第十六章原核生物基因表达的调控课件.ppt

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1、原核生物基因表达的调控,第一节 转录水平的调控一.操纵子模型：1.调节基因和结构基因.,操纵子（operon)顺式作用元件（cis-acting element）结构基因（structural genes）调节基因（regulator genes）。反式作用因子（trans-acting factor）。诱导物（inducer）和效应物（effectors）可诱导的基因和组成型基因控制位点（controlling site）诱导（induction）,2.正调控和负调控,正调控负调控诱导(induction)阻遏(repression)诱导物(inductor)阻遏物(repressor)辅阻

2、遏物(corepressor)使阻遏蛋白具有活性或使活性蛋白失去活性的物质称。,未发现,二.乳糖操纵子,1 调控位点(1)Operator 操纵基因(2)CAP(catabolite gene activation protein)or CRP(cAMP受体蛋白)结合位点(3)Promotor 2 别乳糖为诱导物 3 本底组成型(background constitutive synthesis)组成型(constitutive gene)即看家基因（Houskeeping gene),乳糖,诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响,3.操纵子的发现,1961年 Jacob&Monod构建部

3、分二倍体(lacI-/FlacI+)lacIS 阻遏蛋白不可诱导性突变，阻遏 蛋白失去诱导物结合位点lacI-阻遏蛋白不能形成寡聚物lacI-d 阻遏蛋白不能和DNA结合，且呈 负互补(反式显性)Oc 操纵基因的组成型突变,(二)阻遏蛋白和诱导物的互作,诱导（induction）诱导物（inducers）异丙基-D-硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside,IPTG）安慰诱导物（gratuitous inducer）多顺反子mRNA 变构调控（allosteric control）协同调控（coordinate regulation）一系列基因受同一操纵子的调控。基因簇(

4、cluster),等位基因间的互补（interallelic complementation）。负的互补（negative complementation）lacI-d的产物和lacI+的产物组成多聚体时，阻遏蛋白无活性。反式显性（trans-dominant）显性失活（dominant negatives）,阻遏蛋白和操纵基因的结合与解离,操纵基因的结构阻遏蛋白的结构：N端159aa头部片段：为HTH，与操纵基因DNA的大沟结合；核心区：有6个折叠，诱导物就结合在两个核心区之间的裂缝中；C端为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。,操纵位点的回文序列,阻遏蛋白单体的结构,阻遏蛋白单体的三级结构,诱导物

5、的结合解离模型,诱导物和阻遏蛋白结合的模型,阻遏能发生在多个位点上,CAP结合位点,cAMP是由腺苷环化酶（adenylate cyclase）催化合成CAP（catabolite activator protein）CAP以两种方法来激活转录：（1）它可能直接和RNA Pol相互作用；（2）作用于DNA，改变其结构，从而帮 助RNA Pol结合。,第二节 操纵子的其它调控形式,一半乳糖操纵子（gal operon）1.结构2.特点：(1)双启动子；(2)双操纵基因；(3)无35顺序；(4)OE在CAP位点内，OI在 gene E内 Gal 既可为碳源，同时UDPGal 又是合成细菌细胞壁的重

6、要前体,gal 操纵子的结构,3.调节,(1)有Gal P1启动 K,T,E 转录 无 Glu 无Gal P1不启动 无Gal OE,O I 结合形成环，仅转 有 录20b 有Gal P2启动 S2 转录E,组成型(2)CAP-cAMP对P1 正调节，对P2 抑制(3)阻遏物对P1，P2 都是负调控，CAP-cAMP 含量少时P2 可转录(机制不清)(4)P1与RNA Pol亲和力 P2与RNA Pol亲和力,二阿拉伯糖操纵子(ara O),1.结构:具有正负调节功能的操纵子2.特点：(1)AraC有双功能 a.纯C结合araO1,阻遏；b.C+Ara C ind,结合于araI，诱导，正调节

7、(2)araC本身也受操纵调节；(3)AraC有三个结合位点(O1,O2和araI)(4)是调节子(regulon)(5)双向转录；(6)Pc和O1重叠；(7)C 自身调节,ara 操纵子的结构,araI,3.调节,有Glu,无CAPC本底转录，产少量有Ara AraC,结合于O1,停止转录；无Glu,有CAPAra+C Cind araI ara P BAD转录；无Ara 或用完：C过量，可结合到araO1,阻遏 araPc,还可结合到araI和araO2上，成环，阻遏转录。,三.色氨酸操纵子,1.结构2.特点:(1)trpR(89)和trpABCDE(25)不连锁；(2)操纵基因在启动子内

8、(3)有衰减子(attenuator)(4)启动子和结构基因不直接相连，二者被 前导顺序(Leader)所隔开,trp 操纵子的结构,3.调节,(1)Trp作为辅阻遏物(corepressor)(2)阻遏物和 RNA pol 在P,O重叠区产生竞争性抑制；(3)阻遏物的阻遏能力低，是LacR的1/千；(4)trpO调节合成代谢，存在衰减作用。,第三节 转录的终止调控,一 衰减作用1978年 yanofsky发现前导序列（leader sequence）衰减子（attenuator）,第四节 RNA聚合酶转录起始,一、亚基的替换枯草杆菌（B.subtilis）中因子用于转录起始的调节大部分因子转

9、换的例子都发生在孢子形成（sporulation）中 孢子形成分为三个阶段（1）DNA复制；（2）在细胞的一端基因组被分离；（3）分离的基因组外包上一层子外壳。,因子的更换用于噬菌体时序调节,H,43,K,K,G,F 对E的活性控制,在前孢子中由早期基因产生G,G使RNA聚合酶在前孢子转录晚期孢子形成基因。另一个早期孢子形成基因产物负责和母细胞中的成分联系,F激活SpoR,SpoR由前孢子分泌，然后它激活膜结合蛋白SpoGA，活化的SpoGA在母细胞中剪切失活的前体物Pro-E使其成为活化因子E。,二因子的替代可以控制起始,在E.coli，不同类型的启动子需要不同类型的因子热休克基因（heat

10、 shock genes）,三、修饰核心酶、替换亚基,T4噬菌体的时序调节依赖本身携带的蛋白对宿主的核心酶加以修饰,改变其和亚基的结合能力,乘机将本身编码的蛋白取代原来的亚基,从而改变RNA聚合酶的识别能力。内部蛋白ADP-核糖转移酶（ADPRT）蛋白Mot取代原来的亚基超修饰（hupermodified）,四、RNA聚合酶的代换,T7噬菌体的时序调控根据自身的感染特点采用了RNA聚合酶的代换来进行。,第五节 DNA重排对转录起始的调控,沙门氏菌（S.typhimrium）的相转变（phase variation）Mu噬菌体的G片断倒位,第六节 翻译的调控,一.翻译起始的调控(一)重叠核苷酸与

11、翻译调控 色氨酸操纵子 TrpE-Thr-Phe-终止密码子 ACU UUC UGAUG GCU Met-Ala-TrpDTrpB-Glu-Ile-终止 GAA AUC UGAUG GAA Met-Glu-TrpA.,在E.coli的gal操纵子中E.T.K三个基因，T与K以另一种形式重叠来达到协调一致：,(二)翻译水平的自我调控,(三)二级结构对翻译起始的调控,E.coli的RNA噬菌体MS2,R17,f2和Q都非常小（直径约为250）,是最简单的病毒。基因组长36004200nt，只含4个基因：A、cp、Rep和Lys。CP(coat protein)含129aa,MW为13.7KDa。A

12、（atachment）编码附着蛋白（含393氨aa，MW为44KDa）；Rep（replicase）编码复制酶（含544aa，MW为61KKDa）；lys（lysis）白基因编码裂解蛋白,和cp，Rep基因重叠，该蛋白含75aa。,(四)反义RNA的调控,1884年Mizuno,T.等发现干扰mRNA的互补RNA（mic-RNA,mRNA-interfering complementary RNA）antisenseRNA的作用可能有两种机制。(1)和靶核苷酸序列形成双链区，直接 阻碍其翻译的起始。(2)在靶分子的部分区域形成双链区，改变其构象，直接影响其功能。,二.翻译的延伸调控,(一)稀有

13、密码子的调控,在25种非调控蛋白中：AUU 37%Ile AUC6 2%AUA 1%在dnaG中22个Ile codons AUU 36 Ile AUC 32 AUA 32%,（二）二级结构对翻译延伸的调控,三、翻译的终止调控,(一)严紧反应(strigent response)(1)ppGpp四磷酸鸟苷(魔斑I magic spot I)是调控一些反应的效应物，有多种功能，但主要功能是：抑制rRNA基因的启动子；抑制多数或大多数基因转录的延伸。(2)pppGpp五磷酸鸟苷(魔斑II magic spot II)空转反应（idling reaction）松驰型突变（relaxed(rel)mutants）应急因子（stringent factor）,蛋白质的正常合成 及饥饿时的严紧反应,ppGpp对rnn转录的抑制,(spoT 编码一种酶，提供ppGpp主要降解途径),(二)mRNA稳定性对翻译的调控,