分子生物学原核生物基因表达调控.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,*,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,组成性表达,(constitutive expression),适应性表达,(adaptive expression,）,二、基因表达的方式,分子生物学原核生物基因表达调控,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),。,分子生物学原核生物基因表达调控,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,(repressible gene),。,分子生物学原核生物基因表达调控,三、基因表达的规律,时间性和空间性,1,、时间特异性（,temporal specificity,）,按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的,时间特异性,。,多细胞生物基因表达的时间特异性又称,阶段特异性,(stage specificity),。,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,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,。,分子生物学原核生物基因表达调控,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）,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,原核生物基因组结构特点,基因组中很少有重复序列；,编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单拷贝基因，但编码,rRNA,的基因仍然是多拷贝基因；,结构基因在基因组中所占的比例（约占,50%,）远远大于真核基因组；,许多结构基因在基因组中以操纵子为单位排列,原核生物基因组是具有超螺旋结构的闭合环状,DNA,分子,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,Jacob and Monod,分子生物学原核生物基因表达调控,大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间所以适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。,分子生物学原核生物基因表达调控,2,、操纵子的定义,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,蛋白质因子,特异,DNA,序列,结构基因,启动子,操纵序列,阻遏蛋白基因,(promoter),(operator),分子生物学原核生物基因表达调控,启动子是,RNA,聚合酶识别和结合的部位。,RNA,转录起始,-35,区,-10,区,TTGACA,TTAACT,TTTACA,TATGAT,TTTACA,TATGTT,TTGATA,TATAAT,CTGACG,TACTGT,N,17,N,16,N,17,N,16,N,16,N,7,N,7,N,6,N,7,N,6,A,A,A,A,A,trp,tRNA,Tyr,lac,rec,A,Ara,BAD,TTGACA,TATAAT,共有序列,分子生物学原核生物基因表达调控,操纵序列是阻遏蛋白的结合位点,当操纵序列结合有,阻遏蛋白,时，会阻碍,RNA,聚合酶与启动序列的结合，或是,RNA,聚合酶不能沿,DNA,向前移动，阻碍转录。,启动序列,编码序列,操纵序列,pol,阻遏蛋白,分子生物学原核生物基因表达调控,一、转录调控是以特定的,DNA,序列和蛋白质结构为基础,（一）特定的,DNA,序列是转录起始调控的结构基础,在基因内和基因外都有一些特定的,DNA,序列，与结构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合，这些特定的,DNA,序列称为,顺式作用元件（,cis-acting elements,）,，亦称为顺式调控元件。在原核生物中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合位点、增强子等。,分子生物学原核生物基因表达调控,（二）调控蛋白具有结合,DNA,所需的结构特征,基因特异性转录因子,（,gene specific transcription factors,）,:,能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质,激活蛋白或正调控蛋白,:,对基因表达有激活作用的 蛋白质,阻遏蛋白,:,对基因表达有抑制作用的蛋白质,分子生物学原核生物基因表达调控,最常见的,DNA,结合域：,1.,锌指,(zinc finger),C Cys,H His,常结合,GC,盒,分子生物学原核生物基因表达调控,1,2,3,stand for zinc ion,分子生物学原核生物基因表达调控,2.,螺旋,-,回折,-,螺旋（,helix-turn-helix,HTH,）,usually binds to CAAT box,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,调节基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,调节基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,可诱导调节,：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，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：,分子生物学原核生物基因表达调控,调节基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,调节基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,诱导物,mRNA,酶蛋白,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,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性状态,。,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,大肠杆菌中的各种,因子比较,因子,编码基因,主要功能,70,rpo,D,参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控,54,rpoN,参与多数氮源利用基因的调控,38,rpoH,分裂间期特异基因的表达调控,32,rpoS,热休克基因的表达调控,28,rpoF,鞭毛趋化相关基因的表达调控,24,rpoE,过度热休克基因的表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,2,、降解物对基因活性的调节,3,、弱化子对基因活性的影响,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,一、乳糖操纵子的结构,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,二、酶的诱导,lac,体系受调控的证据,分子生物学原核生物基因表达调控,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）。,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,乳糖,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,RNA,聚合酶结合部位,阻遏物结合部位,分子生物学原核生物基因表达调控,操纵位点的回文序列,分子生物学原核生物基因表达调控,当阻遏物与操纵基因结合时，,lac mRNA,的转录起始受到抑制。,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,组成型突变：,lacO,c,分子生物学原核生物基因表达调控,组成型突变：,lacI,-,分子生物学原核生物基因表达调控,不可诱导突变（超阻遏）：,分子生物学原核生物基因表达调控,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？,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,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,-,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,分子生物学原核生物基因表达调控,乳糖,分子生物学原核生物基因表达调控,诱导物的加入和去除对,lac,mRNA,的影响,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,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,）,分子生物学原核生物基因表达调控,Z,Y,A,O,P,DNA,调控区,CAP,结合位点,启动序列,操纵序列,结构基因,Z,：,-,半乳糖苷酶,Y,：透酶,A,：乙酰基转移酶,cAMP,CAP,复合物,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,+,转录,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,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,的正调控,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,cAMP,CAP,复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,The,Lac,Operon:,When Glucose Is Present But Not Lactose,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,RNA,Pol.,Repressor,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,I,m,constitutive,Come on,let me through,No way,Jose!,CAP,分子生物学原核生物基因表达调控,The,Lac,Operon:,When Lactose Is Present But Not Glucose,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,I,m,constitutive,CAP,cAMP,Lac,Repressor,Repressor,X,This lactose has,bent me,out of shape,CAP,cAMP,CAP,cAMP,Bind to me,Polymerase,RNA,Pol.,RNA,Pol.,Yipee,!,分子生物学原核生物基因表达调控,The,Lac,Operon:,When Neither Lactose Nor Glucose Is Present,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,CAP,cAMP,CAP,cAMP,CAP,cAMP,Bind to me,Polymerase,RNA,Pol.,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,I,m,constitutive,Repressor,STOP,Right there,Polymerase,Alright,I,m off to,the races.,Come on,let,me through!,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,色氨酸操纵子的两种调控方式,粗调：,可阻遏的负调控,，即由辅阻遏物（色氨酸）和阻遏蛋白,R,构成的活性阻遏复合物结合到操纵基因上，由于操纵基因和启动子的重叠，造成,RNA,聚合酶受阻，操纵子不能转录，控制转录的起始。,细调：,衰减系统,，通过核糖体对,mRNA,前导序列的结合，是否形成终止子结构对转录终止进行调控，控制转录是否进行下去。,分子生物学原核生物基因表达调控,一、色氨酸操纵子的结构,调控基因,结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸 的酶,trpR,trp,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,三、,trp,操纵子的弱化机制,衰减子（,attenuator,）,/,弱化子,前导序列（,leader sequence,）,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,研究引起终止的,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,3,、弱化机制,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,前导肽,转录终止结构,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,3.2.1 Trp,操纵子与负控阻遏系统（一）,（,1,）培养基中,Trp,浓度较低,（,2,）调控蛋白,R,不能被活化,（,3,）未活化的,调控蛋白,R,不能与操纵元件结合,（,4,）基因,E,、,D,、,C,、,B,、,A,高表达,分子生物学原核生物基因表达调控,Trp,操纵子与,负控阻遏系统,Trp,High Trp,分子生物学原核生物基因表达调控,3.2.2 Trp,操纵子与负控阻遏系统（二）,（,1,）培养基中,Trp,浓度较高,（,2,）调控蛋白,R,与,Trp,结合,（,3,）,Trp-R,复合物与操纵子结合,（,4,）基因,E,、,D,、,C,、,B,、,A,低表达,分子生物学原核生物基因表达调控,3.3,色氨酸操纵子总结,1,、通常是开放转录的，有效应物（色氨酸）作用时则阻遏关闭转录。,2,、负控阻遏型操纵子。,3,、色氨酸可以作为共阻遏物起作用，并通过终产物抑制自身的合成（负反馈调节）。,4,、细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。,分子生物学原核生物基因表达调控,实验观察表明：,当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能够活化,R,使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。,这种调控现象与色氨酸操纵子特殊的结构,-,衰减子,有关。,分子生物学原核生物基因表达调控,细菌其他氨基酸合成系统的许多操纵子（如组氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等操纵子）中也有类似的衰减子存在。,阻遏蛋白的负调控作用只能使转录不起始，对于已经开始了的转录，则只能通过衰减作用使基因的表达停顿下来。,衰减作用在原核生物中普遍存在,分子生物学原核生物基因表达调控,衰减机制在控制基因产物的量和产物种类的配比上起着快速灵敏的调节作用，使操纵基因表达更为精密、高效。,衰减作用的生物学意义,分子生物学原核生物基因表达调控,3.4,转录终止的调控,衰减子（,Attenuator,）,位于转录起始部位的终止子，即,可导致转录过早终止的一段核苷酸序列。,G-C,区,poly(U),E D C B A,Promoter,Operator,Leader,Attenuator,RNA,*,Trp Trp,*,分子生物学原核生物基因表达调控,（一）衰减子（,attenuator,）,1,、位置：在,trpE,起始密码子上游，前导序列的末端。,2,、特点：,（,1,）是一个不依赖,因子的终止子区域,（,2,）,在富含,GC,的回文结构之后是,8,个连续的,U,残基,（,3,）,在,RNA,转录物中,可能,形成发夹结构,3,、,作用：,衰减作用（阻碍结构基因转录）,分子生物学原核生物基因表达调控,1,、在,trp,mRNA5,端,trpE,基因的起始密码前一个长,162bp,的,mRNA,片段，序列分析发现，其中,4,个片段进行配对，形成不同的二级结构。,3,与,4-,衰减子（终止子）,发夹结构,（二）前导序列（,leading sequence,）,G-C,区,poly(U),4,A,B,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,（二）前导序列（,leading sequence,）,2,、前导,RNA,序列编码,14,个氨基酸的前导肽，第,10,和第,11,个密码子编码连续的色氨酸残基,*,Trp Trp,*,RNA,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,S312,P,O,E,4,3,2,1,L,DNA,RNA,AUG,UGA,2 trp codons,1,4,3,2,前导肽,14aa,（三）,Attenuation(,衰减作用）,使正在进行的操纵子转录在到达结构基因以前就中途停止的基因调控作用。,现象：,培养基中,Trp,含量较低时,-,转录不在衰减子上终止，结构基因表达。,Trp,含量较高时,-,转录在衰减子上终止，结构基因不表达。,衰减子怎样对色氨酸含量做出应答反应呢？,分子生物学原核生物基因表达调控,（四）衰减作用机制,转录到达衰减子时，终止子,（衰减子）,发夹结构能否形成（转录终止,/,通读）是衰减作用的关键。,4,A,B,前导序列,mRNA,能形成两种形式的发夹结构,A,、,终止子发夹结构可,形成（,3,与,4,）,B,、终止子发夹结构不,能形成,分子生物学原核生物基因表达调控,前导肽合成时核糖体在转录物上所在位置控制着两种发夹结构形式的转换,Trp Trp,Trp,Trp,2,3,3,4,Trp,含量较高时,Trp,含量较低时,分子生物学原核生物基因表达调控,（五）色氨酸操纵子衰减作用机制,分子生物学原核生物基因表达调控,色氨酸浓度高时,1,、,tRNA,trp,-,色氨酸供给充足，核糖体迅速通过色氨酸密码子到达,2,区,2,、,3,区和,4,区形成发夹结构（终止信号）,3,、衰减作用发生，转录终止，,RNA,聚合酶释放，不能完成结构基因的转录,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,色氨酸浓度低时,1,、,tRNA,trp,-,色氨酸供给不足，核糖体遇到色氨酸密码子时就停顿,2,、在,4,区转录未完成时，,2,区和,3,区就形成发夹结构,3,、,3,区和,4,区不能形成发夹结构（终止信号），导致转录通读；,RNA,聚合酶继续沿,DNA,移动，完成结构基因的转录,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,Trp,Tr,p,高时,Trp,低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA,聚合酶,RNA,聚合酶,?,色氨酸操纵子,分子生物学原核生物基因表达调控,UUUU,3,4,2,4,2,3,UUUU,核糖体,前导肽,前导,mRNA,1,5,trp,密码子,结构基因,前导,DNA,RNA,聚合酶,1.,当色氨酸浓度低时,Trp,合成酶系相关,结构基因被转录,序列,3,、,4,不能,形成衰减子结构,分子生物学原核生物基因表达调控,UUUU,UUUU,调节区,结构基因,trpR,O,P,前导序列,衰减子区域,UUUU,前导,mRNA,1,2,3,4,衰减子结构,第,10,、,11,密码子为,trp,密码子,终止密码子,14aa,前导肽编码区,:,包含序列,1,形成发夹结构能力强弱：,序列,1/2,序列,2/3,序列,3/4,trp,密码子,UUUU,分子生物学原核生物基因表达调控,UUUU,3,4,UUUU 3,3,4,核糖体,前导肽,前导,mRNA,2.,当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,1,2,5,trp,密码子,衰减子结构,就是终止子,可使转录,前导,DNA,UUUU 3,RNA,聚合酶,终止,（六）衰减作用和负控阻遏的关系,1,、负控阻遏系统和衰减作用同样对色氨酸水平应答,2,、衰减作用使色氨酸操纵子结构基因的转录被抑制了,10,倍（细调）；,3,、色氨酸阻遏蛋白的阻遏作用使转录被抑制了,70,倍（粗调）；,4,、色氨酸水平对色氨酸操纵子结构基因的表达施加了,700,倍的调节效果。,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,分子生物学原核生物基因表达调控,（七）衰减作用的重要性（衰减子的生物学意义）,1.,活性阻遏蛋白和非活性阻遏蛋白的转变可能较慢，而,tRNA,负载与否可能更为灵敏；,2.aa,主要用途是合成蛋白质，因而以,tRNA,负载情况为标准来进行控制可能更为恰当；,3.,大多数这样的操纵子又同时需要阻遏蛋白。,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,再论弱化子（,attenuator),与弱化作用,(attenuation),弱化子是指,Trp,等操纵子前导序列的末端部分，具有减弱转录的功能。当,Trp,过剩时,前导肽的翻译合成到达前导,mRNA,的终止密码子处,这时,弱化子形成终止子发夹以阻遏下游相应氨基酸操纵子的转录，即,使正在进行的操纵子转录在到达结构基因以前就中途停止,弱化作用,。,什么是操纵子（,operon)?,试说明色氨酸操纵子（,Trp operon),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,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,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),。,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,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。,分子生物学原核生物基因表达调控,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),。,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,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：,是,SOS,反应的最初的发动因子。在单链,DNA,和,ATP,存在时，,RecA,蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解,LexA,阻遏物。,当,RecA,水解,LexA,阻遏物后，导致,SOS,体系（包括,recA,基因）高效表达，,DNA,得到修复,分子生物学原核生物基因表达调控,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,分子生物学原核生物基因表达调控,一、翻译起始的调控,RBS,（核糖体结合位点）,：,mRNA,链上起始密码子,AUG,上游的一段非翻译区。,RBS,的结合强度取决于,SD,序列的结构及其与起始密码子,AUG,之间的距离。,SD-,4-10,（,9,）,-,AUG,第六节 转录后水平上的调控,分子生物学原核生物基因表达调控,二、稀有密码子对翻译的影响,dnaG(,引物酶,)RNA,引物,dnaG,、,rpoD,和,rpsU,属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子,50,个拷贝的,dnaG,蛋白、,2800,个拷贝的,rpoD,和,40000,个拷贝的,rpsU,分子生物学原核生物基因表达调控,几种蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较,蛋白质,AUU/%,AUC%,AUA%,结构蛋白,37,62,1,亚基,26,74,0,DnaG,蛋白,36,32,32,细胞内对应于稀有密码子的,tRNA,较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。,分子生物学原核生物基因表达调控,三、重叠基因对翻译的影响,分子生物学原核生物基因表达调控,TrpB,谷氨酸,-,异亮氨酸,-,终止,GAA,-,AUC,-,UG,A,-,UGG,-,AA,A,UG,-,GAA,甲硫氨酸,谷氨酸,trpA,trpE,苏氨酸,苯丙氨酸,终止,ACU -UUC -UG,A,-UGG -CU,AUG,A,UG,GCU,甲硫氨酸,-,丙氨酸-,trpD,翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码子保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。,分子生物学原核生物基因表达调控,应急反应,(strigent response):,当细菌能源十分缺乏时，几乎所有的生化反应都停止，为生存，细菌体内可立即产生一种应急应答反应，关闭许多基因表达。,应急反应信号,空转反应（,idling reaction,）：核糖体,A,位点空载,tRNA,分子生物学原核生物基因表达调控,应急反应效应：产生大量魔斑（电泳时的特殊斑点）,ppGpp,四磷酸鸟苷,(,魔斑,I magic spot I),是调控一些反应的效应物，有多种功能，但主要功能是：抑制,rRNA,基因的启动子；抑制多数或大多数基因转录的延伸。,pppGpp,五磷酸鸟苷,(,魔斑,II magic spot II),魔斑可与启动子或,RNA,聚合酶结合，调控转录。,分子生物学原核生物基因表达调控,分子生物学原核生物基因表达调控,6.4,魔斑核苷酸对翻译的影响,把培养基中营养缺乏，蛋白质合成停止后，,RNA,合成也趋于停止这种现象称为严紧控制（,rel,+,）；反之则称为松散控制（,rel,-,）。在氨基酸缺乏时，,rel,+,菌株能合成鸟苷四磷酸（,ppGpp,）和鸟苷五磷酸（,pppGpp,），而,rel,-,菌则不能。,GTP+