第十一章-原核转录调控(新)PPT课件

-,1,一、原核生物基因表达调控总论二、乳糖操纵元三、半乳糖操纵元四、色氨酸操纵元,第十一章：原核生物基因表达调控,-,2,一、原核生物基因表达调控总论,原核生物是单细胞生物，其生命活动与外界环境密切相关。它们必须不断地调整各种不同基因的表达以适应营养条件和应付各种不利的物理化学因素。基因表达的调控主要发生在转录水平上，在其它水平上也存在不同的调控方式。,-,3,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；开-关的调控可以通过转录水平上进行调节；,一、原核生物基因表达调控总论,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,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。,-,4,正调控（positiveregulation）和负调控（negativeregulation）阻遏蛋白分子与基因启动子DNA序列结合，阻碍RNA聚合酶的工作，使基因处于关闭状态，称为负调控。诱导物与蛋白质结合形成激活子复合物，激活子复合物与基因启动子DNA序列结合，激活基因启动转录，称为正调控。,一、原核生物基因表达调控总论,-,5,操纵元,原核生物一个转录单元可视为一个转录单位，称为操纵元(operon)，包括若干个结构基因及其上游(upstream)的调控序列。,二、乳糖操纵元,-,6,法国Jacob和Monod等人1961年提出乳糖操纵元(lacoperon)学说;获1965年诺贝尔生理学和医学奖。大肠杆菌能根据外界乳糖供应的变化而改变利用乳糖的状况，是通过乳糖操纵元的调控而实现的，这是人们第一次开始认识基因表达调控的分子机理。属于可诱导操纵元(inducibleoperon)，这类操纵元通常是关闭的，当受效应物作用后诱导开放转录。,二、乳糖操纵元,1、简介,-,7,乳糖操纵元与负控诱导系统,LacZ：编码-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；LacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；LacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，将乙酰-辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷上。,-,8,乳糖操纵元与负控诱导系统,-,9,二、乳糖(lac)操纵元的表达调控,（1）在没有乳糖存在时，乳糖操纵子处于阻遏状态。此时，基因表达的乳糖阻遏蛋白与O序列结合，故阻断转录启动。阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对，偶有阻遏蛋白与O序列解聚。因此，每个细胞中可能会有寥寥数分子半乳糖苷酶、透性酶生成（本底表达,是诱导表达量的0.1%）。,2、调控机理,-,10,二、乳糖(lac)操纵元的表达调控,（2）当有乳糖存在时，乳糖操纵子即可被诱导。真正的诱导剂并非乳糖本身。乳糖经透性酶催化、转运进入细胞，再经原先存在于细胞中的少数-半乳糖苷酶催化，转变为别乳糖。后者作为一种诱导剂分子结合阻遏蛋白，使蛋白构型变化，导致阻遏蛋白与O序列解离、发生转录，使-半乳糖苷酶分子增加1000倍。,-,11,（3）乳糖操纵元的正调控在细菌细胞内，ATP在腺苷酸环化酶的作用下转变成环式AMP(cyclicadnosinemonophosphate,cAMP)。细胞内一种代谢激活蛋白(cataboliteactivatingprotein,CAP)是cAMP的受体蛋白(cyclicAmpreceptorprotein,CRP)。cAMP与CAP结合，形成cAMP-CAP复合物。cAMP-CAP复合物是乳糖操纵元的正调控因子。,二、乳糖(lac)操纵元的表达调控,-,12,cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖分解供给能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。cAMP与CAP结合形成激活子复合物，并以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。当cAMP-CAP复合物与乳糖操纵元的结合位点结合，使启动子区域的DNA序列构型变化，这种新构型有利于提高RNA聚合酶的工作效率。,二、乳糖(lac)操纵元的表达调控,-,13,二、乳糖(lac)操纵元的表达调控,-,14,CAP的正性调控当细胞中既有别乳糖与阻遏蛋白结合，又有cAMP-CAP复合物与结合位点DNA序列结合时，乳糖操纵元的转录效率最高。lac操纵元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。,二、乳糖(lac)操纵元的表达调控,-,15,三、半乳糖（gal)操纵元,在大肠杆菌的基因组中，半乳糖操纵元负责半乳糖分解代谢。除了上游的启动子和操纵基因外，与半乳糖利用相关的三个结构基因依次排列：galE(编码半乳糖差向异构酶)galT(编码半乳糖转移酶)galK(编码半乳糖激酶),-,16,三、半乳糖（gal)操纵元,Gal操纵元需要两个启动子与半乳糖在分解代谢和合成代谢中的双重作用有关。半乳糖可作为细菌的碳源；UDPGal是合成细菌细胞壁的一个重要前体。无外源半乳糖时，细菌必须将自身的UDPGlu在半乳糖差向（表）异构酶的作用下转变成UDPGal，而半乳糖表异构酶是由galE编码。因而细菌必须以低水平不断地合成GalE才能维持生长。,-,17,三、半乳糖（gal)操纵元,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。半乳糖ATP半乳糖1-磷酸ADPH+半乳糖1-磷酸UDPGluUDPGal葡萄糖1-磷酸UDPGluUDPGalUTP+葡萄糖1-磷酸,-,18,1、Gal操纵元的结构特征gal操纵元有两个启动子，PG1和PG2，两者的Pribnow框相差5bp。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，另一个O区在结构基因galE内部。,三、半乳糖（gal)操纵元,-,19,三、半乳糖（gal)操纵元,2、CAP对gal操纵元的作用从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）。有cAMPCRP时，转录从S1开始。高水平的cAMPCRP（无G)能抑制从S2的转录。从S2起始的转录要依赖于葡萄糖，当无cAMPCRP时，转录从S2开始。,-,20,当无外源葡萄糖时，P1（强启动子）转录，P2不转录。利用乳糖作为碳源。当有外源葡萄糖时，P1不转录，P2转录，gal操纵子被低水平打开，以产生UDPGal。,三、半乳糖（gal)操纵元,-,21,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、减少或停止利益自身营养合成色氨酸，以减轻自己的负担。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵元(trpoperon)的调控。色氨酸操纵元：色氨酸操纵元编码Trp生物合成途径中的5个结构基因，编码这5个酶的单一转录物是在单一启动子（Ptrp)和操纵基因（Otrp)位点的调控下合成的。,四、色氨酸操纵元,-,22,色氨酸操纵元与负控阻遏系统,-,23,(一)色氨酸操纵元的结构与阻遏蛋白的负调控(1)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。,四、色氨酸操纵元,-,24,色氨酸操纵元与负控阻遏系统,-,25,前导RNA结构：色氨酸前导RNA由四个序列互补的区域组成，可形成各种不同的发夹结构。其中一个就是弱化子的发夹结构。前导肽：前导RNA有一个有效的核糖体结合位点并编码一段14个氨基酸残基的前导肽，第10与11号密码子编码色氨酸，当色氨酸含量低时，核糖体会在这些密码子上停顿。弱化子：在trpE编码序列起始位点上游前面的162bp的trp前导序列内有一个终止子序列，是一个不依赖因子的终止子，在其发夹结构后跟着8个连续的U，能在140bp处终止转录。这一结构称为弱化子，因为它能导致色氨酸RNA合成的提前终止。,色氨酸操纵元与负控阻遏系统,(2)弱化子终止转录的作用,-,26,-,27,(2)弱化子终止转录的作用a、当色氨酸浓度低时，生成的tRNAtrp(色氨酸)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，tRNAtrp色氨酸浓度随之升高，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，RNA聚合酶终止转录的几率增加，于是转录减弱。,四、色氨酸操纵元,-,28,四、色氨酸操纵元,-,29,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RNA聚合酶停止转录，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”。,四、色氨酸操纵元,-,30,五、翻译水平调控,原核生物中基因的表达也在翻译水平上受到控制。蛋白质翻译的起始主要依靠AUG起始密码子上游富含嘌呤的6-8个核苷酸之存在与否。在细菌核糖体中的16S小亚基rRNA3端在序列上与核糖体结合位点序列是互补的。mRNA上核糖体结合序列一般集中在起始密码子上游的8个核苷酸上。如果这个区域发生突变,就会大大降低其相应的mRNA的翻译效率。该序列如被包在环卡结构(loopstructure)之中，因无法与16SrRNA相互作用而无法进行翻译。,-,31,翻译水平调控,中文名称：SD序列英文名称：Shine-Dalgarnosequence;SDsequence1974年澳大利亚学者夏因(Shine)和达尔加诺(Dalgarno)两人发现该序列的功能。信使核糖核酸(mRNA)翻译起点上游与原核16S核糖体RNA或真核18SrRNA3端富含嘧啶的7核苷酸序列互补的富含嘌呤的37个核苷酸序列(AGGAGG)，是核糖体小亚基与mRNA结合并形成正确的前起始复合体的一段序列。,-,32,翻译水平调控,-,33,Shine-Dakarno序列的工作效率受与它们结合的蛋白质控制,从而阻碍其作用。E.coli的核糖体蛋白(ribosomalprotein,-蛋白)就是一个例证。当-蛋白合成的速度超过-RNA合成的速度时,游离的-蛋白就积累起来,有一些关键的-蛋白就与Shine-Daigarno序列结合。这样的话,核糖体蛋白的合成量就不会超过用于制造核糖体的蛋白量。,翻译水平调控,-,34,原核生物中的mRNA也受反义RNA(antisenseRNA)的调控。反义RNA可与目的基因(mRNA)的5端UTR（Untranslatedregion)片断互补配对，配对区域通常包括Shine-Dalgarno序列，使mRNA不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。,反义RNA调控,翻译水平调控,-,35,RNA干扰是将双链RNA导入细胞引起特异基因mRNA降解的一种细胞反应过程。干扰机制可在转录、转录后和翻译水平上实现。转录水平上的干扰机制是通过对靶基因染色质结构的改变，使其基因转录受限，导致表达系统的关闭。翻译水平上的干扰机制，是通过抑制相应mRNA的翻译,使相应的蛋白质表达受阻。RNA抗干扰能帮助我们研究基因的功能，同时它为我们提供了一个治疗疾病的新途径。,RNA干扰,翻译水平调控,-,36,核糖核酸干扰（RNAi）是怎样工作的呢？首先外源导入的双链核糖核酸(dsRNA)被切割