16A原核调控-1-1.

第八章原核生物基因表达的调控第一节转录水平的调控一.相关概念：结构基因和调节基因可诱导基因：基因的活性可以受到调节基因的控制。组成型基因：这些基因的产物用于维持细胞生长和分裂的正常功能。不论环境条件如何，这些基因总是处于活性状态，又称持家基因。顺式作用元件（cis-actingelement）：DNA上一段保守序列，只能作用于同一条DNA。反式作用因子（trans-actingfactor）：可以直接或间接作用于DNA、RNA分子的各类蛋白质因子，对基因的表达可起到激活或抑制的作用。正调控：促进转录的调节。负调控：阻碍转录的调节。负调控正调控LacOAraO诱导失活的阻遏物活化的激活蛋白阻遏物诱导物失活的活性蛋白诱导物阻遏诱导阻遏诱导TrpO阻遏失活的活性蛋白辅-阻遏物活化的激活蛋白辅-阻遏物失活的活性蛋白诱导阻遏诱导阻遏图16-1原核生物结构基因的4种表达调控类型(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.12.21)未发现二、操纵子模型（operon）模型的提出：1961年法国科学家Jacob&Monod提出的控制原核细胞基因表达的模型。操纵子：是原核细胞转录调控的主要形式，相关的基因排列成簇，由一个调节蛋白所控制，一开俱开，一闭俱闭，对环境条件的改变作出相应的反应。由启动子、操纵基因和结构基因组成。操纵子的分类：3大类型调节分解代谢的操纵子：诱导型，受到cAMP-CAP的调节；调节合成代谢的操纵子：阻遏型，不受cAMP-CAP的调节；具有衰减子的操纵子：控制合成的最终产物是辅阻遏物。乳糖操纵子PlaciPOlacZlacYlacADNA1040823510780825mRNA多肽3603810211252603027530氨基酸分子量(KDa)蛋白四聚体152四聚体500膜蛋白30二聚体60结构分子量(KDa)功能阻遏蛋白β-半乳糖苷酶透性酶转乙酰酶乳糖操纵子的结构和功能(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.12.3)（一）结构和功能：1.三个调控元件(1)CAP(catabolitegeneactivationprotein)orCRP(cAMP受体蛋白)结合位点：在启动子的-62bp附近有一个正调控元件，提供CAP-cAMP复合物结合的激活物位点。(2)启动基因或启动子：在启动子的-35~-6bp区域是RNA聚合酶的识别位点和结合位点。(3)操纵基因Operator：在启动子下游邻接区含有一段回文序列，是一个顺式负调节元件，不编码蛋白质，仅供阻遏蛋白识别和结合。2.诱导物为别乳糖：乳糖的代谢产物之一3.阻遏蛋白：调节基因lacI的产物阻遏蛋白：识别并结合在操纵基因上阻遏转录；别乳糖：与阻遏蛋白结合使其失活诱导转录。CAP结合位点在启动子的-62bp附近有一个正调控元件，提供CAP-cAMP复合物结合的激活物位点。CAP（cataboliteactivatorprotein）分解代谢物激活蛋白orCRP(cAMP受体蛋白)CAP以两种方法来激活转录：（1）它可能直接和RNAPol相互作用；（2）作用于DNA，改变其结构，从而帮助RNAPol结合。cAMP是由腺苷环化酶（adenylatecyclase）催化合成NH2P~P~P－O－CH2ATPOHOHGlucoseDNAAdenylcyclaseIhibition?RNApol+cyclicAMP+proteinfactorneededforNH2transcriptiontotackplaceO－CH2“X”ProteinfactorCyclicAMP(catabolite)RNAPOOHStimulationPhosphodiesteraseNH2P－O－CH25’AMPOHOH图16-Controlofcatabolite-sensitivetranscriptionthroughcyclicAMPCAP-cAMP的活性依赖于细胞内的cAMP水平，而cAMP与细胞内葡萄糖水平成反比。在减少cAMP水平时，葡萄糖的作用是剥夺了一个操纵子表达时所需要的调控因子，也称葡萄糖抑制。微生物在混合碳源的培养基上生长时，优先利用葡萄糖，其实质是使糖分解代谢操纵子受阻遏蛋白的作用丧失其基因表达的能力。葡萄糖效应：葡萄糖ATP减少cAMPATP活化的CAP失活的CAPATP转录不转录图16-17图16-17通过减少cAMP的水平葡萄糖导致了分解代谢的阻遏转录AANTGTGANNTNNNTCANATTNNTTNACACTNNANNNAGTNTAANN高度保守低度保守5聚体5聚体图16-19CAP结合位点的保守顺序(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.12.24)lacCAATTAATGTGAGTTAACTCACTCATTAgalAAATTCTTGTGTAAACGATTCCACTAATTT图16-22lac操纵子和gal操纵子上cAMP-CAP位点的比较(仿D.Freifeilder:《MolecularBiology》1983,Fig.14.15)转录起点gallacara启动子CAP结合位点操纵基因图16-20CAP蛋白可结合于相对于启动子的不同位点(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.12.25)阻遏蛋白和操纵基因的结合与解离操纵基因的结构：在启动子下游邻接区含有一段回文序列，是一个顺式负调节元件，不编码蛋白质，仅供阻遏蛋白识别和结合。位于-5~+21区域，以+11bp处为对称轴对称，这种对称结构与阻遏蛋白四聚体的对称结构相当。转录起始点DNA解链区－50－40－30－20－101102030RNA聚合酶结合的起动子区阻遏物结合的操纵基因区图16-4在lac操纵子上阻遏物结合区和RNA聚合酶结合区的重叠诱导物的结合解离模型(a)(b)图16－10诱导物作用模型。(a)平衡模型，诱导物与游离的阻遏物结合，打破了其游离与结合之间的平衡；(b)解离模型，诱导物直接与结合在操纵位点上的阻遏物结合，使其释放(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.12.13)诱导物和阻遏蛋白结合的模型维持阻遏过量的阻遏物可结合在DNA阻遏物结合在的其它位点操纵基因上aaaaaaaaa诱导物a诱导所有的阻遏物都结合aa在DNA的随机位点上aaaaa诱导物解离a建立阻遏阻遏物恢复活性状态aaa阻遏蛋白通过直接取代a从随机位点移向a操纵基因aaaaaa图16-14在细胞中所有的阻遏蛋白都结合在DNA上(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.12.18)诱导物：别乳糖HOHHOHOHHHCH2OHHOOHHOOHOCH2CH2OHHOHOHHHOOH别乳糖HOOHHHHOHOHHH＋H2OHHHOOHCH2OHCH2OHHOHCH2OHHOOHHOOOHHHOHH＋OHHHOHHHHOHHOH葡萄糖半乳糖图16-乳糖分解的不同产物乳糖CH2OHCH3HOOS－C－CH3HCH3OHHHHHOH图16-6异丙基-β-硫代半乳糖苷的分子结构安慰诱导物（gratuitousinducer）：能诱导酶的合成，但不被酶分解的分子。如：异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPTG）：与β-半乳糖相似，虽不为β-半乳糖苷酶所识别，但也是lac操纵子十分有效的诱导物。常用于进行各种实验。诱导物的加入和去除对lacmRNA的影响未诱导：结构基因被阻遏阻遏物四聚体LacIPOlacZlacYlacA图16-当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上诱导：基因被打开β-半乳糖苷酶透性酶乙酰转移酶图16-7诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关（二）诱导和阻遏诱导(induction)是细菌调节分解代谢底物供给生长的能力。诱导物(inducers)小分子底物阻遏(repress)是细菌调节合成代谢产物的能力。辅阻遏物(corepressor)使阻遏蛋白具有活性或使活性蛋白失去活性的物质称～。可诱导操纵子：在细菌培养基中只有加入代谢的诱导物（底物）之后，才产生一种酶。此操纵子只有在小分子诱导物存在时才有功能；可阻遏操纵子：在培养基中加入足量的某些合成物的成分，就可以阻遏合成时一系列酶的产生。此操纵子只有在小分子辅阻遏物缺乏时才有功能。分支酸→邻氨基苯甲酸→磷酸核糖基→CDRP→吲哚甘油-磷酸→色氨酸邻氨基苯甲酸邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油色氨酸合成酶硼酸合成酶β链α链60，00060，00045，00050，00029，000POlatrpEtrpDPtrpCtrpBtrpAtt’156016201353119180436P：起动子；O：操纵子；l：前导序列；a：衰减子；t,t’：终止子图16-15E.colitrpO的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应1.trp操纵子的结构三.色氨酸操纵子2.特点:(1)trpR(89’)和trpABCDE(25’)不连锁；(2)操纵基因在启动子内(3)启动子和结构基因不直接相连，二者被前导顺序(Leader)所隔开(4)有衰减子(attenuator):在一些合成代谢操纵子的前导区内，存在着类似终止子结构的一段DNA序列，可以辅助阻遏作用进行转录的调控。trpRtrpPtrpOtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA蛋白TrpR(无活性)活化的阻遏蛋白阻遏物(Trp)图16-27TrpR被Trp激活后可阻遏trp操纵子的转录(仿B.Lewin:《GENES》Ⅳ，1990,Fig.13.16)3.调节(1)Trp作为辅阻遏物(corepressor)(2)阻遏物和RNApol在P,O重叠区产生竞争性抑制；(3)阻遏物的阻遏能力低，是LacR的1/千；(4)trpO调节合成代谢，存在衰减作用。衰减作用1978年yanofsky发现衰减子（attenuator）研究trp操纵子的mRNA时发现的，在第一个基因trpE的前端长约160bp的序列，称前导序列；当其发生缺失突变时（缺失130-160bp的片段），产生的mRNA总是最高水平，表明其对转录具有衰减作用，称衰减子；结构特点（1）前导序列编码14个aa的前导肽；（2）衰减子区可转录出140nt的转录物。邻氨基苯吲哚甘油色氨酸合成酶甲酸合成酶硼酸合成酶TrpEterpDtrpCtrpBtrpAtt’启动子操纵基因前导顺序衰减子pppN26AUGAAAGCAAUUUUCGUACUGAAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43AUUUUUUUU富含G-C的发GCLeaderpeptide夹结构/富含CGU的单链末端CGAaaaaaCGMetLysAlyIlePheValLeuLysGlyTrpTrpArgThrSerAGCCGACGUUAA图16-28trp操纵子含有5个结构基因和1个控制区。控制区由启动子、操纵基因、前导顺序和衰减子构成。前导区编码14个氨基酸，其中有2个是色氨酸。(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.12.38)(1)前导肽的结构衰减子区转录产物的结构：核糖体所处的位置决定衰减子不同二级结构的形成：a）Trp充足：形成强终止子结构，RNA聚合酶止于衰减子b）Trp缺乏：形成弱终止子结构，RNA聚合酶得以通读而持续转录。第二节操纵子的其它调控形式一、半乳糖操纵子（galoperon）1.结构2.特点：(1)双启动子；(2)双操纵基因；(3)无－35顺序；(4)OE在CAP位点内，OI在geneE内Gal既可为碳源，同时UDP－Gal又是合成细菌细胞壁的重要前体galEP1cAMP-CAPgalKTEOIP2OE(17’)galRgalU(62’)(27’)KTEPOgalUgalRmRNAGlu-1-P阻遏物Gal激酶Gal转移酶表面异构酶尿苷转移酶UDP-GluGal→Gal-1-PUDP-Gal+Gal-1-P图16-23E.coligal操纵子的结构，在染色体上的分布及其产物gal操纵子的结构AAATTCTTGTGTAAA