第-七-章原核基因表达调控.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,1,7.1原核基因的表达与调控总论7.2乳糖操纵子与负控诱导系统,2,一、原核生物基因表达调控总论,原核生物基因调控一般执行如下规律,一个体系需要时被打开，不需要时被关闭。,基因的开与关是相对的。,开-关的活性可以通过转录水平上进行调节。,3,6,是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。,典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。,基因表达,(gene expression),7,基因表达调控主要表现在以下两个方面：,转录水平上的调控,转录后水平上的调控,8,转录水平调控,转录水平调控是真核基因表达调控的重要环节。根据真核基因表达是否受环境影响可分为：发育调控和瞬时调控。其中发育调控是指真核生物为确保自身生长、发育、分化等对基因表达按“预定”和“有序”的程序进行的调控，是不可逆的过程；瞬时调控是指真核生物在内、外环境的刺激下所做出的适应性转录调控，是可逆过程。,9,Britten和Davidson于1969年提出的真核生物单拷贝基因转录调控的模型BrittenDavidson模型。该模型认为在整合基因的5端连接着一段具有高度专一性的DNA序列，称之为传感基因。在传感基因上有该基因编码的传感蛋白。外来信号分子和传感蛋白结合相互作用形成复合物。该复合物作用于和它相邻的综合基因组，亦称受体基因，而转录产生mRNA，后者翻译成激活蛋白。这些激活蛋白能识别位于结构基因（SG）前面的受体序列并作用于受体序列，从而使结构基因转录翻译。,10,转录后水平上的调控,包括：,1.mRNA加工成熟水平上的调控,2.翻译水平上的调控,11,转录后水平上的调控,真核生物基因转录在细胞核内进行，而翻译则在细胞质中进行。在转录过程中真核基因有插入序列，结构基因被分割成不同的片段，因此转录后的基因调控是真核生物基因表达调控的一个重要方面，首要的是RNA的加工、成熟。各种基因转录产物RNA，无论rRNA、tRNA还是mRNA，必须经过转录后的加工才能成为有活性的分子。,12,翻译水平上的调控,蛋白质合成翻译阶段的基因调控有三个方面：蛋白质合成起始速率的调控；,MRNA的识别；,激素等外界因素的影响,蛋白质合成起始反应中要涉及到核糖体、mRNA蛋白质合成起始因子可溶性蛋白及tRNA，这些结构和谐统一才能完成蛋白质的生物合成。mRNA则起着重要的调控功能。,13,基因表达调控的指挥系统有很多种，不同生物使用不同的信号来指挥基因调控。,原核生物,和,真核生物,之间存在着相当大差异。原核生物中，营养状况、环境因素对基因表达起着十分重要的作用；而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平、发育阶段等是基因表达调控的主要手段，营养和环境因素的影响则为次要因素。,14,原核与真核生物转录及翻译调控的总体特征比较,15,原核基因表达调控分类,负转录调控,正转录调控,阻遏蛋白分为：,负控诱导,负控阻遏,根据调控机制的不同分为：,16,负转录调控,负控诱导,阻遏蛋白不与效应物结合时基因不转录。,17,负控阻遏,阻遏蛋白与效应物结合时，基因不转录。,负转录阻遏,如：,周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭。,18,基因表达的方式,组成性基因表达,适应性表达（诱导和阻遏表达）,19,1、组成性基因表达,某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为,管家基因,(house-keeping gene)。,20,无论表达水平高低，管家基因,较少受环境因素影响,，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为,组成性表达,。,21,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为,协调表达.,协调表达,22,2、诱导和阻遏表达,诱导表达,指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。,阻遏表达,指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。,23,转录水平上的调控,负转录调控,（,negative,trnscription,regulation),调节基因的产物是阻遏蛋白,正转录调控（,positive transcription regulation),调节基因的产物是激活蛋白,24,正转录调控,正控诱导,有效应物时，激活蛋白处于活性状态基因转录。,25,正控阻遏,有效应物时，激活蛋白处于无活性状态基因不转录。,正转录阻遏,26,负控诱导,负控阻遏,正控诱导,正控阻遏,27,(一)因子决定RNA聚合酶识别特异性,核心酶,全酶,28,因子,29,大肠杆菌至少有6种因子,70,负责识别一般的启动子,54,识别与氮代谢有关的基因启动子,32,识别热激（heat shock）蛋白基因启动子,30,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,31,（二）原核生物基因表达调控的特点,原核生物通过特殊代谢物调节基因活性主要分为：,可诱导调节,关闭-工作-基因活化,可阻遏调节,开启-关闭-阻遏基因表达,32,（二）原核生物基因表达调控的特点,调节的主要环节在,转录水平,上进行,因子,决定,RNA,聚合酶识别特异性,主要通过,操纵子模式,进行调节,阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是,普遍存在的负调控作用,33,原 核细胞,在,转 录,水 平,上 调 控,34,1、原核生物基因调控机制的类型,a、弱化子对基因活性的调节,b、代谢产物对基因活性的调节,c、降解物对基因活性的调节,d、细菌的应急反应,35,弱化子,当操纵子被阻遏，RNA的合成被终止时，起终止转录作用的那一段核苷酸，称为弱化子。,因为核糖体在 基因转录产物上的不同位置，决定了RNA可以形成哪一种形式的二级结构，并由此决定基因能否继续转录,1、弱化子对基因活性的影响,36,2、降解物对基因活性的调节,1、葡萄糖效应,是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时,葡萄糖总是优先被利用,，葡萄糖的存在,阻止了其它糖类的利用的现象,。,37,2、降解物对基因活性的调节,葡萄糖通过降低cAMP的含量而抑制基因表达,38,3、细菌的应急反应,当细菌发现它们处于很差的生长环境，没有足够的氨基酸来维持蛋白质合成时，它们就会停止大部分活动。,39,产生这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸（pppGpp）。PpGpp与pppGpp的作用不只是一个或几个操纵子，而是影响一大批，所以称之为超级调控子或称为魔斑。,超级调控因子或称为魔斑,40,细菌的应急反应的机制,产生应急反应的信号是鸟苷四磷酸,(,ppGpp,),和鸟苷五磷酸（,pppGpp,）,诱导物：,空载,tRNA,41,1961,年由莫诺（,Monod,J,.,法,),和雅各布,(,Jacob,F,.,法,),提出，用来阐述大肠杆菌乳糖代谢中基因表达的调控机制。,获,1965,年诺贝尔生理学和医学奖,7.2、乳糖操纵子与负控诱导系统,42,F雅各布（Francois Jacob 1920）法国生物化学家、分子生物学家,JL莫诺（Jacques L.Monod 19101976）法国生物学家,操纵子(operon),机制,43,-操纵子,(,operon,),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。,操纵基因是顺式控制元件，阻抑蛋白是反式作用因子。,44,-操纵子,(,operon,),大肠杆菌乳糖操纵子包括3个结构基因：,lacZ 决定lacZ编码-半乳糖苷酶,lacY 决定lacY编码-半乳糖苷透过酶,lacA 决定lacA编码-半乳糖苷乙酰基转移酶,以及启动子、控制子、阻遏子等,45,乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成,调控区,阻遏基因,启动子,控制基因,结构基因,Z：,-,半乳糖苷酶,Y：透过酶,A：乙酰基转移酶,Z,Y,A,O,P,DNA,I,46,-操纵子,(,operon,),1、-半乳糖苷酶能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，也能水解其他-半乳糖苷,2、-半乳糖苷透过酶能使外界的-半乳糖苷（如乳糖）透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内,3、-半乳糖苷乙酰基转移酶把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖,47,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。,48,7.2.1、酶的诱导-lac体系受调控的证据,在不含乳糖及,-,半乳糖苷的培养基中，,lac,+,基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有,1,2,个酶分子。,如果在培养基中,加入乳糖,，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的,6%,或,7%,，每个细胞中可有超过,105,个酶分子。,1、,实验证据,49,50,2、实验用诱导物,乳糖,IPTG(,异丙基巯基半乳糖苷,),TMG(,巯甲基半乳糖苷,),ONPG(,O,-,硝基半乳糖苷,),51,三、操纵子模型及其影响因子,（一）Lac操纵子模型,控制区,信息区,52,乳糖操纵子模型,1.lacZ、lacY、lacA基因的产物由同一条mRNA分子所编码,2.该mRNA分子的启动区（P）位于阻遏基因（lacI）,与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过基因的高效表达,3.操纵区时DNA上的一小段序列（仅26bp）,是阻遏物的结合位点,4当阻遏物与操纵区相结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制,5诱导物与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区结合，从而激发lac mRNA的合成,53,乳糖操纵子模型,1、Z、Y、A基因的产物为一条多顺反子mRNA,lacZ,：编码,-,半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；,lacY,：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；,lacA,：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。,54,因为诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而运转诱导物需要透过酶，后者合成需要诱导。,在非诱导状态下有少量（,1-5,个,mRNA,分子）,lac,mRNA,合成,-,本底水平组成型合成。,lac,操纵子的本底水平表达,55,2、大肠杆菌对乳糖的反应,碳源为甘油的培养基,乳糖,大肠杆菌对乳糖的反应,以甘油为碳源的培养基，按照lac操纵子本地水平表达，每个细胞可有几个分子的,-半乳糖苷酶和乳糖透过酶,加入乳糖-异构乳糖-与操纵区上的阻遏物相结合使后者失活-离开操纵区-开始lac mRNA的生物合成-编码大量的-半乳糖苷酶和乳糖透过酶。,结果：乳糖大量涌入细胞，被降解为葡萄糖和半乳糖,3、阻遏物,lacI,基因产物及功能,乳糖操纵子阻遏物,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，细胞内不可能产生足够的诱导物克服阻遏状态，整个,lac,操纵子在这些突变体中就不可诱导。,58,3、,阻遏物,lacI,基因产物及功能,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,阻遏基因,弱启动子控制的组成型合成,59,60,4、葡萄糖对,lac,操纵子的影响,研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制,lac,mRNA,的合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应,.,61,2、,P,区位于,I,与,O,之间，O为阻遏物结合位点,启 动 子,RNA聚合酶结合位点,调节基因 CAP结合位点 操 纵 基 因 Z基因,阻遏蛋白结合位点,62,3.Lac操纵子P、O区的重叠,63,64,4、,CAP的正性调节,65,66,67,5、,协调调节,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。,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。,68,mRNA,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,RNA-pol,O,O,O,O,69,7.2.4、lac操纵子中的其他问题,（一）A基因及其生理功能,-半乳糖苷酶,透过酶,乙酰基转移酶,乙酰化的半乳糖苷降低对细胞的危害,70,（二）,lac,基因产物数量上的比较,Z,、,Y,、,A,三个基因产物的拷贝数比例为,1,：,0.5,：,0.2,71,1,、,Lac mRNA,可能在翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译。,原因：在翻译水平上的调节,72,2,、,Lac mRNA,分子内部，,A,基因比,Z,基因更易受内切酶作用发生降解，故,Z,基因的完整拷贝数要比,A,基因多。,原因：在翻译水平上的调节,降解,73,74,谢谢观看,