原核生物基因表达的调控

亚基；5S和23S rRNA与31种r-蛋白组成大亚基。
大、小亚基在翻译起始组合为70S核糖体。 • 蛋白质合成是生存的最基本需要，细胞必然要严 格控制rRNA和r-蛋白的比例。
目录
• r-蛋白基因在各个操纵子上转录为多顺反子
核糖体蛋白基因与RNA pol 亚基基因的多顺反子
操纵子 rif (rpoBC) rpoA spc 基因簇 rpL-K-A-J-L-rpoB- rpoC rpsM-K-D-rpoA-rpL-Q rpL-N-X-E-rpsN-H-rpL-F-RrpsE-rpL-D-O 表达产物 L-11-1-10-12-RNApol-β-β’ S13-11-4-RNApol-O-L-17 L14-24-5-S14-8-L6-18-S-5L-30-15
具有普遍性； 真核生物研究的借鉴； 开拓了分子识别（molecular
recognition)的研究；
研究成果应用于实践，具有指导意义。
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•操纵子理论实验依据

实验模型：细菌的乳糖代谢酶类诱导

突破点: 乳糖阻遏蛋白基因lac I的发现

lac I 是组成型表达基因，其突变(lac I-)引起
目录
启动子 (promoter) 阻遏蛋白基因 操纵序列 (operator)
结构基因
特异DNA序列
蛋白质因子
目录
• 启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。 -35区 trp
tRNATyr
-10区
N17
N16
RNA转录起始
TTGACA
TTTACA
TTAACT
TATGAT
N7
N7
A
A
lac recA
（一）σ因子和启动子决定转录是否能够起始
-35 -10 +1 ······· 5'-TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG······· -3' ······· 3'-ATCACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC······· -5' transcription RNA 5'-AGGUCCACG···· -3' ···· ·· ·
3 2
3
UUUU 3’ UUUU……
4
trp 密码子
前导肽
•当色氨酸浓度高时
目录
前导DNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
RNA聚合酶 结构基因
前导mRNA
2 3 2 4
5’
核糖体 1
3
UUUU…… UUUU……
4
trp 密码子 前导肽
序列3、4不能形成衰减子结构 •当色氨酸浓度低时
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（三）DNA片段倒位和阻遏蛋白的协同作用 沙 启动序列 启动序列 DNA 门 菌 hin I H2 H1 鞭 毛 H2鞭毛素 素 Hin重组酶 阻遏蛋白 基 因 的 hin I H2 H1 调 转位片段 节 H1鞭毛素
pol 启动序列 操纵序列 编码序列 阻遏蛋白
目录
二、原核生物中mRNA的转录、翻译和 降解偶联进行
开始转录
继续转录，同时， 核糖体结合mRNA 进行翻译
RNA 5'端开 始降解
转录终止，继续 翻译和降解 RNA pol
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三、mRNA所携带的信息差别很大
细菌mRNA所编码的蛋白质数量有很大差异。 有的mRNA只带有一个结构基因的信息（编码一个 蛋白质），称为单顺反子mRNA（monocistronic mRNA）； 大部分mRNA都是从操纵子转录而成，带有编 码几个甚至十几个蛋白质的序列信息，这种mRNA 是从几个首尾相连的结构基因（存在于一个操纵子 中）一次转录而成，称为多顺反子mRNA （polycistronic mRNA）。
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三、翻译产物可对翻译过程产生反馈 调节效应


核糖体蛋白控制多顺反子mRNA的翻译 翻译终止因子RF-2调节自身的翻译
目录
核糖体蛋白与rRNA 合成是互相协调的
• 原 核 生 物 的 16S rRNA 与 21 种 核 糖 体 蛋 白 (ribosomal proteins)，简称r-蛋白，组成核糖体小
目录
色氨酸操纵子的作用原理 调节区
trpR
结构基因
RNA聚合酶 P O RNA聚合酶
Trp 低时
mRNA
Trp 高时
操纵子关闭
Trp
目录
（三）激活蛋白结合正调控元件而对转录起 始进行正调控
1．正调控蛋白可结合启动子邻近序列进行 调控 2．激活蛋白结合增强子可远距离进行转录 起始正调控
目录
ntrC 结合位点
目录
乳糖操纵子由cAMP-CAP系统进行正调控
lac
TTTACA
N17
TATGTT
N6
A
TTGACA
TATAAT
共有序列
• 乳糖操纵子是弱启动子，被RNA-pol结合后，还需 cAMP-CAP（分解代谢物基因活化蛋白）活化
目录
CAP结合位点
DNA
P
O
Z
Y
A
+ + + + 转录
无葡萄糖，cAMP浓度高时
14aa前导肽编码区: 包含序列1 UUUU…… 衰减子结构 第10、11密码子为trp密码子 UUUU…… UUUU…… 形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4
目录
转录衰减机制
前导DNA
RNA聚合酶
前导mRNA
4
UUUU 3’
衰减子结构 就是终止子 可使转录 终止
5’
1
核糖体
第二十章
原核生物基因表达调控
Regulation of Gene Expression in Prokaryotes
目录
第一节
原核生物基因表达特点
Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes
目录
一、操纵子是原核生物的基因转录单元
•操纵子在研究基因表达的重要性
目录
1. 乳糖操纵子是可诱导型操纵子
•乳糖操纵子的结构 调控区 DNA 结构基因
P
I基因
O
操纵序列
z
y
a
z： β-半乳糖苷酶
启动子
y： 通透酶
a：乙酰基转移酶
CAP结合位点
目录
•乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭 阻遏基因 DNA
I
pol O P
z
y
a
mRNA
Baidu Nhomakorabea阻遏蛋白
没有乳糖存在时
目录
•乳糖操纵子被诱导物开放 DNA
I
pol P
O
z
y
a
mRNA
mRNA
启动转录
β-半乳糖苷酶 阻遏蛋白 半乳糖 乳糖 有乳糖存在时
目录
2. 色氨酸操纵子是可阻遏操纵子
合成代谢操纵子由合成产物关闭
合成代谢操纵子在基础状态下持续开放，
在产物达到满足需要量时才关闭。
目录
分解和合成代谢的操纵子
操纵子 分解代谢 合成代谢 基础状态 关闭 开放 调控方式 由诱导物开放 由阻遏物关闭
CAP 结合位点
BAD mRNA
2. 有AraC和葡萄糖，有或无阿拉伯糖
AraC 3. 有AraC和阿拉伯糖，无葡萄糖 cAMP arabinose
CAP
阿拉伯糖操纵子的转录起始调控
目录
（二）色氨酸操纵子的弱化机制实质是 转录与翻译调控的偶联
色氨酸操纵子(trp operon)除了产物阻遏负调控外，还有转
目录
启动子及其与转录的关系
（二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起 始进行负调控
阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负 调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启 动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与 DNA结合后，RNA聚合酶仍有可能与启动子结合， 但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种 作用称为阻遏（repression），特定的信号分子与阻 遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA 上脱落下来， 称为去阻遏，或脱阻遏（derepression）。
CAP CAP CAP CAP
CAP CAP
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
目录
低半乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
高半乳糖时
RNA-pol
O Ｉ
无转录
O
mRNA
葡萄糖高 cAMP浓度低
Ｉ O
无转录
O
低水平转录
目录
2．AraC的别构调节使阿拉伯糖操纵子调控更精细
(A) 阿拉伯糖操纵子的调控区 araO2 araO1 启动子 C mRNA (B) 阿拉伯糖操纵子的调控 1. 无AraC RNA聚合酶 araI 启动子
目录
阻遏蛋白都可以与信号分子结合而发生变构， 在不同构象时，阻遏蛋白或者与DNA结合，或者与 DNA解离。在可诱导型操纵子中，信号分子使阻遏 物从DNA释放下来，解除对转录的抑制作用；在可 阻遏型操纵子中，信号分子使阻遏物结合DNA，抑 制转录。在两种情况下，阻遏蛋白结合于DNA后都 是抑制转录，这种类型的基因表达调控称为负调控。
目录
最常见的DNA结合域：
1. 锌指(zinc finger)
常结合GC盒 C —— Cys H —— His
目录
2
3
1
stand for zinc ion
目录
2.螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix, HTH）
usually binds to CAAT box
目录
二、特定蛋白质与DNA结合后控制 转录起始
目录
第二节
原核生物基因表达的 转录水平调控
Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level
目录
一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋 白质结构为基础
（一）特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础
在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列，与结 构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别 和结合，这些特定的DNA序列称为顺式作用元件（cisacting elements），亦称为顺式调控元件。在原核生物 中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合 位点、增强子等。
前导肽编码区 1
终止密码 2 3
SD 4
(A) 不存在红霉素
无翻译
前导肽 2 3 4 SD
(B) 有红霉素
Eryr 核糖体进行翻译
红霉素甲基化酶mRNA的翻译调控
目录
二、mRNA的稳定性是决定翻译产物
量的重要因素
• 与减少表达量一样，降低mRNA稳定性也是 基因表达调控方式



原核生物mRNA分子某些片段，例如发夹有RNase 抗性。 细胞内有结合RNA、使之免受RNase降解的保护 蛋白。 近年发现，内源或外源的小分子RNA可特异互补 结合细胞RNA，使其失去功能。
目录
第三节
原核生物基因 表达的翻译水平调控
Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Translation Level
目录
一、SD序列决定翻译起始效率
（一）SD序列的碱基序列影响翻译起始的效率 （二）SD序列的定位影响翻译起始的效率
SD 1 5 前导肽编码区 2 3 SD 4 3 红霉素甲基化酶mRNA
Ara BAD
TTTACA TTGATA
CTGACG TTGACA
N17
N16 N16
TATGTT
TATAAT TACTGT TATAAT
N6
N7 N6
A
A A
共有序列
目录
•操纵序列是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。
录衰减(attenuation)调控方式。
衰减是转录-翻译的偶联调控。
目录
色氨酸操纵子的作用原理 调节区
trpR
结构基因
RNA聚合酶 P O RNA聚合酶
Trp 低时
mRNA
Trp 高时 Trp
目录
调节区
trpR
结构基因
P
O 前导序列
衰减子区域
3 4
前导mRNA
1
2
UUUU……
trp 密码子
终止密码子
启动子
转录起始位点
ntrC 磷酸化 ntrC P
RNA聚合酶
P P 闭合起始复合物
P P
开放起始复合物
ntrC蛋白对转录的正调控作用
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三、原核基因表达的转录过程可通过 不同模式进行调控
（一）去阻遏和正调控机制对转录起始进行 双重调控
1．乳糖操纵子受阻遏蛋白（负性调节）和 CAP（正性调节）的协调调节
管辖的基因族也发生组成型表达

用噬菌体转导方法把野生型(lac I+)转入突变
株(lac I-)，逆转了组成型突变
目录
操纵子(operon)是由结构基因及其上游调控 序列组成的转录单元，结构基因转录受调控序列 控制。 调控序列包括远端的阻遏蛋白(repressor)基 因 I ， 近 端 的 启 动 子 (promoter, P) 和 操 纵 序 列 (operator, O)。
目录
DNA
转录起始点
B
A
编码序列
目录
E.coli的启动子区
RNA 聚合酶结合区
－35 －10 +1
+20
+28
阻遏蛋白结合区
目录
（二）调控蛋白具有结合DNA所需的结构特征
基因特异性转录因子（gene specific transcription factors）:能够与顺式作用元件特异性结合、对基因 表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质 激活蛋白或正调控蛋白:对基因表达有激活作用的 蛋白质 阻遏蛋白:对基因表达有抑制作用的蛋白质