分子生物学 7 原核基因转录及其基因表达调控
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原核基因转录及其基因表达调控
转录概述
有义链
mRNA
反义链（模板链）
• 有义链 sense strand / coding strand 反义链 antisense strand / template stand
RNA 聚合酶的功能 转录起始、RNA链延伸、终止 RNA 聚合酶的特点： 底物：三磷酸核糖核苷酸（四种） 模板：DNA单链 方向：5’到3’ 不需要引物
2. 衰减子与衰减调节
色氨酸操纵子 3. 因子的调节作用 二、转录后调节 三、反馈抑制 (feedback inhibitor)
乳糖操纵子模型 1961年， Jacob and Monod 发现 培养基中含乳糖 —— lacZ， lacY mRNA 高表达 不含乳糖 —— lacZ， lacY mRNA 低表达 乳糖操纵子的结构： PlacI
Highly conserved Less conserved
Four States of the Lac Operon
Lactose Glucose LacI
-
+
+ +
CAP-cAMP
+
Diauxic growth curve
lactose present, “induce” lac enzyme
rpoB
/
启动子结合特异性（Promoter specificity） 1.减少与非特异性位点结合 2.增加与特异性位点结合
rpoD
因子控制起始
启动子promotor (E.coli) *共同序列 -35 -10 16 ~ 18bp +1 5 ~ 8bp
TTGACA
TATAAT
G C T A
lacI
Plac Olac
lacZ
lacY
lacA
regulator
operator
structural gene
repressor
β-Galactosidase
permease
acetylase
乳糖操纵子模型的发现
部分二倍体（E.coli chromosome +F’ plasmid）
组成型表达 Constitutive - Gene always expressed. 诱导型表达 Induced - Expressed in response to environmental signal.
*100种以上启动子的比较结果
-10 -35
Baidu Nhomakorabea
T 80 A 95 t 45 A 60 a 50 T 96
(解旋功能部位)
T 82 T 84 G 78 A 65 C 54 a 45 (启动子的识别功能部位)
*启动子突变 上升突变 (up mutations) / 下降突变 (down mutations)
衰减子：位于转录起始部位的终止子 衰减调节：培养基Trp， tRNA的负载， 是否翻译，发卡结构可变 （阻止 / 通读）
Trp（—）
1 2 3
Trp（+）
4
Trp Trp Trp
Trp
因子的调节作用
一般基因 (rpo D / 70 )
热休克基因 (rpo H / 32 ) 关闭 / 开放, 热激蛋白 (heat shock protein), 环境胁迫, 氮代谢基因 (rpo N / 54 ) 少量因子, 氨饥饿, 其他氮源, 其他细菌 / 保守进化 鞭毛基因 (fli A / F ) 少量因子, 鞭毛结构蛋白 噬菌体基因 枯草杆菌 (B.subtilis) (43 )
终止子terminator (E.coli) 1. 内在终止子（不依赖于 因子的终止子） 体外实验 无须辅助因子
mRNA 的结构：
发卡结构（富含G-C） 转录暂停 寡聚尿嘧啶 RNA-DNA减弱、聚合酶释放 UUUU GC
G-C 区
CCG UU GGC AA
Poly(U)
GUUUCGGGAUU CAAAGCCCUAA
-10
1
10
20
30
CRP binding
Olac / repressor
cAMP receptor protein
cAMP
glucose
CRP CRP-cAMP
transcription
CRP-binding site
AANTGTGANNTNNNTCANATTNN TTNACACTNNANNNAGTNAAANN
mRNA PlacI Plac Olac
lacI
lacZ
lacY
lacA
lactose
Inducer （别乳糖）
乳糖操纵子的正调控 CRP-cAMP lactose
mRNA PlacI
lacI
Plac Olac
lacZ
lacY
lacA
Plac / RNA polymerase
-60 -50 -40 -30 -20
基因表达调控概述
负调控（negative regulation）
inhibitor gene
正调控（positive regulation）
gene
inducer
activator
gene
gene
Inactive inhibitor
基因表达调控的基本类型
一、转录水平 1. 操纵子模型 乳糖操纵子
反向重复序列 7 ~ 20bp
2. 因子（rho protein）依赖性终止子 体外实验和体内突变体 必须 因子 因子： 识别RNA（loading site: G-C rich)
依赖性RNA 的ATP 酶（ RNA-DNA unwind）
Holoenzyme DNA binding Closed complex DNA melting Open complex Abortive initiation Ternary complex Release of sigma RNA synthesis begins
启动子 (~ -1)上游序列
起始点
终止子
下游序列 (+1 ~)
大肠杆菌RNA 聚合酶 全酶 (核心酶 + ) ; 催化中心（Catalytic center） rpoC 核心酶 ( ’ ω )
rpoA
酶组装（Enzyme assembly） 识别启动子（promoter recognition） 结合激活蛋白(binding some activators)
-IPTG _ + _ _ + + _ _ +
+IPTG + + + + + + + + +
表型
诱导型 组成型 诱导型 诱导型 组成型 组成型 诱导型 诱导型 组成型
I + O+ Z +
/ F' OC Z-
F’ Plasmid
Inducible (O+ is dominant)
Constitutive (OC is dominant) I+ O+ Z
基因型
1. I+ O+ lacZ+ 2. I- O+ lacZ+ 3. F’ I- O+ lacZ+ / I+ O+ lacZ+ (or -) 4. F’ I+ O+ lacZ+ / I- O+ lacZ+ 5. I+ Oc lacZ+ 6. F’ I+ Oc lacZ+ / I+ O+ lacZ7. F’ I+ Oc lacZ- / I+ O+ lacZ+ 8. F’ I+ Oc lacZ- / I- O+ lacZ+ 9. F’ I+ Oc lacZ+ / I- O+ lacZ-
F’ Plasmid
- / F' OC Z+
乳糖操纵子的负调控
mRNA PlacI Plac Olac
lacI
lacZ
lacY
lacA
startpoint Plac / RNA polymerase
-50 -40 -30 -20 -10 1 10 20 30
Olac / repressor
分解lactose
SPO1 早期基因 55 gp28
中期基因
gp32 gp34
晚期基因
复习题
1. 有义链、反义链、启动子、终止子、负调控、 正调控、组成型表达、诱导型表达 2. RNA聚合酶的功能和特点？ 3. 大肠杆菌RNA聚合酶有几个亚基组成，各有 什么功能？ 4. 大肠杆菌启动子和终止子的结构和功能？ 5. 乳糖操纵子的结构和调控机制？ 6. 什么是衰减子和衰减调控？
-Glc
~1 hour
glucose present, use it first.
衰减子与衰减调节 色氨酸操纵子（共抑制因子Trp + repressor）
Promoter Operator Leader Attenuator
EDCBA
RNA
G-C区
poly (U)
* * * * * * * * * Trp Trp * * *
转录概述
有义链
mRNA
反义链（模板链）
• 有义链 sense strand / coding strand 反义链 antisense strand / template stand
RNA 聚合酶的功能 转录起始、RNA链延伸、终止 RNA 聚合酶的特点： 底物：三磷酸核糖核苷酸（四种） 模板：DNA单链 方向：5’到3’ 不需要引物
2. 衰减子与衰减调节
色氨酸操纵子 3. 因子的调节作用 二、转录后调节 三、反馈抑制 (feedback inhibitor)
乳糖操纵子模型 1961年， Jacob and Monod 发现 培养基中含乳糖 —— lacZ， lacY mRNA 高表达 不含乳糖 —— lacZ， lacY mRNA 低表达 乳糖操纵子的结构： PlacI
Highly conserved Less conserved
Four States of the Lac Operon
Lactose Glucose LacI
-
+
+ +
CAP-cAMP
+
Diauxic growth curve
lactose present, “induce” lac enzyme
rpoB
/
启动子结合特异性（Promoter specificity） 1.减少与非特异性位点结合 2.增加与特异性位点结合
rpoD
因子控制起始
启动子promotor (E.coli) *共同序列 -35 -10 16 ~ 18bp +1 5 ~ 8bp
TTGACA
TATAAT
G C T A
lacI
Plac Olac
lacZ
lacY
lacA
regulator
operator
structural gene
repressor
β-Galactosidase
permease
acetylase
乳糖操纵子模型的发现
部分二倍体（E.coli chromosome +F’ plasmid）
组成型表达 Constitutive - Gene always expressed. 诱导型表达 Induced - Expressed in response to environmental signal.
*100种以上启动子的比较结果
-10 -35
Baidu Nhomakorabea
T 80 A 95 t 45 A 60 a 50 T 96
(解旋功能部位)
T 82 T 84 G 78 A 65 C 54 a 45 (启动子的识别功能部位)
*启动子突变 上升突变 (up mutations) / 下降突变 (down mutations)
衰减子：位于转录起始部位的终止子 衰减调节：培养基Trp， tRNA的负载， 是否翻译，发卡结构可变 （阻止 / 通读）
Trp（—）
1 2 3
Trp（+）
4
Trp Trp Trp
Trp
因子的调节作用
一般基因 (rpo D / 70 )
热休克基因 (rpo H / 32 ) 关闭 / 开放, 热激蛋白 (heat shock protein), 环境胁迫, 氮代谢基因 (rpo N / 54 ) 少量因子, 氨饥饿, 其他氮源, 其他细菌 / 保守进化 鞭毛基因 (fli A / F ) 少量因子, 鞭毛结构蛋白 噬菌体基因 枯草杆菌 (B.subtilis) (43 )
终止子terminator (E.coli) 1. 内在终止子（不依赖于 因子的终止子） 体外实验 无须辅助因子
mRNA 的结构：
发卡结构（富含G-C） 转录暂停 寡聚尿嘧啶 RNA-DNA减弱、聚合酶释放 UUUU GC
G-C 区
CCG UU GGC AA
Poly(U)
GUUUCGGGAUU CAAAGCCCUAA
-10
1
10
20
30
CRP binding
Olac / repressor
cAMP receptor protein
cAMP
glucose
CRP CRP-cAMP
transcription
CRP-binding site
AANTGTGANNTNNNTCANATTNN TTNACACTNNANNNAGTNAAANN
mRNA PlacI Plac Olac
lacI
lacZ
lacY
lacA
lactose
Inducer （别乳糖）
乳糖操纵子的正调控 CRP-cAMP lactose
mRNA PlacI
lacI
Plac Olac
lacZ
lacY
lacA
Plac / RNA polymerase
-60 -50 -40 -30 -20
基因表达调控概述
负调控（negative regulation）
inhibitor gene
正调控（positive regulation）
gene
inducer
activator
gene
gene
Inactive inhibitor
基因表达调控的基本类型
一、转录水平 1. 操纵子模型 乳糖操纵子
反向重复序列 7 ~ 20bp
2. 因子（rho protein）依赖性终止子 体外实验和体内突变体 必须 因子 因子： 识别RNA（loading site: G-C rich)
依赖性RNA 的ATP 酶（ RNA-DNA unwind）
Holoenzyme DNA binding Closed complex DNA melting Open complex Abortive initiation Ternary complex Release of sigma RNA synthesis begins
启动子 (~ -1)上游序列
起始点
终止子
下游序列 (+1 ~)
大肠杆菌RNA 聚合酶 全酶 (核心酶 + ) ; 催化中心（Catalytic center） rpoC 核心酶 ( ’ ω )
rpoA
酶组装（Enzyme assembly） 识别启动子（promoter recognition） 结合激活蛋白(binding some activators)
-IPTG _ + _ _ + + _ _ +
+IPTG + + + + + + + + +
表型
诱导型 组成型 诱导型 诱导型 组成型 组成型 诱导型 诱导型 组成型
I + O+ Z +
/ F' OC Z-
F’ Plasmid
Inducible (O+ is dominant)
Constitutive (OC is dominant) I+ O+ Z
基因型
1. I+ O+ lacZ+ 2. I- O+ lacZ+ 3. F’ I- O+ lacZ+ / I+ O+ lacZ+ (or -) 4. F’ I+ O+ lacZ+ / I- O+ lacZ+ 5. I+ Oc lacZ+ 6. F’ I+ Oc lacZ+ / I+ O+ lacZ7. F’ I+ Oc lacZ- / I+ O+ lacZ+ 8. F’ I+ Oc lacZ- / I- O+ lacZ+ 9. F’ I+ Oc lacZ+ / I- O+ lacZ-
F’ Plasmid
- / F' OC Z+
乳糖操纵子的负调控
mRNA PlacI Plac Olac
lacI
lacZ
lacY
lacA
startpoint Plac / RNA polymerase
-50 -40 -30 -20 -10 1 10 20 30
Olac / repressor
分解lactose
SPO1 早期基因 55 gp28
中期基因
gp32 gp34
晚期基因
复习题
1. 有义链、反义链、启动子、终止子、负调控、 正调控、组成型表达、诱导型表达 2. RNA聚合酶的功能和特点？ 3. 大肠杆菌RNA聚合酶有几个亚基组成，各有 什么功能？ 4. 大肠杆菌启动子和终止子的结构和功能？ 5. 乳糖操纵子的结构和调控机制？ 6. 什么是衰减子和衰减调控？
-Glc
~1 hour
glucose present, use it first.
衰减子与衰减调节 色氨酸操纵子（共抑制因子Trp + repressor）
Promoter Operator Leader Attenuator
EDCBA
RNA
G-C区
poly (U)
* * * * * * * * * Trp Trp * * *