分子生物学(余爱丽)第八章prok基因表达调控.ppt

第第8章章 Prok 基因表达的调控基因表达的调控第一第一节 相关概念及操相关概念及操纵元元调控花式控花式概述概述第二第二节 乳糖操乳糖操纵元（元（Lac Operon）第三第三节 Trp Operon及弱化作用机理及弱化作用机理第四第四节 基因基因转录的的时序序调控控第五第五节 Prok.翻翻译水平的水平的调控控第六第六节 DNA序列重排序列重排对基因基因转录的的调控控第一节第一节 相关概念及相关概念及 操纵元概述操纵元概述代谢调控过程是自身生存和繁衍所必须代谢调控过程是自身生存和繁衍所必须Prok.和和Euk.都有各自准确调节基因表达的机制都有各自准确调节基因表达的机制基因表达基因表达(gene expression):基因表达调控基因表达调控(gene regulation or gene control):任何影响基因转录过程和翻译过程的开启、任何影响基因转录过程和翻译过程的开启、关闭和这两个过程速率的较为直接的因素及其作用关闭和这两个过程速率的较为直接的因素及其作用涉及：涉及：RNA转录的开转录的开/关，数量，选择性加工关，数量，选择性加工 蛋白质翻译速率，数量，加工与蛋白质翻译速率，数量，加工与 降解和分泌降解和分泌 Prok.和和Euk.的调控极其相似的调控极其相似 调控机制：核酸分子间的互作调控机制：核酸分子间的互作 核酸与蛋白质分子间的互作核酸与蛋白质分子间的互作 蛋白分子间的互作蛋白分子间的互作 调控层次：调控层次：DNA水平的调控水平的调控 转录水平上的调控转录水平上的调控 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加工成熟水平上的调控）翻译水平上的调控翻译水平上的调控 翻译后水平的调控翻译后水平的调控 共同的起源与共同的分子基础共同的起源与共同的分子基础 转录水平上的调控是最为经济转录水平上的调控是最为经济,灵活，又是最为重要，复杂的调控灵活，又是最为重要，复杂的调控a、在复杂的基因组内，确定需要基因转录的起始位点、在复杂的基因组内，确定需要基因转录的起始位点 b、精细调节基因表达的水平精细调节基因表达的水平,以保证生物体对环境的适应以保证生物体对环境的适应 c、cis factor&trans factor 间严格而又灵活的互作间严格而又灵活的互作 d、保证保证RNA polymerase 的进行式转录（不中断，准确终止）的进行式转录（不中断，准确终止）生物遗传信息的概念生物遗传信息的概念Genome DNA10%;结构基因的编码序列结构基因的编码序列 triplet codon90%;重复，间隔，调节序列重复，间隔，调节序列 基因选择性表达指令基因选择性表达指令 重要的遗传信息重要的遗传信息遗传信息的两大类别遗传信息的两大类别II类；特定类；特定DNA seq.+特定蛋白质特定蛋白质/核酸结合核酸结合基因表达的指令基因表达的指令 gene on/offI类；类；DNA seq.RNA seq.(codon)aa seq.protein 表型表型 (central dogma)内在信息内在信息 内内,外外(信号分子信号分子)结合信息结合信息 ORF only Helix,Nt seq.遗传信息存在于模版链遗传信息存在于模版链 三维空间结构三维空间结构/DNA序列序列 的一级结构上的一级结构上 (IR,Box,paracodon)三联体密码三联体密码 空间，调控密码空间，调控密码(钥匙与锁钥匙与锁)简并简并 简并简并摇摆摇摆同工受体同工受体 cis 1 trans 2 cis 2trans 1 cis 1trans 3 cis 3I 类类 II类类 表达表达 specifical binding aa baseDNA RNA protein 遗传信息表达的方式（遗传信息表达的方式（Euk.）组成型表达（组成型表达（constitutive expression）Housekeeping gene 诱导型表达诱导型表达（inducible expression by signaling molecular）Luxury gene 顺、反因子间互作方式的基因表达调控顺、反因子间互作方式的基因表达调控 顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element）:对基因表达有调节活性的对基因表达有调节活性的DNA序列，序列，只影响与其同处一个只影响与其同处一个DNA分子或物理分子或物理 上相连的上相连的DNA上的基因上的基因 反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor）:与顺式作用元件相互作用影响基因表达与顺式作用元件相互作用影响基因表达 的蛋白因子，其编码基因与其识别或结的蛋白因子，其编码基因与其识别或结 合的靶核苷酸序列不一定在同一个合的靶核苷酸序列不一定在同一个 DNA分子上分子上操纵元操纵元(Operon):Prok.中中,基因表达调控的一个完整单基因表达调控的一个完整单 元元,包括结构基因和控制区包括结构基因和控制区(O、P)以及调节基因以及调节基因 的整个核苷酸序列的整个核苷酸序列 操纵元中各结构基因按一定比例协调翻译操纵元中各结构基因按一定比例协调翻译 具有极性突变效应：具有极性突变效应：操纵元中一个近基因的无义突变能够影响远基因表达，操纵元中一个近基因的无义突变能够影响远基因表达，且根据距离远近呈极性梯度效应且根据距离远近呈极性梯度效应 P、O紧密连锁或彼此重叠紧密连锁或彼此重叠，I基因位点不固定基因位点不固定 （顺式作用元件、反式作用因子）（顺式作用元件、反式作用因子）正调控系统正调控系统:没有调节蛋白存在时，结构基因是关闭没有调节蛋白存在时，结构基因是关闭 的，而加入有活性的调节蛋白后的，而加入有活性的调节蛋白后,结构基结构基 因的表达活性被开启因的表达活性被开启 无辅基诱导物或激活物无辅基诱导物或激活物 负控制系统负控制系统:没有调节蛋白存在时，结构基因是开启的，没有调节蛋白存在时，结构基因是开启的，加入这种有活性的调节蛋白后，结构基因表加入这种有活性的调节蛋白后，结构基因表 达活性被关闭达活性被关闭阻遏蛋白阻遏蛋白 所谓所谓“关闭关闭”指表达水平很低指表达水平很低 本底水平的基因表达本底水平的基因表达(1(12 2个个mRNA分子细胞周期分子细胞周期)“开启开启”也常有程度的差异也常有程度的差异 操纵元的调控体系操纵元的调控体系负调控系统负调控系统 正调控系统正调控系统诱诱导导 阻阻遏遏 基因表达调控的分子机制基因表达调控的分子机制1、调控蛋白质的对称性与其识别序列的对称性、调控蛋白质的对称性与其识别序列的对称性 调控蛋白都是同种分子的多聚体二聚体、四聚体调控蛋白都是同种分子的多聚体二聚体、四聚体 二倍旋转对称二倍旋转对称通过单体和多聚体通过单体和多聚体间的平衡迅速作用间的平衡迅速作用 于特异识别位点之于特异识别位点之 间提高调控作用的间提高调控作用的 特异性（特异性（反向重复反向重复 序列序列）in major groove 特异和非特异和非特异结合力特异结合力2、调控蛋白的、调控蛋白的DNA结合结构域的主要花式结合结构域的主要花式 主要有：主要有：螺旋螺旋-转角转角-螺旋（螺旋（HTH）Cys-Cys锌指锌指 Cys-His锌指锌指 调控蛋白上存在与调控蛋白上存在与DNA和其它蛋白质相互作用的位点和其它蛋白质相互作用的位点 螺旋螺旋-转角转角-螺旋螺旋*两两个个螺螺旋旋被被一一个个转转角角隔隔开开*一一个个螺螺旋旋起起识识别别结结合合D DN NA A的的作作用用 3个个 helix,H1与与H2平行平行 H2与与H3形成形成HTH motif H3位于大沟中，与位于大沟中，与DNA特异结合特异结合CC蛋白蛋白N N端有五端有五个螺旋个螺旋,螺旋螺旋2 2和和3 3与与DNADNA相互作用相互作用C C端负责二聚体形成端负责二聚体形成N N端负责与端负责与DNADNA接触接触 锌指结构锌指结构 概念概念:与与DNA结合的蛋白质中一小组保守结合的蛋白质中一小组保守AA与一个与一个Zn2+结结 合起来形成蛋白质中一个相对独立的结构域合起来形成蛋白质中一个相对独立的结构域按结合的按结合的AAAA不同有两种类型不同有两种类型a a、Cys-His(C2/H2)锌指锌指 经典的锌指蛋白经典的锌指蛋白中部芳香族氨基酸保守，中部芳香族氨基酸保守，加上加上Zn和和Cys和和His之之间的配位结构形成间的配位结构形成疏水核疏水核经典的锌指蛋白、经典的锌指蛋白、类固醇受体（激素）类固醇受体（激素）不同锌指蛋白中锌指数目多少不等不同锌指蛋白中锌指数目多少不等锌指可以串联重复排列，两指间锌指可以串联重复排列，两指间7-8aa TFA TFA 有有9 9个锌指、通用转录因子个锌指、通用转录因子SP1SP1有三个有三个经典锌指的三维结构：一个经典锌指的三维结构：一个折叠和一个折叠和一个螺旋螺旋锌指上的锌指上的螺旋螺旋负责与负责与DNADNA作用作用b b、Cys-Cys(C2/C2)锌指锌指 类固醇受体类固醇受体Zn与与4个个Cys残基残基形成配位键形成配位键CysCys糖皮质激素受体糖皮质激素受体ZYJ272 3、调控蛋白与蛋白质结合的方式、调控蛋白与蛋白质结合的方式 （1）HLH 结构特点：长结构特点：长4050个个AA残基中含有两个既亲水有亲残基中含有两个既亲水有亲 酯的酯的螺旋螺旋,被不同长度的连接区隔开被不同长度的连接区隔开(环环)此类蛋白借助两个螺旋对应面上此类蛋白借助两个螺旋对应面上疏水基团疏水基团的相互作用形成的相互作用形成 二聚体二聚体(同种或不同种亚基同种或不同种亚基)鉴定的较清楚的鉴定的较清楚的 蛋白质与蛋白质相互作用的结构基元有蛋白质与蛋白质相互作用的结构基元有 螺旋螺旋-环环-螺旋（螺旋（HLH）Leu拉链拉链HLH基元附近有个高度碱性的区段为结合基元附近有个高度碱性的区段为结合DAN所必须所必须bHLH（2）Leu拉链拉链 蛋白上含有蛋白上含有4或或5个精确的个精确的相距相距7个个AA的的Leu残基残基 概念：调控蛋白上富含亮氨酸残基的结构域参与形成二聚体概念：调控蛋白上富含亮氨酸残基的结构域参与形成二聚体LeuLeu出现在出现在-螺旋螺旋疏水的疏水的一侧，并直线排列一侧，并直线排列于是，两个蛋白分子的两于是，两个蛋白分子的两个个螺旋之间依赖螺旋之间依赖Leu残基之间的疏水作用形成残基之间的疏水作用形成一条拉链一条拉链Leu拉链区的拉链区的氨基端约氨基端约30个残基的碱性区个残基的碱性区与与DNA结合结合Leu拉链作用形成拉链作用形成Y型结构，拉链为茎、碱性区分叉对称型结构，拉链为茎、碱性区分叉对称成臂拉链蛋白的目标成臂拉链蛋白的目标DNA为没有间隔的反向重复为没有间隔的反向重复第二节第二节 乳糖操纵元乳糖操纵元一、一、乳糖操纵元乳糖操纵元1961 Jacob&Monod（法国）（法国）1、结构、结构:2、调节基因调节基因 I产物为产物为阻遏蛋白阻遏蛋白,四聚体为活性形式四聚体为活性形式转录方式为转录方式为组成型转录组成型转录LacI的表达效率很低的表达效率很低,原因原因其启动子与其启动子与RNApol的亲和性很低的亲和性很低阻遏蛋白有两个结合位点阻遏蛋白有两个结合位点:操作子位点操作子位点、诱导物位点诱导物位点二、二、Lac Operon的负调控的负调控1、细胞内无诱导物时细胞内无诱导物时,呈阻遏状态呈阻遏状态阻遏蛋白和操作子的结合阻遏蛋白和操作子的结合,影响了影响了RNApol在在-10序列上序列上 形成开放型的启动子复合物形成开放型的启动子复合物2 2、细胞内有诱导物时细胞内有诱导物时,呈诱导状态呈诱导状态诱导物与阻遏蛋白迅速结合而改变其构象诱导物与阻遏蛋白迅速结合而改变其构象从从O上解上解离离RNApol3、诱导物诱导物 异乳糖异乳糖(allolactose)乳糖进入细胞后，由乳糖进入细胞后，由-半乳糖苷酶催化产生半乳糖苷酶催化产生 -半乳糖苷酶来源于乳糖操纵元的本底组成型合成半乳糖苷酶来源于乳糖操纵元的本底组成型合成RNApol利用利用LacO处于游离状态的瞬间进行转录处于游离状态的瞬间进行转录(阻遏蛋白与阻遏蛋白与LacO有有10min20min的结合半衰期的结合半衰期)一个一个mRNA细胞周期细胞周期 安慰诱导物（义务诱导物）安慰诱导物（义务诱导物）可诱导半乳糖苷酶产生但不是其底物可诱导半乳糖苷酶产生但不是其底物*IPTG，异丙基，异丙基-D硫代半乳糖苷硫代半乳糖苷*TMG，巯甲基半乳糖苷，巯甲基半乳糖苷*ONPG，O-硝基半乳糖苷硝基半乳糖苷4 4、阻遏蛋白与操作子的相互作用（硝酸纤维素膜结合试验）、阻遏蛋白与操作子的相互作用（硝酸纤维素膜结合试验）IPTG LacOCIR序列以序列以+11为对称轴两边为两段各为对称轴两边为两段各6bp的重复序列的重复序列11+5到到+17之间之间大部分在左侧大部分在左侧521操作子的结构操作子的结构Lac Repressor=tetramer三、三、Lac Opreon Lac Opreon的正调控的正调控CAP-cAMPCAP-cAMP复合物复合物cAMPCAP蛋白蛋白cAMPLow glucose=high cAMP总结总结lac operon transcription-control region正控制：正控制：CAP protein负控制：负控制：repressor第三节第三节 Trp Operon及及 弱化作用机理弱化作用机理一、结构一、结构 结构基因构基因 末端末端-终止子终止子trpt(依依赖)、trpt(不依赖不依赖)邻氨基苯甲邻氨基苯甲酸合成酶酸合成酶吲哚甘油磷吲哚甘油磷酸合成酶酸合成酶Trp合成酶合成酶 相距很相距很远的的trpR编码阻遏蛋白编码阻遏蛋白 其活性形式为四聚体其活性形式为四聚体,并且只有结合并且只有结合trp时才有活性时才有活性 控制区域控制区域:P、O和前和前导区及弱化子区及弱化子 trpO与与trpE之之间的的162bp的前的前导区可区可转录到到mRNA中中 trpO的的结构构*位于位于trpP内，内，20bp,有完美的有完美的IR序列序列*trpP有正常的有正常的35和和10区，区，10区完全在区完全在trpO内内二、阻遏调控机制二、阻遏调控机制无无trp时时有有trp时时无活性无活性 弱化作用控制弱化作用控制-基因转录的翻译调控基因转录的翻译调控通过核糖体对前导区的翻译而对转录进行调控通过核糖体对前导区的翻译而对转录进行调控弱化子（弱化子（attenuator):Trp Operon中中trpE前的一段前的一段 非结构基因的对应序列（非结构基因的对应序列（123150），），其中其中 包括不依赖包括不依赖因子的终止子，由于翻译的作用使因子的终止子，由于翻译的作用使 转录终止，这段序列称为转录终止，这段序列称为(衰减子衰减子)发现发现缺失增加结构基因的表达，且与阻遏蛋白无关缺失增加结构基因的表达，且与阻遏蛋白无关弱化子调控的表现：（与阻遏蛋白的负调控结果类似）弱化子调控的表现：（与阻遏蛋白的负调控结果类似）*无无trp时，所有时，所有RNApol都能通过弱化子都能通过弱化子*有有trp时，部分逃过阻遏蛋白监督的时，部分逃过阻遏蛋白监督的RNApol在弱化子在弱化子 处大部分被扣留，而只有处大部分被扣留，而只有10能通过能通过1、Trp Operon mRNA的前导序列结构的前导序列结构 下游下游-14aa的前的前导肽导肽的的ORF，其中两个相，其中两个相连连的的trp的的 codonUGG(60位位)对对弱化作用的弱化作用的实现实现起重要作用起重要作用 下游下游长长28bp的不依的不依赖赖因子的因子的终终止子止子为为弱化子的核心部分弱化子的核心部分 前面有核糖体结合位点（前面有核糖体结合位点（SD序列）序列）2、前导序列的二级结构、前导序列的二级结构 决定决定RNApol在弱化子处是终止转录还是继续转录在弱化子处是终止转录还是继续转录1和和2、3和和4配配对对 序列序列1 1和和2 2、3 3和和4 4配配对时对时，RNApolRNApol在在3 3、4 4区的不依区的不依赖赖因因 子的子的终终止子止子处终处终止止,其后的其后的trpEtrpE等基因表达受到限制等基因表达受到限制 （翻（翻译译作用不存在作用不存在时时或或顺顺利利进进行）行）2和和3配配对对 序列序列2和和3配对时，配对时，RNApol继继 续转录，使前导序列后的结构续转录，使前导序列后的结构 基因得以转录基因得以转录3 3、弱化子弱化控制的机制、弱化子弱化控制的机制 Prok.Prok.无核膜，无核膜，转录转录和翻和翻译译偶偶联联 （1 1）细细胞缺少胞缺少trptrp，Trp-tRNATrp-tRNATrpTrp水水 平低，核糖体停平低，核糖体停顿顿在两个在两个邻邻 近的近的TrpTrp密密码码子子处处，此，此时时核核 糖体占据序列糖体占据序列1 1，此，此时时序列序列4 4 还还没没转录转录出来，序列出来，序列2 2和和3 3有有 机会配机会配对对，RNApolRNApol可通可通过过弱化子弱化子(3)(3)此外此外,Arg,Arg饥饿时有相同的后果饥饿时有相同的后果(2)(2)当细胞有当细胞有Trp时时,Trp-tRNATrp水平很高水平很高,核糖体顺利地翻核糖体顺利地翻 译出前导肽而在终止密码子处译出前导肽而在终止密码子处(+70,UGA(+70,UGA位于序列位于序列1 1和和2 2之之 间间)解离解离,此时此时,核糖体占据了序列核糖体占据了序列1 1和部分序列和部分序列2,2,使序列使序列2 2不不 能有效地和序列能有效地和序列3 3配对配对,因而序列因而序列3 3和和4 4产生终止子发夹结产生终止子发夹结 构构,转录终止转录终止 实现弱化子对转录的调控关键是实现弱化子对转录的调控关键是时间时间和和空间空间上的巧妙安排上的巧妙安排空间上空间上：两个：两个Trp的的codon位置至关重要位置至关重要时间上时间上：核糖体停顿在两个：核糖体停顿在两个Trp codon上时，序列上时，序列4还没还没 转录出来，否则转录出来，否则这种巧妙安排的一个原因就是这种巧妙安排的一个原因就是RNApol在转录完在转录完+90序列序列处时产生一次延宕给与核糖体以追赶的机会处时产生一次延宕给与核糖体以追赶的机会5、Prok.中弱化子（衰减子）的普遍性中弱化子（衰减子）的普遍性许多负责氨基酸合成的许多负责氨基酸合成的operon都受弱化子的控制，尤其是都受弱化子的控制，尤其是His operon中，弱化子是唯一的调控机制中，弱化子是唯一的调控机制 第四节第四节 基因转录的时序调控基因转录的时序调控时序调控时序调控:Prok.在生长发育的各个阶段，基因的表达是按照在生长发育的各个阶段，基因的表达是按照 一定的时间顺序而展开的一定的时间顺序而展开的如如:噬菌体的复制和颗粒的包装噬菌体的复制和颗粒的包装*有效利用能源避免浪费有效利用能源避免浪费*避免了某些基因表达时机不当所带来的危害避免了某些基因表达时机不当所带来的危害是多种蛋白质与是多种蛋白质与RNApol作用的结果作用的结果一、枯草杆菌中一、枯草杆菌中亚基的替换亚基的替换1、枯草杆菌中、枯草杆菌中phageSPO1早、中、晚期基因表达的转换早、中、晚期基因表达的转换早期基因早期基因-寄主的寄主的RNApol全酶全酶5555早期基因早期基因28编码的编码的gp28取代取代55含有含有gp28的全酶转录的全酶转录中期基因中期基因中期基因中期基因33、34编码的编码的gp33、gp34取代取代gp28以以gp33gp34为为亚基的亚基的全酶转录晚期基因全酶转录晚期基因2、枯草杆菌孢子形成过程中、枯草杆菌孢子形成过程中亚基的替换亚基的替换二、二、phage裂解性生长和溶源状态的调控裂解性生长和溶源状态的调控phage进入寄主进入寄主体内后环化体内后环化其中其中 裂解周期裂解周期-环形分子环形分子 大部分基因表达大部分基因表达 溶源状态溶源状态-以线性分以线性分 子形式整合到寄主的子形式整合到寄主的 染色体上染色体上,使大部分基使大部分基 因不表达因不表达Phage的的操操纵纵元元组组织织情情况况(一一)phage裂解生长过程中的基因表达裂解生长过程中的基因表达进入寄主进入寄主cell的的phage 的的DNA上没有任何上没有任何调节蛋白，因此寄主的调节蛋白，因此寄主的RNApol便结合于便结合于PL和和PR1、抗终止蛋白、抗终止蛋白PN和调节蛋白和调节蛋白Cro首先被转录首先被转录2、PN蛋白的作用导致蛋白的作用导致PL和和PR控制的迟早期基因的表达控制的迟早期基因的表达 表达产物表达产物C蛋白、蛋白、C蛋白蛋白、O蛋白、蛋白、P蛋白、蛋白、Q蛋白蛋白3、PQ蛋白的作用导致蛋白的作用导致PR 控制的晚期基因的表达控制的晚期基因的表达 表达产物头尾蛋白、溶菌酶蛋白表达产物头尾蛋白、溶菌酶蛋白（二）溶源途径（二）溶源途径 巧妙的调控，小区段表达，整合到寄主染色体上巧妙的调控，小区段表达，整合到寄主染色体上*此外，此外，C促进促进Pint启动子转录，使启动子转录，使int gene表达产生表达产生 整合酶整合酶1、溶源化的建立、溶源化的建立PE启动子的转录启动子的转录*C、C蛋白共同确立蛋白共同确立PE处处C的转录（左向）的转录（左向）PE(Establisment Promoter)*C阻遏与裂解生长有关基因的转录，其中转录出的阻遏与裂解生长有关基因的转录，其中转录出的 CmRNA含有含有S-D序列，因此有很高的翻译活性序列，因此有很高的翻译活性Pint启动子启动子N蛋白和蛋白和Cro蛋白蛋白被转录被转录N蛋白抗蛋白抗终止终止C、C蛋白蛋白被转录被转录C作用于作用于PE(PRE)转转录录C左向转录左向转录阻遏蛋白阻遏蛋白结合于结合于OROLC导致导致自身从自身从P PRM处转处转录录 C、C蛋白是蛋白是C合成的正调控因子，作用于合成的正调控因子，作用于PE 处，处，C是关键是关键 Cro蛋白间接抑制蛋白间接抑制C、C的转录，直接阻止的转录，直接阻止C的转录的转录2、溶源化的维持、溶源化的维持PM启动子的转录启动子的转录 已产生的整合酶使已产生的整合酶使整合并实现溶源化（整合并实现溶源化（attp、attB）溶源化的维持需要低水平的溶源化的维持需要低水平的C转录，保持自身阻遏循转录，保持自身阻遏循 环，这个功能由环，这个功能由PM完成完成 C蛋白对蛋白对PM正调控正调控，但，但PM起始转录的起始转录的C没有没有S-D 序列，因此翻译效率很低，但足以维持溶源状态序列，因此翻译效率很低，但足以维持溶源状态 溶源状态的维持通过溶源状态的维持通过C蛋白结合于蛋白结合于OL、OR上而实现上而实现 溶源周期溶源周期3、C、C蛋白对蛋白对C和和Cro的影响的影响 C和和Cro是是phage的两种调节蛋白，的两种调节蛋白，其中其中Cro能关闭能关闭C的表达的表达溶源化状态的进入与否靠二者结合操作子的情况决定，数量溶源化状态的进入与否靠二者结合操作子的情况决定，数量是谁占上风的关键是谁占上风的关键二者与操作子的亲和次序为二者与操作子的亲和次序为C蛋白蛋白 OL1OL2OL3 OR1OR2OR3Cro蛋白蛋白 OL3OL2OL1 OR3OR2OR1OL1OL2OL3 OR1OR2OR3结合的结果阻止结合的结果阻止PL和和PR的转录的转录C、C蛋白是蛋白是C和和Cro蛋白谁占上风的关键蛋白谁占上风的关键因为在因为在C、C的帮助下的帮助下C表达表达 而而Cro蛋白远早于蛋白远早于C蛋白的表达蛋白的表达OL1和和OR1分别与分别与PL和和PR重叠重叠即即-C阻遏二启动子的能力强阻遏二启动子的能力强 正常情况下，寄主的正常情况下，寄主的hfl基因产物大量存在导致基因产物大量存在导致Cro占上风占上风 因为因为hfl编码一种蛋白酶水解编码一种蛋白酶水解C 此此时时Cro蛋白蛋白对对左右两个早期操作子左右两个早期操作子亲亲和力的差异，使两和力的差异，使两 个操个操纵纵元初期表达一段元初期表达一段时间时间才关才关闭闭 因此因此产产生足生足够够的的O、P蛋白（复制有关）和蛋白（复制有关）和PQ，从而使菌，从而使菌 4、导致溶源化的因素、导致溶源化的因素 （1）营养耗竭：寄主能源濒临枯竭时，导致营养耗竭：寄主能源濒临枯竭时，导致cAMP产生等产生等 一系列生理变化一系列生理变化 *cAMP对对hfl基因负调控，使分解基因负调控，使分解C蛋白的酶大大蛋白的酶大大 减少，减少，C又能抑制该酶，因而又能抑制该酶，因而C、CC 体走向裂解体走向裂解（2）MOI值过高（值过高（10）：）：MOI指感染时指感染时噬菌体与噬菌体与 细菌的比例，称感染复数细菌的比例，称感染复数 *C蛋白其作用的形式是寡聚体形式，单体不稳蛋白其作用的形式是寡聚体形式，单体不稳 定无活性定无活性 *一两个噬菌体感染寄主时，产生的一两个噬菌体感染寄主时，产生的C不足以形成不足以形成 寡聚体寡聚体 *MOI值过高时，足够值过高时，足够C寡聚体产生，确立从寡聚体产生，确立从PE 转录转录C，CmRNA的高翻译活性导致的高翻译活性导致C数量数量 占上风，占上风，PE活跃转录的同时抑制了活跃转录的同时抑制了Cro基因的表达基因的表达 *由于由于C和操作子亲和力情况，导致和操作子亲和力情况，导致C、C不再不再 表达，但由于表达，但由于C对对PM的正调控，产生能够维持溶的正调控，产生能够维持溶 源状态数量的源状态数量的C5 5、溶原状态溶原状态溶菌状态溶菌状态溶原菌受到紫外线等作用溶原菌受到紫外线等作用细胞中细胞中recArecA蛋白获得蛋白酶活性，水解蛋白获得蛋白酶活性，水解阻遏蛋白阻遏蛋白 RNARNA聚合酶与两个早期操纵元的启动子结合，聚合酶与两个早期操纵元的启动子结合，转录翻译出转录翻译出N N和和CroCro蛋白蛋白 迟早期基因迟早期基因O P QO P Q蛋白表达蛋白表达 晚期基因表达晚期基因表达第五节第五节 翻译水平的调控翻译水平的调控 翻译的调控主要发生在翻译的调控主要发生在翻译的起始阶段翻译的起始阶段，基因表达时翻译基因表达时翻译 的效率的效率主要取决于主要取决于mRNA的一级结构和高级结构的一级结构和高级结构 因此，因此，mRNA的翻的翻译译起始区域往往是起始区域往往是调调控的靶位点控的靶位点 （结结构状构状态态）一、反义一、反义RNA的调控作用的调控作用 反义反义RNA：又称干扰又称干扰 mRNA 的互补的互补 RNA，简称，简称 micRNA （mRNA-interfering complementary RNA）指与靶指与靶 mRNA具有互补序列的调控具有互补序列的调控RNA，通过互补，通过互补 的的RNA序列与特定靶序列与特定靶 mRNA结合，起负调控作用结合，起负调控作用属于核酸与核酸的相互作用属于核酸与核酸的相互作用 作用机理作用机理 例如：例如：1985 Hoopes等人发现的等人发现的噬菌体噬菌体 C抑制晚期基因的抑制晚期基因的 转录就是通过转录就是通过micRNA起作用起作用Q基因有一个依赖于基因有一个依赖于C的启动子的启动子PaQ（抗（抗Q），其转录方向与），其转录方向与Q基因相反，即转录产物基因相反，即转录产物RNA与与Q基因的基因的5端的一半完全互补，从端的一半完全互补，从而抑制而抑制Q基因的翻译，抑制晚期基因的表达基因的翻译，抑制晚期基因的表达 转录产转录产生反生反义义RNA的基因称的基因称为为反反义义基因基因 结结合位点合位点：mRNA的的SD序列、起始密序列、起始密码码子、氨基酸子、氨基酸N端的端的 部分密部分密码码子子结结合合二二、mRNAmRNA本身的二级结构影响翻译的进行本身的二级结构影响翻译的进行三、蛋白质合成的自体调控三、蛋白质合成的自体调控*有些蛋白质能够直接控制自身有些蛋白质能够直接控制自身mRNAmRNA的可翻译性的可翻译性*核酸结合蛋白或者是与核酸分子相互作用为其生理功核酸结合蛋白或者是与核酸分子相互作用为其生理功 能的蛋白质能的蛋白质*即这些蛋白质的即这些蛋白质的mRNAmRNA上可能也有其结合位点上可能也有其结合位点1 1、释放因子、释放因子RF2RF2合成的自体调控合成的自体调控 利用自身释放肽链的职能提前终止其利用自身释放肽链的职能提前终止其mRNAmRNA的翻译的翻译*当细胞内当细胞内RF2RF2供应充足时，供应充足时，RF2RF2促成核糖体在上述促成核糖体在上述UGAUGA处肽链处肽链 合成的终止合成的终止*若细胞缺乏若细胞缺乏RF2RF2，则核糖体以，则核糖体以未知机制未知机制向前滑动一个向前滑动一个NtNt，发生移框，继续合成到最后一个密码子发生移框，继续合成到最后一个密码子 RF2RF2蛋白质蛋白质340340个个AA codonsAA codons不处于同一阅读框不处于同一阅读框 5.GUU CUU AGG GGG UAU CUUU GAC UAC GAC.3NH2 Val Leu Arg Gly Tyr Leu Asp Tyr Asp COOH 20 21 22 23 24 25 26 27 282、核糖体蛋白合成的自体调控、核糖体蛋白合成的自体调控 *E.coli*E.coli核糖体蛋白质的合成与核糖体蛋白质的合成与rRNArRNA（EF_TuEF_Tu）合成严格协调）合成严格协调 （数目）（数目）通过控制翻译的起点通过控制翻译的起点即控制核糖体与自身即控制核糖体与自身mRNAmRNA的结的结 合而对其自身蛋白质合而对其自身蛋白质mRNAmRNA可翻译性进行控制可翻译性进行控制*核糖体蛋白质与核糖体蛋白质与RNApolRNApol各亚基及延伸因子等混合编组在不各亚基及延伸因子等混合编组在不 同的操纵元中同的操纵元中 *每个每个operonoperon有有一个核糖体蛋白质作为自身一个核糖体蛋白质作为自身operonoperon调节蛋白调节蛋白 *每个操纵元的每个操纵元的mRNAmRNA上具有与调节蛋白的结合位点上具有与调节蛋白的结合位点 -靠近或包含靠近或包含SDSD序列序列*操纵元操纵元 mRNA上与调节蛋白的结合位点与组装核糖体时上与调节蛋白的结合位点与组装核糖体时 rRNA 上上结合位点高度同源，具有相似的二级结构结合位点高度同源，具有相似的二级结构mRNA上与调节上与调节蛋白的结合位点蛋白的结合位点23SrRNA上与上与调调节蛋白节蛋白的结合位点的结合位点L11/L1 opreon*调节蛋白与调节蛋白与 rRNA的结合力高于与自身的结合力高于与自身 mRNA的结合力的结合力*调控方式调控方式当细胞内核糖体较当细胞内核糖体较少时，有游离的少时，有游离的rRNArRNA存在，调控蛋存在，调控蛋白优先结合白优先结合rRNArRNA，此时此时调控蛋白控制调控蛋白控制的自身操纵元的自身操纵元mRNAmRNA继续翻译继续翻译相反情况，调控蛋相反情况，调控蛋白优先结合白优先结合mRNAmRNA，此时此时调控蛋白控制调控蛋白控制的自身操纵元的自身操纵元mRNAmRNA停止翻译停止翻译调控实质：核酸的合成水调控实质：核酸的合成水平调节了蛋白质的合成平调节了蛋白质的合成翻译水平调节翻译水平调节五、严谨反应调控五、严谨反应调控（stringent response control）基本概念：原核生物在不良的营养条件下（基本概念：原核生物在不良的营养条件下（AA饥饿），饥饿），自动停止或降低（自动停止或降低（1020倍）倍）rRNA、tRNA 转录，从而调节蛋白质合成速度转录，从而调节蛋白质合成速度严谨现象严谨现象 相关因子：相关因子：严谨因子：严谨因子：焦磷酸转移酶焦磷酸转移酶 由由relArelA基因编码基因编码 正常情况下很少表达正常情况下很少表达 信号分子：魔斑信号分子：魔斑（magic spotmagic spot）:ppGpp :ppGpp 鸟苷鸟苷5-3-5-3-二磷酸二磷酸 魔斑魔斑（magic spotmagic spot）:pppGpp :pppGpp 鸟苷鸟苷5-5-三磷酸三磷酸3-3-二磷酸二磷酸 之所以称为魔斑之所以称为魔斑-AA-AA饥饿时，饥饿时，E.coliE.coli的薄层层析图的薄层层析图 谱上有两种谱上有两种NtNt与常见的与常见的NtNt的迁移率不一样的迁移率不一样 调调控机制控机制 空空转转反反应应：AA饥饿时饥饿时，无，无负载负载的的tRNA进进入核糖体的入核糖体的A 位后，新位后，新肽键肽键不能形成，但不能形成，但GTP不断消耗不断消耗 空空转转反反应导应导致信号分子的致信号分子的产产生生 ppGpp pppGpp ppGppppGpp可与可与RNApolRNApol作用，使其不易变构作用，使其不易变构 pppGpp pppGpp与转录与转录I I位点作用，阻止位点作用，阻止RNApolRNApol结合结合从而抑制从而抑制tRNA、rRNA转录转录放慢转录起始、延伸过程，放慢蛋白质合成过程，启动放慢转录起始、延伸过程，放慢蛋白质合成过程，启动AAAA合成基因，通过紧缩开支，渡过难关合成基因，通过紧缩开支，渡过难关基因表达翻译水平的调节基因表达翻译水平的调节第六节第六节 DNA序列重排对基因序列重排对基因转录的调控转录的调控 Prok.Prok.中研究最多的是鼠伤寒沙门氏菌的鞭毛基因的相变中研究最多的是鼠伤寒沙门氏菌的鞭毛基因的相变 过程过程一、沙门氏菌的一、沙门氏菌的、相及基因分布相及基因分布 onoffrh1-ponoff二、二、H2rh1转录单元的表达机制转录单元的表达机制 *H2rh1转录单元的表达受其上游一段转录单元的表达受其上游一段 995bpDNA 序列排列方向控制序列排列方向控制 *995bp 序列两端各有一段序列两端各有一段 14bp 的的 IR IRR 982995 IRL 114 *H2 基因的起始密码子与基因的起始密码子与 995bp 相隔相隔 16bp，启动子启动子 位于位于 995bp 序列末端序列末端 *995bp 序列中序列中 hin 基因基因产物可催化产物可催化 995bp 序列的倒位序列的倒位 Fla.Mov.H1 O HinH2rh1(阻遏蛋白阻遏蛋白)IR L(1-14)IR R(982-995)PP Hin-P 转座酶转座酶H2 鞭毛蛋白鞭毛蛋白 H1 阻遏蛋白阻遏蛋白Fla-P H1 O HinH2rh1(阻遏蛋白阻遏蛋白)IR L(1-14)IR R(982-995)PPH1 鞭毛蛋白鞭毛蛋白非复制型原位转座非复制型原位转座相变机制相变机制三、相变的意义三、相变的意义逃脱寄主抗体的进攻逃脱寄主抗体的进攻此外此外 Euk.的酵母结合型的酵母结合型 免疫球蛋白的分子多样性免疫球蛋白的分子多样性本本 章章 结结 束！束！复习题复习题名词解释名词解释正（负）调控系统正（负）调控系统 基因表达调控基因表达调控 操纵元操纵元 反义反义RNA RNA 弱化子弱化子 严谨反应严谨反应 锌指结构锌指结构 Leu Leu拉链拉链 RNA RNA编辑编辑问答题问答题1 1、简述、简述Lac Lac 操纵元负调控机制。操纵元负调控机制。2 2、说明乳糖操纵元诱导物及其最初如何产生？、说明乳糖操纵元诱导物及其最初如何产生？3 3、简述乳糖操纵元的正调控机制。、简述乳糖操纵元的正调控机制。4 4、说明乳糖操纵元在乳糖、葡萄糖有和无的四种组合情况下的、说明乳糖操纵元在乳糖、葡萄糖有和无的四种组合情况下的 表达情况及根本原因。表达情况及根本原因。5 5、TrpTrp操纵元弱化子系统如何调控基因表达。操纵元弱化子系统如何调控基因表达。6 6、简述、简述噬菌体整合与切除的机制。噬菌体整合与切除的机制。7 7、说明反义、说明反义RNARNA调控基因表达的原理。调控基因表达的原理。8 8、核糖体蛋白质如何实现自体调控？、核糖体蛋白质如何实现自体调控？9 9、HLHHLH和和LeuLeu拉链如何在调控蛋白的结合中起作用？拉链如何在调控蛋白的结合中起作用？1010、鼠伤寒沙门氏菌鞭毛基因相变的简单机制。、鼠伤寒