原核基因表达调控.ppt

Chapter-6,Expression and Regulation of Prokaryotic Gene,Of the 4,000 or so genes in the typical bacterial genome,or the perhaps 35,000 genes in the human genome,only a fraction are expressed in a cell at any given time.Some gene products are present in very large amounts:the elongation factors required for protein synthesis,for example,are among the most abundant proteins in bacteria,and ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase(rubisco)of plants and photosynthetic bacteria is,as far as we know,the most abundant enzyme in the biosphere.,Other gene products occur in much smaller amounts;for instance,a cell may contain only a few molecules of the enzymes that repair rare DNA lesions.Requirements for some gene products change over time.The need for enzymes in certain metabolic pathways may wax and wane as food sources change or are depleted.During development of a multicellular organism,some proteins that influence cellular differentiation are present for just a brief time in only a few cells.Specialization of cellular function can dramatically affect the need for various gene products。,Center law,Contents,基因表达调控的基本概念原核基因调控机制乳糖操纵子色氨酸操纵子其他操纵子转录后水平上的调控,基因表达的多种阶段 信息从基因到产物转化途径可分成许多被调控的阶段。,第一节 基因表达调控的基本概念,一、基因表达的概念gene expression：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为gene regulation。,rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达,组成性表达(constitutive expression)适应性表达(adaptive expression）,二、基因表达的方式,1、组成性表达：,指不大受环境变动而变化的一类基因表达。,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。,2、适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。,三、基因表达的规律 时间性和空间性,1、时间特异性（temporal specificity）,2、空间特异性(spatial specificity),基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue 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，称之为基因表达的空间特异性。,四、基因表达调控的两种策略 on-off&up-down,1、开-关调节（On-off control）,2、升-降调节（Up-down control）,五、基因表达调控的生物学意义,适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）维持个体发育与分化（真核）,第二节 原核基因调控机制,内容提要：原核基因表达调控环节操纵子学说原核基因调控机制的类型与特点转录水平上调控的其他形式,一、原核基因表达调控环节,1、转录水平上的调控（transcriptional regulation）2、转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation）mRNA加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控,二、操纵子学说1、操纵子模型的提出1961年，Monod和Jacob提出获1965年诺贝尔生理学和医学奖,操纵子学说,乳糖进入肠道后，大肠杆菌会立刻制造出一些特殊的酶，其中最主要的为b-半乳糖苷酶，来吸收和利用作为细胞能源的乳糖。法国科学家Monod和Jacob发现，大肠杆菌在不含乳糖的葡萄糖培养基中不会分泌b-半乳糖苷酶；相反，含有乳糖时，会合成b-半乳糖苷酶，使乳糖水解。经过一系列的实验后，他们又发现，大肠杆菌在没有乳糖的环境中不产生编码b-半乳糖苷酶的mRNA。1961年，他们提出了一种模型即乳糖操纵子学说。,Jacob and Monod,2、操纵子的定义,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。,1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答，可分为：正转录调控 负转录调控,三、原核基因调控机制的类型与特点,激活蛋白,正转录调控,负转录调控,正转录调控,如果在没有调节蛋白质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，这样的调控正转录调控。,激活蛋白,正转录调控,负转录调控,负转录调控,在没有调节蛋白质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，这样的调控负转录调控。,可诱导调节：指一些基因在特殊的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，即在某些物质的诱导下使基因活化。例：大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因,2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：,酶合成的诱导操纵子模型,诱导物,如果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 合成代谢蛋白的基因,酶合成的阻遏操纵子模型,调节基因,操纵基因,结构基因,mRNA,酶蛋白,调节基因,操纵基因,结构基因,辅阻遏物,辐阻遏物,如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。,3、在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），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、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在使激活蛋白处于非活性状态。,四、转录水平上调控的其他形式,1、因子的更换 在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。,大肠杆菌中的各种因子比较,温度较高,诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要,枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达,2、降解物对基因活性的调节3、弱化子对基因活性的影响,第三节 乳糖操纵子(lac operon),内容提要：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,一、乳糖操纵子的结构,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：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,安慰诱导物：如果某种物质能够促使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，如IPTG（异丙基-D-硫代半乳糖苷）。,三、乳糖操纵子调控模型,主要内容：Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码,这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区（P），不能单独起动合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。,操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。,RNA聚合酶结合部位,阻遏物结合部位,操纵位点的回文序列,当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。,诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。,乳糖操纵子的负调控,调节基因,操纵基因,乳糖结构基因,P,LacZ,LacY,Laca,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,启动子,O,R,A、乳糖操纵子的结构,B、乳糖酶的诱导,阻遏蛋白（有活性）,组成型突变：lacOc,组成型突变：lacI-,不可诱导突变（超阻遏）：,四、影响因子,1、lac操纵子的本底水平表达有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：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，后者的合成有需要诱导。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？,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。,2、大肠杆菌对乳糖的反应,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,乳糖,诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响,3、阻遏物lac I基因产物及功能,Lac 操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。,4、葡萄糖对lac操纵子的影响,如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，lac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。代谢物阻遏效应,5、cAMP与代谢物激活蛋白,代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（CRP）,cAMPCAP复合物,ATP,腺甘酸环化酶,cAMP（环腺甘酸）,大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；有葡萄糖，cAMP浓度低,乳糖操纵子的正调控,R,LacZ,LacY,Laca,mRNA,CAP基因,结构基因,T,CAP,O,CAP结合部位,RNA聚合酶,T,cAMP-CRP,P,CAP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein）,使CAP呈失活状态,无葡萄糖，cAMP浓度高时促进转录,有葡萄糖，cAMP浓度低时不促进转录,CAP的正调控,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。cAMPCAP复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。,协调调节,葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。,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。,The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not Lactose,RNAPol.,Come on,let me through,No wayJose!,The Lac Operon:When Lactose Is Present But Not Glucose,Lac,This lactose has bent me out of shape,Bind to mePolymerase,RNAPol.,Yipee!,The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is Present,Bind to mePolymerase,RNAPol.,STOPRight therePolymerase,Come on,let me through!,五、Lac操纵子中的其他问题,1、A基因及其生理功能,半乳糖甘分子（IPTG）,-半乳糖苷酶,分解产物（体内积累）,-半乳糖苷乙酰基转移酶,半乳糖苷分子（IPTG）,乙酰基,2、lac基因产物数量上的比较-半乳糖苷酶：透过酶：乙酰基转移酶=1：0.5：0.2翻译水平上受到调节：（1）lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译；（2）在 lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。,3、操纵子的融合与基因工程,P,O,Z,Y,A,tsx,P,O,pur结构基因,缺失,lac operon,pur operon,思考题1：你认为该图说明了什么问题?,思考题2：你认为该图又说明了什么问题?,第四节 色氨酸操纵子（trp operon）,内容提要：色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的弱化机制,一、色氨酸操纵子的结构 调控基因 结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸 的酶,trpR,trp,特点:(1)trpR和trpABCDE不连锁；(2)操纵基因在启动子内(3)有衰减子(attenuator)/弱化子(4)启动子和结构基因不直接相连，二者被 前导序列(Leader)所隔开,二、trp 操纵子的阻遏系统,低Trp时：阻遏物不结合操纵基因;高Trp时：阻遏物+Trp 结合操纵基因,三、trp 操纵子的弱化机制,衰减子（attenuator）/弱化子前导序列（leader sequence）,1、弱化子：DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150区）。,123150,研究引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。,2、前导序列：在trp mRNA5端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。,3、弱化机制,前导肽,转录终止结构,细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。,第五节 其他操纵子,一、半乳糖操纵子(galactose operon),异构酶(galE)乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)半乳糖激酶(galk)。,gal操纵子的特点：它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；它有两个O区，一个在P区上游，另一个在结构基因galE内部。,二、阿拉伯糖操纵子（arabinose operon),araB基因、araA基因和araD,形成一个基因簇，简写为araBAD,三个基因的表达受到ara操纵子中araC基因产物AraC蛋白的调控。,ara操纵子的调控有两个特点：第一，araC表达受到AraC的自身调控。第二，AraC既是ara操纵子的正调节蛋白（需cAMP-CRP的共同参与，起始转录），又是其负调节蛋白。这种双重功能是通过AraC蛋白的两种异构体来实现的（Pi和Pr)。,三、阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答,SOS反应的机理：由 RecA 蛋白和 LexA 阻遏物的相互作用引起的。LexA阻遏物：是SOS DNA修复系统所有基因的阻遏物RecA蛋白：是SOS反应的最初的发动因子。在单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解LexA阻遏物。当RecA水解LexA阻遏物后，导致SOS体系（包括recA基因）高效表达，DNA得到修复,一、翻译起始的调控 RBS（核糖体结合位点）：mRNA链上起始密码子AUG上游的一段非翻译区。RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码子AUG之间的距离。SD-4-10（9）-AUG,第六节 转录后水平上的调控,二、稀有密码子对翻译的影响,dnaG(引物酶)RNA引物,dnaG、rpoD和rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子,50个拷贝的dnaG蛋白、2800个拷贝的rpoD和40000个拷贝的rpsU,几种蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较,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,TrpB 谷氨酸-异亮氨酸-终止 GAA-AUC-UGA-UGG-AA AUG-GAA 甲硫氨酸 谷氨酸trpA,trpE苏氨酸苯丙氨酸终止 ACU-UUC-UGA-UGG-CU AUG AUG GCU 甲硫氨酸-丙氨酸-trpD,翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码子保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。,4.RNA高级结构对翻译的影响 以RNA噬菌体f2的RNA作为模板，在大肠杆菌无细胞系统中进行蛋白质合成时，大部分合成外壳蛋白，RNA聚合酶只占外壳蛋白的1/3。用同位素标记分析RNA噬菌体几种蛋白质的起译过程，发现外壳蛋白起译频率比合成酶至少要高3倍。,5.魔斑核苷酸水平对翻译的影响 科学上，把培养基中营养缺乏，蛋白质合成停止后，RNA合成也趋于停止这种现象称为严紧控制（rel+）；反之则称为松散控制（rel-）。研究发现，在氨基酸缺乏时，rel+菌株能合成鸟苦四磷酸（ppGpp）和五磷酸（pppGpp），而rel-菌则不能。GTP+ATPpppGpp+AMPppGpp,ppGpp的主要作用可能是影响RNA聚合酶与启动子结合的专一性，从而成为细胞内严紧控制的关键。当细胞缺乏氨基酸时产生ppGpp，可在很大范围内做出应急反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。,1、关于管家基因叙述错误的是(A)在生物个体的几乎各生长阶段持续表达(B)在生物个体的几乎所有细胞中持续表达(C)在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中表达(D)在生物个体的某一生长阶段持续表达(E)在一个物种的几乎所有个体中持续表达,D,2、一个操纵子（元）通常含有(A)数个启动序列和一个编码基因(B)一个启动序列和数个编码基因(C)一个启动序列和一个编码基因(D)两个启动序列和数个编码基因(E)数个启动序列和数个编码基因,B,3、下列情况不属于基因表达阶段特异性的是，一个基因在(A)分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的心肌细胞不表达(B)胚胎发育过程不表达，出生后表达(C)胚胎发育过程表达，在出生后不表达(D)分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的骨骼肌细胞不表达(E)分化的骨骼肌细胞不表达，在未分化的骨骼肌细胞表达,A,4、乳糖操纵子（元）的直接诱导剂是(A)葡萄糖(B)乳糖(C)一半乳糖苷酶(D)透酶(E)异构乳糖,E,5、Lac阻遏蛋白结合乳糖操纵子（元）的(A)CAP结合位点(B)O序列(C)P序列(D)Z基因(E)I基因,B,6、cAMP与CAP结合、CAP介导正性调节发生在(A)葡萄糖及cAMP浓度极高时(B)没有葡萄糖及cAMP较低时(C)没有葡萄糖及cAMP较高时(D)有葡萄糖及cAMP较低时(E)有葡萄糖及CAMP较高时,C,7、Lac阻遏蛋白由(A)Z基因编码(B)Y基因编码(C)A基因编码(D)I基因编码(E)以上都不是,D,8、色氨酸操纵子（元）调节过程涉及(A)转录水平调节(B)转录延长调节(C)转录激活调节(D)翻译水平调节(E)转录翻译调节,E,(A)Lac阻遏蛋白(B)RNA聚合酶(C)环一磷酸腺苷(D)CAP-cAMP(E)异构乳糖 9、与O序列结合 10、与P序列结合 11、与CAP结合 12、与CAP位点结合,A,B,C,D,13、乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物质在基因表达调控中作用的共同特点是A与启动子结合B与DNA结合影响模板活性C与RNA聚合酶结合影响其活性D与蛋白质结合影响该蛋白质结合DNA E与操纵基因结合,D,14、DNA损伤修复的SOS系统A是一种保真性很高的复制过程BLexA蛋白是一系列操纵子的阻遏物CRecA蛋白是一系列操纵子的阻遏物D它只能修复嘧啶二聚体,B,15、以下关于cAMP对原核基因转录的调控作用的叙述错误的是AcAMP可与分解代谢基因活化蛋白(CAP)结合成复合物BcAMP-CAP复合物结合在启动子前方C葡萄糖充足时，cAMP水平不高D葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用乳糖E葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用葡萄糖,D,21、Lac 阻遏蛋白由 _ 基因编码，结合 _ 序列对 Lac 操纵子（元）起阻遏作用。22、Trp 操纵子的精细调节包括 _ 及 _ 两种机制。,I,O,阻遏机制,弱化机制,