第七章+原核基因表达调控modified.ppt

基因信息传递,第三篇,山西医科大学生物化学与分子生物学教研室杨涛,欢迎,基因表达调控,RegulationofGeneExpression,第七章,主要内容,第一节概述第二节原核生物的基因表达调控第三节真核生物的基因表达调控,基本要求,掌握基因表达与调控的相关概念熟悉原核生物和真核生物基因调控的策略掌握原核生物和真核生物在转录、翻译等水平上对基因表达的调节手段；了解原核生物和真核生物在其他水平上的一些调节策略。,第一节概述,一、基因表达调控的元件和作用方式二、原核生物和真核生物基因调控策略,第一节概述,基因：负载特定遗传信息的DNA片段，包括由编码序列、非编码序列和内含子组成的DNA区域。基因组：指来自一个遗传体系的一整套遗传信息。在真核生物体，基因组是指一套完整的单倍体的染色体DNA和线粒体DNA的全部序列。,1.基因表达与调控的相关概念,一、基因表达调控的元件和作用方式,第一节概述,(3)基因表达:指基因翻译产生蛋白质或转录产生RNA的过程.(4)基因表达调控:在不同时期和不同条件下,基因表达的开启或关闭以及基因活性的增加或减弱是受到调节控制的,这种控制被称为基因表达调控.,1.基因表达与调控的相关概念,一、基因表达调控的元件和作用方式,第一节概述,(1)顺式作用元件:指与相关基因处在同一DNA分子上,能起调控作用的DNA序列.它们一般不转录任何产物,位于基因的上游、下游或内部。包括启动子、终止子、增强子、衰减子、沉默子和各种应答元件等。,2.基因表达与调控的元件,一、基因表达调控的元件和作用方式,第一节概述,(2)反式作用因子：一个基因的产物（蛋白质或RNA），如果对另一个基因的表达具有调控作用，则将其称之为反式作用因子。如转录因子。,2.基因表达与调控的元件,一、基因表达调控的元件和作用方式,第一节概述,（1）正调控：在没有调节蛋白存在时基因是关闭的，加入调节蛋白后基因活性就被开启，这种调控系统就叫做正调控。,3.基因表达与调控的作用方式,一、基因表达调控的元件和作用方式,第一节概述,（2）负调控：在没有调节蛋白存在时基因是表达的，加入调节蛋白后基因活性就被关闭，这种调控系统就叫做负调控。,3.基因表达与调控的作用方式,一、基因表达调控的元件和作用方式,第一节概述,（3）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，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。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(constitutivegeneexpression)。,3.基因表达与调控的作用方式,一、基因表达调控的元件和作用方式,第一节概述,（1）原核生物基因调控的特点：单细胞，直接生活在复杂多变的环境中，为了维持自身的生存和繁衍，必须不断的通过对自身基因的表达进行调节以适应环境中的营养条件和应付各种不利的理化因素。,1.原核生物基因调控的策略,二、原核生物和真核生物基因调控策略,第一节概述,（2）原核生物基因调控的层次：在DNA、转录和翻译三个不同的层次上进行。转录水平的调控是最主要的，尤其是对转录起始的调控，这是最经济最有效的方式。,1.原核生物基因调控的策略,二、原核生物和真核生物基因调控策略,第一节概述,（3）原核生物基因调控的主要形式：原核生物的基因一般成簇排列构成一个操纵子，操纵子中的每个基因都受同一启动子调控。操纵子是一个转录单位，通常每个操纵子中包括功能上相关的几个基因，可转录成一个多顺反子。,1.原核生物基因调控的策略,二、原核生物和真核生物基因调控策略,第一节概述,（1）真核生物基因调控的特点：真核生物基因组DNA有许多重复序列，基因内部有内含子，基因间有非编码序列。DNA以染色质的形式存在于细胞核内，转录和翻译存在时间和空间上的差异，大大扩大了真核生物基因调控的范围。,2.真核生物基因调控的策略,二、原核生物和真核生物基因调控策略,第一节概述,（2）真核生物基因调控的层次：真核基因表达调控贯穿于从DNA到有功能蛋白质的全过程,涉及基因结构的活化、转录的其始、RNA的加工和运输以及mRNA的翻译等多个调控点。,2.真核生物基因调控的策略,二、原核生物和真核生物基因调控策略,第一节概述,（3）真核生物基因调控的主要形式：在真核生物中至今尚未发现操纵子的存在。真核生物靠顺式作用元件和反式作用因子的相互识别来进行基因表达调控。其它形式：甲基化mRNA加工等,二、原核生物和真核生物基因调控策略,2.真核生物基因调控的策略,原核生物的基因表达调控,RegulationofProkaryoticGeneTranslation,第二节,主要内容,原核基因表达调控机制概述一DNA水平的调控二转录水平调控1.乳糖操纵子2.色氨酸操纵子3.通过亚基替换的调控4.转录终止的调控三.翻译水平调控四.链霉菌的基因表达调控系统,由于原核生物的转录与翻译的过程是偶联的，而且这种过程所经历的时间很短，只需数分钟，同时由于大多数原核生物的mRNA在几分钟内就受到酶的影响而降解，因此就消除了外环境突然变化后所造成的不必要的蛋白质的合成。与真核生物相比，原核生物基因表达的一个特点是快速。,原核基因表达调控机制概述,操纵子是原核生物转录调控的主要形式,操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。,操纵子(operon)的结构与功能,Inhibitorgene,P,S1,S2,S3,启动子,结构基因1，2，3.,O,操纵基因,Promoter,Operatorgene,Structuregene,调控区,结构基因,操纵子,表达阻遏蛋白,结合RNA聚合酶,结合阻遏蛋白,表达功能蛋白,?,I,阻遏物基因,原核生物,操纵子(operon),(1)结构基因:产生mRNA并作为模板合成蛋白质(2)调节基因:产生阻遏蛋白(或激活蛋白)与操纵基因结合,阻碍(或开启)结构基因表达,开始转录,TTGACAAACTGT,-35区,(Pribnowbox),TATAATPuATATTAPy,-10区,(3)原核生物启动子保守序列,识别位点(recognitionsite),+,+,(4)操纵基因阻遏蛋白(repressor)的结合位点,当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。,其他调节序列、调节蛋白,例如,激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列（-35区上游），促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。,有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。,1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答，可分为：正转录调控负转录调控,原核基因调控机制的类型与特点,激活蛋白,正转录调控,负转录调控,正转录调控,如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控称正转录调控。,激活蛋白,正转录调控,负转录调控,负转录调控,在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控为负转录调控。,可诱导调节：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。例：大肠杆菌的乳糖操纵子,2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：,酶合成的诱导操纵子模型,诱导物,可阻遏调节：基因平时是开启的，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。例：色氨酸操纵子,酶合成的阻遏操纵子模型,辅阻遏物,3、在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。,4、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏：在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在使激活蛋白处于非活性状态。,负转录调控系统和正转录调控系统,负控诱导,负控阻遏,正控诱导,正控阻遏,操纵子的调控方式总结,启动子,结构基因1，2，3.,操纵基因,调控区,结构基因,操纵子,诱导型,阻遏型,变构,变构,阻遏蛋白变构失活,阻遏蛋白变构激活,辅阻遏物,阻遏物基因,两种方式,诱导物,乳糖操纵子为代表,色氨酸操纵子为代表,一.乳糖操纵子,（一）乳糖操纵子的结构与功能（二）乳糖操纵子的负调控和正调控（三）乳糖操纵子调控区的突变效应,背景介绍：大肠杆菌通常利用葡萄糖作为碳源，通常情况下环境中乳糖极少，降解乳糖的酶不被合成，其实质是乳糖降解酶基因不表达。,1961年由莫诺（Monod,J.法)和雅各布(Jacob,F.法)提出，用来阐述大肠杆菌乳糖代谢中基因表达的调控机制。,获1965年诺奖,大肠杆菌乳糖酶诱导合成-调节基因产物对转录的调控,操纵基因,半乳糖苷酶,半乳糖苷转乙酰酶,半乳糖苷透性酶,操纵基因基因合成的开关,调节基因,关阻遏蛋白阻挡操纵基因，结构基因不表达,开诱导物阻止阻遏蛋白功能发挥。,mRNA,酶蛋白,（一）乳糖操纵子(lacoperon)的结构与功能,Z编码-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y编码-半乳糖苷透过酶：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：乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,乳糖操纵子学说的主要内容,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。,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。,酶的诱导lac体系受调控的证据,-半乳糖苷酶,Nogalactosidasewasproduced,galactosidasewasproduced,E.coli,Glucose,E.coli,lactose,无乳糖时，几个-gal/cell；加入乳糖时，5000个；再去掉乳糖，lacmRNA下降；乳糖能激发lacmRNA的合成。,乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶合成？培养基（35S-aa,无乳糖）E.coli繁殖培养基（无35S-aa,加入乳糖）-gal(无35S),分解底物的酶只有在底物存在时才出现！,安慰诱导物：如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基-D-硫代半乳糖苷）；TMG（巯甲基半乳糖苷）；ONPG（O-硝基半乳糖苷）。,乳糖在透酶催化、转运进入细胞，再经-半乳糖苷酶催化，转变成别乳糖。,别乳糖是lac的诱导物,聚合酶进入位点,Pi启动基因,结构基因,操纵基因,启动基因,调节基因,mRNA,阻抑蛋白,别乳糖乳糖,-半乳糖苷酶透性酶乙酰基转移酶,PiIPOZYA,（二）乳糖操纵子的正、负调控,阻抑蛋白的负调节作用,CAP（分解代谢基因结合蛋白）结合位点,没有乳糖存在时,（1）阻遏蛋白的负性调节,(二）乳糖操纵子的负调控和正调控,有乳糖存在时,CAP结合位点,RNA聚合酶进入位点,Pi启动基因,结构基因,操纵基因,启动基因,调节基因,-半乳糖苷酶透性酶乙酰基转移酶,PiIPOZYA,CAP的正调节作用,+,cAMP,cAMP,（二）乳糖操纵子的正、负调控,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,（2）CAP的正性调节,协调调节,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用；,如无CAP存在，即使无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(catabolicrepression)。,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,乳糖操纵子的工作原理总结：1.负调控方式,P,Z,Y,A,启动子,分解代谢乳糖的三种酶基因,O,操纵基因,调控区,结构基因,阻遏蛋白,乳糖,变构,阻遏蛋白变构失活,阻遏蛋白,乳糖操纵子（LacOperon）,I,阻遏物基因,阻遏蛋白,阻遏状态,Z:-半乳糖苷酶,Y:乳糖穿透酶,A:转乙酰基酶,诱导状态,乳糖操纵子的工作原理总结:2.正调控,P,Z,Y,A,启动子,分解代谢乳糖的三种酶基因,O,操纵基因,调控区,结构基因,CAP,变构,CAP变构激活,cAMP,CAP,乳糖操纵子,CAP位点,(CataboliteActivatorProteinsite),CAP,CAP:代谢物激活蛋白,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，为分两类：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。,(三)乳糖操纵子调控区的突变效应,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。,组成型突变：lacOc,组成型突变：lacI-,不可诱导突变（超阻遏）：,A：野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),无乳糖时，基因不表达；B.野生型基因型(I+O+Z+Y+A+),有乳糖时，基因表达；C.调节基因突变(I-O+Z+Y+A+),无乳糖时，基因组成型表达；D.操纵基因突变型(IOcZ+Y+A+),无乳糖时，基因组成型表达。,二色氨酸操纵子,(一)色氨酸操纵子的结构与功能(二)色氨酸操纵子的阻遏调节系统（三）色氨酸操纵子的弱化机制,(一)色氨酸操纵子的结构与功能1色氨酸操纵子模型：由雅各布（JacobF.）和莫诺（MonodJ.）提出，具有合成代谢途径典型的操纵子模型。操纵子：包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因；大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制；色氨酸不足时：这种酶的基因开始转录；色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。trp操纵子是一个典型的可阻遏操纵子模型(repressibleoperon)。,操纵基因,调节基因,mRNA,酶蛋白,阻遏蛋白不能与操纵基因结合，所以结构基因表达。,酶代谢产物一旦大量积累,阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达。,Trp操纵子-产物阻遏常规酶的合成,色氨酸操纵子模型结构：5种结构基因：trpE、D、C、B、A；调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子；阻遏物trpR基因：与trp操纵子相距较远；,特点:(1)trpR和trpABCDE不连锁；(2)操纵基因在启动子内；(3)有衰减子(attenuator)/弱化子；(4)启动子和结构基因不直接相连，二者被前导序列(Leader)所隔开。,2.色氨酸操纵子的负调控：.阻遏调控：trpR基因编码无辅基阻遏物与色氨酸结合形成有活性的色氨酸阻遏物与操作子结合阻止转录；色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化，不能与操作子结合，操纵元开始转录；色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操作子结合，阻止转录。,.弱化子调控：当有色氨酸存在而trp操纵子受抑制时，仍有一段前导序列发生转录，可能存在另一种的机制来抑制trp操纵元的转录。色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列140bp长，其中有一28bp的弱化子区域；形成发夹结构，为内部终止子，RNA酶从DNA上脱落，不能转录；色氨酸低浓度或不存在时，RNA聚合酶能通过弱化子区域，转录完整的多顺反子mRNA序列；,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,?,二色氨酸操纵子的阻遏调节系统,色氨酸操纵子,（三）色氨酸操纵子的弱化机制前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽，在该短肽的第10、11位置上是两个色氨酸密码子；两个密码子之后是一段mRNA序列，该序列可分为四个区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种二级结构,从而决定弱化子是否可形成终止信号。,.当有色氨酸时，完整翻译短肽核糖体停留在终止密码子处，邻近区段2位置阻碍了2,3配对使3,4区段配对形成发夹结构终止子RNA酶在弱化子处终止，不能向前移动。,.如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时由于没有色氨酰tRNA的供应停留在该密码子位置，位于区段1使区段2与区段3配对区段4无对应序列配对呈单链状态RNA聚合酶通过弱化子，继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。,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,细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。,三.转录水平的调控,(一)RNA聚合酶的转录起始调控(二)转录终止的调控,(一)RNA聚合酶的转录起始调控,1.通过亚基替换的调控2.DNA重排对转录起始的调控3.分解代谢物的阻遏调控,1.通过亚基替换的调控,枯草杆菌（B.subtilis）中因子用于转录起始的调节大部分因子转换的例子都发生在芽孢形成（sporulation）中。当一种新的因子被激活，原来的因子被取代，通过因子转移的方式打开或关闭基因的表达。,（二）转录终止的调控,色氨酸衰减子机制。,前导RNA序列-两个发夹环-第二个发夹环和随后的8个尿苷酸-终止子信号,四.翻译水平的调控,(一)翻译起始的调控(二)翻译延伸的调控(三)翻译终止的调控,(一).翻译起始的调控,(1)重叠基因的翻译起始调控,(1)重叠基因的翻译起始调控色氨酸操纵子TrpE-Thr-Phe-终止密码子ACUUUCUGAUGGCUMet-Ala-TrpDTrpB-Glu-Ile-终止GAAAUCUGAUGGAAMet-Glu-TrpA,(一).翻译起始的调控,2.