第七章：原核生物基因表达调控.ppt

第六章：原核生物基因表达调控,一、原核生物基因表达调控总论二、乳糖操纵子三、半乳糖操纵子四、色氨酸操纵子,一、原核生物基因表达调控总论,原核生物基因调控一般执行如下规律一个体系需要时被打开，不需要时被关闭。基因的开与关是相对的。开-关的活性可以通过转录水平上进行调节。,原核生物主要受到营养状况和环境因素的影响真核生物主要是受发育阶段和激素水平的影响,基因表达调控主要表现在二个方面,转录水平上的调控转录后水平上的调控,转录水平上的调控,负转录调控（negativetrnscriptionregulation)调节基因的产物是阻遏蛋白正转录调控（positivetranscriptionregulation)调节基因的产物是激活蛋白,负转录调控,负控诱导阻遏蛋白不与效应物结合时基因不转录。,负控阻遏阻遏蛋白与效应物结合时，基因不转录。,正转录调控,正控诱导有效应物时，激活蛋白处于活性状态基因转录。,正控阻遏有效应物时，激活蛋白处于无活性状态基因不转录。,负控诱导,负控阻遏,正控诱导,正控阻遏,1、原核生物基因调控机制的类型,a、代谢产物对基因活性的调节b、弱化子对基因活性的调节c、降解物对基因活性的调节d、细菌的应急反应,A、代谢产物对基因活性的调节,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，由关-开。,诱导调节,阻遏调节基因是开启的，但由于一些特殊代谢物或化合物的积累将其关闭。,阻遏调节,弱化子在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，称为弱化子。,B、弱化子对基因活性的影响,前导区PO162bpEDCBA123150前导RNA弱化子高色氨酸时低色氨酸时AUG7kbmRNA,有葡萄糖的存在即使在培养基中加入乳糖、半乳糖等诱导物，操纵子也不会启动，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。,C、降解物对基因活性的调节,因为葡萄糖是最方便的能源，细菌所需能源可从葡萄糖得到满足，无需启动其它基因。,当细菌生长过程中，氨基酸全面缺乏时，细菌将会产生应急反应，停止全部基因的表达。产生应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸（pppGpp），是由空载的tRNA所引起的。,D、细菌的应急反应,空载tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成，ppGpp的出现会关闭许多基因，PpGpp与pppGpp的作用能够影响一大批操纵子，所以称他们是超级调控子或称为魔斑。,2、启动子与转录起始,启动子的结构影响了它与RNA聚合酶的亲合力，从而影响基因的表达水平。,-10区与-35区的最佳间距,-35区与-10区之间的距离大约是1619bp，小于15bp或大于20bp都会降低启动子的活性。-35171-10-TTGACA-TATAA-1625,3、增强子可以提高转录的水平,在转录起始点上游约-200bp处的两段72bp长的重复序列，能增强或促进转录的起始，去除这两段序列会大大降低转录水平。,4、RNA聚合酶与启动子的相互作用,（1）启动子区的识别RNA聚合酶首先与非特异性结合位点相结合，形成过渡中间体，这种结合促进了酶向启动子移动，最终达到特异性结合，也称为扫描式。,（2）酶与启动子的结合,RNA聚合酶与启动子区结合，形成二元复合物，然后开始合成RNA，形成三元复合物。二元复合物=酶+DNA三元复合物=酶+DNA+RNA,（3）因子的结合和解离,因子在酶与启动子结合的过程中起重要作用：提高酶辨认启动子的能力；降低酶与DNA的非特异性结合；促进DNA开链；提高RNA链合成起始的速度；阻止酶分子聚合。,5、环腺苷酸受体蛋白对转录的调控,cAMP受体蛋白CRP（cAMPreceptorprotein），cAMP与CRP结合后所形成的复合物称激活蛋白CAP（cAMPactivatedprotein）。,在缺乏葡萄糖时，CAP合成量增加，CAP具有激活乳糖（Lac）等启动子的功能。一些依赖于CRP的启动子缺乏一般启动子所具有的典型的-35区序列特征（TTGACA）。因此RNA聚合酶难以与其结合。,CAP能提高酶与启动子结合常数,CAP起到取代-35区功能的作用。CAP还能抑制RNA聚合酶与DNA中其它位点的结合，从而提高与其特定启动子结合的概率。,二、乳糖操纵子,法国Jacob和Monod等人1961年提出(lacoperon)学说。,Jacob,Monod,乳糖操纵子的结构,乳糖存在诱导基因转录,乳糖(lac)操纵子的表达调控,1、阻遏蛋白的负性调控没有乳糖时，1ac操纵子处于阻遏状态。i基因在自身的启动子Pi控制下，产生阻遏蛋白R。R以四聚体形式与操纵子o结合，阻碍RNA聚合酶与启动子P的结合。,当有乳糖存在时，乳糖与R结合，使R四聚体解聚成单体，失去与o的亲和力，与o解离，基因转录开放。,2、CAP的正性调控,cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖供给能量时，cAMP含量降低；无葡萄糖时，cAMP含量升高。cAMP与CRP结合变为CAP，并以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。,cAMP含量与葡萄糖的关系,CAP与DNA位点结合后，造成模板DNA发生大于90度弯曲有利于转录起始。,由于P1ac是弱启动子，单纯因乳糖的存在去阻遏使1ac操纵子转录开放，还不能使细胞很好利用乳糖，必须同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。,1ac操纵子的强诱导既需要有乳糖的存在，又需要没有葡萄糖可供利用，通过CAP的正调控作用，细菌才能充分利用乳糖。,三、半乳糖（gal)操纵子,不同于lac操纵子,没有葡萄糖时可以被诱导,有葡萄糖存在时gal也能被诱导，因此认为gal中可能存在两个启动子。,1、Gal操纵子的结构特征,gal操纵子有两个启动子，PG1和PG2。两个RNA聚合酶结合位点S1和S2（转录起始点）mRNA可以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67-73，而不是在P区与结构基因之间，另一个O区在结构基因galE内部。,2、CAP对gal操纵子的作用,从S1起始的转录只有当培养基中无葡萄糖（G）时才能进行（与Lac操纵子同）。从S2起始的转录要依赖于葡萄糖，高水平的CAP能抑制从S2的转录，当有CAP时，转录从S1开始，无CAP时，转录从S2开始。,3、双启动子的生理功能,半乳糖对细菌有双重作用；一方面可以作为碳源供细胞生长；另一方面它又是细胞壁的成分。,所以需要一个不依赖于CAP的启动子（S2）进行本底水平的永久型合成；同时以半乳糖作为碳源供细胞生长，需要一个依赖于CAP的启动子（S1）对高水平合成进行调节。,无G时转录从S1开始,转录,有G时转录从S2开始,四、色氨酸操纵子trpoperon,细菌通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸。细菌所以能做到这点是因为有trpoperon的调控。,(一)阻遏蛋白的负调控,合成色氨酸所需酶类的基因E、D、C、B、A，受其上游调控蛋白R基因的调控。R并没有与O结合的活性，只有当环境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后而活化，能够与O结合，阻遏结构基因的转录，开关。,(二)弱化子及其作用,当色氨酸达到一定浓度，但还没有高到能够活化R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。这种调控现象与色氨酸操纵子特殊的结构有关。,、色氨酸（Trp)操纵子结构特征O与结构基因trpE之间有140bp的一段先导序列。当Trp浓度升高，能够阻止RNA聚合酶的转录。,先导序列含有3对反向重复序列，在被转录生成mRNA时都能够形成发夹式结构，使转录终止。,、终止转录的作用（弱化机制）A.当色氨酸浓度低时，生成的tRNAtrp量就少，使核糖体沿mRNA翻译移动的速度慢，赶不上RNA聚合酶沿DNA移动转录的速度，这时核糖体占据1位的机会较多，使1、2不能配对，2、3配对，阻止了3、4生成终止信号的结构，trp操纵元处于开放状态。,B.当色氨酸浓度增高时，核糖体沿mRNA翻译移动的速度加快，占据到2段的机会增加，2、3配对的机会减少，3、4形成终止结构的机会增多，转录减弱。,C.当所有氨基酸都不足时，核糖体翻译移动的速度就更慢，甚至不能占据1的序列，结果有利于1、2和3、4发夹结构的形成，于是转录停止。等于告诉细菌：“整个氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能合成蛋白质，不如不合成以节省能量”。,停止转录,弱化机制,所有氨基酸都不足时产生2个终止信号停止转录,1、关于管家基因叙述错误的是(A)在生物个体的几乎各生长阶段持续表达(B)在生物个体的几乎所有细胞中持续表达(C)在一个物种的几乎所有个体中持续表达(D)在生物个体的某一生长阶段持续表达,D,2、一个操纵子（元）通常含有(A)数个启动序列和一个编码基因(B)一个启动序列和数个编码基因(C)一个启动序列和一个编码基因(D)两个启动序列和数个编码基因,B,3、Lac阻遏蛋白结合乳糖操纵子（元）的(A)CAP结合位点(B)O序列(C)P序列(D)I基因,B,4、cAMP与CRP结合、CAP介导正性调节发生在(A)葡萄糖及cAMP浓度极高时(B)没有葡萄糖及cAMP较低时(C)没有葡萄糖及cAMP较高时(D)有葡萄糖及cAMP较低时,C,5、Lac阻遏蛋白由(A)Z基因编码(B)Y基因编码(C)A基因编码(D)I基因编码,D,6、色氨酸操纵子（元）调节过程涉及(A)转录水平调节(B)转录激活调节(C)翻译水平调节(D)转录翻译调节,D,(A)Lac阻遏蛋白(B)RNA聚合酶(C)环一磷酸腺苷(D)CRP-cAMP7、与O序列结合8、与P序列结合9、与CRP结合10、与CAP位点结合,A,B,C,D,11、乳糖、色氨酸等小分子物质在基因表达调控中作用的共同特点是A与启动子结合B与DNA结合影响模板活性C与RNA聚合酶结合影响其活性D与蛋白质结合影响该蛋白质结合DNA,D,15、以下关于cAMP对原核基因转录的调控作用的叙述错误的是AcAMP可与CRP结合成复合物BcAMP-CRP复合物结合在启动子前方C葡萄糖充足时，cAMP水平不高D葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用乳糖,D,16、Lac阻遏蛋白由_基因编码，结合_序