基因表達與調控

第一節概述第二節轉錄水平的調控第三節操縱子類型第2章原核生物基因表達調控

第一節概述（Introduction）１、原核生物對環境的適應，相關的應答

是基因表達的結果２、基因表達的調控涉及

RNA轉錄的開/關，數量，選擇性加工蛋白質翻譯速率，數量，加工與降解和分泌…調控機理上調控層次上核酸分子間的互作核酸與蛋白質分子間的互作蛋白質分子間的互作轉錄水平后轉錄水平翻譯水平后翻譯水平３、轉錄水平上的調控是最為經濟,

靈活，又是最為重要，復雜的調控在復雜的基因組內，確定需要基因轉錄的起始位點精細調節基因表達的水平,以保證生物體對環境的適應保證RNApolymerase的進行式轉錄（不中斷，準確終止）４、生物遺傳信息的概念GenomeDNA10%;結構基因的編碼序列

tripletcodon90%;重復，間隔，調節序列…

基因選擇性表達指令重要的遺傳信息遺傳信息的兩大類別II類；特定DNAseq.+特定蛋白質/核酸結合基因表達的指令geneon/offI類；DNAseq.RNAseq.(codon)teinphenotype５、遺傳信息表達的方式

組成型表達（constitutiveexpression）Housekeepinggene

誘導型表達（inducibleexpressionbysignalingmolecular）Luxurygene操縱子：啟動子、操縱基因、結構基因和終止子結構基因：編碼蛋白質或RNA的任何基因調節基因：參與其他基因表達調控的RNA和蛋白質的編碼基因

阻遏物和激活物（調節基因編碼的調節蛋白）

HTH結構正調控：調節蛋白與DNA特定位點的相互作用，啟動或增強操縱子的轉錄活性負調控誘導物：能夠結合在阻遏物或激活物上啟動操縱子的轉錄的效應物共阻遏物：能夠結合在阻遏物上關閉操縱子的轉錄活性的效應物６、幾個基本概念誘導物引起正調控共阻遏物引起負調控第二節轉錄水平的調控轉錄是遺傳信息由DNA轉換到RNA的過程。作為蛋白質生物合成的第一步，轉錄是mRNA以及非編碼RNA（tRNA、rRNA等）的合成步驟。１、細菌的RNA聚合酶：５個亞基組成，分子量為480kD，α2ββ‘σ

,α2ββ‘

組成核心酶，σ亞基主要功能是參與啟動子的識別和結合以及轉錄起始復合物的異構化，體積大，橫跨60個堿基。２、啟動子TTGACATATAATA/G16-19bp5-9bp核心酶σ因子-35區（識別部位）-10區（結合部位）轉錄起始位點３、上游激活序列和操縱基因UASOperator

與啟動子重疊激活蛋白RNApol阻遏物４、轉錄過程σ識別-35區核心酶結合在-10區DNA雙鏈打開1個三磷酸核苷酸（A或G）與模板鏈結合構成RNA的5’端以磷酸二酯鍵的形式與第二個核苷酸結合，形成6－9個核苷酸，σ因子釋放形成轉錄泡RNA-DNA雜合鏈在多種生物體細胞中發現了不同的σ因子，根據其分子量來命名，例如E.coli

中有σ70

和σ32，正常情況下σ70負責多種基因的轉錄；σ32少量存在，熱激條件下，σ32含量增加，促進熱激蛋白基因的轉錄。分子伴侶：正常細胞中指導新合成的蛋白質的折疊；熱激后與變性蛋白結合，指導它們重新折疊而使它們恢復生物活性。５、σ因子與轉錄起始調控

６、終止子：強終止子和弱終止子轉錄終止點之前有7-20bp反向重復序列，產生的mRNA可以形成莖環狀的發夾結構。轉錄終止位點的序列結構：GTCAAAAGCCTCCGGTCGGAGGCTTTTGACTCAGTTTTCGGAGGCCAGCCTCCGAAAACTGA其反向重復序列富含GC，下游常有６－８個Ａ，轉錄后含有相對應的Ｕ，是使RNA聚合酶脫離模板的信號。１）不依賴ρ因子的終止子（強終止子）不依賴于ρ因子的終止子轉錄終止模型

被轉錄的RNA可以在終止子處形成莖環狀的RNA-RNA發莢結構，其穩定性比RNA-DNA雜合鏈穩定性高，可以把RNA聚合酶和RNA都從DNA鏈上脫離下來，從而終止轉錄。

２）依賴于ρ因子的終止子（弱終止子）

ρ因子有RNA結合位點和ATP結合位點，以六聚體形式起作用，可以輔助轉錄終止ρ因子只引起沒有正在進行翻譯的RNA合成終止ρ因子是RNA-dependentATPase，需要RNA存在ρ因子能使RNA-DNA雜合雙鏈解旋ρ因子結合在RNA的不被核糖體翻譯的rut位點，利用水解ATP的能量沿著RNA鏈按5’－3’方向移動；當RNA聚合酶遇到終止子暫停轉錄時，ρ因子可以在終止子處追趕上RNA聚合酶，并躋身于轉錄泡的RNA-DNA雜合鏈中；ρ因子的RNA-DNA解旋酶活性使RNA-DNA雜合鏈解旋，使RNA聚合酶從DNA上釋放出來，轉錄終止，RNA鏈和ρ因子也釋放出來。依賴于ρ因子的終止子轉錄終止模型基因表達的極性效應：

在某一條件下，同一轉錄單元里由于一個基因的無義突變，阻礙了下游相鄰基因表達的效應，稱為基因表達的極性效應。

在發生無義突變時，無義突變使翻譯提前終止，核糖體提前釋放，ρ因子就有機會趕上RNApol，從而引起轉錄的終止。抗終止作用？lacI

P

OlacZ

lacY

lacA大腸桿菌乳糖操縱子的結構模型：β－半乳糖苷酶β－半乳糖苷透性酶β－半乳糖苷轉乙酰酶阻遏物第三節操縱子類型operonconcept●控制某一代謝途徑的相關基因,

緊密連鎖地排列在一起,受同一操縱子控制●各結構基因按一定比例協調翻譯(Z:Y:A=5:2:1)●具有極性突變效應●P&O基因(cis)緊密連鎖或彼此重疊

I基因(trans)位點不固定LacoperonIpoZYA１、乳糖操縱子的負調控Igene

activerepressorbindingonOperator38kd/monomertetramer152kdOgene(operator)mRNAstartpointRNApolymerasebindingRepressorbindingObstruction?Competition?Ogene(operator)cis-actionfactorrepressionOgene(operator)Repressor對重疊位點的競爭力下降有利于RNApolymerase的結合Ogene(operator)cis-actionfactormRNAstartpointunwindingRNApolymerasebindingRepressorbindingO&Poverlaprepressor&RNApolymerasebindatsitesthatoverlaparoundthestartpointofLacoperonrepressor&RNApolymerase對重疊位點競爭---調控機理Inducer(lactose)

與repressor特異結合tetramer變構

特異結合力下降1000X作用于O

位點上的repressor

變構

脫離O位作用于游離的repressor

operononrepessortetramer與operator發生特異結合

operonoff

變構

失去結合于O位的能力(a)Nolactose;repression.(b)Presenceoflactose,derepression.Lac.Operonstructure２、乳糖操縱子的正調控：cAMPcontrol

(universalcontrollingsystem)LacoperonopenbutnotranscriptsGlucoseLactoseE.coliWhy?ATPpppcAcAMPpcA5’-AMPpcAI(crpgene)(cAMPrecceptprotein)(orcatabilitegeneactivatorprotein)cAMPase(-)phosphodiesterase(+)+GlucoseLac.OperonIPOStimulationofβ-galactosidasesynthesisbycAMPwithwild-typeandmutantCAPPastan1970P.N.A.S.

480-487,June66(2)CAP-cAMPcomplexisimportantinlacoperontranscriptionCAPpluscAMPallowformationofanopenpromotercomplexThelaccontrolregion.justupstreamoftheoperator,containstheactivatorsite,orCAPbindingsite,ontheleft(yellow)andthepromoterTheCAP-cAMPdimerbindstoitsactivatorsiteontheDNA,andtheα-CTDinteractswithaspecificsiteontheCAPproteinThisstrengthensbindingbetweenpolymeraseandpromoter.,

HypothesisforCAP-cAMPactivationoflac