分子生物学-7原核生物基因表达调控.ppt

1、原核生物基因表达的调控,主要内容,概述 乳糖操纵子 色氨酸操纵子 原核生物基因表达的时序 原核生物翻译水平上的调控,一、概述,（一）基因表达(gene expression)的概念,Definition: 基因转录及翻译的过程,（二）基因的可调控性,Definition: 又称管家基因(housekeeping genes) 是维持细胞生存必需的一类基因， 在各类细胞中都处于活性状态。,组成型基因(constitutive genes),调控型基因(regulated genes),Definition: 又称奢侈基因(luxury genes) 在不同组织细胞中选择表达的基因。 根据细胞生长

2、、发育的需要或 环境因素的改变，其活性受到调控。,持家基因,奢侈基因,结构基因(structural genes):编码有功能产物（RNA或蛋白质）的基因。 调控基因(regulatory genes):编码那些控制其他基因表达的RNA或蛋白质的基因。,（三）结构基因和调控基因,正调控(positive regulation):与缺乏调控因子比较，调控因子使靶基因的表达水平上升。 负调控(negative regulation):调控因子使靶基因的表达水平下降，甚至关闭。,（四）正调控和负调控,诱导(induction):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，这种基因是可诱

3、导的. 阻遏(repression):如果基因对环境信号应答时被抑制，基因表达产物水平降低.,（五）诱导和阻遏,（六）效应物,使阻遏蛋白失活或使激活蛋白激活，从而实现诱导。,使阻遏蛋白激活或使激活蛋白失活，从而实现阻遏。,诱导物 (inducer),辅阻遏物 (co-repressor),（七）原核生物基因表达的控制模式,阻遏,阻遏,诱导,诱导,可诱导的系统,可诱导的负调控,可诱导的正调控,阻遏,诱导,可阻遏的系统,可阻遏的负调控,可阻遏的正调控,阻遏,诱导,1961年 Monod和Jacob提出操纵子学说 1965年诺贝尔生理学和医学奖,（八）操纵子(operon),1940年， Monod

4、发现：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时， 细菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗尽后，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”。,1.操纵子学说,乳糖对半乳糖苷酶的合成有诱导作用。 葡萄糖对半乳糖苷酶的合成有抑制作用。,1961年，操纵子学说 由Jacob和Monod提出 1965年 诺贝尔生理学和医学奖,原核生物基因表达、调控的基本形式； 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所组成。 操纵基因受调控基因产物的控制。,2.操纵子定义,二、乳糖操纵子(lac operon),（一）乳糖操纵子的结构和功能,阻遏蛋白存在时，阻止Lac操纵子转录 阻遏

5、蛋白缺乏或无活性时， Lac操纵子的基因开启。,（二）lac操纵子的负调控,可诱导的负调控,诱导物(如乳糖、IPTG)存在时，与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋白的构象，使其不能与LacO结合，基因开始转录。,安慰诱导物 gratuitous inducer：能高效诱导酶的合成但不被所诱导的酶分解的分子。 如：IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）,1.操纵基因lacO的结构,Definition: 操纵基因(operator, O) 是原核生物操纵子中被调控蛋白 识别并结合的DNA区域。,lacO是-5至+21的序列，与启动子右末端重叠,lacO的序列，以+11为对称轴具有反向重复序列,2.阻遏蛋白（rep

6、ressor）,N端有结合DNA的能力 两核心区之间有结合诱导物的位点 C端有亚基聚合位点,阻遏蛋白是由相同亚基组成的同源四聚体(tetramer),3.阻遏蛋白与诱导物的作用,诱导物作用的两种模型,平衡模型：,阻遏蛋白与DNA结合和释放是一个快速动态平衡过程，,诱导物与游离的阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白不能与DNA 结合,解离模型：,诱导物直接同结合在DNA上阻遏蛋白结合，使其构象改变，从操纵基因上解离。,Virtually all the repressor in the cell is bound to DNA,LacZ突变： 半乳糖苷酶基因的突变，因而不能分解利用乳糖 lacY 突变： 半

7、乳糖透性酶基因的突变，不能从培养基中吸收乳糖,4.结构基因和调控基因的突变分析,结构基因的突变,不可诱导型突变,操纵基因lacO的突变,阻遏蛋白不能与之结合，使阻遏蛋白不能阻止RNA 聚合酶起始转录，操纵子不断地表达，是组成型表达,调控基因的突变,阻遏蛋白失活，不能与操纵基因结合，操纵子不断地表达，是组成型表达,它不仅本身不能和操纵基因结合，而且能参与形成四聚体，妨碍“好”亚基与操纵基因结合。,使阻遏蛋白对诱导物不起反应。 因为阻遏蛋白失去了结合诱导物的位点，或它不能将其作用传递给DNA 结合位点。,通过突变确认并绘制LacI 基因内不同的功能区,（四）lac操纵子的正调控,cAMP-CAP结

8、合结合于启动子上游的激活区域，帮助RNA聚合酶形成开放型起始复合物，促进转录起始。 分解代谢物激活蛋白(Catabolite activator protein，CAP)：转录的活化因子，直接作用于操纵子，激活基因转录。 CAP需要cAMP存在时才有活性。,CAP是二聚体， 被单个cAMP激活,1.分解代谢阻遏作用,葡萄糖降低细胞内cAMP 水平, 使CAP失活， lac操纵子不能表达, 不能利用乳糖.,分解代谢阻遏作用（catabolite repression）： 在细胞中，优先利用葡萄糖作碳源，而不使用其他糖类这种选择，是由葡萄糖的分解代谢物控制的。,2.CAP的作用位点,乳糖操纵子控制

9、区域,对L1进行缺失突变分析，L1的右边区域突变表现出乳糖操纵子本底水平的转录，cAMP-CAP不能刺激转录。表明L1区域的缺失突变丧失了CAP结合位点，保留有启动子区域。,CAP蛋白是二聚体 CAP 结合的共有序列有2个保守的5 碱基序列TGTGA,3.CAP的作用机制,（1）cAMP-CAP通过与RNA聚合酶亚基CTD相互作用，促进RNA聚合酶同启动子的结合。 （2） cAMP-CAP结合DNA后，使其弯曲。使RNA聚合酶结合更紧密，也促进了cAMP-CAP同RNA聚合酶的结合，有利于形成开放型起始复合物，促进转录起始。,CAP-cAMP激活作用的模型,促进RNA聚合酶对-35和-10序列

10、的识别和结合，有利于形成开放型起始复合物,CAP存在原因,5.lac操纵子正负调控的协调作用,两种调控机制根据存在的C源性质和水平协调的调节lac操纵子的表达。,无乳糖:阻遏蛋白结合于操纵基因，转录不能起始。,有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。 有葡萄糖:cAMP，CAP失活，不能激活基因转录， lac操纵子本底水平转录。,有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。 无葡萄糖:CAP活化，激活基因转录， lac操纵子高水平转录。,三、色氨酸操纵子(trp operon),（一） trp operon的结构,（二） trp operon的负调控,Trp是辅阻遏物 低浓度Trp或缺乏Trp时，脱辅基阻遏蛋白没

11、有活性，不能与操纵基因结合，结构基因转录。,可阻遏的负调控,高浓度Trp时， Trp与脱辅基阻遏蛋白结合，使其具有结合操纵基因的构象，阻遏结构基因转录。,（三） trp operon的衰减作用,前导序列：在trp mRNA 5端trpE基因 的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。,Definition: 衰减子又称弱化子(attenuator) DNA中可导致转录过早终止 的一段核苷酸序列,前导序列特点,3区和4区富含GC,容易形成茎环二级结构,接着有8个连续的U, 构成不依赖因子的终止子,使mRNA合成提前终止.,由1区和2区还可构成第二个发夹结构,2区也可与3区互补, 就会阻止3区和

12、4区形成发夹结构,即不形成终止信号,衰减作用机制,Trp leader RNA:,Translation of Trp leader RNA:,衰减作用的信号：细胞内色氨酰- tRNA的多少,trp存在时，核糖体能合成前导肽，核糖体伸展到2区，阻碍1区和2区配对，结果3区同4区配对形成终止子结构，RNA合成终止.,没有trp时，核糖体在1区的trp密码子停留较长时间，阻碍1区和2区配对，2区同3区配对，4区不能形成终止子, RNA继续合成.,Gly饥俄时，核糖体停在GGU上，1区和2区部分配对，3区和4区能形成终止子，trp操纵子不能表达； Thr饥俄时，核糖体停在AUC上， 3区和4区仍能形

13、成终止子，trp操纵子不能表达； Arg饥俄时，影响1区和2区配对，但不影响2区和3区形成茎环结构，结果不能形成终止信号，RNA聚合酶继续转录。,其他aa饥饿对trp衰减子的作用,四、原核生物基因表达的时序,时序调控方式,因子的更换 合成新的RNA聚合酶 合成新的调控因子, 影响转录终止,因子的更换,大肠杆菌中的各种因子比较,温度较高, 诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA pol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,适应环境需要. 枯草芽孢杆菌的芽孢形成 有序的因子的替换,RNA pol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,抗终止作用,噬菌体,早期转

14、录:产生pN和Cro蛋白,晚期转录: pN导致转录延伸到晚早期,pN抗终止的机制,pN结合在转录产物的nut位点，并同结合于RNA pol的Nus复合物相互作用，改变了RNA pol的构象，减弱了RNA pol的停顿，引起抗终止作用。,pN,四、原核生物基因在翻译水平的调控,翻译的调控主要发生在起始阶段,（一） 翻译的自我调控,1.mRNA翻译受自我蛋白质产物的调控,mRNA翻译产物作为一种阻遏蛋白发挥作用。通过阻遏蛋白与mRNA 的特定区域结合，抑制核糖体对翻译起始区的识别。,结合mRNA的自体蛋白可以阻遏翻译,核糖体蛋白质（r-proteins）的自我调控,存在游离rRNA时，r-蛋白与r

15、RNA结合装配核糖体。没有游离的r-蛋白与mRNA结合，mRNA的翻译继续。,rRNA控制r-蛋白水平,rRNA合成减慢或停止，游离r-蛋白富集，就能与mRNA 结合，阻止继续翻译。,2.mRNA的二级结构对翻译的控制,RNA 噬菌体mRNA上有2个翻译起始位点。但只有一个可利用的起始位点，另一个被包在茎环结构中，因而核糖体不能识别它。 当第一个顺反子被翻译时，RNA的构象发生改变，使其它起始位点也能被利用。,（二）稀有密码子对翻译的影响,40000个/cell,2800个/cell,50个/cell,Ile密码子使用频率比较,翻译一旦开始，其速度就受对应于mRNA分子所利用的tRNA的供应情

16、况而决定。 细胞中对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用稀有密码子, 翻译容易受阻，延长了核糖体在mRNA上的移动时间，降低翻译速度，影响合成总量。,（三）反义RNA对翻译的调控,Definition: 反义RNA（Antisense RNA)： 指与靶RNA(或DNA) 具有互补序列的调控RNA。,转录产生反义RNA的基因称为反义基因 通过互补RNA序列与特定靶mRNA结合而起负调控作用。 反义RNA结合位点通常是mRNA的SD序列、起始密码子和N端的部分密码子 把这类干扰mRNA作用的互补RNA称为micRNA (mRNA-interfering complementary RNA )

17、,即反义RNA.,反义RNA可与RNA 结合，阻塞核糖体与之结合的位点，从而阻止蛋白质的合成,反义RNA也可与mRMA 结合，形成双螺旋结构，成为内切酶的底物，使mRNA变得不稳定。,反义RNA也可与转录物结合，形成类似于终止子的结构，使转录提前结束。,本章总结,概念（） ：管家基因(housekeeping genes) 、操纵子(operon)、衰减子 (attenuator)、反义RNA（Antisense RNA) 几组名词：管家基因与奢侈基因、结构基因与调控基因、正调控与负调控、诱导与阻遏、诱导物与辅阻遏物 原核生物基因表达的控制模式 乳糖操纵子（lac operon) 的调控机制和

18、重要作用（） 试说明色氨酸操纵子（Trp operon) 的调控机制和重要作用（） 。 原核生物基因表达的时序(3种方式) 原核生物翻译水平上的调控（）,1.mRNA(信使RNA)：进行遗传信息的传递，作为蛋白质合成的模板 2.rRNA（核糖体RNA）：可装配成核糖体，参与蛋白质合成。核糖体是蛋白质合成的场所。 3.tRNA（转运RNA）：携带氨基酸，在蛋白质的合成中起接头作用 4.snRNA (核内小分子RNA) ：它是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体（spilceosome）的主要成分。 5.核酶：泛指具有催化功能的RNA的分子。内含子的自我剪接等 6.SiRNA（小干扰性RNA） ：抑制病毒、转座子等外源基因的表达,附：RNA的功能,7.端粒酶中的RNA：与端粒的复制有关 8.hnRNA（核内不均一RNA）：是mRNA的前体 9.反义RNA：可与mRNA或有义DNA链互补导致正常翻译终止的RNA分子。 10.snoRNA（小分子核仁RNA）：参与rRNA前体的加工 11.gRNA(指导RNA)：指导R