第七章原核基因表达调控总结ppt课件.ppt

第七章 原核基因表达调控,一、原核基因表达调控总论二、乳糖操纵子与负控诱导系统三、色氨酸操纵子与负控阻遏系统四、其他操纵子五、固氮基因调控六、转录水平上的其他调控方式七、转录后调控,概 述,基因表达调控,DNA,RNA,蛋白质,复制,转录,翻译,逆转录,R,N,A,复制,基因表达基因转录及翻译的过程。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达,RNA,对基因表达过程的调节称为基因表达调控（gene regulation或gene control）。,基因表达的方式,组成性表达 (constitutive expression) 适应性表达 (adaptive expression）,组成性表达：,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为看家基因(housekeeping gene)。组成性基因表达不是一成不变的，其表达强弱也受一定机制调控。,指不大受环境变动而变化的一类基因表达。,适应性表达 指环境变化容易使表达水平变动的一类基因表达。适应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)；随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。,基因表达的规律时间性及空间性,时间特异性 (temporal specificity) 某些基因的表达严格按特定的时间顺序生，称之为基因表达的时间特异性。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。,骨髓,卵黄囊,脾,肝脏,骨髓,空间特异性(spatial specificity),在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现,空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,基因表达的一般规律： 在需要时表达开 (turn on)， 不需要时不表达关(turn off)。“关”：基因的表达量特别低生物的基因表达受着严密和精确的调控，基因表达调控是生命本质所在，是生物适应环境生存的必然结果。,基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化基因表达调控的环节：基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工,真核与原核生物转录及翻译调控的总体特征比较,一、原核基因表达调控总论(1) 转录水平上的调控;(2) 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,原核生物中，营养状况（nutritional status）和环境因素（environmental factor）对基因表达起着举足轻重的影响。在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。,1961年，Monod和Jacob提出,转录水平上的调控机制：操纵子学说,获1965年诺贝尔生理学和医学奖,多个结构基因,操纵区,操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。,乙酰基转移酶,半乳糖苷透性酶,-半乳糖苷酶,操纵位点,乳糖操纵子结构,调节基因,（1）根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答机制不同，可分为： 正转录调控 负转录调控,1、原核基因调控分类,激活蛋白,正转录调控,正转录调控：调节蛋白是激活蛋白,在没有调节蛋白存在时结构基因是关闭的，加入调节蛋白质后基因转录被开启，称为正转录调控。,调节基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,负转录调控,负转录调控：调节蛋白是阻遏蛋白,在没有调节蛋白存在时结构基因是表达的，加入调节蛋白质后基因表达被关闭，称为负转录调控。,可诱导调节：结构基因在特殊代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态。例如：大肠杆菌乳糖操纵子,（2）根据操纵子对效应物应答机制的不同，分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：p250,结构基因的表达还受某些小分子物质（效应物）的调控。,可诱导调节,某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。,可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子,调节基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,辅阻遏物,mRNA,酶蛋白,可阻遏调节,调节基因,操纵基因,结构基因,无活性阻遏蛋白,（3）在负转录调控系统中，调节基因产物是阻遏蛋白，起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。,(4)因子参与大肠杆菌基因表达调控 存在6种因子，其中70是调控最基本的生理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。除参与氮代谢的54外，其它5种因子在结构上具有同源性，所以统称70家族。,大肠杆菌中的各种因子比较,所有因子都含有4个保守区，其中第2个和第4个保守区参与结合启动区DNA，第2个保守区的另一部分还参与双链DNA解开成单链的过程。不同因子结合DNA的序列及结合顺序不完全相同。,2、原核基因调控的主要特点通过特殊代谢物调节基因的活性主要有可诱导和可阻遏两大类（1）可诱导调节：（2）可阻遏调节：,规律：可诱导基因总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因。而可阻遏基因是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质（如氨基酸、嘌呤和嘧啶等）的基因。,3、弱化子对基因活性的影响,属于这种调节方式的有大肠杆菌色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子等。起信号作用的是有特殊负载的氨基酰-tRNA的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的一段核苷酸被称为弱化子。,有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。,4、降解物对基因活性的调节,5、细菌的应急反应,细菌在紧急状况，如氨基酸全面匮乏时。会产生应急反应，包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp）。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。,氨基酸饥饿时，细胞中存在大量不带氨基酸的tRNA，这种空载tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp会关闭许多基因，同时也会打开一些合成氨基酸的基因，以应付紧急状况。ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，不只影响一个或几个操纵子，影响一大批操纵子，是超级调控因子。,二、乳糖操纵子(lac operon),乳糖操纵子的结构酶的诱导lac体系受调控的证据乳糖操纵子调控模型影响因子Lac操纵子中的其他问题,乳糖操纵子模型的建立(Jacob and Monod, 1961),获1965年诺贝尔奖,（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成,I,Z编码-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y编码-半乳糖苷透过酶：使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：将乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,（二）酶的诱导-lac体系受调控的证据,在不含乳糖及-半乳糖苷的培养基中，lac+基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有12个酶分子。如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个酶分子。,实验证据,安慰诱导物,乳糖IPTG(异丙基巯基半乳糖苷)TMG(巯甲基半乳糖苷)ONPG(O-硝基半乳糖苷),如果某种物质能够诱导细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物,pUC18,Ap,r,lacZ,ori,Ap + X-gal,重组子（Apr + lacZ-）,基因工程的蓝白斑筛选,蓝白显色筛选法,（三） lac操纵子模型及其影响因子,Lac操纵子模型,控制区,信息区,乳糖操纵子模型,1、Z、Y、A基因的产物为一条多顺反子mRNA,lacZ：编码-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。,2、P区位于I与O之间，O为阻遏物结合位点,启 动 子 RNA聚合酶结合位点 调节基因 CAP结合位点 操 纵 基 因 Z基因 阻遏蛋白结合位点,3. Lac操纵子P、O区的重叠,4、 CAP的正性调节,5、 协调调节,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,乳糖操纵子的影响因子,1、lac操纵子的本底水平表达,乳糖,有两个矛盾是操纵元理论所不能解释的：诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成又需要诱导物诱导。解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？,lac操纵子的本底水平表达,真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有-半乳糖甘酶的预先存在。解释：本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lac mRNA合成。,lac操纵子的本底水平表达,2、大肠杆菌对乳糖的反应,碳源为甘油的培养基,培养基：甘油 按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的-半乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶；培养基：加入乳糖少量乳糖,透过酶,进入细胞,-半乳糖苷酶,异构乳糖,诱导物,诱导lac mRNA的生物合成,大量乳糖进入细胞,多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）,异构乳糖,诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响,诱导物的加入和去除对半乳糖苷酶的影响,乳糖对lac操纵子的影响,3、阻遏物lacI基因产物及功能,弱启动子控制的组成型合成,4、葡萄糖对lac操纵子的影响,代谢物阻遏效应研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制lac mRNA的合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应.,（四）lac操纵子中的其他问题,（一）A基因及其生理功能,-半乳糖苷酶,透过酶,乙酰基转移酶,（二）lac基因产物数量上的比较,Z、Y、A三个基因产物的拷贝数比例为1：0.5：0.2,1、Lac mRNA可能在翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译。,原因：在翻译水平上的调节,2、Lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更易受内切酶作用发生降解，故Z基因的完整拷贝数要比A基因多。,原因：在翻译水平上的调节,降解,乳糖操纵子的调控模型,乳糖操纵子的组成：大肠杆菌乳糖操纵子含 Z、Y、A 三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵序列 O，一个启动子 P 和一个调节基因I。阻遏蛋白的负性调节：没有乳糖存在时，I 基因编码的阻遏蛋白结合于操纵序列 O 处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分解乳糖的三种酶；有乳糖存在时，乳糖作为诱导物诱导阻遏蛋白变构，不能结合于操纵序列，乳糖操纵子被诱导开放合成分解乳糖的三种酶。所以，乳糖操纵子的这种调控机制为可诱导的负调控。,乳糖操纵子的调控模型,CAP 的正性调节：在启动子上游有 CAP 结合位点，当大肠杆菌从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，cAMP 浓度升高，与 CAP 结合，使 CAP 发生变构，CAP 结合于乳糖操纵子启动序列附近的 CAP 结合位点，激活 RNA 聚合酶活性，促进结构基因转录，调节蛋白结合于操纵子后促进结构基因的转录，对乳糖操纵子实行正调控，加速合成分解乳糖的三种酶。协调调节：乳糖操纵子中的 I 基因编码的阻遏蛋白的负调控与 CAP 的正调控两种机制，互相协调、互相制约。,色氨酸操纵子与负控阻遏系统,可诱导调节：调节分解代谢的操纵子，同时受cAMP-CAP的活性调节,可阻遏调节：调节合成代谢的操纵子,特殊代谢物调节基因活性的类型,一、 trp操纵子的阻遏系统,（一） trp操纵子的研究背景,酶合成阻遏的现象Jacob and Monod的工作,（二） trp操纵子的结构,阻遏型操纵子,trpA,trpB,trpC,trpE,trpD,Ptrp Otrp,前导序列 a,Trp 阻抑物 色氨酸,激活,RNA,trpE trpD trpC trpB trpA,色氨酸合成所需的酶,trpR,酶阻遏的操纵子模型,辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构基因表达.,辅阻遏蛋白,（三） trp操纵子的阻遏调控机制,色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。 色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。,Trp 浓度高时,Trp浓度低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,色氨酸操纵子阻遏调节,?,二、 弱化子与前导肽,（一）弱化子,在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.,前导序列,RNA聚合酶,起调节作用的是某种氨酰-tRNA的浓度,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构就是终止子可使转录,RNA聚合酶,终止,（二）前导肽,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,5,trp mRNA trpL,1 2,3 4,寡聚U区,trpE,(a) 正常,(b) 高 Trp,1,2,转录终止,3 4,(C) 低Trp,1,2 3,4,转录延伸,弱化作用,当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的tRNATrp也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区（或停留在两个相邻的trp密码子处），这时的前导区结构是2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，所以转录可继续进行，直到将trp操纵子中的结构基因全部转录。当培养基中色氨酸浓度较高时，核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前就到达2区，使2-3区不能配对，3-4区自由配对形成基一环终止子结构，转录被终止，trp操纵子被关闭。,p265,（三）弱化子的生物学意义,活性阻遏物和非活性阻遏物的转变可能较慢，而tRNA荷载与否可能更为灵敏；氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而以tRNA荷载情况为标准来进行控制可能更为恰当.当细胞内氨基酸高于某一水平时，可以实现完全的阻遏；而只有低于这一水平时，才需用弱化子这个调节系统来进行调节，阻遏蛋白和弱化子调节机制都是为了避免浪费，提高效率。,第四节 其他操纵子（自学）第五节 固氮基因调控（自学）,第六节 转录后调控,一、翻译起始的调控,1、SD序列对翻译的影响SD序列：mRNA起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。(9-12bp) 5-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3SD序列的顺序及位置对翻译的影响SD与AUG之间相距一般以4-10个核苷酸为佳，9个核苷酸最佳。,实验证据RNA引物由 dnaG 基因编码的引物酶催化合成dnaG、rpoD 及rpsU 属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子基因转录出来的三个蛋白相应的mRNA拷贝数大体相同，由于翻译的调控使得蛋白的拷贝数发生了很大的变化。,二、稀有密码子对翻译的影响,由于细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。,三、重叠基因对翻译的影响,A基因,B基因,A基因终止密码子与B基因的起始密码子重叠,trp操纵子trpE基因与trpD基因的翻译偶联机制,trpE苏氨酸苯丙氨酸终止,ACU-UUC-UGA-UGG-CU,AUG-GCU,甲硫氨酸丙氨酸trpD,重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。偶联翻译是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段。,重叠基因对翻译的影响,四、魔斑核苷酸水平对翻译的影响,空载氨酰-tRNA对蛋白质和RNA的合成速度进行调控,（一）严紧控制和松散控制,1、严紧控制（基因型rel）,当细菌处于饥饿条件下，缺乏维持蛋白质合成的氨基酸，其大部分活性区域将被关闭，此称之为严禁控制。严禁控制导致两种特殊的核苷酸积累：PPGpp、pppGpp,2、松弛控制（基因型rel-）,松弛突变株（基因型rel- ）去除了严禁控制反应；蛋白质合成停止，但RNA的合成速度没有下降；氨基酸的匮乏不会导致（p）ppGpp的合成；若有严禁因子存在，也能合成（p）ppGpp.,原核生物基因表达调控机制,转录激活水平上的调控转录后调控,