大学分子生物学经典课件第五章 原核生物基因表达调控.ppt

1、第五章 原核基因表达调控模式,蛋白质合成的类型： 永久型：是指蛋白质的合成不受环境变化或代谢状态的影响，始终维持在恒定水平。 适应型或调节型：是指蛋白质的合成速度明显地受环境的影响。,2020/8/5,2,第一节 原核生物基因表达调控的概述 第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统 第三节 色氨酸操纵子与负控阻遏系统 第四节 其它操纵子 第五节 转录后的调控,2020/8/5,3,第一节 原核生物基因表达调控的概述,基因表达（gene expression)：是指DNA分子所承载的遗传信息，通过密码子 反密码子系统，转变成蛋白质或功能RNA分子的过程，称为基因表达。,基因表达调控（gene regul

2、ation or gene control): 是指对基因表达过程的调节。,2020/8/5,4,基因表达调控主要表现在以下几个方面： 1、转录水平上的调控（transcriptional regulation); 2、mRNA加工成熟水平上的调控（differential processing of RNA transcription); 3、翻译水平上的调控（differential translation of mRNA),2020/8/5,5,基因调控的指挥系统：,2020/8/5,6,一、原核基因调控机制的类型与特点,根据调控机制的不同： 正转录调控（positive transcr

3、iption regulation）：调节基因的产物是激活蛋白（activator），起着提高结构基因转录水平的作用。,负转录调控（negative transcription regulation）：调节基因的产物是阻遏蛋白（reppressor），起着阻止结构基因转录的作用。,2020/8/5,7,根据作用特征： 诱导（induction）：调节因子与效应物结合后，开启基因的转录活性称为 诱导（induction）； 阻遏（repression）：调节因子与效应物结合后，关闭基因的转录活性称为 阻遏（repression）。,2020/8/5,8,2020/8/5,9,2020/8/5,1

4、0,2020/8/5,11, 因子是参与大肠杆菌基因表达调控最常见的蛋白质。,6 种 因子： 70、 54、 38、 32、 28、 24。,除54 外，其余5种 因子在结构上均具有同源性，统称为70 家族。,2020/8/5,12,2020/8/5,13,1 、 特殊代谢物对基因活性的调节,可诱导调节：是指一些基因在某些代谢物的诱导下使其活化，由原来的关闭状态转变为开放状态。 如：大肠杆菌的乳糖操纵子,可阻遏调节：是指一些基因由于某些代谢物的积累，而使其由原来的开放状态转变为关闭状态。 如：色氨酸操纵子,二、原核基因调节的主要特点,2020/8/5,14,可诱导的操纵子：是一些编码糖和氨基酸

5、分解代谢蛋白的基因；,2020/8/5,15,可阻遏的操纵子：是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质。,2020/8/5,16,2、弱化子对基因活性的调节,弱化子(attenuator)：是指起转录终止信号的一段核苷酸序列。,trp 操纵子mRNA 前导序列结构,2020/8/5,17,调节机理：,2020/8/5,18,色氨酸含量和核糖体位置对弱化子结构的影响,当色氨酸充足时，前导序列的合成正常进行，核糖体占据 1 区和部分2 区，2、3 不能有效配对； 3、4 配对形成终止子的发卡结构，转录终止。,Trp+ 转录终止,2020/8/5,19,当缺乏色氨酸时， 翻译在双色氨酸密码子处

6、中止；核糖体仅占据 1 区，2、3 区配对； 3、4 区不能形成发卡结构，转录继续。,Trp- 转录继续,2020/8/5,20,前导区的转录,无色氨酸时，转录可持续进行,有色氨酸存在时，转录在弱化子区域终止,2020/8/5,21,3、降解物对基因活性的调节,葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。,2020/8/5,22,4、细菌的应急反应,是指细菌在供给物全面匮乏的情况下，难以找到代用物，所作出的一种反应，帮助细菌渡过难关。,2020/8/5,23,1、原核基因调控机制

7、的类型与特点,正转录调控 负转录调控 诱导 阻遏,2、原核基因调节的主要特点 a 、特殊代谢物对基因表达的调节 b、弱化子对基因活性的调节 c、降解物对基因活性的调节 d、细菌的应急反应,小 结,2020/8/5,24,第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统,2020/8/5,25,阻遏蛋白基因（I）属于组成型的调控，是经常表达的，因此，lac操纵子通常是处于关闭状态的。,2020/8/5,26,一、酶的诱导 lac 体系受调控的证据,E. coli 在不含乳糖的培养基生长时，-半乳糖苷酶含量极低；当加入乳糖或半乳糖后，则迅速升高。,2020/8/5,27,诱导物（inducer）：如果某物质能促使

8、细胞产生一特定的酶，该物质就叫做诱导物；,安慰诱导物（gratuitous inducers）：可诱导酶的合成，但不被所诱导的酶降解的物质称为安慰诱导物。 IPTG（异丙基巯基半乳糖苷）是lac 基因的安慰诱导物。,辅阻遏物（corepressor）如果某物质能阻止细胞产生一特定的酶，该物质就叫做辅阻遏物。,2020/8/5,28,二、乳糖操纵子的模型及其影响因子,操纵子模型： 一个或几个结构基因与一个调节基因、一个操纵区组成一个操纵单元。这个单元称为操纵子（operon）。,2020/8/5,29,操纵区位于启动子与结构基因之间，与启动子部分重叠，阻遏物结合于操作区时，即阻止RNA 聚合酶起

9、始转录。,2020/8/5,30,乳糖操纵子控制模型的主要内容：,操纵区位于启动子与结构基因之间，不能单独起始结构基因的表达；,操纵区是一小段DNA序列，是阻遏物结合位点；,操纵与启动子部分重叠，当阻遏物与操纵区结合时，即阻止RNA 聚合酶起始转录；,诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区结合，从而激发mRNA的合成。,一条多顺反子mRNA编码Z、Y、A基因；,2020/8/5,31,2020/8/5,32,调节基因,乳糖操纵子中调节基因的作用过程：,2020/8/5,33,（一）、lac 操纵子的本底水平表达,诱导物的形成需要有-半乳糖苷酶的存在；,诱导物作用需要跨膜，跨膜

10、需要透过酶的存在；,透过酶的产生又需要诱导物的存在；,-半乳糖苷酶的产生又需要诱导物的存在；,在非诱导的状态下仍有少量的 lac mRNA合成，这种合成被称为本底水平的组成型合成（background level constitutive synthesis)。,2020/8/5,34,（二）、大肠杆菌对乳糖的反应,乳糖,当阻遏蛋白的浓度超过异构乳糖的浓度，细胞重新建立阻遏状态，导致 lac mRNA 的合成被抑制。,2020/8/5,35,（三）、阻遏物 lac I 基因产物及功能,Lac 操纵子阻遏物 mRNA 是由弱启动子控制下组成型合成的，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚基均含34

11、7个氨基酸残基。,lacI 基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获得较多的阻遏蛋白；,2020/8/5,36,调节基因 lacI 的突变也可导致乳糖操纵子基因的组成型表达。,2020/8/5,37,操纵区 lacO 的突变（lacO c）可导致乳糖操纵子基因的组成型表达。,2020/8/5,38,（四）、葡萄糖对 lac 操纵子的影响,在葡萄糖存在时，E. coli 优先利用葡萄糖；此时即使培养基中含有乳糖，乳糖操纵子蛋白仍然含量很低。 这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种效应称为降解物抑制（catabolite repression）。,2020/8/5,39,葡萄糖,葡萄糖对其它糖的

12、代谢抑制，是通过对cAMP的抑制完成的。,（五）、cAMP与代谢物激活蛋白,2020/8/5,40,代谢物活化蛋白： CAP（ Catabolite gene activator protein ； cAMP receptor protein ）是一些启动子起始转录必需的正调控因子。,CAP 只有与 cAMP 结合后才能与其结合区域结合。,2020/8/5,41,CAP的结合部位 CAP结合部位不太固定，方向也可以不同。,半乳糖操纵子,乳糖操纵子,阿拉伯糖操纵子,2020/8/5,42,三、lac operon 的其它问题,lac operon的功能是在正负两个调控体系的协调作用下实现的。阻遏

13、蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用；如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从operator上解聚仍无转录活性； CAP组成型合成，所以cAMPCAP复合物取决于cAMP含量;,2020/8/5,43,腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，因此cAMPCAP调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶;,降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在，这些操纵元就不表达。,2020/8/5,44,2. A基因及其生理功能 编码 -半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！ 生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细胞生长

14、。半乳糖苷乙酰化后，即无毒。所以lacA虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累。,2020/8/5,45,3. lac基因产物数量， 1：0.5：0.2 不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上的调节。 方式有二: 核糖体脱离: 多顺反子的差别性翻译; 内切酶作用: 在lac mRNA分子内部，a基因比z基因更易受内切酶作用.,2020/8/5,46,2020/8/5,47,Summary of lac operon regulation,2020/8/5,48,生物细胞中的氨基酸合成， 也受操纵元的调节。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。,第三节 色氨

15、酸操纵子与负控阻遏系统,2020/8/5,49,trp操纵子的组成,邻氨基苯甲酸合成酶,吲哚甘油磷酸合成酶,色氨酸合成酶,邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶,2020/8/5,50,trpR, 阻遏蛋白 P，-40+18 O, -21+1 L, +1+162 结构基因,一、 trp操纵子的结构,大肠肝菌中的 trp 操纵子,2020/8/5,51,trp操纵子的结构,操纵区,启动子区（P）,操纵子（O）,弱化子区（a）,结构基因,E : 邻氨基苯甲酸合成酶 （与G基因为融合基因）,C : 吲哚甘油磷酸合成酶,B : 色氨酸合成酶亚基,D : 邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶,A : 色氨酸合成酶亚基,前导区

16、 (L),2020/8/5,52,二、Trp operon 的阻遏系统,1、Trp R 四聚体,2020/8/5,53,阻遏蛋白trp 有活性的阻遏物,trp O 不转录,2020/8/5,54,2、阻遏蛋白的结合位点 trpO -21 +1，反向重复序列 trpP -40 +18 活性阻遏物与trpO 的结合，RNA pol与启动子的结合发生竞争。,2020/8/5,55,3、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,2020/8/5,56,色氨酸操纵子: 由与色氨酸合成相关的 基因及其调控序列组成。当缺乏色氨酸

17、时，trp 操纵子基因表达；当外源色氨酸含量较高时，操纵子中的基因受到阻遏。,trp操纵子的阻遏系统,色氨酸调节（trpR） 基因突变会引起 trp mRNA的组成型合成。只有在色氨酸存在的情况下，阻遏蛋白与之结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合关闭trp mRNA的转录。,2020/8/5,57,三、弱化子对基因表达的调节,阻遏发生时，转录的起始频率下降到 1/70，但 trp 酶系统活性却下降到 1/600。,弱化作用（attenuation）：是指控制一些细菌操纵子转录终止的调节。 弱化子（attenuator）：是指弱化所发生的终止子序列，并且这种终止是被调节的，这段序列就称为弱化子。

18、,1、弱化子（attenuator）,2020/8/5,58,2、前导区：在 trp mRNA 5 端 trpE 基因的起始密码子前有一个长162 bp 的 mRNA片段，被称为前导区。 前导肽：由前导序列指导合成的含有14个氨基酸残基的肽称为前导肽。 前导序列结构特点：第10和11位两个密码子为色氨酸密码子。,2020/8/5,59,弱化子，衰减子， 前导RNA，140bp,2020/8/5,60,弱化子， 衰减子，,2020/8/5,61,前导肽14aa,2020/8/5,62,3、trp mRNA 前导序列结构,2020/8/5,63,trp 缺乏,tRNAtrp也少,核糖体通过两个tr

19、p 密码子的速度慢，占据前导序列的trp 1区,2区与3区配对，不能形成终止子结构,结构基因转录,4、转录的弱化作用,2020/8/5,64,trp 浓度高,前导肽中trp 合成速度快,前导肽一直合成至其末端,核糖体占据1区和2区,3区与4区配对，形成终止子结构，使转录终止,2020/8/5,65,弱化子对转录调控的关键,空间结构，10th and 11th codons encode trp residues (rare AA) 时间，核糖体停顿在2个Trp 密码子上时，产生延迟， 此时4区未转录出来,2020/8/5,66,为什么需要阻遏体系？ 当大量Trp 存在时，阻遏系统起作用。阻遏物

20、与之结合，阻止先导mRNA合成。,经济,Negativerepressible operon 可以被最终合成产物所阻遏,四、 阻遏作用与弱化作用的协调,2020/8/5,67,不足以结合 O 位点,为什么需要弱化系统？ 当trp浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发trp 合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基中适当的Trp水平。,2020/8/5,68,大肠肝菌中共有5个基因参与色氨酸生物合成，构成色氨酸操纵子。其中trp G-D，trp C-F为融合基因，翻译出的多肽具有双重功能。 有两个启动子，一个位于操纵子5，一个位于trp G-D编码区。 大肠肝菌色

21、氨酸操纵子受到由色氨酸激活的负阻遏蛋白的调节作用。一旦转录越过前导区，开始结构基因的转录，又会受弱化子的调控，感受无负载的tRNATrp的变化。使转录机器在前导区附近停止或继续结构基因的转录。,2020/8/5,69,结构基因,gal E : 异构酶,gal T : 半乳糖 - 磷酸尿嘧啶核苷转移酶,gal K : 半乳糖激酶,作用：,第四节 其他操纵子,一、 半乳糖（gal ）操纵子,2020/8/5,70,无外源葡萄糖时，细菌也可利用半乳糖。gal 操纵子的调控与乳糖操纵子基本相同，但稍有差别： 双启动子; 双操纵区,一个在P区上游 67 73 ，另一个在结构基因gal E 内部 调节基因

22、距离结构基因很远； 在有外源葡萄糖时，仍然可以被低水平诱导。,2020/8/5,71,1、 cAMP CAP 对 gal 启动子的作用,S1 起始依赖于 cAMP-CAP，只有当葡萄糖不存在时才可转录，需要有半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP; S2 起始不依赖于 cAMP-CAP，只有当葡萄糖存在时才可转录。,2020/8/5,72,2、双启动子的生理功能,半乳糖,作为惟一碳源供细胞生长,半乳糖差向异构酶的作用,不依赖于cAMP-CAP启动子S2,依赖于 cAMP-CAP 启动子S1,是大肠肝菌细胞壁合成的前体,2020/8/5,73,二、ara 操纵子,阿拉伯糖降解,araB : 核酮糖激

23、酶,araA：L-阿拉伯糖异构酶,araD：L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶,Operator 2,Operator 1,regulate gene,araBAD,CRP 结合位点,2020/8/5,74,araC 与 araBAD相邻，但转录方向相反。,araC 与 araBAD 的结构,C 蛋白有三个结合位点：O1, O2, I,C 基因为自我调节基因： 缺乏 C 蛋白时，araC表达； 当C蛋白含量升高时，抑制 araC 的表达。 具有正、负调节作用。,2020/8/5,75,（1）当葡萄糖水平较高、阿拉伯糖水平较低时，C蛋白与操纵区O2及araI诱导因子结合区上半区结合，形成DNA

24、回转结构，araBAD 基因不表达； （2）当体系中有阿拉伯糖、无葡萄糖时，Ara C 与阿拉伯糖相结合，改变构象成为激活蛋白， Ara C 同源体分别与araO1和araI区结合。RNA聚合酶在Ara C 蛋白和CRP- cAMP的作用下，起始BAD 基因表达。,2020/8/5,76,第五节 转录水平上的其它调控方式,一、因子的调节作用 不同因子的选择；因子本身活性的调节；,二、组蛋白类似蛋白的调节作用 在细菌细胞中存在的用来维持DNA高级结构的非特异性DNA结合蛋白，称为组蛋白类似蛋白。,2020/8/5,77,三、转录调控因子的作用 转录调控因子：指与基因的启动子区结合，对基因的转录起

25、激活或抑制作用的DNA结合蛋白称为转录调控因子。,四、抗终止因子的调节作用 抗终止因子是能够在特定位点阻止转录终止的一类蛋白质。这种调节作用主要见于噬菌体和少数细菌中。参与大肠肝菌抗终止作用的蛋白是Nus蛋白。,2020/8/5,78,第七节 转录后调控,一、翻译起始的调控 （1）起始密码子AUG，GUG，UUG，AUU，这些不常见起始密码子翻译起始效率较低； （2）SD序列的结构及其与起始密码子AUG之间的距离，SD序列与AUG之间的距离一般为410个核苷酸为佳，9个核苷酸最佳。,2020/8/5,79,（3） mRNA 的二级结构 30S亚基与mRNA结合，要求mRNA 5，端有一定的空间

26、结构，核苷酸序列的变化会改变mRNA的二级结构，影响核糖体与mRNA的结合，从而造成蛋白质合成效率的差异。,2020/8/5,80,二、mRNA稳定性对转录水平的影响 细胞内无用的mRNA均被核酸酶水解。大肠肝菌CsrAB调节系统。,2020/8/5,81,三、调节蛋白的调控作用 调节蛋白的表达本身也受到调控。 四、反义RNA的调节作用 细菌细胞中一些非编码的小RNA，与mRNA中特定序列配对，改变所配对mRNA分子的构象，导致翻译过程的开启或关闭。,2020/8/5,82,五、稀有密码子对翻译的影响 使用稀有密码子频率较高的蛋白质，其表达率较低。 在细胞内使用稀有密码子频率较高的蛋白大多是一些调控蛋白，而结构基因使用稀有密码子的