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原核生物基因表达的转录水平调控RegulationofProkaryotic

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分子生物学第七章原核生物基因表达调控

分子生物学第七章原核生物基因表达调控
基因表达调控对于生物体的正常生长、发育、代谢和应激反应等 过程至关重要，是生物体适应环境变化和维持内环境稳态的重要 机制。
原核生物基因表达调控的特点
01
原核生物基因表达调控通常由特 定的转录因子、RNA聚合酶以及 其他调控蛋白介导，通过与DNA 的结合或解离来调节基因转录。
02
原核生物基因表达调控具有快速 响应环境变化的特点，能够在短 时间内调整基因表达模式，以适 应外界刺激和压力。
翻译后加工的调控
翻译后加工的调控
在翻译后加工阶段，新合成的蛋白质经过一系列修饰和加工，最终成为具有生物学活性的蛋白质。原 核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性来调控翻译后加工过程。此外，原核生物还可以通过控制 蛋白质的稳定性来影响其功能和表达水平。
总结
翻译后加工是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性，以及蛋白质 的稳定性来精细调控基因表达。
翻译延伸的调控
翻译延伸的调控
在翻译延伸阶段，核糖体沿着mRNA移动，将氨基酸组装成蛋白质。原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活 性，以及核糖体的合成和组装来调控翻译延伸。此外，原核生物还可以通过控制mRNA的结构和稳定性来影响翻 译延伸。
总结
翻译延伸是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活性，以及核糖体的合成和组装， 以及mRNA的结构和稳定性来精细调控基因表达。
翻译起始的调控
原核生物通过控制翻译起始来调控基因表达。在翻译起始阶段， mRNA与核糖体结合，招募翻译所需的起始因子和其他成分。原 核生物通过控制起始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的 结合来调控翻译起始。
总结
翻译起始是基因表达调控的重要环节，原核生物通过控制翻译起 始因子的合成和活性，以及mRNA与核糖体的结合来精细调控基 因表达。

优选原核生物基因表达的调

优选原核生物基因表达的调

诱导物-阻遏 蛋白复合物
安慰诱导物 (gratuitous inducer)：能高效诱导酶的 合成但不被所诱导的酶分解的分子。 如：IPTG(异丙基硫代半乳糖苷)
操纵基因(operator, O)是原核生物操纵子中被调控蛋白识 别并结合的DNA区域。
lacO是-5至+21的序列，与启动子右末端重叠
指能被调节蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子 相邻或重叠，当调节蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游 基因的转录。
(4) 调节基因 调节基因编码能与操纵基因结合的调节蛋白。
11.3.1.2.2 操纵子的类型
诱导型操纵子：一般控制与分解代谢有关酶的表达，需要 诱导物与阻遏蛋白结合或诱导物与激活蛋白结合，如乳糖操纵 子、麦芽糖操纵子。
lacO的序列，以+11为对称轴具有反向重复序列
图11-6 lac操纵子的负调控
优选原核生物基因表达的调
管家基因：始终或经常性开启的基因,是维持细胞基 本生命活动所必须的，如编码组成型蛋白的基因。
奢侈基因：指编码组织特异性蛋白的基因，对细胞 分化有重要影响，如大肠杆菌被乳糖诱导的基因等。
原核生物是单细胞生物，需要随时根据环境条件变 化调整自身基因的表达。原核生物细胞中没有形成细胞 器，基因转录与翻译同时发生，mRNA半衰期极短，在几 分钟内就被降解，因此一种mRNA必须持续转录才能维持 蛋白质的合成。
图11-2 鼠伤寒沙门氏菌相变的分子机制
11.3 转录水平的调控
11.3.1 转录起始阶段的调控
11.3.1 不同 因子的选择性使用
原核生物识别启动子序列的是 因子，不同的 因子
可识别不同的启动子序列。大肠杆菌主要使用 70 。在特
殊条件下其他类型的 因子被表达或激活，启动其他基因

第五章 原核生物的转录调控(Regulation of transcription in pro

第五章 原核生物的转录调控(Regulation of transcription in pro

操纵基因与启动子部分重叠
regulator
Inverted repeat
（三）操纵子的类型
1. Inducible (诱导型)
在正常情况下，结构基因不表达或者表达 水平很低，而在诱导物(inducer)存在时，它才 开放转录。e.g. 乳糖操纵子（lac operon）。
2. Repressible (阻遏型)
cis-acting – A site that affects the activity only of sequences on its own molecule of DNA. trans-acting – A product that can function on any of its target DNA. This implies that it is a diffusible (扩散的) protein or RNA.
透性酶 乙酰基 转移酶
Polycistronic mRNA
二、阻遏蛋白的负调控
（一）关闭（无乳糖） 1. Blocks access of RNA pol
Come on, let me through.
No way!
to the adjacent promoter 2. Inhibits processive transcription
The lac operon小结：
1. 无乳糖 操纵子关闭 2. 有乳糖，无葡萄糖 有乳糖，操纵子开启，CRP-cAMP结合到紧邻 启动子的激活因子结合位点，并与RNA pol结合， 促进pol与启动子结合，激活转录。 3. 有乳糖，有葡萄糖 葡萄糖存在时，cAMP含量降低。无活性的 CRP作为激活蛋白，RNA pol不能进行有效的转录。 阻遏蛋白负调控与CRP正调控两种机制协调合作 lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又需缺乏 葡萄糖。

分子生物学：第五章-原核基因的表达与调控可修改文字

分子生物学：第五章-原核基因的表达与调控可修改文字

（4）操纵基因 ★
➢ 能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与 启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结 合在操纵序列上，会影响其下游基因转录的强弱
➢ 并不编码蛋白质，起着调控基因表达强弱的作用
➢ 乳糖操纵子中的操纵基因为例
➢ 操纵基因（o）序列位于启动子（p）与被调控的基 因之间，部分序列与启动子序列重叠
➢ 顺式作用元件（cis-acting element）： 启动子、操纵子和终止子
➢ 反式作用（trans-action）：调节基因可以在结 构基因群附近、也可以远离结构基因，它通过其 基因产物──调控蛋白来发挥作用
➢ 调节基因不仅能对同一条DNA链上的结构基因起 表达调控作用，而且能对不在一条DNA链上的结 构基因起作用
翻译水平的调控 (Differential translation of
mRNA)
原核生物中的转录和翻译水平的调控均以操纵子的方式进行
二、操纵子学说（ operon ） ★
➢ 操纵子学说：原核生物基因结构及其表达调控理论，基因 表达调控的基础
➢ 法国巴斯德研究所 Jacob 和 Monod 1961 年提出，在 10 年内经许多科学家的补充和修正得以逐步完善
弱的启动子
（2）终止子（terminator，T）
➢ 给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列 ➢ 在一个操纵子中至少在结构基因群最后一个基因
的后面有一个终止子
➢ 强终止子和弱终止子
➢ 一串结构基因群中间有弱终止子的存在，则前后 转录产物的量会有所不同，这也是终止子调节基 因群中不同基因表达产物比例的一种方式
➢ 基因表达方式： 组成型或永久型表达，constitutive expression 诱导型或适应型表达，induced or adaptive expression

原核生物基因表达调控

原核生物基因表达调控

20
同位素示踪实验
把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸,但没 有半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代然后再将这些带有 放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培养基中 随着培养基中诱导物的加入, β-半乳糖苷酶便开始合成。 分离β-半乳糖苷酶, 发现这种酶无35S标记说明酶的合 成不是由前体转化而来的, 而是加入诱导物后新合成的。
• Jacob和Monod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）
现象是个基因调控问题, 可以用实验方法进行研究, 因此
选为突破口, 终于通过大量实验及分析, 于1961年建立
了该操纵子的控制模型。
-
21
酶的诱导
-
22
• 酶的诱导现象是生物进化过程中出现的一种合理、 经济地利用有限资源的本能。
• 酶诱导已证明是低等生物的普遍现象。
倒位片段
鼠伤寒沙门菌鞭毛素基- 因的调节
H1鞭毛素
10
鼠伤寒沙门氏菌（S.typhimrium）的相转变（phase variation）
-
11
2.σ 因子对原核生物转录起始的调控
σ因子:原核生物RNA聚合酶的一个亚基，是转录起 始所必需的因子，主要影响RNA聚合酶对转录起始 位点的正确识别，这种σ因子称σ70,此外还有分子量 不同,功能不同的其他σ因子 。
ＰＯ
操纵子可视为原核生物的转录单位，它可以逐个
地从原核生物基因组中分离出来，对其结构功
能加以研究。
-
15
3.乳糖操纵子
1) 乳糖操纵子的结构
启动子 操纵基因
调节蛋白
（阻遏蛋白）
-
结构基因
16
3个编码的结构基因
• Z编码β-半乳糖苷酶: 将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还能 将乳糖转变为异构乳糖

原核生物基因表达调控

原核生物基因表达调控

某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调 控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基 因转录的影响，这些特定物质可称为效应物。
有两种： 诱导剂(inducer)：能引起诱导发生的分子； 阻遏剂或辅助阻遏剂(corepressor)：能导致 阻遏发生的分子。
例如在乳糖操纵子中，调控基因lacI位于 P lac 邻近，有其自身的启动子和终止子，转录 方向和结构基因群的转录方向一致，编码产生 由347个氨基酸组成的调控蛋白R。
• ②适应性表达(adaptive expression)指环境的变化容易使其表达水平变动 的一类基因表达。 • 因环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因 被称为可诱导的基因(inducible gene)； • 相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)， 相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。
(2) 启动子
启动子(promoter,P)是指能被RNA聚合酶 识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。操 纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基 因5＇侧上游，控制整个结构基因群的转录。
虽然不同的启动子序列有所不同，但比较 已经研究过的上百种原核生物的启动子的序列， 发现有一些共同的规律，它们一般长40-60bp， 含A-T bp较多，某些段落很相似的，有保守性， 称为共有性序列(consensus sequences)。 启动子一般可分为识别(R，recognition)、 结合(B，binding)和起始(I，initiation)三个 区段。
大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使 乳糖进入细菌的半乳糖透过酶(lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 －半乳糖 苷酶( -galactosidase)。

原核生物中基因转录与表达调控机制研究

原核生物中基因转录与表达调控机制研究

原核生物中基因转录与表达调控机制研究在原核生物中，基因的转录和表达调控机制一直是生物学研究领域中的重点。

原核生物包括细菌和古细菌，在它们身上进行的研究常常被视为研究复杂生物体基因表达的模型。

原核生物中的基因转录和表达调控机制相对简单，但其影响力却不容小觑。

本文将就原核生物中基因转录和表达调控机制的研究进行深入剖析。

基因转录基因转录是指从DNA模板上转录RNA的过程，即在DNA两个链的其中一个链上，以一定的顺序，将AT基对翻译成RNA链上的相应碱基。

此过程包括RNA 聚合作用和RNA后加工，其中RNA聚合酶一般被认为是决定基因转录速率的重要因素。

在大多数原核生物中，基因转录的RNA聚合酶只有一种。

其中，细菌中的RNA聚合酶包括核心酶和辅助因子 sigma，而古细菌中则只有核心酶，然而由于一些细节的差别，古细菌中的RNA聚合酶复杂程度较高。

基因的表达调控基因的表达调控是指通过调节转录和翻译来控制基因表达水平的过程。

在原核生物中，基因的表达调控主要由转录水平调控和转录后水平调控两个层次实现。

转录水平调控是指编码DNA被RNA聚合酶转录为RNA的过程中，通过调节RNA聚合酶结合DNA的速率来控制基因表达水平。

在此过程中，转录因子的结合是一个关键步骤，转录因子可以通过结合DNA结合位点上的特异性序列来识别特定的基因。

古细菌中，基因的体系结构一般较简单，结合DNA结合位点的序列不太清楚，而在细菌中，结合DNA结合位点的序列则相对清晰。

此外，一些转录因子还可以参与启动因子的形成，从而增强启动子的活性。

同时，转录因子的规律性结合还能控制RNA聚合酶聚合和高度限制转录的产生。

而在转录后水平调控中，则包括了RNA后加工、RNA稳定性和RNA翻译三个方面。

在RNA后加工中，一些特定的转录因子被证明可以影响RNA的后加工——包括剪切、剪接、修饰或者降解——从而在一个基因的多样性生成过程中发挥关键作用。

而RNA稳定性则是指RNA分解的速率，对于某些基因而言，快速降解的RNA能够导致基因的短暂表达，而后慢衰退。

原核生物基因表达的调控1-4（精）

原核生物基因表达的调控1-4（精）

原核生物基因表达的调控1-4（精）原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控可以在 DNA 复制、转录和翻译三个不同层次进行表达调控。

其中, 转录水平的调控是最主要的,也是最经济,最有效的方式。

但转录生成mRNA 以后,再在翻译或翻译后水平进行微调,是对转录调控的有效补充,例如:λ噬菌体的后期基因是长达26kb 的一个片段, 作为一个单位转录成多顺反子mRNA 。

然而不同基因编码的蛋白质用量不同, 相差可达千倍, 这就需要通过翻译再进行调节。

在翻译调控方面, mRNA 的寿命、 mRNA 本身所形成二级结构都可影响到翻译的进行。

除此之外,有些基因的产物也可通过与其mRNA 的结合,控制这种蛋白质的继续合成,如释放因子 RF2和核糖体蛋白质的自体调控。

另外,在不良营养条件下,由于氨基酸的缺乏, 也可使细胞内蛋白质的合成受到抑制, 出现严谨反应。

总之,由于存在翻译水平的调控,使得原核生物基因表达调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化。

翻译的过程可分为三种不同的阶段―起始, 延伸和终止。

现在了解相对较多的翻译水平的调控包括:mRNA 翻译水平差异的调控, 翻译起始的调控,翻译阻遏作用,蛋白质合成的自体调控,反义RNA 的作用等几个方面。

1. mRNA 翻译水平差异的调控mRNA 的翻译能力主要受控于 5' 端的结合序列 (SD 序列。

SD序列是位于起始密码子上游约4~7个核苷酸之前的一段富含嘌呤的5' … AGGAGG … 3' 短小序列, 它可以与16S rRNA 3' … UCCUCC … 5'完全互补。

SD 序列与 16S rRNA 3'端的相应序列配对对于翻译的起始是很重要的。

强的控制部位造成翻译起始频率高, 反之则翻译频率低。

此外, mRNA 采用的密码系统也会影响其翻译速度。

大多数氨基酸由于密码子的简并性且具有不只一种密码子,它们对应的tRNA 的丰度也差别很大, 因此采用常用密码子的 mRNA 翻译速度快, 而稀有密码子比例高的 mRNA 翻译速度慢。

05 原核生物的基因表达调控

05 原核生物的基因表达调控
CAP
P
O
Z
Y
A
CAP CAP CAP CAP
无葡萄糖， 无葡萄糖，cAMP浓度高时 浓度高时
CAP
有葡萄糖， 有葡萄糖，cAMP浓度低时 浓度低时
无乳糖时
无葡萄糖 cAMP浓度 浓度高 cAMP浓度高
Lac 阻遏蛋白封闭转录时 阻遏蛋白封闭转录时, 封闭转录时 CAP对该系统不发挥作用 对该系统不 对该系统
诱导、 诱导、阻遏
开启基因的转录活性，这种作用及过程称为诱导 开启基因的转录活性，这种作用及过程称为诱导 基因的转录活性 （induction） ） 关闭基因的转录活性 这种作用及过程称为阻遏 基因的转录活性， 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） 诱导物、辅阻遏物（ ）
负调控（ 负调控（negative regulation） ）
与缺乏调控因子时比较， 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 阻遏蛋白（ 平下降，甚至关闭。调控因子称阻遏蛋白（repressor） ）
分为： 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， 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， 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
操纵基因O： 操纵基因 ：
OC mut. (I+ OC P+) constitutive mut. （组成型） 组成型） OC失去与 失去与repressor特异结合的能力 特异结合的能力
O gene (operator) cis-action factor
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（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' · · ·
pol 启动序列 操纵序列 阻遏蛋白 编码序列
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
目录
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）。
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。
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
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 I基因 结构基因
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
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。
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
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
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。
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)。
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。目录源自•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）。