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Regulation of Gene Expression in Prokaryotes

第二十章

原核生物基因表达调控

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第一节

原核生物基因表达特点Characteristics of Gene Expression of

Prokaryotes

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•操纵子在研究基因表达的重要性

具有普遍性； 真核生物研究的借鉴； 开拓了分子识别（ molecular recognition) 的研究； 研究成果应用于实践，具有指导意义。

一、操纵子是原核生物的基因转录单元

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•操纵子理论实验依据

实验模型：细菌的乳糖代谢酶类诱导 突破点 : 乳糖阻遏蛋白基因 lac I 的发现

lac I 是组成型表达基因，其突变 (lac I-) 引起管辖的基因族也发生组成型表达

用噬菌体转导方法把野生型 (lac I+) 转入突变株 (lac I-) ，逆转了组成型突变

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操纵子 (operon) 是由结构基因及其上游调控序列组成的转录单元，结构基因转录受调控序列控制。

调控序列包括远端的阻遏蛋白 (repressor)

基因 I ，近端的启动子 (promoter, P) 和操纵序列(operator, O) 。

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蛋白质因子

特异 DNA 序列

结构基因 启动子

操纵序列阻遏蛋白基因

(promoter)

(operator)

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• 启动子是 RNA 聚合酶识别和结合的部位。

RNA 转录起始-35 区 -10 区TTGACA TTAACT

TTTACA TATGAT

TTTACA TATGTT

TTGATA TATAAT

CTGACG TACTGT

N17

N16

N17

N16

N16

N7

N7

N6

N7

N6

A

A

A

A

A

trp

tRNATyr

lac

recA

Ara BAD

TTGACA TATAAT 共有序列

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•操纵序列是阻遏蛋白的结合位点

当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA 聚合酶与启动序列的结合，或是 RNA 聚合酶不能沿 DNA 向前移动 ，阻碍转录。

启动序列 编码序列操纵序列pol 阻遏蛋白

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二、原核生物中 mRNA 的转录、翻译和降解偶联进行

开始转录

继续转录，同时，核糖体结合mRNA进行翻译

RNA 5'端开始降解

转录终止，继续翻译和降解

RNA pol

开始转录

继续转录，同时，核糖体结合mRNA进行翻译

RNA 5'端开始降解

转录终止，继续翻译和降解

RNA pol

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三、 mRNA 所携带的信息差别很大细菌 mRNA 所编码的蛋白质数量有很大差异。

有的 mRNA 只带有一个结构基因的信息（编码一个蛋白质），称为单顺反子 mRNA（monocistronic mRNA ）；

大部分 mRNA 都是从操纵子转录而成，带有编码几个甚至十几个蛋白质的序列信息，这种 mRNA是从几个首尾相连的结构基因（存在于一个操纵子中）一次转录而成，称为多顺反子mRNA（ polycistronic mRNA ）。

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第二节

原核生物基因表达的转录水平调控

Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level

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一、转录调控是以特定的 DNA 序列和蛋白质结构为基础

（一）特定的 DNA 序列是转录起始调控的结构基础

在基因内和基因外都有一些特定的 DNA 序列，

与结构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合，这些特定的 DNA 序列称为顺式作用元件（ cis-acting elements ），亦称为顺式调控元件。在原核生物中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合位点、增强子等。

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B A

DNA

编码序列

转录起始点

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E.coli 的启动子区

－35 －10 +1 +20 +28

RNA 聚合酶结合区

阻遏蛋白结合区

－35 －10 +1 +20 +28

RNA 聚合酶结合区

阻遏蛋白结合区

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（二）调控蛋白具有结合 DNA 所需的结构特征

基因特异性转录因子（ gene specific transcription factors） : 能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质

激活蛋白或正调控蛋白 : 对基因表达有激活作用的 蛋白质

阻遏蛋白 : 对基因表达有抑制作用的蛋白质

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最常见的 DNA 结合域：

1. 锌指 (zinc finger)

C —— Cys

H —— His

常结合 GC 盒

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1

2

3

stand for zinc ion

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2. 螺旋 - 回折 - 螺旋（ helix-turn-helix, HTH ）

usually binds to CAAT box

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二、特定蛋白质与 DNA 结合后控制转录起始

（一） σ 因子和启动子决定转录是否能够起始

启动子及其与转录的关系

- TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG··············-ATCACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC··············

5'3'

-3'-5'

-35 -10 +1

transcription

AGGUCCACG···········

RNA 5'- -3'

- TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG··············-ATCACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC··············

5'3'

-3'-5'

-35 -10 +1

transcription

AGGUCCACG···········

RNA 5'- -3'

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（二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起始进行负调控

阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与DNA 结合后， RNA 聚合酶仍有可能与启动子结合，但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种作用称为阻遏（ repression ），特定的信号分子与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从 DNA 上脱落下来，称为去阻遏，或脱阻遏（ derepression ）。

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阻遏蛋白都可以与信号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与 DNA 结合，或者与DNA 解离。在可诱导型操纵子中，信号分子使阻遏物从 DNA 释放下来，解除对转录的抑制作用；在可阻遏型操纵子中，信号分子使阻遏物结合 DNA ，抑制转录。在两种情况下，阻遏蛋白结合于 DNA 后都是抑制转录，这种类型的基因表达调控称为负调控。

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1. 乳糖操纵子是可诱导型操纵子

调控区

CAP 结合位点

启动子操纵序列

结构基因

z ： β-半乳糖苷酶

y ： 通透酶

a ：乙酰基转移酶

z y aOPDNA

I 基因

•乳糖操纵子的结构

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阻遏基因

mRNA

阻遏蛋白

IDNA z y aOPpol

没有乳糖存在时

•乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭

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mRNA

阻遏蛋白

有乳糖存在时

IDNA z y aOPpol

启动转录 mRNA

乳糖半乳糖

β-半乳糖苷酶

•乳糖操纵子被诱导物开放

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2. 色氨酸操纵子是可阻遏操纵子

合成代谢操纵子由合成产物关闭

合成代谢操纵子在基础状态下持续开放，

在产物达到满足需要量时才关闭。

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分解和合成代谢的操纵子

操纵子 基础状态 调控方式

分解代谢 关闭 由诱导物开放

合成代谢 开放 由阻遏物关闭

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Trp

Trp 高时

Trp 低时mRNA

OPtrpR

调节区 结构基因

RNA 聚合酶

RNA 聚合酶

色氨酸操纵子的作用原理

操纵子关闭

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（三）激活蛋白结合正调控元件而对转录起始进行正调控

1 ．正调控蛋白可结合启动子邻近序列进行 调控

2．激活蛋白结合增强子可远距离进行转录 起始正调控

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ntrC 蛋白对转录的正调控作用

ntrC结合位点 启动子 转录起始位点

ntrC

P磷酸化 ntrC

RNA聚合酶

P

闭合起始复合物

P

开放起始复合物

PP

ntrC结合位点 启动子 转录起始位点

ntrC

PPP磷酸化 ntrC

RNA聚合酶

PP

闭合起始复合物

PP

开放起始复合物

PPPPPP

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三、原核基因表达的转录过程可通过 不同模式进行调控

（一）去阻遏和正调控机制对转录起始进行 双重调控

1．乳糖操纵子受阻遏蛋白（负性调节）和 CAP （正性调节）的协调调节

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乳糖操纵子由 cAMP-CAP 系统进行正调控

TTTACA TATGTTN17 N6 Alac

TTGACA TATAAT 共有序列

• 乳糖操纵子是弱启动子，被 RNA-pol 结合后，还需 cAMP-CAP （分解代谢物基因活化蛋白）活化

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+ + + + 转录

无葡萄糖， cAMP浓度高时

有葡萄糖， cAMP浓度低时

Z Y AOPDNA

CAPCAPCAP CAPCAPCAP

CAP

CAP 结合位点

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mRNA

低半乳糖时 高半乳糖时

葡萄糖低 cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低

RNA-pol

O O

O OＩ

Ｉ无转录

无转录 低水平转录

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2． AraC 的别构调节使阿拉伯糖操纵子调控更精细

阿拉伯糖操纵子的转录起始调控

RNA聚合酶

cAMP

CAP

arabinose

araO1araO2 araI

启动子 启动子CAP 结合位点C mRNA

BAD mRNA

(A) 阿拉伯糖操纵子的调控区

3. 有AraC和阿拉伯糖，无葡萄糖

1. 无AraC

AraC

2. 有AraC和葡萄糖，有或无阿拉伯糖

(B) 阿拉伯糖操纵子的调控

RNA聚合酶

cAMP

CAP

arabinose

araO1araO2 araI

启动子 启动子CAP 结合位点C mRNA

BAD mRNA

(A) 阿拉伯糖操纵子的调控区

3. 有AraC和阿拉伯糖，无葡萄糖

1. 无AraC

AraC

2. 有AraC和葡萄糖，有或无阿拉伯糖

(B) 阿拉伯糖操纵子的调控

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（二）色氨酸操纵子的弱化机制实质是 转录与翻译调控的偶联

色氨酸操纵子 (trp operon) 除了产物阻遏负调控外，还有转录衰减 (attenuation) 调控方式。

衰减是转录 - 翻译的偶联调控。

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Trp

Trp 高时

Trp 低时mRNA

OPtrpR

调节区 结构基因

RNA 聚合酶

RNA 聚合酶

色氨酸操纵子的作用原理

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UUUU……

UUUU……

调节区 结构基因 trpR OP

前导序列 衰减子区域

UUUU……前导 mRNA 1 2 3 4

衰减子结构 第 10、 11密码子为 trp密码子

终止密码子

14aa 前导肽编码区 :

包含序列1

形成发夹结构能力强弱： 序列 1/2> 序列 2/3> 序列 3/4

trp 密码子

UUUU……

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UUUU……3 4

UUUU 3’

34

核糖体

前导肽

前导 mRNA

•当色氨酸浓度高时

转录衰减机制

1 25’

trp 密码子

衰减子结构就是终止子可使转录

前导DNA

UUUU 3’ RNA 聚合酶

终止终止

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UUUU……3 42 4

2 3

UUUU……核糖体

前导肽

15’

trp 密码子

结构基因

前导 DNA

RNA 聚合酶

•当色氨酸浓度低时

Trp 合成酶系相关结构基因被转录

序列 3、 4 不能形成衰减子结构

前导 mRNA

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（三） DNA片段倒位和阻遏蛋白的协同作用沙门菌鞭毛素基因的调节

H2鞭毛素

阻遏蛋白

Hin 重组酶

转位片段

hin H2 I H1

H1鞭毛素

hin H2 I

DNA 启动序列

H1

启动序列

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原核生物基因表达的翻译水平调控

Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Translation Level

第三节

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一、 SD 序列决定翻译起始效率

（一） SD 序列的碱基序列影响翻译起始的效率

（二） SD 序列的定位影响翻译起始的效率

红霉素甲基化酶 mRNA 的翻译调控

5 3

红霉素甲基化酶mRNA1 2 3 4

SD SD

前导肽编码区

(A) 不存在红霉素

(B) 有红霉素

前导肽编码区终止密码

1 23 4

SD

无翻译

2前导肽

34

SD Eryr核糖体进行翻译

5 3

红霉素甲基化酶mRNA1 2 3 4

SD SD

前导肽编码区

(A) 不存在红霉素

(B) 有红霉素

前导肽编码区终止密码

1 23 4

SD

无翻译

2前导肽

34

SD Eryr核糖体进行翻译

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二、 mRNA 的稳定性是决定翻译产物量的重要因素

原 核 生 物 mRNA 分 子某些片段，例如发夹有RNase抗性。

细胞内有结合 RNA 、使之免受 RNase 降解的保护蛋白。

近年发现，内源或外源的小分子 RNA 可特异互补结合细胞 RNA ，使其失去功能。

• 与减少表达量一样，降低mRNA稳定性也是基因表达调控方式

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三、翻译产物可对翻译过程产生反馈 调节效应

核糖体蛋白控制多顺反子 mRNA 的翻译 翻译终止因子 RF-2 调节自身的翻译

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核糖体蛋白与 rRNA 合成是互相协调的

• 原 核 生 物 的 16S rRNA 与 21 种 核 糖 体 蛋 白(ribosomal proteins) ，简称 r- 蛋白，组成核糖体小亚基； 5S和 23S rRNA与 31种 r- 蛋白组成大亚基。大、小亚基在翻译起始组合为 70S 核糖体。

• 蛋白质合成是生存的最基本需要，细胞必然要严格控制 rRNA和 r- 蛋白的比例。

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核糖体蛋白基因与 RNA pol 亚基基因的多顺反子操纵子 基因簇 表达产物

rif (rpoBC) rpL-K-A-J-L-rpoB- rpoC L-11-1-10-12-RNApol-β-β’

rpoA rpsM-K-D-rpoA-rpL-Q S13-11-4-RNApol-O-L-17

spc rpL-N-X-E-rpsN-H-rpL-F-R-rpsE-rpL-D-O

L14-24-5-S14-8-L6-18-S-5-L-30-15

• r- 蛋白基因在各个操纵子上转录为多顺反子

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• 这类操纵子有转录 - 翻译偶联调控现象，称为自我调节（ autogenous control ）。

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四、小分子反义 RNA参与调节蛋白质合成

（一）小分子 RNA参与基因表达产物类型转 换的调控

（二）小分子 RNA参与维持极低水平的基因 表达

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大肠杆菌渗透压调节中 mic RNA 的调节作用

低渗

高渗

OmpR

ompF基因

启动子 ON

OmpF蛋白

3'mRNA5'

micF基因 ompC基因

启动子基因关闭 基因关闭

ON ONOFF

3'5'

micRNA

5'3'

5'3' 3'5'ompCmRNA

OmpC蛋白

变构的OmpR

OFF

低渗

高渗

OmpR

ompF基因

启动子 ON

OmpF蛋白

3'mRNA5'

micF基因 ompC基因

启动子基因关闭 基因关闭

ON ONOFF

3'5'

micRNA

5'3'

5'3' 3'5'ompCmRNA

OmpC蛋白

变构的OmpR

OFF

目 录

小分子 RNA 在翻译水平的调控作用

Tn10 转座酶 mRNA35

53阻遏蛋白 RNA

pOUT 起始转录3553

pIN +1

+1 pOUTpIN起始转录

53阻遏蛋白 RNA

Tn10 转座酶 mRNA35

Tn10 转座酶 mRNA35

53阻遏蛋白 RNA

pOUT 起始转录3553

pIN +1

+1 pOUTpIN起始转录

53阻遏蛋白 RNA

Tn10 转座酶 mRNA35

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第四节

Lambda 噬菌体的基因表达调控Regulation of gene expression in

Lambda phage

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一、 Lambda 噬菌体调控区段的表达产物与生活周期有关

λ 噬菌体的生活史

溶菌生长途径 (lysis pathway)

溶原菌生长途径 (lysogenic

pathway)

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•Lambda 噬菌体的溶原和裂解生活周期

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• Lambda 噬菌体的基因结构和调控区域

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二、 cI 基因表达的阻遏蛋白封闭大部分基因使 λ 进入溶原周期

λ 的转录按先后分即刻早期 (immediate early) ，晚早期 (delay early) 和晚期 (late) ，三期的表达依次连续相互制约 。

前两期转录是双向的。晚期转录单向，在环状基因组从 R 沿环到 A-J 结构区，和向左到达重组区的晚早期转录汇合，完成一个转录周期。表达产物供溶菌周期装配感染型噬菌体。

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•调控的主要关键在阻遏蛋白基因 cI

• cI 两侧启动子受宿主 RNA pol催化向左转录出 12S

RNA ，翻译为抗终止蛋白 N ；向右转录出 7SRNA ，翻译为 Cro 蛋白。

• Cro 蛋白有封闭阻遏蛋白基因的作用。• N 蛋白在 nut 位点帮助 RNA pol越过左、右终止点

tR和 tL ，进行晚早转录，并继续完成晚期转录。• 晚期转录之前，还受另一抗终止蛋白 Q 的活化。

—— 这些都是完成溶菌作用的必须条件

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• 首先是 cⅡ 的表达， CⅡ 开启 cI。 cI 表达的阻遏蛋白结合左、右操纵序列 OL和 OR 。

• E. coli的 RNA pol 结合 PR 后不能向右转录，无法完成晚早

和晚期表达，没有结构蛋白的生成。• PL 的启动活性比 PR 强，可使重组区表达，产物分别有附加

（ att ）、整合（ int ）和切割（ xis ）作用。•完成整合后， CIII 维持 cII 活性， CⅡ 开启 cI 。• cI 单独表达，产生的阻遏蛋白封闭启动子，进入溶原状态。

•溶原状态的建立：

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• Lambda 溶菌和溶原建立的调控

溶菌

溶原