第六章基因表达的调控.ppt

第六章基因表达的调控现在学习的是第1页，共88页概 述一、基因（gene)(一)概念 从化学上来说指的是一段DNA或RNA（病毒）顺序，该顺序可以产生或影响某种表型，可以由于突变生成等位基因变异体。从遗传学上来说代表一个遗传单位、1个功能单位，1个交换单位和1个突变单位。基因 是核酸分子中贮存遗传信息的遗传单位，是指贮存有功能的蛋白质多肽链或RNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列（7分P27）现在学习的是第2页，共88页 1.表型和基因型 某一机体可以观察的特征，称为表现型（Phenotype，简称表型）。与表型相应的基因组成称为基因型（genetype）。如细菌Leu+、Leu-和Leu+、Leu-。2.等位基因（allele）（1）二倍体细胞有2套基因，一套来自父本，另一套来自母本，每个细胞的全套基因由2套基因组成，每一对基因称做等位基因。（2）由于突变作用引起DNA结构变异，所以某一基因可具有若干种不同的形式，这种同一基因不同的形式互称等位基因。现在学习的是第3页，共88页3.遗传基本功能单位 基因是遗传的功能单位，它负责有一定的遗传信息，在特定的条件下表达这种信息，产生特定的生理功能。4.交换单位 基因是结构单位，交换只能发生在基因之间。5.作用单位 基因能产生一种特定的表型，即基因决定蛋白质氨基酸排列顺序。6.突变单位 基因可作为一个整体变为另一个等位基因。（二）分类 基因可以分为结构基因和调节基因。结构基因（structural gene）指能转录成为mRNA、rRNA或tRNA的DNA顺序。现在学习的是第4页，共88页二、基因组（genome）1个配子（精子或卵子，1个单倍体细胞，1个病毒所包含的全套基因。（1个哺乳动物体细胞含2套基因组，1个原核细胞、1个病毒颗粒含1套基因组）细胞或生物体中，一套完整单倍体的遗传物质的总和称为基因组。原核、真核、病毒3大基因组比较。现在学习的是第5页，共88页 三、基因表达（gene expression）（里外）（一）概念 基因产生功能的过程，称基因表达，也称编码（code）。DNA RNA protein基因表达的过程是信息分子（DNA或RNA）转变成功能分子（protein）的过程。mRNAtRNArRNAtranslationtranslationreplicationreversetranscription现在学习的是第6页，共88页 1.转录 RNA pol合成RNA的过程，产生单链RNA互补于DNA，在某些病毒中则是互补于RNA模板。2.翻译 这是由核糖体实现的protein的合成过程，核糖体和tRNA解释mRNA含有的信息密码。蛋白质是大而复杂的功能分子，每1类生物各有其1套特有的蛋白质，不同的生物体内罕见完全相同的蛋白分子，人的蛋白质分子不下10万种。现在学习的是第7页，共88页四、基因表达的调控 基因表达主要包括（基因）转录和（蛋白质）翻译使信息分子DNA转变成功分子protein的过程，这一过程在体内受到精密的调控，以保证功能的有序性。这一调控称为基因表达的调控，简称基因调控。现在学习的是第8页，共88页五、基因表达调控的要点(一)调控的细胞学基础原核生物真核生物prokaryote 无真核结构的单细胞生物。包括细菌、蓝绿藻等。其DNA、protein、组成1个相当致密的类核，但无核膜与胞质分开。因为无核膜，基因受环境影响大。eukaryote单或多细胞生物，有核膜将染色体等有关物质包围在内与胞质分开，细胞有有丝分裂和减数分裂2种形式，具有这些特征的生物称真核生物。其细胞称为真核细胞。现在学习的是第9页，共88页（二）调控最大特点 调控直接受环境及营养状况的影响。调控是为了适应环境获取营养达到生存即分裂繁殖的最优化（原核既无充足的能源贮备，又无高等植物制造有机物的本领）。所以调控体现1个“快”字，快速适应环境，获取营养，合成必需蛋白质、降解不必要成分。这是长期进化，获得的适应应变能力。（适应环境获取营养、解决“温饱”问题。）遗传程序调控、按“既定方针办”如动物1个受精卵，按遗传程序开开关关基因，发育成成熟个体，该遗传程序是构成胚胎发育和组织分化的基础。仅极少基因间接或直接受环境因素的影响。这一特点使真核在千变万化的环境下，主要组织或器官仍能维持正常功能（“处世不惊”）。现在学习的是第10页，共88页（三）调控主要水平 真原核调控的主要水平（主调）都在转录水平。因为：1.任何连锁反应控制第一步是最经济和最有效的（既不需要，何必转录）。2.RNA pol 没有纠错功能（DNA pol 有）微调 DNA水平 转录后水平 原核调控余步不大，因其转录翻译同一个compt进行。翻译水平 是原核次要调控水平。翻译后水平（四）调控的基本方式 真原核调控的基本方式都是通过调控因子：1.蛋白质（主）2.核酸 和 3.小分子化合物之间的识别和相互作用对基因表达实现正控制或负控制（也称正调控和负调控）。现在学习的是第11页，共88页（五）调控物质的化学本质 蛋白质、核酸、小分子化合物。（六）调控模式 原核有操纵子调控模型，已发现100多种。真核有Britten-Davidsen（法）模型尚未为实验所证实。病毒基因表达调控 各种病毒、噬菌体等除部分带有RNA pol或逆转录酶外主要是利用宿主的基因表达调控系统。原核病毒适应原核生物遗传策略，真核病毒适应真核生物遗传策略。现在学习的是第12页，共88页（七）基因表达的时间性和空间性 （1）时间特异性：按功能需要，某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。（2）空间特异性：在个体生过程中，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这实际是由细胞在器官的分布决定的，因此又称细胞特异性或组织特异性。现在学习的是第13页，共88页（八）基因表达的方式 （1）组成性的基因表达：细胞对不同蛋白质的需要是不一样的，一些基因产物对生命全过程都是必需的，这类基因的表达水平在所有细胞或组织中几乎是不变的，如三羧酸循环这个中心代谢途径的酶类，它们的基因表达就属于这一类，这类基因称为管家基因（house keeping gene）。这类稳定的几乎不用调节的表达方式称为组成性的基因表达或基本性的表达（constitute expression）。（2）诱导和阻遏表达：某些基因表达产物数量随着外界环境信号变化而变化，这类基因称为调节基因。有些基因对环境信号应答时被激活，基因表达增加的过程称为诱导（indution），被诱导才表达的基因称为可诱导基因（inducible genes），反过来有些基因对环境信号应答时被抑制，基因表达产物水平降低，这种基因表达方式称为阻遏，这类基因称作可阻遏基因。例如，当色氨酸供给丰富的情况下，细菌中有关色氨酸合成酶的基因表达就会受到阻遏。现在学习的是第14页，共88页六、操纵子 上世纪60年代法国分子生物学家Jacob和Monod在E.coli 一半乳糖苷酶诱导生成研究中，发现了适应酶（adaptive enzyme）基因负调控系统，提出著名乳糖操纵子模型（Lac operon），是基因调控研究的1个里程碑。细菌调控的1个共同特点是 1个启动子作用1组基因，一般地说1个细菌代谢途径所需要的酶是由1组基因所编码的，这样的1组基因就是操纵子。1.操纵子（operon）概念 是发现于细菌体内的1种基因调节单位，由控制区和信息区组成，信息区包括相邻的，功能相关的结构基因，在控制区的调节下转录成mRNA，控制区主要含操纵基因，启动子和CAP结合位点，有些操纵子尚含有衰诚子。现在学习的是第15页，共88页2.类型与结构 不同的操纵子结构区（结构基因串）不同，调控区（P-O）也不一样，因而调控的方式也不完全相同，据操纵子对于能调节它们表达的小分子应答的性质可将操纵子分为二大类。（1）可诱导的操纵子(inciduble operon)加入调节小分子开启基因转录活性，这种作用及其过程称诱导(induction)产生诱导作用的小分子称诱导物(inducer)。诱导物一般为操纵子编码的酶蛋白分解的底物。如：乳糖操纵子（乳糖）。（2）可阻遇的操纵子(repressible operon)加入调节小分子，关闭基因转录活性这种作用及过程称阻遏(repression)，产生阻遏的小分子物质称辅阻遏物(corepressor)。辅阻遏物一般为操纵子编码的酶合成的物质（产物）如：色氨酸操纵子（色氨酸）。现在学习的是第16页，共88页第一节 原核生物基因表达的调控 从调控方式来看，原核生物调控最重要的特点是操纵子模式。从调控水平来看，主调在转录水平，翻译水平次之。现在学习的是第17页，共88页一、DNA水平的调控DNA序列重排对转录的调控，有称反向倒位。研究得比较清楚的是沙门氏菌鞭毛抗菌素原H1和H2选择性表达，H1表达，H2关闭，反之亦然。机制1.h2基因表达时，同时转录翻译出h1基因的阻遏蛋白。2.h2基因不表达时，阻遏h1的蛋白（rh1）也不表达，h1基因表达H1鞭毛抗原。3.h2-rh1 转录单元是否表达受其上游一段DNA的排列方向所控制。4.105次细胞分裂中发生1次，1个细菌克隆以表达1种鞭毛抗原为主。现在学习的是第18页，共88页倒位基因启动子H2阻遏蛋白基因启动子H1OFFOFFOnOnOnmRNAH2蛋白阻遏物蛋白倒位基因启动子H2阻遏蛋白基因OFFOFF启动子H1OnOnmRNA可倒位区现在学习的是第19页，共88页 倒位基因DNA序列 位于h2-rh1（鞭毛H2-H1阻遏蛋白）转录单元上游，全长995bp。IRL、IRR 995bp左右末端倒转重复顺序（反向重复顺序、也称回文顺序、（palindiome、invertedrepeat sequence）即在DNA链上正读反读有一样意义的序列）各长14bp。hin hin基因位于995bp序列中，其编码的蛋白产生可催化995bp序列倒位。当启动子Ph2向h2时，h2-rh1转录单元表达H2抗原-h1阻遏蛋白，h1不能表达。当995bp序列倒位后，启动子Ph2倒向另一侧，背离h2，h2-rh1不能表达，h1表达。h1、h2基因并不紧密连锁。现在学习的是第20页，共88页二、转录水平的调控转录是基因表达的第一步：RNA pol只有聚合作用，没有校正功能。转录精确性依赖于:1.一个精确起点。2.据碱基互补准确转录DNA序列生成mRNA。3.一个特异性的转录终止部位。转录是基因调控主要水平。影响转录因素较多，研究得也较为清楚，从原核生物来说基因调控的基本要素是：转录起始，终止和mRNA的快速转换。现在学习的是第21页，共88页（一）影响转录的因素1.2.启动子和起始因子启动子启动基因转录，起始因子识别启动子。概念1.启动子（promoter）2.起始因子（sigma）促进DNA转录的DNA顺序，是DNA分子上可与RNA pol结合并使之转录的部位。又称启动基因，但启动子本身不被转录。因子，有称起始因子，是RNA pol组成的亚基之一（2）,重要功能是识别启动子。种类有强弱之分。强促转录效率高，弱次之。不同基因种有不同的因子，都可识别特征序列一致的启动子，因子的更换对细菌的时序调控非常重要。现在学习的是第22页，共88页 如E.coli启动子全长约4060bp，3个功能部位，2个重要功能：（1）起始部位 转录合成的第一个互补碱基对，用+1表示，左为上游，右为下游，用负、正表示，没有O的位置。（2）结合部位 RNA pol 与启动子结合位置，位于-10bp，富含AT，同源性强，又称TATAbox或pribnow盒。（3）识别部位 位于-35区，RNApol识别启动子部位，保守性极强。（1）主要功能是识别P（特别是其R位点），与P的选择、转录方向及哪能一条DNA链转录有关。和2构成全酶，参入RNA pol与P的结合，（2）通常情况下，E.coli没有因子更换，当环境升温（4250时，32（KD）大量增加，32是一种特殊的亚基，负责热休克蛋白基因的识别。32的由rpoh（旧称hipR）基因编码。结构功能特点现在学习的是第23页，共88页（4）决定转录方向及那一条DNA链作模板（以信息链的互补链作模板，转录mRNA与信息链一致）。（5）决定转录效率、与标准序列越一致越强。强P与标准序列一致，弱次之。热休克反应（heat shock response）由于E.coil环境温度升高导致某些基因迅速表达的这种现象称之.32作用机制及这类基因表达调控机制是研究一热门,但机制并非太清楚。标准（一致）序列因为-10、-35区（众多）启动子同源性极强称之，相应的称之为标准、为70。现在学习的是第24页，共88页3.阻遏蛋白概念 是一类由调节基因编码，在转录水平对基因表达产生负调控作用（关闭基因表达活性）的蛋白质。有称阴性调节蛋白（negative-actingprorein）或阻遏物（repressor）。这种基因表达调控方式称负调控。功能（1）与操纵基因（O）结合（P与O重迭或P与O附近的DNA重迭）阻止RNA pol结合该基因或O，从而抑制mRNA的合成（不改变RNA pol 与其它的P结合）。（2）阻遏蛋白能够被小分子诱导,该小分子称效应物（effector）。4.正调控蛋白 与负控反之，使关闭基因开放的一类调节蛋白。有称阳性调节蛋白（positive prate）或激活因子（activator）。这种类型基因表达调控方式称正调控。现介绍2种正控蛋白。（1）CAP蛋白*这种蛋白可将葡萄糖饥饿信号传给许多操纵子使细菌在缺乏葡萄糖的环境中可利用其它的碳源。（2）ntrc蛋白*ntrc磷酸化有活性可发挥调节功能启动转录。现在学习的是第25页，共88页 据效应物与阻遏蛋白结合是否使基因开放转录，可分成2类：（1）诱导物（inducer）诱导物与阻遏蛋白结合，解除阻遏作用。例：乳糖操纵子，乳糖诱导作用。（2）协同阻遏物（corepressor）协同阻遏蛋白（阻遏蛋白与O结合）封闭基因不转录。如色氨酸操纵子，色氨酸。*（1）CAP-障解物基因激活蛋白（catabolic gene activator protein）*（2）Ntrc-Ecoli氨代谢（nitrogen metabolism）基因激活蛋白，该蛋白磷酸化有活性。其磷酸化又受ntrB的调节。现在学习的是第26页，共88页5.倒位蛋白（inversion protein）是一种位点特异性的重组酶（site-speciFic recombinotion enzyme）（前述、DNA水平调控）。6.RNA pol抑制物-严谨反应（stringent respsnse）细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNA pol活性降低，RNA pol活性降低，RNA（rRNA,tRNA）合成减少或停止，这种现象称为严谨反应。其机制是在氨基酸缺乏时，游离核糖体（与空载的tRNA增加，在ATP存在下，产生pppGpp(鸟苷-5磷酸)和ppGpp（鸟甘-4-磷酸）。后者与RNA pol 形成ppGpp-RNA pol 复合物，进而使RNA pol 变构，活性rRNA和tRNA合成 或停止。当培养液中富含氨基酸时，则与上述情况相反，RNA pol 活性，rRNA，tRNA合成）。现在学习的是第27页，共88页7.终止子（teminator）概念 在基因3端或操纵子3末端有一段特殊的核苷酸序列，它有终止转录的功能，称其为转录终止子，简称终止子。分2类：（1）不依因子的终止子（强）（2）依赖因子的终止子（弱）共同特征 在转录终止点之前都有回文顺序。（1）回文顺序有2个重复部分，每个7-20bp，由几个不重复的节段隔开。（2）回文顺序对称轴一般距转录终止点1624bp。不同点（1）回文顺序富含G,C（1）GC含量少（2）回文顺序下游常有（2）下游无固68个ATbp。（不依赖 定的特征。因子终止子）（依赖因子终 止子）8.rho()因子 是协助转录终止的一种蛋白质，具有6个相同的亚基。终止子依赖因子机理是：（1）因子促进转录终止子的活性。（2）因子利用NTPase水解NTP能量在“浅齿轮”地方追上RNA pol，并与后者都从核酸上游离出来。现在学习的是第28页，共88页RNA pol转录回文顺序（发夹结构）与RNA特定的空间结构嵌合，阻碍了RNA链从三无复合体进一步释放，RNADNA杂交体解离，局部解开，DNA恢复双螺旋RNA pol 从模板释放（深齿轮）。由于GC含量低，尽管转录出回文结构，但只能暂缓延迟RNA pol的转录，若无因子就会继续转录下去，这叫通该（read through），有因子就会协助转录的终止，机理参左（“浅齿轮”）终止机理DNA模板、RNA pol 和新转录RNA组成三元复合体。9.衰减子（attenuator）又称弱化子，是在可阻遏的操纵子中第一个结构基因之前常有一段能减弱转录作用的顺序称之（“可变动的终止子”）。现在学习的是第29页，共88页（二）转录起始的调控下面以操纵子为例说明转录起始的调控1.乳糖操纵子的调控机理（可诱导的操纵子）（1）人们早在上个世纪初就发现了酵母中酶的诱导现象。即分解底物的酶只有底物存在时才出现。酶受底物的诱导，这种可诱导现象在细菌中普遍存在。在培养基中加入适合底物-乳糖或半乳糖后23分钟，一半乳糖苷酶可迅速达到5000个酶分子，增加了1000倍，占细菌蛋白总量的510%。一半乳糖苷酸水解乳糖半乳糖+葡萄糖 2个单糖。若撤消底物，该酶合成迅速停止，就象当初迅速合成一样。从60年代乳糖操纵子模型提出1996年分离得到该操纵子的阻遏蛋白1975年乳糖操纵子的碱基序列已全部测定清楚了。现在学习的是第30页，共88页（2）乳糖操纵子（Lactose operon，Lac operon）结构示意图CAPCAMPIPOZYA结构基因区（信息区）RNA pol调控区调控区 I-调节基因P-启动子O-操纵基因（OP有一定的重叠）CAP结合位点结构基因Z-半乳糖苷酶基因（-galactosidase）Y-半乳糖苷透酶（乳糖透酶）（-galotoside porinerase）A-硫代半乳糖转乙酰基酶（trans acetylase）现在学习的是第31页，共88页（3）调控机理 乳糖操纵子的转录起始受到CAP和阻遏蛋白的双重调控，即正、负调控。CAP（正控）结合到启动子上游CAP结合位点的一致序列附近后，促进RNA pol与P的结合，才能有效的转录，原因是：Lac p 是弱启动子，与一致序列的差异极大，CAP位点结合cAmp-CAP复合物后，Lac p结合RNA pol 的牢固性增强。所以CAP是Lac operon 的正控因子。启动子p与操纵基因有一定的重叠，妨碍RNA pol与P的结合，结合CAP后，改变了空间结构 促进了RNA pol与P的结合。阻遏蛋白（负控）调节基因I（除Lac operon用I外，其余均用R）产生的阻遏蛋白结合到操纵基因O上，就抑制了结构基因的转录，诱导物（或称效应物）可以去阻遏，实现对基因的转录，这是Lac operon的负控机制。现在学习的是第32页，共88页 CAP结合到CAP位点发挥正控作用，乳糖诱导去阻遏，这样1个操纵子中的1组基因就有2道开关，只有2道开关同时打开时，基因才能转录。2个CAP分子和RNA pol 在Lac p 一致序列上排列CAPCAP-35RNA pol-10IPOZYADNAmRNA阻遏蛋白效应物（乳糖）ZYA基因产物（酶）现在学习的是第33页，共88页 细菌优先到利用葡萄（G）-葡萄糖效应 如果细菌生长环境中，乳糖、G同时存在，尽管有诱导物乳糖存在，但细菌优先利用葡萄糖，不予理睬乳糖，在G耗尽之前，Lac operon也不会表达。也就是说G阻碍了Lac operon的表达。这种G效应在半乳糖、阿拉伯糖操纵子中也存在。G效应的原因是 G降解代谢产物 腺苷环化酶 磷酸二酯酶结果使胞内cAmp 当G耗尽，cAmp开始集累，cAmp和CAP结合使CAP变构才能结合到CAP结合位点上，促进RNA pol与P结合。CAP在胞内合成是相对稳定的。CAMP-CAP含量与腺苷环化酶、膜结构、生理状况及G代谢途径中许多酶，与呼吸链酶系统大多数酶都有一定关系，该酶均表现对G效应敏感。抑制激活现在学习的是第34页，共88页 结合乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、基因开放与关闭情况如下：葡萄糖（G）乳糖 基因开放 基因关闭 机理简述（学生填充）CAP正控、乳糖去阻遏、基因开放、转录进行 不能诱导去阻遏，CAP即使结合，基因未开放 细菌优先用G，无CAP结合，无诱导去阻遏 CAMP-CAP复合物无，CAP位点空，去阻遏 也无RNA pol结合现在学习的是第35页，共88页2、阿拉伯糖操纵子调控机理（具有正负调控双重功能调节蛋白，可略讲）（1）概述 阿拉伯操纵子（Ara operon）的转录起始是由CAP、Arac蛋白Ara糖是1个可作碳源的5碳糖，和乳糖一样，Ecoli以Ara糖为能源生长时，能产生该糖代谢途径的3种酶催化Ara糖转换成5磷酸木酮糖糖酵解途径（磷酸戊糖途径）。（2）Ara operon的结构DNAaraC IO2 ParaC IO1BADPBADCAP位点CAmP CAPmRNAProtein(Arac)mRNABADArac-调节蛋白C的编码基因Parc PBAD-启动子IO1O2-调控元件B-L核酮糖激酶（isomerase）A-L阿拉伯糖异构酶（kinase）D-L核酮糖与磷4表异构酶（opimerase）I-起始部位现在学习的是第36页，共88页（3）调控机理 调控要素 从结构图可以看出，arac和araBAD的转录方向相反，有各自的启动子。AraC有2种形式（亚基聚合数不同？）：Cind和Crep 有Ara糖存在AraCind+Ara糖（结合）表现为诱导araBAD转录作用和 阻遏araC的阻遏作用。无Ara糖存在AraCrep 表现为对araBAD和araC阻遏作用 Ara operon 与Lac operon一样存在“G效应”，所以cAmp-CAP复合物是 araC和araBAD表达必需的。所以，Ara operon的正控因子Cind和CAMP-CAP，负控因子为Crep，Ara糖可视作诱导因子。现在学习的是第37页，共88页阻遏机理 无Ara糖时，认为AraCrep二聚体同时结合araO2、I，将二者拉在一起形成DNA环状结构，有效阻遏了araBAD的转录。激活机理 有Ara糖时，Ara糖+AraC去阻遏，同时cAMP-CAP结合CAP位点促进araBAD和arac的转录。当araC表达过多时Cind结合O1，阻碍了C的表达。若有足够的araBAD酶产出，则Cind减少或消失，这样BAD基因关闭。现在学习的是第38页，共88页 结合Ara糖、G存在与否及Ara operon正、负控因素基因开放、关闭情况如下：G Ara糖 基因开放 基因关闭 机理简述（学生填充）或 CAMPCAP位点空，Arac使AraI和O2成环 CAMPCAP结合位点，C释放O2、无Ara糖激活作用 Ara糖+AraCRNA pol与PBAD结合转录（Trp operon调控机理放在转录终止调控作用中讲）现在学习的是第39页，共88页（三）转录终止的调控 1.转录终止可能发生的3种情况终止部位意 义(1)操纵子结构基因之前 RNA pol到达operon之前，DNA转录就提前终止，这是以1个“否决”形式构成合成mRNA的第二次调节。(2)在1个operon结构基因之间 使距离更近DNA的启动子，较距离远的P转录更多的mRNA，这将产生个“极性”作用，随着与P距离增加，RNA合成减少。(3)在2个操纵子之间 如果RNA pol被允许继续转录从1个operon到另1个operon，那么第2个operon将接受转录起始的调节，起始将终止。据认为上述可能机制之1种在各种细菌或噬菌体中至少起到某种作用。现在学习的是第40页，共88页2.转录终止的“2+1”种链终止基本形式 转录终止比起始了解得更少，现已清楚有几个因子参加链终止，有2种基本形式：（1）依赖因子的链终止子。（2）不依赖因子的链终止子。（3）衰减子是变动的终止子链终止的第3种形式 衰减子（attenutor,A）又称弱化子，在可阻遏的操纵子中第1个结构基因之前有一段减弱转录作用的顺序称之。A使转录在结构基因之前就遭到否决，是合成mRNA的第二次调节，符合终止发生3种情况中的第1种。从链终止的形式来说，是可变动的终止子，因为有衰减子的结构基础，是否形成终止RNA pol的转录作用，有赖于操纵子的调节机制，决定是否否决已启动转录的RNA pol继续转录结构基因。下面以 Trp operon为例说明这一机制。现在学习的是第41页，共88页色氨酸操纵子(trp operoon)可阻遏系统1.Trp operon结构示意图RPOalEDCBADNAmRNA阻遏蛋白效应物（trp，辅阻遏物，co-repressor)R-调节基因，编码阻遏蛋白P-启动子O-操纵基因al-表诚子前导序式ED-编码邻氨基苯甲酸合成酶（antlnanilate synthetase）2个单体（260KD）C-编码吲哚甘油磷酸合成酶（indeleglycerol-phosphatr synHietdse）45KDBA-编码Trp合成酶亚基（50KD）和亚基（29KD）现在学习的是第42页，共88页2.调控机理（1）辅阻遏物Trp激活无辅基的阻遏蛋白与操纵基因O结合。（2）阻遏（物）是Trp operon的第一控制系统 阻遏发生在转录起始水平，Trp合成酶系统及酶合成都受Trp抑制。是Trp对已有的酶的反馈抑制作用（fecdback inhibition）是Trp为辅阻遏物激活无辅基阻遏蛋白（R的产物）从而结合到O上，阻止操纵子的转录，R编码12.5KD亚基阻遏蛋白，以4聚体形式存在，每个细胞约有20个4聚体，单独4聚体不能与O结合，只有结合了Trp的有活性4聚体才能与O结合。Ptrp有正常-10、-35序列，但-10完全位于有完美的反向重复顺序的TrpO之内，故结合了阻遏蛋白后，完全排斥了RNA pol的结合。现在学习的是第43页，共88页（3）衰减子（A）是Trp operon的第二控制系统。第二控制系统实验证据提示：Trp operon酶本底只有1/70，Lac operon为1/1000，说明Trp operon的阻遏要比Lac operon低得多，但仍可以满足细菌适应生存的需要，说明Trp存在第二控制系统。衰减子前导肽（aL）及其空间结构特点aL离E基因上游约3060bp有4个GC特征的片段，其后是8个U，是不依赖因子的终止子，终止作用有赖于前面片段发夹结构形成情况。当Trp，片段3,4形成发夹结构，转录终止。有2个串联UGG（Trp密码子）全长多顺反子6700bp。空 间 结 构特 点DNARPO aL EBCDA aLmRNAL肽UGGUGG1234位于第60位核苷酸-Trp-Trp-现在学习的是第44页，共88页aL“可变动终止子”作用机制 作用机制基本条件 第一，空间结构 2个串联的UGG 4个片段，12，2.3，3.4GC配对形成发夹（荃环）结构强弱依次是1.22.33.4，3，4后是不依赖因子的终止信号8个U。第二，原核转录翻译同一个compt进行，在aL转录中，RNA pol转录至aL+90有一次延宕（喘了一口气），给了核糖体追赶的机会。aL基因转录不久就开始翻译。作用机制 胞内Trp形成Trp-tRNA，核糖体很快通过片段1，并封闭片段2（“堵车”），片段1.2,2.3形成不了发夹结构，片段3.4形成发夹结构形成一个不依赖因子终止结构衰减子，使前方RNA pol 脱落，转录终止。现在学习的是第45页，共88页 胞内Trp没有Trp-tRNA供给；核糖体翻译停在片段1中2个Trp密码子前（等料）片段2、3形成发夹结构，3、4形成不了发夹结构不能形成终止信号，RNA转录继续进行、EDCBA得以转录。转录衰减实质上是转录与一个前导肽翻译过程的偶联。aL与阻遏蛋白作用一致性（转录衰减是原核特有的一种基因调控机制，代述生物学意义）当Trp但不足以诱导阻遏蛋白衰减子也能使mRNA合成终止在EDCBA结构基因前，反之，当Trp 即使失去了阻遏作用，只要能使前导肽继续合成，仍阻遏转录。这是对Trp浓度的一种更为精细、敏感调节，其生物学意义不是很清楚。也许这就是生物学的意义。这样一个操纵子的1组基因就有2道开头，只有2道门都关了，才能阻遏结构基因转录。现在学习的是第46页，共88页 三、翻译水平的调控 转录是原（真）核基因调控的重要水平，由于原核生物没有核膜，转录翻译同时同一个compt,进行，所以转录后调控余步不大。翻译是原核生物基因表达调控的另一个重要层次。（一）SD序列对翻译的影响 1.SD序列（SD Sequence,SDs）概念 原核生物mRNA起始密码子AuG上游310bp处有1个RbS称为SD序列。（1）种类不同基因有不同的SDs，其一致序列为AGGAGG，从而控制单位时间起始复合物形成的数目，最后控制翻译产物的数量。（2）位置mRNA起始密码子AuG上游413bp处，与AuG间隔413bp。（3）碱基特点富含A，与核糖体小亚基16SRNA端富含U序列互补，被其识别与结合，mRNA转录不久，即被之结合、翻译。（4）多顺反子编码多个蛋白质，每1个编码区前都有1个AuG和SD序列，多个核糖体与SDs结合将蛋白质分别译出来。现在学习的是第47页，共88页2.SD序列对翻译水平的影响（1）SDs与AuG距离长短的影响 据认为此距离是影响翻译效率主要因素。例，重组IL-2，Plac的SDs距AuG 7个核苷酸，IL-2表达最高，距8个核苷酸，IL-2表达降低500倍。（2）SDs组成与一致序列差异的影响 Plac3种酶翻译合成比例为1:0.5:0.2，这种现象反映 SDs与一致序列差异导致核糖体结合速率有块有慢 密码子对应tRNA太少，等待运输周转。现在学习的是第48页，共88页3.mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用 SDs存在mRNA的二级结构发夹（茎环）中，受到了隐蔽核糖体无法靠近与之结合，只有打开二级结构，暴露位点、方可结合。例:红霉素抗性菌有1个质粒omrc 该质粒可以编码使23srRNA甲基化酶(红霉素甲基化酶(erythromycin methylase)使23srRNA2057-2060位GAAG的A甲基化，阻止红霉素结合。（红霉素通过该位点结合于核糖体）,抑制蛋白质合成。红霉素甲基化酶可使核糖对红霉素产生抗性。（1）amrc翻译起始区有一个反向重复顺序，其上游先导肽也有一个反向重复顺序，类似Trp operon的前导肽，能形成转录衰减子发夹结构，称为翻译弱化子。现在学习的是第49页，共88页（2）红霉素甲基化酶基因、mRNA与前导肽对应空间结构前导肽 mRNA1.2,2.3,3.4,4.3片段可以互补形成发夹结构SD1前导肽核糖体结合位点SD2红霉素甲基化酶核糖体结合位点DNAamrCLmRNA前导肽SD1123 SD24红霉素甲基化酶前导肽现在学习的是第50页，共88页红霉素前导肽4个片形成二级结构情况甲基化霉生成情况23srRNA甲基化与红霉素抗性无前导肽正常翻译，正常释出片段1、2，3、4形成发夹结构隐匿SD2核糖体元法靠近不能译出红霉素甲基化酶无23srRNA甲基化无红霉素抗性有红霉素结合核糖体使之滞留于前导肽，片段1.2，2.3、成发夹，3.4不能成发夹，暴露SD2核糖体结合，译出红霉素甲基化酶23srRNA甲基化，抗红霉素 当23srRNA全部甲基化后核糖体不再结合红霉素顺利译出先导肽隐匿SD2 核糖体无法靠近不再译出甲基化酶。甲基化酶可能有本底水平，当有红霉素时，可使甲基化酶大量表达。现在学习的是第51页，共88页（二）mRNA的稳定性 1.细菌基因调控3要素转录起始、终止和mRNA的快速转换 mRNA快速转换即旧mRNA快速降解，新mRNA快速合成，这是细菌快速适应环境在mRNA的具体体现。2.mRNA降解速度的影响因素（一级结构和空间结构）不同mRNA降解速度不同，降解作用不是随机的，长不一定比短的不稳。（1）生理状况、环境因素均影响mRNA的降解，但最重要的是：（2）mRNA的一级结构和二级结构降解mRNA的内切酶主要是：RNase（识别特殊发夹结构），该酶降解片段才再被其它核酸酶降解（如3外切核酸酶，RNase）。目前所知，mRNA 终止子（尤是不依赖因子终止子）或类似的发夹结构都可以不同程度阻碍RNase对mRNA的降解。（3）原核mRNA半寿期多为23min，降解NTP用于新的mRNA合成。决定mRNA寿命的许多因素都影响到基因表达。现在学习的是第52页，共88页（三）翻译产物对翻译的调控（蛋白质合成的自体调控）有些mRNA编码的蛋白质（pr.），本身就是pr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。1.核糖体蛋白（1）核糖体是1座合成pr.流动工厂，沿mRNA移动 快速合成pr.核糖体以rRNA为骨架加核糖体pr构成。Ecoli核糖体pr55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pr.基因分布在不同的操纵子中，合成这些pr.，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pr.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核糖体pr.并不增加。（4）每1个operon转录的mRNA编码蛋白中的一种（或2种pr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。现在学习的是第53页，共88页2.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pr.因子促成终止作用，这类pr.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eIF。现在学习的是第54页，共88页（2）RF2mRNA的移框窗口及其附近结构 相关知识链接 阅读框（reading-frame）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Pr.合成中单个氨基酸，阅读框规定了哪3个核苷酸成为1组读作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Pr.），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，停顿只能合成肽而不是Pr。（学理发）阅读（mRNA）方向53，合成肽链方向NC，而不能反之。现在学习的是第55页，共88页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)RF2是由340氨基酸组成的Pr.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。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现在学习的是第56页，共88页 RF2合成