5 第二章 原核生物基因表达调控
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• 回文序列后面连续的A，来自录出U，dA和U之间的氢链力很弱，
2.依赖于Rho因子的终止子
在体外实验中，发现尽管有该类终止子存在，但RNA聚合酶
只在终止子处暂停，转录并不终止。向该反应系统中加入ρ因子，
则可使转录在特定的位点终止。这种终止称为依赖ρ因子的转录
终止。
依赖于Rho因子的终止子不但柄部G•C含量较低，因而暂停
•
枯草杆菌在芽孢形成过程中采取更换σ因子的策略
2. 枯草杆菌噬菌体SP01的感染周期
一组基因的表达导致另一组基因随后表达，称为基因表达的
时序调控或级联调控，这是噬菌体感染周期中的普遍特征。 在枯草杆菌噬菌体SP01的感染周期中，其基因表达的时序调 控是由一系列的σ因子来实现的。 SP01的感染周期经历早中晚三个阶段： i. 刚刚感染时，早期基因被转录。
其一致序列为T80A95T45A60A50T96，又称为Pribnow框.
Pribnow盒是RNA聚合酶的牢固结合位点,又称结合位点,或称
为解链区。
该区域富含AT对,熔点较低, RNA聚合酶的结合使得这个AT丰
富区消耗较低的能量而解旋，此时RNA聚合酶与启动子的复合物便
由封闭复合物(closed-promoter complex) 转变为开放复合物(openpromoter complex) ，转录启动。 （2）－35区 在转录起始点上游－35bp处，有另一个保守序列，称 为－35序列。其一致序列为T82T84G78A65C54A45。该保守序列又称
• 转 录 起 始 主 要 由 DNA 分 子 上 的 启 动 子 （promoter)控制;终止由终止子控制. • DNA链上提供转录终止信号的序列称为终 止子（terminator）。是一个基因的末端或 是一个操纵子的末端的一段特定序列。
• 由启动子到终止子的序列称为转录单位 (transcription unit)。
ii. 4-5分钟后早期基因转录停止，中期基因开始转录。
iii. 8-12分钟后中期基因的转录又被晚期基因所取代。
寄主的RNA聚合酶转录早期基因，早期基 因包括28 ，其表达产物是gp28； 由gp 28与宿主核心酶构成的噬菌体RNA聚 合酶特异性识别中期基因33和34的启动子， 并促使它们合成gp33和gp34。 这两个蛋白因子置换上述RNA聚合酶中的 gp28，特异性识别晚期基因启动子，最终导 致晚期基因的表达。 中期基因以早期基因的表达产物为σ因子； 晚期基因又以中期基因的表达产物为σ因子。
时间较短，且在下游缺乏连续的A/U，因此，若无Rho因子的帮
助，RNA聚合酶会继续转录下去，称为通读(readthrough)。
ρ是一个大聚体蛋白质,有两个活性：i.依赖于RNA的NTPase活 性，在有单链RNA存在时可水解ATP ；ii.RNA-DNA解旋酶活性： 与β亚基作用，使RNA链从复合物中解离。 ρ沿新生RNA链向转录复合物移动，能使RNA聚合酶在ρ依赖性 终止子处终止转录。在原核生物中，转录与翻译是同时进行的，ρ 因子的终止作用可被核糖体的存在而阻碍。
三、转录的终止
在大肠杆菌中，有两种类型的终止子，第一类终止子称为不依 赖ρ因子的终止子(或称内在终止子intrinsic terminator），在体 外实验中足以使转录终止，属强终止子。另一类终止子必须在ρ 因子（ρ factor）的存在下才能终止转录，因此称为依赖ρ因子的 终止子（ρ-dependent terminator），属弱终止子 。
大 肠 杆 菌 RNA 聚 合 酶 由 多 亚 基 组 成 。 α2ββ′ωσ 称 为 全 酶 （holoenzyme），分子量约为480kDa。σ亚基与全酶结合松弛， 应用磷酸纤维素柱很容易使之与全酶分离。解离后的部分 （α2ββ′ω）称为核心酶（core enzyme）。 启动子（promoter）是指DNA分子上被RNA聚合酶识别并 结合以起始转录的区域。 启动子是控制转录起始的序列，并在很大程度上决定着某 一基因的表达强度。
第三节 大肠杆菌乳糖操纵子模型 Discovery of the Operon
The development of the operon concept by Francois Jacob and Jacques Monod and their colleagues was one of the classic triumphs of the combination of genetic and biochemical analysis.
第二章
原核生物基因表达调控
第一节 转录的启动与终止
一、概述 • 在转录过程中, DNA双链中的一条链为模板,称为 模板链或反义链,而另一条链称为编码链或有义 链。 • 转录起始点前面的序列称为上游(upstream),后面 的序列称为下游(downstream)。起始点为+1,上游 的第一个核苷酸为-1,其他的依次类推。
Sextama框。RNA聚合酶的σ因子可以识别该位点，所以称作识别位
点。RNA聚合酶先识别的这一区域并与之结合，然后再与结合位点 相互作用。
决定原核启动子强弱的因素
(1) Sextama Box (-35区） (2) Pribnow Box（-10区） (3) Distance between the two boxes（两个区之间的距离）
Certain mutants were found that could make βgalactosidase but still could not grow on lactose.What was missing in these mutants? Monod and his coworkers added a radioactive galactoside to wild-type and mutant bacteria . They found that the induced mutants did not take up the galactoside even. Induced wildtype cells did accumulate the galactoside. This revealed two things: First, a substance (galactoside permease) is induced along with β-galactosidase in wild-type cells and is responsible for transporting galactosides into the cells; second,the mutants seem to have a defective gene (Y-)for this substance. In their efforts to purify galactoside permease, Monod and his colleagues identified another protein, galactoside transacetylase
一种σ因子取代RNA聚合酶中的另一种σ因子， 即可关闭一组基因，同时打开另一组基因。
在细菌受到外界环境的急剧影响或芽孢菌生活方式改变时，会产生σ因子更
替的现象。
1. 枯草杆菌σ因子的更替 在枯草杆菌，σ因子的更替控制着生活方式的改变。枯草杆菌共有约10种σ 因子。其中有些出现于正常生活期，有些出现于噬菌体感染或是芽孢中, 还 有一些则在细菌从营养生长向芽孢形成转变的过程中发挥作用 • 枯草杆菌在正常营养生长期间所使用的RNA聚合酶具有与大肠杆菌相同的结 构， α2ββ′σ55, 其中的σ55所识别的启动子保守序列也与大肠杆菌σ因子所识别 的-10与-35大致相同。而其他σ因子所识别的-10与-35的一致性序列各异。
两类终止子的共同序列特征—— 在转录终止点之前有一段反
向重复序列.
• 5’-ATTAAAGGCTCCTTTTGGAGCCTTTTTTTT-3’ • 3’-TAATTTCCGAGGAAAACCTCGGAAAAAAAA-5’ • E. coli色氨酸操纵子的转录终止子（不依赖于ρ因子的终止子）及其中的反向 重复（黄色）
Thus, by the late 1950s, Monod knew three ezyme activities (and therefore presumably three genes were induced together by galactosides. He has aslo found some mutants, called constitutive mutants, that needed no induction. Monod realized that further progress would be greatly accelerated by genetic analysis, so he teamed up with Francois Jacob, who was working just down the hall at the Pasteur Institute.
两类终止子的共同序列特征—— 在转录 终止点之前有一段反向重复序列.
5 3 3 5
5’-ATTAAAGGCTCCTTTTGGAGCCTTTTTTTT-3’ 3’-TAATTTCCGAGGAAAACCTCGGAAAAAAAA-5’
E. coli色氨酸操纵子的转录终止子（不依赖于ρ因子的终 止子）及其中的反向重复（黄色）
RNA Pol转录DNA ρ因子附着到RNA 识别位点上 ρ因子跟在RNAPol 后沿RNA移动 RNA Pol在终止位 点停下，并被ρ因 子追上 在转录泡中 ρ因子使DNA-RNA杂 种双链解开， 转录终止,释放出 RNA Pol,ρ因子 和RNA。
第二节
σ因子的更替对转录起始的调控
几种细菌σ因子的氨基酸序列比较结果表明， 它们均由两部分组成：即核心酶结合区和一35区 ／一10区结合区。前者在不同类型的σ因子中具有 较高的同源性，暗示它们作用于同一种核心酶； 而后者则呈现出较大的差异性，对应于不同的保 守序列。
The story begins in 1940, when Monod began studying the inducibility of lactose metabolism in E. coli. Monod learned that an important feature of lactose metabolism was βgalactosidase, and that this enzyme was inducible by lactose and by other galactosides. Furthermore, he and Melvin Cohn had used an anti-βgalactosidase antibody to detect β-galactosidase protein and they showed that the amount of this protein increased on induction. Because more gene product appeared in response to lactose, the β-galactosidase gene
转录进行到终止子序列时，就进入了终止阶段，包括新
生RNA链的释放及RNA聚合酶与DNA解离。
终止子在转录终止点之前，RNA聚合酶是通过了终止子
后面后再终止转录的。
1.不依赖于Rho因子的终止子
• 推测：终止子反向重复序列处转录出来的RNA形成二级结构， 即柄-噜噗结构（stem-loop），又称发夹结构，该结构与RNA 聚合酶的某种特定的空间结构嵌合，造成转录作用的暂停典型 的终止子暂停时间为60秒左右。 RNA和DNA杂交易拆开，导致三元复合物解体，RNA聚合酶 解离下来，转录终止。 不依赖ρ因子的终止子的转录产物在结构上有两个特征，一是 形成一个发夹结构（hairpin），茎富含GC对；二是发夹结构 末端紧跟着6个连续的U串。
二、原核生物启动子的结构
分析了100多种大肠杆菌启动子的序列，发现主要有2个保守 区域：－10区、－35区。
（1）-10区 在转录起始点的上游紧接着一个6bp的保 守序列,在几乎目前已知所有的启动子中均存在。其 中心位于转录起始点上游约-10bp处（在不同启动子 中有所差别），因此这一保守序列又称 为-10序列。 其中带下划线的T称为“保守T”。
2.依赖于Rho因子的终止子
在体外实验中，发现尽管有该类终止子存在，但RNA聚合酶
只在终止子处暂停，转录并不终止。向该反应系统中加入ρ因子，
则可使转录在特定的位点终止。这种终止称为依赖ρ因子的转录
终止。
依赖于Rho因子的终止子不但柄部G•C含量较低，因而暂停
•
枯草杆菌在芽孢形成过程中采取更换σ因子的策略
2. 枯草杆菌噬菌体SP01的感染周期
一组基因的表达导致另一组基因随后表达，称为基因表达的
时序调控或级联调控，这是噬菌体感染周期中的普遍特征。 在枯草杆菌噬菌体SP01的感染周期中，其基因表达的时序调 控是由一系列的σ因子来实现的。 SP01的感染周期经历早中晚三个阶段： i. 刚刚感染时，早期基因被转录。
其一致序列为T80A95T45A60A50T96，又称为Pribnow框.
Pribnow盒是RNA聚合酶的牢固结合位点,又称结合位点,或称
为解链区。
该区域富含AT对,熔点较低, RNA聚合酶的结合使得这个AT丰
富区消耗较低的能量而解旋，此时RNA聚合酶与启动子的复合物便
由封闭复合物(closed-promoter complex) 转变为开放复合物(openpromoter complex) ，转录启动。 （2）－35区 在转录起始点上游－35bp处，有另一个保守序列，称 为－35序列。其一致序列为T82T84G78A65C54A45。该保守序列又称
• 转 录 起 始 主 要 由 DNA 分 子 上 的 启 动 子 （promoter)控制;终止由终止子控制. • DNA链上提供转录终止信号的序列称为终 止子（terminator）。是一个基因的末端或 是一个操纵子的末端的一段特定序列。
• 由启动子到终止子的序列称为转录单位 (transcription unit)。
ii. 4-5分钟后早期基因转录停止，中期基因开始转录。
iii. 8-12分钟后中期基因的转录又被晚期基因所取代。
寄主的RNA聚合酶转录早期基因，早期基 因包括28 ，其表达产物是gp28； 由gp 28与宿主核心酶构成的噬菌体RNA聚 合酶特异性识别中期基因33和34的启动子， 并促使它们合成gp33和gp34。 这两个蛋白因子置换上述RNA聚合酶中的 gp28，特异性识别晚期基因启动子，最终导 致晚期基因的表达。 中期基因以早期基因的表达产物为σ因子； 晚期基因又以中期基因的表达产物为σ因子。
时间较短，且在下游缺乏连续的A/U，因此，若无Rho因子的帮
助，RNA聚合酶会继续转录下去，称为通读(readthrough)。
ρ是一个大聚体蛋白质,有两个活性：i.依赖于RNA的NTPase活 性，在有单链RNA存在时可水解ATP ；ii.RNA-DNA解旋酶活性： 与β亚基作用，使RNA链从复合物中解离。 ρ沿新生RNA链向转录复合物移动，能使RNA聚合酶在ρ依赖性 终止子处终止转录。在原核生物中，转录与翻译是同时进行的，ρ 因子的终止作用可被核糖体的存在而阻碍。
三、转录的终止
在大肠杆菌中，有两种类型的终止子，第一类终止子称为不依 赖ρ因子的终止子(或称内在终止子intrinsic terminator），在体 外实验中足以使转录终止，属强终止子。另一类终止子必须在ρ 因子（ρ factor）的存在下才能终止转录，因此称为依赖ρ因子的 终止子（ρ-dependent terminator），属弱终止子 。
大 肠 杆 菌 RNA 聚 合 酶 由 多 亚 基 组 成 。 α2ββ′ωσ 称 为 全 酶 （holoenzyme），分子量约为480kDa。σ亚基与全酶结合松弛， 应用磷酸纤维素柱很容易使之与全酶分离。解离后的部分 （α2ββ′ω）称为核心酶（core enzyme）。 启动子（promoter）是指DNA分子上被RNA聚合酶识别并 结合以起始转录的区域。 启动子是控制转录起始的序列，并在很大程度上决定着某 一基因的表达强度。
第三节 大肠杆菌乳糖操纵子模型 Discovery of the Operon
The development of the operon concept by Francois Jacob and Jacques Monod and their colleagues was one of the classic triumphs of the combination of genetic and biochemical analysis.
第二章
原核生物基因表达调控
第一节 转录的启动与终止
一、概述 • 在转录过程中, DNA双链中的一条链为模板,称为 模板链或反义链,而另一条链称为编码链或有义 链。 • 转录起始点前面的序列称为上游(upstream),后面 的序列称为下游(downstream)。起始点为+1,上游 的第一个核苷酸为-1,其他的依次类推。
Sextama框。RNA聚合酶的σ因子可以识别该位点，所以称作识别位
点。RNA聚合酶先识别的这一区域并与之结合，然后再与结合位点 相互作用。
决定原核启动子强弱的因素
(1) Sextama Box (-35区） (2) Pribnow Box（-10区） (3) Distance between the two boxes（两个区之间的距离）
Certain mutants were found that could make βgalactosidase but still could not grow on lactose.What was missing in these mutants? Monod and his coworkers added a radioactive galactoside to wild-type and mutant bacteria . They found that the induced mutants did not take up the galactoside even. Induced wildtype cells did accumulate the galactoside. This revealed two things: First, a substance (galactoside permease) is induced along with β-galactosidase in wild-type cells and is responsible for transporting galactosides into the cells; second,the mutants seem to have a defective gene (Y-)for this substance. In their efforts to purify galactoside permease, Monod and his colleagues identified another protein, galactoside transacetylase
一种σ因子取代RNA聚合酶中的另一种σ因子， 即可关闭一组基因，同时打开另一组基因。
在细菌受到外界环境的急剧影响或芽孢菌生活方式改变时，会产生σ因子更
替的现象。
1. 枯草杆菌σ因子的更替 在枯草杆菌，σ因子的更替控制着生活方式的改变。枯草杆菌共有约10种σ 因子。其中有些出现于正常生活期，有些出现于噬菌体感染或是芽孢中, 还 有一些则在细菌从营养生长向芽孢形成转变的过程中发挥作用 • 枯草杆菌在正常营养生长期间所使用的RNA聚合酶具有与大肠杆菌相同的结 构， α2ββ′σ55, 其中的σ55所识别的启动子保守序列也与大肠杆菌σ因子所识别 的-10与-35大致相同。而其他σ因子所识别的-10与-35的一致性序列各异。
两类终止子的共同序列特征—— 在转录终止点之前有一段反
向重复序列.
• 5’-ATTAAAGGCTCCTTTTGGAGCCTTTTTTTT-3’ • 3’-TAATTTCCGAGGAAAACCTCGGAAAAAAAA-5’ • E. coli色氨酸操纵子的转录终止子（不依赖于ρ因子的终止子）及其中的反向 重复（黄色）
Thus, by the late 1950s, Monod knew three ezyme activities (and therefore presumably three genes were induced together by galactosides. He has aslo found some mutants, called constitutive mutants, that needed no induction. Monod realized that further progress would be greatly accelerated by genetic analysis, so he teamed up with Francois Jacob, who was working just down the hall at the Pasteur Institute.
两类终止子的共同序列特征—— 在转录 终止点之前有一段反向重复序列.
5 3 3 5
5’-ATTAAAGGCTCCTTTTGGAGCCTTTTTTTT-3’ 3’-TAATTTCCGAGGAAAACCTCGGAAAAAAAA-5’
E. coli色氨酸操纵子的转录终止子（不依赖于ρ因子的终 止子）及其中的反向重复（黄色）
RNA Pol转录DNA ρ因子附着到RNA 识别位点上 ρ因子跟在RNAPol 后沿RNA移动 RNA Pol在终止位 点停下，并被ρ因 子追上 在转录泡中 ρ因子使DNA-RNA杂 种双链解开， 转录终止,释放出 RNA Pol,ρ因子 和RNA。
第二节
σ因子的更替对转录起始的调控
几种细菌σ因子的氨基酸序列比较结果表明， 它们均由两部分组成：即核心酶结合区和一35区 ／一10区结合区。前者在不同类型的σ因子中具有 较高的同源性，暗示它们作用于同一种核心酶； 而后者则呈现出较大的差异性，对应于不同的保 守序列。
The story begins in 1940, when Monod began studying the inducibility of lactose metabolism in E. coli. Monod learned that an important feature of lactose metabolism was βgalactosidase, and that this enzyme was inducible by lactose and by other galactosides. Furthermore, he and Melvin Cohn had used an anti-βgalactosidase antibody to detect β-galactosidase protein and they showed that the amount of this protein increased on induction. Because more gene product appeared in response to lactose, the β-galactosidase gene
转录进行到终止子序列时，就进入了终止阶段，包括新
生RNA链的释放及RNA聚合酶与DNA解离。
终止子在转录终止点之前，RNA聚合酶是通过了终止子
后面后再终止转录的。
1.不依赖于Rho因子的终止子
• 推测：终止子反向重复序列处转录出来的RNA形成二级结构， 即柄-噜噗结构（stem-loop），又称发夹结构，该结构与RNA 聚合酶的某种特定的空间结构嵌合，造成转录作用的暂停典型 的终止子暂停时间为60秒左右。 RNA和DNA杂交易拆开，导致三元复合物解体，RNA聚合酶 解离下来，转录终止。 不依赖ρ因子的终止子的转录产物在结构上有两个特征，一是 形成一个发夹结构（hairpin），茎富含GC对；二是发夹结构 末端紧跟着6个连续的U串。
二、原核生物启动子的结构
分析了100多种大肠杆菌启动子的序列，发现主要有2个保守 区域：－10区、－35区。
（1）-10区 在转录起始点的上游紧接着一个6bp的保 守序列,在几乎目前已知所有的启动子中均存在。其 中心位于转录起始点上游约-10bp处（在不同启动子 中有所差别），因此这一保守序列又称 为-10序列。 其中带下划线的T称为“保守T”。