原核基因表达调控1-6-刘青波.ppt

第六章 基因的表达与调控（上）,原核基因表达调控模式,目的与要求,掌握基因表达的概念。 掌握原核基因表达调控的基本原则及乳糖操纵子。 掌握Trp操纵子的工作原理。 熟悉转录后调控的种类及原理。 了解半乳糖操纵子的作用机制、了解阿拉伯糖操纵子的作用机制。,第一节 基因表达调控概述,基因表达（gene expression）,概念：通过转录和翻译，使遗传信息转变成各种功能性蛋白质的过程。,DNA,基因表达的时间性及空间性,（一）时间特异性,按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。,多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。,（二）空间特异性,基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。,在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutive gene expression)。,基因表达的方式,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,（一）组成性表达,管家基因(housekeeping gene)。 某些在一个个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。,管家基因,（二）诱导和阻遏表达,在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。,可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。,DNA损伤 修复酶基因激活,1.可诱导基因与诱导,2.可阻遏基因与阻遏,如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。 可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression) 。,基因的协调表达,基因表达的调控,概念： （gene regulation or gene control） 对基因表达过程的调节。 一般规律：,机体需要,基因表达开始,（on）,机体不需要,基因表达停止,（off）,可能有本底水平的基因表达：每个细胞只合成 1或2 个mRNA分子和极少量的蛋白质分子。,基因表达调控的分类,（1）转录水平上的调控 （2）转录后水平上的调控 mRNA加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控,原核与真核生物转录及翻译的总特点,扫描图片,二、原核基因表达调控机制的 类型与特点,原核基因表达调控主要发生在转录水平上。,负转录调控,正转录调控,调节基因的产物是阻遏蛋白,调节基因的产物是激活蛋白,编码序列,调节序列,激活蛋白,阻遏蛋白,阻遏蛋白与激活蛋白,阻遏蛋白,负转录 调控,正转录 调控,正控阻遏,正控诱导,负控阻遏,负控诱导,阻遏蛋白+,诱导,无活阻遏蛋白+,阻遏,无活激活蛋白+,诱导,激活蛋白+,效应物,效应物,效应物,效应物,诱导因子,诱导因子,共阻遏物,共阻遏物,阻遏,负转录 调控,正转录 调控,正控阻遏,正控诱导,负控阻遏,负控诱导,阻遏蛋白+,诱导,无活阻遏蛋白+,阻遏,无活激活蛋白+,诱导,激活蛋白+,效应物,效应物,效应物,效应物,诱导因子,诱导因子,共阻遏物,共阻遏物,阻遏,Lac O,I,阻遏物,诱导,负控诱导,Trp O,无活的阻遏蛋白,辅,-,阻遏物,负控阻遏,正 控 诱 导,活化的激活蛋白,失活的活性蛋白,活化的激活蛋白,辅,-,阻遏物,基因表达,阻遏,正控阻遏,第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统,一、原核基因表达的操纵子模型,操纵子（operon）的概念： 功能相关的基因成簇地串连、密集于染色体上，共同组成的转录单位。 操纵子的组成： 编码序列 调控区 1个启动序列（promoter，P）,二、乳糖操纵子调节机制,（一）乳糖操纵子的结构(lac operon),没有乳糖存在时,（二）阻遏蛋白的负性调节,只有乳糖存在时,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,（三）CAP（catabolite gene activation protein） 的正性调节,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP结合位点,葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏,（一）操纵子（operon）,概念：功能相关的基因成簇地串连、密集于染色体上，共同组成的转录单位。,二、乳糖操纵子调节机制,（一）乳糖操纵子的结构(lac operon),阻遏蛋白,二、乳糖操纵子调节机制,阻遏蛋白,1.阻遏蛋白的负性调节,没有乳糖存在时,有乳糖存在时,-半乳糖苷酶,异构乳糖,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,（三）CAP（catabolite gene activation protein） 的正性调节,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP结合位点,内容回顾,操纵子的概念： 乳糖操纵子的结构 乳糖操纵子的表达调控,阻遏蛋白的负性调控,CAP的负性调控,CAP,P,O,TTTACA,-35区,TATGTT,-10区,CAP结合位点,5-ATTAAT,GTGAGTTAGCTCAC,TCATTAGG-3,CAP中央对称序列,CAP Binding Bends DNA,（四）协调调节,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；,如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。,单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低,葡萄糖高,A,D,A,B,C,D,C,B,1.A基因及其生理功能 2.lac基因产物数量上的比较 3.操纵子的融合与基因工程,lac操纵子中的其他问题,1.A基因及其生理功能,-半乳糖苷, - 半乳糖苷 衍生物,生长抑制,乙酰-半乳糖苷,-半乳糖苷乙酰基转移酶,乙酰CoA,CoA,-半乳糖苷酶,A基因,2.lac基因产物数量上的比较,1： 0.5： 0.2,(1) Lac mRNA 与翻译过程中的核糖体脱离,(2) Lac mRNA A基因更容易受到内切酶的作用发生降解,第三节 色氨酸操纵子与负阻遏系统,色氨酸操纵子（tryptophan operon）的 代谢特点：,1.参与 trp 的生物合成而不是降解。,2.环境中有充足的 trp 时，不（低）表达。,3.环境中缺乏 trp 时，高表达。,4.它不受葡萄糖 c-AMPCRP调控。,5.（辅）阻遏蛋白的负调控调控。,6.弱化子的负调控调控。,邻氨基苯甲酸合酶,邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶,磷酸核糖邻氨基苯甲酸异构酶,吲哚甘油磷酸合酶,色氨酸合酶,Trp A,A,B,C,D,E,o,p,L,a,E. coli 色氨酸操纵子模型,Trp合成途径还存在色氨酸操纵子中衰减子所引起的衰减调节。,前导区mRNA,前导肽（14AA）,衰减子,1,2,3,4,4,2,3,1,mRNA,Trp codons,终止密码,UUUUU,UUUUU,弱化子调控的意义,在大量外源色氨酸存在时，及时快速阻止先导mRNA的链的合成，使避免物质与能量的浪费。,备用,四、半乳糖操纵子(galactose operon),大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)包括3个结构基因 异构酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)， 半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose transferase, galT)， 半乳糖激酶(galactose kinase, galk)。 这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。可以作为唯一碳源供细胞生长。,GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。,细胞壁合成的前体,GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。 它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录； 它有两个O区，一个在P区上游-67-53，另一个在结构基因galE内部。,A2 mRNA：组成型表达。,cAMP-CAP抑制RNA聚合酶与S2的结合。,A1 mRNA生成：半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP。,差向异构酶,葡萄糖,UDP- 葡萄糖,UDP- 半乳糖,细胞壁,阿拉伯糖操纵子 （arabinose operon）,araD,araA,AraC 具有正、负调节因子双重功能。,有葡糖，有或无阿拉伯糖,无葡糖，阿拉伯糖,1、翻译起始的调控 2、稀有密码子对翻译的影响 3、重叠基因对翻译的影响 4、翻译的阻遏 5、魔斑核苷酸水平对翻译的影响,转录后水平上的调控翻译水平上的调控,1.翻译起始的调控,含义： 通过SD序列的结构及其与起始密码AUG之间的距离调节蛋白质翻译的水平。,mRNA,410为佳， 9个最佳,AGG GAGG GGAGG AGGAG,2.稀有密码子对翻译的影响,稀有密码子：是在一般的编码中利用频率很低的密码子。,稀有密码子对翻译的影响,稀有密码,AUA,UAU,UAG,UAA,O,rpsU,dnaG,rpoD,核糖体小亚基S21蛋白,引物酶,RNA聚合酶因子,rpsU 操纵子中3个基因产物的拷贝数的差异,4万/细胞,50/细胞,2，800/细胞,1%,0,32%,1%,AUA,重叠基因对翻译的影响,5、翻译的阻遏,例：大肠杆菌RNA噬菌体Q（+RNA） 的蛋白质合成。,大肠杆菌RNA噬菌体Q基因图,含义：蛋白质抑制翻译的现象。,成熟蛋白SD,外壳蛋白SD,RNA复制酶SD,5,3,（+）RNA,RNA复制酶,3,5,5,（）RNA,成熟蛋白,魔斑核苷酸水平对翻译的影响,魔斑： 当细菌演技生长过程中，遇