第九章 微生物基因表达的调控.ppt

1、 原核生物在长期进化过程中演化出来的适应性和高度的应变能力，是它们赖以生存繁衍的根本。原核生物的生长与周围环境密切相关，它们必须不断调节各种不同的基因表达以适应营养条件和对付周围不利的物理化学因素。原核生物必须能迅速合成自身需要的蛋白质（酶）、核酸和其他生物大分子，而同时又能迅速地停止合成和降解那些不再需要的成分。原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着举足轻重的影响。一、基因表达的概念一、基因表达的概念基因表达：基因转录及翻译的过程。对这个基因表达：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为基因调控。过程的调节就称为基因调控。 组成型表达：指不受环境变化或代谢状态的影响的一类基因表达。

2、 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。 适应型（调节型）表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因的表达。 应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。二、基因表达的方式二、基因表达的方式三、基因表达的规律三、基因表达的规律时间性和空间性时间性和空间性1、时间特异性：按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。2、空间特异性：在个体生长全过程，某种基因产物在个体按

3、不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性。 基因表达伴随空间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性。四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）适应环境、维持生长和增殖（原核、真核） 维持个体发育与分化（真核）维持个体发育与分化（真核）一、原核基因表达调控环节一、原核基因表达调控环节1 1、转录水平上的调控、转录水平上的调控（transcriptional regulationtranscriptional regulation）2 2、转录后水平上的调控、转录后水平上的调控（

4、post-transcriptional regulationpost-transcriptional regulation）二、操纵子学说二、操纵子学说1 1、操纵子模型的提出、操纵子模型的提出19611961年，年，MonodMonod和和JacobJacob提出提出获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖2 2、操纵子的定义、操纵子的定义操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操操纵子：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。所组成。操纵基因受调节基

5、因产物的控制。 三、原核基因调控机制的类型与特点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 负转录调控调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负转录调控负转录调控正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，这样的调控正转录调控。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负转录调控负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

6、调控负转录调控。 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 分解代谢蛋白的基因2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为和两大类：调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物诱导物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的诱导操纵子模型酶合成的诱导操纵子模型诱导物诱导物如果某种物质能够促使如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。这种物质就是诱导物。 可阻遏调节：基因平

7、时是开启的，处在产生蛋白质可阻遏调节：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。的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因酶合成的酶合成的阻遏阻遏操纵子模型操纵子模型调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物如果某种物质能够阻止细菌产生合成这如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。种物质的酶，这

8、种物质就是辅阻遏物。3、在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白，起着阻止结构基因转录的作用。白，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）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；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。物）结合时，结构基因不转录。4 4、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋、在正转录调控系统

9、中，调节基因的产物是激活蛋白（白（activatoractivator）。）。 根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏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。存在使激活蛋白处于非活性状态。四、转录水平上调控的其他形式1、因子的更换 在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动

10、子结合。大肠杆菌中的各种因子比较因子编码基因主要功能主要功能7070rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控基因的调控5454rpoN参与多数氮源利用基因的调控参与多数氮源利用基因的调控3838rpoH分裂间期特异基因的表达调控分裂间期特异基因的表达调控3232rpoS热休克基因的表达调控热休克基因的表达调控2828rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控鞭毛趋化相关基因的表达调控2424rpoE过度热休克基因的表达调控过度热休克基因的表达调控 温度较高，诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合，诱导产生大量的热休克蛋白

11、，适应环境需要。 枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的因子的替换，RNA聚合酶识别不同基因的启动子，使芽孢形成有关的基因有序地表达。2、降解物对基因活性的调节 cAMPCAP复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。 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。3、弱化子对基因活性的影响一、乳糖操纵子的结构一、乳糖操纵子的结构二、乳糖操纵子调控模型二、乳糖操纵子调控模型主要内容： 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

12、），不能单独起动合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA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lac mRNA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。葡萄糖对lac操纵子的影响 如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中， lac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。 代谢物阻遏效应cAMP与代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白（CA

13、P）/环腺苷酸受体蛋白（CRP）由crp基因编码，能与cAMP形成复合物。 cAMPCAP复合物是激活lac的重要组成部分。ZYAOPDNA 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透过酶透过酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶cAMPCAP复合物ATP腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶cAMP（环腺苷酸）（环腺苷酸） 大肠杆菌中：无葡萄糖，大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMPcAMP浓度高；浓度高； 有葡萄糖，有葡萄糖，cAMPcAMP浓度低浓度低+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时促进

14、转录促进转录有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时不促进转录不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP协调调节 当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用。 如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。 cAMPCAP复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。 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。The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromot

15、erLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CAPCAPThe Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepress

16、orRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man, Im constitut

17、iveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through!一、翻译起始的调控 RBS（核糖体结合位点）：mRNA链上起始密码子AUG上游的一段非翻译区。 RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码子AUG之间的距离。 SD- 4-10（9）-AUG二、稀有密码子对翻译的影响dnaG(引物酶) RNA引物dnaG、rpoD和rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子50个拷贝的dnaG蛋白、2800个拷贝的rpoD和40000个拷贝的rpsU蛋白质AUU/%

18、AUC%AUA%结构蛋白37621亚基26740DnaG蛋白363232细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。三、重叠基因对翻译的影响三、重叠基因对翻译的影响TrpB 谷氨酸- 异亮氨酸-终止 GAA - AUC - UGA - UGG - AA AUG - GAA 甲硫氨酸 谷氨酸trpAtrpE苏氨酸苯丙氨酸终止 ACU - UUC - UGA - UGG - CU AUG AUG GCU 甲硫氨酸 - 丙氨酸- trpD 翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码子保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。四、四、RNARNA高级结构对翻译的影响高级结构对翻译的影响 以RNA噬菌体f2的RNA作为模板，在大肠杆菌无细胞系统中进行蛋白质合成时，大部分合成外壳蛋白，RNA聚合酶只占外壳蛋白的1/3。用同位素标记分析RNA噬菌体几种蛋白质的起译过程，发现外壳蛋白起译频率比合成酶至少要高3倍。 研究发现f2外壳蛋白基因的琥珀突变也影响了RNA聚合酶合成的起始。但若该突变不是发生在外壳蛋白接近翻译起始区，而是较靠后的位点，对RNA聚合酶的起译就没有影响。现在一般认为，聚合酶的翻译起始区被RNA的