原核的表达调控.ppt

13 基因表达的调节,Chapter 13 Regulation of Gene Expression,本章重点与难点 重点：代谢途径的相互关系：了解各代谢途径相互间的关系与联系；了解酶活性的调节机理和酶合成的调控机理、明确这两种调节在代谢上的重要性；掌握原核生物酶合成的调节特点操纵子。 难点： 各代谢途径相互间的联系；酶活性调节的主要方式；原核生物酶合成调节乳糖操纵子的调节方式；真核生物基因表达调节。,第一节 基因表达调节的基本 概念及原理 Basic Conceptions and Principle,一、基本概念 基因（Gene）：是一段编码蛋白质多肽链和功能RNA的DNA。 基因组(genome)：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。,基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。基因表达是受调控的。,* 基因表达(gene expression),二、基因表达的规律,1、时间特异性或发育阶段特异性,2、空间特异性或组织细胞特异性,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)。,三、基因表达的方式,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,1.组成性表达,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，基本不受环境因素的影响，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。,无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是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)。,2.可诱导和可阻遏表达,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)。,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)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,四、基因表达调控的生物学意义,1、适应环境、维持生长和增殖,2、维持个体发育与分化,五、基因表达调节的基本原理,1、基因表达的多级调控,基因激活,转录水平 转录后加工 mRNA降解,基因表达可在多层次上受到调节,2、基因转录调节基本要素,基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。,三个基本要素： 1）特异的DNA调节序列 2）调节蛋白 3）RNA聚合酶,第二节 原核生物基因转录调节,Regulation of Prokaryotic Gene Transcription,1、因子决定RNA聚合酶识别特异性,2、主要通过操纵子模式进行调节,3、阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍存在的负调控作用,存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵子（operon）调控模式，该模式也见于低等真核生物中。 所谓操纵子（operon）是指原核生物基因组的一个表达调控序列，长度约1000bp左右，由若干结构基因串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控。,操纵子的结构与功能,典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。,P位是RNA聚合酶结合并启动转录的模板。O位结合阻遏蛋白或阻遏物。信息区含有遗传信息，可作为转录的模板指导mRNA的合成。在DNA分子中，操纵子前端存在调节基因，能合成阻遏蛋白。阻遏蛋白与操纵基因结合后，可使DNA变构，RNA聚合酶不能沿着DNA滑动，转录停止。诱导物与阻遏蛋白结合后，将阻遏蛋白从DNA上拉下来，DNA模板变构，RNA聚合酶可沿着DNA滑动，转录进行。,二、乳糖操纵子调节机制,1、乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成,以原核生物乳糖操纵子(Lac operon)为例，其控制区包括调节基因（阻遏基因），启动基因（其CRP结合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵基因；其信息区由-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串联在一起构成。,控制区,信息区,乳糖操纵子的结构基因及其表达产物,没有乳糖存在时,2、阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,3、CAP的正性调节,4、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。,葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,?,三、其他转录调节机制,1、色氨酸操纵子（转录衰减作用）,色氨酸操纵子,色氨酸操纵子（trp operon）属于阻遏型操纵子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。 色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。 而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。,前导序列,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:,包含序列1,形成发夹结构能力强弱： 序列1/2序列2/3序列3/4,色氨酸操纵子的调控还涉及转录衰减(attenuation)机制。即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域，当细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联的翻译过程，形成一个衰减子结构，使RNA聚合酶从DNA上脱落，导致转录终止。,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构 就是终止子 可使转录,RNA聚合酶,终止,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关 结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,2、阿拉伯糖操纵子的正调节作用和负调节作用,这是一个利用同一种调节蛋白的不同结构形式活化和抑制操纵子的调控方式。AraC蛋白是一个具有两种不同功能构象的蛋白质。P1型为阻遏子，P2型为激活子。 调节作用分三种情况： 1）葡萄糖很丰富且没有阿拉伯糖情况下，AraC与操纵基因araO2和AraC的一个结合位点araI结合，结合于araO2和araI的两个AraC蛋白之间互相结合，形成一个约210碱基对的一个环，从而使araBAD启动子的转录被抑制，基因araB、A、D不被转录，阻止操纵子的转录（阴性调控或负调节作用）,2）当葡萄糖不存在（或低水平）而阿拉伯糖存在时，CAP-cAMP很丰富，与araI附近的CRP结合位点结合，阿拉伯糖与AraC蛋白结合改变了构象，成为激活子，DNA环被打开，能与CAP-cAMP协同诱导araBAD基因的转录（阳性调控或正调节） 3）阿拉伯糖和葡萄糖均不存在或阿拉伯糖和葡萄糖均丰富时，操纵子均处于阻遏状态。,由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为调节子。通过组成调节子调控网络，对若干操纵子及若干蛋白质的合成进行协同调控，从而达到整体调控的目的。 典型的整体调控模式是SOS反应，这是由一组与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因组成。在正常情况下，这些基因均被LexA阻遏蛋白封闭。当有紫外线照射时，细菌体内的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，从而导致与DNA损伤修复有关的基因表达。,3、原核生物转录的整体调控模式,SOS反应,紫外线,与DNA 损伤修复有关的酶和蛋白质,DNA,第三节 真核生物基因转录调节,Regulation of Eukaryotic Gene Transcription,一、真核生物基因组结构特点,1、真核基因组结构庞大,2、单顺反子,单顺反子(monocistron) 即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。,3、重复序列,4、基因不连续性,：断裂基因 真核生物中的基因具有不连续性，即一个基因的编码序列往往被一些非编码序列分隔开。基因中能够转录并进一步编码多肽链合成的部分称为外显子（exon），而在转录后会被剪除的部分则称为内含子（intron）。,二、真核基因表达调节的特点,1、 RNA聚合酶活性受转录因子调控：RNA聚合酶有三种，分别转录不同的RNA。,2、染色质结构改变参与基因表达的调控：,1）对核酸酶敏感,活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。,2）DNA拓扑结构变化,天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；,基因活化后,3）DNA碱基修饰变化,4）组蛋白变化, 富含Lys组蛋白水平降低 H2A, H2B二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露,3、正性调节占主导：真核基因一般都处于阻遏状态，RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。通过利用各种转录因子正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。,4、转录与翻译分隔进行,5、转录后加工修饰过程复杂,三、真核基因转录调控元件及调控机制,1、顺式作用元件：是真核生物DNA调控元件，包括启动子、增强子和沉默子。,1） 启动子真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。,需要DNA调节序列、调节蛋白和RNA聚合酶三大要素,2、反式作用因子（分子间作用因子） 是影响基因转录的调节蛋白 ，属于转录调节因子,1）转录调节因子分类（按功能特性）,* 基本转录因子(general transcription factors),是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。,* 特异转录因子(special transcription factors),为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。,转录激活因子,转录抑制因子,2）转录调节因子结构,最常见的DNA结合域,1） 锌指(zinc finger),见于TFA和类固醇激素受体中，由一段富含半胱氨酸的多肽链构成。每四个半光氨酸残基或His残基螯合一分子Zn2+，其余约12-13个残基则呈指样突出，刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中而与之相结合。每个蛋白质分子中可含2-9个锌指结构。,Zn,Cys,His,2）-螺旋转角 -螺旋,HTH和HLH结构： 由两段-螺旋夹一段-折迭构成，-螺旋与-折迭之间通过-转角或成环连接，即螺旋-转角-螺旋结构和螺旋-环-螺旋结构。典型的例子是噬菌体的Cro蛋白，该蛋白含三段-螺旋和三段-折迭，两亚基通过-折迭而形成二聚体，相当于DNA的一个螺距的长度，而每一亚基的一段-螺旋则刚好能嵌入DN