第七章第七章第七章第七章 原核基因表达调控原核基因表达调控原核基因表达调控原核基因表达调控原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论支配子调控支配子调控转录程度上的其他调控转录程度上的其他调控转录后的调控转录后的调控第一节原核基因表达调控总论遗传信息有序地传送到蛋白质或功能遗传信息有序地传送到蛋白质或功能RNA分子的过程称为基因表达。对该过程的调分子的过程称为基因表达。对该过程的调理就称为基因表达调控。理就称为基因表达调控。基因表达调控主要表如今转录程度上和转基因表达调控主要表如今转录程度上和转录后程度上的调控。原核生物中，营养情录后程度上的调控。原核生物中，营养情况和环境要素对基因的表达有重要影响。况和环境要素对基因的表达有重要影响。如某些代谢物降解物的出现、应急条如某些代谢物降解物的出现、应急条件下细菌鸟苷四磷酸和鸟苷五磷酸的产生件下细菌鸟苷四磷酸和鸟苷五磷酸的产生等均会导致基因表达遭到调理。等均会导致基因表达遭到调理。一、原核基因表达调控分类一、原核基因表达调控分类u在正转录调控系统中，调理基因的产物是激活蛋白(activator)。根据其作用特征又可分为正控诱导系统和正控阻遏系统。 在负转录调控系统中，调理基因的产物是阻遏蛋白(repressor)。也可分为负控诱导系统和负控阻遏系统二大类。阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白转录激活转录激活负控诱导负控诱导正控诱导正控诱导转录抑制转录抑制负控阻遏负控阻遏正控阻遏正控阻遏二、原核基因表达调控主要特点二、原核基因表达调控主要特点这种表达的调理主要是经过体内这种表达的调理主要是经过体内DNA区段与相应区段与相应蛋白及其他因子相互作用来实现的蛋白及其他因子相互作用来实现的原核生物经过特殊代谢物调理的基因活性主要分为可诱原核生物经过特殊代谢物调理的基因活性主要分为可诱导和可阻遏两大类导和可阻遏两大类:1.可诱导调理。是指一些基因在特殊的代谢物或化合物可诱导调理。是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来封锁的形状转变为任务形状，即在的作用下，由原来封锁的形状转变为任务形状，即在某些物质的诱导下使基因活化。这类基因中最突出的某些物质的诱导下使基因活化。这类基因中最突出的例子是大肠杆菌的乳糖支配子分解代谢相关基因。例子是大肠杆菌的乳糖支配子分解代谢相关基因。2.可阻遏调理。这类基因平常都是开启的，处在产生蛋可阻遏调理。这类基因平常都是开启的，处在产生蛋白质或酶的任务过程中，由于一些特殊代谢物或化合白质或酶的任务过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其封锁，阻遏了基因的表达。比如大肠物的积累而将其封锁，阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌中的色氨酸支配子合成代谢相关基因。杆菌中的色氨酸支配子合成代谢相关基因。三、与基因表达调控相关的名词三、与基因表达调控相关的名词1.看家基因看家基因Housekeeping genes: 呈呈组成型表达组成型表达 ,使细胞复制和生长所必需的根使细胞复制和生长所必需的根本过程可以正常进展。本过程可以正常进展。2.诱导性基因诱导性基因Inducible genes: 在诱在诱导因子或细胞因子的诱导下才活化表达的基导因子或细胞因子的诱导下才活化表达的基因。因。3. 顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件和反式作用因子 Cis-acting element：是指具有调理功能：是指具有调理功能的特定的特定DNA序列或影响本身基因表达活性的序列或影响本身基因表达活性的DNA序列，在基因的同一条序列，在基因的同一条DNA分子上；如启分子上；如启动子。动子。 Trans-acting factor 转录因子转录因子TF：由：由调理基因编码，调理基因是一种特殊的构造基调理基因编码，调理基因是一种特殊的构造基因，其编码产物因，其编码产物RNA或蛋白质可以分散，或蛋白质可以分散，控制其他基因的表达。控制其他基因的表达。 基因表达的调理控制根本上是反式作用因子与顺式作用基因表达的调理控制根本上是反式作用因子与顺式作用元件的相互作用。反式作用因子只识别元件的相互作用。反式作用因子只识别DNA上非常短的一段上非常短的一段序列顺式元件。序列顺式元件。Cis-elementTrans-acting factorRegulator RNA polymarase反式作用因子转录因子含有两种不同的构造域：反式作用因子转录因子含有两种不同的构造域：a、DNA结合构造域结合构造域domaim 1、螺旋、螺旋-反转反转-螺旋螺旋Helix-turn-helix 2、锌指、锌指Znic finger 3、Basic domains (Helix-loop-helix, and leucine zipper). 基域通常以二聚体方基域通常以二聚体方式结合于式结合于 DNA上上. b、转录激活构造域功能域、转录激活构造域功能域 1、酸性激活域、酸性激活域 2、谷酰胺丰富域、谷酰胺丰富域 3、脯氨酸丰富域、脯氨酸丰富域阻遏域阻遏域repressor domain：专注性的直接阻遏的构造：专注性的直接阻遏的构造域域三种三种DNA结合构造域方式：结合构造域方式： Zinc-finger蛋白构造特征蛋白构造特征Zinc-finger蛋白构造特征HLHHLH构造特征构造特征HLH的构造特征Leucine-zipper的构造特征的构造特征Lwucine-zipper构造特征转录激活构造域主要有如下三个特征：转录激活构造域主要有如下三个特征： 1 1、酸性激活域、酸性激活域 2 2、谷酰胺丰富域、谷酰胺丰富域 3 3、脯氨酸丰富域、脯氨酸丰富域阻遏域阻遏域repressor domainrepressor domain 是专注性的直接阻遏的构造域，也是是专注性的直接阻遏的构造域，也是一种功能构造域。一种功能构造域。4.支配子支配子Operon: 是原核生物基因是原核生物基因表达和调控的根本单元，一个典型的支表达和调控的根本单元，一个典型的支配子包括配子包括: 1. 构造基因：是指参与特异性生物构造基因：是指参与特异性生物合成途径酶的基因，这些基因共同被调合成途径酶的基因，这些基因共同被调控。控。 2. 控制元件：如支配基因控制元件：如支配基因 3. 调理基因：其产物识别控制元件调理基因：其产物识别控制元件可以是另一个支配子所编码的基因可以是另一个支配子所编码的基因原核生物的基因往往成套的诱导表达原核生物的基因往往成套的诱导表达一、 The Lac Operon 乳糖支配子二、 The Trp Operon 色氨酸支配子三、 其他支配子调理第二节第二节 支配子调控支配子调控一、乳糖支配子一、乳糖支配子 (The lactose Operon， Lac) 乳糖作为碳源起作用所需求的酶只需乳糖作为碳源起作用所需求的酶只需在乳糖作为独一碳源时才干合成。在乳糖作为独一碳源时才干合成。E. coli 可以利用乳糖作为碳源可以利用乳糖作为碳源.iOperonRegulatory GenepozyaDNAm-RNA-Galactosidase-GalactosidasePermeaseTransacetylaseProtein一个乳糖支配子由三个构造基因组成一个乳糖支配子由三个构造基因组成lacZControl elements编码编码 -半乳糖半乳糖苷酶苷酶, 用于裂用于裂解乳糖产生半解乳糖产生半乳糖和葡萄糖乳糖和葡萄糖-5 +21repressorlacY编码半乳糖编码半乳糖苷透过酶用苷透过酶用于乳糖透过于乳糖透过细胞壁细胞壁lacA 编码硫代半编码硫代半乳糖苷转乙乳糖苷转乙酰酶，用于酰酶，用于乳糖代谢乳糖代谢lac 支配子Lac repressor 阻遏物转录阻滞 诱导剂诱导剂活化 Plac 转录CRP + cAMP (glucose repressed) 高程度转录(Lactose)Lac repressorLac 阻遏物由阻遏物由 LacI编码编码, 其活化方式是由一样的亚其活化方式是由一样的亚单位构成的四聚体单位构成的四聚体. 其占据支配子结合位点其占据支配子结合位点 Olac , 28bp) ，在缺乏诱导物如乳糖的情况下，几乎阻，在缺乏诱导物如乳糖的情况下，几乎阻止整个止整个lacZYA的转录的转录Plac-5+21 RNA 聚合酶和阻遏物可以同时结合到聚合酶和阻遏物可以同时结合到 lac 启动子和支配基因启动子和支配基因 operator上，上， lac 阻遏物添加了阻遏物添加了RNA聚合酶对聚合酶对 lac 的的结合才干，约为结合才干，约为2倍以上。这样倍以上。这样RNA聚合聚合酶严密结合酶严密结合 Plac ，但由于有阻遏物的结，但由于有阻遏物的结合并不引起转录的进展。合并不引起转录的进展。ipozyaNo lac mRNAAbsence of lactoseActiveipozya-Galactosidase Permease TransacetylasePresence of lactoseInactive诱导物缺乏时诱导物缺乏时 : 阻遏物阻阻遏物阻止止lac转录，但此时有转录，但此时有 lacZYA 的低程度转录的低程度转录.当乳糖存在时当乳糖存在时 , 根底转录根底转录程度的透过酶程度的透过酶 permease 允许乳糖被吸收允许乳糖被吸收 , 而且而且-半乳糖苷酶催化乳糖分半乳糖苷酶催化乳糖分解成半乳糖解成半乳糖.异乳糖异乳糖Allolactose作作为诱导物为诱导物, 结合到结合到 lac 阻阻遏物上并使其灭活遏物上并使其灭活. Allolactose (异乳糖异乳糖) 能引起阻遏物四聚体构成能引起阻遏物四聚体构成中发生变化中发生变化 ，降低其对乳糖支配基因的亲和性，降低其对乳糖支配基因的亲和性，从而使四聚体从从而使四聚体从lac 支配基因上被移除，并使聚支配基因上被移除，并使聚合酶迅速开场合酶迅速开场 lacZYA的转录的转录.Lactose/allolactose 乳糖乳糖/异乳糖是异乳糖是Lac 发生转录释放发生转录释放RNA的一个天然诱的一个天然诱导剂。导剂。IPTG (isopropyl- -D-thiogalacto-pyranoside异丙基硫代半乳异丙基硫代半乳糖苷糖苷), 是一个合成的诱导剂是一个合成的诱导剂, 能迅速能迅速刺激刺激 lac 支配子构造基因的转录支配子构造基因的转录. IPTG 被用于许多含有被用于许多含有lac启动子的载体启动子的载体中诱导克隆基因的表达中诱导克隆基因的表达, 如如 pUC18.Back AmproripUC18(3 kb)MCS (Multiple cloning sites,多克隆位点多克隆位点 Gene XLac promoterlacZNo IPTG, little protein XWith IPTG, a lot of protein X诱导: cAMP receptor protein (CRP)cAMP acceptor protein or catabolite activator protein, CAPThe Plac 不是强启动子不是强启动子Plac 不含有不含有 35 序列和序列和 10 保守序保守序列列.cAMP receptor protein (CRP) 能加强转录程度能加强转录程度. 只需在与只需在与 cAMP 结合时才有活性结合时才有活性, 而而 cAMP 又受又受 glucose的控制。的控制。v 当葡萄糖存在时当葡萄糖存在时细胞中细胞中 cAMP的程度很低的程度很低, 而且而且 CAP 以二聚体的以二聚体的方式存在，因此不能结合方式存在，因此不能结合 DNA 以调理转录以调理转录. v 当葡萄糖缺乏时当葡萄糖缺乏时 cAMP 程度升高，程度升高， CAP 结合结合 cAMP. CAP-cAMP 复合物结合到复合物结合到Plac 与与 RNA 聚合酶结合位点的上游聚合酶结合位点的上游. 诱导诱导 DNA 发生发生90的弯曲，加强了的弯曲，加强了 RNA 聚合酶聚合酶结合启动子的才干结合启动子的才干 ，使转录加强，使转录加强50倍倍. Back C ABSummaryA: RNA polymeraseB: lac repressor C: CAP-cAMP二、二、 Trp 支配子支配子色氨酸支配子编码用于色氨酸合成中的色氨酸支配子编码用于色氨酸合成中的5个构造基因，个构造基因，这这5个构造基因构成在个构造基因构成在Ptrp 和和 Otrp下游的一个单下游的一个单一转录单元一转录单元.当细胞内色氨酸缺乏时，这些基因同时进展表达。当细胞内色氨酸缺乏时，这些基因同时进展表达。A BC162trp 阻遏物阻遏物repressor) 由一个独立的由一个独立的 trpR编码编码, 特异性作用于特异性作用于 Otrp, 一个一个 18 bp的回文序列的回文序列, 覆盖在覆盖在 Ptrp 序列的序列的 21 到到 +3区域区域阻遏物与阻遏物与Trp构成复合物时只结合在构成复合物时只结合在 Otrp 。因此。因此, Trp 是一个附阻遏物是一个附阻遏物 ，经过抑制末端，经过抑制末端产物的合成而抑制其本身的合成。产物的合成而抑制其本身的合成。 (大约下调大约下调70 倍倍)阻遏物是由两个亚单位构成的二聚体。整个构造阻遏物是由两个亚单位构成的二聚体。整个构造包括一个中心区和两个包括一个中心区和两个DNA阅读区阅读区 (carboxyl-terminal of each subunit 每个亚单位的羧基末端每个亚单位的羧基末端)The attenuator 弱化子弱化子 (10x down)1. 位于位于162 nt的转录前导序列末端，在的转录前导序列末端，在trpE 起始密码之前起始密码之前. 2. 缺失时缺失时, 无论是根底程度还是在活化形状的转无论是根底程度还是在活化形状的转录均加强录均加强. 3.弱化子是一个弱化子是一个 因子非依赖性终止位点因子非依赖性终止位点 (富含富含GC回文构造回文构造), 后接后接8个延续的个延续的 U残基残基. 4. 当在当在RNA转录中构成发夹构造时，弱化子作转录中构成发夹构造时，弱化子作为一个高效的转录终止子只产生为一个高效的转录终止子只产生140bp的转录的转录物。物。前导前导 RNA 的构造的构造 Complementary 3:4 termination of transcription Complementary 2:3 Elongation of transcription 前导序列包括前导序列包括4个有互补序列的区域个有互补序列的区域(sequence 1,2,3,4) ，可构成不同的构造。，可构成不同的构造。14个氨基酸个氨基酸 由前导由前导RNA 中第中第27-68 bp的碱基编码的碱基编码第十和第十一密码第十和第十一密码 编码编码trp残基残基(rare AA) 有一个有效的核糖体结合位点有一个有效的核糖体结合位点 前导肽决议所获得的色氨酸的多少并调理着转前导肽决议所获得的色氨酸的多少并调理着转录的终止录的终止在低在低 trp条件下核糖体暂停在此处条件下核糖体暂停在此处 弱化作用弱化作用(Attenuation):依赖于转录和翻译的高度配合依赖于转录和翻译的高度配合RNA 聚合酶暂停在序列聚合酶暂停在序列 2的末端，直到一个核糖体的末端，直到一个核糖体开场翻译前导肽开场翻译前导肽 。High trp (弱化作用弱化作用) Lack of trp (前进经过整前进经过整个转录个转录 ) trp 支配子的转录支配子的转录High trp Trp 被插入被插入 trp 密码部位密码部位翻译前导链的末端翻译前导链的末端 核糖体封锁序列核糖体封锁序列 23:4处转录发生终止处转录发生终止Figure Lack of trp 氨酰氨酰 tRNA缺乏缺乏 核糖体暂停在核糖体暂停在trp密码处密码处 , 封锁着序列封锁着序列 1构成构成 2:3 发夹发夹(anti-terminator )转录物进入转录物进入 trpE 并越过此处并越过此处 Figure Low TrpHigh Trp弱化作用的调理在氨基酸合成中是普遍的弱化作用的调理在氨基酸合成中是普遍的 (6 operons), 例如例如 His 支配子有一个前导序列，支配子有一个前导序列，其编码含有其编码含有7个延续的组氨酸的多肽个延续的组氨酸的多肽. (His 支支配子不含有阻遏物配子不含有阻遏物-支配基因调理支配基因调理).三、其他支配子1. 半乳糖支配子半乳糖支配子galactose operon其调理基因galR远离支配基因O和编码基因ETK；galR-和galOc突变体中，ETK永久表达；诱导物为半乳糖。gal支配子还有两个特点：有两个启动子，mRNA可从两个不同的起始点转录；有两个O区，一个在P区上游-73-67，另一个在构造基因galE内部。RNA聚合酶识别两个起始位点S1和S2，cAMP-CRP复合物对S1和S2起始有不同作用，抑制从S2部位转录，促进从S1转录。体内有葡萄糖时，不能构成cAMP-CRP复合物，那么S2部位转录，产生本底程度表达合成半乳糖差向异构酶galE的产物，促使尿苷二磷酸UDP-葡萄糖转变成UDP-半乳糖大肠杆菌细胞壁合成前体，供细菌生理所需。当体内有半乳糖无葡萄糖时，cAMP-CRP复合物抑制从S2部位转录，促进从S1转录。产生大量的相关酶，以利用半乳糖合成葡萄糖-1-磷酸供机体利用。Gal支配子的双启动子功能，既保证了细胞壁合成所需的本底表达，又可在半乳糖存在时，利用其做碳源，充分表达了其经济型。2、阿拉伯糖、阿拉伯糖arabinose支配子支配子u构造基因：构造基因：araB基因编码核酮糖激酶，基因编码核酮糖激酶，araA编码编码L-阿拉伯糖异构酶，阿拉伯糖异构酶，araD编码编码L-核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸-4-差向异构酶。它们是一个基因簇，简写为差向异构酶。它们是一个基因簇，简写为araBAD。 araE和和araF担任将阿拉伯糖运入细胞担任将阿拉伯糖运入细胞内，它们位于远离这个基因簇的地方，分别编码内，它们位于远离这个基因簇的地方，分别编码一个膜蛋白和一个位于细胞壁与细胞膜之间的阿一个膜蛋白和一个位于细胞壁与细胞膜之间的阿拉伯糖结合蛋白。拉伯糖结合蛋白。u调理基因：调理基因：araC基因编码基因编码AraC蛋白；蛋白；u调控元件：调控元件：PC：araC基因的启动子；基因的启动子；PBAD：构：构造基因的启动子；造基因的启动子；cAMP-CRP结合位点；结合位点；3个个AraC蛋白结合位点：蛋白结合位点：araI、araO1和和araO2。ara-operon支配子如何调理支配子如何调理3.阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应对当细菌DNA遭到破坏时，细胞内会启动一个被称为SOS的诱导型DNA修复系统。参与SOSDNA修复系统的基因都受LexA阻遏蛋白的抑制，SOS体系的诱导表达过程中LexA阻遏蛋白被移开。普通情况下，约有1000个RecA蛋白单体分散在每个细胞中。当DNA严重受损时，单链DNA缺口数量添加，RecA与这些缺口处单链DNA相结合，被激活成为蛋白酶，将LexA蛋白切割成没有阻遏和支配区DNA结合活性的两个片段，导致SOS体系包括recA基因高效表达，DNA得到修复。4. 4. 二组分调控系统和信号转导二组分调控系统和信号转导二组分调控系统和信号转导二组分调控系统和信号转导最简单的细胞信号系统称为二组分系统two-componentsystems，由二种不同的蛋白质组成：即位于细胞质膜上的传感蛋白sensorprotein及位于细胞质中的应对调理蛋白responseregulatorprotein。传赞赏酶常在与膜外环境的信号反响过程中被磷酸化，再将其磷酰基团转移到应对调理蛋白上，磷酸化的应对调理蛋白即成为阻遏或诱导蛋白，经过对支配子的阻遏或激活作用调控下游基因表达。5. 多启动子调控的支配子多启动子调控的支配子1rRNA支配子支配子 大肠杆菌大肠杆菌rRNA支配子支配子rrnE上有两个启上有两个启 动子动子P1和和P2。在对数生长期，。在对数生长期，P1起始的转起始的转录产物比录产物比P2起始的产物多起始的产物多35倍。当细菌倍。当细菌处于紧急形状，细胞中处于紧急形状，细胞中ppGpp浓度添加，浓度添加，P1的作用被抑制。由于的作用被抑制。由于rRNA是细胞中蛋白是细胞中蛋白质合成机器核糖体的重要组成部分，不能完质合成机器核糖体的重要组成部分，不能完全停顿供应，由全停顿供应，由P2起始起始rrnE基因转录。基因转录。6.固氮基因调控固氮基因调控地球上仅有几类用原核生物可以直接利用氮气，包括根瘤菌属的固氮菌1根瘤的产生：根瘤菌属的小种在根毛部位经过细菌细胞壁与植物血凝素相互作用来专注性结合特定的植物2固氮酶：固氮作用的发扬是经过固氮酶来进展的。3与固氮有关的基因及其调控。nifAL基因座控制固氮酶系统基因的表达和活性。nifA基因产物蛋白起激活或加强固氮酶活性。nifL蛋白那么为除其本身nifAL支配子外的负调控因子。ntrA、ntrB及ntrC共同调控nifA基因活性ntrA基因产物在ntrC基因产物的协助下激活nif基因，ntrC活性又受NH3影响，NH3浓度高时ntrC几乎无活性细胞中NH3浓度较高时，ntrB产物+GlnBntrC产物去磷酸化nifAL不转录细胞中NH3浓度较低时，GlnB被尿苷化并与ntrB产物脱离ntrC产物磷酸化激活nifAL转录c.豆血红蛋白leghemoglobin，Lb及根瘤素基因的调控植物基因组中由根瘤菌诱导表达的20余种蛋白统称为根瘤素。第一类第一类 根瘤构造蛋白根瘤构造蛋白第二类第二类 氮素同化及转移酶系统氮素同化及转移酶系统第三类第三类 菌体功能维持蛋白，如菌体功能维持蛋白，如Lb。固氮酶只能在。固氮酶只能在几十纳摩尔几十纳摩尔O2下发扬活性，而细胞中下发扬活性，而细胞中O2却有数百却有数百微摩尔。微摩尔。Lb对自在的对自在的O2高度结合，从而降低了自高度结合，从而降低了自在在O2的浓度，又可将分子氧直接保送到呼吸链。的浓度，又可将分子氧直接保送到呼吸链。2核糖体蛋白核糖体蛋白S1支配子支配子 核糖体蛋白核糖体蛋白S1支配子支配子rpsA也受应急反响调理。也受应急反响调理。rpsA有有4个启动子，个启动子，P1、P2是强启动子，平常主是强启动子，平常主要依托它们来启动基因的表达，合成要依托它们来启动基因的表达，合成S1蛋白。蛋白。P3、P4是弱启动子，只需在紧急情况下，是弱启动子，只需在紧急情况下，P1、P2启启动子受动子受ppGpp的抑制，由的抑制，由P3、P4起始合成的起始合成的S1蛋白维持了生命的最低需求。蛋白维持了生命的最低需求。3DnaQ蛋白支配子蛋白支配子 DnaQ蛋白是蛋白是DNA聚合酶全酶的亚基，这一支配聚合酶全酶的亚基，这一支配子受子受RNA聚合酶活性的调理。在细胞中聚合酶活性的调理。在细胞中RNA聚合聚合酶活性较低时，支配子的转录由弱启动子酶活性较低时，支配子的转录由弱启动子P2控制；控制；而而RNA聚合酶活性较高时，就开场利用强启动子聚合酶活性较高时，就开场利用强启动子P1。也就是说，在细胞生命活动比较缓慢时，。也就是说，在细胞生命活动比较缓慢时，DnaQ蛋白的合成靠弱启动子蛋白的合成靠弱启动子P2来维持。当细胞来维持。当细胞增殖速度加快，增殖速度加快，RNA聚合酶活性升高时，聚合酶活性升高时，P1就被就被激活。激活。一、选择性因子的转录调理第三节第三节 转录程度上的其他调控转录程度上的其他调控 因子作为一个双功能蛋白，识别特异性启动子，与中心因子作为一个双功能蛋白，识别特异性启动子，与中心酶酶 2结合，其释放是转录延伸的标志。结合，其释放是转录延伸的标志。Promoter recognition不同的不同的因子因子 结合到同一结合到同一 RNA 聚合酶上聚合酶上 此复合物那么具有识别不同的启动子的才此复合物那么具有识别不同的启动子的才干干 70 因子是大肠杆菌在正常的生长条件下因子是大肠杆菌在正常的生长条件下最普遍的一个最普遍的一个因子因子许多细菌能产生不同类型的 factors 以满足在正常情况下和非正常条件下转录调理所需E. coli: 热休克Sporulation in Bacillus subtilis枯草杆菌的出芽调理噬菌体 factorsHeat shock 当环境温度超越当环境温度超越 37C时，在时，在E. coli中大中大约可有约可有17种蛋青丝生特异性表达种蛋青丝生特异性表达.这些蛋白经过这些蛋白经过 RNA聚合酶利用一个选择性聚合酶利用一个选择性的的 因子因子由由rhoH 基因编码的基因编码的 32来来转录而得到表达转录而得到表达. 32 有其本身的特异性有其本身的特异性启动子序列启动子序列.热休克蛋白热休克蛋白 32 和规范和规范 70 所对应启动子的比较所对应启动子的比较 Consensus promoter 35 sequence 10 sequence Standard 70Heat shock 32 -TTGACA-1618bp-TATAATT-C-C-CTTGAA-1315bp-CCCCAT-THeat shock 暂时性表达暂时性表达 17 种热种热休克蛋白休克蛋白温度进一步添加温度进一步添加 (至至50C) 在在 E. coli 中只消费中只消费热休克蛋白以维持其热休克蛋白以维持其生存生存从从37C 到到 42C Back 枯草杆菌枯草杆菌 (Bacillus subtilis 芽孢的构成芽孢的构成在非最正确环境条件下，枯草杆菌经过一个根本的在非最正确环境条件下，枯草杆菌经过一个根本的细胞分化过程包括细胞分割成母细胞和前芽孢细胞分化过程包括细胞分割成母细胞和前芽孢构成芽孢构成芽孢 。芽孢的构成过程包括芽孢的构成过程包括 细菌细胞不对称的细菌细胞不对称的分割成两部分分割成两部分, 前孢子最终构成芽孢前孢子最终构成芽孢和母细胞最终被丢弃和母细胞最终被丢弃. 植物性的植物性的 B. subtilis 细胞含有不同套的细胞含有不同套的 因子因子 芽孢的构成是经过另一套芽孢的构成是经过另一套 因子调理构成的因子调理构成的在细胞分割发生前不同的在细胞分割发生前不同的 因子被特异性活化因子被特异性活化, 在前芽孢和母细胞中交叉调理转录在前芽孢和母细胞中交叉调理转录. 这种组分分区的交叉调理使得前芽孢和母细胞这种组分分区的交叉调理使得前芽孢和母细胞在整个分化过程中严密的协作。在整个分化过程中严密的协作。噬菌体噬菌体 因子因子许多噬菌体合成其本身的许多噬菌体合成其本身的 因子以应对因子以应对于替代宿主细胞本身的转录机器于替代宿主细胞本身的转录机器 经经过替代正常细胞的过替代正常细胞的 因子和改动因子和改动RNA 聚合酶识别启动子的特异性，从而聚合酶识别启动子的特异性，从而合成噬菌体本身的基因合成噬菌体本身的基因.B. subtilis SPO1 噬菌体表达一系列噬菌体表达一系列 因子，从而调理不同的噬菌体基因表达因子，从而调理不同的噬菌体基因表达特定的序列特定的序列.正常的细菌全酶正常的细菌全酶 表达早期基因表达早期基因 编码用于后期基因转录的编码用于后期基因转录的factor编码编码28 表达中期基因表达中期基因 (基因基因34 和和33 ) 二、其他因子的调理作用二、其他因子的调理作用组蛋白类似蛋白的调理作用组蛋白类似蛋白的调理作用 细菌中的一些非特异性细菌中的一些非特异性DNA结合蛋白，可以抑结合蛋白，可以抑制某些基因的转录。制某些基因的转录。H-NS蛋白蛋白转录调控因子的作用转录调控因子的作用 可以与基因启动子结合，对基因转录起激活或可以与基因启动子结合，对基因转录起激活或抑制造用的抑制造用的DNA结合蛋白，有结合蛋白，有300多个多个抗终止因子的调理作用抗终止因子的调理作用 与与RNA聚合酶结合，使其对终止信号不敏感。聚合酶结合，使其对终止信号不敏感。大肠杆菌的大肠杆菌的Nus蛋白。蛋白。第四节第四节 转录后的调控转录后的调控基因表达的转录调控是生物最经济的调控方式。但基因表达的转录调控是生物最经济的调控方式。但转录生成转录生成mRNA以后，会在翻译或翻译后程度进展以后，会在翻译或翻译后程度进展“微调，是对转录调控的补充，它使基因表达的微调，是对转录调控的补充，它使基因表达的调控更加顺应生物本身的需求和外界条件的变化。调控更加顺应生物本身的需求和外界条件的变化。调控方式有：调控方式有：mRNA本身构造元件对翻译起始的调控本身构造元件对翻译起始的调控mRNA稳定性对转录程度的影响稳定性对转录程度的影响调理蛋白的调控作用调理蛋白的调控作用反义反义RNA的调理作用的调理作用稀有密码子对翻译的影响稀有密码子对翻译的影响重叠基因对翻译的影响重叠基因对翻译的影响翻译的阻遏翻译的阻遏魔斑核苷酸程度对翻译的影响魔斑核苷酸程度对翻译的影响1. 翻译起始的调控遗传信息的翻译起始于mRNA上的核糖体结合位点RBS起始密子AUG上游的一段非翻译区。在RBS中有SD序列，与核糖体16S rRNA的3端互补配对，促使核糖体与mRNA相结合。RBS的结合强度取决于SD序列的构造及与AUG的间隔。SD与AUG相距普通以410核苷酸为佳，9核苷酸最正确。SD序列的微小变化，往往会导致表达效率成百上千倍的差别，这是由于核苷酸的变化改动了构成mRNA 5端二级构造的自在能，影响了30S亚基与mRNA的结合，从而呵斥了蛋白质合效果率上的差别。2.mRNA稳定性对转录程度的影响一切细胞都有一系列核酸酶，用来去除无用的mRNA。一个典型的mRNA半衰期为2-3min。mRNA分子被降解的能够性取决于其二级构造。3. 调理蛋白的调控作用细菌中有些mRNA结合蛋白可激活靶基因的翻译。相反，mRNA特异性抑制蛋白那么经过与核糖体竞争性结合mRNA分子来抑制翻译的起始。大肠杆菌中的核糖体蛋白就存在翻译抑制景象。碱碱基基序序列列正正好好与与有有意意义义的的mRNA互互补补的的RNA称称为为反反义义RNA。RNA调调理理是是原原核核基基因因表表达达转转录录后后调调理理的的另另一一种种重重要要机机制制。细细菌菌相相应应环环境境压压力力的的改改动动，会会产产生生一一些些非非编编码码 小小 RNA分分 子子 ， 能能 与与mRNA中中的的特特定定序序列列配配对对并并改改动动其其构构象象，导导致致翻翻译译过程的开启或封锁等作用。过程的开启或封锁等作用。4. 4. 反义反义RNARNA的调理作用的调理作用5. 稀有密码子对翻译的影响dnaG、rpoD及rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个支配子，而这3个基因产物在数量上却大不一样，每个细胞内50个拷贝的dnaG蛋白，2800个拷贝的rpoD蛋白；40000个拷贝的rpsU蛋白。基因转录出来的三个蛋白相应的mRNA拷贝数大体一样，由于翻译的调控使得蛋白的拷贝数发生了很大的变化。研讨dnaG序列发现其中含有不少稀有密码子。分别计算大肠杆菌中25种构造蛋白和dnaC、rpoD序列中64种密码子的利用频率，可以看出dnaG与其他两类有明显不同。很很明明显显，稀稀有有密密码码子子AUA在在高高效效表表达达的的构构造造蛋蛋白白及及因因子子中中均均极极少少运运用用，而而在在表表达达要要求求较较低低的的dnaG蛋蛋白白中中运运用用频频率就相当高。率就相当高。许许多多与与dnaG一一样样含含量量少少的的蛋蛋白白，由由于于细细胞胞内内对对应应于于稀稀有有密密码码子子的的tRNA较较少少，高高频频率率运运用用这这些些密密码码子子的的基基因因翻翻译译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。6. 6. 重叠基因对翻译的影响重叠基因对翻译的影响正常情况下，正常情况下，trptrp支配子中支配子中5 5个基因产物是等个基因产物是等量的，但量的，但trpEtrpE突变后，其临近的突变后，其临近的trpDtrpD产量产量比下游比下游trpBAtrpBA产量要低得多。研讨产量要低得多。研讨trpEtrpE和和trpDtrpD以及以及trpBtrpB和和trpAtrpA两对基因中核苷酸序两对基因中核苷酸序列与翻译的关系，发现列与翻译的关系，发现trpEtrpE基因的终止密基因的终止密码子和码子和trpDtrpD基因的起始密码子共用核苷酸。基因的起始密码子共用核苷酸。trpEtrpE苏氨酸苏氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸终止终止 ACUUUC-UGAuggcu ACUUUC-UGAuggcu AUG AUGGCUGCU 甲硫氨酸甲硫氨酸丙氨酸丙氨酸 trpD trpD由由于于trpE的的终终止止密密码码子子与与trpD的的起起始始密密码码重重叠叠，trpE翻翻译译终终止止时时核核糖糖体体立立刻刻处处在在起起始始环环境境中中，这这种种重重叠叠的的密密码码保保证证了了同同一一核核糖糖体体对对两两个个延延续续基基因因进进展展翻翻译译的的机机制。制。trpB和和trpA基基因因也也存存在在着着翻翻译译耦耦联联景景象象。实实验验证证明明，耦耦联联翻翻译译能能够够是是保保证证两两个个基基因因产产物物在在数数量量上上相相等等的的重重要手段。要手段。大肠杆菌大肠杆菌gal支配子中也存在基因重叠景象。支配子中也存在基因重叠景象。7. 7. 翻译的阻遏：某些噬菌体翻译的阻遏：某些噬菌体8. 8. 魔斑核苷酸程度对翻译的影响魔斑核苷酸程度对翻译的影响鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸ppGppppGpp和鸟苷五磷酸和鸟苷五磷酸pppGpppppGpp是在色谱上检出的斑点，当时是在色谱上检出的斑点，当时称魔斑称魔斑magic spotmagic spot。科学上，把培育基中营养缺乏，蛋白质合成停顿后，科学上，把培育基中营养缺乏，蛋白质合成停顿后，RNARNA合成也趋于停顿这种景象称为严紧控制合成也趋于停顿这种景象称为严紧控制rel+rel+；反之那么称为松散控制反之那么称为松散控制rel-rel-。研讨发现，在氨基。研讨发现，在氨基酸缺乏时，酸缺乏时，rel+rel+菌株能合成鸟苷四磷酸菌株能合成鸟苷四磷酸ppGppppGpp和五和五磷酸磷酸pppGpppppGpp，而，而rel-rel-菌那么不能。菌那么不能。ppGppppGpp的主要作用是影的主要作用是影响响RNARNA聚合酶与启动子结聚合酶与启动子结合的专注性。当细胞缺乏合的专注性。当细胞缺乏氨基酸时产生氨基酸时产生ppGppppGpp，可，可在很大范围内做出应急反在很大范围内做出应急反应，如抑制核糖体和其他应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些大分子的合成，活化某些氨基酸支配子的转录表达，氨基酸支配子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。转运系统，活化蛋白水解酶等。复习题一、选择题：1、关于管家基因表达错误的选项是(A)在生物个体的几乎各生长阶段继续表达(B)在生物个体的几乎一切细胞中继续表达(C)在生物个体全生命过程的几乎一切细胞中表达(D)在生物个体的某终身长阶段继续表达(E)在一个物种的几乎一切个体中继续表达2、一个支配子通常含有(A)数个启动序列和一个编码基因(B)一个启动序列和数个编码基因(C)一个启动序列和一个编码基因(D)两个启动序列和数个编码基因(E)数个启动序列和数个编码基因3 3、以下情况不属于基因表达阶段特异性的是，一个基因在、以下情况不属于基因表达阶段特异性的是，一个基因在 (A) (A) 分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的心肌细胞不表达分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的心肌细胞不表达 (B) (B) 胚胎发育过程不表达，出生后表达胚胎发育过程不表达，出生后表达 (C) (C) 胚胎发育过程表达，在出生后不表达胚胎发育过程表达，在出生后不表达 (D) (D) 分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的骨骼肌细胞不表达分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的骨骼肌细胞不表达 (E) (E) 分化的骨骼肌细胞不表达，在未分化的骨骼肌细胞表达分化的骨骼肌细胞不表达，在未分化的骨骼肌细胞表达 4 4、乳糖支配子的直接诱导剂是、乳糖支配子的直接诱导剂是 (A) (A) 葡萄糖葡萄糖 (B) (B) 乳糖乳糖 (C) (C) 一半乳糖苷酶一半乳糖苷酶 (D) (D) 透过酶透过酶(E)(E)异构乳糖异构乳糖5 5、LacLac阻遏蛋白结合乳糖支配子的阻遏蛋白结合乳糖支配子的 (A) CAP(A) CAP结合位点结合位点 (B) O(B) O序列序列 (C) P(C) P序列序列 (D) Z(D) Z基因基因 (E) I(E) I基因基因6 6、cAMPcAMP与与CAPCAP结合、结合、CAPCAP介导正性调理发生在介导正性调理发生在 (A) (A) 葡萄糖及葡萄糖及cAMPcAMP浓度极高时浓度极高时 (B) (B) 没有葡萄糖及没有葡萄糖及cAMPcAMP较低时较低时 (C) (C) 没有葡萄糖及没有葡萄糖及cAMPcAMP较高时较高时 (D) (D) 有葡萄糖及有葡萄糖及cAMPcAMP较低时较低时 (E) (E) 有葡萄糖及有葡萄糖及CAMPCAMP较高时较高时7 7、LacLac阻遏蛋白由阻遏蛋白由 (A) Z(A) Z基因编码基因编码 (B) Y(B) Y基因编码基因编码 (C) A(C) A基因编码基因编码 (D) I(D) I基因编码基因编码 (E) (E) 以上都不是以上都不是8 8、色氨酸支配子调理过程涉及、色氨酸支配子调理过程涉及 (A) (A) 转录程度调理转录程度调理 (B) (B) 转录延伸调理转录延伸调理 (C) (C) 转录激活调理转录激活调理 (D) (D) 翻译程度调理翻译程度调理 (E) (E) 转录翻译调理转录翻译调理9、与O序列结合，与P序列结合，与CRP结合，与CRP位点结合。(A)Lac阻遏蛋白(B)RNA聚合酶(C)环一磷酸腺苷(D)CAP-cAMP(E)异构乳糖10、乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物质在基因表达调控中作用的共同特点是A与启动子结合B与DNA结合影响模板活性C与RNA聚合酶结合影响其活性D与蛋白质结合影响该蛋白质结合DNAE与支配基因结合A AB BC CD D11、DNA损伤修复的SOS系统 A是一种保真性很高的复制过程 BLexA蛋白是一系列支配子的阻遏物 CRecA蛋白是一系列支配子的阻遏物 D它只能修复嘧啶二聚体12关于“基因表达的概念表达错误的选项是A其过程总是阅历基因转录及翻译的过程 B某些基因表达阅历基因转录及翻译等过程C某些基因表达产物是蛋白质分子D某些基因表达产物不是蛋白质分子E某些基因表达产物是RNA分子1313当培育基内色氨酸浓度较大时，色氨酸支配子处于当培育基内色氨酸浓度较大时，色氨酸支配子处于A A诱导表达诱导表达 B B阻遏表达阻遏表达 C C根本表达根本表达 D D组成表达组成表达 E E协调表达协调表达 1414色氨酸支配子的调控作用是受两种相互独立的系统控制的，色氨酸支配子的调控作用是受两种相互独立的系统控制的，其中一个需求前导肽的翻译。下面哪一种调控这个系统？其中一个需求前导肽的翻译。下面哪一种调控这个系统？ A A色氨酸色氨酸 B B色氨酰色氨酰tRNATrp CtRNATrp CtRNA DtRNA DcAMP EcAMP E以上都不是以上都不是1515为什么葡萄糖可参与乳糖支配子的代谢阻遏？为什么葡萄糖可参与乳糖支配子的代谢阻遏？A A与乳糖支配子的调控毫无关联与乳糖支配子的调控毫无关联B B乳糖分解生成葡萄糖，因此葡萄糖的存在可成为细胞内具有乳糖分解生成葡萄糖，因此葡萄糖的存在可成为细胞内具有正常乳糖程度的信号正常乳糖程度的信号 C C由于葡萄糖也是由于葡萄糖也是半乳糖苷酶的底物半乳糖苷酶的底物D D葡萄糖的存在添加了细胞内乳糖阻抑物的含量葡萄糖的存在添加了细胞内乳糖阻抑物的含量1616在大肠杆菌的热激反响中，某些蛋白质表达的开启和封锁在大肠杆菌的热激反响中，某些蛋白质表达的开启和封锁的机制是。的机制是。A A温度升高使特定阻抑蛋白失活温度升高使特定阻抑蛋白失活B B编码热敏感蛋白的基因的启动子区域在较高温度下发生变编码热敏感蛋白的基因的启动子区域在较高温度下发生变性性C C在高温时成新的在高温时成新的因子，调理热激基因的表达因子，调理热激基因的表达 D D高温时，已存在的聚合酶高温时，已存在的聚合酶因子与启动子的结合才干加强因子与启动子的结合才干加强 1717在色氨酸支配子中，衰减作用经过前导序列中两个色氨酸在色氨酸支配子中，衰减作用经过前导序列中两个色氨酸密码子的识别而进展，假设这两个密码子突变为终止密码子，密码子的识别而进展，假设这两个密码子突变为终止密码子，会有什么结果？会有什么结果？A A该支配子将失去对色氨酸衰减调理的应对功能该支配子将失去对色氨酸衰减调理的应对功能B B突变为组成型基因，不受色氨酸存在与否的调理突变为组成型基因，不受色氨酸存在与否的调理C C将合成色氨酸合成酶将合成色氨酸合成酶 D DABCABC景象都不会发生景象都不会发生 E EABCABC景象都会发生景象都会发生18下面哪些说法是正确的？ AlacA的突变体是半乳糖苷透性酶的缺陷B在非诱导的情况下，每个细胞大约有.4分子的半乳糖苷酶C乳糖是一种抚慰诱导物DRNA聚合酶同支配基因结合E多顺反子mRNA是协同调理的缘由FLac阻抑物是一种由.4个一样的亚基组成的四聚体G腺苷酸环化酶将.cAMP降解成AMP.HCAP和.CRP蛋白是一样的I35和10序列对于RNA聚合酶识别启动子都是重要的J色氨酸的合成受基因表达、阻抑、衰减作用和反响抑制的控制KTrp的引导mRNA可以同时构成三个“茎环构造L在转录终止子柄部的.AT碱基对可以加强构造的稳定性M真核生物和原核生物的转录和翻译都是耦联的N在色氨酸浓度的控制下，核糖体停靠在.Trp引导区一串色氨酸密码子上，但并不与之脱离OAraC蛋白既可作为激活蛋白，又可作为阻抑蛋白起作用PAraC的表达不受调控 B B E E F F H H J J N N O O二、名词解释管家基因、支配子、抚慰性诱导物、弱化子、前导区、反义RNA三、问答题1、简述乳糖支配子的调控机制。1乳糖支配子的组成：大肠杆菌乳糖支配子含Z、Y、A三个构造基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个支配序列O，一个启动子P和一个调理基因I。2阻遏蛋白的负调理：没有乳糖存在时，I基因编码的阻遏蛋白结合于支配区O处，乳糖支配子处于阻遏形状，不能合成分解乳糖的三种酶；有乳糖存在时，乳糖作为诱导物诱导阻遏蛋白变构，不能结合于支配区，乳糖支配子被诱导开放合成分解乳糖的三种酶。3cAMP-CRP的正调理：在启动子上游有cAMP-CRP结合位点，当大肠杆菌从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，cAMP浓度升高，与CRP结合，再结合于cAMP-CRP结合位点，激活RNA聚合酶活性，促进构造基因转录，加速合成分解乳糖的三种酶。4协调调理：乳糖支配子中的I基因编码的阻遏蛋白的负调控与CRP的正调控两种机制，相互协调、相互制约。2、论述弱化作用如何调控、论述弱化作用如何调控E.coli中色氨酸支配子的表达。中色氨酸支配子的表达。Trp支配子支配子mRNA前导序列编码一个长前导序列编码一个长14个氨基酸的前导肽。个氨基酸的前导肽。这个多肽含有两个相邻的这个多肽含有两个相邻的Trp残基，因此色氨酰残基，因此色氨酰-tRNA对前对前导肽的翻译是必不可少的。当导肽的翻译是必不可少的。当RNA聚合酶转录前导序列的同聚合酶转录前导序列的同时核糖体就紧接着结合到新生的时核糖体就紧接着结合到新生的mRNA上翻译产生前导肽。上翻译产生前导肽。mRNA的前导序列包括两对类似的反向反复序列。序列的前导序列包括两对类似的反向反复序列。序列1+2、3+4或或2+3能经过碱基配对构成茎环构造。能经过碱基配对构成茎环构造。 由序列由序列3和和4配对配对构成的茎环构造与构成的茎环构造与Trp支配子的终止子根本一样，在其茎环支配子的终止子根本一样，在其茎环的的3一侧具有一侧具有7个延续的个延续的U构成的尾巴。当构成这种弱化子构构成的尾巴。当构成这种弱化子构造时，它就能像终止子一样使转录终止。两个造时，它就能像终止子一样使转录终止。两个Trp密码位于密码位于序列序列1内，而且前导肽的终止密码在序列内，而且前导肽的终止密码在序列l和和2之间。之间。假设色氨酸的量是充足的，前导肽的翻译进展到终止密码假设色氨酸的量是充足的，前导肽的翻译进展到终止密码UGA，结合的核糖体覆盖了，结合的核糖体覆盖了l和和2两个区域，使两个区域，使3，4两个序列构成两个序列构成茎环构造并起到终止子的作用，导致茎环构造并起到终止子的作用，导致RNA聚合酶分子脱离聚合酶分子脱离DNA模板。假设色氨酸缺乏，存在的色氨酰模板。假设色氨酸缺乏，存在的色氨酰-tRNA也很少，也很少，导致核糖体停顿在两个导致核糖体停顿在两个Trp密码之前，这样核糖体仅盖住区密码之前，这样核糖体仅盖住区域域l，并在序列，并在序列4被转录之前，序列被转录之前，序列2和序列和序列3构成茎环构造，构成茎环构造，阻止了序列阻止了序列3与序列与序列4配对。于是，出现通读，支配子的其他配对。于是，出现通读，支配子的其他部分被继续转录。现实上，是部分被继续转录。现实上，是mRNA上核糖体所在的位置决上核糖体所在的位置决议议mRNA的二级构造和弱化作用能否发生。的二级构造和弱化作用能否发生。