第九章：原核生物基因表达调控课件

第九章第九章 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控v基因表达调控就是对基因产物的合成进行控制的机制基因表达调控就是对基因产物的合成进行控制的机制.一个细胞可能仅含有一个细胞可能仅含有2020个拷贝乳糖操纵子阻遏蛋白，但个拷贝乳糖操纵子阻遏蛋白，但是它可能会需要超过是它可能会需要超过100 000100 000个拷贝的个拷贝的EF-TuEF-Tu参与蛋白质参与蛋白质的合成。的合成。在另外一些情况下，单细胞有机体调控基因表达是为了在另外一些情况下，单细胞有机体调控基因表达是为了应答环境条件（例如，温度，渗透压或者是否存在某种应答环境条件（例如，温度，渗透压或者是否存在某种营养物质）的改变或者细胞内部的生理状况（例如为细营养物质）的改变或者细胞内部的生理状况（例如为细胞分裂做准备）的变化。与细胞适应过程有关的酶或者胞分裂做准备）的变化。与细胞适应过程有关的酶或者蛋白质通常是不存在的，只有在需要的时候才被合成。蛋白质通常是不存在的，只有在需要的时候才被合成。v管家基因与奢侈基因管家基因与奢侈基因第九章 原核生物基因表达的调控基因表达调控就是对基因产物的合1v基因表达基因表达表达是一个多步骤的过程，表达的产物是具有一定表达是一个多步骤的过程，表达的产物是具有一定功能的蛋白质。基因表达的每一环节以及表达产物的稳定性均功能的蛋白质。基因表达的每一环节以及表达产物的稳定性均可作为调控的位点，包括：可作为调控的位点，包括：基因被转录成初级转录产物基因被转录成初级转录产物 初级转录产物被加工成成熟的初级转录产物被加工成成熟的mRNAmRNA的稳定性的稳定性mRNA的翻译的翻译多肽链的加工和组装多肽链的加工和组装酶或者蛋白质活性控制酶或者蛋白质活性控制蛋白质的降解蛋白质的降解基因表达表达是一个多步骤的过程，表达的产物是具有一定功能的蛋29.1 9.1 转录水平的调控转录水平的调控正调控与负调控模式比较正调控与负调控模式比较 9.1 转录水平的调控正调控与负调控模式比较 3 单顺反子与多顺反子单顺反子与多顺反子mRNA 单顺反子与多顺反子mRNA49.1.1 9.1.1 转录起始调控转录起始调控一、乳糖操纵子一、乳糖操纵子结构结构9.1.1.1 9.1.1.1 操纵子操纵子9.1.1 转录起始调控一、乳糖操纵子结构9.1.1.1 5lacAlacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，该酶的作用是消除同编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，该酶的作用是消除同时被乳糖转移酶转运到细胞内的硫代半乳糖苷对细胞造成时被乳糖转移酶转运到细胞内的硫代半乳糖苷对细胞造成的毒性。的毒性。lacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，该酶的作用是消除同时被乳6乳糖操纵子的阻遏与诱导乳糖操纵子的阻遏与诱导 乳糖操纵子通常是关闭的。乳糖操纵子通常是关闭的。lacIlacI编码的阻遏蛋白以四聚体的编码的阻遏蛋白以四聚体的形式与操纵基因结合，关闭三个结构基因的表达。形式与操纵基因结合，关闭三个结构基因的表达。乳糖操纵子的阻遏与诱导 乳糖操纵子通常是关闭的。lacI编码7由于阻遏蛋白偶尔会脱离操纵子基因，所以操纵子的转录并非由于阻遏蛋白偶尔会脱离操纵子基因，所以操纵子的转录并非完全关闭，仍会有本底水平的表达，细胞内会有几个分子的完全关闭，仍会有本底水平的表达，细胞内会有几个分子的半乳糖苷酶和透性酶。半乳糖苷酶和透性酶。由于阻遏蛋白偶尔会脱离操纵子基因，所以操纵子的转录并非完全关8第九章：原核生物基因表达调控课件9可诱导型操纵子使细菌能很好地适应环境的变化，有效地利用可诱导型操纵子使细菌能很好地适应环境的变化，有效地利用环境提供的底物。例如，当培养基中加有乳糖时，操纵子被诱环境提供的底物。例如，当培养基中加有乳糖时，操纵子被诱导开放，合成分解乳糖所需要的酶。当乳糖被消耗完后，细胞导开放，合成分解乳糖所需要的酶。当乳糖被消耗完后，细胞不再需要分解乳糖的酶，操纵子重新关闭。不再需要分解乳糖的酶，操纵子重新关闭。可诱导型操纵子使细菌能很好地适应环境的变化，有效地利用环境提10在研究工作中很少使用乳糖作为诱导剂，因为培养基中的乳糖在研究工作中很少使用乳糖作为诱导剂，因为培养基中的乳糖会被诱导合成的会被诱导合成的半乳糖苷酶催化降解，其浓度不断发生变半乳糖苷酶催化降解，其浓度不断发生变化。实验室里常使用人工合成的诱导物异丙基化。实验室里常使用人工合成的诱导物异丙基-D-D-硫代半硫代半乳糖苷（乳糖苷（IPTGIPTG），由于），由于IPTGIPTG不是不是半乳糖苷酶的底物，不被半乳糖苷酶的底物，不被降解，所以又称作安慰诱导物。降解，所以又称作安慰诱导物。在研究工作中很少使用乳糖作为诱导剂，因为培养基中的乳糖会被诱11葡萄糖对葡萄糖对laclac操纵子表达的影响操纵子表达的影响葡萄糖是细菌优先利用的糖类。当葡萄糖和其他糖类（比如乳葡萄糖是细菌优先利用的糖类。当葡萄糖和其他糖类（比如乳糖）同时存在时，细菌只利用葡萄糖而不代谢别的糖类，这种糖）同时存在时，细菌只利用葡萄糖而不代谢别的糖类，这种现象称为分解代谢物阻遏（现象称为分解代谢物阻遏（catabolite repressioncatabolite repression）。因此，）。因此，乳糖操纵子只有在乳糖存在，同时葡萄糖缺乏时才会高水平表乳糖操纵子只有在乳糖存在，同时葡萄糖缺乏时才会高水平表达。原因是乳糖操纵子除了受阻遏蛋白的调节，还要受到分解达。原因是乳糖操纵子除了受阻遏蛋白的调节，还要受到分解代谢活化子蛋白（代谢活化子蛋白（catabolic activator proteincatabolic activator protein，CAPCAP）的调）的调节。节。葡萄糖对lac操纵子表达的影响葡萄糖是细菌优先利用的糖类。当12CAPCAP能够与能够与cAMPcAMP结合形成一个二聚体，所以结合形成一个二聚体，所以CAPCAP又称为又称为cAMPcAMP受体受体蛋白（蛋白（cAMP receptor proteincAMP receptor protein，CRPCRP）。）。cAMP-CRPcAMP-CRP二聚体能够二聚体能够结合到启动子的上游识别位点上，通过募集结合到启动子的上游识别位点上，通过募集RNARNA聚合酶激活乳糖聚合酶激活乳糖操纵子的转录。操纵子的转录。P Placlac不是强启动子，它没有典型的不是强启动子，它没有典型的3535序列。为序列。为了实现高水平的转录，了实现高水平的转录，laclac操纵子需要操纵子需要cAMP-CRPcAMP-CRP复合物的激活作复合物的激活作用。激活蛋白通常结合在启动子的上游协助用。激活蛋白通常结合在启动子的上游协助RNARNA聚合酶与启动子聚合酶与启动子结合。与之相反，阻遏蛋白结合在启动子的下游，阻止结合。与之相反，阻遏蛋白结合在启动子的下游，阻止RNARNA聚合聚合酶与启动子结合，或者阻止酶与启动子结合，或者阻止RNARNA聚合酶向前移动，转录基因。聚合酶向前移动，转录基因。CAP能够与cAMP结合形成一个二聚体，所以CAP又称为cA13第九章：原核生物基因表达调控课件14第九章：原核生物基因表达调控课件15第九章：原核生物基因表达调控课件16第九章：原核生物基因表达调控课件17乳糖操纵子的四种调控形式乳糖操纵子的四种调控形式 乳糖操纵子的四种调控形式 18二、阿拉伯糖操纵子二、阿拉伯糖操纵子 大肠杆菌阿拉伯糖操纵子的编码产物与阿拉伯糖的利用有关。大肠杆菌阿拉伯糖操纵子的编码产物与阿拉伯糖的利用有关。与乳糖操纵子一样，阿拉伯糖操纵子也属于可诱导型，操纵子与乳糖操纵子一样，阿拉伯糖操纵子也属于可诱导型，操纵子通常情况下是关闭的，只有当环境中存在阿拉伯糖时，操纵子通常情况下是关闭的，只有当环境中存在阿拉伯糖时，操纵子才开放，合成相应的酶参与阿拉伯糖分解代谢。才开放，合成相应的酶参与阿拉伯糖分解代谢。二、阿拉伯糖操纵子 大肠杆菌阿拉伯糖操纵子的编码产物与阿拉伯19第九章：原核生物基因表达调控课件20v当没有阿拉伯糖存在时，不需要当没有阿拉伯糖存在时，不需要araBAD表达，表达，AraC作为作为负调控蛋白，以二聚体的形式同时与负调控蛋白，以二聚体的形式同时与araO2和和araI1结合，导结合，导致致DNA环化，阻止环化，阻止araBAD的表达。的表达。v当有阿拉伯糖存在时，阿拉伯糖与当有阿拉伯糖存在时，阿拉伯糖与AraC结合，导致其构象结合，导致其构象发生变化，二聚体优先与发生变化，二聚体优先与araI1和和araI2结合，这个时候如果没结合，这个时候如果没有葡萄糖存在，有葡萄糖存在，AraC和和cAMP-CRP共同促进共同促进RNA聚合酶与聚合酶与PBAD结合，起始转录。结合，起始转录。当没有阿拉伯糖存在时，不需要araBAD表达，AraC作为负21v由于由于AraC对转录有激活作用，所以删除对转录有激活作用，所以删除araC后，阿拉伯糖后，阿拉伯糖操纵子一直处于关闭状态，即便有阿拉伯糖的存在，也是如操纵子一直处于关闭状态，即便有阿拉伯糖的存在，也是如此。此。vAraC也可以进行自然调控，当细胞内也可以进行自然调控，当细胞内AraC的水平升高时，的水平升高时，AraC与与araO1结合，抑制自结合，抑制自araPc开始的转录。开始的转录。由于AraC对转录有激活作用，所以删除araC后，阿拉伯糖操22三、半乳糖操纵子三、半乳糖操纵子 gal操纵子有三个结构基因操纵子有三个结构基因-galE，galT和和galK，它们编码的酶，它们编码的酶参与半乳糖代谢，这三个基因被转录成一条多顺反子参与半乳糖代谢，这三个基因被转录成一条多顺反子mRNAmRNA。这三个结构基因分别编码半乳糖表异构酶、半乳糖转移酶和这三个结构基因分别编码半乳糖表异构酶、半乳糖转移酶和半乳糖激酶半乳糖激酶 。三、半乳糖操纵子 gal操纵子有三个结构基因-galE，g23半乳糖半乳糖+ATP +ATP 半乳糖半乳糖1-1-磷酸磷酸+ADP+H+ADP+H+半乳糖半乳糖1-1-磷酸磷酸+UDPGlu UDPGal+UDPGlu UDPGal+葡萄糖葡萄糖1-1-磷酸磷酸UDPGal UDPGluUDPGal UDPGlu以上三个反应式的总反应是：以上三个反应式的总反应是：半乳糖半乳糖+ATP +ATP 葡萄糖葡萄糖1-1-磷酸磷酸+ADP+H+ADP+H+半乳糖激酶半乳糖激酶半乳糖转移酶半乳糖转移酶半乳糖表异构酶半乳糖表异构酶半乳糖+ATP 半乳糖1-磷酸+24第九章：原核生物基因表达调控课件25v无葡萄糖，有半乳糖时，促进从无葡萄糖，有半乳糖时，促进从P1起始的转录，合成代谢起始的转录，合成代谢半乳糖的酶，为细胞的生长提供碳源和能源。但是，抑制从半乳糖的酶，为细胞的生长提供碳源和能源。但是，抑制从P2起始的转录起始的转录。v有葡萄糖时，从有葡萄糖时，从P2起始转录低水平转录，合成的半乳糖表起始转录低水平转录，合成的半乳糖表异构酶将异构酶将UDPGlu 转换成转换成UDPGal，为细胞壁的合成提供材，为细胞壁的合成提供材料料。v两个阻遏蛋白分子分别结合于两个阻遏蛋白分子分别结合于OE和和OI，它们之间的相互作，它们之间的相互作用导致它们之间的用导致它们之间的DNA弯曲成环，启动子就位于该弯曲成环，启动子就位于该DNA环上。环上。DNA的环化阻止了的环化阻止了RNA聚合酶起始转录。聚合酶起始转录。v如果阻遏蛋白只与如果阻遏蛋白只与OE结合，则会促进由结合，则会促进由P2的转录。的转录。无葡萄糖，有半乳糖时，促进从P1起始的转录，合成代谢半乳糖的26第九章：原核生物基因表达调控课件27四、色氨酸操纵子四、色氨酸操纵子 在一些操纵子中，阻遏蛋白自身并不能与操纵基因结合，它们在一些操纵子中，阻遏蛋白自身并不能与操纵基因结合，它们需要首先与称作辅阻遏物需要首先与称作辅阻遏物(corepressor)(corepressor)的小分子物质结合后才的小分子物质结合后才能与操纵基因结合，关闭结构基因的转录。这种类型的操纵子能与操纵基因结合，关闭结构基因的转录。这种类型的操纵子为可阻遏型，它们平时处于开启状态，由于合成产物的积累而为可阻遏型，它们平时处于开启状态，由于合成产物的积累而将其关闭。在大肠杆菌中，参与很多将其关闭。在大肠杆菌中，参与很多氨基酸和维生素氨基酸和维生素合成的酶合成的酶的表达就是以这种方式受到调控的。色氨酸操纵子属于可阻遏的表达就是以这种方式受到调控的。色氨酸操纵子属于可阻遏型，作为辅阻遏物的是色氨酸。型，作为辅阻遏物的是色氨酸。四、色氨酸操纵子 在一些操纵子中，阻遏蛋白自身并不能与操纵基28第九章：原核生物基因表达调控课件29第九章：原核生物基因表达调控课件30第九章：原核生物基因表达调控课件31五、全局调控五、全局调控受一种调节蛋白调控的一组基因或操纵子称为调节子（受一种调节蛋白调控的一组基因或操纵子称为调节子（regulonregulon），），这些基因或操纵子可以位于一条染色体的不同位置上。这些基因或操纵子可以位于一条染色体的不同位置上。乳糖操纵子乳糖操纵子五、全局调控受一种调节蛋白调控的一组基因或操纵子称为调节子（32阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子33半乳糖操纵子半乳糖操纵子半乳糖操纵子349.1.1.2 9.1.1.2 不同不同因子对转录的调控因子对转录的调控一、热激蛋白的表达一、热激蛋白的表达v大肠杆菌的最适生长温度是大肠杆菌的最适生长温度是37。当温度上升至。当温度上升至46时，时，大肠杆菌几乎停止生长。在大肠杆菌几乎停止生长。在46下细胞合成的蛋白质大约下细胞合成的蛋白质大约30为一组相当保守的热激蛋白（为一组相当保守的热激蛋白（heat shock protein,HSP）。）。很多热激蛋白是分子伴侣（很多热激蛋白是分子伴侣（molecular chaperones）和蛋白）和蛋白酶。分子伴侣的作用是介导蛋白质正确折叠；蛋白酶的作用酶。分子伴侣的作用是介导蛋白质正确折叠；蛋白酶的作用则是降解受到热损伤而又不能修复的蛋白质。则是降解受到热损伤而又不能修复的蛋白质。9.1.1.2 不同因子对转录的调控一、热激蛋白的表达大35v热激蛋白的表达调控主要发生在转录水平上。热激蛋白基热激蛋白的表达调控主要发生在转录水平上。热激蛋白基因的启动子被因的启动子被32而不是通常的而不是通常的70识别。识别。32也不能识别也不能识别70启启动子，因为这两种动子，因为这两种因子识别的启动子序列不一样因子识别的启动子序列不一样热激蛋白的表达调控主要发生在转录水平上。热激蛋白基因的启动子36vHSP的诱导合成是由于细胞内的的诱导合成是由于细胞内的32水平瞬间升高引起的。水平瞬间升高引起的。在热激条件下，在热激条件下，32的合成会增加，热激诱导的合成会增加，热激诱导32合成发合成发生在翻译水平。生在翻译水平。另一方面，在热激条件下另一方面，在热激条件下32的稳定性也增加了。的稳定性也增加了。HSP的诱导合成是由于细胞内的32水平瞬间升高引起的。37第九章：原核生物基因表达调控课件38第九章：原核生物基因表达调控课件39二、枯草杆菌的孢子形成过程中的级联调控二、枯草杆菌的孢子形成过程中的级联调控芽孢的形成与释放芽孢的形成与释放 二、枯草杆菌的孢子形成过程中的级联调控芽孢的形成与释放 40芽孢形成过程中的芽孢形成过程中的因子激活级联因子激活级联F激活激活早期芽孢早期芽孢形成基因形成基因的转录的转录E激活激活母细胞前母细胞前期分化基期分化基因的转录因的转录芽孢形成过程中的因子激活级联F激活早期芽孢形成基因的转录41G激活激活晚期芽孢晚期芽孢形成基因形成基因的转录的转录K激活母激活母细胞后期细胞后期分化基因分化基因的转录的转录级联保证了芽孢形成过程中各个步骤按正确的顺序发生。在级联保证了芽孢形成过程中各个步骤按正确的顺序发生。在级联中每一级联中每一因子控制着芽孢形成的一个阶段，并且控制着因子控制着芽孢形成的一个阶段，并且控制着在下一阶段发挥作用的在下一阶段发挥作用的因子合成。并且在母细胞和芽孢之间因子合成。并且在母细胞和芽孢之间存在着信息交换，使前芽孢和母细胞中的基因表达相互协调。存在着信息交换，使前芽孢和母细胞中的基因表达相互协调。G激活晚期芽孢形成基因的转录K激活母细胞后期分化基因的转42抗抗因子与抗抗因子与抗抗因子因子抗因子与抗抗因子439.1.1.3 9.1.1.3 双组分调节系统双组分调节系统双双组组分分调调节节系系统统的的组组成成感应激酶感应激酶应答调节子应答调节子9.1.1.3 双组分调节系统双组分调节系统的组成感应激酶应44PhoR和和PhoB构成的双组分调节系统构成的双组分调节系统周质结构域、胞质结构域PhoR和PhoB构成的双组分调节系统周质结构域、45 天冬氨酸残基天冬氨酸残基 天冬氨酸残基469.1.2 9.1.2 转录终止阶段的调控转录终止阶段的调控9.1.2.1 9.1.2.1 弱化子弱化子研究表明色氨酸操纵子两种机制的调控。如果研究表明色氨酸操纵子两种机制的调控。如果trptrp操纵子只受操纵子只受trpRtrpR编码的阻遏物调控，那么在缺乏或存在色氨酸时，编码的阻遏物调控，那么在缺乏或存在色氨酸时，trpRtrpR突突变使变使trptrp操纵子表达的酶量应该是相同的。可是，在操纵子表达的酶量应该是相同的。可是，在trpRtrpR缺失缺失突变体中，培养基中缺乏色氨酸比有色氨酸存在时操纵子的表突变体中，培养基中缺乏色氨酸比有色氨酸存在时操纵子的表达水平更高，说明色氨酸操纵子除受阻遏物调控外，还受另一达水平更高，说明色氨酸操纵子除受阻遏物调控外，还受另一机制的调控。机制的调控。9.1.2 转录终止阶段的调控9.1.2.1 弱化子研究表明47当阻遏物对当阻遏物对trptrp操纵子的阻遏作用被解除，但细胞内仍有一定操纵子的阻遏作用被解除，但细胞内仍有一定浓度的色氨酸时，第二种调控机制使浓度的色氨酸时，第二种调控机制使trptrp操纵子的转录在抵达操纵子的转录在抵达trpEtrpE之前被提前终止，这种现象称为弱化作用之前被提前终止，这种现象称为弱化作用（attenuationattenuation），），DNADNA中导致中导致mRNAmRNA合成提前终止的一段序列合成提前终止的一段序列称为弱化子（称为弱化子（attenuatorattenuator）。弱化作用产生的关键在于）。弱化作用产生的关键在于trptrp mRNAmRNA的前导区。的前导区。当阻遏物对trp操纵子的阻遏作用被解除，但细胞内仍有一定浓度48前导前导RNA的结构的结构含有一个阅读框 含有4个分别以1、2、3和4表示的序列，它们之间能够以两种不同的方式进行碱基配对 前导RNA的结构含有一个阅读框49第九章：原核生物基因表达调控课件50弱弱 化化 作作 用用弱 化 作 用51第九章：原核生物基因表达调控课件52第九章：原核生物基因表达调控课件53实验证据实验证据转录弱化理论得到了大量实验证据的支持：（转录弱化理论得到了大量实验证据的支持：（1 1）影响区段）影响区段3 3和区段和区段4 4二级结构稳定性的突变以及改变区段二级结构稳定性的突变以及改变区段4 4后面一串后面一串U U的突的突变都会降低弱化子的终止作用，增加变都会降低弱化子的终止作用，增加trptrp操纵子的表达，这与操纵子的表达，这与终止子的突变效应是一样的；（终止子的突变效应是一样的；（2 2）相反，影响影响区段）相反，影响影响区段2 2和和3 3配对的突变，则增加弱化子的弱化作用；（配对的突变，则增加弱化子的弱化作用；（3 3）如果前导肽的）如果前导肽的起始密码子发生错义突变，前导肽的翻译就不能起始，有利起始密码子发生错义突变，前导肽的翻译就不能起始，有利于前导于前导RNARNA形成形成1 12 2、3 34 4二级结构，则转录必定在弱化子处二级结构，则转录必定在弱化子处终止。终止。实验证据转录弱化理论得到了大量实验证据的支持：（1）影响区段54第九章：原核生物基因表达调控课件559.1.2.2 9.1.2.2 抗终止作用抗终止作用抗终止蛋白阻抗终止蛋白阻止转录的终止止转录的终止作用，因此作用，因此RNARNA聚合酶能聚合酶能够越过终止子够越过终止子继续转录继续转录DNADNA。9.1.2.2 抗终止作用抗终止蛋白阻止转录的终止作用，因此56噬菌体裂解周期中的级联调控依赖于抗终止作用噬菌体裂解周期中的级联调控依赖于抗终止作用 噬菌体裂解周期中的级联调控依赖于抗终止作用 57第九章：原核生物基因表达调控课件58第九章：原核生物基因表达调控课件59第九章：原核生物基因表达调控课件60第九章：原核生物基因表达调控课件61第九章：原核生物基因表达调控课件62第九章：原核生物基因表达调控课件63第九章：原核生物基因表达调控课件649.2 9.2 翻译水平的调控翻译水平的调控9.2.1 9.2.1 反义反义RNARNA反义反义RNARNA是与是与mRNAmRNA互补的互补的RNARNA分子，可被用于基因表达调控。分子，可被用于基因表达调控。反义反义RNARNA通常由独立的基因编码，合成后与通常由独立的基因编码，合成后与mRNAmRNA的互补区退火，的互补区退火，阻止阻止mRNAmRNA与核糖体结合，因而阻断了与核糖体结合，因而阻断了mRNAmRNA的翻译。的翻译。9.2 翻译水平的调控9.2.1 反义RNA反义RNA是与65反义反义RNA调控细菌铁蛋白合成的机制调控细菌铁蛋白合成的机制Fur能够感应细胞能够感应细胞内铁的水平。当内铁的水平。当细胞内有充足的细胞内有充足的铁时，铁时，Fur关闭反关闭反义义bfr基因，细胞基因，细胞产生细菌铁蛋白。产生细菌铁蛋白。在低铁条件下，在低铁条件下，反义反义bfr基因被转基因被转录，产生反义录，产生反义RNA，阻止细菌，阻止细菌铁蛋白的合成。铁蛋白的合成。Fur:ferric uptake regulator反义RNA调控细菌铁蛋白合成的机制Fur能够感应细胞内铁的水669.2.2 9.2.2 核糖体蛋白的自体控制核糖体蛋白的自体控制 E.coli核糖体蛋白操纵子核糖体蛋白操纵子9.2.2 核糖体蛋白的自体控制 E.coli核糖体蛋白操纵67核糖体蛋白合成速率的调控是一种自体调控核糖体蛋白合成速率的调控是一种自体调控（autoregulationautoregulation）。基因表达的自体调控是指一个基因）。基因表达的自体调控是指一个基因的表达产物反过来抑制自身基因的表达，这实际上也是一的表达产物反过来抑制自身基因的表达，这实际上也是一种反馈机制。自体调控可以在基因表达的不同水平上进行，种反馈机制。自体调控可以在基因表达的不同水平上进行，但是对核糖体蛋白合成的调控主要是发生在翻译水平上的但是对核糖体蛋白合成的调控主要是发生在翻译水平上的自体调控。自体调控。核糖体蛋白合成速率的调控是一种自体调控（autoregula68第九章：原核生物基因表达调控课件699.2.3 9.2.3 Some mRNA molecules must be cleaved before translation通常，原核生物的转录产物无需加工即可以成为翻译的模板。通常，原核生物的转录产物无需加工即可以成为翻译的模板。但是，在少数情况下原核生物但是，在少数情况下原核生物mRNAmRNA需要经过加工，然后才能被需要经过加工，然后才能被翻译。翻译。adhEadhE基因初始转录产物的前导序列折叠成复杂的二级结基因初始转录产物的前导序列折叠成复杂的二级结构，核糖体结合位点和起始密码子都被隐蔽起来，不能被核糖构，核糖体结合位点和起始密码子都被隐蔽起来，不能被核糖体识别。体识别。RNase IIIRNase III把核糖体结合位点上游的序列切割下来使核把核糖体结合位点上游的序列切割下来使核糖体结合位点暴露出来。糖体结合位点暴露出来。9.2.3 Some mRNA molecules must70第九章：原核生物基因表达调控课件719.2.3 9.2.3 严谨反应严谨反应大肠杆菌缺乏某种氨基酸，不但会使蛋白质的合成终止，也会大肠杆菌缺乏某种氨基酸，不但会使蛋白质的合成终止，也会导致导致rRNArRNA和和tRNAtRNA合成被抑制，而一些与氨基酸合成和运输有关合成被抑制，而一些与氨基酸合成和运输有关的基因被诱导表达。这种由氨基酸饥饿引起的基因表达模式的的基因被诱导表达。这种由氨基酸饥饿引起的基因表达模式的变化称为严紧反应（变化称为严紧反应（stringent responsestringent response）。严紧反应是由两）。严紧反应是由两种特殊的核苷酸（种特殊的核苷酸（ppGppppGpp和和pppGpppppGpp）引发的，最初因它们的电泳）引发的，最初因它们的电泳迁移率和一般的核苷酸不同，被称为迁移率和一般的核苷酸不同，被称为“魔斑魔斑I”I”和和“魔斑魔斑II”II”。这两种核苷酸通称为（这两种核苷酸通称为（p p）ppGppppGpp。9.2.3 严谨反应大肠杆菌缺乏某种氨基酸，不但会使蛋白质的72第九章：原核生物基因表达调控课件73严谨反应的分子机制严谨反应的分子机制严谨反应的分子机制74（p p）ppGppppGpp与与RNARNA聚合酶聚合酶亚基结合，改变了亚基结合，改变了RNARNA聚合酶对一系聚合酶对一系列启动子的亲和力，导致细胞基因表达的整体变化，使细胞适列启动子的亲和力，导致细胞基因表达的整体变化，使细胞适应新的环境。这些变化包括应新的环境。这些变化包括rRNArRNA和和tRNAtRNA的合成被抑制，一系列的合成被抑制，一系列参与氨基酸合成与运转的基因被激活。参与氨基酸合成与运转的基因被激活。人们在对大肠杆菌人们在对大肠杆菌relArelA突变体进行研究时认识到是（突变体进行研究时认识到是（p p）ppGppppGpp的积累引发了严紧反应。的积累引发了严紧反应。relArelA突变体即使在氨基酸饥饿时也不突变体即使在氨基酸饥饿时也不能积累（能积累（p p）ppGppppGpp，也不关闭，也不关闭rRNArRNA和和tRNAtRNA的合成。由于的合成。由于relArelA突突变体的变体的rRNArRNA和和tRNAtRNA的合成不与蛋白质的合成严紧耦联，带有的合成不与蛋白质的合成严紧耦联，带有relArelA突变的株系就称为松弛型突变型（突变的株系就称为松弛型突变型（relaxed mutantrelaxed mutant），该），该基因也因此而得名。基因也因此而得名。（p）ppGpp与RNA聚合酶亚基结合，改变了RNA聚合酶759.3 9.3 核开关核开关核开关是一类通过结合小分子代谢物调控基因表达的核开关是一类通过结合小分子代谢物调控基因表达的mRNAmRNA元件。元件。它位于它位于mRNAmRNA的特定区域，可以不依赖任何蛋白质因子而直接结的特定区域，可以不依赖任何蛋白质因子而直接结合小分子代谢物，继而发生构象重排，调节合小分子代谢物，继而发生构象重排，调节mRNAmRNA的延伸和翻译。的延伸和翻译。目前发现的目前发现的7 7种天然核开关，分别是种天然核开关，分别是B B1212核开关、核开关、TPP(TPP(硫胺素焦磷硫胺素焦磷酸酸)核开关、核开关、FMN(FMN(黄素单核苷酸黄素单核苷酸)核开关、核开关、SAM(SSAM(S腺苷甲硫氨腺苷甲硫氨酸酸)核开关、赖氨酸核开关、鸟嘌呤核开关和腺嘌呤核开关。核开关、赖氨酸核开关、鸟嘌呤核开关和腺嘌呤核开关。9.3 核开关核开关是一类通过结合小分子代谢物调控基因表达的76核开关：核开关：a)a)衰减机制衰减机制;b);b)翻译抑制机制翻译抑制机制核开关：a)衰减机制;b)翻译抑制机制77第九章：原核生物基因表达调控课件78有的核开关可以通过其核酶活性调节基因的表达，比如编码谷有的核开关可以通过其核酶活性调节基因的表达，比如编码谷氨酰胺果糖氨酰胺果糖-6-6-磷酸转氨酶（磷酸转氨酶（glmSglmS）mRNAmRNA的核开关。的核开关。GlmSGlmS催化果催化果糖糖-6-6-磷酸和谷氨酰胺生成葡萄糖胺磷酸和谷氨酰胺生成葡萄糖胺-6-6-磷酸。当葡萄糖胺磷酸。当葡萄糖胺-6-6-磷磷酸在细胞内达到较高水平时，代谢物就与酸在细胞内达到较高水平时，代谢物就与GlmSGlmS核开关结合，激核开关结合，激活其核酶活性，造成活其核酶活性，造成GlmS mRNAGlmS mRNA发生自我切割。尽管发生自我切割。尽管mRNAmRNA被剪切被剪切的部位并不在编码区内，但仍能破坏基因的表达，使葡萄糖胺的部位并不在编码区内，但仍能破坏基因的表达，使葡萄糖胺不再继续合成。不再继续合成。有的核开关可以通过其核酶活性调节基因的表达，比如编码谷氨酰胺799.4 DNA9.4 DNA重排对基因转录的调控重排对基因转录的调控DNADNA重排可以改变调控元件与受控基因之间的距离和方向，因而重排可以改变调控元件与受控基因之间的距离和方向，因而可以成为控制基因表达的一种手段。鼠伤寒沙门氏菌可以成为控制基因表达的一种手段。鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimuriumSalmonella typhimurium）是一种与大肠杆菌密切相关的细）是一种与大肠杆菌密切相关的细菌，被摄入后能够引起呕吐和腹泻。鞭毛蛋白是鼠伤寒沙门氏菌，被摄入后能够引起呕吐和腹泻。鞭毛蛋白是鼠伤寒沙门氏菌的一种主要抗原。鼠伤寒沙门氏菌能够表达两种类型的鞭毛菌的一种主要抗原。鼠伤寒沙门氏菌能够表达两种类型的鞭毛蛋白，蛋白，H1H1和和H2H2。这两种鞭毛蛋白分别由染色体上相距甚远的两。这两种鞭毛蛋白分别由染色体上相距甚远的两个基因编码，但是任何一个沙门氏菌细胞只会表达一种类型的个基因编码，但是任何一个沙门氏菌细胞只会表达一种类型的鞭毛蛋白。鞭毛蛋白。9.4 DNA重排对基因转录的调控DNA重排可以改变调控元80当一群细胞生长、增殖时，其中的一些子代细胞会自发地改变当一群细胞生长、增殖时，其中的一些子代细胞会自发地改变其鞭毛蛋白的类型，即其鞭毛蛋白的类型，即H1H1型鞭毛转变成型鞭毛转变成H2H2型鞭毛，或者型鞭毛，或者H2H2型鞭型鞭毛转变成毛转变成H1H1型鞭毛，这一过程称为相变（型鞭毛，这一过程称为相变（phase variationphase variation）。）。相变可以保护细菌抵抗脊椎动物宿主免疫系统的进攻。如果宿相变可以保护细菌抵抗脊椎动物宿主免疫系统的进攻。如果宿主产生了针对一种鞭毛蛋白的抗体，发生相变的细菌仍能生存主产生了针对一种鞭毛蛋白的抗体，发生相变的细菌仍能生存和增殖，直到免疫系统对新型的鞭毛蛋白产生免疫应答。和增殖，直到免疫系统对新型的鞭毛蛋白产生免疫应答。当一群细胞生长、增殖时，其中的一些子代细胞会自发地改变其鞭毛81鼠伤寒沙门氏菌相变的分子基础鼠伤寒沙门氏菌相变的分子基础鼠伤寒沙门氏菌相变的分子基础82促使倒位序列翻转的酶是一种位点特异性重组酶（促使倒位序列翻转的酶是一种位点特异性重组酶（site-site-specific recombinasespecific recombinase），由），由HinHin基因编码。基因编码。HinHin蛋白二聚体蛋白二聚体识别并与两个反向重复序列结合，促使它们平行排列，而两识别并与两个反向重复序列结合，促使它们平行排列，而两个反向重复序列之间的序列呈环状凸起。个反向重复序列之间的序列呈环状凸起。HinHin蛋白催化的位点蛋白催化的位点特异性重组，导致两个特异性重组，导致两个HinHin蛋白识别位点之间的序列发生倒位。蛋白识别位点之间的序列发生倒位。HinHin的表达水平非常低，相变是一种低频率事件。的表达水平非常低，相变是一种低频率事件。促使倒位序列翻转的酶是一种位点特异性重组酶（site-spe83第九章：原核生物基因表达调控课件84