原核生物的基因表达调控.ppt

第五章原核生物的基因表达调控Chapter5Regulationofgeneexpressioninprokaryote 基因表达 geneexpression 指基因转录 翻译 产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程 基因表达表现为严格的规律性 即时间 空间特异性 时间 空间特异性由特异基因的启动子和 或 增强子与调节蛋白相互作用决定 基因表达 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 temporalspecificity 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性 stagespecificity 时间特异性 在个体发育 生长的全过程 一种基因产物在个体的不同组织或器官表达 即在个体的不同空间出现 称之为基因表达的空间特异性 spatialspecificity 基因表达的这种空间分布差异是由细胞在器官的分布决定的 因此又称细胞特异性 cellspecificity 或组织特异性 tissuespecificity 空间特异性 RiceGenomeExpressionProfiles水稻基因时空动态 HumanGenomeExpression人基因组时空动态 一 原核生物基因操纵子的概念 操纵子 operon 原核生物基因表达和调控的一个完整单元 包括调节基因 启动子 结构基因和操纵基因 原核生物基因表达在DNA 转录和翻译三个不同层次进行调控 但转录水平的调控是最主要的方式 操纵子是原核转录调控的主要形式 I P O Z Y A 调节基因控制位点结构基因 结构基因 调控基因结构基因 编码细胞结构和基本代谢活动所必要的RNA和蛋白质 调控基因 调节其它基因表达的基因 顺式作用因子 cis actingelements 调节基因表达的DNA序列 反式作用因子 trans actingfactors 调节基因表达的蛋白质因子 诱导 阻遏开启基因的转录活性 这种作用及过程称为诱导 induction 关闭基因的转录活性 这种作用及过程称为阻遏 repression 诱导物 辅阻遏物 Corepressor 辅阻遏物 产生阻遏作用的小分子 正调控 positiveregulation 与缺乏调控因子时比较 若调控因子使靶基因的表达水平上升 调控因子称激活蛋白 activator 分为 可诱导的正调控系统调节因子在诱导物的作用下 能与启动子结合开启结构基因的转录可阻遏的正调控系统调节因子可与启动子结合 促进结构基因的转录 但当其与辅阻遏物结合后 不能启动结构基因的转录 负调控 negativeregulation 与缺乏调控因子时比较 若调控因子使基因的表达水平下降 甚至关闭 调控因子称阻遏蛋白 repressor 分为 可诱导的负调控系统阻遏蛋白与操纵基因结合 可阻止结构基因的转录 但有诱导物时 它与阻遏蛋白结合从而解除对结构基因转录的抑制可阻遏的负调控系统阻遏蛋白不影响结构基因的转录 但它与辅阻遏物结合后 抑制结构基因的转录 二 乳糖操纵子 lactoseoperon lac 1 DiscoveryofOperon1940年 Monod发现 细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时 细菌先利用葡萄糖 葡萄糖用完后 才利用乳糖 在糖源转变期 细菌的生长会出现停顿 即产生 二次生长曲线 JacquesMonod 1951年 Monod与Jacob合作 发现两基因 Z基因 与合成 半乳糖苷酶有关 I基因 决定细胞对诱导物的反应 1961年 F Jacob J Monod提出乳糖操纵子学说 此后不断完善 获1965年诺贝尔生理学和医学奖 FrancisJacob JacquesMonod I P O Z Y A 调控基因控制位点结构基因 DNA 阻遏蛋白 启动序列 cAMP CAP结合位点 操纵基因 半乳糖苷酶 通透酶 乙酰基转移酶 2 lac的结构 RNA聚合酶结合位点 67 59 7 28 1 Lac阻遏物的作用 负调控 3 lac的调控 没有乳糖存在时 1 Lac阻遏物的作用 负调控 有乳糖存在时 乳糖操纵子为一个可诱导的负控制系统 突变分析 结构基因 lacZ lacY 不能分解乳糖的原因 ICmut ICO P constitutivemut 组成型 ICgene产物repressor丧失与O位点结合的能力 ISmut ISO P super repressionmut 超阻型 ISgene产物repessor不能与inducer结合 调控基因I OC失去与repressor特异结合的能力 OCmut I OCP constitutivemut 组成型 操纵基因O 2 CAP cAMP复合物的作用 Lac的正调控 同二聚体 DNA结合区cAMP cyclicAMP 结合位点 CAP Cataboliteactivatorprotein 分解代谢基因激活蛋白 葡萄糖cAMPLac操纵子被抑制 无葡萄糖 cAMP浓度高时 有葡萄糖 cAMP浓度低时 无乳糖时 有乳糖时 无葡萄糖cAMP浓度高 有葡萄糖cAMP浓度低 lac操纵子基因表达既需要乳糖又需缺乏葡萄糖 Lac阻遏蛋白不封闭转录时 没有CAP存在 也无高效转录活性 Lac阻遏蛋白封闭转录时 CAP对该系统不发挥作用 Lac阻遏蛋白不封闭转录 CAP cAMP加强转录 协调调节负性调节与正性调节协调合作阻遏蛋白封闭转录时 CAP不发挥作用如没有CAP加强转录 即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性葡萄糖 乳糖共同存在时 细菌优先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP浓度 阻碍其与CAP结合从而抑制转录结论 lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖 三 色氨酸操纵子 tryptohaneoperon trp trp操纵子 属阻遏型操纵子 主要调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶的转录合成 色氨酸操纵子通常处于开放状态 其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阻遏蛋白结合 从而使基因转录关闭 辅阻遏蛋白的负调控 调控基因 trpR调控区 trpP trpO trpL 结构基因 trpE trpD trpC trpB trpA 1 色氨酸操纵子的结构 Thetrpoperonencodesfivestructuralgenesrequiredfortryptophanesynthesis Itencodesasignaltranscription 7kb downstreamofOtrp Thesegenesareco ordinatelyexpressedwhentryptophanisinshortsupplyinthecell 有Trp 无Trp mRNA O P trpR 调节区 结构基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 2 阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 色氨酸操纵子 前导区 Leader 结构基因起始密码子前有162bp的DNA序列 3 色氨酸操纵子的弱化系统 前导肽 Leaderpeptide 推测前导区mRNA可编码14个氨基酸组成的多肽 其中第10和第11位均为色氨酸 前导肽14aa 弱化子 attenuator 一段位于结构基因上游前导区具有终止子结构的短序列 通过前导序列转录产生的mRNA形成类似于终止子的二级结构 达到转录终止的目的 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 转录衰减 色氨酸操纵子 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 UUUU3 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 高Trp时 Trp tRNATrp存在核糖体通过片段1 2个Trp密码子 封闭片段2片段3 4形成发夹结构类似于不依赖 因子的转录终止序列RNA聚合酶停止转录 产生衰减子转录产物 转录 翻译偶联 产生前导肽 低Trp时 Trp tRNATrp没有供应核糖体翻译停止在片段1 2个Trp密码子 片段2 3形成发夹结构转录不终止RNA聚合酶继续转录 协调 阻遏作用 粗调开关阻遏物的作用是当有大量外源色氨酸存在时 阻止非必需的先导mRNA的合成 它使这个合成系统更加经济 主要调节转录的启动与否 阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少 弱化作用 细调开关弱化作用的信号是Trp tRNAtrp的多少 通过控制前导肽的翻译来控制转录的进行 原核生物衰减作用的普遍性 原核生物在氨基酸饥饿状态下 自动停止或降低 10 20倍 rRNA tRNA转录 从而调节蛋白质合成速率的严谨现象 4 严谨反应 stringentresponse stringentresponse是对任何氨基酸饥饿时表现的一种广泛的调节机制 空载tRNA发出应急信号 进而引起ppGpp和pppGpp的大量增加 ppGpp 魔斑 magicspot 魔斑 魔斑 pppGpp 魔斑 magicspot 四磷酸鸟苷 五磷酸鸟苷 在正常条件下仅有氨基酰 tRNA在EE Tu的作用下位于A位点 但在应急情况下 由于缺乏相应的氨基酰 tRNA 空载tRNA便占据A位 就阻断了核糖体的进程 而触发了一个空转反应 idilingreaction 四 阿拉伯糖操纵子 arabinoseoperon 是利用同一调控蛋白的不同结构形式 活化和抑制操纵基因的调控单位 结构基因 araB araA和araD 形成一个基因簇 简写为araBAD 分别编码异构酶 激酶 表位酶 参与阿拉伯糖的降解 调节基因 araC基因 编码调控蛋白araC蛋白araBAD和araC的转录方向相反 ara操纵子的调控有三个特点 第一 araC表达受到AraC的自动调控 第二 AraC既可充当阻遏物 Pr 也可作为激活剂 Pi 第三 AraC与CAP结合可充分诱导ara操纵子 araI PibindingsitetranscriptionforaraBAD O1 O2 PrbindingsiterepressionforPBAD PC CAPbindingsiteforCAP cAMP 看家基因 某些基因在一个生物体的几乎所有细胞中持续表达 这类基因称看家基因 housekeepinggene 看家基因的表达方式称基本 或组成性 表达 这类基因表达只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响 不受其它机制调节 基因表达的方式 按对内 外环境信号刺激的反应性 基因表达的方式分为 一 基本表达 开启基因的转录活性 这种作用及过程称