原核生物转录调控原核生物转录调控classclassGene expression controls基因表达基因表达: 从从DNA到蛋白质的过程。到蛋白质的过程。基因表达调控基因表达调控: 对基因表达过程的调节。对基因表达过程的调节。基因表达调控主要表现基因表达调控主要表现: 1.转录水平上的调控主要在起始，终止处。转录水平上的调控主要在起始，终止处。 2.转录后水平的调控转录后水平的调控 mRNA加工成熟水平上的调控（真核生物）加工成熟水平上的调控（真核生物） 翻译水平的调控起始，终止翻译水平的调控起始，终止Molecular Biology CourseL1-2 乳糖操纵子乳糖操纵子大肠杆菌能利用乳糖作为大肠杆菌能利用乳糖作为碳源碳源，而利用乳糖作为碳源的酶只而利用乳糖作为碳源的酶只有当有当乳糖成为唯一的碳源乳糖成为唯一的碳源时时才会被合成。才会被合成。Regulation of Transcription in ProkaryotesLactose operon: a regulatory gene and 3 stuctural genes, and 2 control elementslacZ codes for -galactosidase (-半半 乳糖苷酶乳糖苷酶) for lactose hydrolysis(水解水解）lacY encodes a galactoside permease (半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶)to transport Lactose across the cell walllacA encodes a thiogalactoside transacetylase (硫代半乳糖苷乙酰硫代半乳糖苷乙酰 转移酶转移酶)-抑制抑制-半乳糖苷酶有害产物积累半乳糖苷酶有害产物积累L1: The LAC operon这三个结构基因被一个转录单元这三个结构基因被一个转录单元lacZYAlacZYA所编码，它有一个启动子所编码，它有一个启动子PlaclacZYA转录单元含有一个操纵基因转录单元含有一个操纵基因位点位点Olacposition between bases -5and +21 Binds with the lac repressorL1: The LAC operonL1-3 乳糖阻抑物乳糖阻抑物由由LacI基因编码基因编码同亚基四聚体活性形式同亚基四聚体活性形式Olac具有回文结构（具有回文结构（28bp碱基）碱基）乳糖缺乏时，阻抑物占据乳糖缺乏时，阻抑物占据OlacL1: The LAC operon Thus, RNA polymerase binds very tightly to Plac but no transcription occur because of the bound repressor乳糖阻抑物乳糖阻抑物和和RNA聚合酶聚合酶能能同时同时结结合到合到Plac和和Olac上，且前者使后者上，且前者使后者的结合能力增加了的结合能力增加了2 2个个数量级。数量级。L1: The LAC operonL1-4 诱导诱导诱导物诱导物乳糖阻抑物乳糖阻抑物阻抑物四聚体阻抑物四聚体构象变化构象变化降低降低阻抑物与阻抑物与Olac亲和力亲和力聚合酶迅速转录聚合酶迅速转录乳糖，异乳糖乳糖，异乳糖异乳糖异乳糖RNA聚合酶聚合酶L1: The LAC operonL1-5 cAMP受体蛋白受体蛋白 (CRP)CRP是一种激活蛋白是一种激活蛋白(CAP)CRPcAMP复合物才能结合复合物才能结合DNAcAMP由葡萄糖控制由葡萄糖控制glucoseCRP-cAMPCRPcAMP P Placlac启动子启动子：弱启动子弱启动子 没有强没有强35序列序列 弱的弱的10序列序列High level expression from this promoter requires the activity of the specific activator, CRP.L1: The LAC operonlacZlacYlacAPlacIPlaclacIOlacPlac / RNA polymerase-50-30-1010130-20-4020-60CRP bindingOlac / repressorstartpointmRNAlactoseCRP-cAMPcAMP水平上升，水平上升， CRPcAMP复合物结复合物结合在合在Plac上，上，DNA链发生链发生90度的弯曲，度的弯曲，增增强了聚合酶与启动子的结合强了聚合酶与启动子的结合，转录效率提，转录效率提高高50倍。倍。v When glucose is absentv When glucose( (葡萄糖）葡萄糖） is present乳糖操纵子通常不被激活乳糖操纵子通常不被激活SummaryA: RNA polymeraseB: lac repressor C: CRP-cAMP阻抑物调控：阻抑物调控：-负调控负调控 -缺乏乳糖；乳糖存在缺乏乳糖；乳糖存在cAMP受体蛋白的调控：受体蛋白的调控：-正调控正调控 -缺少葡萄糖；有葡萄糖缺少葡萄糖；有葡萄糖乳糖是唯一碳源乳糖是唯一碳源葡萄糖是唯一碳源葡萄糖是唯一碳源乳糖和葡萄糖同时存在乳糖和葡萄糖同时存在再下列几种情况下，大肠杆菌的乳糖操纵子再下列几种情况下，大肠杆菌的乳糖操纵子是如何进行调控的？是如何进行调控的？L2 The Trp Operon1. The trp operon（操纵子）（操纵子）2. the trp repressor(阻抑物）阻抑物）3. the attenuator（弱化子）（弱化子）4. Leader RNA structure5. The leader peptide（肽）（肽）6. Attenuation（弱化作用）（弱化作用）7. Importance of attenuationL2-1 The Trp Operon（色氨酸操纵子）（色氨酸操纵子）1. trp 操纵子操纵子 ：包括色氨酸合成途径中相关的：包括色氨酸合成途径中相关的5个个结结构基因构基因,一个一个启动子启动子，一个，一个操纵序列操纵序列一段一段前导序列前导序列，一个一个调节基因调节基因。2. 该操纵子编码一个转录单元，从该操纵子编码一个转录单元，从Otrp向下游转录向下游转录7kb的转录物的转录物.3. 作用：当细胞缺乏色氨酸时，作用：当细胞缺乏色氨酸时， trp 操纵子操纵子 可使色可使色氨酸氨酸协同表达协同表达。4.色氨酸操纵子色氨酸操纵子RNA产物不稳定产物不稳定.L2: The trp operonL2-2 The Trp repressor （色氨酸阻抑物）（色氨酸阻抑物）Regulation of Transcription in Prokaryotes1. 色氨酸阻抑物：由独立的操纵子色氨酸阻抑物：由独立的操纵子trpR编码编码，能与能与Otrp位点特异性结合。位点特异性结合。2. 色氨酸阻抑物色氨酸色氨酸阻抑物色氨酸才能结合到操才能结合到操纵基因纵基因Otrp。L2: The trp operon3. 阻抑物：二聚体（两个亚基）阻抑物：二聚体（两个亚基） 一个中心区域一个中心区域 两个灵活的两个灵活的DNA解读头部解读头部L2: The trp operon4.Therefore, 色氨酸操纵子所编码的酶色氨酸操纵子所编码的酶的终产物的终产物(色氨酸），可通过色氨酸），可通过终产物抑制终产物抑制自身的合成。自身的合成。5. 该阻抑物可将转录的起始减少大约该阻抑物可将转录的起始减少大约70倍。倍。L2: The trp operonThe trp operonL2-3 The attenuator （弱化子（弱化子/ /衰减子）衰减子）Repressor does not account for all the regulation:Deletion of a sequence between the operator and trpE gene coding region (attenuator) increase both the basal and the activated levels of transcription.L2: The trp operon1. 位于位于trpE起始密码子前面起始密码子前面162nt的转录前导序的转录前导序列（列（C）的末端）的末端.2. 是一个是一个-independent 终止子区域，在一小终止子区域，在一小段富含段富含GC的回文结构后使的回文结构后使8个连续的个连续的U残基。残基。3. If RNA转录物中发夹结构形成转录物中发夹结构形成 ， acts as 一一个高效的转录终止子，个高效的转录终止子， 仅仅有一段短的转录产仅仅有一段短的转录产物倍合成。物倍合成。L2: The trp operonL2-3 The attenuator （弱化子（弱化子/ /衰减子）衰减子）mRNAL2-4 Leader RNA structure （前导（前导RNA的结构）的结构）Regulation of Transcription in ProkaryotesmRNAThe leader RNA contains four regions (sequence 1,2,3,4) of complementary sequence that can form different structuresL2: The trp operonL2-5 The leader peptide （前导肽）（前导肽）1.前导前导RNA序列含有一个有效的序列含有一个有效的核糖体结核糖体结合位点合位点，并能形成有前导，并能形成有前导RNA2768号号碱基所编码的碱基所编码的14个氨基酸的前导肽个氨基酸的前导肽。 2.这段前导肽的这段前导肽的10和和11个密码子是连续的个密码子是连续的色氨酸色氨酸残基残基,在序列在序列1中中;终止密码子在序终止密码子在序列列1和和2之间。之间。3.因此色氨酸决定核糖体的位置，从而控因此色氨酸决定核糖体的位置，从而控制转录。制转录。Regulation of Transcription in ProkaryotesTrp TrpTrpTrpTrp（+）Trp（） L2-6 Attenuation （弱化作用）（弱化作用） 依赖于依赖于转录和翻译转录和翻译的紧密偶联，使翻译可的紧密偶联，使翻译可以在以在mRNA边转录时边进行边转录时边进行. Therefore, 前导前导RNA转录出后，前导肽转录出后，前导肽立即被翻译出。立即被翻译出。Regulation of Transcription in Prokaryotes5原核细胞原核细胞转录，翻转录，翻译相译相偶联偶联真核生物真核生物5 在色氨酸操纵子转录进行的过程在色氨酸操纵子转录进行的过程中中, RNA Polymerease 在在 sequence 2的末端的末端停滞直到停滞直到核糖体开始翻译前导肽核糖体开始翻译前导肽L2: The trp operon调控调控弱化作用弱化作用抗终止作用抗终止作用L2: The trp operon弱化作用弱化作用： 色氨酸存在使色氨酸存在使trp operon的转的转录被抑制录被抑制 10-fold (细调）细调）色氨酸阻抑物色氨酸阻抑物： 70-fold (粗调）粗调） 色氨酸水平对色氨酸操纵子的表达施加色氨酸水平对色氨酸操纵子的表达施加了了 700-fold 效果效果.His操纵子：弱化作用是唯一的调控机制操纵子：弱化作用是唯一的调控机制L2-7 Importance of attenuation （弱化作用的重要性）（弱化作用的重要性）L2: The trp operon小结小结L1 L1 乳糖操纵子乳糖操纵子 操纵子；乳糖操纵子；操纵子；乳糖操纵子； 乳糖阻遏物的调控乳糖阻遏物的调控- -负调控负调控 cAMP-CRP cAMP-CRP的调控的调控正调控正调控L2 L2 色氨酸操纵子色氨酸操纵子 色氨酸操纵子色氨酸操纵子；阻抑物阻抑物；弱化子；弱化子； 前导前导RNARNA；前导肽；前导肽；弱化作用抗终止作用弱化作用抗终止作用L3 Transcriptional regulationby alternative Factors1. Sigma factor2. Promoter recognition3. Heat shock5. Bacteriophage factorsRegulation of Transcription in ProkaryotesL3-1&2: Sigma factor andpromoter recognitionRegulation of Transcription in ProkaryotesTranscriptional regulation by alternative s FactorsRegulation of Transcription in ProkaryotesMany bacteria produce alternativesets of factors to meet the regulationrequirements of transcription undernormal and extreme growth conditionE. coli: Heat shockbacteriophage factorsConfer each of them a new promoterspecificity, and allows the diversion ofthe cells basic transcription machineryto the specific transcription of differentclasses of genesDifferent factors binding to thesame core RNA Pol70 factors is the most commonfactor in E. coli under the normal growth conditionL3-3: Heat shockRegulation of Transcription in ProkaryotesComparison of the heat-shock 32 andgeneral 70 responsive promoterRegulation of Transcription in ProkaryotesL3-5: Bacteriophage factorsTranscriptional regulation by alternative Factors1. Many bacteriophages synthesizetheir own factors to endow the hostRNA Pol with a different promoterspecificity and hence to selectivelyexpress their own phage genes .L3-5: Bacteriophage factors2. B. subtilis SPO1 phage expresses acascade of factors which allow adefined sequence of expression ofdifferent phage genes .SPO1早期基因中期基因晚期基因gp28gp33gp34小结L1 L1 乳糖操纵子乳糖操纵子 操纵子；乳糖操纵子；操纵子；乳糖操纵子； 乳糖阻遏物的调控乳糖阻遏物的调控- -负调控负调控 cAMP-CRP cAMP-CRP的调控的调控正调控正调控L2 L2 色氨酸操纵子色氨酸操纵子 色氨酸操纵子色氨酸操纵子；阻抑物阻抑物；弱化子；弱化子； 前导前导RNARNA；前导肽；前导肽；弱化作用抗终止作用弱化作用抗终止作用L3 L3 不同不同对转录的调节对转录的调节 因子的功效；大肠杆菌因子的功效；大肠杆菌热休克热休克3232 SPO1 SPO1噬菌体级联表达噬菌体级联表达一系列一系列