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第九章 微生物基因表达调控

第九章 微生物基因表达调控. 主讲人：刘石泉. 9.1 概 述. 9.2 转录水平调控. 9.3 转录后调控. 主要 内容 ：. 9.1 概 述. 微生物新陈代谢过程中，酶是主要的基因产物； 微生物在代谢过程中，已经形成了两种主要的代谢调节方式，即酶活性的调节和酶量的调节。. 酶活性的调节：具体指一定数量的酶通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率，主要是生化水平的调节（第五章）。 酶量的调节包含： 1 、基因（酶的基因）被转录成多少 mRNA 的 转录水平 的调节。 2 、 转录后 mRNA 转译出多少蛋白（酶）的过程。. 基因表达调控.

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第九章 微生物基因表达调控

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  1. 第九章 微生物基因表达调控 主讲人：刘石泉

  2. 9.1 概 述 9.2 转录水平调控 9.3 转录后调控 主要内容：

  3. 9.1 概 述 • 微生物新陈代谢过程中，酶是主要的基因产物； • 微生物在代谢过程中，已经形成了两种主要的代谢调节方式，即酶活性的调节和酶量的调节。

  4. 酶活性的调节：具体指一定数量的酶通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率，主要是生化水平的调节（第五章）。酶活性的调节：具体指一定数量的酶通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率，主要是生化水平的调节（第五章）。 • 酶量的调节包含： • 1、基因（酶的基因）被转录成多少mRNA的转录水平的调节。 • 2、转录后mRNA转译出多少蛋白（酶）的过程。

  5. 基因表达调控 基因表达调控在两个水平上体现： (1)　转录水平上的调控(transcriptional regulation); (2)　转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation);

  6. 9.2 转录水平调控 • 操纵子：原核生物细胞中,功能相关的基因组成操纵子结构,由操纵区与一个或几个结构基因联合起来,形成一个结构上、功能上协同作用的整体,受统一调节基因和启动区的调控。 • 调节基因：可产生阻遏物或激活物蛋白调节操纵区，从而控制结构基因的功能。

  7. 一、DNA结合蛋白 • （1）非专一性结合蛋白:组蛋白与DNA结合，结果有时影响基因表达。 • （2）专一性结合蛋白: 有很多蛋白质可与DNA发生序列特异性相互作用，这些蛋白质分子的氨基酸侧链通过与DNA的碱基磷酸或戊糖分子发生作用； • 结合部位往往在DNA大沟中，每条多肽链与一条DNA链结合。 • 与DNA发生特异性相互作用的蛋白质一般是有两条相同的多肽链组成的二聚体。

  8. DNA结合蛋白的模体（motif） 　（1）螺旋－转角－螺旋（helix-turn-helix，HTH） HTH的一端是由氨基酸形成的α－螺旋，又称为识别螺旋；“转角”由3个氨基酸组成；第二个螺旋以疏水相互作用稳定第一个螺旋。 结合蛋白与DNA作用力：氢键、范德华力等非共价作用。 　　　 实例：大肠杆菌的Lac、Trp阻遏蛋白。

  9. （2）锌指（zinc finger）多见于真核 特点: Zn2+连结四个氨基酸（2个组氨酸，2个半胱氨酸） 　　　　　 形成α－helix（螺旋）形式的“指”，在大沟中与 DNA相互作用。 一般多个锌指串联排列， 但不一定每个都接触DNA，其氮端形成反向β折 叠，碳端形成α－helix，与DNA大沟特异性接触。

  10. （3）亮氨酸拉扣（leucine zipper） • 多肽链上每隔7个氨基酸有一个亮氨酸残基，这些残基形成了一种二聚体化基序。亮氨酸拉扣不与DNA相互作用，只是保持另外2 个α螺旋与DNA结合，稳定其空间构象。 • 三种蛋白的共同特点：以α螺旋作为与DNA识别（作用）的 　　　　　　　　　　 部位。

  11. 二、操纵子的转录调控 原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为负转录调控(negative transcription regulation)和正转录调控(Positive transcription regulation)。

  12. 负转录调控系统 • 在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor)－－阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。 • 负控诱导系统－－诱导物不存在时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录；诱导物存在时，阻遏蛋白与诱导物相结合，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。 • 负控阻遏系统－－当阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。

  13. 正转录调控系统 • 在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)，激活蛋白结合后， RNA聚合酶与DNA的启动子结合，转录才会进行。 • 在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行。 • 在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。

  14. 操纵子的转录调控实例 ㈠、乳糖操纵子-----负控诱导系统; ㈡、色氨酸操纵子----负控阻遏系统

  15. ㈠、乳糖操纵子 • 大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳源的酶只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。 • 大肠杆菌乳糖操纵子(lactose operon)包括3个结构基因:Z、Y和A。这三个结构基因被同一个转录单元lacZYA所编码，它有一个启动子Plac。

  16. 乳糖操纵子的这三个结构蛋白是作为一个多顺反子的mRNA一起表达的。乳糖操纵子的这三个结构蛋白是作为一个多顺反子的mRNA一起表达的。 • lacZYA转录单元含有一个操纵区Olac，它位于Plac启动子5’端的-5至+21之间。当阻遏蛋白结合到操纵区时，便成为转录的强抑制物。 • 阻遏蛋白被一个独立的调节基因lac I所编码，lac I也是乳糖操纵子的一部分; lac I位于Plac的上游。

  17. lacZ编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖。lacZ编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖。 lacY编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁。 lacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶。 乳糖操纵子的编码产物

  18. 阻遏蛋白 • 操纵序列存在反向重复对称，正好与由四个相同亚基组成的阻遏蛋白的内部对称相匹配。 • 当乳糖缺乏时，阻遏蛋白占据了操纵序列的结合位点， RNA聚合酶不能与启动子结合。乳糖阻抑物阻碍了几乎全部的lacZYA的转录而使之保持很低的转录水平。

  19. 将乳糖加入细胞中后，细胞本身所含的低量的透性酶使它能吸收乳糖，β-半乳糖苷酶则催化一些乳糖转化为异乳糖。将乳糖加入细胞中后，细胞本身所含的低量的透性酶使它能吸收乳糖，β-半乳糖苷酶则催化一些乳糖转化为异乳糖。 乳糖操纵子诱导表达的机理

  20. 异乳糖可以作为诱导物结合到阻遏蛋白上。从而引起阻遏蛋白四聚体构象的变化，从而降低其对乳糖操纵序列的亲和力，阻遏蛋白从操纵序列上脱离下来，聚合酶 迅速开始lacZYA基因的转录。 • 因此，加入乳糖或合成诱导物如异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)能非常迅速地刺激乳糖操纵子结构基因的转录。

  21. 基 因 关 闭 启动子 乳糖结构基因 调节基因 操纵基因 P O LacZ LacY LacA R mRNAY mRNAZ mRNAA mRNA 阻遏蛋白（无活性） 异乳糖 A、乳糖操纵子的结构 乳糖结构基因 调节基因 启动子 操纵区 LacZ LacY LacA P O R 乳糖操纵子的负调控 mRNA 阻遏蛋白（有活性） B、乳糖酶的诱导 基 因 表达 阻遏蛋白（有活性）

  22. 分解代谢物阻遏调控（葡萄糖效应） • cAMP即环式AMP，其在生物表达调控过程中起着重要作用。葡萄糖的降解代谢会抑制一些操纵子的转录。 • cAMP在细胞中的增加对这些操纵子的转录是有利的。 • 葡萄糖降解物能抑制细胞内cAMP产生。 • 这是因为ATP是cAMP的直接代谢前体，担任这种转化的酶是腺苷酸环化酶(adenylcyclase)，此酶受葡萄糖代谢降解物的直接抑制,从而造成cAMP不能产生。

  23. 分解代谢激活蛋白 • 分解代谢激活蛋白(CAP)是以以二聚体形式存在的。 • 葡萄糖存在时会降低细胞内cAMP的水平， CRP自身不能独立与DNA结合； • 当葡萄糖缺乏时，大肠杆菌细胞内cAMP水平上升，CRP结合到cAMP上。CRP-cAMP复合物可结合到紧邻RNA聚合酶结合位点上游的乳糖操纵子的启动子Plac上游。能使DNA双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子-RNA聚合酶结构，使转录效率提高50倍。

  24. 葡萄糖降解物与cAMP的关系 ATP 葡萄糖 降低cAMP浓度 腺苷酸环化酶 抑制 基 因 表达 mRNAY cAMP 分解代谢产物 mRNAZ mRNAA cAMP 磷酸二酯酶 5'-AMP 激活 CAP基因 CAP结合部位 结构基因 P O T LacY LacA R T LacZ RNA聚合酶 mRNA CAP cAMP - CAP 使CAP呈失活状态 CAP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein）

  25. lac 操纵子小结 • 通常情况（葡萄糖供应正常）阻遏蛋白与操纵序列结合，基因不转录。 • 细胞外的乳糖通过透性酶吸收到细胞内；细胞内的β-半乳糖苷酶将乳糖转变为异乳糖。异乳糖结合到阻遏蛋白上使之从操纵序列上脱离，聚合酶迅速开始lacZYA基因的转录。这就是负控诱导。 • 此外，体系还存在分解代谢物阻遏调控：细菌生长系统中若缺少葡萄糖，使cAMP含量增加，才有足够量的cAMP与分解物结合蛋白（CRP）结合形成CRP-cAMP复合物结合于Plac上游。使DNA双螺旋发生构象变化，转录才可以有效地进行。

  26. ㈡、色氨酸操纵子 • 色氨酸操纵子包括色氨酸合成途经中相关的5个结构基因，编码一个转录单元，即从色氨酸启动子Ptrp、操纵基因位点Otrp和向下游转录出7kb的转录物。

  27. 色氨酸阻抑物 • 色氨酸操纵子中产生阻遏蛋白的基因是trpR，阻遏蛋白是含有两个亚基的二聚体, 可与色氨酸操纵子的操纵区特异性相互作用。 • 操纵区的部分对称序列与色氨酸启动子在-21和+3碱基之间重叠。中心结合区是18个碱基的回文结构。 • 只有当色氨酸结合到阻遏蛋白上时，阻遏蛋白才处于正确的构象，与色氨酸操纵区相互作用 ，将转录的起始减少了大约70倍。

  28. 辅阻遏物（合成产物） 当合成产物积累时，阻遏蛋白被 合成产物激活而与操纵基因结合 阻遏蛋白 当合成产物减少时，合成产物 脱离阻遏蛋白而使阻遏蛋白失 活。转录酶使结构基因转录， 蛋白质酶合成使合成代谢开始 色氨酸操纵子： 色氨酸积累时色氨酸合成减弱 色氨酸缺乏时色氨酸合成加强 色氨酸＝合成产物＝辅阻遏物

  29. 弱化子 • 如果在操纵基因和trpE基因编码序列之间的一段序列缺失，会导致基本转录水平和活化 (解阻抑)--转录水平的上升。该段序列称为弱化子，它位于trpE起始密码子前面162bp的转录前导序列的123～150位。 • 弱化子是一个不依赖ρ因子的终止子区域，在一小段富含GC的回文结构之后是8个连续的U残基。如果这段序列能在RNA转录物中形成发夹结构，就可以作为一个高效的转录终止子，因而只有140bp的转录物被合成。

  30. 前导RNA结构 • 色氨酸操纵子RNA的前导序列含有4个序列互补区，能形成不同的碱基配对的RNA结构。它们被称为序列1、2、3和4。 • 弱化子发夹结构是序列3和4配对的产物 (3:4结构)。 • 序列1和2也是互补的，能形成另一个发夹结构1:2。然而序列2还和序列3互补。 • 如果序列2和3形成2:3发夹结构，3:4弱化子发夹结构就不能形成，转录就不会终止。在正常情况下，1:2和3:4发夹结构的形成在能量上是有利的。

  31. 弱化作用 • 大肠杆菌中，翻译在mRNA边转录时边进行。色氨酸前导肽编码序列的3‘端与互补序列1重叠，两个色氨酸密码子都在序列1内，终止密码子在序列1和2之间。 • 由于色氨酸 (色氨酸操纵子的最终产物)是翻译过程中所必需的，因此细胞对它的含量很敏感，它决定了在mRNA中终止子(3:4)发夹结构是否形成。

  32. 在色氨酸操纵子转录进行的过程中，RNA聚合酶在序列2的末端停滞直到核糖体开始翻译前导肽（即当前导肽开始翻译时，RNA聚合酶才又继续沿DNA模板链前进合成RNA）。在色氨酸操纵子转录进行的过程中，RNA聚合酶在序列2的末端停滞直到核糖体开始翻译前导肽（即当前导肽开始翻译时，RNA聚合酶才又继续沿DNA模板链前进合成RNA）。 • 在色氨酸含量很高的情况下，核糖体迅速在两个色氨酸密码子处插入色氨酸，这样翻译可直达前肽导末端。核糖体封闭了序列2，当RNA聚合酶把3区和4区转录出来时，3:4发夹得以形成，当RNA聚合酶到达终止序列时，由于3:4发夹使转录可能被终止。这一过程被称为弱化作用。

  33. 图9－20 弱化作用模型

  34. 如果色氨酸缺乏时，翻译过程中将缺少其氨酰－tRNA，核糖体将在两个色氨酸密码子上滞留，封闭了序列1。这使得序列2能自由地与序列3形成发夹结构（即抗终止子）。终止子 (3:4)发夹结构不能形成，转录继续到trpE及其下游。 • 因此终产物色氨酸含量的高低决定了转录是提早终止 (弱化)，还是继续转录完整个操纵子。

  35. 弱化的重要性 • 依靠弱化作用，色氨酸的存在就使色氨酸操纵子的转录被抑制了10倍。与色氨酸阻抑物的作用 (70倍)合在一起，这就意味着色氨酸水平对色氨酸操纵子的表达施加了700倍的调节效果。 • 在六种与氨基酸的生物合成相关的操纵子中有弱化作用。例如his操纵子含有编码一个有连续7个组氨酸密码子的多肽的前导序列。

  36. 三 细菌应急反应 • 当细菌发现它们自己生长在饥饿的条件下，缺乏维持蛋白质合成的氨基酸时，它们将大部分活性区域都关闭掉。此就称为严紧反应(strigent response)，这是它们抵御不良条件，保存自己的一种机制。 • 严紧反应导致两种特殊核苷酸积聚：(1)ppGpp—四磷酸鸟苷（在G的5'和3'位点各附着两个磷酸）;(2) pppGpp—五磷酸鸟苷（鸟苷5'一三磷酸-3'二磷酸）。 • 人们最初发现细菌在氨基酸饥饿时，出现两种特殊的核苷酸，其电泳的迁移率和一般的核酸不同，感到很奇怪，就称之为“魔斑Ⅰ”和“魔斑Ⅱ”，后来发现魔斑Ⅰ便是ppGpp，魔斑Ⅱ是pppGpp。

  37. ppGpp有什么作用呢？它是一系列反应的效应物，包括抑制转录。ppGpp有什么作用呢？它是一系列反应的效应物，包括抑制转录。 （1）rRNA操纵子的启动子其转录起始被严紧反应特异抑制了。严紧调节的启动子发生突变能消除严紧控制，表明此效应需要和特异启动子顺序相互作用； （2）很多或大部分模板的转录延伸阶段被ppGpp缩短了，此是RNA聚合酶停顿的增加而引起的。此效应反应了在细胞内加入ppGpp时转录效率普遍下降。

  38. 四、通过σ因子更换的调控 • 枯草芽孢杆菌芽孢形成过程中，通过有序σ因子替换，使芽孢形成的基因有序表达。 • 热激应答反应：存在每一种生物中。HSP70热激蛋白感受温度变化后，调节热激应答系统的调节蛋白基因rPOH表达，产物是σ32，其参与构成的RNA聚合酶识别热激应答基因的启动子。

  39. 五、信号传导和二组分调节系统 前面讨论的是小分子效应物与调节蛋白作用，而有时外部信号不直接传给调节蛋白。通过传感器检测信号，然后以变化形式传到调节部位，此为信号传导。最简单是二组分系统。 由：CM传感蛋白或传感激酶 （细胞质膜上） CP的应答调节蛋白 （细胞质）

  40. 图9－26 缺氧激活ArcB蛋白，磷酸化为ArcA，作为阻遏蛋白 作用THT模式蛋白，作用DNA分子，对操纵子调节

  41. 二组分系统在许多细菌调节大量基因，如：大肠杆菌氮吸收；根瘤菌氮固定；芽孢菌芽孢形成。 趋化性（chemotaxis）：也是二组分调控系统调控。 其机理：接受甲基趋化性蛋白（MCPs）是受体蛋白，传感激酶是CheA。

  42. 六 λ溶原与裂解途径的转录调控 A～Z头部基因 N：早期调节因子 CⅢ:CⅡ稳定因子 CⅠ：阻遏蛋白 图9－29 λ基因组

  43. 主要是Cro和CⅠ两种调节蛋白。 Cro蛋白对cro和cⅠ基因负控制 CⅠ蛋白对cro转录负控制，对自身既有正控制又有负控制。 溶原途径：只有c Ⅰ基因表达， CⅠ蛋白先与OROL 结合，阻止PLPR启动。占据OR，抑制cro,不利裂解 图9-30控制区

  44. 当溶原菌受uv或其他因素诱导，RecA蛋白激活 切CⅠ蛋白，从DNA脱落，使RNA聚合酶与cro 结合表达，头尾基因表达，进入裂解途径。

  45. 9.3 转录后调控 • 基因表达的转录调控是生物最经济的调控方式――用不着某种蛋白质，其mRNA由于用不着就不必转录。 • 转录生成mRNA以后，再在翻译或翻译后水平进行"微调"，是对转录调控的补充，它使基因表达的调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化。

  46. 1 翻译起始的调控 • 遗传信息翻译成多肽链起始于而mRNA上的核糖体结合位点(RBS)。所谓RBS，是指起始密码子AUG上游的一段非翻译区。 • 在RBS中有SD(Shine-Dalg-arno)序列，长度一般为5个核苷酸，富含 G、A，该序列与核糖体16SrRNA的3‘端互补配对，促使核糖体结合到mRNA上，有利于翻译的起始。 • RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码AUG之间的距离。SD与AUG之间相距一般以4-10个核苷酸为佳，9个核苷酸最佳。

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