原核基因表达调控

自用，分子生物学的总结，结合学习通。包含原核基因表达的调控总论原核基因表达调控的分类原核基因表达调控的特点、半乳糖操纵子阿拉伯糖操纵子转录后水平的调控。

分子生物学

• 原核基因表达调控模式
  • 原核基因表达的调控总论 原核基因表达调控的分类 原核基因表达调控的特点
    • 概述
      • 对基因转录及翻译过程的调节就是基因表达调控
    • 类型
      • 组成性表达
        • 不受环境变化或代谢状态影响的一类基因表达
      • 适应性表达
        • 受环境变化的影响而改变基因表达水平的一类基因表达
    • 环节
      • 转录水平上的调控 转录后水平上的调控 mRNA 加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控
    • 生物学意义
      • 适应环境,维持生长和增殖(真核、原核) 维持个体发育和分化(真核)
    • 正转录调控
      • 概念
        • 在没有调节蛋白质(激活蛋白)存在时基因是关 闭的,加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启
      • 分类
        • 正控诱导 效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状态 正控阻遏 效应物分子(辅阻遏物)的存在使激活蛋白处于非活性状态
    • 负转录调控
      • 概念
        • 在没有调节蛋白质(阻遏蛋白)存在时基因是表达的,加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭
      • 分类
        • 负控诱导 阻遏蛋白与效应物(诱导物)结合时,结构基因转录 负控阻遏 阻遏蛋白与效应物(辅阻遏物)结合时结构基因不转录
    • 操纵子（operon）：由结构基因、 调控序列和调节基因组成
      • ①结构基因：包括数个功能上有关联的基因，它们串联排列，共同构成编码区。这些结构基因共用一个启动子和一个转录终止信号序列，因此转录合成时仅产生一条mRNA长链，为几种不同的蛋白质编码。这样的mRNA分子携带了几个多肽链的编码信息，被称为多顺反子（polycistron）mRNA。
      • ②调控序列：包括启动子（promote r）和操纵元件（operator）
        • a. 启动子：RNA聚合酶和各种调控蛋白作用的部位，是决定基因表达效率的关键元件。
        • b. 操纵元件：是一段能被特异的阻遏蛋白识别和结合的DNA序列。
      • ③调节基因（regulatory gene） ：编码能够与操纵序列结合的阻遏蛋白
        • 阻遏蛋白的作用：
        • 识别、结合特异的操纵序列，抑制基因转录，所以阻遏蛋白介导负调节（negative regulation）。阻遏蛋白介导的负性调节机制在原核生物中普遍存在。
    • 其它调控蛋白：特异因子，激活蛋白
      • ①特异因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力；
      • ②激活蛋白可结合启动子邻近的DNA序列，提高RNA聚合酶与启动序列的结合能力，从而增强RNA聚合酶的转录活性，是一种正调控（positive regulation）。
  • 乳糖操纵子及调控实验依据 乳糖操纵子的调控模型 lac操纵子本底水平的表达 阻遏物lac基因产物及功能 lac操纵子的正调控 乳糖操纵子正负调控的协调
    • （一）乳糖操纵子的结构
      • 1.结构基因：Z、Y及A，分别编码β-半乳糖苷酶、透酶和乙酰基转移酶
      • 2.调控区：操纵元件O、启动子P、分解代谢物基因激活蛋白（CAP，cAMP结合蛋白）结合位点
      • 3.调节基因I：编码阻遏蛋白（与O序列结合，关闭操纵子）
    • （二）乳糖操纵子受到阻遏 蛋白和CAP的双重调节
      • 1.阻遏蛋白的负性调节：无乳糖时，I序列表达的Lac阻遏蛋白与O序列结合，阻碍RNA聚合酶与P序列结合，抑制转录启动。
        • 诱导物：别乳糖（由乳糖转变而来）
        • 机理：别乳糖与阻遏蛋白结合， 促使阻遏蛋白从O序列脱离，诱导基因表达
      • 2.CAP的正性调节
        • 正调节物：cAMP ，葡萄糖缺乏时，cAMP浓度升高
        • 机理：cAMP与CAP结合形成复合物，促使CAP结合CAP位点，激活RNA聚合酶
      • 3.协同调节：Lac阻遏蛋白负性调节与CAP正性调节两种机制协调合作。
  • 色氨酸操纵子的结构与功能 trp操纵子的阻遏系统 色氨酸操纵子的弱化机制 色氨酸的双重调节体系
    • （一）色氨酸操纵子通过阻遏作用抑制基因表达
      • 1.细胞内无色氨酸时，阻遏蛋白不能与O序列结合，因此色氨酸操纵子处于开放状态，结构基因得以表达。
      • 2.细胞内色氨酸的浓度较高时，色氨酸作为辅阻遏物与阻遏蛋白形成复合物并结合到O序列上，关闭色氨酸操纵子，停止表达用于合成色氨酸的各种酶。
      • 3.生理意义：最大限度地减少能量消耗。
    • （二）色氨酸操纵子通过衰减作用抑制基因表达
      • 1.转录衰减（transcription attenuation）：使已经开始转录的mRNA合成终止的基因表达调节方式，称为转录衰减。这种作用是利用原核生物中转录与翻译过程偶联进行，翻译时先合成的一段前导序列L来实现的。
      • 2.前导序列L的结构特点
        • ①它可以转录生成一段长度为162bp、内含4个特殊短序列的前导mRNA；
        • ②其中序列1有独立的起始和终止密码子，可翻译成为一个有14个氨基酸残基的前导肽，它的第10位和第11位都是色氨酸残基；
        • ③序列1和序列2间、序列2和序列3间、序列3和序列4间存在一些互补序列，分别都可以形成发夹结构。形成发卡结构的能力依次是1/2发夹>2/3发夹>3/4发夹；
        • ④序列4的下游有一个连续的U序列，是一不依赖于ρ因子的转录终止信号。
      • 3.转录衰减的机制
        • ①色氨酸的浓度较低时，前导肽的翻译因色氨酸量的不足而停滞在第10/11的色氨酸密码子部位，核糖体结合在序列1上，因此前导mRNA倾向于形成2/3发夹结构，转录继续进行；
        • ②色氨酸的浓度较高时，前导肽的翻译顺利完成，核糖体可以前进到序列2，因此发夹结构在序列3和序列4形成，连同其下游的多聚U使得转录中途终止，表现出转录的衰减。
      • 4.转录衰减的生理意义
        • 原核生物这种在色氨酸浓度高时，通过阻遏作用（粗调）和转录衰减机制（精调）共同关闭基因表达的方式，保证了营养物质和能量的合理利用。
  • 半乳糖操纵子 阿拉伯糖操纵子 转录后水平的调控
    • （一）蛋白质分子结合于启动子或启动子周围进行自我调节
      • 1.调节蛋白结合mRNA靶位点，阻止核糖体识别翻译起始区，从而阻断翻译的机制。
      • 2.细菌mRNA起始密码子上游约10个核苷酸之前的SD序列与16S rRNA序列互补的程度以及从起始密码子AUG到嘌呤片段的距离也都强烈地影响翻译起始的效率。
    • （二）翻译阻遏利用蛋白质与自身mRNA的结合实现对翻译起始的调控
      • 编码区的起始点可与调节分子（蛋白质或RNA）直接或间接地结合来决定翻译起始。在此调控机制中，调节蛋白可以结合到起始密码子上，阻断与核糖体的结合。
    • （三）反义RNA利用结合mRNA翻译起始部位的互补序列调节翻译起始
      • 反义控制（antisense control）：有些细菌或病毒，能够转录产生反义RNA，反义RNA含有与特定mRNA翻译起始部位互补的序列，通过与mRNA杂交阻断30S小亚基对起始密码子的识别及与SD序列的结合，抑制翻译起始。这种调节称为反义控制。
    • （四）mRNA密码子的编码频率影响翻译速度
      • 当基因中的密码子是常用密码子时，mRNA的翻译速度快，反之，mRNA的翻译速度慢。