基因的表达与调控(上).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,*,1.原核基因表达调控总论,2.乳糖操纵子与负控诱导系统,3.色氨酸操纵子与负控阻遏系统,4.转录水平的其他调控方式,5.转录后调控,主要内容,7.1 原核基因表达调控总论,基因表达（gene expression）：从DNA到蛋白质或功能RNA的过程,基因表达调控（gene regulation或gene control）,对基因表达过程的调节,基因表达调控主要表现在两个方面：,转录水平的调控（,transcriptional regulation,）,转录后水平的调控（,past-transcriptional regulation,）,1,）,mRNA,加工成熟水平上的调控（,differential processing of RNA,trscript,）,2,）翻译水平上的调控,原核生物中，,营养状况,（,nutritional status,）和,环境因素,（,enviromental,factor,）对基因表达起着举足轻重的影响；在真核生物中特别是高等真核生物,激素水平,（,hormone level,）和,发育阶段,（,developmental stage,）是基因,表达调控的最主要的手段。,负控阻遏系统,正控阻遏系统,7.1.2 原核基因调控的主要特点,1.可诱导调节,指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态,转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。,例子：大肠杆菌的lac操纵子,可诱导基因；可诱导酶；酶的诱导合成,2.可阻遏调节,这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，,由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。,例子：大肠杆菌的Trp操纵子,可阻遏基因；可阻遏酶；可阻遏现象；阻遏物,一般规律：可诱导的操纵子总是一些编码糖和AA分解代谢蛋白的基因，,这些操纵子常常是关闭的；可阻遏基因正好相反，他们是一些合成各种,细胞代谢过程中所必需的小分子物质的基因，这些基因常常是打开的。,7.1.3 弱化子对基因活性的影响,在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的AA-tRNA的浓度，,是转录调节中的微调整。,当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段,核苷酸被称为弱化子。,例子：Trp操纵子的弱化作用,7.1.4 降解物对基因活性的调节,在葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖等诱导,物，与其对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶，这种现象,称为葡萄糖效应或降解物抑制效应。,降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的。,7.1.5 细菌的应急反应,应急反应的信号：ppGpp和pppGpp。,产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。,7.2 乳糖操纵子与负控诱导系统,操纵子模型,操纵子：基因表达的协同单位。指原核生物中由一个或多个相关基因以及,转录翻译调控元件组成的基因表达单元。,操纵子学说：关于原核基因结构及其表达调控的学说,法国巴斯德研究所Jacob和Monod在1961年提出,操纵子的组成,1）结构基因,2）调节基因（I）,3）控制部位：可接受调节基因产物的调节。,包括启动子（P区）和操纵基因（O区）。,调节基因 控制部位 结构基因,7.2.1 乳糖操纵子模型,1）,Z、Y、A,基因的产物由同一条多顺贩子的mRNA分子所编码,Z,基因：编码-半乳糖苷酶,Y,基因：编码-半乳糖苷透过酶,A,基因：编码-半乳糖乙酰基转移酶,2）该mRNA分子的启动区（P）位于阻遏基因（,I,）与操纵区（O）之间，不能,单独起始半乳糖苷酶和透过酶的高效表达,3）操纵区（O）是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。,4）当阻遏物与操纵区结合时，,lac,mRNA的转录起始受到抑制。,5）诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区结合，从而,激发,lac,mRNA的合成,这一模型仅解释了,lac,体系的负控系统，在,lac,操纵子同样存在正调控！,-半乳糖苷酶,透过酶,乙酰基转移酶,7.2.2,lac,操纵子的影响因子,1.,lac,操纵子的本底水平表达,问题：,1）诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，,透过酶的合成又需要诱导。,第一个诱导物是如何到达细胞的？,2）乳糖（G-1,4-gal）并不与阻遏物结合，真正的诱导物是异乳糖（G-1,6-gal,）,而异乳糖是在-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。,乳糖诱导-半乳糖苷酶的合成需要-半乳糖苷酶的预先存在！,对这一现象的解释：,在非诱导状态下有少量的,lac,mRNA合成（大约每个世代中有1-5个mRNA 分子）,这种合成被称为本底水平的永久型合成,研究诱导作用时很少适用乳糖，而用乳糖类似物,1）异丙基巯基半乳糖苷（,IPTG,）,2）巯甲基半乳糖苷（,TMG,）,3）在酶活性分析中，常用显色底物O-硝基半乳糖苷（,ONPG,）,他们都是高效诱导物，但不是半乳糖苷酶的底物，因此称为,安慰性诱导物,2.大肠杆菌对乳糖的反应,本底水平表达,（几个分子的-半乳糖苷酶和透过酶）,乳糖,在透过酶作用下，lac进入细胞，又在-半乳糖苷酶作用下乳糖转变为,异乳糖,异乳糖与结合在操纵区上的阻遏物结合导致,阻遏物失活,lac,mRNA开始合成,3.阻遏物,lac,I 基因产物及功能,lac,I 基因产物为阻遏蛋白，由4个相同亚基，每个亚基均含有,347AA，并能与1分子IPTG结合。,lac,阻遏物 mRNA是在弱启动子控制下永久合成的,。,当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内不能产生足够的,诱导物来克服阻遏状态，整个,lac,操纵子在这些突变体中不可诱导。,4.葡萄糖对,lac,操纵子的影响,-半乳糖苷酶,lacG+gal,gal操纵子,G,将G和lac同时加入培养基，大肠杆菌,在耗尽外源G之前不会诱发lac操纵子,G对lac操纵子表达的抑制是间接的,证据,：一个大肠杆菌突变株，他在EMP途径,中不能将G-6-P转化为下一步代谢中间物，,这些细菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导,合成。,代谢物阻遏效应（葡萄糖效应）,葡萄糖的某些降解产物（不是葡萄糖）,抑制lac mRNA合成的现象,G耗尽,（或：有葡萄糖存在时，不论诱导物存在与否，操纵子都没有转录活性，结构基因都不表达）,5.cAMP与代谢物激活蛋白（lac操纵子的正调节）,在大肠杆菌中，cAMP的浓度受G代谢的调节,1）将细菌放在缺乏碳源的培养基中，细胞内cAMP浓度就高；,2）如果在含G培养基中，细胞内cAMP浓度就低；,3）如果培养基中只有甘油或乳糖等不进行EMP途径（甘油其实可进入EMP途径）,的碳源，细胞内cAMP浓度也会很高。,说明,：在EMP途径中位于G-6-P与甘油之间的某些代谢产物是cAMP酶的抑制剂,大肠杆菌中的代谢物激活蛋白（,CAP,），或称为cAMP-受体蛋白（,CRP,）,由,Crp,基因编码，能与cAMP形成复合物cAMP-CRP。,Crp,和cAMP酶基因突变的细菌都不能合成,lac,mRNA,CRP和cAMP（两者单独不起作用）都是合成,lac,mRNA所必需的！,G会降低细胞内cAMP的水平。当G缺乏时，大肠杆菌细胞内cAMP上升，,CRP结合到cAMP上。CRP-cAMP结合到紧邻RNA Pol 结合位点上游的,lac操纵子P,lac,上。CRP的结合引起DNA链发生90度弯曲，这增强RNA Pol,与启动子的结合，使转录效率提高50倍。,细菌对于cAMP-CRP复合物的需要,是独立的，与阻遏体系无关，转录,必须有cAMP-CRP复合物结合在,DNA的启动子上，是lac操纵子的,正调控因子,lac操纵子是在负调控和正调控两个,独立的调控体系下完成的。,正调控位点,负调控位点,lac操纵子必须同时在CRP结合位点结合cAMP-CRP和去阻遏状态下,才能高效表达,7.2.3,lac,操纵子中的其他问题,A,基因及其生理功能,A,基因：编码,-,半乳糖苷乙酰基转移酶，使,-,半乳糖,第,6,位,C,原子乙酰化,问题,：为什么,A,基因不在乳糖降解中起作用呢？,自然界存在很多能被,-,半乳糖苷酶降解的,-,半乳糖苷分子，其分解,产物不能被进一步代谢，很容易在体内积累，是细胞正常生长的,抑制物,。,而,-,半乳糖苷分子（如,IPTG,）被乙酰化后，不能被,-,半乳糖苷酶降解。,抑制有害物质的积累。,证据,：当有,IPTG,存在时，,I,-,O,c,A,-,大肠杆菌的生长速度显著慢于相应的,A,+,株系，其差异仅仅在于,IPTG,被乙酰化。,2.,Lac,基因产物数量上的比较,在一个完全被诱导的细胞中,-半乳糖酶：-半乳糖透过酶：-半乳糖苷乙酰基转移酶=1：0.5：0.2,不同酶在数量上的差异是由于,翻译水平上,受到调节所致。,1）大多数多顺反子mRNA分子，存在一个从mRNA的5端到3端的蛋白质,合成的梯度。当,lac,mRNA与核糖体脱离，终止蛋白质合成，其发生的,频率取决于AUG密码子再度起始翻译的概率。靠近mRNA的5端再度起始,的概率大。,2）在,lac,mRNA 分子内部，A基因比Z基因更易受内切酶作用。,3.操纵子的融合与基因工程,操纵子在自然条件下可能发生融合,如：,lac,操纵子与负责嘌呤合成的pur操纵子的偶联。,O,P,Z,pur,基因,P,O,Z Y A,tsx,P O,pur,基因,lac,操纵子,pur,操纵子,控制细胞对T6噬菌体敏感性基因,tsx,s,Z,细胞,tsx,R,Z,-,突变体,强启动子 缺失,pur,基因启动子一部分,缺失Z基因的终止序列,融合基因,7.3 Trp操纵子与负控阻遏体系,Trp的合成分5步完成，有7个基因参与整个合成过程,7.3.1 Trp操纵子的阻遏系统,由于trp体系参与生物合成而不是降解，它不受G或cAMP-CRP的调控。,当培养基中含有高浓度的trp时，Trp操纵子不表达；当培养基中trp不足时，,Trp操纵子表达。,调节基因trpR的产物称为辅阻遏蛋白，可与trp结合形成有活性的阻遏物,与O区结合并关闭,trp,mRNA转录；缺乏trp时，辅阻遏蛋白失去trp并从O区,上解离，,trp,操纵子去阻遏。,7.3.2 弱化子与前导肽,有些现象与以阻遏作为唯一调节机制的观点不一致,1）在trp高浓度和低浓度下观察到trp操纵子的表达水平相差600倍，而阻遏作用,仅使转录降低70倍。,2）使阻遏物失活突变不能完全消除trp对trp操纵子的影响。,这种调控机制与阻遏物的控制无关，必定有其他调控机制！,研究证实，阻遏-操纵机制控制转录的启动，是trp操纵子的粗调开关，,还有另外一个系统进行细调控并决定已经启动的转录能否继续下去。,弱化作用,弱化作用：是通过转录到达第一个结构基因之前的过早终止来实现的,前导区：,trpE,基因的起始密码前一个162bp的mRNA片段称为前导区,其中123-150位碱基序列缺失，trp基因表达可提高6-10倍。当mRNA,合成起始后，除非培养基中完全没有trp，转录总在这个区域终止，产生,一个仅有140nt的RNA分子，终止trp基因转录。,弱化子（,attenuator,）：,指原核生物操纵子中能显著减弱甚至,终止转录作用的一段核苷酸序列。该序列,能形成不同的二级结构，利用原核生物转,录与翻译的偶联机制对转录进行调节。,该区域,mRNA,通过自我配对可以形成,茎,-,环结构，有典型终止子特点,前导肽：,前导序列包括起始密码子,AUG,和终止密码子,UGA,，如果翻译起始于,AUG,，应该产生一个,14AA,的多肽，这个假设的多肽称为前导肽。,mRNA,前导区的序列分析,具有,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,）,1-2,，,3-4,配对：,其中,3-4,配区正好位于终止密码的识别区，为终止构型,2,）,2-3,配对：抗终止子结构,4.转录的弱化作用,该理论认为，mRNA转录的终止是通过前导肽基因的翻译来调节的。因为在前导肽基因中有两个相邻的trp密码子（第10和11位），所以这个前导肽的翻译必定对tRNA,Trp,的浓度敏感。,1）当培养基中trp低时，tRNA,Trp,就少，翻译通过两个trp密码子的速度就慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区（或停留在两个trp密码子处），此时前导区结构为2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，转录继续进行，直至将结构基因全部转录。,2）当培养基中trp高时，tRNA,Trp,就多，核糖体顺利通过两个trp密码子，在4区被转录之前，核糖体就到达2区，形成形成3-4配对的终止结构，转录终止。,弱化作用对RNA Pol,的影响依赖于前导肽,翻译中核糖体所处的,位置,trp操纵子的阻遏作用与弱化作用的协调控制,1）细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能,使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使,之中途停顿下来，阻遏作用的信号是细胞内trp的多少。,2）弱化作用的信号是细胞内负载有trp的tRNA,Trp,的多少，它通过,前导肽的翻译来控制转录地进行。,7.4 其他操纵子,7.4.1 半乳糖操纵子（galactose operon）,大肠杆菌半乳糖操纵子在大肠杆菌遗传图上位于17min处，包括3个结构基因：,异构酶：,galE,半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶：,galT,半乳糖激酶：,galK,调节基因：,galR,，距离结构基因及操纵区,O,等很远。位于遗传图上55min处。,galR,产物对,galO,的作用与,lacI-lacO,的作用相同。,在,galR,-,和,galO,-,突变体中，,E、T、K,基因得到永久性表达。,gal,操纵子的诱导物主要是半乳糖。,gal,操纵子的特点：,1）有两个启动子，其mRNA可从不同的起始点开始转录；,2）有两个O区，一个在P区上游-73-67，另一个在E基因内部。,1.cAMP-CRP对,gal,启动子的作用,半乳糖的利用率比葡萄糖低，,但在有葡萄糖存在时，,gal,操纵子,仍可被诱导！,现已分离的突变株：,1）能在不含葡萄糖的培养基中高水平表达结构基因；,2）结构基因的表达完全依赖于葡萄糖。,gal,操纵子有两个启动子，可以从两个启动子分别起始转录，每个启动子拥有各自的,RNA Pol结合位点S1和S2。,cAMP-CRP,对从S1和S2起始的转录有不同的作用。,1）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 Pol与S1的结合,需要半乳糖、CRP和较高浓度的cAMP。当,cya,-,或,crp,-,，gal操纵子不能从S1起始,转录，此时若在体外系统中加入cAMP-CRP即可诱发从S1起始的转录。,当有cAMP-CRP时，转录从S1开始；当无cAMP-CRP时，转录从S2开始.,2）从S2起始的转录完全依赖于葡萄糖，高水平的cAMP-CRP能抑制由S2起始的转录。,从S1转录：无G，有cAMP-CRP；从S2转录：有G，无cAMP-CRP。,大肠杆菌的,cya,-,（腺苷环化酶突变）或,crp,-,（cAMP受体蛋白突变）突变型,不能利用乳糖，但可以利用半乳糖作为唯一碳源（S2）。,有一个,gal,启动子,突变株，不能利用培养基中的半乳糖（无葡萄糖），,若将此突变株再行突变为,cya,-,或,crp,-,，细胞就恢复了利用半乳糖的能力。,Why,？,第一次突变失去了从,S1,起始转录的能力，却不影响从,S2,起始转录，,但由于细胞中,cAMP-CRP,的存在抑制了从,S2,开始的转录，使,gal,操纵子,既不能从S1起始又无法从S2起始转录。,再行突变后，即,cya,-,或,crp,-,，都能消除cAMP-CRP对S2的阻遏作用，,导致,gal,基因表达，恢复利用半乳糖的能力。,cAMP-CRP有利于RNA PolS1区复合物形成开链构象，从而起始转录。,由于S1和S2区有核苷酸部分重叠，这一复合物的存在干扰了RNA PolS2,区复合物的形成，抑制S2起始的转录。,2.双启动子的生理功能,半乳糖在细胞代谢中具有双重功能：,1）可以作为唯一碳源供细胞生长,2）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，细胞通过半乳糖,差向异构酶,（,galE,基因,产物）的作用由UDPG合成UDPgal。,（G-1-P+UTPUDPG+PPi ；UDPG UDPgal）,若只有S1一个启动子，由于它的活性依赖于cAMP-CRP，当有葡萄糖,存在时不能合成异构酶；若只有S2，即使在有葡萄糖存在时，半乳糖也将,使操纵子处于充分诱导状态。浪费！,因此。无论从必要性或经济性考虑，都需要一个不依赖于cAMP-CRP,的启动子（S2）进行本地水平的永久型合成，以及一个依赖于cAMP-CRP,的启动子（S1）对高水平合成的调节。,差向异构酶,合成细胞壁对异构酶的需要量很小，本地水平的合成即可,7.4.2 阿拉伯糖操纵子（,ara,操纵子）,阿拉伯糖的降解需3个基因：简写为,araBAD,araB,:核酮糖激酶,araA,:L-阿拉伯糖异构酶,araD,:L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶,其作用顺序为,araA、,araB、araD。,ara,操纵子有一个复合的启动子区、两个操纵区（O1和O2）和一个,调节基因,araC,。AraC蛋白同时,具有正负调节因子,的作用。,araBAD,和,araC,基因的转录分别在,两条链,上以,相反,的方向进行。,ara,操纵子也是可诱导的，,ara,本身就是诱导物。,在野生型操纵子中，只有,ara,存在时才转录出,araBAD,mRNA，而有,葡萄糖时则不转录。,其作用顺序为,araA、,araB、araD,ara,操纵子有一个复合的启动子区、两个操纵区（O1和O2）和一个,调节基因,araC,AraC蛋白同时具有正负调节因子的作用,araBAD,和,araC,基因的转录分别在两条链上以相反的方向进行,ara,操纵子也是可诱导的，,ara,本身就是诱导物。,在野生型操纵子中，只有,ara,存在时才转录出,araBAD,mRNA，而有葡萄糖时则不转录。,诱导因子结合区,1.araC蛋白的正、负调节作用,ara,操纵子的表达调控,（a）,无,AraC,蛋白时,，由,Pc,起始,araC,基因转录；,（b）,当体系中,G,含量较高，ara水平较低时,，,AraC,蛋白与O2及,araI,诱导因子结合区上半区相结合，形成 DNA回转结构，,araBAC,不表达；,（c）,体系中有,ara,但无,G,时,，,AraC,蛋白与,ara,结合，改变构象成为激活蛋白，,AraC,蛋白同源二聚体分别与,araO1,和araI区结合，DNA回转结构被破坏，,RNA Pol,在,AraC,蛋白和,CRP-cAMP,共同作用下起始,P,BAD,所调控的结构基因表达,负调控,正调控,2.AraC蛋白的两种形式,AraC蛋白作为P,BAD,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：阻遏形式。,无ara时占优势,Pi：诱导形式，通过与P,BAD,结合,进行调节。,有ara时占优势,。,有实验证明，当AraC蛋白以正调控因子作用时，,起始转录还需要cAMP-CRP的共同参与。,3.营养状况对ara操纵子活性的影响,（a）有G但无ara,cAMP-CRP,没有与操纵区位点结合，AraC蛋白处于阻遏形式Pr，Pr与操纵区A位点（O,1,）结合，RNA-Pol不能与Pc结合，araC只少量转录，系统几乎静止,（b）无G和ara（诱导物）,尽管cAMP-CRP与操纵区位点结合，因没有诱导物，AraC蛋白仍以Pr形式存在，无法与操纵区B位点,（araI）,结合，无araBAD mRNA转录,（c）无G有ara,大量araC基因产物以Pi形式存在，分别与操纵区B、A位点结合，在cAMP-CRP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表达，操纵子充分激活。,7.4.3 阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答,当细菌DNA遭到破坏时，细菌细胞内启动SOS的诱导型DNA修复系统。,SOS反应是由RecA蛋白和LexA阻遏物相互作用引起的；LexA蛋白是许多基因的阻遏物。,RecA蛋白是SOS反应的最初发动因子。在有单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活成蛋白酶，将LexA蛋白切割成没有阻遏和操纵区DNA结合活性的两个片段，导致SOS高效表达，DNA得到修复。,SOS体系的诱导表达过程就是把LexA蛋白从这些基因的上游调控区移开的过程。,信号转导：外部信号（效应物）先通过,传感器（,而不直接传递给调解蛋白,）接,收信号，然后以不同方式传到调节部位。,二组分系统：最简单的细胞信号系统,二组分系统的组成,：,1）,传感蛋白,：位于细胞质膜上。,因其具有激酶活性，又称为,传感激酶,2）,应答调节蛋白,7.4.4 二组分调控系统（two-component system）和信号转导,二组分系统：由位于细胞质膜上的,传感蛋白,（该蛋白常具有激酶活性）以及位于细胞质中的,应答调节蛋白组成,。传感激酶常在受到膜外环境信号刺激时被磷酸化，并将其磷酸基团转移到应答调节蛋白上，使该磷酸化的调节蛋白成为阻遏物或诱导蛋白，通过对操纵子的阻遏或激活作用调控下游基因的表达,7.4.5 多启动子调控的操纵子,rRNA,操纵子（,rrnE,）,2,个启动子：,P1,（强启动子）和,P2,；,细菌在紧急状态下，,ppGpp,增加，,P1,被抑制，,P2,成为强启动子,（蛋白质合成需要,rRNA,！）,2.,DnaQ,蛋白操纵子,DnaQ,蛋白是,DNA,Pol,全酶亚基之一，,能校正,DNA,复制中的错误,DnaQ,蛋白操纵子受,RNA,Pol,活性调节，,有,2,个启动子,在,RNA,Pol,活性较低时，操纵子转录由,弱启动子,P2,控制（,RNA,Pol,活性与细胞增,殖速度有关，,DNA,复制缓慢时，,RNA,Pol,活性往往较低）；,RNA,Pol,活性较高 时，利用强启动子,P1,。,7.4 转录水平的其他调控方式,7.4.1 因子的调节作用,原核生物RNA Pol具有全能性，不同基因的转录依靠不同的因子与核心,酶结合组成不同的全酶来实施，即为了保证细胞准确响应不同的环境信号,的变化，因子之间常常交互作用构成网络调控模式，使得原核基因的,表达稳定而平衡。,因子的调节,1）因子本身的活性受蛋白水解酶的调控,2）被同源的抗因子失活。这些抗因子能够与特定的因子结合，阻止,它们与RNA Pol的组装。,例子1：,营养缺乏时，枯草杆菌会形成孢子来度过困难时期。,孢子形成需要4种不同的因子：,E,、,K,、,F,和,G,E,和,K,存在于母细胞，一旦开始形成,孢,子，,就产生,F,和,G,1）,E,和,K,先以非活性的前体被合成，,再经特定的蛋白酶作用转变为活性形式,2）,F,被合成后，与抗因子SpoAB结合，,以非活性形式存在于细胞中。,3）环境刺激导致SpoAA抗-抗因子去磷酸化，,并与SpoAB结合，释放出有活性的,F,。,4）,F,促使早期孢子形成的相关基因表达,包括,G,和需要进入母细胞中降解前体,E,蛋白酶,基因的转录,5）,G,激活后期孢子形成相关基因和需要进入,母细胞中降解前体,K,蛋白酶基因的转录,例子2：噬菌体因子,枯草杆菌SPO1噬菌体通过按级联表达一系列因子。来实现噬菌体早中晚,期基因的顺序表达。当需要一个因子转录编码下一条因子的基因时，就形成,因子的级联反应,1）早期基因的表达,由宿主菌的全酶负责。早期基因中含有编码,28,的基因，它随即取代RNA Pol,上细菌的因子。,2）中期基因的表达,中期基因包括基因33和34，它们能产生后期基因转录所需的因子。,3）后期基因的表达,由中期基因表达产生的因子与核心酶结合组成全酶，负责后期基因的表达,细菌全酶（,55,）早期基因（含,28,）,中期基因（33和34）,后期基因,28,取代,55,取代,28,7.5 转录后调控,7.5.1 mRNA自身结构元件对翻译起始的调节,1）对起始密码的识别,fMet-tRNA对AUG配对能力强；对不常用的起始密码子GUG（14）、,UUG（13）及AUU配对能力弱，导致翻译效率降低。,2）SD序列与核糖体结合位点（ribosome binding site,RBS）的结合,（,SD序列,：存在于原核生物起始密码子AUG上游712nt处的一种47nt,的保守序列，它与16S rRNA 3端反向互补，可将mRNA的AUG起始密码子,置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用）,即SD序列与核糖体16S rRNA的3端互补配对。,RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码子AUG的距离,SD与AUG之间的距离一般以410nt为佳，9nt为最佳。,3）mRNA的二级结构也影响翻译的起始。,30S亚基与mRNA的结合，要求mRNA 5端有一定的空间结构。SD序列的微小变化,会导致mRNA 5端空间结构的变化，影响30S亚基与mRNA的结合，进而影响蛋白,质合成的效率。,7.5.2 mRNA稳定性对转录水平的影响,所有细胞都有一系列的核酸酶，用来清除,无用的mRNA。一个典型的细菌mRNA,半衰期为23min。,mRNA分子被降解的可能性取决于他们的,二级结构,mRNA分子降解需要细菌体内的 CsrAB,调节系统,CsrA：RNA结合蛋白,CsrB：非编码的RNA分子,例子：,glg,mRNA的降解（糖原合成酶基因）,在静止期细菌细胞内，糖以糖原形式储存；,快速生长时糖被消耗。这两个过程的平衡,由CsrAB调节系统完成。,激活EMP途径，抑制葡萄糖和糖原的合成,形成,glg,mRNA-CsrA后，,glg,mRNA易受核酸酶攻击，降解过程加快,7.5.3 反义RNA的调节,细菌响应环境压力的改变，产生非编码的小RNA分子，能与mRNA中,的特定序列配对，抑制基因的表达。,例子：细菌铁蛋白基因（,bfr,）:此蛋白用来储存细胞中过剩的铁离子,anti-,bfr,基因编码反义RNA。,培养基中Fe,3+,浓度较低时，不需要细菌铁蛋白；当Fe,3+,浓度升高时，就需要细菌铁蛋白行使功能。,细胞中无论Fe,3+,浓度高低，,bfr,基因都正常转录成mRNA，而anti-,bfr,基因的转录却受到能够感应Fe,3+,浓度变化的Fur蛋白的调控。,细胞中Fe,3+,浓度高，Fur蛋白抑制anti-,bfr,基因的表达，使,bfr,基因表达细菌铁蛋白，储存过剩的Fe,3+,细胞中Fe,3+,浓度低，anti-,bfr,基因转录产生大量的反义RNA，抑制细菌铁蛋白基因的翻译。,7.5.4 稀有密码子对翻译的影响,dnaG,基因编码RNA引物酶：需要量少，过多则有害,dnaG,、,ropD,（编码标准因子的基因）及,rpsU,（编码30s核糖体上的S21蛋白基因）属于同一个操纵子，但这3个基因在数量上相差很大,（在一个细胞内dnaG蛋白：ropD蛋白：rpsU蛋白=50：2800：40000）,dnaG,基因使用了稀有密码子！,由于细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码子的基因,翻译过程容易受阻，影响蛋白质合成的总量。,蛋白质,AUU（）,AUC（）,AUA（）,结构蛋白,37,62,1,亚基,26,74,0,DnaG蛋白,36,32,32,几种蛋白质中Ile密码子使用频率比较,思考题,一、概念,可诱导调节 可阻遏调节 弱化子 葡萄糖效应 CRP(CAP),二、问答题,1 简述代谢物对基因表达调控的两种方式,2 什么是操纵子学说？简述乳糖操纵子的调控模型,3 以trp操纵子为例说明转录的弱化作用,三、填空题,1 的过程称为基因表达；称为基因表达调控,2 基因表达调控主要表现在和两个方面,3 在原核生物中，和对基因表达调控起重要作用，而和是真,核生物基因表达调控的最主要手段。,4 代谢物对基因表达调控可分为和两种。,5.操纵子是由和提出的，一般由、和三部分组成,6.在乳糖操纵子中真正的诱导物是，但在实验室里常用和代替它，,它们称为安慰性诱导物。,