原核基因表达调控.ppt

1、1,原核基因表达调控,Regulation of gene expression in prokaryote,2,3,4,基本概念与原理,基因：指一段编码蛋白质多肽链和功能RNA的DNA。 （某些病毒基因为RNA） 基因表达：即是遗传信息转录和翻译的过程。 （时序调节和适应调节）,一、基因表达的概念,5,二、基因表达的时间性及空间性,（一）时间特异性,6,7,（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

2、间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性（spatial specificity）。,8,三、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）组成性表达,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（housekeeping gene）。,无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是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）。,9,（二）调节型表达诱导表达和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，基因被激活，基因表达增强。这种基因称为可诱

3、导基因。这个过程称为诱导（induction）。 在特定环境信号刺激下，基因被抑制，基因表达降低。这种基因称为可阻遏基因。这个过程称为阻遏（repression）。,10,四、基因表达调控的生物学意义,（一）适应环境、维持生长和增殖,（二）维持个体发育与分化,11,五、基因转录激活调节基本要素 （一） 特异DNA序列 （二） 调节蛋白 （三） RNA聚合酶,12,原核生物的基因表达与调控是通过操纵子机制实现的。 操纵子 是由功能上相关联的多个编码序列（2个以上）及其上游的调控序列（包括操纵序列、启动序列和调节序列）等成簇串联在一起，构成的一个转录协调单位。,（一）特异DNA序列,13,操纵子

4、调节序列 启动序列 操纵序列 编码序列 表达 转录,I,CAP,P,O,Z,Y,A,阻遏蛋白 结合部位,RNA聚合酶 结合部位,编码序列 规定蛋白质结构，又称结构基因； 多顺反子mRNA 由多个结构基因串联在一起，受同一个启动序列调控，转录生成一个mRNA，翻译生成多个蛋白质，称此为多顺反子mRNA。,多顺反子mRNA,阻遏蛋白,14,原核生物的共有序列 原核生物的启动序列，在距离转录起始点10区和35区往往含有一些重要的保守序列（共有序列）。 10区：含TATAAT序列，又称Pribnow盒。 35区：含TTGACA序列。,RNA聚合酶结合部位 决定转录起始点,15,（二）调节蛋白（3类）,

5、特异因子 决定RNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力； (RNA聚合酶的因子) 阻遏蛋白 通过与操纵序列结合，阻遏基因转录；（由调节基因表达的阻遏蛋白） 激活蛋白 与启动子上游DNA序列结合，促进RNA聚合酶与启动序列 结合，促进基因转录（CAP分解代谢物基因活化蛋白）,16,(三) RNA聚合酶 1. 启动子与RNA聚合酶活性 启动子核苷酸序列影响与RNA聚合酶的亲和力。 2. 调节蛋白与RNA聚合酶的活性 调节蛋白通过DNA-蛋白质相互作用、蛋白质-蛋白 质相互作用影响RNA酶活性。,17,六、基因表达的多级调控,基因结构活化,转录起始,转录后加工,转录产物的转运,翻译调控,翻译后加工

6、,转录水平,转录后水平,翻译水平,18,（一）原核生物基因表达的调控操纵子（operon）机制,19,基因表达的产物（蛋白质或RNA）从合成的场所扩散到目标场所而发挥作用的过程称为反式作用（trans-acting）,顺式作用（cis-acting）的概念用于任一不转变为任何其他形式的DNA序列，它只在原位发挥DNA序列的作用，仅影响与其物理上相连的DNA序列的活性。,1.反式作用和顺式作用,20,2. 结构基因和调节基因 结构基因（structural gene）是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因编码大量的功能各异的蛋白质，如组成细胞和组织的结构蛋白和酶等。 调节基因（regulato

7、r gene）仅指参与其他基因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合而控制受调节基因的转录是基因表达调控的关键。,21,22,3. 启动子和终止子 位于转录单位开始和结束位置上的DNA序 列，称为启动子（promoter）和终止子 （terminator）。 两者都是典型的顺式作用元件，能受同一 类反式作用因子RNA聚合酶的识别。,23,24,4.操纵基因和阻抑蛋白 操纵基因（operator）是与启动子相邻的顺 式作用位点，是阻抑蛋白的靶点。阻抑蛋白 （repressor）是调节基因的产物，与操纵基因 的结合可以阻止受调节基因的表达。 当阻抑蛋白

8、与操纵基因结合时，就会阻止 RNA聚合酶启动转录，基因的表达就被关闭。 在无阻抑蛋白时，RNA聚合酶可以识别受调节 基因的启动子，使这种基因得到表达。,25,26,27,28,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,29,转录水平的调控操纵子,原核生物的基因调控可以发生在转录和翻译

9、等不 同阶段，但也是以转录水平为主。 原核生物许多功能相关的结构基因，特别是编码 同一代谢途径的酶的基因，一般成簇排列，能受单 一启动子的共同控制，结果是整簇基因或者都表达 或者都不表达。,30,1940年， Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。 1947年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化中的意义”,Discovery of Operon,31,1951年，Monod与Jacob合作，发现两对基因： Z基因：与合成-半乳糖苷酶有关； I基因：决定细胞对诱导物的反应。 S

10、zilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有当诱导物存在时，才能去掉该阻遏物。 Jacob：结构基因旁有开关基因（操纵基因），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。,32,Jacques Monod, 1965,Franois Jacob, 1965,1961年，Jacob和Monod提出了操纵子学说，开创 了基因表达调节研究的新领域。,1965年获诺贝尔生理学和医学奖,33,1961年，Jacob和Monod提出了细菌基因表达调控的模型操纵子学说，解释了原核生物的基因表达在转录水平上是如何调控的。,34,操纵基因是位于操纵子前端部分的顺式控制元件，它能和阻

11、抑蛋白结合，控制结构基因的转录。阻抑蛋白是调节基因的表达产物，是参与操纵子调节的反式作用因子。 原核生物操纵子中的全部结构基因从同一个启动子开始转录成单个mRNA分子。,35,36,1、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,原核基因调控机制的类型与特点,37,正转录调控,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，这样的调控成为正转录调控。,38,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，这样的调控称为负转录调控。,39,可诱导调节：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作

12、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，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：,40,诱导物 能够促使细菌产生酶并被分解,41,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的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。即在某些物质的阻遏下使基因关闭。 例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因,42,调节基因,操纵基因,结构基因,mRNA,酶蛋白,调节基因,操纵基因,结构基因,辅阻遏物,辅阻遏物,能够阻止细菌产生合成该物质的酶。,43,3、在负转

13、录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。 阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录； 阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。,负控诱导：,负控阻遏：,44,负控诱导,阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；,45,阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。,负控阻遏,46,4、正转录调控系统，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。 效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态； 效应物分子（辅阻遏物）的存在使激活蛋白处于非活性状态。,正控诱导：,正控阻遏：,47,正控诱导：效应物分子(诱导物)

14、的存在使激活蛋白处于活性状态,正控诱导,48,正控诱导,49,正控阻遏：效应物分子(辅阻遏物)的存在使激活蛋白处于非活性状态。,正控阻遏,50,正控阻遏,51,第一节 乳糖操纵子,52,53,乳糖操纵子结构基因表达产物,54,酶的诱导lac体系受调控的证据,55,有乳糖存在时，结构基因表达,56,57,生理性诱导剂 实验常用诱导剂,别位乳糖 异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）,Lac操纵子诱导剂,58,59,三、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），不能单独起动合成-半乳糖苷

15、酶和透过酶的生理过程。,60, 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。,61,阻遏蛋白结构与功能的关系,62,1. 阻遏蛋白结构 38 kD，4 聚体 lacI Pi 弱启动子 5-10个/cell 具有二重性 阻止转录（与lacO结合） 开始转录（与诱导物结合）,63,阻遏蛋白单体的结构域,头段，-NH2端，lacO结

16、合区 绞链区 核心段，-COOH， 诱导物结合区,64,4个亚基的核心片段接触形成四聚体,65,66,67,细菌在富含葡萄糖的培养基上生长的时候，葡萄糖可以抑制-半乳糖苷酶表达？,68,I,P,O,Z,Y,A,调控基因 控制位点 结构基因,DNA,阻遏蛋白,启动序列,cAMP-CAP结合位点,操纵序列,半乳糖苷酶,通透酶,乙酰基转移酶,乳糖操纵子（lactose opron） 结构,RNA聚合酶 结合位点,69,70,低葡萄糖、高乳糖、高cAMP时： Lac 阻遏蛋白不封闭转录, CAP+ cAMP 加强转录。,71,cAMP与代谢物激活蛋白（CAP）,72,CAP（分解物基因激活物蛋白）:

17、有二个相同亚基的蛋白质 一个与DNA结合的domain 一个与cAMP结合的domain,73,2,CAP,CAP位点,-G, -Lac,阻遏蛋白,操纵序列,-G, +Lac,RNA聚合酶,无葡萄糖，无乳糖 无葡萄糖，有乳糖 有葡萄糖，无乳糖 有葡萄糖，有乳糖,启动序列,cAMP,mRNA 5,CAP的正性调节作用,G, -Lac +G, +Lac,74,Summary of lac operon regulation,75,CAP激活转录有两种方式： 直接作用于RNA聚合酶。CAP直接作用于RNA聚合酶的亚基，而且CAP必须与RNA聚合酶在同一个面上才有活性。 作用于DNA改变其结构，以协助

18、RNA聚合酶的结合。在CAP-DNA复合物中，DNA呈弯曲状态，弯曲点位于二重对称的中心。CAP结合以后，DNA双螺旋结构有很大的变化。,76,二、色氨酸操纵子,77,78,trpR, 阻遏蛋白 P，-40+18 O, -21+1 L, +1+162 结构基因,79,80,特点: (1) trpR和trpABCDE不连锁 (2) 操纵基因在启动子内 (3) 有衰减子（attenuator）/弱化子 (4) 启动子和结构基因不直接相连，二者被 前导序列（Leader）所隔开,81,阻遏系统,主管转录是否启动 在缺乏Trp时， mRNA起始合成，但不能自动延伸，一般在trpE之前终止转录,粗调开关

19、,82,阻遏蛋白trp 有活性的阻遏物,SNE299,trp O 不转录,83,84,Trp操纵基因序列长21 bp，是trp阻抑蛋白的作用位点。,85,缺乏Trp时， mRNA起始合成， 但不能自动延伸，一般在trpE之 前终止转录,86,弱化作用 attenuation,弱化子，衰减子， 前导RNA,87,1、弱化子： DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150区）。,123150,88,弱化子， 衰减子，,89,S312,2 前导肽14aa,90,91,高Trp时： Trp-tRNATrp 存在 核糖体通过片段1(2个Trp密码子) 封闭片段2 片段3，4形成发夹结构 类似于不依赖因子的转录终止序列 RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物,转录、翻译偶联,产生前导肽,92,低Trp时： Trp-tRNATrp 没有供应 核糖体翻译停止在片段1 （2个Trp密码子） 片段2，3 形成发夹结构 转录不终止 RNA聚合酶继续转录,93,弱化子作用,94,trp操纵子具有双重调节体系？,95,Negativerepressible operon 可以被最终合成产物所阻遏,为什么需要阻遏体系？ 当大量