第3章 原核生物转录及调控
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是否每次到这里都会中止呢？？？
特点:含有典型的终止子的特点. 特点:含有典型的终止子的特点. 1）茎环结构; 茎环结构; 2） GC丰富的反向重复序列; GC丰富的反向重复序列 丰富的反向重复序列; 3）4个以上的U. 个以上的U.
色氨酸含量高的时候: 色氨酸含量高的时候:
色氨酸含量低的时候: 色氨酸含量低的时候:
3.在转录期间RNA聚合酶的结构和功能位点 3.在转录期间 在转录期间RNA聚合酶的结构和功能位点 Enzyme Movement DNA coding strand (β’ )
Rewinding point (α) Unwinding point (α)
DNA 形成17 bp的解链区 形成17 bp的解链区
Figure 8.11
可诱导的系统
（一）操纵子与乳糖操纵子
1.提出：1961年 1.提出：1961年, Jacob （雅格布）-Monod（莫诺）. 雅格布） Monod（莫诺） 提出 2.操纵子：操纵子是基因表达和调控的单元， 2.操纵子：操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子 操纵子 包括： 包括：结构基因、调控元件和调节基因。 3.乳糖操纵子的结构和功能 3.乳糖操纵子的结构和功能： 乳糖操纵子的结构和功能： 大肠杆菌一般利用葡萄糖作为碳源,如果用乳糖做碳源, 大肠杆菌一般利用葡萄糖作为碳源,如果用乳糖做碳源, 需要β 半乳糖苷酶, 需要β-半乳糖苷酶,这个酶只有当乳糖成为唯一的碳源时 才会被合成。这个酶的合成是由乳糖操纵子调控的. 才会被合成。这个酶的合成是由乳糖操纵子调控的.
Plac Olac
调控元件
lacZ
lacY
结构基因
lacA
转录单元lacZYA
转录方向
乳糖阻抑物5/+21） 含回文结构（ 含回文结构（-5/+21）
lacl
RNA lacl
Plac Olac
lacZ
lacZ
lacY
lacY
lacA
lacA
PlacI
β-半乳糖苷酶 半乳糖苷酶 透性酶
乳糖阻抑物单体
基因表达调控的 主要方式
第3章 原核生物转录及其调控
原核生物转录和翻译是偶联的，其mRNA为编码多种蛋白的 多顺反子。原核生物σ 因子协助RNA聚合酶识别启动子基 σ 本元件并由此起始转录 ，并在具有发卡结构的终止子处 （或在ρ因子协助下）结束转录。 σ 因子是基因选择性 转录的调控因子。启动子上游具有能结合转录激活因子如 CRP（CAP）的调控元件从而大幅度地提高转录效率。 操纵子是原核生物调控的主要模式，其中最典型的代表为 乳糖操纵子和色氨酸操纵子。除了调控蛋白与操纵元件结 合阻止RNA聚合酶前进达到降低转录效率主要调控途径外， 还存在一种称之为“弱化子”特殊调控模式。弱化子通过 前导肽的翻译过程中核糖体占位是否影响前导mRNA的终止 子形成而控制后续mRNA分子合成。
弱化作用导致的调节
核苷酸）；加入第二个碱基后，形成第一个磷酸二酯键，直至加 ）；加入第二个碱基后 核苷酸）；加入第二个碱基后，形成第一个磷酸二酯键， 入九个碱基。 入九个碱基。
RNA起始 RNA起始
起始成功后，聚合 起始成功后， 酶释放出σ因子 因子， 酶释放出 因子， 核心酶形成核心酶 DNA形成核心酶-DNA新生RNA链三元 新生RNA链三元 三聚）复合物。 （三聚）复合物。 随着转录泡的移动， 随着转录泡的移动， 不断地解螺旋和再 螺旋（ 螺旋（解螺旋区域 的大小稳定地保持 17bp）， ），RNA 在17bp），RNA 链不断的延长。 链不断的延长。
DNA template strand Catalytic(RNA/DNAhybrid) (β)
RNA binding site
转录的开始
转录水平调控 的主要部位
1.启动子结合（闭合启动子复合物的形成） 启动子结合（闭合启动子复合物的形成） 闭合启动子复合物：RNA聚合酶与DNA组成的复合物 聚合酶与DNA组成的复合物， 闭合启动子复合物：RNA聚合酶与DNA组成的复合物，一 般在DNA DNA的 35序列处 不能起始RNA合成。 序列处， RNA合成 般在DNA的-35序列处，不能起始RNA合成。 2.DNA解旋 开放启动子复合物的形成) 解旋（ 2.DNA解旋（开放启动子复合物的形成) 开放启动子复合物：启动子与RNA聚合酶在-10序列处形 RNA聚合酶在 开放启动子复合物：启动子与RNA聚合酶在-10序列处形 成的复合物，在这里有更多的碱基被打开并能进行RNA 成的复合物，在这里有更多的碱基被打开并能进行RNA 的起始合成。 的起始合成。 3.RNA链起始 3.RNA链起始 起始位点为第一个嘌呤残基，其中G 更常见。 起始位点为第一个嘌呤残基，其中G比A更常见。当加入 第一个碱基后， 起始三元复合物（全酶-DNA第一个碱基后，形成了起始三元复合物（全酶-DNA-第一个
转录单位
编码链/ +链 模板链/ -链
转录：DNA-RNA 起始-延伸-终止
Figure 8.2
Promoter） 启动子（Promoter）
··· ··· TTGACA ···16-18 bp ··· TATAAT ···5-8 bp··· C -35序列 序列 增强转ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ频率 识别区 -10序列 序列 解旋区 G T A +1 转录起始位点
依赖ρ 依赖ρ的转录终止
Rho factor (ρ)-dependent termination
第二节 原核基因转录水平的顺式调节 ——大肠杆菌 ——大肠杆菌σ70启动子) 大肠杆菌σ 启动子)
一、启动子 1.启动子(promoter)的大小 1.启动子(promoter)的大小 启动子(promoter) 1）核心启动子区域（起始位点、－1O序 核心启动子区域（起始位点、－1O序 、－1O 列和-35序列 列和-35序列) 序列) 2）上游元件（CAP位点） 上游元件（CAP位点 位点） 二、RNA聚合酶的覆盖范围及检测法DNA RNA聚合酶的覆盖范围及检测法DNA 聚合酶的覆盖范围及检测法 酶保护法（ method）。 酶保护法（DNase protection method）。
乳糖阻抑物四聚体
转乙酰酶
RNA聚合酶 聚合酶
被激活的乳糖阻抑物四聚体
lacl
iRNA
Plac Olac
lacZ
lacY
lacA
乳 糖 蜜二糖
转化 异乳糖 安慰诱导物IPTG 安慰诱导物 诱导物 RNA聚合酶 聚合酶
lacl
Plac Olac
lacZ
lacZ lacY
lacY
lacA
lacA
当葡萄糖缺乏时,大肠杆菌内的cAMP的水平上升,CAP结合到cAMP 当葡萄糖缺乏时,大肠杆菌内的cAMP的水平上升,CAP结合到cAMP上. cAMP的水平上升,CAP结合到cAMP上 cAMP复合物可结合到紧邻RNA聚合酶结合位点上游的乳糖操纵子 复合物可结合到紧邻RNA CAP –cAMP复合物可结合到紧邻RNA聚合酶结合位点上游的乳糖操纵子 的启动子Plac .CAP的结合引起DNA链发生90℃的弯曲 增强了RNA与 Plac上 的结合引起DNA链发生90℃的弯曲, 的启动子Plac上.CAP的结合引起DNA链发生90℃的弯曲,增强了RNA与 启动子的结合,使转录效率提高50 50倍 启动子的结合,使转录效率提高50倍.
A model for factor-independent termination of transcription.
依赖ρ的转录终止
不形成强的发夹结构， 不形成强的发夹结构， 必须一种辅助因子即 ρ蛋白来帮助转录终 六聚体蛋白， 止。六聚体蛋白，识 别72bp 序列（特异 序列（ 结构）， ），依赖单链 结构），依赖单链 RNA水解 RNA水解ATP。 水解ATP。
Figure 8.16
转录水平的调节部位之一
RNA链的终止和新合成RNA的释放 RNA链的终止和新合成RNA的释放 链的终止和新合成RNA
当RNA聚合酶转录到终止序列（终止信号）时转录 RNA聚合酶转录到终止序列（终止信号） 聚合酶转录到终止序列 终止。 终止。 Figure 8.6 终止序列的特点： 终止序列的特点： 发夹结构； 1）发夹结构； 富含G 2）富含G-C； 个或更多的U 3）4个或更多的U残基 依赖ρ的转录终止
σ
大肠杆菌RNA聚合酶的组成 大肠杆菌RNA聚合酶的组成 RNA
基因 全酶 核心酶 α β β’ σ α2ββ’ σ α2ββ’ ω rpoA rpoB rpoC rpoD 作用 催化rRNA、 tRNA和 催化rRNA、 tRNA和 rRNA mRNA的合成的起始 mRNA的合成的起始 延伸 酶的组装， 酶的组装，解旋与再 螺旋 酶催化中心 酶催化中心 识别特异启动子
终止子
Figure 8.6
终止序列的特点： 终止序列的特点：
1）发夹结构(减速) 2）4个或更多的U残基 （脱离）
RNA polymerase consists of multiple subunits
RNA polymerases have four types of subunit; α, β, and β` have rather constant sizes in different bacterial species, but σ varies more widely.
前导序列 Ptrp Otrp
弱化子(162 nt ） 弱化子 结构基因
TrpR
mRNA 7kbRNA
TrpE
TrpE
TrpD
TrpC
TrpB
TrpB
TrpA
TrpD
TrpC
TrpA
被激活色氨 酸阻抑物 色氨酸阻抑物
色氨酸 色氨酸所需的酶
（三）弱化子
弱化子:一段可以导致转录效率降低的mRNA序列, 弱化子:一段可以导致转录效率降低的mRNA序列,该 mRNA序列 位点称为弱化子. 位点称为弱化子.
3.乳糖操纵子结构和功能 3.乳糖操纵子结构和功能
乙酰辅酶A 乙酰辅酶A 异乳糖
β-半乳糖苷转乙酰酶 半乳糖苷转乙酰酶
乙酰半乳糖
半乳糖和葡萄糖 分解乳糖 蓝色
乳糖转化 运送乳糖透过细胞壁
β-半乳糖苷酶 半乳糖苷酶
分解X-gal 分解 启动区 操纵区
β-半乳糖苷透性酶 半乳糖苷透性酶
Z
Y
A
lacl
调节基因
特点:含有典型的终止子的特点. 特点:含有典型的终止子的特点. 1）茎环结构; 茎环结构; 2） GC丰富的反向重复序列; GC丰富的反向重复序列 丰富的反向重复序列; 3）4个以上的U. 个以上的U.
色氨酸含量高的时候: 色氨酸含量高的时候:
色氨酸含量低的时候: 色氨酸含量低的时候:
3.在转录期间RNA聚合酶的结构和功能位点 3.在转录期间 在转录期间RNA聚合酶的结构和功能位点 Enzyme Movement DNA coding strand (β’ )
Rewinding point (α) Unwinding point (α)
DNA 形成17 bp的解链区 形成17 bp的解链区
Figure 8.11
可诱导的系统
（一）操纵子与乳糖操纵子
1.提出：1961年 1.提出：1961年, Jacob （雅格布）-Monod（莫诺）. 雅格布） Monod（莫诺） 提出 2.操纵子：操纵子是基因表达和调控的单元， 2.操纵子：操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子 操纵子 包括： 包括：结构基因、调控元件和调节基因。 3.乳糖操纵子的结构和功能 3.乳糖操纵子的结构和功能： 乳糖操纵子的结构和功能： 大肠杆菌一般利用葡萄糖作为碳源,如果用乳糖做碳源, 大肠杆菌一般利用葡萄糖作为碳源,如果用乳糖做碳源, 需要β 半乳糖苷酶, 需要β-半乳糖苷酶,这个酶只有当乳糖成为唯一的碳源时 才会被合成。这个酶的合成是由乳糖操纵子调控的. 才会被合成。这个酶的合成是由乳糖操纵子调控的.
Plac Olac
调控元件
lacZ
lacY
结构基因
lacA
转录单元lacZYA
转录方向
乳糖阻抑物5/+21） 含回文结构（ 含回文结构（-5/+21）
lacl
RNA lacl
Plac Olac
lacZ
lacZ
lacY
lacY
lacA
lacA
PlacI
β-半乳糖苷酶 半乳糖苷酶 透性酶
乳糖阻抑物单体
基因表达调控的 主要方式
第3章 原核生物转录及其调控
原核生物转录和翻译是偶联的，其mRNA为编码多种蛋白的 多顺反子。原核生物σ 因子协助RNA聚合酶识别启动子基 σ 本元件并由此起始转录 ，并在具有发卡结构的终止子处 （或在ρ因子协助下）结束转录。 σ 因子是基因选择性 转录的调控因子。启动子上游具有能结合转录激活因子如 CRP（CAP）的调控元件从而大幅度地提高转录效率。 操纵子是原核生物调控的主要模式，其中最典型的代表为 乳糖操纵子和色氨酸操纵子。除了调控蛋白与操纵元件结 合阻止RNA聚合酶前进达到降低转录效率主要调控途径外， 还存在一种称之为“弱化子”特殊调控模式。弱化子通过 前导肽的翻译过程中核糖体占位是否影响前导mRNA的终止 子形成而控制后续mRNA分子合成。
弱化作用导致的调节
核苷酸）；加入第二个碱基后，形成第一个磷酸二酯键，直至加 ）；加入第二个碱基后 核苷酸）；加入第二个碱基后，形成第一个磷酸二酯键， 入九个碱基。 入九个碱基。
RNA起始 RNA起始
起始成功后，聚合 起始成功后， 酶释放出σ因子 因子， 酶释放出 因子， 核心酶形成核心酶 DNA形成核心酶-DNA新生RNA链三元 新生RNA链三元 三聚）复合物。 （三聚）复合物。 随着转录泡的移动， 随着转录泡的移动， 不断地解螺旋和再 螺旋（ 螺旋（解螺旋区域 的大小稳定地保持 17bp）， ），RNA 在17bp），RNA 链不断的延长。 链不断的延长。
DNA template strand Catalytic(RNA/DNAhybrid) (β)
RNA binding site
转录的开始
转录水平调控 的主要部位
1.启动子结合（闭合启动子复合物的形成） 启动子结合（闭合启动子复合物的形成） 闭合启动子复合物：RNA聚合酶与DNA组成的复合物 聚合酶与DNA组成的复合物， 闭合启动子复合物：RNA聚合酶与DNA组成的复合物，一 般在DNA DNA的 35序列处 不能起始RNA合成。 序列处， RNA合成 般在DNA的-35序列处，不能起始RNA合成。 2.DNA解旋 开放启动子复合物的形成) 解旋（ 2.DNA解旋（开放启动子复合物的形成) 开放启动子复合物：启动子与RNA聚合酶在-10序列处形 RNA聚合酶在 开放启动子复合物：启动子与RNA聚合酶在-10序列处形 成的复合物，在这里有更多的碱基被打开并能进行RNA 成的复合物，在这里有更多的碱基被打开并能进行RNA 的起始合成。 的起始合成。 3.RNA链起始 3.RNA链起始 起始位点为第一个嘌呤残基，其中G 更常见。 起始位点为第一个嘌呤残基，其中G比A更常见。当加入 第一个碱基后， 起始三元复合物（全酶-DNA第一个碱基后，形成了起始三元复合物（全酶-DNA-第一个
转录单位
编码链/ +链 模板链/ -链
转录：DNA-RNA 起始-延伸-终止
Figure 8.2
Promoter） 启动子（Promoter）
··· ··· TTGACA ···16-18 bp ··· TATAAT ···5-8 bp··· C -35序列 序列 增强转ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ频率 识别区 -10序列 序列 解旋区 G T A +1 转录起始位点
依赖ρ 依赖ρ的转录终止
Rho factor (ρ)-dependent termination
第二节 原核基因转录水平的顺式调节 ——大肠杆菌 ——大肠杆菌σ70启动子) 大肠杆菌σ 启动子)
一、启动子 1.启动子(promoter)的大小 1.启动子(promoter)的大小 启动子(promoter) 1）核心启动子区域（起始位点、－1O序 核心启动子区域（起始位点、－1O序 、－1O 列和-35序列 列和-35序列) 序列) 2）上游元件（CAP位点） 上游元件（CAP位点 位点） 二、RNA聚合酶的覆盖范围及检测法DNA RNA聚合酶的覆盖范围及检测法DNA 聚合酶的覆盖范围及检测法 酶保护法（ method）。 酶保护法（DNase protection method）。
乳糖阻抑物四聚体
转乙酰酶
RNA聚合酶 聚合酶
被激活的乳糖阻抑物四聚体
lacl
iRNA
Plac Olac
lacZ
lacY
lacA
乳 糖 蜜二糖
转化 异乳糖 安慰诱导物IPTG 安慰诱导物 诱导物 RNA聚合酶 聚合酶
lacl
Plac Olac
lacZ
lacZ lacY
lacY
lacA
lacA
当葡萄糖缺乏时,大肠杆菌内的cAMP的水平上升,CAP结合到cAMP 当葡萄糖缺乏时,大肠杆菌内的cAMP的水平上升,CAP结合到cAMP上. cAMP的水平上升,CAP结合到cAMP上 cAMP复合物可结合到紧邻RNA聚合酶结合位点上游的乳糖操纵子 复合物可结合到紧邻RNA CAP –cAMP复合物可结合到紧邻RNA聚合酶结合位点上游的乳糖操纵子 的启动子Plac .CAP的结合引起DNA链发生90℃的弯曲 增强了RNA与 Plac上 的结合引起DNA链发生90℃的弯曲, 的启动子Plac上.CAP的结合引起DNA链发生90℃的弯曲,增强了RNA与 启动子的结合,使转录效率提高50 50倍 启动子的结合,使转录效率提高50倍.
A model for factor-independent termination of transcription.
依赖ρ的转录终止
不形成强的发夹结构， 不形成强的发夹结构， 必须一种辅助因子即 ρ蛋白来帮助转录终 六聚体蛋白， 止。六聚体蛋白，识 别72bp 序列（特异 序列（ 结构）， ），依赖单链 结构），依赖单链 RNA水解 RNA水解ATP。 水解ATP。
Figure 8.16
转录水平的调节部位之一
RNA链的终止和新合成RNA的释放 RNA链的终止和新合成RNA的释放 链的终止和新合成RNA
当RNA聚合酶转录到终止序列（终止信号）时转录 RNA聚合酶转录到终止序列（终止信号） 聚合酶转录到终止序列 终止。 终止。 Figure 8.6 终止序列的特点： 终止序列的特点： 发夹结构； 1）发夹结构； 富含G 2）富含G-C； 个或更多的U 3）4个或更多的U残基 依赖ρ的转录终止
σ
大肠杆菌RNA聚合酶的组成 大肠杆菌RNA聚合酶的组成 RNA
基因 全酶 核心酶 α β β’ σ α2ββ’ σ α2ββ’ ω rpoA rpoB rpoC rpoD 作用 催化rRNA、 tRNA和 催化rRNA、 tRNA和 rRNA mRNA的合成的起始 mRNA的合成的起始 延伸 酶的组装， 酶的组装，解旋与再 螺旋 酶催化中心 酶催化中心 识别特异启动子
终止子
Figure 8.6
终止序列的特点： 终止序列的特点：
1）发夹结构(减速) 2）4个或更多的U残基 （脱离）
RNA polymerase consists of multiple subunits
RNA polymerases have four types of subunit; α, β, and β` have rather constant sizes in different bacterial species, but σ varies more widely.
前导序列 Ptrp Otrp
弱化子(162 nt ） 弱化子 结构基因
TrpR
mRNA 7kbRNA
TrpE
TrpE
TrpD
TrpC
TrpB
TrpB
TrpA
TrpD
TrpC
TrpA
被激活色氨 酸阻抑物 色氨酸阻抑物
色氨酸 色氨酸所需的酶
（三）弱化子
弱化子:一段可以导致转录效率降低的mRNA序列, 弱化子:一段可以导致转录效率降低的mRNA序列,该 mRNA序列 位点称为弱化子. 位点称为弱化子.
3.乳糖操纵子结构和功能 3.乳糖操纵子结构和功能
乙酰辅酶A 乙酰辅酶A 异乳糖
β-半乳糖苷转乙酰酶 半乳糖苷转乙酰酶
乙酰半乳糖
半乳糖和葡萄糖 分解乳糖 蓝色
乳糖转化 运送乳糖透过细胞壁
β-半乳糖苷酶 半乳糖苷酶
分解X-gal 分解 启动区 操纵区
β-半乳糖苷透性酶 半乳糖苷透性酶
Z
Y
A
lacl
调节基因