四、 原核生物种的转录后调控

（武汉大学）分子18.※原核生物的转录调控●本章概要●不同基因启动子的强度不同，基因表达水平不同●受调控的基因（管家基因与组织特异性基因）●持家基因所有细胞中均要表达的一类基因●控制细胞基本生命过程●可诱导基因当被诱导物或细胞因子激活时表达●常常由胞外信号的改变而表达●基因调控在转录起始时最为常见●转录调控的原理●调控蛋白DNA结合蛋白，识别受其控制的基因上或基因附近的特异位点●activator 活化子（正调控蛋白）增强基因转录●repressor 抑制子（负调控蛋白）降低或关闭基因转录●一般在转录起始作用的原因●在起始阶段抑制能够避免能量和资源的浪费●比起翻译起始（调控数个mRNA），转录起始（调控一个启动子）更容易调控●在转录起始之外阶段调控的优势●可以有更多信号参与调控，具有更多检查点●对信号有更快的反应●recruitment 募集调控靶点——RNA聚合酶与启动子结合●basal level 本底水平表达组成型低水平表达●通常情况下RNA聚合酶微弱地结合在启动子上●activator 活化子同时结合DNA和RNA聚合酶，增加两者间的亲和力●有两个结合位点：DNA和RNA聚合酶●增加转录水平●repressor 抑制子结合到DNA与RNA聚合酶结合区相重叠的位点●阻止RNA聚合酶的结合，从而抑制或阻止转录●operator 操作子（注意区别operon 操纵子）DNA上抑制子结合的位点●allostery 变构调控靶点——从closed complex向open complex的转变●activator 活化子closed complex: 聚合酶与启动子结合，DNA保持双链状态 open complex: 在起始位点周围约14bp处解链形成转录泡●使RNA聚合酶从closed complex转变为open complex，继而开始转录●repressor 抑制子●抑制闭合式到开放式复合物的转变●抑制启动子逃离●远程激活和DNA环化●DNA结合蛋白互作调控蛋白可以结合在离启动子区较远的位点并发挥作用●DNA-弯曲蛋白协助弯曲DNA●转录起始外的调控●其他调控点●转录的延伸和终止●核糖体蛋白基因的翻译●由RNA进行的转录和翻译的调控●attenuation 衰减作用●核糖开关●小干扰RNA●原核生物转录调控实例●乳糖操纵子 (lac operon) [recruitment 募集调控]细菌利用乳糖作为碳源时需要lacZYA编码的酶●启动子结构组成●3个结构基因受一个启动子P_{lac}调控，转录为一条lacZYA mRNA●lacZ●编码β-半乳糖苷酶将乳糖切割成半乳糖和葡萄糖●lacY●编码乳糖渗透酶插入细胞膜，将乳糖转运到细胞内●lacA●编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶消除lacY转入的硫代半乳糖，防止毒伤细胞●2个控制元件●CAP site●结合活化子CAP (cAMP receptor protein, CRP)●招募RNA聚合酶指导转录起始●启动子P_{lac}的-35区缺乏UP-element，不适合RNA聚合酶结合暗示了活化子结合位点的存在●O_{lac} (lac operator)●结合lac 抑制子●抑制RNA聚合酶的结合●O_{lac}与P_{lac}有重叠，阻止RNA聚合酶与启动子结合●发生机制CAP和抑制子的联合作用保证在乳糖存在且缺少葡萄糖的环境中，lac基因得以显著表达●同时存在葡萄糖和乳糖时，优先使用葡萄糖，lac基因低水平转录●抑制子感应乳糖信号●当乳糖含量低时，抑制子激活，lac基因不转录●活化子CAP感应葡萄糖信号与RNA聚合酶的αCTD直接相互作用（αCTD：原结合UP-element的位点）｜帮助RNA聚合酶与P_{lac}结合和稳定●当葡萄糖含量低时，活化子激活，lac基因高水平转录●信号控制二级信号：异乳糖 / cAMP●异乳糖← lactose乳糖由β-半乳糖苷酶介导转变为异乳糖，能关闭抑制子，抑制其与O_{lac}的结合●乳糖水平低，异乳糖水平低，大部分lacZYA被抑制子抑制●乳糖水平高，（细胞内原有的）乳糖渗透酶吸收乳糖转变为异乳糖，与抑制子结合使其失活，lacZYA得到转录●cAMP← glucose葡萄糖降低cAMP浓度，抑制CAP-cAMP与CAP site的结合●葡萄糖水平低，cAMP浓度高，CAP-cAMP可以与lacZYA结合并转录●葡萄糖水平高，cAMP浓度低，CAP缺少cAMP而无法与lacZYA结合●不同的σ factor不同的σ因子结合RNA聚合酶，与不同的启动子亲和力增强，从而转录不同的启动子●σ^{70}——最常见的σ factor●热休克σ^{32}（heat shock 热休克反应）●当环境温度>37℃，参与转录蛋白质●有其特有的启动子共有序列●感染B. subtilis的噬菌体SPO1的级联表达上一时期基因的转录产物中包含这一时期所需的σ factor●两个活化子NtrC和MerR[allostery 变构调控]●NtrC——参与控制氮(N)代谢的基因表达●具有ATPase活性为诱导聚合酶产生构象变化而提供能量●作用于离基因较远处●具有独立的激活域和DNA结合域，只有在低氮时与DNA结合，使RNA聚合酶由closed complex向open complex转变低氮水平（信号）→ NtrC磷酸化发生构象改变→ 暴露NtrC的DNA结合区，发生结合→ NtrC与σ^{54}直接相互作用→ 激活NtrC的ATPase活性，为RNA聚合酶构象改变提供能量→ 转录起始●MerR——控制merT基因编码抗汞(Hg)酶●通过改变DNA构象激活merT的表达●Hg离子不存在MerR结合启动子，但其构象不利于转录（-35元件与-10元件间的距离是19bp）●Hg离子存在MerR-Hg^{2+}构象改变→ 启动子中心扭曲→ -35与-10 元件间距缩短（易于σ^{70}结合）→ 转录起始●抑制作用的其他变构机制●E.coli Gal抑制子抑制closed complex向open complex的转变●噬菌体Φ29的P_4蛋白抑制启动子的逃离（在不同启动子中作用不同）●结合强启动子P_{A2c}——抑制聚合酶和启动子之间的强相互作用加上活化子相互作用所提供的总结合能太强，将聚合酶固定在启动子上无法移动●结合弱启动子P_{A3}——激活活化子的额外结合能协助招募聚合酶●阿拉伯糖操纵子 (araBAD operon)●启动子在有阿拉伯糖而没有葡萄糖时启动激活转录，编码代谢阿拉伯糖所需的酶（类似于lac operon）●两个活化子●AraC●有阿拉伯糖时阿拉伯糖结合AraC，AraC结合araI_1和araI_2位点，I_2位点上的AraC激活RNA聚合酶起始转录●无阿拉伯糖时AraC结合araI_1和araO_2位点而发生DNA环化，araI_2位点未被激活，转录不能起始●CAP在无葡萄糖时结合到CAP site协助转录●阿拉伯糖转录启动子常被用作expression vector 表达载体●阿拉伯糖诱导araBAD启动子的数量级非常大●阿拉伯糖对araBAD启动子的控制力很强●λ噬菌体的调控●基因组结构●50Kb，含有61个基因●启动子●强启动子：P_R, P_L（P_R：向右转录，P_L：向左转录）●弱启动子：P_{RM} (Repressor Maintance), P_{RE} (Repressor Establishment)●两种生长模式●lytic growth 裂解生长●噬菌体DNA的复制●新外壳蛋白的合成●通过宿主细胞裂解释放●lysogenic growth 溶原生长●噬菌体DNA整合进入细菌染色体●在每次细胞分裂的时候主动复制●非常稳定●lysogenic induction 溶原性诱导——从溶原生长到裂解生长的转变●生长模式的维持机制由不同的启动子和调控蛋白决定●cro(control of repressor and other thing)（启动裂解生长）抑制转录●由P_R起始转录单个Cro二聚体结合O_{R3}（占据了弱启动子P_{RM}的位点）→ 强启动子P_R自身进行Cro的转录→ 不断产生Cro蛋白强化过程进行●cⅠ→λ repressor（启动溶原生长）既可以激活也可以抑制转录●正自我调控●由P_{RM}起始转录cⅠ所编码产生的λ repressor二聚化后于O_{R1}结合→ 四聚化使之与O_{R2}结合（占据了强启动子P_R的位点）→ O_{R2}上的λ repressor作为活化子招募RNA聚合酶→ 激活P_{RM}的转录进而转录cⅠ不断产生λ repressor ●生长模式的建立——cⅡ蛋白●裂解生长——通过P_R启动●P_R是强启动子，一旦感染发生，它就启动转录，产生cro蛋白●cro蛋白水平达到一定量时结合O_{R3}，关闭P_{RM}（导致溶原生长无法进行）●溶原生长——通过P_{RM}启动为建立溶原生长，cⅡ 必须在cro抑制P_{RM}前激活之由P_{RE}建立，由P_{RM}维持●P_R转录的产物除了cro外还有cⅡ●cⅡ结合DNA，激活启动子P_{RE}，产生cⅠ蛋白●当cⅠ达到一定量时结合在O_{R1}和O_{R2}上，启动P_{RM}的转录●cⅡ 稳定性受E. coli生长条件控制——FtsH 蛋白cⅡ在E. coli中不稳定，被蛋白酶FtsH降解●E. coli生长条件良好●FtsH活性高→ cⅡ被其降解→ 发生裂解生长●E. coli生长条件恶劣●FtsH活性低→ cⅡ积累→ 发生溶原生长●本章名词●转录调控的原理●activator●repressor●basal level (contitutive expression)●operator●recruitment●allostery●原核生物转录调控实例●Lac repressor●lac operator●lactose●glucose●expression vector●λ噬菌体的调控●lytically●lysogenically●lysogenic induction●重点知识点●什么是调控蛋白？什么是受调控基因？转录调控的原理是什么？调控蛋白可分为两类：正调控蛋白或活化子、负调控蛋白或抑制子。

1阐述操纵子（operon）学说：见课本2、乳糖操纵子的作用机制？/简述乳糖操纵子的结构及其正、负调控机制答：A、乳糖操纵子的组成：大肠杆菌乳糖操纵子含Z、Y、A三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵序列O，一个启动子P和一个调节基因I。

B、阻遏蛋白的负性调节：没有乳糖存在时，I 基因编码的阻遏蛋白结合于操纵序列O处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分解乳糖的三种酶；有乳糖存在时，乳糖作为诱导物诱导阻遏蛋白变构，不能结合于操纵序列，乳糖操纵子被诱导开放合成分解乳糖的三种酶。

所以，乳糖操纵子的这种调控机制为可诱导的负调控。

C、CAP的正性调节：在启动子上游有CAP结合位点，当大肠杆菌从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，cAMP浓度升高，与CAP结合，使CAP发生变构，CAP结合于乳糖操纵子启动序列附近的CAP结合位点，激活RNA聚合酶活性，促进结构基因转录，调节蛋白结合于操纵子后促进结构基因的转录，对乳糖操纵子实行正调控，加速合成分解乳糖的三种酶。

D、协调调节：乳糖操纵子中的I基因编码的阻遏蛋白的负调控与CAP的正调控两种机制，互相协调、互相制约。

3、基因调控的水平有哪些？基因调控的意义？答：a、DNA水平的调控。

b、转录水平上的调控。

c、转录后的调控。

d、翻译水平的调控。

e、细胞质与基因调控。

意义：适应物理，化学等环境因素变化，调节代谢，维持细胞生长与分裂。

4、简述乳糖操纵子的结构及其正负调控机制。

答：结构：A、Y和Z，以及启动子、控制子和阻遏子。

正调控机制：CAP分解代谢产物激活蛋白质，直接作用于操纵子区上与cAMP结合形成CAP-cAMP复合物，转录进行。

负调控机制：a、无诱导物时结构基因不转录。

b、有诱导物时与阻遏基因相结合，形成无活性阻遏物，RNA聚合酶可与启动子区相结合，起始基因转录。

5、简述Trp操纵子的结构及其调控机制。

答：Trp操纵子由5个结构基因TrpE、TrpD、TrpC、TrpB、TrpA组成一个多顺因子的基因簇，在5'端是启动子、操纵子、前导顺序和弱化子区域。

原核生物的基因调控科学家把这个从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。

要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念，掌握了基因表达调控的秘密，我们手中就有了一把揭示生物学奥妙的金钥匙。

基因表达调控主要表现在以下几个方面：①转录水平上的调控(transcriptional regulation)；②mRNA加工成熟水平上的调控(differential processing of RNAtranscript)；③翻译水平上的调控(differential translation of mRNA).原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)和环境因素(environmental factor)对基因表达起着举足轻重的影响。

在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormone level)和发育阶段(developmental stage)是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。

二、基因表达调控的基本原理（一）基因表达的多级调控基因的结构活化、转录起始、转录后加工及转运、mRNA降解、翻译及翻译后加工及蛋白质降解等均为基因表达调控的控制点。

可见，基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件。

其中转录起始是基因表达的基本控制点。

四个基本的调控点：（1）基因结构的活化。

DNA暴露碱基后RNA聚合酶才能有效结合。

活化状态的基因表现为：1.对核酸酶敏感；2.结合有非组蛋白及修饰的组蛋白；3.低甲基化。

（2）转录起始。

最有效的调节环节，通过DNA元件与调控蛋白相互作用来调控基因表达。

（3）转录后加工及转运。

RNA编辑、剪接、转运。

（4）翻译及翻译后加工。

翻译水平可通过特异的蛋白因子阻断mRNA 翻译翻译后对蛋白的加工、修饰也是基本调控环节。

原核生物中基因转录调控的机制原核生物是一类比较基础的生物，其中包括细菌、蓝藻、古菌等。

这些生物生活在各种极端环境中，是人类认识生命机制的重要对象。

其中的基因转录调控机制也经常受到科学家们的研究关注。

在原核生物中，基因的转录调控主要包括启动子区域和转录因子两个方面。

启动子是指基因的调控区域，转录因子是指一种蛋白质，它能够与启动子区域结合，从而影响基因的转录水平。

启动子区域是基因调控最基本和重要的部分，包括序列反应元件（response element）和转录起始位点（transcription start site）。

序列反应元件是指启动子区域内的一些特殊元素，它们能够与转录因子结合，从而调控基因的转录水平。

有些反应元件是针对某些特定的转录因子而设计的，比如Escherichia coli细菌中的Lac operon区域的反应元件就是用来诱导lac基因的转录。

转录因子是着重研究的对象之一。

转录因子在原核生物中广泛存在，它们是一些具有特殊结构的蛋白质，能够结合到DNA的启动子区域上，从而调控基因的转录水平。

转录因子分为两类：正常转录因子和反式转录因子。

正常转录因子是指那些促进基因转录的转录因子，而反式转录因子则是那些抑制基因转录的转录因子。

在原核生物中有一个独特的基因调控机制，就是正常转录因子和反式转录因子相互竞争的机制。

这种机制被称为”遗传随机噪声“，其具体运作方式是在细胞内产生一些机率性的分子浓度波动，使得正常转录因子和反式转录因子的结合状态发生时时变化，从而调整基因表达的水平。

最近，科学家们发现在原核生物中还有一种新的基因调控机制，即启动子隐性调控机制。

这种机制指的是一些没有被转录因子结合的启动子区域，它们的存在并不会影响基因的转录水平，但是只要细菌处于某些外界生态条件下，这些启动子区域就能够被转录因子结合，从而影响基因的表达水平。

总结来说，原核生物中基因的转录调控机制包括启动子区域和转录因子两个方面，而在转录因子这个方面中，包括正常转录因子和反式转录因子、遗传随机噪声机制、启动子隐性调控机制等。

1阐述操纵子（operon）学说：A、乳糖操纵子的组成：大肠杆菌乳糖操纵子含Z、Y、A三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、半乳糖苷透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵序列O，一个启动子P和一个调节基因B1 Z ,Y,A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码2该mRNA分子的启动区位于阻遏基因和操纵基因之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达3操纵区是DNA上的一小段序列，是阻遏物的结合位点4遏物与操纵区结合时lacmRNA 的转录起始受到抑制5诱导物与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵子区相结合，从而激发lacmRNA的合成。

就是说诱导物存在时，操纵区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的转录2、乳糖操纵子的作用机制？/简述乳糖操纵子的结构及其正、负调控机制答：A、乳糖操纵子的组成：大肠杆菌乳糖操纵子含Z、Y、A三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵序列O，一个启动子P和一个调节基因I。

B、阻遏蛋白的负性调节：没有乳糖存在时，I基因编码的阻遏蛋白结合于操纵序列O处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分解乳糖的三种酶；有乳糖存在时，乳糖作为诱导物诱导阻遏蛋白变构，不能结合于操纵序列，乳糖操纵子被诱导开放合成分解乳糖的三种酶。

所以，乳糖操纵子的这种调控机制为可诱导的负调控。

C、CAP的正性调节：在启动子上游有CAP结合位点，当大肠杆菌从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，cAMP浓度升高，与CAP结合，使CAP发生变构，CAP结合于乳糖操纵子启动序列附近的CAP结合位点，激活RNA聚合酶活性，促进结构基因转录，调节蛋白结合于操纵子后促进结构基因的转录，对乳糖操纵子实行正调控，加速合成分解乳糖的三种酶。

D、协调调节：乳糖操纵子中的I基因编码的阻遏蛋白的负调控与CAP的正调控两种机制，互相协调、互相制约。

3、基因调控的水平有哪些？基因调控的意义？答：a、DNA水平的调控。

3.分别简要阐述原核生物和真核生物转录调控的基本过程。

原核生物的转录：1.启动RNA聚合酶正确识别DNA模板上的启动子并形成由酶、DNA和核苷三磷酸(NTP)构成的三元起始复合物，转录即自此开始。

第一个核苷三磷酸与第二个核苷三磷酸缩合生成3′-5′磷酸二酯键后,则启动阶段结束，进入延伸阶段。

2. 延伸σ亚基脱离酶分子，留下的核心酶与DNA的结合变松，因而较容易继续往前移动。

核心酶无模板专一性，能转录模板上的任何顺序，包括在转录后加工时待切除的居间顺序。

随着转录不断延伸，DNA双链顺次地被打开,并接受新来的碱基配对，合成新的磷酸二酯键后，核心酶向前移去，已使用过的模板重新关闭起来，恢复原来的双链结构。

3. 终止转录的终止包括停止延伸及释放RNA聚合酶和合成的RNA。

在原核生物基因或操纵子的末端通常有一段终止序列即终止子；RNA合成就在这里终止。

真核生物的转录:真核生物RNA的转录与原核生物RNA的转录过程在总体上基本相同，但是，其过程要复杂得多，主要有以下几点不同。

1. 真核生物RNA的转录是在细胞核内进行的，而蛋白质的合成则是在细胞质内进行的。

所以，RNA转录后首先必须从核内运输到细胞质内，才能指导蛋白质的合成。

2. 真核生物一个mRNA分子一般只含有一个基因，原核生物的一个mRNA分子通常含有多个基因，而除少数较低等真核生物外，一个mRNA分子一般只含有一个基因，编码一条多态链。

3. 真核生物RNA聚合酶较多在原核生物中只有一种RNA聚合酶.4. 真核生物RNA聚合酶不能独立转录RNA对真核生物的转录调控过程叙述过于笼统，该过程要比原核生物的转录调控复杂得多。

书写不认真，有多处标点符号错误！。

转录水平（最经济）a.转录后水平b.翻译水平以及翻译后水平c.原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着举足轻重的影响i.真核生物中，激素水平和发育阶段是基因表达调控的最主要手段ii.侧重点：DNA 结构，RNA 聚合酶的结合功能、蛋白因子以及其他小分子效应物iii.综述d.负转录调控系统：阻遏蛋白；根据其效应，分为负控诱导系统；负控阻遏系统i.正转录调控系统：激活蛋白；根据其效应，分为正控诱导系统；正控阻遏系统ii.可诱导调节：指某些记忆在特殊的代谢物作用下，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iii.可阻遏调节：这类基因平时都是开启的，由于一些特殊代谢物的积累而将其关闭，阻遏基因表达iv.分类e.基因表达的调控1.J ac ob 和M o nod 通过实验分析提出：Z,Y,A 基因产物由同一条多顺反子mRNA 分子所编码，该mRNA 分子的启动区（P ）位于阻遏基因（I ）与操作区（O ）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达。

操纵区是DNA 上的一小段序列，是阻遏物的结合位点，当阻遏物与操纵区相结合时，lac mRNA 的转录起始受到抑制，诱导物通过与阻遏物的结合位点，改变其三维构象，使之不能与操作区相结合，诱发lac mRNA 的合成。

i.操纵子学说：a.诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运过程需要转运酶，转运酶的合成需要诱导物i.真正的诱导物是异构乳糖，后者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的ii.解释：转运酶和β-半乳糖苷酶仍有本底水平的表达；阻遏物的结合也并非紧密，偶尔会掉下来，使得转录可以进行，表达量足以使诱导过程得以启动iii.阻遏物mRNA 是由弱启动子控制下永久合成得，如果是强启动子，则细胞内不能产生足够得诱导物来克服阻遏状态，从而不可诱导iv.两个矛盾b.指在葡萄糖存在得情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖，半乳糖等诱导物，与其相对应得操纵子也不会启动，也称降解物阻抑i.调控原理：葡萄糖是细菌最方便利用的能源，当有葡萄糖存在时，细菌无需开启一些不常用的基因去利用这些稀有糖类。