原核生物的基因表达调控课件

1、第12章 原核生物的基因表达调控Section 12 Regulation of gene expression in Prokaryotes1第12章 原核生物的基因表达调控1原核生物的基因表达调控概述基因表达(gene expression)就是指某一基因指导下的蛋白质合成,蛋白质是基因表达的产物。基因表达调控是生物体内基因表达的调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间、空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当反应的复杂过程。2原核生物的基因表达调控概述基因表达(gene express基因表达调控包括：基因水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平的调控。原核基因表达调控的

2、特点与方式调控主要发生在转录水平，有正负调控两种机制；细胞要调控各种蛋白质在不同时期的表达水平有两条途径：1）DNA模板转录的速度（转录水平的调控）2）mRNA翻译的速度（翻译水平的调控）3基因表达调控包括：基因水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和44操纵子学说 Theory of Operon操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控的学说。 细菌基因表达调控的许多原理是在研究E.coli乳糖代谢调节时被发现的。1961年法国巴斯德研究院的Francois Jacob与Jacques Monod在法国科学院院报(Proceeding of theFrench Academy of Sci

3、ences)上发表了一篇论文,提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。这二个基因编码半乳糖苷酶(-galactosidase)和半乳糖苷透过酶(galactoside penmase)。前者能水解乳糖成为半乳糖和葡萄糖,后者将乳糖运输到细胞之中。5操纵子学说 Theory of Operon操纵子学说是关于在论文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因(operator)的概念,他们的操纵子学说(theory of operon)使我们得以从分子水平认识基因表达的调控,是一个划时代的突破。他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。目前发现的操纵子主要有：（1）乳糖操纵子 （

4、2）色氨酸操纵子 （3）阿拉伯糖操纵子（4） 组氨酸操纵子 6在论文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因(op操纵子概念: 转录的功能单位，是基因表达和调控的单元。典型的操纵子包括了结构基因，调控元件以及调控基因。 Control elementsStructural genes操纵子模型图7操纵子概念:Control elementsStructur1.Promoter binding2. DNA Unwinding and initiation三聚复合物闭合复合物开放复合物3. ElongationDNA解旋区(转录泡)81.Promoter binding2. DNA Unw

5、in12bp17bp3. Elongation912bp17bp3. Elongation9Termination (1)不依赖因子的转录终止(Rho-indepent termination)发夹结构特点:回文序列中富含G.C碱基对,在回文序列的下游方向又常有6个8个AT碱基对；10Termination发夹结构特点:回文序列中富含G.C碱基1111(2) 依赖因子的转录终止 (Rho-depent termination)结合RNA上72个核甘酸发夹结构特点:依赖因子的终止子中回文序列的G-C对含量较少。在回文序列下游方向的序列没有固定特征,其A-T对含量比前一种终止子低。 12(2) 依

6、赖因子的转录终止 (Rho-depent terControl elementsStructural genes结构基因：编码大量功能各异的蛋白质的DNA序列。这些蛋白质包括了细胞和组织器官基本成分的结构蛋白、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。调节基因：编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA 上的特定位点结合控制转录，是调控的关键。调控元件：如操纵序列，是调节结构基因转录的一段DNA序列。13Control elementsStructural genThe lac operon 乳糖操纵子结构与功能（1）结构基因:lac Z编码-半乳糖苷

7、酶, 将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY编码-半乳糖苷透性酶, 将乳糖从细胞外运进细胞内；lac A编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，催化将乙酰基团从乙酰辅酶A转移到-半乳糖苷分子上。14The lac operon 乳糖操纵子结构与功能14(2) 调控元件: Plac启动子、lac操纵基因(其中含有Olac结合位点) 操纵基因(oprator)：控制基因，与启动子相邻，与调节基因的产物结合共同控制结构基因的表达。 Olac结合位点（操纵序列结合位点）：28bp碱基组成回文结构，与四聚体的乳糖阻抑（遏）物紧密结合，阻碍lac ZYA的转录。阻抑（遏）物（repressor）：是负调控系统中由调节基

8、因(lacI)编码的调节蛋白，可于操纵基因结合，调控结构基因的转录。15(2) 调控元件: Plac启动子、lac操纵基因(其中含顺式作用元件（cis-acting element）： 指对基因表达有调节活性的DNA序列，在基因的同一条DNA分子上。如启动子、增强子、终止子、操纵基因等。反式作用因子（trans-acting factor)）： 参与基因表达调控的因子, 它们与特异的靶基因的顺式元件结合起作用。编码反式作用因子的基因与被反式作用因子调控的靶序列(基因)不在同一染色体上。反式作用因子有两个重要的功能结构域:DNA结合结构域和转录活化结构域,它们是其发挥转录调控功能的必需结构。反式

9、作用因子可被诱导合成, 其活性也受多种因素的调节。如RNA聚合酶、CRP等。16顺式作用元件（cis-acting element）：16(3) 调(节)控基因: lacI，编码乳糖阻抑物，单体存在时不具活性，四聚体形式存在时具有活性。顺反子（Cistron): 基因的功能单位，一个顺反子就是一个遗传区段的结构 基因，常作为基因的同义词。多顺反子mRNA（Polycistronic mRNA): mRNA分子的一种，作为两种或更多的多肽链翻译的模板，是由DNA中的邻近顺反子所限定，如细菌的lacZ，lacY, lacA 基因。17(3) 调(节)控基因: lacI，编码乳糖阻抑物，单体存在乳糖

10、操纵子的负调控机制：当有葡萄糖存在时（下图） 18乳糖操纵子的负调控机制：18当只有乳糖存在时（下图）异乳糖诱导物的产生：乳糖 异乳糖（在透过酶和-半乳糖苷酶的作用下）19当只有乳糖存在时（下图）异乳糖诱导物的产生：乳糖 IPTG（isopropyl- -D thiogalactopyoanoside)诱导物：同异乳糖IPTG20IPTG（isopropyl- -D thiogalact- 半乳糖苷酶使X-gal显蓝色分子克隆蓝白斑筛选原理21- 半乳糖苷酶使X-gal显蓝色分子克隆蓝白斑筛选原理21乳糖操纵子的正调控系统 细菌在葡萄糖、乳糖等碳源存在下，首先利用葡萄糖。当葡萄糖消耗快尽时，细

11、菌启动正调控系统。该调节作用主要由cAMP-CAP正调控物质完成。cAMP受体蛋白（ CRP ，cAMP receptor protein)CRP是一种转录激活因子（Transcriptional activator), 也称分解代谢激活蛋白（CAP,Catabolite activator protein）。22乳糖操纵子的正调控系统 细菌在葡萄糖、乳糖等CAP（CRP)只有与cAMP结合形成cAMP-CAP复合体时才能与DNA结合，激活Plac启动子，促进RNA聚合酶的转录。Plac启动子是弱启动子，缺少-35序列，只有弱的-10序列。细胞中的cAMP(环腺苷酸）受葡萄糖的含量控制。(1)

12、 当葡萄糖缺乏时，细胞中腺苷环化酶活力提高，cAMP含量升高，此时CAP与cAMP形成复合物，在诱导剂的作用下cAMP-CAP复合特定结合位点结合，引起DNA90弯曲，增强了RNA聚合酶与启动子的结合，转录效率提高50倍。23CAP（CRP)只有与cAMP结合形成cAMP-CAP复合体（2）当葡萄糖存在时， cAMP在细胞中的含量极低，二聚体的CAP不能与DNA结合，受其调控的基因（LacZYA)就不表达。24（2）当葡萄糖存在时， cAMP在细胞中的含量极低，二聚体的2525CAP的结合位点CAP与DNA的结合部位是一个反向重复序列，结合位点可能有3种情况26CAP的结合位点26CABSum

13、maryA: RNA polymeraseB: lac repressor C: CRP-cAMP27CABSummaryA: RNA polymerase27The Trp Operon 色氨酸操纵子 生物细胞中的氨基酸合成也是由操纵子调节的,细胞需要某种氨基酸时其基因即表达,不需要时基因即关闭,达到经济的原则。目前有多种氨基酸合成的操纵子的结构已研究清楚,如色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等十余种,现在我们详细讨论色氨酸操纵子(trp)的基因表达的调控。 28The Trp Operon 色氨酸操纵子 生物结构与功能The trp operon 编码色氨酸合成途径中的5个

14、结构基因（下图），编码一个转录单元，产生7kb的转录物。当细胞内的色氨酸缺乏时，这些基因协同表达。29结构与功能29Trp R基因 距trp基因族较远,产生阻抑物的基因,编码合成一个分子量为58kDa的阻遏蛋白.Ptrp+O+trpL:调控元件trpE: 编码邻氨基苯甲酸合成酶trpD: 编码邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶trpC; 编码邻氨基苯甲酸异构酶trpB: 编码色氨酸合成酶trpA: 编码吲哚甘油-3-磷酸合成酶30Trp R基因 距trp基因族较远,产生阻抑物的基因,编码合2. 色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子的阻遏系统 色氨酸操纵子的调控是在两个水平上进行的。第一水平是色氨酸操纵子的

15、阻遏系统，其控制转录的启动与否；第二水平是色氨酸的弱化系统，其控制转录是否继续进行。Trp R基因 编码合成阻遏蛋白.当细胞中的色氨酸缺乏时，阻遏蛋白以游离的形式存在，不能与操纵基因结合，色氨酸基因正常表达；当细胞中的色氨酸过量时，色氨酸与阻遏蛋白结合并形成二聚体，二聚体与操纵基因结合，色氨酸合成被阻断（下图）。312. 色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子的阻遏系统 色氨酸操色氨酸称为辅阻遏物(Corepressor)32色氨酸称为辅阻遏物32色氨操纵子的弱化系统 弱化子（attenuator） : 在trpE编码序列的起始位点上游的162bp的trp前导序列内有一个不依赖因子的终止子，在其发夹结构后有8个U，这个结构称为弱化子。33色氨操纵子的弱化系统 弱化子（attenuator） : 在前导RNA结构：try前导RNA由四个互补的区域组成，可形成各种不同的发夹结构，其中一个就是弱化子3-4的发夹结构。34前导RNA结构：try前导RNA由四个互补的区域组成，可形成 前导肽The leader peptide 前导RNA序列中含有一个有效的核糖体结合位点并能形成由前导RNA第27-68号碱基所编码的14个氨