原核生物基因表达的调控ppt课件

1、 第十六章 原核生物基因表达的调控第一节第一节 转录程度的调控转录程度的调控一一. . 支配子模型：支配子模型：1.1.调理基因和构造基因调理基因和构造基因. . P laci P O lacZ lacY lacADNA1040823510780825mRNA多肽3603810211252603027530氨基酸分子量(KDa)蛋白四聚体152四聚体500膜蛋白30二聚体60结构分子量(KDa)功能阻遏蛋白-半乳糖苷酶 透性酶转乙酰酶 乳糖操纵子的结构和功能(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.3)支配子支配子operon)顺式作用元件顺式作用元件cis-acting

2、element构造基因构造基因 structural genes调理基因调理基因regulator genes。反式作用因子反式作用因子trans-acting factor。诱导物诱导物inducer和效应物和效应物effectors可诱导的基因和组成型基因可诱导的基因和组成型基因控制位点控制位点controlling site诱导诱导induction2.正调控和负调控正调控负调控诱导(induction)阻遏(repression)诱导物(inductor)阻遏物(repressor)辅阻遏物(corepressor) 使阻遏蛋白具有活性或使活性蛋白失去活性的物质称。 负调控 正调控 L

3、ac O Ara O 诱 导 失活的阻遏物 活化的激活蛋白 阻遏物 诱导物 失活的活性蛋白 诱导物 阻遏 诱导 阻遏 诱导 Trp O 阻 遏 失活的活性蛋白 辅-阻遏物 活化的激活蛋白 辅-阻遏物 失活的活性蛋白 诱导 阻遏 诱导 阻遏 图 16-1 原核生物结构基因的 4 种表达调控类型 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.21) 未发现二二.乳糖支配子乳糖支配子1 调控位点 (1) Operator 支配基因 (2) CAP(catabolite gene activation protein) or CRP(cAMP受体蛋白)结合位点 (3) Promotor

4、 2 别乳糖为诱导物 3 本底组成型(background constitutive synthesis) 组成型(constitutive gene) 即看家基因Houskeeping gene) H OH HO H OH H H CH2OH H O OH HO O H O CH2 CH2OH H OH OH H HO O H 别乳糖 H O OH H H H OH OH H H H2O H H H O OH CH2OH CH2OH H OH CH2OH H O OH HO O OH H H OH H OH H HO H H H H OH H OH 葡萄糖 半乳糖 图 16- 乳糖分解的不同

5、产物乳糖 转录起始点 DNA 解链区 50 40 30 20 10 1 10 20 30 RNA 聚合酶结合的起动子区 阻遏物结 合的操纵基因区 图 16-4 在 lac 操纵子上阻遏物结合区和 RNA 聚合酶结合区的重叠 诱导物的参与和去除对lac mRNA的影响 未诱导：结构基因被阻遏 阻遏物 四聚体 LacI P O lacZ lacY lacA 图 16- 当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上 诱导：基因被打开 -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶 图 16-7 诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关 3.支配子的发现1961年 Jacob & Monod构建部分二倍体(lacI-/FlacI+

6、)lacIS 阻遏蛋白不可诱导性突变，阻遏 蛋白失去诱导物结合位点lacI- 阻遏蛋白不能构成寡聚物lacI-d 阻遏蛋白不能和DNA结合，且呈 负互补(反式显性)Oc 支配基因的组成型突变表 16-1 在单倍体和部分二倍体中-半乳糖苷酶透过酶的合成基因型-半乳糖苷酶透过酶不诱导诱导不诱导诱导 I +Z +Y + I Z +Y +I +Z Y + / FI Z +Y +I Z Y + / FI +Z +Y +I Z Y + / FI Z +Y -(I,Z,Y)/ FI Z +Y +O +Z +Y +O +Z +Y + / FO +Z Y +O cZ +Y +O +Z +Y- / FO cZ +

7、Y +O +Z +Y + / FO cZ Y +O +Z Y + / FO cZ +Y -I sO +Z +Y +/FO cZ +Y +:表示缺失， “”表示酶以最高水平存在， “”表示酶以最低水平存在 (二二) 阻遏蛋白和诱导物的互作阻遏蛋白和诱导物的互作诱导诱导induction诱导物诱导物inducers异丙基异丙基-D-硫代半乳糖苷硫代半乳糖苷isopropylthiogalactoside,IPTG抚慰诱导物抚慰诱导物gratuitous inducer 多顺反子多顺反子mRNA 变构调控变构调控allosteric control 协同调控协同调控coordinate regula

8、tion一系列基因受同一支配子的调控。一系列基因受同一支配子的调控。 基因簇基因簇(cluster) CH2OH CH3 HO O SCCH3 H CH3 OH HH H H OH图 16-6 异丙基-硫代半乳糖苷的分子结构 Active repressor cannot bind to O c mutant operantor Operon is transcribed and translated lacI O c operantor -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶 图 16-7 操纵基因发生组成型突变，操纵子组成型表达 Inactive repressor lacIgene sythe

9、sizes defective repressor that does not bind to DNA Operon is transcribed and translated lacI Operantor -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰转移酶 图 16- lac I 发生突变，操纵子组成型表达 Inactive repressor lacIgenesythesizes defective repressor that does not bind to DNA LacI + gene sythesizes lacI Operator wild-type repressor which bind t

10、o operator lacI + Inducer displaces wild-type repressor from operator as usual 图图 16- Constitutive mutations in the lacI gene are recessive. Repressor has lost lacI S genesythesizes Iducer-binding site defective repressor that cannot bind inducer; it binds permanently to operator lacI S Operantor la

11、cI + wild-type repressor does not influence DNA-binding of LacS repressor 图图 16- Uninducible lac S mutations are dominant 等位基因间的互补等位基因间的互补interallelic complementation。负的互补负的互补negative complementation lacI-d的产物和的产物和lacI+的产物组成多聚体的产物组成多聚体时，阻遏蛋白无活性。时，阻遏蛋白无活性。反式显性反式显性trans-dominant显性失活显性失活dominant negati

12、ves 阻遏蛋白和支配基因的结合与解离支配基因的构造阻遏蛋白的构造：N端159aa头部片段：为HTH，与支配基因DNA的大沟结合；中心区：有6个折叠，诱导物就结合在两个中心区之间的裂痕中；C端为两组亮氨酸拉链，构成四聚体。 支配位点的回文序列 阻遏蛋白单体的构造 Helix-turn-helix Core domain1 Core domain2 1 51 80 360 DNA binding Hinge Inducer binding Oligomerization 图 16- 阻遏蛋白单体的结构和功能阻遏蛋白单体的三级构造 StartpointgalaroHtrptrpRlac Promo

13、ter Operator location 图 16-13 操纵基因可位于启动子不同的相对位点诱导物的结合解离模型(a) (b)图1610 诱导物作用模型。(a)平衡模型，诱导物与游离的阻遏物结合，打破了其游离与结合之间的平衡；(b)解离模型，诱导物直接与结合在操纵位点上的阻遏物结合，使其释放(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.13)诱导物和阻遏蛋白结合的模型 维持阻遏 过量的阻遏物可结 合在 DNA 阻遏物结合在 的其它位点 操纵基因上 aaaa aaa a a 诱导物 a 诱导 所有的阻遏物都结合 a a 在 DNA 的随机位点上 a a a aa 诱导物解离 a

14、 建立阻遏 阻遏物恢复 活性状态 a a a 阻遏蛋白通过直接取代 a 从随机位点移向 a 操纵基因 a a a a a a 图 16-14 在细胞中所有的阻遏蛋白都结合在 DNA 上 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.18) 阻遏能发生在多个位点上aroH GCCG AATGTACTAGAGAACTAGTGC ATTAGCTTATTTTTTTGTTATCATGCTAAmRNAtrp AATC ATCGAACTAGTTAACTAGTAC GCAmRNAtrpR TGCT ATCGTACTCTTTAGCGAGTAC AACCmRNA 操 纵 区 域13 图 16-16

15、 trp 阻遏物识别三个位点上的操纵区(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.19)199 F CAP结合位点 cAMP是由腺苷环化酶adenylate cyclase 催化合成CAPcatabolite activator proteinCAP以两种方法来激活转录： 1它能够直接和RNA Pol相互作用； 2 作用于DNA，改动其构造，从而帮 助RNA Pol结合。 NH2 P P POCH2 ATP OH OH Glucose DNA Adenylcyclase Ihibition ? RNA pol + cyclic AMP + protein factor nee

16、ded for NH2 transcription to tack place OCH2 “ X” Protein factor Cyclic AMP (catabolite) RNA P O OH Stimulation Phosphodiesterase NH2 P OCH2 5AMP OH OH 图16- Control of catabolite-sensitive transcription through cyclic AMP 葡萄糖 ATP 减少 cAMP ATP 活化的 CAP 失活的 CAP ATP 转录 不转录 图16-17 图16-17 通过减少 cAMP 的水平葡萄糖导

17、致了分解代谢的阻遏 转录 A A N T G T G A N N T N N N T C A N A T T N N T T N A C A C T N N A N N N A G T N T A A N N 高度保守 低度保守 5 聚体 5 聚体 图 16-19 CAP 结合位点的保守顺序 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.24) lac C A A T T A A T G T G A G T T A A C T C A C T C A T T A gal A A A T T C T T G T G T A A A C G A T T C C A C T A A

18、T T T 图 16-22 lac 操纵子和 gal 操纵子上 cAMP-CAP 位点的比较 (仿 D.Freifeilder:Molecular Biology1983,Fig.14.15) 转录起点 gal lac ara 启动子 CAP 结合位点 操纵基因 图 16-20 CAP 蛋白可结合于相对于启动子的不同位点 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.25) 第二节第二节 支配子的其它调控方式支配子的其它调控方式一半乳糖支配子一半乳糖支配子gal operon1.构造构造2.特点：特点： (1)双启动子；双启动子； (2)双支配基因；双支配基因； (3) 无无3

19、5顺序；顺序； (4) OE在在CAP位点内，位点内，OI在在 gene E内内 Gal 既可为碳源，同时既可为碳源，同时UDPGal 又是合成细菌细胞壁的重要前体又是合成细菌细胞壁的重要前体 gal E P1 cAMP-CAP galKTE OI P2 OE (17 ) galR galU (62 ) (27 ) K T E PO galU galR mRNA Glu-1-P 阻遏物 Gal 激酶 Gal 转移酶 表面异构酶 尿苷转移酶 UDP-GlUDP-Glu u Gal Gal-1-P UDP-Gal Gal-1-P UDP-Gal + + Gal-1-P Gal-1-P 图 16-2

20、3 E.coli gal 操纵子的结构，在染色体上的分布及其产物 gal 支配子的构造 AAATTCTTGTGTAAACGATTCCACTAATTTA P1 -17 -11 P2 +CAP galE 起始点 TATGCTA CAP GGAA 76 CAP 位点 47 cAMP-CAP 位点 -10S2 S-D galOI 90 90 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 +1 +10 +20 +30 +40 +50 +6010 +1 +10 +20 +30 +40 +50 +60 TTGTGTAAACGATTCCACTAA TATGGTT G

21、alOE 12 (10S1 ) 6 图 16-24 Gal 操纵子具有双启动子(P1，P2 )和双操纵基因 (galOE,galOI ) 3.调理(1) 有Gal P1启动 K,T,E 转录 无 Glu 无Gal P1不启动 无Gal OE,O I 结合构成环，仅转 有 录20b 有Gal P2启动 S2 转录E,组成型(2) CAP-cAMP对P1 正调理，对P2 抑制 (3) 阻遏物对P1，P2 都是负调控， CAP-cAMP 含量少时P2 可转录 (机制不清)(4)P1与RNA Pol亲和力 P2与RNA Pol亲和力二阿拉伯糖支配子(ara O)1. 构造:具有正负调理功能的支配子2.

22、特点： (1) AraC有双功能 a.纯C结合araO1,阻遏；b. C+Ara C ind,结合于araI，诱导，正调理(2) araC本身也受支配调理；(3) AraC有三个结合位点(O1,O2和araI)(4) 是调理子(regulon)(5)双向转录；(6)Pc和O1重叠；(7)C 本身调理 ara 支配子的构造 (1) (50) (55.5) araD araA araB araI araC araF araE PBAD Pc 表面异构酶 异构酶 核酮糖激酶 调节蛋白 周质蛋白 透性酶 D-木酮糖-5-P L-核酮糖-5-P L-核酮糖 L-阿拉伯糖 L-阿拉伯糖 RNA Pol C

23、AP RNA Pol 细胞膜 araBAD 位点 Cind 位点 结合位点 araC araO2 +1 40 78 144 200 265 294 300 100 araO1 图16-25 ara 操纵子 的结构及 其编码的酶所催化的生化反应 araI 有有 Ara,Glu,Ara,Glu,无无 CAPCAP RNA Pol araI CAP RNA Pol 位点 Cind 位点 结合位点 araC araO2 +1 40 78 144 200 265 294 300 100 araO1 C 蛋白 有有 Ara,Ara,无无 Glu,Glu,有有 CAPCAP RNA Pol araI CAP RNA Pol 位点 Cind 位点 结合位点 araC araO2 +1 40 78 144 200 265 294 300 100 araO1 araBAD C 蛋白 Ara 图 16- ara O 的调节 (a) -300 -200 araD araA araB RNA Pol araCind CAP +1 PBAD Ara cAMP (b) 300 araO2 200 araC +1 araI -100 图 16 26 ara