第十一章 原核基因表达调控.ppt

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1、第十一章 原核基因表达调控,Control of gene expression in prokaryote,主要内容,1 概 述2 乳糖操纵子3 色氨酸操纵子4 应急应答5 RNA对基因表达的调控6 翻译对基因表达的调控7 小 结,1.1 几个基本概念 1.2 基因或操纵子表达调控水平 1.3 调控的类型与特点,1 概 述,1.1 几个基本概念,1.1.1 顺式作用元件与反式作用因子1.1.2 结构基因与调控基因1.1.3 阻抑物、操纵基因与操纵子1.1.4 正调控与负调控1.1.5 诱导与阻遏,顺式作用元件（cis-acting element）:不转变为其他形式（RNA或蛋白质）而只以D

2、NA形式在原来位置起作用的DNA序列。起作用的过程称顺式作用。反式作用因子（trans-acting factor）:能从合成地点扩散到其它场所对其他基因的表达起调控作用的蛋白质因子（有时为RNA）。起作用的过程称反式作用。,1.1.1 顺式作用元件与反式作用因子,结构基因（structural gene）编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和RNA的基因。调控基因（regulator gene）编码蛋白质或RNA来调节其他基因表达的基因。,1.1.2 结构基因与调控基因,阻抑物（repressor）:阻止基因表达的蛋白质，可与操纵基因结合来阻止转录或结合RNA来阻止蛋白质的翻译。操纵基因（op

3、erator）:DNA上的一个位点，阻抑物能与之结合抑制相邻启动子起始转录。操纵子（operon）:细菌基因表达和调控的单位，包括结构基因和能被调控基因产物识别的 DNA控制元件。,1.1.3 阻抑物、操纵基因与操纵子,正调控（positive control）:调控因子通过与启动子元件结合来激活基因的表达。负调控（negative control）:阻抑物与操纵基因结合来阻止基因的表达。,1.1.4 正调控与负调控,诱导(induction)：通过小分子诱导物参与,使阻抑物失活或活化激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控。阻遏(repression):通过小分子辅阻遏物参与,使激活剂失活或活化

4、阻抑物来实现基因或操纵子不表达的调控。,1.1.5 诱导与阻遏,1.2 表达调控水平,1.2.1 转录水平(1)DNA的结构(2)RNA聚合酶的功能(3)蛋白因子及其他小分子配基的相互作用1.2.2 转录后水平(1)翻译的起始、延伸及终止(2)蛋白质产物的加工、修饰、折叠及转运,1.3 调控类型与特点,负控诱导系统正控诱导系统负控阻遏系统正控阻遏系统,1.3 调控类型与特点,2 乳糖操纵子,2.1 乳糖操纵子的结构组成2.2 乳糖操纵子的调控模型,2.1 乳糖操纵子的结构组成,The lac operon includes cis-actihng regulator elements and

5、protein-coding structural genes,2.2 乳糖操纵子的调控模型,2.2.1 乳糖操纵子的负调控2.2.2 乳糖操纵子的正调控,(1)负调控位点-操纵基因 位置;序列特征(2)调节因子-阻抑物 结构特征;活性控制(3)阻抑物与操纵基因的作用分析(4)乳糖操纵子的负控诱导系统,2.2.1 乳糖操纵子的负调控,Repressor and RNA polymerase bind at sites that overlap around the transcription startpoint of the lac operon.,-5+21,Lac 操纵基因的位置,The

6、 lac operator has a symmetrical sequence.The sequence is numbered relative to the startpoint for transcription at+1.,Lac 操纵基因的序列特征,Lac阻抑物的结构特征,N end,C end,The repressor tetramer consists of two dimers.Dimers are held together by contacts involving core domain 2 as well as by the oligomerization heli

7、x.The dimers are linked into the tetramer by the oligomerization interface.,Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to the operator.The shape of the repressor is represented as a series of connected domains as revealed by its crystal structure,Inducer changes the stru

8、cture of the core so that the headpieces of a repressor dimer are no longer in an orientation that permits binding to DNA.,Lac阻抑物的活性控制,阻抑物与操纵基因的作用分析,Lac repressor binds strongly and specifically to its operator,but is released by inducer.,Virtually all the repressor in the cell is bound to DNA.,Repr

9、ession affects the sites at which repressor is bound on DNA,The three lac operators,O3+O2+O1:1300;O3+O1:440;O1+O2:700;O3+O2:1.9;O3:1.0;O1:18;O2:1.0;No operators:1.0-fold,If both dimers in a repressor tetramer bind to DNA,the DNA between the two binding sites is held in a loop.,(4)乳糖操纵子的负控诱导系统,可以对操纵子

10、进行诱导的小分子，其结构通常与操纵子所表达的酶的底物的结构相同或类似。-半乳糖苷（含乳糖）是lacZYA基因编码的酶可识别的底物。-半乳糖苷不存在时，乳糖操纵子的表达水平极低。加入-半乳糖苷可诱导乳糖操纵子中三个结构基因的转录。,Glucose controls expression of lac operon,Addition of inducer results in rapid induction of lac mRNA,and is followed after a short lag by synthesis of the enzymes;removal of inducer is

11、followed by rapid cessation of synthesis.,2.2.2 乳糖操纵子的正调控,(1)正调控位点-CRP结合位点 位置 序列特征(2)调节因子-CRP 结构特征 活性控制(3)CAP与靶位点的作用,The CRP protein can bind at different sites relative to RNA polymerase.,CRP结合位点的位置,CRP-binding sites are close to the promoter,-41,one,-61,two,-92,one,The consensus sequence for CRP c

12、ontains the well conserved pentamer TGTGA and(sometimes)an inversion of this sequence(TCANA).,CRP结合位点序列特征,CRP binds to a consensus sequence,一个由两个相同亚基组成的二聚体，每个亚基为22.5 kDa,二聚体可被单个分子cAMP激活。CRP单体含一个DNA结合区和一个转录激活区。,CRP的结构特征,Cyclic AMP has a single phosphate group connected to both the 3 and 5 positions o

13、f the sugar ring.,By reducing the level of cyclic AMP,glucose inhibits the transcription of operons that require CRP activity.The level of cyclic AMP is inversely related to the level of glucose.,CRP的活性控制,cAMP,CRP bends DNA 90 around the center of symmetry.,CRP与靶位点的作用,3 色氨酸操纵子,3.1 色氨酸操纵子的结构组成3.2 色氨酸

14、操纵子的调控模型 3.2.1 trp操纵子的阻遏系统 3.2.2 衰减子对色氨酸操纵子的表达调控,3.1 色氨酸操纵子的结构组成,The Trp Operon,Note:the order of the genes follows the order of the biosynthetic pathway,(1)辅阻遏蛋白对trp操纵子表达的调控 辅阻遏蛋白（trpR的产物）通过与操纵基因的结合与否来控制结构基因是否被转录。(2)辅阻遏蛋白的活性控制 辅阻遏蛋白的活性受到色氨酸水平的控制，色氨酸与辅阻遏蛋白结合则激活了辅阻遏蛋白，这样辅阻遏蛋白就可与操纵区DNA结合，关闭trp操纵子的表达。,

15、3.2.1 trp操纵子的阻遏系统,(1)前导序列和衰减子(内源性终止子)的序列特征(2)色氨酸水平调控前导区和衰减子对应RNA二级结构(3)RNA的可变性二级结构调控衰减作用,3.2.2 衰减子对色氨酸操纵子的表达调控,(1)前导序列和衰减子(内源性终止子)的序列特征,(2)色氨酸水平调控前导区和衰减子对应RNA二级结构,(3)RNA的可变性二级结构调控衰减作用,4 应急应答,4.1 定 义4.2 产生的核酸堆积物-(p)ppGpp4.3(p)ppGpp的产生机制4.4(p)ppGpp的作用,4.1 定义,应急应答（stringent response）：当细菌发现它们处于很差的生长环境，没

16、有足够的氨基酸来维持蛋白质合成时，它们就会停止大部分活动，这种现象称为应急应答。,4.2 产生的核酸堆积物,应急应答产生两种非正常的核酸堆积物有时又称预警子(alarmone)，即ppGpp和pppGpp，统称(P)PPGPP。,4.3(p)ppGpp的产生机制,应急因子RelA是一种(p)ppGpp合成酶，约与5%的核糖体结合在一起。当A位被空载tRNA占据时，RelA被激活。一个空载tRNA进入A位就生成一个(p)ppGpp,Stringent factor catalyzes the synthesis of pppGpp and ppGpp;ribosomal proteins can

17、 dephosphorylate pppGpp to ppGpp.,4.4(p)ppGpp的作用,应急应答使得rRNA和tRNA的合成量大幅减少（10-20%），一些mRNA的合成也减少（1/3）。蛋白质的降解速率增加，许多代谢调节作用开始发生。,Nucleotide levels control initiation of rRNA transcription.,5 RNA对基因表达的调控,5.1 反义RNA抑制基因表达5.2 小RNA分子调节翻译5.3 RNA干扰与基因沉默,5.1 反义RNA抑制基因表达,5.1.1 反义基因和反义RNA的定义5.1.2 反义RNA技术及作用原理,5.1.

18、1 反义基因和反义RNA的定义,反义基因(Antisense gene):是指相对于启动子的方向，将基因反向，从而转录出“反义RNA”链（给与正义RNA互补），此时的基因称反义基因。反义RNA(Antisense RNA):能与特异mRNA分子互补结合的一段RNA分子。,5.1.2 反义RNA技术及作用原理,反义RNA技术：利用基因重组技术，构建人工表达载体，使其离体或体内表达反义RNA，从而抑制靶基因的表达。作用原理:（1）复制水平：与引物RNA互补结合，抑制DNA复制。（2）转录水平：与mRNA 5末端互补结合，阻止帽子结构形成；作用于外显子和内含子连接区，阻止前mRNA的剪接；作用于po

19、ly A形成位点，阻止mRNA的成熟及其向胞浆中的转运.（3）翻译水平：可能是最主要方面，互补于起始位点阻止核糖体结合；互补于编码区阻止核糖体在mRNA上移动；降解靶mRNA,5.2 小RNA分子调节翻译,5.2.1 小RNA分子调节翻译机制5.2.2 细菌内含有调节因子RNA5.2.3 真核生物中含有的微小调节因子RNA,5.2.1 小RNA分子调节翻译机制,调节因子RNA通过与靶RNA形成双链区域来行使功能，双链体可以：阻遏翻译起始；产生一个核酸内切酶作用靶点；引起转录终止。,By binding to a target RNA to form a duplex region,a regu

20、lator RNA may create a site that is attacked by a nuclease.,5.2.2 细菌内含有的调节因子RNA,细菌中的调节因子RNA是短的分子，统称为sRNA。E.coli 至少包含17种不同sRNA，有一些sRNA是普遍的调节因子，可以影响许多靶基因。,Oxy R（可被H2O2刺激表达的基因）,Oxy S（靶基因之一）,Oxy S RNA（109 碱基）（一种在转录后水平影响基因表达的反式作用调节因子）,超过10个靶基因,转录,氧化应急反应展示了RNA作为调节因子的通用控制系统的一个例子。,oxyS RNA inhibits translat

21、ion of flhA mRNA by base pairing with a sequence just upstream of the AUG initiation codon.,5.2.3 真核生物中含有的微小调节因子RNA,动物和植物基因组编码许多短的RNA分子（约22个碱基），称为微小RNA（microRNA)。微小RNA通过与靶mRNA 序列互补配对原则来调节基因的表达。,5.3 RNA干扰与基因沉默,RNA干扰(RNA interference，RNAi)的定义：指生物体内利用双链RNA诱导同源靶基因的mRNA特异性降解，从而导致转录后基因沉默的现象。RNAi的作用机理:通过核酸酶Dicer切割dsRNA生成21-23 nt 小干扰RNA（siRNA），继而由siRNA识别并靶向降解同源靶基因mRNA，从而抑制靶基因的表达。,enzyme,6 翻译对基因表达的调控,6.1 翻译对基因表达的调控的两种方式6.2 r-蛋白的自主调控6.3 自主调节控制大分子聚合物的合成,6.1 翻译对基因表达的调控的两种方式,一种方式:与mRNA上靶区结合的蛋白质通过阻遏核糖体识别起始区来实现阻抑物的功能.,另一种方式:一个顺反子的翻译需要前一个顺反子翻译所引起的二级结构变化来调控。,6.2 r-蛋白的自主调控,6.3 自主调节用来控制大分子聚合物的合成,