原核基因表达调控

现代分子生物学之原核基因表达调控思维导图，包括基因表达调控的基本概念、原核基因调控机制、乳糖和色氨酸操纵子、原核生物的转录后调控等。

分子生物学

• 原核基因表达调控模式
  • 基因表达调控的基本概念
    • 概述
      • 对基因转录及翻译过程的调节就是基因表达调控
    • 基因表达的方式
      • 组成性表达
        • （管家基因）不受环境变化或代谢状态影响的一类基因表达
      • 诱导和阻遏表达
        • 诱导表达 在特定环境信号刺激下，基因表现为开放或增强，表达产物增加
        • 阻遏表达 在特定环境信号刺激下，基因被抑制，从而使表达产物减少
    • 基因表达特异性
      • ❶时间特异性❷空间特异性
    • 生物学意义
      • ❶适应环境,维持生长和增殖(真核、原核) ❷维持个体发育和分化(真核)
    • 正转录调控
      • 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
    • 负转录调控
      • 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
    • 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）。
    • 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。
  • 原核基因调控机制
    • 转录水平上的调控
    • 转录后水平上的调控
      • ❶mRNA 加工成熟水平上的调控❷翻译水平上的调控
  • 乳糖操纵子
    • 既需要有乳糖的存在，又需要没有葡萄糖可供利用
    • （一）乳糖操纵子的结构
      • ❶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
      • ❷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
      • ❸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
      • .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
    • 调控模式 注意:trp体系参与生物合成而不是降解， 它不受葡萄糖或cAMP-CAP的调控
      • ❶色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌会经济利用色氨酸。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵元(trp operon)的调控
      • ❷色氨酸操纵子负责色氨酸的生物合成
      • ❸足够的色氨酸---操纵子关闭
      • ❹缺乏----操纵子被打开，trp基因表达
      • ❺色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程（而不是诱导过程）中起作用
    • （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。
    • 结构特点: ❶trpR和trpABCDE不连锁； ❷ 操纵基因在启动子内 ❸有衰减子(attenuator)/弱化子 ❹启动子和结构基因不直接相连，二者被前导序列(Leader)所隔开
  • 原核生物的转录后调控
    • ❶翻译起始的调控
      • SD序列与起始密码子间的距离影响RBS的结合强度
    • ❷稀有密码子对翻译的影响
    • ❸重叠基因对翻译的影响
    • ❹RNA高级结构对翻译的影响
    • ❺魔斑核苷酸水平对翻译的影响