理学原核基因表达调控PPT课件

1、 1.1 几个基本概念 1.2 基因或操纵子表达调控水平 1.3 调控的类型与特点1 概 述第1页/共82页1.1 几个基本概念顺式作用元件与反式作用因子结构基因与调控基因阻抑物、操纵基因与操纵子正调控与负调控诱导与阻遏第2页/共82页顺式作用元件与反式作用因子第3页/共82页 结构基因（结构基因（structural gene） 编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和RNA的基因。的基因。 调控基因（调控基因（regulator gene） 编码蛋白质或编码蛋白质或RNA来调节其他基因表达的基因。来调节其他基因表达的基因。结构基因与调控基因第4页/共82页阻

2、抑物（阻抑物（repressor）: 阻止基因表达的蛋白质，可与操阻止基因表达的蛋白质，可与操纵基因结合来阻止转录或结合纵基因结合来阻止转录或结合RNA来阻止蛋白质的翻译。来阻止蛋白质的翻译。操纵基因（操纵基因（operator）: DNA上的一个位点，阻抑物能上的一个位点，阻抑物能与之结合抑制相邻启动子起始转录。与之结合抑制相邻启动子起始转录。操纵子（操纵子（operon）: 细菌基因表达和调控的单位，包括细菌基因表达和调控的单位，包括结构基因和能被调控基因产物识别的结构基因和能被调控基因产物识别的 DNA控制元件。控制元件。阻抑物、操纵基因与操纵子阻抑物、操纵基因与操纵子第5页/共82页第

3、6页/共82页 正调控（正调控（positive control）: 调控因子通过与启动子元件结合来激活基因的表达。调控因子通过与启动子元件结合来激活基因的表达。负调控（负调控（negative control）: 阻抑物与操纵基因结合来阻止基因的表达。阻抑物与操纵基因结合来阻止基因的表达。正调控与负调控第7页/共82页： 通过小分子诱导物参与通过小分子诱导物参与, 使阻抑物失活或活化激活剂来实现对基因或操纵子表达的调使阻抑物失活或活化激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控控 。通过小分子辅阻遏物参与通过小分子辅阻遏物参与,使激活剂失活或活化阻抑物来实现基因或操纵子不表达的调控。使激活剂失活或活

4、化阻抑物来实现基因或操纵子不表达的调控。诱导与阻遏第8页/共82页1. 2 表达调控水平转录水平转录水平 (1) DNA的结构的结构 (2) RNA聚合酶的功能聚合酶的功能 (3) 蛋白因子及其他小分子配基的相互作用蛋白因子及其他小分子配基的相互作用转录后水平转录后水平 (1) 翻译的起始、延伸及终止翻译的起始、延伸及终止 (2) 蛋白质产物的加工、修饰、折叠及转运蛋白质产物的加工、修饰、折叠及转运第9页/共82页1.3 调控类型与特点负控诱导系统负控诱导系统正控诱导系统正控诱导系统负控阻遏系统负控阻遏系统正控阻遏系统正控阻遏系统第10页/共82页第11页/共82页2 乳糖操纵子 2.1 乳糖

5、操纵子的结构组成2.2 乳糖操纵子的调控模型第12页/共82页2.1 乳糖操纵子的结构组成The lac operon includes cis-actihng regulator elements and protein-coding structural genes第13页/共82页第14页/共82页2.2 乳糖操纵子的调控模型乳糖操纵子的负调控乳糖操纵子的负调控乳糖操纵子的正调控乳糖操纵子的正调控第15页/共82页 (1) 负调控位点负调控位点-操纵基因操纵基因 位置位置; 序列特征序列特征(2) 调节因子调节因子-阻抑物阻抑物 结构特征结构特征; 活性控制活性控制(3) 阻抑物与操纵基

6、因的作用分析阻抑物与操纵基因的作用分析(4) 乳糖操纵子的负控诱导系统乳糖操纵子的负控诱导系统乳糖操纵子的负调控第16页/共82页Repressor and RNA polymerase bind at sites that overlap around the transcription startpoint of the lac operon.-5+21Lac 操纵基因的位置第17页/共82页 The lac operator has a symmetrical sequence. The sequence is numbered relative to the startpoint fo

7、r transcription at +1. Lac 操纵基因的序列特征第18页/共82页Lac阻抑物的结构特征第19页/共82页N endC end第20页/共82页The repressor tetramer consists of two dimers. Dimers are held together by contacts involving core domain 2 as well as by the oligomerization helix. The dimers are linked into the tetramer by the oligomerization inte

8、rface.第21页/共82页Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to the operator. The shape of the repressor is represented as a series of connected domains as revealed by its crystal structure 第22页/共82页Inducer changes the structure of the core so that the headpieces of a repre

9、ssor dimer are no longer in an orientation that permits binding to DNA.Lac阻抑物的活性控制第23页/共82页阻抑物与操纵基因的作用分析第24页/共82页Lac repressor binds strongly and specifically to its operator, but is released by inducer. 第25页/共82页Virtually all the repressor in the cell is bound to DNA.Repression affects the sites at

10、 which repressor is bound on DNA第26页/共82页The three lac operators -83 +11 +410 O1 O3 O2 O1: AATTGTGAGCGGATAACAATTO2: AAATGTGAGCGAGTAACAACCO3: GGCAGTGAGCGCAACGCAATTO3+O2+O1: 1300; O3+O1: 440; O1+O2: 700; O3+O2: 1.9; O3: 1.0; O1: 18; O2: 1.0; No operators:1.0-fold第27页/共82页If both dimers in a repressor

11、tetramer bind to DNA, the DNA between the two binding sites is held in a loop.第28页/共82页(4) 乳糖操纵子的负控诱导系统乳糖操纵子的负控诱导系统 可以对操纵子进行诱导的小分子，其结构通常与操纵子所表达的酶的底物的结构相同或类似。可以对操纵子进行诱导的小分子，其结构通常与操纵子所表达的酶的底物的结构相同或类似。 -半乳糖苷（含乳糖）是半乳糖苷（含乳糖）是lacZYA基因编码的酶可识别的底物。基因编码的酶可识别的底物。 -半乳糖苷不存在时，乳糖操纵子的表达水平极低。加入半乳糖苷不存在时，乳糖操纵子的表达水平极低。

12、加入-半乳糖苷可诱导乳糖操纵子中三个结构基因的半乳糖苷可诱导乳糖操纵子中三个结构基因的转录。转录。第29页/共82页Glucose controls expression of lac operon第30页/共82页Addition of inducer results in rapid induction of lac mRNA, and is followed after a short lag by synthesis of the enzymes; removal of inducer is followed by rapid cessation of synthesis.第31页/共

13、82页乳糖操纵子的正调控 (1) 正调控位点正调控位点- CRP结合位点结合位点 位置位置 序列特征序列特征(2) 调节因子调节因子- CRP 结构特征结构特征 活性控制活性控制(3) CAP与靶位点的作用与靶位点的作用第32页/共82页The CRP protein can bind at different sites relative to RNA polymerase. CRP结合位点的位置CRP-binding sites are close to the promoter-41, one- 61, two- 92, one第33页/共82页The consensus sequenc

14、e for CRP contains the well conserved pentamer TGTGA and (sometimes) an inversion of this sequence (TCANA). CRP结合位点序列特征CRP binds to a consensus sequence第34页/共82页 一个由两个相同亚基组成的二聚体，每个亚基为一个由两个相同亚基组成的二聚体，每个亚基为22.5 kDa, 二聚体可被单个分子二聚体可被单个分子cAMP激激活。活。 CRP单体含一个单体含一个DNA结合区和一个转录激活区。结合区和一个转录激活区。CRPCRP的结构特征的结构特征第

15、35页/共82页Cyclic AMP has a single phosphate group connected to both the 3 and 5 positions of the sugar ring. adenylate cyclaseATP cAMP第36页/共82页By reducing the level of cyclic AMP, glucose inhibits the transcription of operons that require CRP activity.The level of cyclic AMP is inversely related to th

16、e level of glucose. CRP的活性控制cAMPAGlc第37页/共82页CRP bends DNA 90 around the center of symmetry. CRP与靶位点的作用第38页/共82页3 色氨酸操纵子3.1 色氨酸操纵子的结构组成色氨酸操纵子的结构组成3.2 色氨酸操纵子的调控模型色氨酸操纵子的调控模型 trp操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统 衰减子对色氨酸操纵子的表达调控衰减子对色氨酸操纵子的表达调控 第39页/共82页3.1 色氨酸操纵子的结构组成第40页/共82页The Trp OperonNote:the order of the genes f

17、ollows the order of the biosynthetic pathway第41页/共82页 (1) 辅阻遏蛋白对辅阻遏蛋白对trp操纵子表达的调控操纵子表达的调控 辅阻遏蛋白（辅阻遏蛋白（aporepressor, trpR的产物）通过与的产物）通过与操纵基因的结合与否来控制结构基因是否被转录。操纵基因的结合与否来控制结构基因是否被转录。 (2) 辅阻遏蛋白的活性控制辅阻遏蛋白的活性控制 辅阻遏蛋白的活性受到色氨酸水平的控制，色氨辅阻遏蛋白的活性受到色氨酸水平的控制，色氨酸与辅阻遏蛋白结合则激活了辅阻遏蛋白，这样辅阻酸与辅阻遏蛋白结合则激活了辅阻遏蛋白，这样辅阻遏蛋白就可与操纵

18、区遏蛋白就可与操纵区DNA结合，关闭结合，关闭trp操纵子的表达。操纵子的表达。trp操纵子的阻遏系统第42页/共82页(1) 前导序列和衰减子的序列特征(2) 色氨酸水平调控前导区和衰减子对应RNA二级结构 (3) RNA的可变性二级结构调控衰减作用衰减子对色氨酸操纵子的表达调控衰减子对色氨酸操纵子的表达调控第43页/共82页(1)前导序列和衰减子的序列特征第44页/共82页(2) 色氨酸水平调控前导区和衰减子对应RNA二级结构+90 +140第45页/共82页(3) RNA的可变性二级结构调控衰减作用第46页/共82页14321234第47页/共82页第48页/共82页4 应急应答4.1

19、定 义4.2 产生的核酸堆积物- (p)ppGpp4.3 (p)ppGpp的产生机制4.4 (p)ppGpp的作用第49页/共82页4.1 定义应急应答（应急应答（stringent response）：）： 当细菌发现它们处于很差的生长环境，当细菌发现它们处于很差的生长环境，没有足够的氨基酸来维持蛋白质合成时，没有足够的氨基酸来维持蛋白质合成时，它们就会停止大部分活动，这种现象称为它们就会停止大部分活动，这种现象称为应急应答应急应答。第50页/共82页4.2 产生的核酸堆积物 应急应答产生两种非正常的核酸堆积物应急应答产生两种非正常的核酸堆积物有时又称预警子有时又称预警子(alarmone)

20、，即，即ppGpp和和pppGpp，统称，统称(P)PPGPP。 第51页/共82页4.3 (p)ppGpp的产生机制 应急因子应急因子RelA是一种是一种(p)ppGpp合成酶，约与合成酶，约与0.5%的核糖体结合在一起。的核糖体结合在一起。 当当A位被空载位被空载tRNA占据时，占据时， RelA被激活。被激活。 一个空载一个空载tRNA进入进入A位就生成一个位就生成一个(p)ppGpp第52页/共82页Stringent factor catalyzes the synthesis of pppGpp and ppGpp; ribosomal proteins can dephospho

21、rylate pppGpp to ppGpp. 第53页/共82页第54页/共82页4.4 (p)ppGpp的作用 应急应答使得应急应答使得rRNA和和tRNA的合成的合成量大幅减少（量大幅减少（10-20%），一些），一些mRNA的的合成也减少（合成也减少（1/3）。蛋白质的降解速率）。蛋白质的降解速率增加，许多代谢调节作用开始发生。增加，许多代谢调节作用开始发生。第55页/共82页Nucleotide levels control initiation of rRNA transcription. 第56页/共82页5 5 RNARNA对基因表达的调控对基因表达的调控5.1 反义反义RNA

22、抑制基因表达抑制基因表达5.2 小小RNA分子调节翻译分子调节翻译5.3 RNA干扰与基因沉默干扰与基因沉默第57页/共82页5.1 反义反义RNA抑制基因表抑制基因表达达反义基因和反义反义基因和反义RNA的定义的定义反义反义RNA技术及作用原理技术及作用原理 第58页/共82页反义基因和反义RNA的定义反义基因反义基因 (Antisense gene): 是指相对于启动子的方向，将基因反向，从而转录是指相对于启动子的方向，将基因反向，从而转录出出“反义反义RNA”链（给与正义链（给与正义RNA互补），此时的基互补），此时的基因称反义基因。因称反义基因。反义反义RNA (Antisense R

23、NA): 能与特异能与特异mRNA分子互补结合的一段分子互补结合的一段RNA分子。分子。第59页/共82页第60页/共82页反义RNA技术及作用原理 反义反义RNARNA技术：技术： 利用基因重组技术，构建人工表达载体，使其离体或体内利用基因重组技术，构建人工表达载体，使其离体或体内表达反义表达反义RNARNA，从而抑制靶基因的表达，从而抑制靶基因的表达 。作用原理作用原理: :（1 1）复制水平：）复制水平：与引物与引物RNARNA互补结合，抑制互补结合，抑制DNADNA复制。复制。（2 2）转录水平：）转录水平：与与mRNA 5mRNA 5末端互补结合，阻止帽子结构末端互补结合，阻止帽子结

24、构形成；作用于外显子和内含子连接区，阻止前形成；作用于外显子和内含子连接区，阻止前mRNAmRNA的剪接；的剪接； 作用于作用于poly Apoly A形成位点，阻止形成位点，阻止mRNAmRNA的成熟及其向胞浆中的转的成熟及其向胞浆中的转运运. .（3 3）翻译水平：）翻译水平：可能是最主要方面，互补于起始位点阻止核可能是最主要方面，互补于起始位点阻止核糖体结合；互补于编码区阻止核糖体在糖体结合；互补于编码区阻止核糖体在mRNAmRNA上移动；降解上移动；降解靶靶mRNAmRNA 第61页/共82页5.2 小小RNA分子调节翻译分子调节翻译小小RNA分子调节翻译机制分子调节翻译机制细菌内含有

25、调节因子细菌内含有调节因子RNA真核生物中含有的微小调节因子真核生物中含有的微小调节因子RNA第62页/共82页小小RNA分子调节翻译机制分子调节翻译机制 调节因子调节因子RNA通过与靶通过与靶RNA形成双链区域来行使功能，双链体可以：形成双链区域来行使功能，双链体可以： 阻遏翻译起始；阻遏翻译起始； 产生一个核酸内切酶作用靶点；产生一个核酸内切酶作用靶点； 引起转录终止。引起转录终止。第63页/共82页第64页/共82页By binding to a target RNA to form a duplex region, a regulator RNA may create a site t

26、hat is attacked by a nuclease. 第65页/共82页第66页/共82页细菌内含有的调节因子细菌内含有的调节因子RNA 细菌中的调节因子细菌中的调节因子RNA是短的分是短的分子，统称为子，统称为sRNA。 E.coli 至少包含至少包含17种不同种不同sRNA，有一些有一些sRNA是普遍的调节因子，可是普遍的调节因子，可以影响许多靶基因。以影响许多靶基因。第67页/共82页Oxy R（可被H2O2激i活的激活剂）Oxy S （靶基因之一） Oxy S RNA （109 碱基）（超过10个靶基因转录氧化应急反应展示了RNA作为调节因子的通用控制系统的一个例子。第68页/

27、共82页oxyS RNA inhibits translation of flhA mRNA by base pairing with a sequence just upstream of the AUG initiation codon. 第69页/共82页真核生物中含有的微小调节因子真核生物中含有的微小调节因子RNARNA本质：本质：动物和植物基因组编码许多短的动物和植物基因组编码许多短的RNA分子（约分子（约22个碱基），称为微小个碱基），称为微小RNA（microRNA) 。功能：功能：通过与靶通过与靶mRNA 序列互补配对原则来调节基因序列互补配对原则来调节基因的表达。的表达。产生

28、机制：产生机制：先转录产生能形成双链体区域的转录物，先转录产生能形成双链体区域的转录物，再由酶（再由酶（dicer)切割产生。切割产生。第70页/共82页5.3 RNA干扰与基因沉默干扰与基因沉默RNA干扰干扰( RNA interference，RNAi ) 的定义：的定义： 指生物体内利用指生物体内利用双链双链RNA诱导同源靶基因的诱导同源靶基因的mRNA特异性降解，从而导致转录后基因沉默的现特异性降解，从而导致转录后基因沉默的现象。象。RNAi的作用机理的作用机理: 通过核酸酶通过核酸酶Dicer切割切割dsRNA生成生成21-23 nt 小干扰小干扰RNA（siRNA），继而由），继而由siRNA识别并靶向降解同识别并靶向降解同源靶基因源靶基因mRNA，从而抑制靶基因的表达。，从而抑制靶基因的表达。 第71页/共82页enzyme第72页/共82页第73页/共82页6 翻译对基因表达的调控6.1 翻译对基因表达的调控的两种方式翻译对基因表达的调控的两种方式6.2 r-蛋白的自主调控蛋白的自主调控6.3 自主调节控制大分子聚合物的合成自主调节控制大分子聚合物的合成第74页/共82页6.1 翻译对基因表达的调控的两种方式第75页/共82页一种方式一种方式: : 与与mRNAmRNA上靶区结合的蛋白质通过上靶区结合的蛋白质通过阻遏核糖体识别起始区来实现阻抑物的功能阻