第3章 原核生物转录及调控
(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。
原核生物基因的转录和翻译调控的细节探究
原核生物基因的转录和翻译调控的细节探究在生物学研究中，原核生物的基因转录和翻译调控一直是一个热门话题。
原核生物的基因转录和翻译调控涉及的分子机制非常复杂，从转录和翻译的起始和终止位置到转录和翻译的调控因素都是需要我们深入探究的。
本文将通过细节探究原核生物基因的转录和翻译调控。
1. 转录调控的细节探究原核生物的转录调控是指在基因转录过程中，通过多种分子机制影响RNA聚合酶在DNA上的结合和进一步转录过程的调控。
在转录调控过程中，最常见的调控方式包括转录因子和各种转录调控元件的作用。
转录因子是一种特殊类型的调节蛋白，它们可以结合到DNA上的转录调控元件上，从而直接或间接地控制RNA聚合酶的下降。
在转录因子的分类中，存在两种不同类型的因子：激活因子和抑制因子。
激活因子主要通过与RNA聚合酶的结合及与与RNA聚合酶结合的DNA序列互作，来增加转录水平；相反，抑制因子则抑制RNA聚合酶与DNA序列的结合，从而降低转录水平。
除了转录因子，各种各样的转录调控元件也直接影响RNA聚合酶的结合和转录。
转录调控元件在DNA序列中特定位置上存在，它们包括操作子、增强子及隐汉子等不同类型。
操作子在DNA序列中的位置是在与RNA聚合酶结合点相对的位置上，它们通常是在编码DNA范围内的一个小的DNA片段。
增强子通常远离操作子位置，但对于RNA聚合酶的结合和转录也有影响。
最后是隐汉子，它们是特定长度的DNA序列，它们不能直接影响RNA聚合酶的结合和转录，但可以通过一些其他机制来影响整个转录大过程。
2. 翻译调控的细节探究原核生物的翻译是在转录期间直接进行的，这是因为原核生物没有核内RNA 加工的机制，而mRNA的转录过程与翻译过程之间是重叠的。
在原核生物翻译调控过程中，翻译调控元件（诸如启动子、终止子等）和核苷酸序列上的一些结构也起到了重要作用。
在原核生物的细胞质中，环状RNA（环状RNA，环C RNA）是一种能够一度大量影响原核生物翻译过程的物质。
原核生物的基因转录与翻译调控机制
原核生物的基因转录与翻译调控机制原核生物是指生物体细胞中缺乏真核细胞核以及其它特有的细胞器的一类生物，象细菌、放线菌等都属于这类生物。
在原核生物营养代谢产物再生的反应过程中，基因转录和翻译机制起着关键性的作用。
虽然原核生物在结构和功能上与真核生物存在差异，但其基因转录和翻译调控机制的探究仍然是一个备受关注和重要的研究领域。
一、原核基因转录的发生原核基因转录由细菌RNA聚合酶完成，RNA聚合酶由细菌DNA依据序列特异性与序列不一致性识别，准确并高效地转录所需RNA。
细菌基因起始位点（promoter）的序列组合不尽相同，其中最重要的是绝大多数细菌由主要调控元件σ—70识别维持其顺畅的生理需求，这种元件由基因-35与-10区域和过渡段区也就是-10-35之间区域识别决定。
并由帮助透过无DNA序列特异性转录激活蛋白（transcription activator）的序列（最多存在于4簇）进行辅助。
不过也有一定数量的细菌被由基因σ—54识别的类R元件助其转录，该元件由基因1-2个高度保守的区域以及管充区（38-40bp）组成。
二、原核基因转录的调控原核生物的基因在转录时可受到大量调解，使基因转录速率可被生物正式需求所有效调整。
最常见的反馈控制是会抑制在产物中需要的一个或几个酶的基因转录，这是通过由这些酶产物反馈调控于RNA聚合酶进行的。
在此基础上，产物的积累往往会对酶的活性、协同性以及数量等进行影响调解，以实现生物正式需求。
此外，细菌一般存在一套广泛而复杂的信号传导体系，称为二次信使系统（secondary messenger system），该系统是在感知环境等信号后透过一连串的化学反应激活底物转移酶（substrate transferase）透过底物磷酸化等化学改变对转录起调节作用，通常还包括一套由环状形体标记产生的传导导致产物合成的启动通路（quorumsensing pathway，简称QS），可能是底物释放或者捕获的Q信号分子，能在大多数情况下发挥合成起始因子（activator）和抑制蛋白（repressor）的作用。
第三章生物信息的传递上——转录
大肠杆菌RNA聚合酶由5个亚基所组成即α2ββ'σ。 全酶：大肠杆菌RNA聚合酶整个酶分子α2ββ'σ 核心酶： σ亚基解离后的其余部分α2ββ'
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β
α
ω
α
β ’
σ
图12-5 E.coli RNA聚 合 酶 的 亚 基 组 成
2、上游启动子元件（upstream promoter element，UPE）
●包括CAAT盒（CCAAT）和GC盒（GGGCGG）等。
CAAT：-70 - -80bp GGGCGG：-80 - -110bp
●作用：控制转录起始频率。
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转录因子
● TBP
真
核 生 TAFs
-35 (R)
-10 (B)
+1 (I) RNA
R -35
B -10 I +1
Sextama Box
Pribnow Box Initiation
典型启动子的结构
转录起始点
编码链 模板链
启动子 Pr ibnow盒子
AACTGT
ATATTA
TTGACA
35
16-19bp
5-9bp
TATAAT
10
+1
• RNA包括hnRNA（不均一核RNA，heterogeneous nuclear RNA) 、 mRNA、 rRNA、tRNA、snRNA（小核 RNA,small nuclear RNA）和scRNA（小胞浆RNA，small cytosol RNA) ，它们均与遗传信息的表达有关。
原核生物基因转录调控机制的研究
原核生物基因转录调控机制的研究随着生物化学及分子生物学的不断发展，人们对生命的理解更加深入，其过程中研究原核生物基因转录调控机制不断深入，本文将对原核生物基因转录调控机制做一简单的介绍。
1. 原核生物基因转录在原核生物中，基因转录的过程通常发生在单一的细胞内，是一种高度协调的过程。
基因转录是DNA到RNA的信息传递过程，需要发生在特定的DNA区域上，该区域被称为启动子。
启动子的序列决定了哪些转录因子可以结合，从而决定哪些基因会被转录。
酵母菌的启动子大多是由一个核心启动子和多个活性装置组成，核心启动子上存在有一个区域包含与RNA聚合酶结合的TATA盒。
活性装置是指由不同的转录调控因子组合而成的调节模块。
在一些原核生物中，还有依赖微小RNA (miRNA) 和 RNA干扰 (RNAi) 的调节。
2. 原核生物基因转录调控机制原核生物通过改变转录因子的结合，加入或减少调节模块从而调节基因的表达。
转录因子是通过与启动子上相应的序列结合来激活或抑制基因转录。
在一些原核生物中，有一些具有负反馈调节的自稳定回路，这种回路位置通常在一些关键基因的下游，通过影响关键组分的表达及活动，维持系统的稳定性。
尽管转录因子是通过与启动子上的特定序列结合来调节基因转录，但原核中有一些特定序列同时可以被单个外来分子或其他细胞内分子结合。
这种情况下，转录因子与这些分子间的相互交织可能具有决定性的意义，可以大幅影响合成转录因子的能力、转录速度及准确性。
3. 原核生物是研究转录因子、mRNA的初步阶段，它们的简化数量谱系使人们能够更容易地研究它们的转录过程。
原核生物中经常被使用的实验室菌株是大肠杆菌，在它上面研究库的演化携带了丰富的基本性质关于基因转录调控的知识。
分子选择进化（SELEX）是一种常见的实验技术，用于筛选出匹配具体转录因子序列的短链DNA分子。
通过SELEX技术，人们已经挖掘了丰富的转录因子的基本性质，这一技术在原核生物中的使用更加流行。
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
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.
转录调控
目录
色氨酸操纵子模型结构： 5种结构基因：trpE、D、C、B、A； 调控结构：启动子、操纵子、前导序列、 弱化子； 阻遏物trpR基因：与trp操纵子相距较远；
目录
分支酸 → 邻氨基苯甲酸 → 磷酸核糖基 → CDRP → 吲哚甘油-磷酸 → 色氨酸 邻氨基苯甲酸
邻氨基苯甲酸合成酶
吲哚甘油 硼酸合成酶
Jacquces Monod(1910-67)
Francois Jacob(1920-)
目录
乳糖操纵子学说的主要内容 ① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子 的mRNA分子所编码
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。
+ + + + 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
协调调节
※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用； ※如无CAP存在，即使无阻遏蛋白与操纵序列 结合，操纵子仍无转录活性。 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细 菌首先利用葡萄糖。 葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代 谢阻遏(catabolic repression)。
目录
邻氨基苯 吲哚甘油 色氨酸合成酶 甲酸合成酶 硼酸合成酶 TrpE terpD trpC trpB trpA t 衰减子 t’
第三章 转录
不需要引物
特点
半保留复制
不对称转录
RNA合成的检测
• TCA(三氯醋酸)沉淀法：反应体系包括 DNA模板，RNA聚合酶，NTPs，用放射 性同位素至少标记一种NTP前体，保温一 段时间以后加入TCA，RNA不溶于TCA而 生成沉淀，而反应各组分不形成沉淀，然后 用滤纸过滤，在滤纸上的放射性强度和合成 的RNA量成正比。
复制和转录的异同点
相同点： 1.以DNA为模板 2.合成新链的方向均为5’→3’
3.都需要依赖DNA的聚合酶
4.遵守碱基互补配对规则
不同点 模板 原料 聚合酶
复制 两股链均作为模板 dNTP DNA聚合酶
转录 模板链作为模板 NTP RNA聚合酶
mRNA, tRNA, rRNA
产物
引物
子代DNA双链
RNA合成的起始
一般情况下，转录起始复合物可以进入两 条不同的反应途径： 合成并释放2-9个核苷酸的短RNA转录物， 即所谓的流产式起始； 尽快释放σ亚基，转录起始复合物通过上游 启动子区并生成由核心酶、DNA和新生 RNA所组成的转录延伸复合物。
转录延伸复合物较为稳定，可长时间与 DNA模板结合而不解离。只有在遇到转 录终止信号时，RNA聚合酶才停止加入 新的核苷酸，RNA-DNA杂合物解离， 释放转录产物并导致聚合酶本身从模板 DNA上脱落。
大肠杆菌RNA聚合酶核心酶单独合成RNA
a
b’
Active center cleft
a
w
b
真核生物RNA聚合酶 真核生物中有3类RNA聚合酶，其结构比 大肠杆菌RNA聚合酶复杂，它们在细胞核 中的位置不同，负责转录的基因不同，对 α-鹅膏覃碱的敏感性也不同。 真核生物RNA聚合酶一般有8-14个亚基所 组成，相对分子质量超过5×105。
03转录及调控-3
（一）真核生物基因表达的特点
1. 细胞的全能性 2. 基因表达的时间性和空间性 3. 转录和翻译分开进行
4. 初级转录产物要经过转录后加工修饰
5. 部分基因多拷贝
6. 不存在操纵子结构 真核生物的mRNA是单顺反子mRNA
(monocistronic mRNA)
胚胎期
ε
胚胎期 δ2 Hb Grow1
原核生物以负调控为主： 原核生物染色质没有核小体结构，DNA没有遮蔽，
催化转录的RNA聚合酶很容易发现启动子，其基 因表达的调节很容易通过阻遏蛋白实现。 负调控提供了一个非常保险的机制：即使调节系 统失灵，蛋白质照样可以合成。很多原核操纵子 （元）系统，原核基因调控普遍涉及特异阻遏蛋 白参与的开、关调节机制。
Transcription
mRNA 5′
3′
1
2
3
Translation
Proteins
1
2
3
3.转录和翻译偶联进行；
4.mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列—SD序 列，共有序列为AGGAGG； 5.原核生物基因表达调控主要在转录水平，即对 RNA合成的调控。
通常有两种方式： (1) 起始调控，即启动子调控 (2) 终止调控(衰减子调控)
转录终止调控方式 ： A.依赖ρ因子的终止调控
噬菌体
B.不依赖ρ因子的终止调控
• 依赖mRNA3′末端转录终止子
• 衰减子介导的转录终止
色氨酸操纵子的表达调控
1.色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子（tryptophan operon，trp operon）
负责色氨酸合成的操纵子，由启动子和操纵基因 区组成，该操纵基因区控制一个编码色氨酸生物合 成需要的5种蛋白的多顺反子mRNA的表达。
原核生物的转录与调控
二、转录程度的调控－操纵子
5. 反式作用因子与顺式作用元件
基因表达的产物〔蛋白质或RNA〕从合成的场所扩散到目的场 所而发挥作用的过程称为反式作用〔trans-acting〕，此基 因表达产物被称为反式作用因子〔trans-acting factor〕 。
的第10碱基对，它的共有序列是TATAAT。-10序列是RNA聚合酶 的结实结合位点，是聚合酶启动DNA解旋的序列。因此，-10序列 可通过影响开放复合物的形成速度而控制转录。 -35序列：也是一个六聚体，其中心位于-35碱基对处，它的共有序列是 TTGACA，是RNA聚合酶的识别位点。 -35和-10序列之间的间隔 非常重要，在90%的启动子中变动在16和18 个碱基之间，两序列间为17bp时转录效率最高。
-35序列、-10序列和起始点序列
TTGACA
16-18bp
TATAAT
5-8bp
-35序列
Sextama框
-10序列
Pribnow框
C－GA T
+1
起始点
细菌启动子有４个保守性特征： 转录起始点：开场碱基90%是嘌呤，G比A更常见。 -10序列：起始点上游一个6bp区，这个六聚体的中心靠近起始点上游
例如，它的稳定性与它能否被翻译有关。 4. 翻译程度：和转录程度一样，翻译程度的调控也包括起始
和终止的调控。
机体可以在基因表达过程的任何阶段进展调控，一般以 转录程度上的调控为主。
二、转录程度的调控－操纵子
1. 操纵子
操纵子是原核生物基因构造、表达和调控的根本形式。 一个操纵子包括一个上游的调控区和一个以上的构造基 因组成。 调控区包含启动子和操纵基因两部分。该区控制连锁在 一起的多个基因的转录。
原核生物的转录及调控课件 (一)
原核生物的转录及调控课件 (一)原核生物是一类简单的单细胞生物，其转录和调控机制相对于真核生物来说要简单许多。
本文将会从原核生物转录和调控的基本知识入手，分别对其进行相关的讲解。
一、原核生物的转录机制原核生物的转录和真核生物相比较于简单，它的基因位置并没有核膜的保护，直接暴露在细胞浆中，基因间没有间隔，这意味着原核生物较容易完成基因转录任务并且速度快。
原核生物的转录分为三个阶段：启动、延伸和终止。
启动阶段是通过RNA聚合酶(enzyme)与启动子(promoter)的结合来完成的。
当RNA聚合酶与启动子结合后，它会在SO基因(即甲基接收酶基因)上找到对应的开始密码子(subunit)。
发生开放读取框架(ORF)，这时RNA聚合酶就能够开始向下一个框架(ORF)复制。
与真核生物不同的是，原核生物只有一个RNA聚合酶，大部分基因的转录都是由这种聚合酶完成的。
二、原核生物的调控机制原核生物的基因调控是非常重要的一部分。
它们使用许多方法来对其基因表达进行调控，以适应环境变化和其它外部信号的影响。
原核生物的基因调控主要分为两种方式：正调控和负调控。
1. 正调控：这种方式是使得信号物质(Messenger)能够结合到转录因子上，进而使其能够附着到启动子(promoter)上面。
这些信号物质可以直接或间接地影响基因的表达，以达到对细胞的调节效果。
在真核生物中，常见的正调控因子有启动子结合蛋白(TBP)。
2. 负调控：在负调控中，信号物质通过阻止转录因子的结合，来预防其结合到启动子上来。
这将使得该基因的表达能够被阻止，因此，其效果可能与正调控相反。
在原核生物中这种现象是非常常见的。
总结在原核生物中，转录和调控的机制相对比较简单。
它们基因转录的速度较快，在基因调控时使用正调控和负调控来达到有目的地外部信号的调节效果。
虽然其调控机制相对单一，但是作为生物学的基础研究，其在基因转录和调控方面的应用可能带来重要突破。
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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。
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。
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.
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
PrCA ···16-18 bp ··· TATAAT ···5-8 bp··· C -35序列 序列 增强转录频率 识别区 -10序列 序列 解旋区 G T A +1 转录起始位点
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.
弱化作用导致的调节
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。
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
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）。
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
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:
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
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.
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
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