第七章原核生物表达调控图.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,P194-195,负转录调控（阻遏蛋白）,负控诱导,负控阻遏,正转录调控（激活蛋白）,正控诱导,正控阻遏,Francis Jacob,Jacques Monod,Discovery of Operon,1961年,F.Jacob&J.Monod提出,此后不断完善，获1965年诺贝尔生理医学奖。,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”。,细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶。,诱导酶产生的实验证据：,诱导前后酶的表达情况有何变化？,分解底物的酶只有当底物存在时才出现！,培养基（,35,S-aa,无乳糖）,E.coli,繁殖,细胞有放射性,培养基（无,35,S-aa,加入乳糖）,-gal(无,35,S),2.诱导酶是由酶前体转化而来，还是新酶合成的？,乙酰基转移酶,半乳糖苷,透过酶,-半乳糖苷酶,操纵区,乳糖操纵子的结构（P201）,调节基因,1.非代谢诱导物，安慰诱导物,gratuitous inducer,（P201）,可诱导半乳糖苷酶产生，但不是其底物,异丙基半乳糖苷（IPTG）,巯甲基半乳糖苷（TMG）,O-硝基半乳糖苷（ONPG）,在研究诱导作用时，很少使用乳糖,2.本底水平的组成型合成（P203）,乳糖,异乳糖,原核生物基因表达调控,-半乳糖苷酶,乳糖代谢,生成诱导物,葡萄糖,半乳糖,异乳糖,乳糖操纵子的调控机制：,负调控（负控制）：阻遏蛋白的调控作用,lacI,P,O,lacZ lacY lacA,Lac操纵子被关闭,阻遏蛋白单体,阻遏蛋白四聚体,无诱导物时,lacI,P,O,lacZ lacY lacA,-半乳糖苷酶,透过酶,转乙酰基酶,无活性阻遏蛋白,诱导物,Lac操纵子被诱导物开启,有诱导物时,无诱导物,阻遏蛋白有活性,lac,操纵子关闭,有诱导物,阻遏蛋白无活性,lac,操纵子开启,转录,原核生物基因表达调控,对称轴，,+11,对称序列，6bp,阻遏蛋白的结合位点lacO的结构,2.正调控：cAMP-CRP的调控作用（P204）,cAMP-CRP促进结构基因转录，使操纵子开启,I -70 -50 II-50 -40,cAMP-CRP复合物与启动子的结合是lac mRNA合成起始所必需的，有利于形成稳定的开放型启动子RNA聚合酶结构（P206）。,CAP,catabolite activator protein,CRP,catabolite receptor protein,由,crp,编码,环腺苷酸,cAMP,cAMP受葡萄糖代谢的影响：,葡萄糖代谢的中间产物抑制cAMP合成,或促进cAMP分解,葡萄糖对lac操纵子表达的抑制是间接的,有葡萄糖,无cAMP,CRP不结合,操纵子关闭,无葡萄糖,有cAMP,cAMP-CRP结合,操纵子开启,第三节 色氨酸操纵子,Trp,操纵子的结构,可阻遏的负调控,-,粗调,弱化系统,-,细调,一、Trp操纵子的结构（P209）,阻遏蛋白基因R,启动子P，-40+18,操纵位点O,-21+1,前导序列L,+1+162,结构基因 E、D、C、B、A,Trp,无活性阻遏蛋白,有活性阻遏蛋白,trp操纵子被关闭,有色氨酸时：,二、可阻遏的负调控,原核生物基因表达调控,trp操纵子被开启,无色氨酸时：,无活性的阻遏蛋白,trpR,trpP,trpO,trpE trpD trpC trpB trpA,原核生物基因表达调控,trpO -21 +1，反向重复序列,trpP -40 +18,活性阻遏物结合trpO 与 RNA pol 结合启动子发生竞争,Trp操纵子的操纵区完全位于启动子内,三、弱,化作用,attenuation（P211）,1 弱化子（衰减子，,）,弱化子，,衰减子，,原核生物基因表达调控,4,3,2,1,P,O,E,L,DNA,RNA,ATG,TGA,2 trp codons,1,4,3,2,2.前导序列的分区及二级结构,弱化子,抗终止子,前导肽,14aa,3.前导肽,前导肽的翻译（Trp浓度）决定弱化子是否形成，进而决定转录是否继续。,高色氨酸时,R,P,O,leading seq.E D C B A,trp,+,为什么需要阻遏体系？,当大量外源Trp 存在时，阻遏系统起作用，阻遏物与之结合，阻止前导RNA合成。,当 trp浓度降低时，RNApol启动，,但在L.S.处脱落，转录中断,R,P,O,leading seq.E D C B A,Trp减少,+,不足以结合,O,位点,为什么需要弱化系统？,为什么需要弱化系统？,弥补阻遏作用的不足，因为阻遏只能使转录不起始，而弱化能使已经起始的转录中途停止。,当trp浓度降低时，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（抗终止子），以保持培养基中适当的Trp水平。,细菌演化出弱化系统的生物学意义,通过tRNA负载与否进行调控，更为灵敏,氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而tRNA 负载为标准进行调控更为恰当,两个调控系统，避免浪费提高效率,阻遏系统 大量trp时，不转录,无trp时，转录全部结构基因,弱化系统 高水平trp时，转录至前导RNA,低水平trp时，转录全部结构基因,原核生物细致的精细调控机制,增强原核生物对环境的适应性,第四节 其他操纵子,半乳糖操纵子,阿拉伯糖操纵子,3个结构基因：,galE，,异构酶,(UDP-galactose-4epimerase,)，galT，半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose transferase,)，galK，半乳糖激酶(galactose kinase,)。,半乳糖葡萄糖-1-磷酸。,GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。,半乳糖操纵子,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；每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。,它有两个O区，一个在P区上游-67-53，另一个在结构基因galE内部。,因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人们猜想当葡萄糖存在时半乳糖操纵子不被诱导，但实际上有葡萄糖存在时，gal操纵子仍可被诱导。,从S1起始的转录只有在培养基中,无葡萄糖,时，才能顺利进行，RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CRP和较高浓度的cAMP。,从S2起始的转录则,完全依赖于葡萄糖,，高水平的cAMP-CRP能抑制由这个启动子起始的转录。,当有cAMP-CRP时，转录从,S1,开始；当无cAMP-CAP时，转录从,S2,开始。,为什么gal操纵子需要两个转录起始位点？,1、半乳糖可作为唯一碳源供细胞生长。,2、尿苷二磷酸半乳糖（UDP-gal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。,在没有外源半乳糖的情况下，UDP-gal是通过,半乳糖差向异构酶,的作用由UDP-葡萄糖合成的，该酶是galE基因的产物。,现在设想只有S1一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时就不能合成异构酶。,假如唯一的启动子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的情况下，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，这无疑是一种浪费。,原核生物基因表达调控,原核生物基因表达调控,第五节 转录后水平的调控,翻译起始的调控,-SD,序列与,AUG,的距离,稀有密码子的影响,-,数量较少的蛋白,重叠基因的控制,-,两种蛋白的等量翻译,Poly(A,）尾的影响,蛋白合成旺盛，尾长,翻译阻遏,蛋白质阻遏翻译的进行,蛋白合成自体调控,魔斑核苷酸水平,反义,RNA,与,mRNA,互补的,RNA,翻译起始调控,SD序列与核糖体16S rRNA的3端互补配对，促使核糖体结合到mRNA上,SD与AUG之间相距一般以410个核苷酸为佳，9个最佳,mRNA二级结构影响翻译起始调控,稀有密码子对翻译影响,高频率使用稀有密码子的翻译过程容易受阻，影响蛋白质合成总量,重叠基因对翻译的影响,重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制,偶联翻译可能是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段,Poly(A）尾长短对翻译的影响,细胞中蛋白合成旺盛时，mRNA链上核糖体数量多，mRNA链上的poly(A)也较长,当某些mRNA链不再翻译时，核糖体释放，mRNA链上的poly(A)也相应缩短,翻译的阻遏,复制酶作为翻译阻遏物,纯化的复制酶可以和外壳蛋白的翻译起始区结合，抑制蛋白合成,严谨反应：,AA饥饿蛋白合成下降RNA合成下降,原理：,AA饥饿产生ppGpp、pppGpp 影响RNApol与启动子结合RNA合成下降,rRNA合成下降核糖体蛋白与自体mRNA结合核糖体蛋白翻译停止,报警信号：空载tRNA,原核生物基因表达调控,rel+菌株：,ATP-GTP-3焦磷酸转移酶,干扰mRNA的互补RNA：（mRNAinterfering complementary RNA，micRNA）,反义RNA（antisense RNA）：,1.可与mRNA结合，结合位点是S-D、AUG、部分N端密码子。,2.与RNA形成双螺旋结构，作为内切酶底物,3.与转录产物结合，使转录提前终止,RNA也可作为调节物质？！,OmpF蛋白,本章作业,弱化子 cAMP-CRP,简述细菌乳糖操纵子的调控机制。,简述细菌色氨酸操纵子的调控机制（粗调和细调），为什么要同时存在阻遏和弱化系统？,