用乳糖的 现象。
• Jacob和Monod(1965年诺贝尔生理学或医学奖获得者)通过研
R
P
O
leading seq.
E
D
C
B
A
+
wenku.baidu.comNegative-repressible operon trp
70-fold lower than fully de-repressed
2、阻遏调控
• 操纵子上游存在调节基因trpR，编码同二聚体阻遏蛋白TrpR
• (1)当色氨酸缺乏时，游离的阻遏蛋白TrpR不能与操纵基因trpO结
第二节
原核生物基因表达调控
• 单细胞生物
• 没有能量储备系统
• 对环境（生存和营养）的高度适应能力
• 生长繁殖最优化
• 操纵子结构
一、原核生物基因表达调控的特点
• 1· 以操纵子为单位进行转录 操纵子 (operon)：是原核细胞DNA上的一段区域，由若干功能 相关的结构基因和控制这些基因表达的元件组成的一个完整的连续的 功能单位。 • 2· 基因转录的特异性由σ因子决定 不同的σ因子与核心酶结合，可以转录不同的基因 环境变化可以诱导表达特定的σ因子，启动转录特定的基因 • 3· 转录与翻译偶联 没有核膜包被 除了σ因子之外 • 4· 基因表达既有正调控，又有负调控 • 5· 存在衰减子调控机制 • 6· 基因表达存在应急应答调控机制 当遇到诸如氨基酸缺乏等紧急情况时，会产生应急应答，包括 各种RNA、蛋白质、糖和脂肪在内的几乎所有合成代谢都停止
5’ 1 2
衰减子结构 (attenuator)
3
4
mRNA
UUUU 3’
DNA
trp 密码子
当色氨酸浓度高时
核糖体
5’
1
2
3 4
当色氨酸浓度低时
高Trp时： Trp-tRNATrp 存在
核糖体通过片段1(2个Trp密码子) 封闭片段2
片段3，4形成发夹结构 类似于不依赖ρ因子的转录终止序列 RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物 转录、翻译偶联,产生前导肽
信号转导网络系统为基础
RNA的转录合成——蛋白质的翻译后修饰，各个环节
基因 激活
转录起始 转录后加工 mRNA降解
蛋白质翻译 翻译后加工修饰
蛋白质降解等
五、基因转录调控的基本要素
主要是控制转录起始，基本要素：RNA聚合酶、调控序列和调节蛋白 1、调控序列 • ①顺式作用元件 (cis-acting element):是基因序列的一部分，绝大 多数与结构基因 (转录区)在同一染色体DNA上，位于结构基因上游、 下游或内部，通过与RNA聚合酶、调节蛋白结合调控基因表达。 • 包括启动子、终止子、原核生物的操纵基因和衰减子、真核生的增强 子和沉默子等 • ②反式作用元件 (trans-acting element):属于调节基因，与靶基因 在同一或不同染色体DNA上，通过编码产物调控基因表达，其编码产
究于1960年提出了乳糖操纵子模型 • 阐述原核生物基因转录调控机制的经典模型
1、乳糖操纵子的结构
调控序列
结构基因
DNA
P
O
操纵序列
Z
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶
Y： 透酶 A：乙酰基转移酶
启动序列 CAP结合位点
2· 乳糖操纵子的阻遏调控
• 上游调节基因lacI，组成性表达阻遏蛋白LacI
• 在没有乳糖时会与lacO结合，阻挡RNA聚合酶沿着DNA模板链移
动，即阻遏转录，导致转录启动效率极低 • 在有乳糖时，乳糖被微量存在的几个β-半乳糖苷酶分子催化 水解，同时生成少量副产物别乳糖（诱导物）与LacI结合使之 变构，不再与lacO结合，因而不再阻遏RNA聚合酶移动，转录 启动效率可以提高1000倍
阻遏蛋白的负性调节
阻遏基因 DNA mRNA 阻遏蛋白
②
③ ④
(三)色氨酸操纵子
• 编码一组催化分支酸合成色 氨酸的酶类，受阻遏调控和
衰减调控双重负调控
1、结构：
• trp操纵子是由一个控制区和五个结构基因组成； 五个结构基因编码色氨酸生物合成需要的5种蛋白 的多顺反子mRNA。
• 控制区由启动子trpP、操纵基因trpO和前导序列
trpL构成；
● E.coli trp synthetase operon ( C. Yanofsky stanford Univ. )