原核基因表达调控1-6-课件

1、第六章 基因的表达与调控（上）原核基因表达调控模式目的与要求掌握基因表达的概念。掌握原核基因表达调控的基本原则及乳糖操纵子。掌握Trp操纵子的工作原理。熟悉转录后调控的种类及原理。了解半乳糖操纵子的作用机制、了解阿拉伯糖操纵子的作用机制。第一节 基因表达调控概述基因表达（gene expression）概念：通过转录和翻译，使遗传信息转变成各种功能性蛋白质的过程。 DNA蛋白质翻译RNA 转录基因表达的时间性及空间性（一）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(temporal specificity)。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称

2、阶段特异性(stage specificity)。（二）空间特异性基因表达伴随时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(cell or tissue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。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(constitutive gene expression)。基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一）组

3、成性表达管家基因(housekeeping gene)。某些在一个个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。管家基因（二）诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。DNA损伤 修复酶基因激活1.可诱导基因与诱导2.可阻遏基因与阻遏如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expre

4、ssion) 。基因的协调表达基因表达的调控概念： （gene regulation or gene control） 对基因表达过程的调节。一般规律： 机体需要基因表达开始（on）机体不需要基因表达停止（off）可能有本底水平的基因表达：每个细胞只合成1或2 个mRNA分子和极少量的蛋白质分子。基因表达调控的分类（1）转录水平上的调控（2）转录后水平上的调控 mRNA加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控原核与真核生物转录及翻译的总特点扫描图片二、原核基因表达调控机制的类型与特点原核基因表达调控主要发生在转录水平上。负转录调控正转录调控调节基因的产物是阻遏蛋白调节基因的产物是激活蛋白 调节物

5、结合到DNA上正调节负调节是开启关闭否关闭开启编码序列 调节序列 启动序列(promoter) 操纵序列(operator)激活蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白与激活蛋白阻遏蛋白负转录调控正转录 调控正控阻遏正控诱导负控阻遏负控诱导阻遏蛋白+诱导无活阻遏蛋白+阻遏无活激活蛋白+诱导激活蛋白+效应物效应物效应物效应物诱导因子诱导因子共阻遏物共阻遏物阻遏负转录调控正转录 调控正控阻遏正控诱导负控阻遏负控诱导阻遏蛋白+诱导无活阻遏蛋白+阻遏无活激活蛋白+诱导激活蛋白+效应物效应物效应物效应物诱导因子诱导因子共阻遏物共阻遏物阻遏 Lac O I 阻遏物 阻遏 诱导 失活的阻遏物负控诱导mRNA Trp O 无活的

6、阻遏蛋白辅-阻遏物 阻遏基因表达 负控阻遏正 控 诱 导活化的激活蛋白失活的活性蛋白 诱导物基因不表达基因表达 活化的激活蛋白 辅-阻遏物 基因表达 阻遏正控阻遏第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统一、原核基因表达的操纵子模型操纵子（operon）的概念： 功能相关的基因成簇地串连、密集于染色体上，共同组成的转录单位。操纵子的组成： 编码序列 调控区 1个启动序列（promoter，P） 二、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子的结构(lac operon) 调控区CAP结合位点 启动序列（promotor） 操纵序列（operator） 结构基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基转移酶ZYAO

7、PDNAmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时（二）阻遏蛋白的负性调节阻遏基因mRNA阻遏蛋白只有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖异构乳糖-半乳糖苷酶无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时（三）CAP（catabolite gene activation protein） 的正性调节ZYAOPDNACAPCAP+ + + + 转录CAPCAPCAPCAP结合位点cAMPCAP葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（一）操纵子（operon）概念：功能相关的基因成簇地串连、密集于染色体上，共同组成的转录单位。 二、乳糖操纵子调节机制（

8、一）乳糖操纵子的结构(lac operon) 调控区CAP结合位点 启动序列（promotor） 操纵序列（operator） 结构基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAI阻遏蛋白二、乳糖操纵子调节机制ZYAOPDNAImRNA阻遏蛋白1.阻遏蛋白的负性调节RNA-Pol 没有乳糖存在时有乳糖存在时-半乳糖苷酶异构乳糖转录ZYAOPDNA无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时（三）CAP（catabolite gene activation protein） 的正性调节CAPCAPCAPCAPCAPCAP结合位点CAPRNA-Pol 转录内容回顾操纵子的

9、概念：乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的表达调控阻遏蛋白的负性调控CAP的负性调控CAPPOTTTACA -35区TATGTT -10区CAP结合位点5-ATTAATGTGAGTTAGCTCACTCATTAGG-3CAP中央对称序列CAP Binding Bends DNApromotorCAP Binding site（四）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。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。低半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低 葡萄糖高OOADABCDmR

10、NARNA-polOCOB1.A基因及其生理功能2.lac基因产物数量上的比较3.操纵子的融合与基因工程lac操纵子中的其他问题1.A基因及其生理功能-半乳糖苷 - 半乳糖苷衍生物生长抑制乙酰-半乳糖苷-半乳糖苷乙酰基转移酶乙酰CoACoA-半乳糖苷酶A基因2.lac基因产物数量上的比较ZYAOPDNA1： 0.5： 0.2(1) Lac mRNA 与翻译过程中的核糖体脱离(2) Lac mRNA A基因更容易受到内切酶的作用发生降解第三节 色氨酸操纵子与负阻遏系统色氨酸操纵子（tryptophan operon）的代谢特点：1.参与 trp 的生物合成而不是降解。2.环境中有充足的 trp

11、时，不（低）表达。3.环境中缺乏 trp 时，高表达。4.它不受葡萄糖 c-AMPCRP调控。5.（辅）阻遏蛋白的负调控调控。6.弱化子的负调控调控。邻氨基苯甲酸合酶邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶磷酸核糖邻氨基苯甲酸异构酶吲哚甘油磷酸合酶色氨酸合酶Trp ETrp DTrpCTrp ATrp BtrpRABCDEopLatrpRtrpPtrpOtrpEtrpDtrpCtrpBtrpAE. coli 色氨酸操纵子模型Trp合成途径还存在色氨酸操纵子中衰减子所引起的衰减调节。前导区mRNA前导肽（14AA）衰减子 12344231mRNATrp codons终止密码UUUUUUUUUU弱化子调控的意义

12、在大量外源色氨酸存在时，及时快速阻止先导mRNA的链的合成，使避免物质与能量的浪费。备用四、半乳糖操纵子(galactose operon)大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)包括3个结构基因异构酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose transferase, galT)，半乳糖激酶(galactose kinase, galk)。这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。可以作为唯一碳源供细胞生长。GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lac

13、O的作用相同。Lac Z 操纵子细胞壁合成的前体GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；它有两个O区，一个在P区上游-67-53，另一个在结构基因galE内部。 A2 mRNA：组成型表达。cAMP-CAP抑制RNA聚合酶与S2的结合。 A1 mRNA生成：半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP。差向异构酶葡萄糖UDP- 葡萄糖UDP- 半乳糖细胞壁-76-47gal RO2CAPPO1gal Egal Tgal KA1A2阿拉伯糖操纵子（arabinose operon）

14、araD araAAraC 具有正、负调节因子双重功能。有葡糖，有或无阿拉伯糖无葡糖，阿拉伯糖1、翻译起始的调控2、稀有密码子对翻译的影响3、重叠基因对翻译的影响4、翻译的阻遏5、魔斑核苷酸水平对翻译的影响转录后水平上的调控翻译水平上的调控1.翻译起始的调控含义： 通过SD序列的结构及其与起始密码AUG之间的距离调节蛋白质翻译的水平。AUG53mRNA410为佳，9个最佳SD序列AGG GAGG GGAGG AGGAGUCCUCCA16S rRNA53UAGAUC2.稀有密码子对翻译的影响稀有密码子：是在一般的编码中利用频率很低的密码子。 稀有密码子对翻译的影响稀有密码AUA UAU UAG

15、UAA OrpsU dnaGrpoD核糖体小亚基S21蛋白引物酶RNA聚合酶因子rpsU 操纵子中3个基因产物的拷贝数的差异4万/细胞50/细胞2，800/细胞1%032% 1%AUA重叠基因对翻译的影响5、翻译的阻遏例：大肠杆菌RNA噬菌体Q（+RNA） 的蛋白质合成。大肠杆菌RNA噬菌体Q基因图含义：蛋白质抑制翻译的现象。成熟蛋白（A）外壳蛋白RNA复制酶16213221345174423534120422053成熟蛋白SD外壳蛋白SDRNA复制酶SD53（+）RNARNA复制酶RNA复制酶355（）RNA成熟蛋白魔斑核苷酸水平对翻译的影响魔斑： 当细菌演技生长过程中，遇到氨基酸全面缺乏时，细菌将会产生一个应急