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1、原核细胞基因表达调控,Regulation of Prokaryotic Gene Expression,一、基因表达调控概述,Basic Conceptions and Principle,（一）基因表达的概念,*基因*基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。,基因经过转录、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(gene expression),基因表达是受调控的,（二）基因表达的时间性及空间性,1、时间特异性,2、空间特异性,基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(
2、cell or tissue specificity)。,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。,（三）基因表达的方式,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,1、组成性表达,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。,无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutive gene expression)。,2
3、、诱导和阻遏表达,在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。,可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。,如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,（四）基因表达调控的生物学意义,1、适应环境、维持生长和增殖,2、维持个体发育与分化,二
4、、基因表达调控的基本原理Basic Principle of Gene Expression Regulation,a,（一）基因表达的多级调控,基因激活,转录起始 转录后加工mRNA降解,转录起始,（二）基因转录激活调节基本要素,特异DNA序列和调节蛋白质调节蛋白DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用RNA聚合酶,原核生物,操纵子(operon)机制,1.特异DNA序列和调节蛋白质,Pribnow box,共有序列(consensus sequence)决定启动序列的转录活性大小。,某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。,2 操纵序列 阻遏蛋白(r
5、epressor)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。,3)其他调节序列、调节蛋白,例如,激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。,有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。,真核生物,不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。,2、真核基因的调节蛋白,还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的
6、表达，称顺式作用。,由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。,反式作用因子(trans-acting factor),这种调节作用称为反式作用。,反式调节,顺式调节,指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。,绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。,4.RNA聚合酶,原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性,RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。,调节蛋白与RNA聚合酶活性,一些特异调节蛋白
7、在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。,三、原核基因表达调控,Regulation of Prokaryotic Gene Expression,1、因子决定RNA聚合酶识别特异性,2、操纵子模型的普遍性,3、阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性,（二）乳糖操纵子调节机制,1、乳糖操纵子(lac operon)的结构,Lac operon,没有乳糖存在时,2、阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,Lac operon,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,3、CAP的正性调节,4、协调调节,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥
8、作用；,如无CAP存在，即使没有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)。,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,The regulation of lac operon by CAP,repressor,CAMP and inducer,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,?,（三）色氨酸操纵子调节机制
9、,转录衰减,色氨酸操纵子,Trp operon,空 间 结 构,特 点,前导序列,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:,包含序列1,形成发夹结构能力强弱：序列1/2序列2/3序列3/4,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构就是终止子可使转录,RNA聚合酶,终止,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,（四）基因重组,沙门菌鞭毛素基因的调节,（五）SOS反应,紫外线,与DNA 损伤修复有关的酶和蛋白质,DNA,（五）SOS反应,3、翻译产物对翻译的调
10、控（蛋白质合成的自体调控）有些mRNA编码的蛋白质，本身就是蛋白质翻译过程中发挥调节作用的因子，这些因子对自身翻译也起调控制作用。A.核糖体蛋白（1）核糖体是1座合成蛋白质流动工厂，沿mRNA移动 快速合成蛋白质。核糖体由rRNA为骨架与核糖体蛋白组成。Ecoli核糖体蛋白质有55种，（大亚基34，小亚基21），核糖体是细菌细胞重要成份之一。,（2）细菌中50余种核糖体蛋白质，基因分布在不同的操纵子中，合成这些蛋白质，速率是与细胞增殖适应的，受生长条件营养环境影响。（3）实验证明，这些操纵子转录水平是可调控的，但核糖体蛋白合成的控制主要在翻译水平。因为加入额外操纵子于细菌，mRNA增加，而核糖
11、体蛋白质并不增加。（4）每1个operon转录的mRNA编码蛋白中的一种（或2种蛋白质复合体）可以结合到多顺反子上游的1个特定部位，阻止核糖体结合和起始翻译。,B.翻译终止子RF2合成的自体调控（1）终止密码和释放因子（终止子）无论原核、真核都有3种终止码：UAG、UGA和UAA 没有1种tRNA与终止码作用，而是由特殊的蛋白因子促成终止作用，这类蛋白因子称做释放因子，也有称翻译终止子。,原核有3种释放因子 RF1 识别UAA、UAG RF2 识别UAA、UGA RF3 能刺激RF、RF2的活性。真核只有1种，即eRF。,（2）RF2 mRNA的移框窗口及其附近结构 阅读框（reading-f
12、rame）也称读码。mRNA核苷酸序列中，3个核苷酸为1组（称为密码子），由核糖体进行翻译。每个密码子代表蛋白质合成中单个氨基酸，阅读框规定了3个核苷酸组成1个密码子，这是由起始密码子AUG决定的。例如AUG CCA AAA UUU CCC可以读成AUG/GCA/AAA/UUU/CCC，而不会读A/UGG/CAA/AAU/UUC/CC。,开放阅读框（open reading-frame）没有终止密码子打断的阅读，通常是从DNA（不是RNA）顺序推论出开放阅读框的存在。基因密码阅读的3个特点每个基因都有特定的阅读框（如组蛋白），阅读必须从第1个密码子开始到最后1个密码子结束。阅读是不停顿的，停顿
13、只能合成肽而不是蛋白质。（学理发）阅读（mRNA）方向53，合成肽链方向氨基端羧基端，而不能反之。,mRNA 5 AUGGGG UAU CUU UGAC UAC GAC 3合成肽链方向 NH2 Gly Tyr Leu Asp-Tyr-Asp-COOH 前面25个氨基酸 后面315个氨基酸(AA),RF2mRNA移框窗口及其结构,移框窗口（转换区）至少15个核苷酸才能发生移框,23 24 25 26 27 28,RF2是由340氨基酸组成的蛋白质，它的密码子并不处于同1个阅读框中，前25个AA处于AUG所在阅读框中，后315AA处于（+1）另1阅读框中。RF2整个阅读框分成2个阅读框，中间多了1
14、个U，U与第26个AA（ASP）密码子的前2个核苷酸构成了RF2识别的终止码UGA，而且是前框（25个AA）同框终止密码子。移框窗口至少含15个核苷酸。,RF2合成的自体调控 细胞内RF2供应充足时当核糖体A位到达第25个密码子后面的UGA时RF2就促成了肽链合成终止。RF2 RF2mRNA译至第25个AA 在其后UGA处将不成熟的肽释放。,胞内缺乏RF2核糖体向前滑动1个核苷酸（U）即移框作用继续合成第25个AA 直到最后的终止码UAG UAG由另1个释放因子RF1识别并促使RF2肽链的释放。移框作用如此精细的自体调控机制目前仍不清楚，可能与前面25肽的结构有关。,（1）低渗omPR Pr.
15、omPF。omPC基因关闭。（2）高渗变构OmPR Pr.Ompc ompc mRNA ompc Pr.micF（3）micF能与ompF mRNA前导序列（L）中的44个核苷酸（包括SDs）及编码区（包括起始码AUG）形成杂合双链，从而抑制了ompF mRNA翻译。,正控,正控,转录,翻译,同时转录,（4）2种蛋白质（ompF.ompc）随渗透压变化而变化此消彼长，总量不变。（5）反义RNA与mRNA反义，通过互补碱基与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译，又称干扰mRNA的互补RNA,简称micRNA（mRNA-interfering complementary RNA）。,反义RNA对
16、Tn10转位酶的调控作用1.Tn10带有terr，转座最大的特点是原位转座不动，仅将1个新的合成复本插到另1个新的位点上。,2.Tn10的基本结构,3.调控机理 Tn10转位酶由pin控制，反义RNA基因由Pout控制。2个启动子转录方向相反，在转录区有35（40）bp重叠，导致2条RNA互补。2个启动子交叉转录，产物RNA互补重叠成双股链核糖体不能接触转位酶不能译出无酶无法转位。,只有RNA-in摆脱了RNA-out配对才有机会翻译。RNA-out活性较RNA-in大8倍，所以Tn10的份数越多，转座机会就越少。生物学意义 对于细菌来说，Tn是入侵者，除抗生素抗性基因对细菌有利外，过多Tn对细菌是一个重负担、甚至置细菌于死地（转座引起插入突变等）Tn10用反义RNA约束自己不要过多繁殖以免与宿主同归于尽。,思考题,名词解释：基因表达(gene expression)、管家基因(housekeeping gene)、操纵子(operon)、启动子(promoter)、反义RNA(antisense RNA)问答题：1、原核与真核生物转录水平基因表达特点如何？2、叙述基因转录激活的基本要素有哪些？3、叙述乳糖操纵子调节机制。4、叙述原核生物翻译水平的调控,
