科目名稱：生物化學(一)
科目名稱：生物化學( )
授課單元 原核細胞基因轉錄與調控
授課單元：原核細胞基因轉錄與調控
Department of Nutrition and Health Science
Ching-Sheng Yeh Ph.D. E-mail：janson.yeh@msa.hinet.net Teachers’ Office: C533 Teachers’ Office: C533
課程大綱
課程大綱
基 表 的調控
基因表現的調控
1乳糖操縱子
2色胺酸操縱子
色胺酸操縱子
3阿拉伯糖操縱子
2一、基因表現的調控
基因表現的調控
•
生物體內基因表達的調節控制機制，使細胞中基因
表達的過程在時間和空間上處於有序狀態 並對
環
表達的過程在時間和空間上處於有序狀態，並對
環
境條件的變化
做出適當反應的複雜過程，並且也是
境條件的變化
做出適當反應的複雜過程 並且也是
生物體內細胞分化、形態發生和個體發育的分子基
礎。
細菌內的轉錄與轉譯作用是同時進行
細菌內的轉錄與轉譯作用是同時進行
•
轉錄作用的進行是由DNA的5‘端開始產生mRNA，
而核糖體合成蛋白質也是由 RNA的5’端開始讀取
而核糖體合成蛋白質也是由mRNA的5’端開始讀取。
在
原核細胞
內，DNA與核糖體並沒有被區隔開，因
在
原核細胞
內，DNA與核糖體並沒有被區隔開，因
此當核糖體結合在mRNA上開始進行轉譯作用時，
mRNA部分已合成的片段仍然附著於細菌的DNA。
•
核糖體已經開始利用部分合成完的mRNA片段合成
多肽鏈，這就是
共轉錄-轉譯
(coupled
transcription-)
translation)。
當DNA進行轉錄產生mRNA同時，許多核糖體也 附著於合成中 RNA片段上並進行蛋白質合成 附著於合成中mRNA片段上並進行蛋白質合成。
原核生物的轉錄過程
原核
物的轉錄過程
( )
轉錄起始過程
(一)、轉錄起始過程
• RNA聚合酶全酶(2)與模板股結合。 DNA雙鏈解開 • DNA雙鏈解開。 • 在RNA聚合酶作用下發生第一次聚合反應，形成轉錄起始複 合物。 5-pppG -OH + NTP 5-pppGpN- OH 3 + ppi RNA l ( 2 ) DNA G N OH 3轉錄起始複合物:
RNA pol (2) - DNA - pppGpN- OH 3
(二)、轉錄延長
• 次單元脫落，RNA pol聚合酶核心酶變形結構，與模板結合鬆弛，沿著( )
• 次單元脫落，RNA pol聚合酶核心酶變形結構，與模板結合鬆弛，沿著 DNA模板前移。 • 在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。 編碼鏈 5’ 編碼鏈 5’ 3’ 3’ 起 終 T C G A G T A C A G C T C A T G 3 終 C G A G U A C RNA聚合酶 3’ 模板股 PPi UTP ATP UTP 3’ RNA 5’ GTP CTP UTP原核生物轉錄過程中的羽毛狀現象
(S
)
(Simultaneous transcriptions )
DNA
5 3DNA
RNA
3 RNA聚合酶 核糖體1.原核生物基因表達調控的特點
原核 物 因表達調控的特點
由於原核生物( k ti ll)大都為單細胞生物 缺乏核膜 • 由於原核生物(prokaryotic cell)大都為單細胞生物，缺乏核膜 ，因此極易受外界環境的影響，需要不斷地調控基因的表達 ，以適應外界環境的營養條件和克服不利因素，提高生物的 應變與適應能力以完成生長發育與繁殖的過程。這種調控大 多以操縱子為單位進行。 多以操縱子為單位進行結構基因
轉錄方向 5 編碼股 模板股 3 3 模板股 編碼股 5轉錄方向 •編碼股(coding strand)：含意股(sense strand) •模板股(template)：反意股(antisense strand)
2.操縱子調控模型
是 年由 和 提案並確立 即編碼 • 是1961年由Jacob(雅可布)和Monod(莫諾)提案並確立，即編碼 某特定區域的基因與只在DNA分子上發揮作用的區域是各不 某特定區域的基因與只在DNA分子上發揮作用的區域是各不 相同的。基因的表達調控主要發生在轉錄水準上。 • 原核生物一個轉錄區段可視為一個轉錄單位，稱為操縱子 ( ) 包括若干個結構基因及其上游( )的調控 (operon)，包括若干個結構基因及其上游(upstream)的調控 序列。 序列 結構基因 調控序列 5 3 35 結構基因 調控序列RNA-pol
操縱子(operon)主要組成
操縱子(operon)主要組成
結構基因 生物酶與細胞結構所必需的蛋 1. 結構基因(structural gene）: 生物酶與細胞結構所必需的蛋 白質的編碼基因，該基因又稱為順式作用因子(cis-acting 白質的編碼基因 該基因又稱為順式作用因子(cis acting factor)。相關結構基因的表達產物協同完成一個生理生化過 程，這些結構基因在一套調控系統作用下統一開放與關閉， 維持合適而精確的基因產物分子 結構基因編碼各類具有不 維持合適而精確的基因產物分子。結構基因編碼各類具有不 同結構與功能的蛋白質，包括結構蛋白、酶和調控蛋白 2. 調控基因(regulator gene)：基因表現調控蛋白的編碼基因 ，又稱為反式作用因子(trans-acting factor)。主要是通過編 碼蛋白或者RNA來調節其他基因的表現。 碼蛋白或者RNA來調節其他基因的表現。3.原核細胞轉錄調控的基本模式
順式作用元件
反式作用因子
引起目的基因表達的正調控或者負調控模式
反式作用：
編碼產物將從合成地點擴散到其作用靶位
的過程。
順式作用：
不轉變為其他任何形式而只以DNA形式
在原來位置起作用的DNA序列。
基因調控的關係
基因調控的關係
負調控：
由某一基因表達產生的蛋白質因子，通過
負調控：
由某 基因表達產生的蛋白質因子 通過
與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，從而
達到控制其表達的目的，稱為負調控。
達到控制其表達的目的，稱為負調控。
正調控：
某一基因編碼的產物作用於自己基因的調
正調控：
某 基因編碼的產物作用於自己基因的調
控元件，以達到控制其表達的目的，稱為正調控。
調節區域 轉錄 調節區域 啟動子 起始點轉錄 結構基因 Operator/ Promotor Operator/ Promotor RNA 幾個相應的蛋白質 RNA polymerase Repressor bindingp g with operator原核生物的
RNA聚合酶
原核生物的
RNA聚合酶
次單元 分子量 功能 次單元 分子量 功能 α 3,6512 決定哪些基因被轉錄 β 15,0618 催化反應 β’ 155 613 結合DNA模板 β’ 155,613 結合DNA模板 σ 70,263 辨識轉錄起始點核心酶 (core enzyme) 全酶 (holoenzyme)( y )
原核生物啟動子(promoter)保守序列
(p
)
RNA聚合酶保護區 結構基因 5 5 3 3 1 -30 -50 -40 -20 -10 10 5 3 3 5 開始轉錄 -35區 10區 是與RNA聚合 酶附著的位置 T T G A C A A A C T G T T A T A A T P -10區 酶附著的位置 A A C T G T (Pribnow box T A T A A T Pu A T A T T A Py RNA-pol辨認位點(recognition site) (Pribnow box (普里布諾盒) ＝TATA box)
tt a y z o
p
Structural genePromoter Operator Terminator
啟動子:
一個操縱子一般只含有一個啟動子。
操作子:
由一個或多個DNA順式調控元件組成，
是基因反式調控因數的結合區，這種蛋白-DNA
功能
是基因反式調控因數的結合區 這種蛋白 DNA
的二元複合物通過與啟動子-RNA聚合酶複合物
相互作用，對操縱子的
打開
或
關閉
進行調控。
相互作用，對操縱子的
打開
或
關閉
進行調控。
結構基因:
若干個生物功能相關的結構基因以相
結構基因:
若干個生物功能相關的結構基因以相
同極性密集排列。
終止子:
使轉錄不同程度地終止。
操縱組(operon)模式
操縱組(operon)模式
乳糖操縱組 乳糖操縱組 產物為可促進乳糖吸收、代謝相關的酶乳糖操縱組
基因平常不表現，需要時才會表現 色胺酸操縱組 產物為可促進乳糖吸收、代謝相關的酶 色胺酸操縱組 產物為可催化色胺酸合成相關的酶色胺酸操縱組
基因平常會表現，某些情況下停止表現色胺酸操縱組
基因平常會表現，某些情況下停止表現二、乳糖操縱子
二 乳糖操縱子
結構及其性質
結構及其性質
調控區
結構基因
DNA
P
O
Z
Y
A
操縱子 抑制子(蛋白) Z：β-半乳糖苷酶 Y： 滲透酶 加 入 乳 糖 時 ， 啟動子 Y： 滲透酶A：乙醯基轉移酶 會大量表現 Z基因的產物是β-galactosidase，他催化乳糖分解成葡萄糖及半乳糖。 Y基因的產物是滲透酶(permease)，此酶存在細胞膜上的膜蛋白，它的功能是將培養基中 的乳糖送入大腸菌內。 A基因的產物是乙醯基轉移酶(acyltransferase)( y )，它的功能是將細胞內一些半乳糖苷加上乙 醯基，避免被半乳糖苷酶(β-galactosidase)分解變成有毒物，防止細胞中毒。乳糖操縱組：誘發性操縱組
乳糖操縱組：誘發性操縱組
乳糖操縱組：誘發性操縱組
乳糖操縱組：誘發性操縱組
•
無乳糖時
無乳糖時
：不表現乳糖代謝酵素。
：不表現乳糖代謝酵素
•
有乳糖時
有乳糖時
：乳糖與抑制蛋白(repressor)結合而
：乳糖與抑制蛋白(repressor)結合而
失去活性，無法與操縱子結合，RNA聚合酶
失去活性 無法與操縱子結合
聚合酶
可沿著構造基因轉錄DNA，因而開始製造酵
素。
(
(
加入乳糖時，lac Z、Y、A結構基因會大
量表現)
作用機制
作用機制
• 細菌消耗能量代謝出環單磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)與異化作用活化蛋白(catabolite activator protein CAP)結合於 cAMP)與異化作用活化蛋白(catabolite activator protein, CAP)結合於 promoter，使基因可表現。 細菌平時以葡萄糖為碳源 但亦可利用乳糖 • 細菌平時以葡萄糖為碳源，但亦可利用乳糖。 • 在 葡 萄 糖 充 足 環 境 下 持 續 表 現 抑 制 基 因 ，I region製 造 repressor 和 operator結合，使基因不表現，故無法生產乳糖酶。 • 在有乳糖且無葡萄糖的環境下，乳糖會代謝為在有乳糖且無葡萄糖的環境下 乳糖會代謝為異乳糖(allolactose)異乳糖(allolactose)，而而 allolactose作 為 inducer 會 和 repressor 結 合 改 變 repressor 構 型 ， 使 變成非活化態無法和 結合 所以轉錄不再被抑制 即可 repressor變成非活化態無法和operator結合。所以轉錄不再被抑制，即可 正常生產乳糖酶。
葡萄糖的利用對乳糖操縱組的影響
葡萄糖的利用對乳糖操縱組的影響
CAP與這段序列結合時，可增強 RNA聚合酶的轉錄活性，使轉錄 提高50倍。相反，當有葡萄糖可 供分解利用時，cAMP濃度降低， CRP不能被活化，lac操縱元的結 構基因表現下降。cAMP receptor protein 異化作用活化蛋白
(catabolite activator protein CAP)
(cAMP受體蛋白)
(catabolite activator protein, CAP)
三、色胺酸操縱子(Tryptophan operon)
( yp p
p
)
• 功能：參與色氨酸的合成。功能：參與色氨酸的合成 • 組成： 1) 控制因子→包含啟動子及操縱子。 2) 結構基因 t E t D t C t B t A 2) 結構基因→ trpE、trpD、trpC、trpB、trpA。 操縱子是包含在啟 動子中的一段DNA 動子中的 段DNA色胺酸操縱組：抑制性操縱組
具有回饋抑制控制作用 色氨酸與抑制蛋白結合，抑制蛋白變成有活性 就會和操縱子結合 抑制結構基因表現 不 ，就會和操縱子結合，抑制結構基因表現，不 能合成E、D、C、B、A 各種酶，因此無法就合 成色氨酸。色胺酸操縱組(Tryptophan operon)
：抑制性操縱組
•
色胺酸不足時
：抑制性蛋白(repressor)無活性，
不能與操縱子結合，可以表現基因，製造合
成色胺酸所需酵素。
色胺酸過多時
色胺酸與抑制蛋白結合 附
•
色胺酸過多時
：色胺酸與抑制蛋白結合，附
著於操縱子上 抑制基因的表現回饋抑制
著於操縱子上，抑制基因的表現回饋抑制
控制作用
(為T
t h
輔助抑制子
控制作用。
(為Tryptophan operon輔助抑制子
(
)
(co-repressor)
乳糖操縱組與色胺酸操縱組的差異性
糖
組與 胺酸
組的 異性
乳糖操縱組 色胺酸操縱組 抑制蛋白是否可與操作子結 合? 有無活性？ 否 是 否 合? 有無活性？ 誘導物 乳糖 無 具有活性 不具活性 誘導物 乳糖 無 乳糖 不需 共同抑制物 不需 過量的 色胺酸 操縱組類型 無 色胺酸 色胺酸 誘導型 抑制型 代謝途徑(同化或異化)？ 誘導型 抑制型 異化途徑 同化途徑 代謝途徑(同化或異化)？ 異化途徑 同化途徑四、阿拉伯糖操縱組(arabinose operator)
(
p
)
阿拉伯糖操縱子是指令合成糖分解代謝所需酵素的操縱子 • 阿拉伯糖操縱子是指令合成糖分解代謝所需酵素的操縱子，
它具有正、負調節的功能。 它具有正 負調節的功能
Regulation of the arabinose operon
Regulation of the arabinose operon
(cAMP receptor protein)
