原核生物转录及调控

下图整理了原核生物转录及调控，知识点有原核生物的转录、原核生物的转录调控两大板块，适用于考试复习的同学们！

原核生物的转录及其调控

• 原核生物的转录
  • 基本原则
    • 转录概述
      • • 以DNA为模板合成RNA的过程，由RNA聚合酶催化ATP、GTP、UTP、CTP4种原料沿5'到3'方向合成
    • 模板链【template strand】
      • DNA上通常只有一条链会转录成RNA，也叫反义链【Antisense strand】
    • 编码链【coding strand】
      • 另一条链与RNA序列相同，为有义链【sense strand】
  • 起始
    • 形成闭合复合物
    • 转变为开口复合物
      • DNA融化：-11——+3
      • 聚合酶结构改变
    • 起始需要起始NTP（常为A）置入活性位点
    • 流产式起始
      • 需要将δ3.2区域逐出RNA出口通道，酶要多次尝试
    • 起始调节
      • activator
        • RNA Plo结合后帮助其结合
        • 机制
          • 协同结合
          • 变构
          • DNA弯曲，远距离作用
      • repressor
        • 与DNA结合区域与启动子重叠部分，阻碍Pol结合
        • 阻止形成开放复合物
        • 锁定启动子使停留在流产式起始
      • 可变δ因子
        • 不同的亚基结合相同的Rna聚合酶，却结合启动子不同位点
        • 大肠杆菌当温度高时，热休克；δ32耐高温
  • 延伸
    • 聚合酶沿5’--3‘方向延伸新链
    • DNA进入蟹钳；分叉链分离；NTP加入；后方DNA退火
    • 起始后调控：色氨酸操纵子
  • 终止
    • 发生在终止子【terminator】处，该序列含有自身互补区，能在RNA产物上形成茎环或发夹结构从而停止转录
    • 不依赖Rho的（强）
      • 短的反向重复序列形成发卡结构
      • 一段富含U的序列（使释放）
    • 依赖Rho的（弱）
      • Rho有ATPase和解旋酶活性
      • 与RNA产物结合，使Pol、Rho蛋白构象改变，易脱离
  • 大肠杆菌RNA聚合酶
    • 只有一种：核心酶（核心酶+δ->全酶）
      • 结构特征
        • 两个亚基---蟹钳结构
          • DNA从其间进入
        • 催化分叉
          • 链分离
      • 校正功能
        • 焦磷酸键解：错误核酸+ppi->去除一个错误插入的
        • 水解
          • 向后追踪几个并移除
  • E.coli的δ70因子
    • 结构
      • +1：翻译起始
      • 两个保守序列：-10，-35（共有序列），接近这些的启动子通常更强（一定时间转录起始量）
      • 上游元件：可提供Rna Pol更多相互位点，提高其结合
      • extended -10：存在于无-35的启动子上，补偿缺失
    • 因子
      • αCTD识别上游元件
      • 区域2：识别-10
      • 区域3：识别extended-10
      • 区域4：识别-35
        • 螺旋转角螺旋
      • δ3.2：在RNA出口通道中间
• 原核生物的转录调控
  • 概述
    • 操纵子【operon】：由结构基因、 调控序列和调节基因组成
      • 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
      • 调控序列：包括启动子【promote r】和操纵元件【operator】
        • 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
        • 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
      • 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
      • 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
      • 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】。
  • 分类
    • 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
  • 乳糖操纵子
    • 结构
      • 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
      • 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
      • 调节基因I：编码阻遏蛋白（与O序列结合，关闭操纵子）
    • 乳糖操纵子受到阻遏蛋白和CAP的双重调节
      • 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
      • 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
      • 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
    • 色氨酸操纵子通过阻遏作用抑制基因表达
      • 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。
      • 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。
      • 生理意义：最大限度地减少能量消耗。
    • 色氨酸操纵子通过衰减作用抑制基因表达
      • 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
      • 前导序列L的结构特点
        • 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；
        • 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；
        • 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；
        • 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。
      • 转录衰减的机制
        • 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
        • 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
      • 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。