原核生物基因表达的调课件

1、分子生物学玉林师范学院生命科学与技术学院 林谦2013.9.第11章 原核生物基因表达的调控 每一种生物基因组都含有一定数目的基因，但这些基因在一个细胞里并不同时表达，表达强度也不一定相同。以大肠杆菌为例，其基因组总共能编码几千种蛋白质，但在正常的生长条件下，一个细胞仅合成600800种不同的蛋白质。 生物体内的基因根据表达的状况可分为管家基因(house-keeping genes)、奢侈基因(luxury genes)。 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

2、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。 原核生物基因表达的调控主要是在转录水平，以便能更加便捷和有效地调节细胞内一种蛋白质的水平。11.1 基因表达调控的两种方式 基因表达的调控可分为两种： 正调控(positive regulation):调控蛋白使靶基因的表达水平上升。正调控中的调控蛋白称为激活蛋白(activator)。 负调控(negative regulation):调控蛋白使靶基因的表达水平下降，甚

3、至关闭。负调控中的调控蛋白称为阻遏蛋白(repressor)。 许多调节蛋白属于别构蛋白，细胞中某些特定的物质能与它们结合，使调节蛋白的构象发生变化，从而改变它们与操纵基因的结合活性，影响到基因转录的活性，这些特定物质统称为别构效应物。不论是激活蛋白，还是阻遏蛋白，其活性都可能受到别构效应物的影响。 原核生物更倾向于使用负调控，真核生物更倾向于使用正调控。 原核生物的DNA基本上是裸露的，它们的基因表达默认状态是开放的，调节基因表达的主要方式是改变默认状态即负调控。 真核生物的DNA与大量蛋白结合形成复合物，是基因表达的一种天然障碍，它们的基因表达默认状态是关闭的，调节基因表达的主要方式是激活

4、即正调控。11.2 DNA水平的调控 11.2.1 启动子序列对基因表达的调控 不同基因的启动子序列与一致序列可能不同，与RNA聚合酶的亲和力就不同，从而造成转录起始效率的差别。具有强启动子的管家基因的转录水平要高于具有弱启动子的管家基因。11.2.2 DNA重组对基因表达的调控 鼠伤寒沙门氏菌是一种带有鞭毛的细菌。构成其鞭毛的蛋白质有H1和H2两种。任何一个沙门氏细菌只表达这两种鞭毛蛋白中的一种，在同一个细胞内从不同时表达。随着一群细胞的生长和分裂，某些子代细胞会发生相变，即自发地改变其鞭毛蛋白的表达样式，以逃避宿主免疫系统的攻击。图11-2 鼠伤寒沙门氏菌相变的分子机制 热激条件使 失活，

5、同时增强rpoH基因的表达； rpoH基因的产物 与RNA聚合酶核心酶组装成全酶，与热激基因的启动子结合，启动Hsp的表达。图11-3 因子的选择性使用与热激基因的表达调控 11.3.1.2 操纵子调控模型 操纵子(operon)是原核生物基因表达和调控最重要的形式。11.3.1.2.1 操纵子的基本结构 (1) 启动子 (2) 结构基因 (3) 操纵区(operator) 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

6、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。 阻遏型操纵子：通常控制与合成代谢有关的基因表达，需要辅阻遏物与阻遏蛋白解离或辅阻遏物与激活蛋白的解离，如色氨酸操纵子、组氨酸操纵子。11.3.1.2.3 乳糖操纵子 1940年， Monod发现：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗尽后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿，即产生“二次生长曲线”。 Jacob和Monod提出操纵子学说，获诺贝尔奖。(1) 乳糖操纵子的负调控 lacZ基因编码 -半乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖异构化为

7、别乳糖，绝大多数乳糖水解为半乳糖和葡萄糖。 lacY基因编码半乳糖透过酶，使 -半乳糖苷透过细胞壁和细胞膜进入细胞内。 lacA基因编码乙酰转移酶，催化半乳糖的乙酰化。乳糖对半乳糖苷酶的合成有诱导作用。葡萄糖对半乳糖苷酶的合成有抑制作用。图11-5 -半乳糖苷酶催化的水解和异构化反应 ZYAOP结构基因操纵基因（lac O）Lac IP调控基因阻遏蛋白阻遏蛋白存在时，阻止Lac操纵子转录。阻遏蛋白缺乏或无活性时， Lac操纵子的基因开启。RNA pol乳糖操纵子的负调控可诱导的负调控ZYAOP结构基因操纵基因（lac O）Lac IP调控基因阻遏蛋白诱导物诱导物-阻遏蛋白复合物 诱导物(如乳糖

8、、IPTG)存在时，与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋白的构象，使其不能与LacO结合，基因开始转录。mRNA 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) lacO是-5至+21的序列，与启动子右末端重叠 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 乳糖操纵子属于可诱导型操纵子，这类操纵子通常是关闭的，当受效应物作用后，被诱导开放。这类操纵子使细菌能适应环境的变化，最有效地利用环境提供的

9、能源底物。当细菌在没有乳糖的培养中生长时，阻遏蛋白同乳糖操纵子的操纵基因区域结合，阻止转录的进行。(2) 乳糖操纵子的正调控 当乳糖和葡萄糖同时存在时，大肠杆菌出现葡萄糖效应：即在有葡萄糖存在时，细菌优先利用环境中的葡萄糖，即使有诱导物乳糖存在，乳糖操纵子也处于被抑制的状态，直至葡萄糖消耗完才解除抑制，此时细菌才利用乳糖生长。乳糖的存在仅仅是乳糖操纵子开放的必要条件，而非充要条件。 乳糖操纵子的开放需要CRP(cAMP受体蛋白)的正调控。只有在负调控消失、正调控起作用时，乳糖操纵子才能开放。启动子ZYAlac OcAMP-CAP位点RNA聚合酶作用位点cAMP-CAP结合结合于启动子上游的激活

10、区域，帮助RNA聚合酶形成开放型起始复合物，促进转录起始。分解代谢物激活蛋白(Catabolite activator protein，CAP)：即CRP(cAMP受体蛋白)，转录的活化因子，直接作用于操纵子，激活基因转录。CAP需要cAMP存在时才有活性。图11-8 乳糖操纵子的操纵基因和CAP-cAMP结合位点序列 图11-9 CAP的正调控作用分解代谢阻遏作用ATP cAMP腺苷酸环化酶(ACase)葡萄糖 分解代谢物 抑制作用活化CAPlac操纵子转录 葡萄糖降低细胞内cAMP 水平, 使CAP失活， lac操纵子不能表达, 不能利用乳糖。 CAP也是很多其他与分解代谢有关的操纵子的激

11、活蛋白，包括乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子、半乳糖操纵子和麦芽糖操纵子等近100个启动子受到它的激活。这种由同一种调控蛋白调节多个操纵子基因表达活性的方式称为调谐子(regulon)。这些操纵子附近都含有CAP结合位点。11.3.1.2.8 色氨酸操纵子 色氨酸操纵子属于可阻遏型，作为辅阻遏物的是色氨酸。色氨酸是构成蛋白质的组分，如果环境中缺乏色氨酸，细菌必须自己合成。但是一旦环境能够提供色氨酸，细菌就会充分利用外界的色氨酸，减少或停止色氨酸的合成，以节省能量。 trp操纵子是一个氨基酸合成体系，不是糖的分解，因此和葡萄糖没有什么关系，操纵子中也就不存在cAMP-CAP位点。 大肠杆菌的色氨酸操纵

12、子由一个启动子、一个操纵基因、一个前导肽编码基因(trpL)和5个结构基因(trpE、trpD、trpC、trpB、trpA)以及一个调节基因(trpR)组成。 结构基因编码将莽草酸转化为色氨酸的关键酶。trpR编码阻遏蛋白，与结构基因相距较远。 合成色氨酸所需要酶类的结构基因群，受其上游的启动子Ptrp和操纵区O的调控，调控基因trpR的位置远离P-O-结构基因群，在其自身的启动子作用下，以组成性方式低水平表达其调控蛋白R，R并没有与操纵区O结合的活性，当环境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后构象变化而活化，就能够与操纵区O特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录。图11-18 色氨酸操纵

13、子的阻遏调控 色氨酸合成途径的终产物色氨酸通过阻遏转录抑制该途径酶的合成，这种作用又称为末端产物阻遏。细胞在合成蛋白质的过程中，本着节约能量的原则平衡氨基酸合成酶的合成。通过TrpR的调节，可使色氨酸的合成降低100倍。 阻遏作用是色氨酸合成第一个层次的调控，主管转录的启动是否启动。此外，大肠杆菌还有色氨酸合成第二个层次的调控弱化作用(也称为衰减作用, attenuation)，决定已经启动的转录是否继续下去。 弱化作用 trp操纵子不因为trpR基因的缺失完全丧失调控功能。当trpR基因被敲除，trp操纵子在无色氨酸时的转录活性是有色氨酸存在时的10倍。 trp操纵子在结构基因的5-端含有一

14、个ORF，它并不编码合成色氨酸的酶，而是编码一种短肽前导肽，里面有两个连续的色氨酸密码子，约占总密码子数目的10%。色氨酸-tRNA对前导肽的翻译是必不可少的。 弱化作用的实质是以翻译的手段来控制基因的转录。 前导区的碱基序列包括4个分别以1、2、3和4表示的片段,能以两种不同的方式进行碱基配对, 1 - 2和3 -4配对,或2 - 3配对, 3 - 4配对区正好位于终止密码子的识别区。 前导序列有相邻的两个色氨酸密码子,当培养基中色氨酸浓度很低时,负载有色氨酸的tRNATrp也就少,这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢,当4区被转录完成时,核糖体滞留1区,这时的前导区结构是2 -

15、3配对,不形成3 - 4配对的终止结构,所以转录可继续进行，起到将色氨酸操纵子中的结构基因全部转录完为止。 反之,色氨酸充足,核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子,在4区被转录之前,核糖体就到达2区,这样使2 - 3不能配对, 3 - 4 区可以配对形成终止子结构, 转录停止。 图11-21 trp操纵子的弱化子茎环结构 图11-22 弱化子调控机制 R P O leading seq. E D C B Atrp+为什么需要阻遏作用？ 当大量Trp 存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，阻止先导mRNA合成。 经济Negativerepressible operon可以被最终合成产物所阻遏

16、R P O leading seq. E D C B A少量trp+不足以结合 O 位点为什么需要弱化作用？ 当trp浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发色氨酸合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基中适当的色氨酸水平。 编码合成其他氨基酸的基因也有类似的弱化作用。例如在组氨酸和苯丙氨酸操纵子的起始区分别含有多个His或Phe的前导肽编码序列，能对氨基酸的合成起更精确的调节作用。但对于某些氨基酸为说，弱化作用可能是其唯一的调控机制。如组氨酸操纵子没有阻遏蛋白，其前导序列中一共有7个连续的His密码子，这大大提高了弱化作用的效率。 11.4 翻译水平的调控 11

17、.4.1 mRNA高级结构对基因表达的影响11.4.1.1 mRNA二级结构对自身翻译的影响 大肠杆菌的RNA噬菌体MS2、R17和f2的基因组只含有4个基因：cp(编码外壳蛋白)、A、Rep(编码复制酶)、Lys。RNA噬菌体进入到宿主细胞后，核糖体仅结合到cp基因的RBS上，而A蛋白基因和rep基因的RBS因为形成了RNA的二级结构，不能与核糖体结合。 由于A和rep的RBS被封闭在二级结构中，当核糖体阅读到cp基因时，促使形成二级结构的氢键断裂。其下游的rep基因所形成的二级结构也随着翻译的进行而被打开，rep基因得以翻译。 虽然rep的RBS每次都被cp基因的翻译打开，但RNA噬菌体的

18、外壳蛋白合成的量要比复制酶多得多。新产生的外壳蛋白的亚基可以特异性地结合在rep基因的RBS上，阻止核糖体的结合。这样外壳蛋白就成了复制酶基因的特异性翻译阻遏物。在感染10分钟后，外壳蛋白的合成量便足以阻断复制酶的进一步合成。11.4.1.2 mRNA二级结构对自身寿命的影响 在大肠杆菌中，降解mRNA的酶有核糖核酸酶II和PNP，但mRNA的二级结构可以阻遏这些酶的作用。 大肠杆菌mRNA中有一种高度保守的反向重复序列(IR)，对mRNA的稳定性起着重要的作用。IR有利于形成茎环结构，防止35外切酶的降解作用，从而增加mRNA上游部分的半衰期，但对下游部分影响不大。 如大肠杆菌麦芽糖操纵子中

19、，malE和malF基因之间存在2个IR，malE的产物要比malF产物的含量高20倍40倍。malE的3-端也有2个IR，可以形成茎环保护其不被外切酶降解，造成malG和malF的mRNA区域不如malE的区域稳定。11.4.2 反义RNA对翻译的调控 大肠杆菌编码许多小分子调控RNA，能够与不同的mRNA结合，从而在翻译水平上发挥调控作用。由于这些小分子通过与靶RNA进行碱基配对结合的方式行使功能，因此被称为反义RNA。 大肠杆菌有两种外膜蛋白OmpC和OmpF，分别由ompC和ompF两个基因编码。渗透压增高时，OmpC产量增加，OmpF产量减小；渗透压下降时，OmpC产量减小，OmpF

20、产量增加。 细胞感应渗透压变化的体系属于双组分调节系统。envZ基因编码感应器激酶，负责感受环境中渗透压的变化。当渗透压增加时，EnvZ激活一种正调节蛋白OmpR，OmpR可以激活ompC和micF的转录，这两个基因连锁，但转录方向相反，调控区位于两个基因之间。 图11-24 反义RNA对OmpF基因表达的调控 OmpF mRNA的翻译被阻止 11.4.3 翻译水平的自体调控 基因表达的自体调控指一个基因的表达产物反过来控制自身基因的表达，实际上也是一种反馈。 核糖体蛋白与rRNA同属核糖体的组成成分，协调两者的合成十分重要。通过自体调控可以很好地保证核糖体蛋白与rRNA之间的平衡。 绝大多数

21、核糖体蛋白在每个核糖体中只有一个分子，因此它们的表达必须与rRNA的量相协调。延伸因子EF-Tu的分子数目大约是核糖体数目的10倍。RNA聚合酶的亚基数目要比核糖体数目少一些。由于这些基因混杂在不同的操纵子中，必然存在一种协调机制来控制它们的表达水平。图11-25 不同的核糖体蛋白形成的操纵子结构 图11-26 S15与其RBS结合引发的翻译受阻 对于每一个操纵子来说，一个或者两个核糖体蛋白能与操纵子第一个基因靠近RBS的位点结合，从而阻止核糖体的结合或者核糖体沿着mRNA的移动，导致翻译受阻。 核糖体蛋白S8的mRNA在RBS周围的二级结构与和它结合的16S rRNA的结构十分相似，为S8与自身mRNA的结合提供了结构基础。 S8与其mRNA的亲和力不及与rRNA的亲和力，因此S8优先与rRNA结合，只有在S8过量的时候，S8才有机会与其自身mRNA结合，阻断自身的翻译。图11-27 S8-mRNA的结构与16S rRNA结构的比较 核糖体蛋白自体调控模式可以实现两个目标。 首先，核糖体蛋白的水平受细胞生长条件影响，通过对rRNA水平的控制，细胞可以实现对核糖体所有成分合成的控制。 其次，