基础科学原核生物基因表达调控PPT课件

1、第一节第一节 乳糖操纵子乳糖操纵子n乳糖操纵子的发现:n大肠肝菌能够利用乳糖：v环境中乳糖作为唯一碳源 表达并合成一系列与乳糖代谢相关的酶类v环境中没有乳糖 编码上述乳糖代谢酶的基因则被关闭第1页/共69页第2页/共69页 当诱导物不存在时，操纵子以极低的基础水平转录 诱导物的加入激活转录，使lac mRNA水平迅速上升 诱导物一旦除去，转录立刻停止，lac mRNA极不稳定很快降解，细胞内lac mRNA含量恢复到诱导前的基础水平 诱导后蛋白质含量的上升相对于mRNA水平的变化存在一个滞后期 诱导物除去后，酶的合成立即停止，但由于蛋白质较稳定，酶活性可长时间保持在诱导水平第3页/共69页操纵

2、子第4页/共69页n反式作用突变鉴定调节基因：nlac I ：阻遏蛋白不能识别操纵基因为隐性遗传，只要引入正常的lac I基因，并进行诱导，即可恢复正常的调控nlacIs ：调节蛋白不能和诱导物结合为显性遗传，突变的阻遏蛋白和细胞内所有的乳糖操纵子结合并阻遏转录，即使有野生型阻遏蛋白存在也不会脱离第5页/共69页n顺式作用突变来鉴定操纵基因：Oc 突变：操纵基因发生突变，不能和阻遏蛋白结合导致RNA聚合酶可以不受限制地从启动子开始转录，结构基因组成型表达第6页/共69页 第7页/共69页n乳糖操纵子模型：nZ、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。第8页/共69页n该mRNA分

3、子的启动子（P）位于调节基因（I）与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透性酶基因的高效表达。操纵区是阻遏蛋白的结合位点。第9页/共69页n当阻遏物与操纵区相结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。 n活性阻遏蛋白是由4个相同亚基组成的同源四聚体n阻遏蛋白具有两个结合位点：操纵基因结合位点和诱导物结合位点n阻遏蛋白和DNA的结合能增强RNA聚合酶结合DNA的能力，只是结合的RNA聚合酶不能起始转录第10页/共69页n阻遏蛋白单体的结构：由N端DNA结合域、铰链区和核心区三部分组成lDNA结合域包含两个螺旋，由一个转角分开l铰链区连接DNA结合域和核心区l核心区由核心结构域1和核心结构

4、域2组成；诱导物结合在两个结构域之间的裂隙中；C端负责亚基间的寡聚化第11页/共69页n诱导物通过与阻遏物结合，改变它的构象，使之不能与操纵区相结合，从而激活lac mRNA的转录。第12页/共69页n诱导物和结合于操纵基因上的阻遏物结合，使其从操纵基因上释放。而不是和游离阻遏物结合，影响阻遏物和DNA结合的平衡第13页/共69页n阻遏蛋白结合诱导物后构型的变化：阻遏物由两个二聚体组成四聚体；二聚体的两个DNA结合域可以同时插入DNA大沟的两个相邻连续转角；诱导物结合，改变了DNA结合域和核心区之间的角度方向，使二聚体两个头部不能同时和DNA结合，从而降低和操纵基因的亲和力第14页/共69页n

5、阻遏物同时结合两个操纵基因乳糖操纵子的操纵基因两侧，还存在两个较弱的额外操纵基因（pseudo-operator）完全阻遏转录，阻遏蛋白四聚体除了和操纵基因结合外，还需要和其中一个额外操纵基因结合同时和四聚体结合的两个操纵基因之间的DNA，弯曲形成环状结构第15页/共69页n诱导物改变阻遏蛋白在DNA上的分布，而不是产生游离阻遏蛋白：n随机DNA序列和阻遏蛋白也具有亲和力，但比操纵基因和阻遏蛋白的亲和力低107倍n诱导物和阻遏蛋白结合时，阻遏蛋白和操纵基因的亲和力下降，所有阻遏蛋白结合在DNA的随机序列上n除去诱导物后，阻遏蛋白恢复活性，从随机位点直接转移到操纵基因上第16页/共69页第17页

6、/共69页乳糖操纵子第18页/共69页n操纵子模型n正调控和负调控：根据操纵子在没有调节蛋白时的反应来定义：n负调控基因除非被阻遏蛋白关闭，否则一直表达n正调控基因只有在活性调节蛋白存在时，才会被表达n诱导和阻遏：根据操纵子对调节其表达的小分子所产生的不同应答反应来定义n诱导物：An inducer is a small molecule that triggers gene transcription by binding to a regulator protein. n辅阻遏物：A corepressor is a small molecule that triggers repress

7、ion of transcription by binding to a regulator protein. 第19页/共69页第20页/共69页第二节第二节操纵子的其他调控形式n大肠杆菌色氨酸操纵子的负调控：n色氨酸操纵子控制5种酶的合成，由trp E, D, C, B, A编码n当色氨酸缺乏时，调节基因（trpR）编码无活性的aporepressor阻遏蛋白n当细胞中色氨酸浓度较高时，色氨酸和aporepressor结合，形成有活性的色氨酸操纵子阻遏蛋白第21页/共69页第22页/共69页二、大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用： Trp mRNA的5端有139个核苷酸组成的前导序列，前导序列

8、有4个区域彼此互补：12，23，34，34发夹结构随后为8个连续U Trp mRNA的5编码14个氨基酸组成的前导肽，前导肽特点是含有两个连续Trp 细菌中，转录和翻译耦联，RNA聚合酶刚转录出部分前导序列，核糖体就开始翻译第23页/共69页第24页/共69页第25页/共69页 调控过程: Trp饥饿:核糖体停顿在两个Trp密码子上，核糖体占据1区，留下完整的2区和3区配对，形成发夹结构，这样4区转录出来后仍是单链状态，终止子不能形成，转录继续进行 有充分的色氨酸:核糖体顺利完成前导序列的合成，到达并占据1区和2区，使2区不能与3区有效配对，从而3区和4区配对产生终止子的发夹结构，转录终止 其

9、他氨基酸饥饿:核糖体在到达序列前即停顿，1区和2区配对，然后3区和4区配对形成终止子的发夹结构，转录终止。第26页/共69页色氨酸饥饿色氨酸丰富第27页/共69页色氨酸操纵子第28页/共69页二、阿拉伯糖操纵子： 具有三个操纵子： ara BAD:编码阿拉伯糖代谢相关酶 ara E,ara FG:编码膜蛋白，与阿拉伯糖结合、转运有关 调节蛋白：C蛋白 C蛋白具有双重调节功能 C蛋白在阿拉伯糖操纵子上有3个不同结合部位:ara I、araO1和araO2第29页/共69页 调控过程: 没有C蛋白:转录C mRNA 有C蛋白，阿拉伯糖、cAMP含量低:一个C蛋白与ara I和ara O2结合，DN

10、A成环状，c 基因与BAD 基因阻遏 有C蛋白，阿拉伯糖、cAMP含量高:cAMP-CAP改变C蛋白活性，C蛋白放出ara O2,不再成环，C蛋白再与阿拉伯糖结合，能激活RNA聚合酶，BAD启动子活化。第30页/共69页第31页/共69页第三节第三节 基因转录的时序调控基因转录的时序调控第32页/共69页一、噬菌体的表达调控 第33页/共69页噬菌体基因组PL: 基因左侧区域转录启动子 PR: 基因右侧区域转录启动子 OL: 非编码区（约50bp），位于CI和N基因之间OR: 非编码区(约50bp)，位于CI和Cro之间 第34页/共69页 CI: 以自身的启动子PRM转录，编码一种236个氨

11、基酸的阻遏蛋白，与OR结合将阻遏cro基因的转录，但仍允许CI转录；与OL结合后将阻碍N基因及其左侧基因的转录 CII和CIII：编码激活蛋白，具有增强CI基因转录的作用 Cro: 阻止C I蛋白的合成（裂解周期的必需步骤） 关闭早早期基因的表达（裂解周期后期不需要早早期基因的表达）第35页/共69页 N:编码一种反终止子蛋白，通过对寄主细胞RNA聚合酶的修饰，使RNA聚合酶通过早早期基因的终止子，继续转录迟早期基因 Q:是与N基因相似的反终止子，使使RNA聚合酶通过迟早期基因的终止子，继续转录晚期基因 qut 位点:Q蛋白结合位点第36页/共69页早早期基因（immediate early

12、genes ）:启动子和宿主基因启动子类似 Cro 负调控因子 N 抗终止子迟早期基因(delayed early genes ): C II 和C III 7个重组基因 2个复制基因 Q 抗终止子晚期基因(Late genes ): 10个头部基因 11个尾部基因 2个裂解基因第37页/共69页进入细菌 DNA上没有调节蛋白，RNA聚合酶结合于 PL和PR转录并产生抗终止蛋白N和调节蛋白CroN蛋白的抗终止作用使RNA聚合酶通过终止子并转录出CII、CIII等蛋白第38页/共69页第39页/共69页CII、CIII共同作用，促进CI转录cro和cII基因之间存在一个PRE启动子，它只有在cI

13、I蛋白存在时才能被RNA聚合酶识别cII蛋白在体内极不稳定，容易被寄主的Hf1A蛋白酶降解cIII的作用是保护cII蛋白，避免被降解第40页/共69页n启动子PRE的作用表达CI蛋白，翻译效率比PRM高78倍使转录以相反的方向经过cro基因，转录产物的5端是cro mRNA的反义RNA,能和cro mRNA杂交，抑制它的翻译调节蛋白CI和Cro竞争，决定噬菌体进入何种途径 第41页/共69页第42页/共69页溶源途径: CII促进CI基因表达，CI调节蛋白浓度上升 CI与OL、OR结合，阻碍除自身外噬菌体所有基因的转录同时，C I蛋白是c I基因转录所必需的正调控蛋白。C I蛋白与OR的结合，

14、使RNA聚合酶在PRM有效启动转录C I持续表达，而OL、OR被C I无限期占据，噬菌体进入溶原途径第43页/共69页第44页/共69页溶源途径第45页/共69页裂解途径： cro蛋白结合到OL和OR（以OR 处为例）：每个操纵基因含3个阻遏蛋白结合位点， OR由OR1 OR2 OR3组成， OL由OL1 OL2 OL3组成第46页/共69页ncro 蛋白和OR3的亲和力比对OR1和OR2的亲和力强ncro 蛋白和OR3的结合，抑制了RNA聚合酶和PRM的结合，阻止CI基因表达n然后cro蛋白和OR1或OR2结合，阻碍RNA聚合酶和PR结合，从而降低（但不完全抑制）早期基因的表达n晚期基因从位

15、于Q和S（裂解区基因）之间的启动子P R处开始转录，抗终止子Q蛋白允许转录通过所有晚期基因第47页/共69页第48页/共69页裂解途径第49页/共69页生理压力(如紫外线)寄主细胞产生Rec A蛋白Rec A蛋白降解C I蛋白RNA聚合酶在启动子PR引导下开始转录，产生Cro蛋白进入裂解途径溶源裂解： 第50页/共69页第51页/共69页二、枯草杆菌噬菌体spo1早、中、晚期基因表达的转换： spo1为烈性噬菌体，生活史分为早、中、晚三期：侵染后，早期基因立刻转录；在侵染45分钟后，早期基因停止表达，而开始转录中期基因；1.从侵染后的812分钟，中期基因转录又被晚期基因的转录所代替。 第52页

16、/共69页早期基因-10序列和-35序列和寄主的一致序列很相似寄主RNA聚合酶转录早期基因产生调节蛋白gp28gp28取代寄主RNA聚合酶因子并与核心酶结合改变了RNA聚合酶对启动子的识别特性，不再识别早期基因启动子而只识别中期基因启动子中期基因33和34转录产生调节蛋白gp33和gp34gp33与gp34可取代gp28及因子并使RNA聚合酶只识别晚期基因 第53页/共69页三种调节基因：28，33，34 第54页/共69页第55页/共69页单纯疱疹病毒: HSVimmediate early:病毒的alpha-TIF 因子和寄主细胞的Oct-1 结合到早早期基因启动子上游的增强子区域，促进T

17、ATA box 区起始复合物的形成和RNA聚合酶的转录delayed early:早早期基因产物之一蛋白返回细胞核，促进迟早期基因表达；在迟早期基因产物蛋白的作用下，病毒基因组DNA开始复制Late:TATA box 下游元件DAS 序列和DBF因子结合，促进晚期基因的表达,晚期基因一般编码和病毒颗粒包装有关的蛋白第56页/共69页第四节 翻译水平的调控 一、反义RNA（antisense RNA)的调控作用：反义RNA通过互补的碱基与特定的mRNA结合，阻碍该mRNA的表达，结合部位通常是mRNA上的SD序列、起始密码子和部分N端的密码子 基因调控不只是通过蛋白与核酸的相互作用而实现第57页

18、/共69页反义RNA的抑制机理： 细胞核中：反义RNA和正链RNA结合，形成双链，阻止正义RNA的加工或转运 细胞质中：反义RNA通常和mRNA5端形成双链，抑制其翻译相对于启动子，反义基因antisense gene的方向刚好和野生型基因相反第58页/共69页渗透压变化对外膜蛋白基因表达的调节：omp C 高渗透压时合成增多omp F 低渗透压时合成增多两种蛋白随渗透压变化而改变，但两种蛋白总量保持不变omp C基因转录时，omp C上游有一段DNA序列，以相反的方向同时转录一个174核苷酸的RNA，这个RNA能与omp F的前导序列中44个核苷酸（包括SD序列）以及编码区域(包括起始密码子

19、AUG)形成杂合双链，从而抑制了omp F mRNA的翻译。 第59页/共69页第60页/共69页二、翻译阻遏 核糖体蛋白基因组成若干个操纵子。每个操纵子都有自己的调节蛋白，这种调节蛋白都是核糖体蛋白本身，而且都是核糖体上与rRNA结合的蛋白。 mRNA与调节蛋白相结合的序列与rRNA与该蛋白结合的序列有很大的同源 性 ， 二 者 都 能 与 起 调 控 作 用 的 核 糖 体 蛋 白 相 结 合 ， 但 结 合 能 力rRNAmRNA第61页/共69页 当细胞中有游离rRNA时，调节蛋白优先和rRNA结合；当rRNA被饱和后，多余的调节蛋白就与mRNA上的结合位点结合，这些结合位点靠近或包含SD序列，阻碍mRNA的翻译 该过程促进与rRNA结合的核糖体蛋白维持与rRNA相应的水平，而操纵子中的其它蛋白质则可按自身需要合成。 第62页/共69页三、严紧反应n 严紧反应：当细菌发现它们处于很差的生长环境，缺乏足够的氨基酸来维持蛋白质合成时，它们停止大部分代谢活动来保存能源，称为严紧反应（或应急反应，stringent response）严紧反应时，细胞产生两种非正常的核苷酸，在电泳时呈现两个特殊斑点，称为魔点I和魔点II两斑点分别为pp