第6讲-原核基因表达调控.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,绪论,一、乳糖操纵子的调控模式,二、色氨酸操纵子的调控模式,三、其他操纵子的调控机制,四、原核生物种的转录后调控,绪论,原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的环境中，食物供应毫无保障，只有能根据环境条件的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。自然选择倾向于保留高效率的生命过程。在一个每,30min,增殖一倍的,109,细菌群体中，若有一个细菌变成了,29.5min,增殖一倍，大约经过,80,天的连续生长后，这个群体中的,99.9%,都将具有,29.5min,增殖一倍的生长速度。,一个大肠杆菌细胞中约有,2500-3000,个基因。估计正常情况下，可带有,107,个蛋白质，平均每个基因产生,3000,多个蛋白质分子。但大肠杆菌中一般带有,15,000-30,000,个核糖体，有,50,余种核糖体结合蛋白，数量也很惊人。此外，负责糖酵解系统的蛋白质数量也很大。而象半乳糖苷酶等诱导酶，其含量可少至每细胞仅,1-5,个分子。,一、乳糖操纵子的调控模式,大肠杆菌乳糖操纵子,(lactose operon),包括,3,个结构基因：,Z,、,Y,和,A,，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录时，,RNA,聚合酶首先与启动区,(promoter,P),结合，通过操纵区,(operator,O),向右转录。转录从,O,区的中间开始，按,ZYA,方向进行，每次转录出来的一条,mRNA,上都带有这,3,个基因。转录,的调控是启动区和操纵区进行的.,Z,编码,-,半乳糖苷酶；,Y,编码,-,半乳糖苷透过酶；,A,编码,-,半乳糖苷乙酰基转移酶。,-,半乳糖苷酶是一种,-,半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他,-,半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。,-,半乳糖苷透过酶的作用是使外界的,-,半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。,-,半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶,A,上的乙酰基转到,-,半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,1,酶的诱导,-lac,体系受调控的证据在不含乳糖及,-,半乳糖苷的培养基中，,lac+,基因型每个大肠杆功细胞内大约只有,1-2,个酶分子。如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的,6%,或,7%,，每个细胞中可有超过,105,个酶分子。,科学家把大肠杆菌细胞放在加有放射性,35S,标记的氨基酸但没有任何半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代，然后再将这些带有放射活性的细菌转移到不含,35S,、无放射性的培养基中，随着培养基中诱导物的加入，,-,半乳糖苷酶便开始合成。分离,-,半乳糖苷酶，发现这种酶无,35S,标记。说明酶的合成不是由前体转化而来的，而是加入诱导物后新合成的。,已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况下都能产生,lacmRNA,的突变体，这种失去调节能力的突变体称为永久型突变体，为分两类：,I,型和,O,型。,I,型：野生型为,I+,，突变型为,I-O,型：野生型为,O+,，突变型为,Oc,。,I+I-,或,O+Oc,后，,Z,、,Y,、,A,结构基因均表现为永久表达，所以,I,基因被称为调节基因,(regulatory gene),。研究发现，,I,基因是一个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系关闭。,I-,突变体由于不能产生阻遏物，使细胞成为,lac,永久表达型。,I-/I+,局部二倍体由于带有一个正常阻遏物，使细胞中的,lac,仍然被抑制。,遗传学图谱分析指出，,Oc,突变位于,I,与,Z,之间，所以，,lac,体系的,4,个基因的序列为,IOZY,。通过这些观察，,Jacob,和,Monod,推断,Oc,突变代表,DNA,链上的一个位点或一个非编码区域，而不是一个基因，因为可编码的基因具有互补性，而,Oc,没有这一特性。,O,决定相邻,Z,基因的产物是诱导型合成还是永久型合成，,O,区域称为操纵基因。,2.,操纵子模型,Jacob,和,Monod,认为诱导酶（他们当时称为适应酶）现象是个基因调控问题，可以用实验方法进行研究，因此选为突破口，终于通过大量实验及分析，建立了该操纵子的控制模型。,Z,、,Y,、,A,基因的产物由同一条多顺反子的,mRNA,分子所编码。,这个,mRNA,分子的启动子紧接着,O,区，而位于,I,与,O,之间的启动子区（,P,），不能单独起动合成,-,半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。,操纵基因是,DNA,上的一小段序列（仅为,26bp,），是阻遏物的结合位点。,当阻遏物与操纵基因结合时，,lacmRNA,的转录起始受到抑制。,诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发,lacmRNA,的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始,mRNA,的合成。,3.Lac,操纵子的本底水平表达,因为诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而运转诱导物需要透过酶。在非诱导状态下有少量（,1-5,个,mRNA,分子）,lac mRNA,合成,-,本底水平永久型合成。,4.,葡萄糖对,lac,操纵子的影响,-,代谢物阻遏效应,研究表明，葡萄糖对,lac,操纵子表达的抑制作用是间接的，因为存在一种大肠杆菌突变株，它正常的糖酵解过程受阻，葡萄糖,-6-,磷酸不能转化为下一步代谢中间物，该菌株能在有葡萄糖存在的情况下被诱导合成,lac mRNA,。,5.cAMP,与代谢物激活蛋白,当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时，,lac,启动子表达受阻，没有,-,半乳糖苷酶活性；当葡萄糖消耗完以后（图中箭头处），细胞内,cAMP,浓度增加，,-,半乳糖苷酶活性被诱导，一度停止生长的细胞又恢复分裂。如果将细菌放在缺乏碳源的培养基中，细胞内,cAMP,浓度就很高；若在含葡萄糖的培养基中培养，细菌中的,cAMP,浓度就会很低；如果将细菌置于甘油或乳糖等不进行糖酵解的碳源培养基中，细菌中,cAMP,的浓度也会很高。,研究证实，葡萄糖所引起的代谢物抑制,(Catabolite repression),现象的实质是该代谢物降低了细胞中,cAMP,的含量,.,事实上，,cAMP-CAP,复合物是,lac,体系的,positive regulator,，它们不能代替,lacI,和,lacO,的功能,(negative regulator),。,cAMP-CAP,不但能与,DNA,相结合，造成双螺旋弯曲，易于形成三元转录起始复合物，它还能直接影响,RNA,聚合酶的活性。,Dominant negative,（,Trans-dominant,）,lacI-d,，只要有这个,环,的亚基存在，,lacI+,基因产物（阻遏物）无法与,O,区相结合,lac operon,得到表达。,6.lac,操纵子,DNA,的调控区域,-P.O.,区,lac P,（启动子区）从,I,基因结束到,mRNA,转录起始位点止，共长,82bp,（,-82,+1,）,O,区就是阻遏物结合区，位于,P,区后半部分和转录起始区（,-7,+28,），该区序列有对称性，其对称中心点在,+11,位。,P,区的,CAMP-CAP,结合区（,-67,-52,）也有对称性，其对称位点在,-60,-59,之间。,在一个完全被诱导的细胞中，,-,半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶的拷贝数比例为,1:0.5:0.2,，这个比例在一定程度上反映了以,-,半乳糖苷作为唯一碳源时细胞的需要。不同的酶在数量上的差异是由于在翻译水平上受到调节所致。,lac mRNA,可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译。这种现象发生的频率取决于每一个后续的,AUG,密码子再度起始翻译的概率。,在,lac mRNA,分子内部，,A,基因比,Z,基因更易受内切酶作用发生降解，因此，在任何时候,Z,基因的完整拷贝数要比,A,基因多。,二、色氨酸操纵子的调控模式,色氨酸操纵子,(tryptophane operon),负责色氨酸的生物合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，,trp,基因表达，色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程（而不是诱导过程）中起作用。由于,trp,体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或,cAMP-CAP,的调控。,色氨酸的合成分,5,步完成。每个环节需要一种酶，编码这,5,种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子,mRNA,上，分别以,trpE,、,trpD,、,trpC,、,trpB,、,trpA,代表，编码了邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油,-3-,磷酶合成酶。,trpE,基因是第一个被翻译的基因，和,trpL,和,trpa,（不是,trpA,）。,trp,操纵子中产生阻遏物的基因是,trpR,，该基因距,trp,基因簇很远，后者在大肠杆菌染色体图上,25min,处，而前者则位于,90min,处。在位于,65min,处还有一个,trpS,（色氨酸,tRNA,合成酶），它和携带有,trp,的,tRNATrp,也参与,trp,操纵子的调控作用。,L,区编码了前导肽，当有高浓度,Trp,存在时，由于弱化子,a,的作用，转录迅速减弱停止，生成,140,核苷酸的前导,RNA,；当,Trp,浓度较低时，弱化子不起作用，转录得以正常进行，生成长约,7kb,的,mRNA,，操纵子中第一个结构基因的起始密码子,AUG,在,+162,处。,1,trp,操纵子的阻遏系统,trpR,基因突变常引起,trp mRNA,的永久型合成，该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白,(aporepressor),。除非培养基中有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会与操纵区结合。辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并使之关闭转录,trp mRNA,。,阻遏,-,操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主管转录是否启动，相当于粗调开关。,trp,操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个系统进行细调控，指示已经启动的转录是否继续下去。这个细微调控是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频率。,2,弱化子与前导肽,在,trp mRNA 5,端,trpE,基因的起始密码前有一个长,162bp,的,mRNA,片段被称为前导区，研究发现，当,mRNA,合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有,140,个核苷酸的,RNA,分子，终止,trp,基因转录。因为转录终止发生在这一区域，并且这种终止是被调节的，这个区域就被称为弱化子。,分析前导肽序列，发现它包括起始密码子,AUG,和终止密码子,UGA,，编码了一个,14,个氨基酸的多肽。该多肽有一个特征，其第,10,位和,11,位有相邻的两个色氨酸密码子。正是这两个相连的色氨酸密码子（组氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有这种现象）调控了蛋白质的合成。,当培养基中色氨酸的浓度很低时，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，核糖体才进行到,1,区（或停留在两个相邻的,trp,密码子处），这时的前导区结构是,2-3,配对，不形成,3-4,配对的终止结构，所以转录可继续进行，直到将,trp,操纵子中的结构基因全部转录。,当培养基中色氨酸浓度较高时，核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在,4,区被转录之前就到达,2,区，使,2-3,区不能配对，,3-4,区自由配对形成基一环终止子结构，转录被终止，,trp,操纵子被关闭。,3,trp,操纵子弱化机制的实验依据,trpS5,是温度敏感型突变株，它所编码的,Trp-tRNAtrp,合成酶只在,30,时有活性，,42,时无酶活性。比较野生型和突变型在,42,和,30,时，突变体的,Trp,操纵子与野生型一样受色氨酸浓度的调控。,42,时，突变体中,Trp,操纵子的表达不受色氨酸浓度的调控。,另有一个缺失前导区及,D,基因的突变体（,trpLD102,），该细菌在有色氨酸的培养基中仍有很高的色氨酸合成酶活性。,TrpED53,中,L,不缺失（弱化子存在），,trpLD102,中,L,缺失（弱化子不存在），缺失前导区后的表达比有前导区的表达要高得多，充分说明,trp,操纵子的表达调控除阻遏作用外，还受到前导区的影响，失去了这个因素就失去了一个调控机制。,4,阻遏与弱化作用的协调,有实验证明，在不加色氨酸的培养基中，,trp mRNA,的合成仍然受到部分阻遏，现在一般认为，野生型细胞中同时存在着有活性和无活性的阻遏物，培养基中色氨酸浓度的变化，能够使这两种阻遏物间的平衡发生倾斜，最终做出关闭或启动,trp,操纵子的决定，从而维持一定的色氨酸含量。,细菌中为什么要有弱化子系统呢？一种可能是阻遏物从有活性向无活性的转变速度极低，需要有一个能更快地做出瓜的系统，以保持培养基中适当的色氨酸水平。或者，弱化子系统主要是对外源色氨酸浓度做出反应。外源色氨酸浓度很低的信号虽然足以引起,trp,操纵子的去阻遏作用，但是这个信号还不足以很快引发内源色氨酸的合成。在这种环境下，弱化子就通过抗终止的方法来增加,trp,基因表达，从而提高内源色氨酸浓度。,那么为什么还要有阻遏体系呢？目前认为阻遏物的作用是当有大量外源色氨酸存在时，阻止非必需的先导,mRNA,的合成，它使这个合成系统更加经济,三、其他操纵子的调控机制,1,半乳糖操纵子,大肠杆菌半乳糖操纵子,(galactose operon),包括,3,个结构基因：异构酶,(UDP-galactose-4epimerase,galE),，半乳糖,-,磷酸尿嘧啶核苷转移酶,(galactose transferase,galT),，半乳糖激酶,(galactose kinase,galk),。这,3,个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖,-1-,磷酸。,GalR,与,galE,、,T,、,K,及操纵区,O,等离得很远，而,galR,产物对,galO,的作用与,lacI-lacO,的作用相同。,gal,操纵子的特点：,它有两个启动子，其,mRNA,可从两个不同的起,始点开始转录；,它有两个,O,区，一个在,P,区上游,-67-53,，另一,个在结构基因,galE,内部。,因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人们猜想葡萄糖存在时半乳糖操纵子不被诱导，但实际上有葡萄糖存在时，,gal,操纵子仍可被诱导。现已分离到一些突变株，其中一类突变株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合成半乳糖代谢酶类（,gal,结构基因高效表达）；而另一类突变株中,gal,基因的表达完全依赖于葡萄糖，培养基中如无葡萄糖存在，这些细菌的,gal,基因不表达，不合成半乳糖代谢酶类。,分析,gal,操纵子,P-O,区的,DNA,序列发现，该操纵子确实存在两个相距仅,5bp,的启动子，可以分别起始,mRNA,的合成。每个启动子拥有各自的,RNA,聚合酶结合位点,S1,和,S2,。,从,S1,起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时，才能顺利进行，,RNA,聚合酶与,S1,的结合需要半乳糖、,CAP,和较高浓度的,cAMP,。从,S2,起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的,cAMP-CAP,能抑制由这个启动子起始的转录。当有,cAMP-CAP,时，转录从,S1,开始，当无,cAMP-CAP,时，转录从,S2,开始。,为什么,gal,操纵子需要两个转录起始位点？半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质,-,尿苷二磷酸半乳糖（,UDPgal,）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。在没有外源半乳糖的情况下，,UDP-gal,是通过半乳糖差向异构酶的作用由,UDP-,葡萄糖合成的，该酶是,galE,基因的产物。生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。现在设想只有,S1,一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于,cAMP-CRP,，当培养基中有葡萄糖存在时就有能合成异构酶。假如唯一的启动子是,S2,，那么，即使在葡萄糖存在的情况下，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，这无疑是一种浪费。无论从必要性或经济性考虑，都需要一个不依赖于,cAMP-CAP,的启动子（,S1,）对高水平合成进行调节。,2,阿拉伯糖操纵子,阿拉伯糖,(arabinose),是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要,3,个基因：,araB,、,araA,和,araD,，分别编码,3,个酶：,araB,基因编码核酮糖激酶,(ribulokinase),，,araA,编码,L-,阿拉伯糖异构酶,(L-arabinose isomerase),，,araD,编码,L-,核酮糖,-5-,磷酸,-4-,差向异构酶,(L-ribulose-5phosphate-4epimerase),。与,araBAD,相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因,araC,，这个,AraC,蛋白同时显示正、负调节因子的功能。,AraBAD,和,araC,基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上，,araBAD,基因簇从启动子,PBAD,开始向左进行转录，而,araC,基因则是从,Pc,向右转录。,AraC,蛋白作为,PBAD,活性正、负调节因子的双重功能是通过该蛋白的两种异构体来实现的。,Pr,是起阻遏作用的形式，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，而,Pj,是起诱导作用的形式，它通过与,PBAD,启动子结合进行调节。在没有阿拉伯糖时，,Pr,形式占优势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与,AraC,蛋白结合，使平衡趋向于,Pi,形式。这样，阿拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与,Pr,的结合，使,Pr,离开它的结合位点，然后，产生大量的,Pi,，并与启动子结合。,因为培养基中含有葡萄糖，所以,cAMP-CAP,没有与操纵区位点相结合，,AraC,蛋白处于,Pr,形式并与,A,位点结合，,RNA,聚合酶很少再与,Pc,结合，,araC,基因虽然仍有转录，但受到抑制，只有少量,AraC,蛋白形成，整个系统几乎处于静止状态。,没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖，因为没有诱导物，尽管有,cAMP-CAP,与操纵区位点相结合，,AraC,蛋白仍以,Pr,形式为主，无法与操纵区,B,位点相结合，无,araBAD mRNA,转录。无葡萄糖，阿拉伯糖时，大量,araC,基因产物以,Pi,形式存在，并分别与操纵区,B,、,A,位点相结合，在,cAMP-CAP,的共同作用下，,araC,和,araBAD,基因大量表达，操纵子充分激活。,3.,组氨酸操纵子,与,His,降解代谢有关的两组酶类被称为,hut,酶,(histidine utilizing enzyme),，控制这些酶合成的操纵子被称为,hut operon,。由一个多重调节的操纵子控制，有两个启动子，两个操纵区及两个正调节蛋白。,Hut,操纵子共编码,4,种酶和一个阻遏物。,4,种酶分别由,hutG,、,hutH,、,hutI,及,hutU,基因编码，阻遏物则由,hutC,基因编码。在产气克氏菌中，以上基因构成两个转录单位，,hutI,、,hutG,、,hutC,和,hutU,、,hutH,分别被转录合成两条,mRNA,长链。这两个转录单位各自都有一个启动子和一个操纵区，其转录过程都是从左向右进行的，,hutC,阻遏物能与每个操纵区相结合。,虽然尚不清楚氮源缺乏时的信号是什么，但它很可能也是一个正效应子。,因为无论以组氨酸作为唯一碳源或氮源，,hut,操纵子都会处于有活性状态。,Hut,操纵子的每一个启动子上都有,cAMP-CAP,结合位点，当碳供应匮乏时，能合成,cAMP,，出现,cAMP-CRP,复合物，并与操纵区上的相应位点结合，诱发基因转录。,4.,阻遏蛋白,LexA,的降解和细菌中,SOS,应答,SOS,应答实际是把,LexA,阻遏蛋白从这些基因的上游调控区移开的过程,.,一般情况下,recA,基因表达不完全受,LexA,阻遏,每个细胞中有,1000,个,RecA,蛋白单体分散在细胞质中,.,当,DNA,严重受损时,RecA,与缺口处单链结合,被激活成为蛋白酶,将,LexA,切割成为没有阻遏和操纵区,DNA,结合活性的二个片段,导致,SOS,高效表达,DNA,得到修复,.,只要有活化信号存在,操纵子就会一直处于活性状态,.,5.,二组分调控系统和信号转导,最简单的信号转导系统,由二种不同的蛋白质组成,:,位于细胞质膜上的传感蛋白,(,或称传感激酶,),和胞质中的应答调节蛋白,.,传感激酶常在与膜外环境信号反应过程中被磷酸化,再将其磷酰基转移到应答调节蛋白上,即成为阻遏蛋白,通过对操纵子的阻遏获激活作用调控下游基因表达,6,多启动子调控的操纵子,I,rRNA,操纵子大肠杆菌,rRNA,操纵子（,rrnE,）上有两个启动子，,P1,和,P2,。,P1,是强启动子，营养充沛时，由,P1,起始的转录产物比由,P2,起始的转录产物高,3-5,倍。当营养匮乏时，,P1,的作用被抑制，但,P2,仍有功能。,II.,核糖体蛋白,SI,操纵子,核糖体蛋白,SI,操纵子（,rpsA,），它也受应急反应调节。,RpsA,有,4,个启动子，,P1,、,P2,是强启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表达，合成,SI,蛋白。,P3,、,P4,是弱启动子，只有在紧急情况下，,P1,、,P2,启动子受,ppGpp,的抑制，由,P3,、,P4,起始合成的,SI,蛋白维持了生命的最低需要。,III.Dna Q,蛋白操纵子,Dna Q,蛋白是,DNA,聚合酶全酶的亚基之一，其主要功能是校正,DNA,复制中可能出现的错误。在,RNA,聚合酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子,P2,控制；而,RNA,聚合酶活性较高时，就开始,利用强启动子,P1,。,7,与固氮有关的基因及其调控,I,nif,操纵子,nifAL,是个粗调系统,nifA,和,nifL,分别是,nif,操纵子的正负调控因子,.,研究发现,当细胞内没有,NifL,蛋白质时,nifA,基因产物足以激活其他,nif,基因的表达,甚至在有氨气和氧气 存在时,.,它对固氮酶活性的影响时通过反式作用因子来实现的,.,ntr,系统是个微调系统,ntr A,只有在,ntr B,ntrC,基因产物的共同作用下才能正常工作,激活,nif,操纵子,.,研究发现,ntrC,基因直接受氨气浓度影响,高氨时该基因产物没有转录活性,.,此二个调控系统共同作用,控制,nif,基因的表达,.,由,glnD,基因编码的尿苷酸转移酶负责把,UMP,加到受体蛋白上,.,当细胞质内谷氨酰胺与,-酮戊二酸比值较低时,UMP,就在,glnD,基因产物的作用下被转移到,GlnB,蛋白时,反之则从,GlnB,上脱去,UMP.,不带,UMP,的,GlnB,能与,ntr B,产物结合导致,ntrC,基因产物的去磷酸化,丧失启动,nifAL,基因转录的功能,.,当游离氨含量较低时,GlnB,蛋白被尿苷化并与,NtrB,蛋白分离,使后者蛋白激酶功能发挥,将,NtrC,蛋白磷酸化而激活,nif,操纵子系统,.,细胞内氮水平对,nif,基因转录活性的调控,四、原核生物种的转录后调控,1,翻译起始的调控,遗传信息翻译成多态链起始于,mRNA,上的核糖体结合位点,(RBS).,在,RBS,中有,SD,序列,长度一般,5,个核苷酸,富含,G/A,序列与核糖体的,16S,互补配对,促使核糖体结合到,mRNA,上,利于翻译起始,.RBS,的结合程度取决于,SD,与,AUG,之间的距离,4-10,个,bp,为佳,最佳,9,个,.,mRNA,的二级结构也是翻译起始调控的因素,.SD,序列的微小变化,往往会导致表达效率上百倍甚至千倍的差异,那是由于改变了形成二级结构的自由能,影响了,30S,与,mRNA,的结合,已知,dnaG,和,rpoD,（编码,RNA,聚合酶亚基）及,rpsU,（,30S,核糖体上的,S21,蛋白）属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子，而这,3,个基因产物在数量上却大不相同，每个细胞内仅有,dnaG,产物,50,拷贝，而,rpoD,为,2800,拷贝，,rpsU,则高达,40 000,拷贝之多。细胞通过翻译调控，解决了这个问题。,研究,dnaG,序列发现其中含有不少稀有密码子，也就是说这些密码子在其他基因中利用频率很低，而在,dnaG,中却很高。,许多调控蛋白如,LacI,、,AraC,、,TrpR,等在细胞内含量也很低，编码这些蛋白的基因中密码子的使用频率和,dnaG,相似，而明显不同于非调节蛋白。高频率使用这些密码子的基因翻译过程极容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。,2,稀有密码子对翻译的影响,3.,重叠基因对翻译的影响,重叠基因最早在大肠杆菌噬菌体,X174,中发现，用不同的阅读方式得到不同的蛋白质，丝状,RNA,噬菌体、线粒体,DNA,和细菌染色体上都有重叠基因存在。,Trp,操纵子由,5,个基因（,trpE,、,D,、,C,、,B,、,A,）组成，在正常情况下，操纵子中,5,个基因产物是等量的，但,trpE,突变后，其邻近的,trpD,产量比下游的,trpBA,产量要低得多。这种与,蛋白无关的表达调控，已被证实是在翻译水平上的调控。,研究,trpE,和,trpD,以及,trpB,和,trpA,两对基因中核苷酸序列与翻译耦联的关系，发现,trpE,基因的终止密码子和,trpD,基因的起始密码子共用一个核苷酸。,由于,trpE,的终止密码子与,trpD,的起始密码重叠，,trpE,翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。,4.RNA,高级结构对翻译的影响,以,RNA,噬菌体,f2,的,RNA,作为模板，在大肠杆菌无细胞系统中进行蛋白质合成时，大部分合成外壳蛋白，,RNA,聚合酶只占外壳蛋白的,1/3,。用同位素标记分析,RNA,噬菌体几种蛋白质的起译过程，发现外壳蛋白起译频率比合成酶至少要高,3,倍。,研究发现,f2,外壳蛋白基因的琥珀突变也影响了,RNA,聚合酶合成的起始。但若该突变不是发生在外壳蛋白接近翻译起始区，而是较靠后的位点，对,RNA,聚合酶的起译就没有影响。现在一般认为，聚合酶的翻译起始区被,RNA,的高级结构所掩盖，外壳蛋白的起始翻译破坏了,RNA,的立体构象，使核糖体有可能与翻译起始区结合，导致聚合酶的起译。用甲醛处理,RNA,可以增加聚合酶的产量，这说明,RNA,的高级结构对基因表达调控的可能性。,5.,魔斑核苷酸水平对翻译的影响,科学上，把培养基中营养缺乏，蛋白质合成停止后，,RNA,合成也趋于停止这种现象称为严紧控制（,rel+,）；反之则称为松散控制（,rel-,）。研究发现，在氨基酸缺乏时，,rel+,菌株能合成鸟苷四磷酸（,ppGpp,）和五磷酸（,pppGpp,），而,rel-,菌则不能。,GTP+ATPpppGpp+AMPppGpp,ppGpp,的主要作用可能是影响,RNA,聚合酶与启动子结合的专一性，从而成为细胞内严紧控制的关键。当细胞缺乏氨基酸时产生,ppGpp,，可在很大范围内做出应急反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。,6.PolyA,对翻译的影响,细胞中蛋白质合成旺盛时,mRNA,链上的核糖体多,PolyA,也较长。,当某些不再翻译时,核糖体被释放,其,PolyA,也较短。,因此,PolyA,对翻译的效率影响也很大。,小 结,原核生物调控机制的类型,其主要发生在转录水平上，根据机制不同分为：,负转录调控,负控诱导阻遏蛋白不与效应物（诱导物）,结合时，结构基因 基因不转录,负控阻遏阻遏蛋白与效应物结合时，,结构基因不转录,正转录调控,正控诱导效应物（诱导物）存在使激活蛋白处,于活性状态，结构基因转录,正控阻遏效应物存在使激活蛋白处,于非活性状态，结构基因不转录,