原核生物基因表达调控 (I).ppt
10.Prokaryotic gene regulation,10.1 Introduction of gene regulation 10.2 Gene regulation in Prokaryotes10.3 Operon10.4 lac operon regulation10.5 trp Operon10.6 ara Operon10.7 Post-transcription regulation（自学）,学习目标要求,掌握：（1）操纵子概念及其基本组成单位（2）Lac操纵子机制（3）Trp操纵子机制熟悉：（1）操纵子学说了解：（1）基因表达概念（2）ara操纵子机制,10.1 Introduction of gene regulation,基因表达(gene expression)储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。但是rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。,基因表达特点 生物基因组所含的全部基因并不是同时、全部和以同样的强度都表达出来的。基因表达的组织特异性：不同组织细胞中表达的基因数量不同，基因表达的强度和种类也各不相同。基因表达的时间特异性：细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同。,基因表达调控(gene expression control)生物体内基因表达的调控机制是细胞中基因表达在时间、空间上处于有序状态，并对环境条件的变化作出适应反应的复杂过程。基因水平 转录水平 基因表达调控 转录后水平 翻译水平 翻译后水平,我们将集中讨论细菌的相应基因调控的步骤上。从基因调控的一般机理和原则开始，并学习几个研究较为透彻的例子。,10.2 Gene regulation in Prokaryotes,10.2.1 原核基因表达调控总论 原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的环境中，食物供应毫无保障，只有能根据环境条件的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。自然选择倾向于保留高效率的生命过程。,基因的表达可在多个阶段受到调控，最为常见的是在转录起始阶段。这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达、即经济有效，又保证其生命活动的需要。调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制。,10.2.2 原核基因调控机制的类型与特点,10.2.2.1 正调控系统 转录水平的调控机制 基因常常由外部信号控制。在细菌中，主要是由培养基中存在的分子信号控制。这些信号由调控蛋白传送给基因（要表达的结构基因）。调控蛋白可分为两类：正调控蛋白或活化子(activator)，负调控蛋白或抑制子(repressor)。这些调控蛋白通常都是DNA结合蛋白，它们识别受其调控的基因上的或基因附近的特异位点。活化子增强受调控基因（结构基因）的转录，抑制子降低或消除相应基因（结构基因）的转录。根据调控蛋白的作用性质，又可分为可诱导的正调控和可阻遏的正调控。,了解,调节基因编码的激活蛋白可与启动子结合，促进结构基因的转录，但当这种激活蛋白与辅阻遏物结合后就失去了激活能力，使结构基因不能转录。,了解,10.2.2.2 负调控系统转录水平的调控 调节基因的产物是阻遏蛋白。根据其作用特征又可分为可诱导的负调控和可阻遏的负调控。,调节基因编码的阻遏蛋白与操纵基因结合，可阻止结构基因的转录，但有诱导物存在时，但有诱导物存在时，它与阻遏蛋白结合从而解除对结构基因转录的抑制。,了解,调节基因编码的阻遏蛋白并不影响结构基因的转录活性，但它与辅阻遏物结合以后，则能影响操纵基因，抑制结构基因的转录。辅阻遏物一般是合成代谢的终产物。,了解,Jacob和Monod根据对lac Z,Y,A基因突变体的研究,于1961年提出了操纵子学说，1965年他们获诺贝尔生理学和医学奖。,10.3 Operon操纵子(operon)学说,一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵位点组成一个转录单元。这个单元就称其为操纵子。,重点,结构基因(Structural Gene,SG)操纵子中被调控的、编码蛋白质或RNA的基因。一个操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达十几个。各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。,10.3.2 操纵子(operon)的基本组成,操纵基因(operator)能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当与调节基因所编码的阻遏蛋白结合时，会影响其下游基因转录的强弱。,调节基因(regulator gene)是编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录的影响，这些特定物质可称为效应物，其中凡能引起诱导发生的分子称为诱导剂，能导致阻遏发生的分子称为阻遏剂或辅助阻遏剂。启动子终止子,相关概念以上5种元件是每一个操纵子必定含有的。其中启动子、操纵基因位于紧邻结构基因群的上游，终止子在结构基因群之后，它们都在结构基因的附近，只能对同一条DNA链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗传学实验上称为顺式作用，启动子、操纵基因和终止子就属于顺式作用元件。,了解,调控基因可以在结构基因群附近、也可以远离结构基因，它是通过其基因产物及调控蛋白来发挥作用的，因而调控基因不仅能对同一条DNA链上的结构基因起表达调控作用，而且能对不在一条DNA链上的结构基因起作用，在遗传学实验上称为反式作用，调控基因就属于反式作用元件，其编码产生的调控蛋白称为反式作用因子。,了解,10.3.3 操纵子调控的分子机理,Control element,Structural genes,调节基因产生的阻遏蛋白与操纵位点结合从而阻碍了结构基因转录成为mRNA;而诱导物又可以与阻遏蛋白相结合从而阻止阻遏蛋白与操纵基因的结合,10.3.4 Several operons,乳糖操纵子模型提出以后,人们相继了解了许多其它的操纵子,这些操纵子都各有其特点。半乳糖操纵子具有双启动子结构;阿拉伯糖操纵子的调节蛋白质具有正控制和负控制的双重功能;色氨酸操纵子是一个可阻遏的操纵子。,10.4 lac operon regulation,10.4.1 大肠杆菌乳糖操纵子调控模型的主要内容,结构基因Z、Y、A的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码；启动区P位于阻遏基因I与操纵基因O之间；操纵基因是DNA上的一小段序列，是阻遏物结合的位点；,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，改变其三维构象，使之不能与操纵基因结合，使lac mRNA能够合成。,乳糖操纵子的三个结构基因Z、Y和A,lacZ基因编码半乳糖苷酶，催化乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY基因编码半乳糖通透酶，促使环境中的乳糖进入细菌；lacA基因编码转乙酰基酶，以二聚体活性形式催化半乳糖的乙酰化。由于z、y、a三个基因头尾相接，上一个基因的翻译终止码靠近下一个基因的翻译起始码，因而同一个核糖体能沿此转录生成的多顺反子mRNA移动，在翻译合成了上一个基因编码的蛋白质后，不从mRNA上掉下来而继续沿mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质，一气依次合成基因群所编码的所有蛋白质。,lac操纵序列位点由具有回文结构的28bp碱基组成。操纵基因的这种反向重复对称正好与由4个相同亚基组成的乳糖阻抑物(lac repressor,lacI编码)的内部对称相匹配。,10.4.2 乳糖操纵子的表达调控 转录起始的调控,每一个调控蛋白分别响应一种环境信号并将其传递给lac基因。抑制子Lac repressor的负性调控 Lac抑制子介导乳糖信号活化子CAP(Catabolite Activator Protein,代谢产物激活蛋白)的正性调控 CAP介导葡萄糖信号,重点,10.4.2.1 Lac 抑制子的负性调控大肠杆菌在无乳糖的环境中：lacI基因低水平、组成性表达 产生抑制子Repressor(每个细胞中仅维持约10个分子)Repressor以四聚体形式与operator结合(阻碍RNA聚合酶与启动子Plac的结合)阻止基因转录起始 lac操纵子被阻遏(Repressor的阻遏作用不是绝对的，repressor与operator偶尔解离，使细胞中还有极低水平的半乳糖苷酶及透过酶的生成。),重点,了解：Repressor抑制作用的三种途径:阻碍RNA聚合酶同promoter的结合。阻止开放复合体的形成；阻止RNA聚合酶从启动子区域的离开,lac操纵基因序列与promoter有重叠部分,因此当repressor 同operator 结合后自然就阻碍RNA聚合酶同promoter的结合。,当有乳糖存在时：半乳糖苷酶催化乳糖转变为别乳糖别乳糖与Repressor结合Repressor构象变化，失去与operator的亲和力与operator的解离致使转录的开始半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加1000倍 这就是乳糖对Lac操纵子的诱导作用。,10-1,重点,一些化学合成的乳糖类似物，不受半乳糖苷酶的催化分解，却也能与R特异性结合，使R构象变化，诱导1ac操纵子的开放。,例如：异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)就是很强的诱导剂，不被细胞代谢而十分稳定。Xgal(5溴4氯3吲哚半乳糖苷)也是一种人工化学合成的半乳糖苷，可被半乳糖苷酶水解产生蓝色化合物，因此可以用作半乳糖苷酶活性的指示剂。IPTG和Xgal都被广泛应用在分子生物学和基因工程的工作中。,了解,CAP即为代谢活化子蛋白(catabolic activator protein)，这一活化子也被称为CRP(cAMP受体蛋白，cAMP receptor protein)。,10.4.2.2 CAP的正性调控,RNA聚合酶在CAP的协助下结合到lac启动子，lac启动子被CAP激活。,CAP结合位点(cap site)的结构同operator 相似，是一段位于转录起始位点上游60 bp 的序列。CAP增强了RNA聚合酶同启动子的结合。,了解：细菌中的cAMP（环腺苷酸）含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖分解供给能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。细菌中有一种能与cAMP特异结合的cAMP的受体蛋白CAP，当CAP未与cAMP结合时它是没有活性的，当cAMP浓度升高时，CAP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。,葡萄糖水平低，cAMP水平高，CAP结合DNA，激活lac基因。,葡萄糖含量低时：CAP特异结合CAP结合位点(在lac操纵子的启动子Plac上游端有一段与Plac部分重叠的序列)RNA聚合酶同启动子的结合，激活转录,葡萄糖含量多时：cAMP浓度降低，CAP无活性lac操纵子的结构基因表达下降,重点,不难看出：CAP结合位点就是一种起正性调控作用的操纵基因，CAP则是对转录起正性作用的调控蛋白及激活蛋白，编码CAP的基因也是一个调控基因，不过它并不在lac操纵子的附近，CAP可以对几个操纵子都起作用。,总结：乳糖和葡萄糖的有无控制着lac基因表达的水平。高水平表达要有乳糖的存在（也就是无Lac抑制子repressor），同时无葡萄糖（有活化子CAP），激活lac基因的转录。所以，这两种调控蛋白联合作用保证lac基因在乳糖存在并缺少葡萄糖的环境中以显著水平表达。,重点,10.5色氨酸操纵子 转录起始后表达调控 色氨酸(trp)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，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵子(trp operon)的调控，色氨酸操纵子负责色氨酸的生物合成。,10.5.1 色氨酸操纵子的结构,结构基因：色氨酸的合成分5步完成。每个环节需要一种酶，编码这5种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子mRNA上，分别以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表，编码了邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油-3-磷酶合成酶。,调节基因 trpR基因以组成性方式、低水平表达阻遏物R,该基因距trp基因簇很远，R并没有与operator结合的活性，只有与色氨酸相结合才形成有活性的阻遏物，因此被称为辅阻遏蛋白(aporepressor)。色氨酸则是辅抑制子(corepressor)。操纵基因 trpO与Promoter序列几乎重合。,当环境能提供足够浓度的色氨酸时：R与色氨酸结合R构象变化而活化与o特异性结合阻遏结构基因的转录,10.5.2 色氨酸操纵子的阻遏调控,这是属于一种负性调控的、可阻遏的操纵子(repressible operon)。trp操纵子通常是开放转录的，当有效应物(色氨酸为阻遏剂)作用时，则发生阻遏，关闭转录。细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。,10-2,10.5.3 色氨酸操纵子的衰减子调控 弱化调控阻遏-操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主管转录是否启动（RNA聚合酶却不总是将trp结构基因全部转录，转录会被提前终止），相当于粗调开关。trp操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个系统进行细调控，指示已经启动的转录是否继续下去。可以克服转录的提前终止，称为衰减作用(attenuation)。,在色氨酸操纵子Ptrp-o与第一个结构基因trpE之间有162bp的一段先导序列、前导区(Leader sequence)，先导序列的末端、trpE之前，有一个典型转录终止子的结构特点，在RNA中有典型的发夹结构，紧接着的是8个鸟苷酸碱基。在这一所谓的衰减子处，转录通常会停止，产生一个139bp核苷酸长度的先导RNA。实验证明当色氨酸达一定浓度时，RNA聚合酶的转录会终止在这里。,Trp前导区序列可分为1、2、3、4区域，这四个区域的片段能以两种不同的方式进行碱基配对，有时以1-2和3-4，有时只以2-3配对。,前导序列的终止区与一般的转录终止位点相同，具有潜在的二重对称结构能形成茎环，并具有成串的U。,Trp操纵子的转录弱化效应a.高色氨酸时，3-4配对形成终止密码子识别区，只有10%的RNA pol继续参与Trp操纵子结构基因的转录；b.低色氨酸时，核糖体停在色氨酸密码子附近，使得2-3配对，因此阻止了3-4终止发夹的形成，转录继续进行，直至结构基因转录完成；c.如果无核糖体起始先导肽的AUG的翻译，1-2形成发夹，阻止了2-3发夹的形成，允许3-4形成发夹，酶不表达，无蛋白质合成。,10.6 ara Operon10.6.1 ara操纵子的结构结构基因 基因簇araBAD分别编码核酮糖激酶、L-阿拉伯糖异构酶、L-核酮糖-5-磷酸差向异构酶。调节基因 araC的转录同araBAD的转录是反向进行。操纵基因 激活区 araO araI,了解,10.6.2 AraC蛋白的正、负调节作用araC蛋白既是ara操纵子的正调节蛋白又是负调节蛋白。AraC蛋白有两种异构体 Pr（阻遏型）和Pi（诱导型）。两种异构体的量处在动态的平衡之中。因此araC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。,正调节作用需要CAP的参与。,arabinose结合到araC，使之构象发生变化，它以二聚体结合到araI1和araI2上，使一个araC单体置于启动子附近，激活转录；无arabinose时，araC二聚体采取不同的构象，结合到araI1和araI2上，araI2位点上无单体，转录不能激活。,10.6.3 营养状况对ara操纵子活性的影响有葡萄糖时，不转录无葡萄糖，也无阿拉伯糖时，不转录无葡葡糖，有阿拉伯糖时，araBAD基因表达,Homework,名词解释：操纵子、基因表达、基因表达调控（英文注释）。简述或图示lac操纵子阻遏蛋白的负调控机制。简述或图示lac操纵子的CAP正调控机制。trp操纵子的衰减子的特点及功能。结合所学的知识写出两种反式作用因子及其特点。结合所学的知识写出两种顺式作用元件及其特点。,
