第七章基因的表达与调控——原核基因表达调控模式.ppt
第一节 原核基因表达调控总论,随着生物个体的发育，DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统转变成蛋白质，执行各种生理生化功能。科学家把从DNA到蛋白质的过程称为基因表达（gene expression），对这个过程的调节就称为基因表达调控（gene regulation，gene control）。基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。,1,第一节 原核基因表达调控总论,2,基因表达调控主要表现在以下二方面：转录水平上的调控转录后水平上的调控：mRNA加工成熟水平调控翻译水平调控不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着举足轻重的影响。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和发育阶段是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。,第一节 原核基因表达调控总论,2023/11/19,3,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。转录与翻译的特点：细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联。真核生物中，转录产物只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。,第一节 原核基因表达调控总论,2023/11/19,4,1.原核基因调控分类原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为负转录调控和正转录调控。在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor)。根据其作用特征又可分为负控诱导系统和负控阻遏系统二大类。在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)。也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导系统和正控阻遏系统。,2023/11/19,5,第一节 原核基因表达调控总论,2023/11/19,6,1.原核基因调控分类大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是因子，基因组序列分析后发现存在6种因子，并根据其相对分子质量的大小或编码基因进行命名，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。,第一节 原核基因表达调控总论,2023/11/19,7,2.原核基因调控的主要特点：原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可诱导和可阻遏两大类:可诱导调节。是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。这类基因中最突出的例子是大肠杆菌的乳糖操纵子。可阻遏调节。这类基因平时都是开启的，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。比如大肠杆菌中的色氨酸操纵子。,第一节 原核基因表达调控总论,2023/11/19,8,3.弱化子对基因活性的影响在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰-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那一段DNA序列被称为弱化子。属于这种调节方式的有：大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等等。,第一节 原核基因表达调控总论,2023/11/19,9,4.降解物对基因活性的调节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，不会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。降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，是一种积极的调节方式。,第一节 原核基因表达调控总论,2023/11/19,10,5.细菌的应急反应细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿氨基酸的全面匮乏。细菌会产生一个应急反应停止包括生产各种RNA、糖、和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。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。当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧急状况。ppGpp 影响RNA聚合酶与这些基因转录起始位点的结合，使基因被关闭。ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们影响一大批操纵子而被称为超级调控因子。,第二节 乳糖操纵子,2023/11/19,11,1961年，Jacob和Monod提出了操纵子模型，这是与特殊代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括:结构基因（除调节基因以外的所有基因），编码那些在某一特定的生物合成途径中起作用的、其表达被协同调控的酶。调控元件，如操纵序列，是调节结构基因转录的一段DNA序列。调节基因，其产物能够识别调控元件，例如阻抑物，可以结合并调控操纵基因序列。,第二节 乳糖操纵子,2023/11/19,12,大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳源的酶只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。大肠杆菌乳糖操纵子（lactose operon）包括3个结构基因：Z、Y和A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。,第二节 乳糖操纵子,2023/11/19,13,P为启动子，O为操纵区，lacI编码阻遏子3个结构基因各决定一种酶：Z编码-半乳糖苷酶；Y编码-半乳糖苷透过酶；A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。-半乳糖苷酶是一种-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的-半乳糖苷透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,第二节 乳糖操纵子,2023/11/19,14,1.酶的诱导lac体系受调控的证据一般情况下，lac+基因型大肠杆菌细胞内-半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低，每个细胞只有12个酶分子。但是，在乳糖培养基上酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，超过105个酶分子lac mRNA/细胞。在无葡萄糖有乳糖的培养基中，lac+细菌中将同时合成-半乳糖苷酶和透过酶。,第二节 乳糖操纵子,2023/11/19,15,1.酶的诱导lac体系受调控的证据用32P标记的mRNA与模板DNA进行定量分子杂交，表明培养基中加入乳糖12分钟后，编码-半乳糖苷酶和透过酶的lac mRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。,第二节 乳糖操纵子,2023/11/19,16,1.酶的诱导lac体系受调控的证据实验室常用两种乳糖类似物异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）和巯甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常用发色底物O-硝基半乳糖苷（ONPG）。因为它们都不是半乳糖苷酶的底物，所以又称为安慰性诱导物。,第二节 乳糖操纵子,2023/11/19,17,2.操纵子模型及其影响因子Jacob和Monod通过大量实验及分析，建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子的控制模型。内容如下：Z、Y、A基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码该mRNA分子的启动区（P）位于阻遏基因（I）与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达。操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。,2023/11/19,18,当阻遏物与操纵区相结合时，lacmRNA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，使之不能与操纵区相结合，诱发lac mRNA的合成。,第二节 乳糖操纵子,2023/11/19,19,2.1.lac操纵子的本底水平表达两个矛盾：诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要转运酶，转运酶的合成有需要诱导。人们发现乳糖并不与阻遏物相结合，真正的诱导物是异构乳糖，而后者是在-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。解释：在没有诱导物的情况下，转运酶和-半乳糖苷酶仍有本地水平的表达。阻遏物的结合并非绝对紧密，偶尔会掉下，使得转录可以进行。表达量足以使诱导过程得以启动。,第二节 乳糖操纵子,2023/11/19,20,2.2.大肠杆菌对乳糖的反应在以甘油为碳源的培养基中加乳糖以前，lac操纵子本底水平表达加乳糖后，阻遏物失活，mRNA大量表达乳糖耗尽，阻遏物浓度逐渐大于异构乳糖，阻遏状态重新形成，mRNA水平下降。-半乳糖苷酶半衰期长，其活性下降滞后。,第二节 乳糖操纵子,2023/11/19,21,2.3.阻遏物lacI基因产物及功能lac操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下永久型合成的，该阻遏蛋白有4个相同的亚基，每个亚基均含有347个氨基酸残基，并能与1分子IPTG,结合,每个细胞中有510个阻遏物分子。lacI基因由弱启动子变为强启动子，细胞内将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将不可诱导。,第二节 乳糖操纵子,2023/11/19,22,2.4.葡萄糖对lac操纵子影响-半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发lac操纵子。,第二节 乳糖操纵子,2023/11/19,23,2.4.葡萄糖对lac操纵子影响某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步代谢中间物，该细菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导合成。所以，不是葡萄糖而是它的某些降解产物抑制lac mRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称之为代谢物阻遏效应。,
