第六讲 原核基因表达调控.ppt

第六讲原核基因表达调控 总论一 乳糖操纵子的调控模式二 色氨酸操纵子的调控模式三 其他操纵子的调控机制四 原核生物中的转录后调控 总论 原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的环境中 食物供应毫无保障 只有能根据环境条件的改变合成各种不同的蛋白质 使代谢过程适应环境的变化 才能维持自身的生存和繁衍 自然选择倾向于保留高效率的生命过程 在一个每30min增殖一倍的109细菌群体中 若有一个细菌变成了29 5min增殖一倍 大约经过80天的连续生长后 这个群体中的99 9 都将具有29 5min增殖一倍的生长速度 一个大肠杆菌细胞中约有4000个基因 估计正常情况下 可带有107个蛋白质 平均每个基因产生2500多个蛋白质分子 但大肠杆菌中一般带有15 000 30 000个核糖体 有50余种核糖体结合蛋白 数量也很惊人 此外 负责糖酵解系统的蛋白质数量也很大 而象半乳糖苷酶等诱导酶 其含量可少至每细胞仅1 5个分子 细胞中的蛋白质可分为 组成型 constitutive 适应型或诱导型 adaptiveorreguliatory 一个体系在需要时被打开 不需要时被关闭 这种 开 关 on off 活性是通过调节转录来建立的 也就是说mRNA的合成是可以被调节的 当我们说一个系统处于 off 状态时 也有本底水平的基因表达 常常是每世代每个细胞只合成1或2个mRNA分子 所谓 关 实际的意思是基因表达量特别低 很难甚至无法检测 科学家把这个从DNA到蛋白质的过程称为基因表达 geneexpression 对这个过程的调节就称为基因表达调控 generegulation或genecontrol 基因表达调控主要表现在以下几个方面 转录水平上的调控 transcriptionalregulation mRNA加工成熟水平上的调控 differentialprocessingofRNAtranscript 翻译水平上的调控 differentialtranslationofmRNA 原核生物中 营养状况 nutritionalstatus 和环境因素 environmentalfactor 对基因表达起着举足轻重的影响 在真核生物尤其是高等真核生物中 激素水平 hormonelevel 和发育阶段 developmentalstage 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 原核基因调控分类 根据调控机制的不同分为 负转录调控正转录调控 负控诱导负控阻遏 正控诱导正控阻遏 调节基因的产物是阻遏蛋白 调节基因的产物是激活蛋白 负控诱导正控诱导 负控阻遏正控阻遏 原核基因调控的主要特点 1 可诱导调节是指一些基因在特殊的代谢物或化合物作用下 由原来的关闭状态转变为工作状态 如 乳糖操纵子2 可阻遏调节这类基因在平时都是开启的 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 如 色氨酸操纵子 弱化子对基因活性的影响 在这种调节方式中 起信号作用的是有特殊负载的氨基酰 tRNA的浓度 在操纵子被阻遏 RNA合成被终止时 起终止信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子 起调节作用的信号分子是细胞中某一种氨基酸或嘧啶的浓度 因此是转录调控中的微调整 降解物对基因活性的调节 在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降解物抑制作用 葡萄糖的存在会抑制细菌腺苷酸环化酶的活性 减少cAMP的合成 与它结合的蛋白质 环腺苷酸受体蛋白 CRP 又称分解代谢物激活蛋白 CAP 因为找不到配体二而不能形成复合物 细菌的应急反应 细菌碰到紧急情况 比如氨基酸饥饿 为了紧缩开支 渡过难关 细菌会产生一个应急反应 包括生产各种RNA 糖 脂肪和蛋白质在内的几乎所有生化反应过程均被停止 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 空载的tRNA 焦磷酸转移酶 ppGpp 关闭许多基因 一 乳糖操纵子的调控模式 乳糖操纵子 结构基因启动子 P 操纵区 O 阻遏基因 I ZYA 1961年 由法国巴斯德研究所著名科学家Jacob和Monod首先提出 并在10年内经过许多科学家的补充和修正得以逐步完善 Lac操纵子 转录时 RNA聚合酶首先与启动区 promoter P 结合 通过操纵区 operator O 向右转录 转录从O区的中间开始 按Z Y A方向进行 每次转录出来的一条mRNA上都带有这3个基因 转录的调控是启动区和操纵区进行的 lacIlacZlacYlacA 多肽3 8 1041 25 1053 0 1043 0 104 蛋白质二聚体四聚体膜蛋白二聚体1 5 1055 0 1053 0 1046 0 104 功能阻遏子 半乳糖苷酶透过酶乙酰基转移酶 Lac操纵子的组成 Z编码 半乳糖苷酶 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 Y编码 半乳糖苷透过酶 半乳糖苷透过酶的作用是使外界的 半乳糖苷 如乳糖 能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内 A编码 半乳糖苷乙酰基转移酶 半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转到 半乳糖苷上 形成乙酰半乳糖 1 酶的诱导 lac体系受调控的证据在不含乳糖及 半乳糖苷的培养基中 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 每个细胞大约只有1 2个酶分子 如果在培养基中加入乳糖 酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6 或7 每个细胞中可有超过105个酶分子 图6 7lac体系的 开 关 特性 科学家把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸但没有任何半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代 然后再将这些带有放射活性的细菌转移到不含35S 无放射性的培养基中 随着培养基中诱导物的加入 半乳糖苷酶便开始合成 分离 半乳糖苷酶 发现这种酶无35S标记 说明酶的合成不是由前体转化而来的 而是加入诱导物后新合成的 诱导物的作用是诱导新酶的合成 已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况下都能产生lacmRNA的突变体 这种失去调节能力的突变体称为永久型突变体 分为两类 I型和O型 I型 野生型为I 突变型为I O型 野生型为O 突变型为Oc I I 或O Oc后 Z Y A结构基因均表现为永久表达 所以I基因被称为调节基因 regulatorygene 研究发现 I基因是一个产生阻遏物的调节基因 其产物使体系关闭 I 突变体由于不能产生阻遏物 使细胞成为lac永久表达型 I I 局部二倍体由于带有一个正常阻遏物 使细胞中的lac仍然被抑制 遗传学图谱分析指出 Oc突变位于I与Z之间 所以 lac体系的4个基因的序列为IOZY 通过这些观察 Jacob和Monod推断Oc突变代表DNA链上的一个位点或一个非编码区域 而不是一个基因 因为可编码的基因具有互补性 而Oc没有这一特性 O决定相邻Z基因的产物是诱导型合成还是永久型合成 O区域称为操纵基因 2 操纵子模型 Jacob和Monod认为诱导酶 他们当时称为适应酶 现象是个基因调控问题 可以用实验方法进行研究 因此选为突破口 终于通过大量实验及分析 建立了该操纵子的控制模型 Z Y A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码 这个mRNA分子的启动子紧接着O区 而位于I与O之间的启动子区 P 不能单独起动合成 半乳糖苷酶和透过酶的生理过程 操纵基因是DNA上的一小段序列 仅为26bp 是阻遏物的结合位点 当阻遏物与操纵基因结合时 lacmRNA的转录起始受到抑制 诱导物通过与阻遏物结合 改变它的三维构象 使之不能与操纵基因结合 从而激发lacmRNA的合成 当有诱导物存在时 操纵基因区没有被阻遏物占据 所以启动子能够顺利起始mRNA的合成 1 Lac操纵子的本底水平表达 因为诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合 而运转诱导物需要透过酶 第一个诱导物是如何到达细胞内的 其次 人们发现乳糖并不与阻遏物结合 真正的诱导物是乳糖的异构体 异构乳糖 葡糖 1 6 半乳糖 而后者是在 半乳糖苷酶的催化下由乳糖生成的 因此乳糖诱导 半乳糖苷酶需要有 半乳糖苷酶的预先存在 解释 在非诱导状态下有少量 1 5个mRNA分子 lacmRNA合成 这种合成被称为本底水平永久型合成 2 大肠杆菌对乳糖的反应 当大肠杆菌生长在以甘油为碳源的培养基上 当加入乳糖 当乳糖被消耗完毕 3 阻遏物lacI基因产物及功能 操纵子阻遏物mRNA是在弱启动子控制下永久型合成的 该阻遏蛋白有四个相同的亚基 每个亚基均含有347个氨基酸残基 并能与1分子IPTG结合 4 葡萄糖对lac操纵子的影响 代谢物阻遏效应有葡萄糖存在的情况下 即使在细菌培养基中加入乳糖 半乳糖或阿拉伯糖等诱导物 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降解物抑制作用 研究表明 葡萄糖对lac操纵子表达的抑制作用是间接的 因为存在一种大肠杆菌突变株 它正常的糖酵解过程受阻 葡萄糖 6 磷酸不能转化为下一步代谢中间物 该菌株能在有葡萄糖存在的情况下被诱导合成lacmRNA 5 cAMP与代谢物激活蛋白 当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时 lac启动子表达受阻 没有 半乳糖苷酶活性 当葡萄糖消耗完以后 图中箭头处 细胞内cAMP浓度增加 半乳糖苷酶活性被诱导 一度停止生长的细胞又恢复分裂 如果将细菌放在缺乏碳源的培养基中 细胞内cAMP浓度就很高 若在含葡萄糖的培养基中培养 细菌中的cAMP浓度就会很低 如果将细菌置于甘油或乳糖等不进行糖酵解的碳源培养基中 细菌中cAMP的浓度也会很高 研究证实 葡萄糖所引起的代谢物抑制现象的实质是该代谢物降低了细胞中cAMP的含量 事实上 cAMP CAP复合物是lac体系的positiveregulator 它们不能代替lacI和lacO的功能 negativeregulator cAMP CAP能与DNA相结合 造成双螺旋弯曲 易于形成三元转录起始复合物 6 lac操纵子DNA的调控区域 P O区lacP 启动子区 从I基因结束到mRNA转录起始位点止 共长82bp 82 1 O区就是阻遏物结合区 位于P区后半部分和转录起始区 7 28 该区序列有对称性 其对称中心点在 11位 P区的cAMP CAP结合区 67 52 也有对称性 其对称位点在 60 59之间 7 lac操纵子中的其他问题在一个完全被诱导的细胞中 半乳糖苷酶 透过酶及乙酰基转移酶的拷贝数比例为1 0 5 0 2 这个比例在一定程度上反映了以 半乳糖苷作为唯一碳源时细胞的需要 不同的酶在数量上的差异是由于在翻译水平上受到调节所致 lacmRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离 从而终止蛋白质链的翻译 这种现象发生的频率取决于每一个后续的AUG密码子再度起始翻译的概率 在lacmRNA分子内部 A基因比Z基因更易受内切酶作用发生降解 因此 在任何时候Z基因的完整拷贝数要比A基因多 二 色氨酸操纵子的调控模式 色氨酸操纵子 tryptophaneoperon 负责色氨酸的生物合成 当培养基中有足够的色氨酸时 这个操纵子自动关闭 缺乏色氨酸时操纵子被打开 trp基因表达 色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程 而不是诱导过程 中起作用 由于trp体系参与生物合成而不是降解 它不受葡萄糖或cAMP CRP的调控 色氨酸的合成分5步完成 有7个基因参与整个过程 trpE trpG编码邻氨基苯甲酸合酶 trpF编码邻氨基苯甲酸异构酶 trpC编码吲哚甘油磷酸合酶 trpD编码邻氨基苯甲酸核糖转移酶 trpB trpA编码色氨酸合成酶的 亚基和 亚基 trpE基因是第一个被翻译的基因 和trpE紧邻的是启动子区和操纵区 另外 前导区和弱化子区分别被定名trpL和trpa 不是trpA trp操纵子中产生阻遏物的基因是trpR 该基因距trp基因簇很远 后者在大肠杆菌染色体图上25min处 而前者则位于90min处 L区编码了前导肽 当有高浓度Trp存在时 由于弱化子a的作用 转录迅速减弱停止 生成140核苷酸的前导RNA 当Trp浓度较低时 弱化子不起作用 转录得以正常进行 生成长约7kb的mRNA 操纵子中第一个结构基因的起始密码子AUG在 162处 1 trp操纵子的阻遏系统trpR基因突变常引起trpmRNA的永久型合成 该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白 aporepressor 除非培养基中有色氨酸 否则这个辅阻遏蛋白不会与操纵区结合 辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物 与操纵区结合并使之关闭转录trpmRNA 阻遏 操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关 主管转录是否启动 相当于粗调开关 trp操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个系统进行细调控 指示已经启动的转录是否继续下去 这个细微调控是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的 由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频率 2 弱化子与前导肽在trpmRNA5 端trpE基因的起始密码前有一个长162bp的mRNA片段被称为前导区 研究发现 当mRNA合成起始以后 除非培养基中完全没有色氨酸 转录总是在这个区域终止 产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子 终止trp基因转录 因为转录终止发生在这一区域 并且这种终止是被调节的 这个区域就被称为弱化子 分析前导肽序列 发现它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA 编码了一个14个氨基酸的多肽 该多肽有一个特征 其第10位和11位有相邻的两个色氨酸密码子 正是这两个相连的色氨酸密码子 组氨酸 苯丙氨酸操纵子中都有这种现象 调控了蛋白质的合成 当培养基中色氨酸的浓度很低时 负载有色氨酸的tRNATrp也就少 这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢 当4区被转录完成时 核糖体才进行到1区 或停留在两个相邻的trp密码子处 这时的前导区结构是2 3配对 不形成3 4配对的终止结构 所以转录可继续进行 直到将trp操纵子中的结构基因全部转录 当培养基中色氨酸浓度较高时 核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子 在4区被转录之前就到达2区 使2 3区不能配对 3 4区自由配对形成基一环终止子结构 转录被终止 trp操纵子被关闭 三 其他操纵子的调控机制 1 半乳糖操纵子大肠杆菌半乳糖操纵子 galactoseoperon 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 galactosetransferase galT 半乳糖激酶 galactosekinase galk 这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖 1 磷酸 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 gal操纵子的特点 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 因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低 人们猜想葡萄糖存在时半乳糖操纵子不被诱导 但实际上有葡萄糖存在时 gal操纵子仍可被诱导 现已分离到一些突变株 其中一类突变株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合成半乳糖代谢酶类 gal结构基因高效表达 而另一类突变株中gal基因的表达完全依赖于葡萄糖 培养基中如无葡萄糖存在 这些细菌的gal基因不表达 不合成半乳糖代谢酶类 分析gal操纵子P O区的DNA序列发现 该操纵子确实存在两个相距仅5bp的启动子 可以分别起始mRNA的合成 每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2 从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时 才能顺利进行 RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖 CRP和较高浓度的cAMP 从S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖 高水平的cAMP CRP能抑制由这个启动子起始的转录 当有cAMP CRP时 转录从S1开始 当无cAMP CRP时 转录从S2开始 为什么gal操纵子需要两个转录起始位点 半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长 而且与之相关的物质 尿苷二磷酸半乳糖 UDPgal 是大肠杆菌细胞壁合成的前体 在没有外源半乳糖的情况下 UDP gal是通过半乳糖差向异构酶的作用由UDP 葡萄糖合成的 该酶是galE基因的产物 生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶 现在设想只有S1一个启动子 那么由于这个启动子的活性依赖于cAMP CRP 当培养基中有葡萄糖存在时就不能合成异构酶 假如唯一的启动子是S2 那么 即使在葡萄糖存在的情况下 半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态 这无疑是一种浪费 无论从必要性或经济性考虑 都需要一个不依赖于cAMP CAP的启动子 S1 对高水平合成进行调节 2 阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖 arabinose 是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖 在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因 araB araA和araD 分别编码3个酶 araB基因编码核酮糖激酶 araA编码L 阿拉伯糖异构酶 araD编码L 核酮糖 5 磷酸 4 差向异构酶 与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因araC 这个AraC蛋白同时显示正 负调节因子的功能 AraBAD和araC基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的 在标准的遗传学图谱上 araBAD基因簇从启动子PBAD开始向左进行转录 而araC基因则是从Pc向右转录 AraC蛋白作为PBAD活性正 负调节因子的双重功能是通过该蛋白的两种异构体来实现的 Pr是起阻遏作用的形式 可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合 而Pi是起诱导作用的形式 它通过与PBAD启动子结合进行调节 在没有阿拉伯糖时 Pr形式占优势 一旦有阿拉伯糖存在 它就能够与AraC蛋白结合 使平衡趋向于Pi形式 这样 阿拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与Pr的结合 使Pr离开它的结合位点 然后 产生大量的Pi 并与启动子结合 因为培养基中含有葡萄糖 所以cAMP CAP没有与操纵区位点相结合 AraC蛋白处于Pr形式并与A位点结合 RNA聚合酶很少再与Pc结合 araC基因虽然仍有转录 但受到抑制 只有少量AraC蛋白形成 整个系统几乎处于静止状态 没有葡萄糖 也没有阿拉伯糖 因为没有诱导物 尽管有cAMP CAP与操纵区位点相结合 AraC蛋白仍以Pr形式为主 无法与操纵区B位点相结合 无araBADmRNA转录 无葡萄糖 有阿拉伯糖时 大量araC基因产物以Pi形式存在 并分别与操纵区B A位点相结合 在cAMP CAP的共同作用下 araC和araBAD基因大量表达 操纵子充分激活 3 组氨酸操纵子与His降解代谢有关的两组酶类被称为hut酶 histidineutilizingenzyme 控制这些酶合成的操纵子被称为hutoperon 由一个多重调节的操纵子控制 有两个启动子 两个操纵区及两个正调节蛋白 Hut操纵子共编码4种酶和一个阻遏物 4种酶分别由hutG hutH hutI及hutU基因编码 阻遏物则由hutC基因编码 在产气克氏菌中 以上基因构成两个转录单位 hutI hutG hutC和hutU hutH分别被转录合成两条mRNA长链 这两个转录单位各自都有一个启动子和一个操纵区 其转录过程都是从左向右进行的 hutC阻遏物能与每个操纵区相结合 无论以组氨酸作为唯一碳源或氮源 hut操纵子都会处于有活性状态 Hut操纵子的每一个启动子上都有cAMP CAP结合位点 当碳供应匮乏时 能合成cAMP 出现cAMP CAP复合物 并与操纵区上的相应位点结合 诱发基因转录 虽然尚不清楚氮源缺乏时的信号是什么 但它很可能也是一个正效应子 4 多启动子调控的操纵子 1 rRNA操纵子大肠杆菌rRNA操纵子 rrnE 上有两个启动子 P1和P2 P1是强启动子 营养充沛时 由P1起始的转录产物比由P2起始的转录产物高3 5倍 当营养匮乏时 P1的作用被抑制 但P2仍有功能 2 核糖体蛋白SI操纵子核糖体蛋白SI操纵子 rpsA 它也受应急反应调节 RpsA有4个启动子 P1 P2是强启动子 平时主要依靠它们来启动基因的表达 合成SI蛋白 P3 P4是弱启动子 只有在紧急情况下 P1 P2启动子受ppGpp的抑制 由P3 P4起始合成的SI蛋白维持了生命的最低需要 3 DnaQ蛋白操纵子DnaQ蛋白是DNA聚合酶全酶的亚基之一 其主要功能是校正DNA复制中可能出现的错误 在RNA聚合酶活性较低时 操纵子的转录由弱启动子P2控制 而RNA聚合酶活性较高时 就开始利用强启动子P1 四 转录后的调控 1 mRNA自身结构元件对翻译起始的调节 1 起始密码子对翻译效率的影响GUG 14 UUG 3 两个基因使用AUU 2 核糖体结合位点 RBS 的结合强度取决于SD序列的结构 SD序列与起始密码子的距离 4 10个核苷酸 3 mRNA的二级结构对翻译起始的调控 2 mRNA稳定性对转录水平的影响 mRNA被降解的可能性取决于它们的二级结构 如 大肠杆菌的CsrAB调节系统CsrA为一个RNA结合蛋白 可结合在受其调控的mRNA上 也可与CsrB的RNA分子结合CsrB是一个非编码的RNA分子CsrAB对糖的储存和降解的调节 CsrA可激活糖酵解过程并抑制葡萄糖和糖原的合成 CsrA蛋白调控glgmRNA的稳定性 3 调节蛋白的调控作用 细菌中有些mRNA结合蛋白可激活靶基因的翻译 mRNA特异性抑制蛋白则通过与核糖体竞争性结合mRNA分子来抑制翻译的起始 rRNA 核糖体蛋白与rRNA结合 高亲和力 RBS位点暴露蛋白质合成 核糖体蛋白与RBS位点结合 RBS位点被封闭 如果细胞中缺乏rRNA mRNA 4 反义RNA的调节作用 细菌相应环境压力 氧化压力 渗透压 温度等 的改变 会产生一些非编码的小RNA分子 能与mRNA中的特定序列配对并改变所配对mRNA分子的构象 导致翻译过程被开启或者关闭 如 反义RNA对bfr基因翻译的抑制作用 bfr基因 编码细菌铁蛋白 组成型表达anti bfr基因 编码反义RNAFur蛋白 调控anti bfr基因的表达 DNAanti bfr基因 bfr基因 bfrmRNA bfrmRNA 细菌铁蛋白 anti bfrmRNA 不存在anti bf