分子生物学第七章--原核生物基因的表达调控-

1、第七章 原核生物基因的表达调控,主要内容,原核基因表达调控总论 乳糖操纵子与负调控诱导系统（重点） 色氨酸操纵子与负调控阻遏系统（重点） 其他操纵子（自学） 固氮基因调控（自学） 转录水平上的其他调控方式（二至三种）,第一节 基因表达调控的基本概念,一、基因表达的概念 gene expression ：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为gene regulation 。,rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达,DNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存，并通过转录生成信使RNA，翻译生成蛋白质的过程来控制生命现象。,第一节 基因表达调控的基本概念,组成

2、性表达(constitutive expression) 适应性表达(adaptive expression）,二、基因表达的方式,1、组成性表达：,指不大受环境变动而变化的一类基因表达。,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)。,2、适应性表达 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)； 相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(r

3、epressible gene)。,三、基因表达的规律 时间性和空间性,1、时间特异性（temporal specificity）,2、空间特异性(spatial specificity),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。,四、基因表达调控的生物学意义,适应环境、维持生长和增殖（原核、真核） 维持个体发育与分化（真核）,Contents,基因表达调控的基本概念 原核基因

4、调控机制 乳糖操纵子 色氨酸操纵子 其他操纵子 转录后水平上的调控,第二节 原核基因调控机制,内容提要： 原核基因表达调控环节 操纵子学说 原核基因调控机制的类型与特点 转录水平上调控的其他形式,一、原核基因表达调控环节,1、转录水平上的调控 （transcriptional regulation） 2、转录后水平上的调控 （post-transcriptional regulation） mRNA加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控,二、操纵子学说 1、操纵子模型的提出 1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖,Jacob and Monod,2、操纵子的定

5、义,操纵子：是基因表达的协调单位，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。操纵基因受调节基因产物的控制。,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,三、原核基因调控机制的类型与特点,激活蛋白,正转录调控,负转录调控,正转录调控,如果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，这样的调控正转录调控。,激活蛋白,正转录调控,负转录调控,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，这样的调控负转录调控。,可诱导调节（P196）：指一些基因在特殊的代谢物或化

6、合物的作用下，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：,酶合成的诱导操纵子模型,诱导物,如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。,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。 例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因,酶合成的阻遏操纵子模型,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,如果某种物

7、质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。,3、在负转录调控系统中，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。 根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏： 在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录； 在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。,4、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。 根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏 在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态； 在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在使激活蛋白处于非活

8、性状态。,四、转录水平上调控的其他形式,1、因子的更换 在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。,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聚合酶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,枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的因子的替换,RNA聚合酶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,2、降解物对基因活性的调节 3、弱化子对基因活性的影响,Contents,基因表达调控的基本概念 原核基因调控机制 乳糖操纵子 色氨酸操纵子 其他操纵子 转录后水平上的

9、调控,第三节 乳糖操纵子(lac operon),内容提要： 乳糖操纵子的结构 酶的诱导lac体系受调控的证据 乳糖操纵子调控模型 影响因子 Lac操纵子中的其他问题,一、乳糖操纵子的结构,Z编码-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖 Y编码-半乳糖苷透过酶：使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,二、酶的诱导lac体系受调控的证据,安慰诱导物： 如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基- D-硫代半乳糖苷）。,三、乳糖操纵

10、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-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。, 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。,RNA聚合酶结合部位,阻遏物结合部位,操纵位点的回文序列,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。,组成型突变： la

11、cOc,组成型突变： lacI-,不可诱导突变（超阻遏）：,四、影响因子,1、lac操纵子的本底水平表达 有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的： 诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成有需要诱导。 解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？ 一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？,真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有-半乳糖甘酶的预先存在。 解释： 本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lac mRNA合成。,2、大肠杆菌对乳糖的反应,培养基：甘油 按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的

12、-半乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶； 培养基：加入乳糖 少量乳糖,透过酶,进入细胞,-半乳糖苷酶,异构乳糖,诱导物,诱导lac mRNA的生物合成,大量乳糖进入细胞,多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）,异构乳糖,乳糖,诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响,3、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，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。 当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。,4、葡萄糖对lac操纵子的影响,如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中， lac操纵

13、子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。 代谢物阻遏效应,5、cAMP与代谢物激活蛋白,代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（CRP）,cAMPCAP复合物,ATP,腺甘酸环化酶,cAMP（环腺甘酸）,大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高； 有葡萄糖，cAMP浓度低,无葡萄糖，cAMP浓度高时 促进转录,有葡萄糖，cAMP浓度低时 不促进转录,CAP的正调控,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。 cAMPCAP复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的

14、。,协调调节,葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。,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。,The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not Lactose,RNA Pol.,Come on, let me through,No way Jose!,The Lac Operon:When Lactose Is Present But Not Glucose,Lac,This lactose has bent me out of shape,

15、Bind to me Polymerase,RNA Pol.,Yipee!,The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is Present,Bind to me Polymerase,RNA Pol.,STOP Right there Polymerase,Come on, let me through!,五、Lac操纵子中的其他问题,1、A基因及其生理功能,半乳糖甘分子（IPTG）,-半乳糖甘酶,分解产物（体内积累）,-半乳糖甘乙酰基转移酶,半乳糖甘分子（IPTG）,乙酰基,2、lac基因产物数量上的比较 -半乳糖苷酶：透过酶：乙酰基转移

16、酶=1：0.5：0.2 翻译水平上受到调节： （1）lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译； （2）在 lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。,3、操纵子的融合与基因工程,P,O,Z,Y,A,tsx,P,O,pur结构基因,缺失,lac operon,pur operon,Contents,基因表达调控的基本概念 原核基因调控机制 乳糖操纵子 色氨酸操纵子 其他操纵子 转录后水平上的调控,第四节 色氨酸操纵子（trp operon）,内容提要： 色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子的阻遏系统 色氨酸操纵子的弱化机制,一、色氨酸操纵子的结

17、构 调控基因 结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸 的酶,trpR,trp,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,二、trp 操纵子的阻遏系统,低Trp时： 阻遏物不结合操纵基因; 高Trp时： 阻遏物+Trp 结合操纵基因,三、trp 操纵子的弱化机制,衰减子（attenuator）/弱化子 前导序列（leader sequence）,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,研

18、究引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。,2、前导序列：在trp mRNA5端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。,3、弱化机制,前导肽,转录终止结构,细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。,什么是操纵子（operon)?试说明色氨酸操纵子（Trp ope

19、ron)在原核基因表达调控中的调控机制和重要作用。 2003年武汉大学分子生物学试题,Contents,基因表达调控的基本概念 原核基因调控机制 乳糖操纵子 色氨酸操纵子 其他操纵子 转录后水平上的调控,第五节 其他操纵子,一、半乳糖操纵子(galactose operon),异构酶(galE) 乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)半乳糖激酶(galk)。,gal操纵子的特点： 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，另一个在结构基因galE内部。,二、阿拉伯糖操纵子（arabinose operon),araB基因、araA基因和araD, 形成一个基因簇，简写为araBAD,三个基因的表达受到ara操纵子中araC基因产物AraC蛋白的调控。,ara操纵子的调控有两个特点： 第一，araC表达受到AraC的自身调控。 第二，AraC既是ara操纵子的正调节蛋白（需cAMP-CRP的共同参与，起始转录），又是其负调节蛋白。这种双重功能是通过AraC蛋白的两种异构体来实现的（Pi和Pr)。,三、阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答,SOS反应的机理： 由 RecA 蛋白和 LexA 阻遏物的相互作用引起的。 LexA阻遏物：是SOS DNA修复系统所有基因的阻遏物 RecA蛋白：