第八章 原核生物的基因表达调控

Methylation enhanced by repressor
Symmetrical seq. of 26 bp & G/C as axis
（2）CAP-cAMP复合物的作用---Lac的正调控
CAP (Catabolite activator protein)—分解代谢基因 激活蛋白
同二聚体:
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
3 2
3
UUUU 3’ UUUU……
4
trp 密码子
前导肽
1.当色氨酸浓度高时
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
1951年，Monod与Jacob合作，发现两基因： Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关； I基因：决定细胞对诱导物的反应。 1961年, F. Jacob & J.Monod提出乳糖操纵子学说 , 此后不断完善。获1965年诺贝尔生理学和医学奖
Jacques Monod
Francis Jacob
2、lac的结构
调控基因 控制位点
I
结构基因
Y A DNA
P O Z （－7~＋28）
阻 遏 蛋 白 cAMP-CAP 结合位点
（－67~－59）
β
启 动 序 列
操 纵 基 因
RNA聚合酶 结合位点
半 乳 糖 苷 酶
通 透 酶
乙 酰 基 转 移 酶
3、lac的调控 （1）Lac阻遏物的作用---负调控
（1）Lac阻遏物的作用---负调控
时间特异性:
按功能需要，某一特定基因的表达严格按 特定的时间顺序发生，称之为基因表达的 时间特异性（temporal specificity）。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶 段特异性（stage specificity）。
空间特异性:
在个体发育、生长的全过程，一种基因产物在个体的 不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，称 之为基因表达的空间特异性（spatial specificity）。
位酶（参与阿拉伯糖的降解）
• 调节基因：araC基因，编码调控蛋白araC蛋白
• araBAD 和araC的转录方向相反
CAP araI
binding site for CAP-cAMP Pi binding site transcription for araBAD
O1,O2
Pr binding site repression for PC & PBAD
第八章 原核生物的基因表达调控
Chapter 8 Regulation of gene expression in prokaryote
基因表达
基因表达(gene expression)：指基因转录、翻译，产 生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。 基因表达表现为严格的规律性：即时间、空间特异性。 时间、空间特异性由特异基因的启动子和(或)增强子 与调节蛋白相互作用决定。
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
无乳糖时
无葡萄糖 cAMP浓度高
Lac 阻遏蛋白封闭转录时, CAP对该系统不发挥作用
有乳糖时
Lac 阻遏蛋白不封闭转录, CAP+ cAMP 加强转录。
RNA-pol
O
有葡萄糖 cAMP浓度低
O
mRNA
Lac 阻遏蛋白不封闭转录时, 没有CAP存在,也无高效转录活性。
活化的激活蛋白 诱导物 诱导
T rp O
阻
遏 失活的活性蛋白 辅 -阻 遏 物 诱导 阻遏 活化的激活蛋白 诱导 辅 -阻 遏 物 阻遏 失活的活性蛋白
图 1 6 -1 原 核 生 物 结 构 基 因 的 4 种 表 达 调 控 类 型 (仿 B .L e w in :《 G E N E S 》 Ⅵ ,1 9 9 7 , F ig .1 2 .2 1 )
转录衰减
调节区
trpR
结构基因
RNA聚合酶 O P RNA聚合酶
Trp 低时
mRNA
Trp 高时 Trp
色氨酸操纵子
调节区
trpR
结构基因
P
O 前导序列 衰减子区域
前导mRNA
1
2
3
4
UUUU……
trp 密码子
终止密码子
14aa前导肽编码区: 包含序列1 UUUU…… 衰减子结构 UUUU…… 第10、11密码子为trp密码子 UUUU…… 形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4
DNA结合区
cAMP(cyclic AMP)结合位点
CAP
CAP位点
TTTACA -35区
P
TATGTT -10区
R基因
O
TCATTAGG-3′
5′-ATTAAT
GTGAGTTAGCTCAC
葡萄糖
cAMP
Lac操纵子被抑制
+ + + + 转录
DNA
CAP
P
O
Z
Y
A
CAP CAP CAP CAP
无葡萄糖，cAMP浓度高时
IS gene 产物repessor 不能与inducer结合
操纵基因O：
OC mut. (I+ OC P+) constitutive mut. （组成型） OC失去与repressor特异结合的能力
O gene (operator) cis-action factor
Protected by repressor against methylation
一、原核生物基因操纵子的概念
原核生物基因表达在DNA、转录和翻译三个不同层次 进行调控，但转录水平的调控是最主要的方式。操纵 子是原核转录调控的主要形式。 操纵子（operon）：原核生物基因表达和调控的一 个完整单元，包括调节基因、启动子、结构基因和 操纵基因。 调节基因 控制位点
I P O
结构基因
含有两个连续的色氨酸密码子；
前导肽（Leader peptide）：推测前导区mRNA可 编码14个氨基酸组成的多肽，其中第10和第11位均 为色氨酸 前导肽14aa
L
P O 1 2 3 4 E
DNA RNA
ATG
1
TGA
2 3 4
2 trp
◆衰减子（ attenuator ）：一段位于结构基因上游前 导区具有终止子结构的短序列，通过前导序列转录 产生的 mRNA 形成类似于终止子的二级结构，达到 转录终止的目的。
It encodes a signal transcription (7kb ) downstream of Otrp. These genes are co-ordinately expressed when tryptophan is in short supply in the cell.
（2）阻遏物对色氨酸操纵子的负调控
调节区
trpR RNA聚合酶 O P RNA聚合酶
结构基因
无Trp
mRNA
有Trp Trp
色氨酸操纵子
（3）色氨酸操纵子的衰减作用
前导区（Leader）：结构基因起始密码子前有162 bp的DNA序列。
前导序列的特点：
3‘端富含GC，易形成茎环结构，后面有连 续8个U，形成不依赖ρ 因子的终止信号； 可形成1/2,3/4,或2/3的互补结构；
• 结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏 葡萄糖
三、其它原核操纵子的调控 1、阿拉伯糖操纵子（arabinose operon）
具有正负调节功能的操纵子。是利用同一调控蛋白 的不同结构形式，活化和抑制操纵基因的调控单位。 • 结构基因：araB、araA和araD，形成一个基因簇 （简写为araBAD ），分别编码异构酶、激酶、表
分为：
可诱导的正调控系统 调节因子在诱导物的作用下，能与启动子结合开启 结构基因的转录 可阻遏的正调控系统 调节因子可与启动子结合，促进结构基因的转录。 但当其与辅阻遏物结合后，不能启动结构基因的转录
负调控（negative regulation）
与缺乏调控因子时比较，若调控因子使基因的表达水 平下降，甚至关闭。调控因子称阻遏蛋白（repressor）
3
UUUU…… UUUU……
4
trp 密码子 前导肽
序列3、4不能形成衰减子结构 2.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
（1）色氨酸操纵子的结构
调控基因：trp R 调 控 区：trpP, trpO, trpL 结构基因：trpE, trpD, trpC, trpB, trpA
The trp operon encodes five structural genes required for tryptophane synthesis.
Ara操纵子的特点：
• 有两个操纵基因araO1和araO2； • araBAD和araC有各自的启动子，但转录方向相反； • AraC有双功能： 纯C 结合araO1,阻遏；
C+Ara
Cind,结合于araI，诱导，正调节；
• AraC有三个结合位点(O1,O2和araI)；
• Pc和O1重叠；
Z Y A
结构基因、调控基因
结构基因：编码细胞结构和基本代谢活动所必要的 RNA和蛋白质。
调控基因：调节其它基因表达的基因。 顺式作用因子（cis-acting elements）:调节基因表 达的DNA序列。
反式作用因子（trans-acting factors）：调节基因 表达的蛋白质因子。
基因表达的这种空间分布差异是由细胞在器官的分布 决定的，因此又称细胞特异性（cell specificity）或组 织特异性(tissue specificity)。
Rice Genome Expression Profiles
水稻基因时空动态
Human Genome Expression
人基因组时空动态
O
O
lac操纵子基因表达既需要乳糖又需缺乏葡萄糖
协调调节
• 负性调节与正性调节协调合作
– 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用
– 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍 无转录活性
• 葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖 – 葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而 抑制转录
分为：
可诱导的负调控系统
阻遏蛋白与操纵基因结合，可阻止结构基因的转录，但有诱 导物时，它与阻遏蛋白结合从而解除对结构基因转录的抑制
可阻遏的负调控系统
阻遏蛋白不影响结构基因的转录，但它与辅阻遏物结合后， 抑制结构基因的转录
负调控
正调控
Lac O
A ra O
诱
导 阻遏物 阻遏 诱导物 诱导
失活的阻遏物 失活的活性蛋白 阻遏
二、乳糖操纵子 （lactose 来自百度文库peron，lac）
1、 Discovery of Operon
Jacques Monod
• 1940年， Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上 生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖； 在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生 长曲线”。
• araC表达受到AraC的自动调控
2、色氨酸操纵子(tryptohane operon，trp)
trp操纵子—属阻遏型操纵子，主要调控一系 列用于色氨酸合成代谢的酶的转录合成。
辅阻遏蛋白的负调控
色氨酸操纵子通常处于开放状态，其阻遏蛋白不能 与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多 时，色氨酸作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合，从而使 基因转录关闭
阻遏基因 DNA
I
pol P
O
Z
Y
A
mRNA
阻遏蛋白
没有乳糖存在时
有乳糖存在时 DNA
I
P pol
O
Z
Y
A
mRNA
mRNA
启动转录
阻遏蛋白 异乳糖 乳糖
乳糖操纵子为一个可诱导的负控制系统
不能分解乳糖的原因？
突变分析
I
结构基因： lacZ－, lacY－
P
O
Z
Y
A
调控基因I：
IC mut. (IC O+P+) constitutive mut. (组成型) IC gene产物repressor丧失与O位点结合的能力 IS mut. (IS O+P+) super-repression mut. (超阻型)
诱导、阻遏
开启基因的转录活性，这种作用及过程称为诱导 （induction） 关闭基因的转录活性，这种作用及过程称为阻遏 （repression）
诱导物、辅阻遏物（Corepressor）
辅阻遏物：产生阻遏作用的小分子
正调控（positive regulation）
与缺乏调控因子时比较，若调控因子使靶基因的表达 水平上升。调控因子称激活蛋白（activator）