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 v基因表达调控主要表现在以下二方面： n转录水平上的调控 n转录后水平上的调控： nmRNA加工成熟水平调控 n翻译水平调控 v不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。 n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。 n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 *3 v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。 v转录与翻译的特点： n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。 n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 *4 1. 原核基因调控分类 v 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。 n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。 n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。 阻遏蛋白激活蛋白 转录激活负控诱导正控诱导 转录抑制负控阻遏正控阻遏 *5 第一节 原核基因表达调控总论 *6 1. 原核基因调控分类 v 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 *7 2. 原核基因调控的主要特点： v 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: n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。 n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 *8 3. 弱化子对基因活性的影响 v 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。 v 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 *9 4. 降解物对基因活性的调节 v 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。 v 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 *10 5.细菌的应急反应 v 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。 v 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。 n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。 nppGpp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。 nppGpp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 *11 v 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。 v 操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括: n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。 n调控元件，如操纵序列，是调节结构基因转录的一段 DNA序列。 n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 *12 v 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。 v 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 *13 v P为启动子，O为操纵区，lacI编码阻遏子 v 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。 n-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）。 n-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。 n-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 *14 1. 酶的诱导lac体系受调控的证据 v 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。 v 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 *15 1. 酶的诱导lac体系受调控的证据 v 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 *16 1. 酶的诱导lac体系受调控的证据 v 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 *17 2. 操纵子模型及其影响因子 v 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： nZ、Y、A基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码 n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。 n操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物 的结合位点。 *18 n当阻遏物与操纵区相结合时，lacmRNA的转录起始受 到抑制。 n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 *19 2.1. lac操纵子的本底水平表达 v 两个矛盾： n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。 n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。 v 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 *20 2.2. 大肠杆菌对乳糖的反应 v 在以甘油为碳源的培养基中 v 加乳糖以前，lac操纵子本底 水平表达 v 加乳糖后，阻遏物失活， mRNA大量表达 v 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。 v -半乳糖苷酶半衰期长，其活 性下降滞后。 第二节 乳糖操纵子 *21 2.3. 阻遏物lacI基因产物及功能 vlac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。 vlacI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 *南京农业大学 生命科学学院22 2.4. 葡萄糖对lac操纵子影响 v -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