【教学课件】第八章原核细胞的基因表达调控.ppt

第八章 原核细胞的基因表达调控,第一节 基因表达调控概述 生物体内基因表达的调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间和空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当反应的复杂过程，并且也是生物体内细胞分化、形态发生和个体发育的分子基础。,一原核生物基因表达调控的特点 由于原核生物大都为单细胞生物，缺乏核膜，因此极易受外界环境的影响，需要不断地调控基因的表达，以适应外界环境的营养条件和克服不利因素，提高生物的应变与适应能力以完成生长发育与繁殖的过程。这种调控大多以操纵子为单位进行。,二.操纵子调控模型是1961年由Jacob和Monod提案并确立，即编码某特定区域的基因与只在DNA分子上发挥作用的区域是各不相同的。基因的表达调控主要发生在转录水平上。(一)概念 原核生物细胞内功能相关的结构基因组成一排基因簇，由此而形成的转录单位，即为操纵子。,(二)主要组成,结构基因（structural gene）:生物酶与细胞结构所必需的蛋白质的编码基因，该基因又称为cis作用因子（cis acting）。相关结构基因的表达产物协同完成一个生理生化过程，这些结构基因在一套调控系统作用下统一开放与关闭，维持合适而精确的基因产物分子比。结构基因编码各类具有不同结构与功能的蛋白质，包括结构蛋白、酶和调控蛋白,2.调控基因（regulator gene）:基因表达调控蛋白的编码基因，又称为反式作用因子（trans acting）。主要是通过编码蛋白或者RNA来调节其他基因的表达。,三.原核细胞转录调控的基本模式,引起目的基因表达的正调控或者负调控模式,反式作用:编码产物将从合成地点扩散到其作用靶位的过程。顺式作用:不转变为其他任何形式而只以DNA形式在原来位置起作用的DNA序列。,Operator/promotor,RNA,几个相应的蛋白质,Repressor binding with operator,RNA polymerase,功能,启动子:一个操纵子一般只含有一个启动子,操作子:由一个或多个DNA顺式调控元件组成，是基因反式调控因子的结合区，这种蛋白-DNA的二元复合物通过与启动子-RNA聚合酶复合物的相互作用，对操纵子的开发或关闭进行调控,结构基因:若干个生物功能相关的结构基因以相同极性密集排列,终止子:使转录不同程度地终止,第二节 乳糖操纵子,（一）结构及其性质,(二)调控机理,阻遏蛋白单聚体,阻遏蛋白四聚体,转录,翻译,无诱导物,结构基因被阻遏,诱导物,无活阻遏蛋白,有诱导物,RNA聚合酶,转录,mRNA,翻译,(三)操纵基因的鉴定,不可诱导型突变(uninducible mutation):使操纵子在任何情况下都不能表达的突变。组成型突变体(consititutive mutant):不受调控物影响的持续表达称为组成型基因表达，其突变体即为组成型突变体。组成型突变鉴定出的操纵基因OC 表明调控元件能够以不可扩散的产物形式行使其功能，操纵基因是一个典型的顺式作用位点，其功能依赖于一些反式作用因子对其DNA序列的识别。操纵基因对邻近基因的控制与细胞内是否存在其他等位基因并无关系，这种位点的突变称为顺式显性突变(cis-dominant),(四)调控基因的鉴定,lacI基因的突变是反式作用的，它可以影响细菌内所有结构基因簇的表达使lacI基因失活得突变是隐性的，它可以导致组成型表达因为阻遏物不能与操纵基因结合，所以阻遏物的DNA结合位点的突变是组成型的阻遏物上诱导物结合位点的突变使它不会失活，因此这会引起操纵子的非诱导性启动子突变是顺式作用和非诱导性的,(五)阻遏蛋白与操纵基因的相互作用,mRNA,(六)阻遏蛋白结合诱导物后从操纵基因上脱离,(七)阻遏蛋白的其他特性,阻遏蛋白单体有多个结构域,阻遏蛋白单体结构:N端DNA结合结构域、铰链区与核心区DNA结合结构域有两个短螺旋用以与DNA大沟结合负责多聚化的区域和诱导物结合位点都位于核心区,阻遏蛋白由两个二聚体组成四聚体,两个单体通过核心结构域2和寡聚化螺旋之间的结合形成二聚体，二聚体的一端是DNA结构域，另一端是寡聚化螺旋，两个二聚体通过寡聚化界面之间的相互作用形成四聚体,阻遏蛋白单体的DNA结合结构域插入到DNA的大沟 活性阻遏蛋白中，二聚体的两个DNA结合区域可以插入连续的双螺旋转角诱导物的结合使阻遏蛋白的构象改变，从而造成DNA结合位点不能形成正确的几何构象以维持与DNA的接触,第三节 操纵子的调控网络模式,一.概述1.细菌基因调控:基因表达受到调控因子的控制，该调控因子在受调控的蛋白质合成之前，可能与一段特定序列作用或者结构相互作用。表达水平上的调控:以DNA为target的转录水平上的调控与以RNA为target的翻译水平上的调控2.调控因子的类型a.蛋白质类调控因子:通过变构效应(allostery)发挥作用b.RNA调控因子:通过改变二级结构发挥作用。调控因子通常是二级结构丰富的小RNA分子，但存在一段单链区域能与target互补，调控因子与之相互作用，形成双螺旋结构，从而调控基因表达。,二.分类,四.大肠杆菌的碳源利用机制1.葡萄糖阻遏作用调控碳源利用诱导物排除法:葡萄糖阻止从培养基中吸收其他可替代碳源的能力。由CRP激活很多操纵子,2.乳糖操纵子的正调控作用,正调控因子:辅助RNA聚合酶与启动子结合而起始转录的蛋白质。,CRP的激活途径,a.直接与RNA聚合酶作用，RNA聚合酶的亚基是CRP的结合区。b.作用于DNA，改变其结构以协助RNA聚合酶定位于启动子上。,CRP与RNA聚合酶之间的相互作用的精确效应依赖于CRP相对启动子区域的定位，对乳糖操纵子而言，CRP的优势效应是提高RNA聚合酶与启动子形成复合物的启动效率。,第四节 各种操纵子调控系统,gal K,gal T,gal E,P,O,gal R,mRNA,UDP-Glc,异构酶,特征:有两套调控元件,一.半乳糖操纵子(一)结构及其性质,(二)调控机制,二.阿拉伯糖操纵子,(一)结构与性质,三.色氨酸操纵子,第五节 紧急应答系统,一.概念stringent response:当维持细菌的蛋白合成所需的氨基酸的供给发生问题时，其生长条件也发生了变化，从而使其各项生理活动的现象。二.产生现象,rRNA与tRNA的合成极度减少全部RNA的合成是正常的5%-10%全mRNA的合成减少为正常的1/3蛋白质的分解速度上升核苷、碳水化合物与脂质的合成减少,三.ppGpp的作用在编码rRNA的操纵子中，启动子上转录起始被特异地抑制。用于应急调控的启动子的突变可以消除应急控制，表明该效应与特异的启动子序列发生相互作用ppGPP能缩短许多或大部分模板的转录延伸期，原因可能是由ppGpp引起的不断增高的RNA聚合酶的暂停反应。,