原核生物基因表达调控.pptx

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,*,第六章 原核生物基因表示调控,1/165,序言,2/165,一、基因表示(gene expression),在一定调整机制控制下，基因经过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等过程。,大多数基因表示产物是,蛋白质,部分基因如,tRNA,和,rRNA,基因表示产物是,RNA,。,3/165,4/165,一个经典原核生物基因结构,5/165,6/165,7/165,二、基因表示调控,围绕基因表示过程中发生各种各样调整方式都通称为,基因表示调控.,转录水平调控,转录后调控,翻译水平调控,8/165,DNA水平,基因丢失；,基因扩增,基因重排；,甲基化修饰；,染色质结构状态,RNA水平,转录水平调控,；,RNA转录后加工；,mRNA从核内向胞浆转运；,mRNA稳定性,蛋白质水平,翻译过程；,翻译后加工；,蛋白质稳定性,9/165,10/165,三、基因表示特征：,1）时间特异性或阶段特异性,2）空间特异性或组织细胞特异性,11/165,1、时间特异性,按功效需要，某一特定基因表示严格按特定时间次序发生，称之为基因表示,时间特异性(temporal specificity),。,多细胞生物基因表示时间特异性又称,阶段特异性,(stage specificity),。,12/165,2、空间特异性（,spatial specificity,）,:,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不一样组织空间次序出现，,称之为基因表示,空间特异性(spatial specificity),。,基因表示伴随时间次序所表现出这种分布差异，实际上是由细胞在器官分布决定，所以空间特异性又称,细胞或组织特异性,(cell or tissue specificity),。,13/165,四、基因表示方式,组成性基因表示,适应性表示（诱导和阻遏表示）,14/165,1、组成性基因表示,一些基因在一个生物个体几乎全部细胞中连续表示，通常被称为,管家基因,(house-keeping gene)。,15/165,不论表示水平高低，管家基因,较少受环境原因影响,，而是在个体各个生长阶段大多数或几乎全部组织中连续表示，或改变很小。区分于其它基因，这类基因表示被视为,组成性表示,。,16/165,2、诱导和阻遏表示,诱导表示,（induction）指在特定环境原因刺激下，基因被激活，从而使基因表示产物增加。这类基因称为可诱导基因。,阻遏表示,（repression）指在特定环境原因刺激下，基因被抑制，从而使基因表示产物降低。这类基因称为可阻遏基因。,17/165,在一定机制控制下，功效上相关一组基因，不论其为何种表示方式，均需协调一致、共同表示，即为,协调表示(coordinate expression),，,这种调整称为协调调整(coordinate regulation),。,协调表示,18/165,五、基因表示调控基本原理：,1.基因表示调控多层次和复杂性,2.基因转录激活调整基本要素,19/165,1.基因表示调控多层次和复杂性,四个基本调控点,（1）基因结构活化,（2）转录起始：最有效调整步骤,（3）转录后加工及转运,（4）翻译及翻译后加工,20/165,DNA水平,基因丢失；,基因扩增,基因重排；,甲基化修饰；,染色质结构状态,RNA水平,转录水平调控,；,RNA转录后加工；,mRNA从核内向胞浆转运；,mRNA稳定性,蛋白质水平,翻译过程；,翻译后加工；,蛋白质稳定性,21/165,2.基因转录激活调整基本要素,基因表示调整与,基因,结构、性质，生物个体或细胞所处内、外,环境,，以及细胞内所存在转录,调整蛋白,相关。,三个基本要素：,1）特异DNA调整序列,2）调整蛋白,3）RNA聚合酶,22/165,23/165,基因转录激活调整基本要素,1、特异DNA序列,原核生物,操纵子,真核生物,顺式作用元件,（,cis-,acting element）,2、调整蛋白,24/165,-操纵子,(,operon,),结构基因,开启子,操纵基因,调整基因,(,promoter,),(,operator,),阻抑蛋白,25/165,-操纵子,(,operon,),26/165,-操纵子,(,operon,),由操纵基因以及相邻若干结构基因所组成功效单位，其中结构基因转录受操纵基因所控制。,操纵基因是顺式控制元件，阻抑蛋白是反式作用因子,27/165,是指可影响本身基因表示活性特异DNA 序列。通常是非编码序列。包含开启子、增强子及缄默子等。,真核生物,顺式作用元件,B,A,DNA,编码序列,转录起始点,28/165,29/165,2、调整蛋白,是调整基因转录蛋白因子，如原核生物阻遏蛋白和CAP蛋白（,降解物基因活化蛋白,）、真核生物基本转录因子和特异转录因子等。,30/165,3、RNA聚合酶,开启序列影响其与RNA聚合酶亲和力，而亲和力大小则直接影响转录起动频率。,原核,开启序列或,真核,开启子是由转录起始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录调整组件组成。,31/165,32/165,真核生物RNA聚合酶,33/165,34/165,六、基因表示调控生物学意义,1、适应环境、维持生长和增殖,2、维持个体发育与分化,35/165,36/165,第一节 原核基因表示调控总论,37/165,5,3,3,3,5,5,DNA,RNA,转录方向,反义链,模板链、,（）链,正义链、,编码链、（+）链,基因表示,38/165,转录水平上调控,转录后水平上调控,基因表示调控,39/165,原核生物主要是在转录水平上调控基因表示。,当需要某种基因产物时，就大量合成这种mRNA，当不需要这种基因产物时就抑制这种mRNA转录，就是让对应基因不表示。,40/165,通常所说基因不表示，并不是说这个基因就完全不转录为mRNA，而是转录水平很低，维持在一个基础水平（本底水平）。,基因表示完全关闭情况使极为少见。,41/165,真核生物基因表示调控可发生在不一样水平上,42/165,一、原核基因调控机制类型与特点,（一）原核基因调控机制类型,负调控,正调控,gene ON,OFF,阻遏蛋白,gene OFF,ON,激活蛋白,基因表示量尤其低,43/165,1、负调控,negative regulation,在没有调整蛋白质存在时,基因是表示,，加入某种调整蛋白质后,基因活性就被关闭,，这么控制系统就叫做负控系统。,其调整蛋白质叫做阻遏蛋白,两种类型：,负控诱导,和,负控阻遏,44/165,负控诱导系统,负控阻遏系统,45/165,2、正调控,positive regulation,在没有调整蛋白质存在时基因是关闭，加入某种调整蛋白质后基因活性就被开启，这么控制系统就叫做正控系统。,其调整蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白),两种类型:正控诱导和正控阻遏系统,46/165,47/165,（二）特殊代谢物调整基因表示类型,可诱导调整,可阻遏调整,48/165,1、可诱导调整,一些基因在,特殊代谢物或化合物,作用下，由原来,关闭状态,转变为,工作状态,，即在一些物质,诱导下使基因活化,.,调整分解代谢操纵子，同时受cAMP-CAP活性调整,49/165,可诱导调整,无诱导物,时,gene OFF,50/165,可诱导调整,有诱导物,时,gene ON,51/165,+,转录,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,CAP正性调整,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,52/165,2、可阻遏调整,一些基因在,特殊代谢物或化合物,作用下，由原来,开启状态,转变为,关闭状态,，基因表示被阻遏.,调整合成代谢操纵子,53/165,（三）原核生物基因表示调控特点,调整主要步骤在,转录水平,上进行,因子,决定RNA聚合酶识别特异性,主要经过,操纵子模式,进行调整,阻遏蛋白对转录抑制作用（阻遏机制）是,普遍存在负调控作用,54/165,原核生物中基因组织形式,几个作用相关基因在染色体上串连排列在一起，由同一个调控系统来控制。,这么一个整体称为一个操纵元(operon)。,55/165,原 核,在,转 录,水 平,上 调 控,56/165,因子,57/165,大肠杆菌最少有6种因子,70,负责识别普通开启子,54,识别与氮代谢相关基因开启子,32,识别热激（heat shock）蛋白质基因开启子,58/165,二、弱化子对基因活性影响,1、弱化子,在操纵区与结构基因之间一段能够终止转录作用核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.,UUUU,RNA聚合酶,起调整作用是某种氨酰-tRNA浓度,59/165,RNA分子在分子内采取不一样碱基配对方式，形成不一样二级结构而参加调控。,当不一样结构对是否允许终止存在差异时，改变二级结构可对转录终止进行调控,2、弱化子作用机制,60/165,UUUU,UUUU,调整区,结构基因,trpR,O,P,前导序列,弱化子区域,UUUU,前导,mRNA,1,2,3,4,弱化子结构,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,61/165,5,trp,mRNA,trp,L,1 2,3 4,寡聚U区,trpE,(a)正常,(b)高 Trp,1,2,转录终止,3 4,(C)低Trp,1,2 3,4,转录延伸,62/165,63/165,UUUU,3,4,UUUU 3,3,4,核糖体,前导肽,前导,mRNA,1.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,64/165,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,2.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,65/165,三、降解物对基因活性调整,1、葡萄糖效应（降解物抑制作用）,是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌碳源时,葡萄糖总是优先被利用,，葡萄糖存在,阻止了其它糖类利用现象,。,66/165,2、降解物对基因活性调整,葡萄糖经过降低cAMP含量而抑制基因表示,67/165,四、细菌应急反应,指细菌在恶劣生长环境中关闭tRNA和核糖体形成能力。,1、细菌应急反应,68/165,2、细菌应急反应机制,应急信号：,鸟苷四磷酸（ppGpp）、,鸟苷五磷酸（pppGpp）,诱导物：,空载tRNA,焦磷酸转移酶,69/165,第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统,70/165,一、乳糖操纵子(lac operon)结构与组成,调控区,阻遏基因,开启子,操纵基因,结构基因,Z：,-,半乳糖苷酶,Y：透酶,A：乙酰基转移酶,Z,Y,A,O,P,DNA,I,71/165,72/165,73/165,启 动 子,RNA聚合酶结合位点,调整基因 CAP结合位点 操 纵 基 因 Z基,阻遏蛋白结合位点,mRNA,Lac操纵子调控区域,74/165,乳糖操纵子结构基因及其表示产物,75/165,二、酶诱导-lac体系受调控证据,在不含乳糖及-半乳糖苷培养基中，lac,+,基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有12个酶分子。,假如在培养基中,加入乳糖,，酶浓度很快到达细胞总蛋白量6%或7%，每个细胞中可有超出105个酶分子。,1、试验证据,76/165,77/165,2、试验用诱导物,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),78/165,79/165,80/165,pUC18,Ap,r,lacZ,ori,Ap+X-gal,重组子（,Ap,r,+lacZ,-,）,基因工程蓝白斑筛选,81/165,蓝白显色筛选法,82/165,三、lac操纵子模型及其影响因子,（一）Lac操纵子模型,控制区,信息区,83/165,1961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示调控机制。,获1965年诺贝尔生理学和医学奖,84/165,乳糖操纵子模型建立(Jacob and Monod,1961),Francois Jacob,Jacquces Monod,获1965年诺贝尔奖,85/165,乳糖操纵子模型,1、Z、Y、A基因产物为一条多顺反子mRNA,lacZ：编码-半乳糖苷酶，它能够将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；,lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运输透过细菌细胞壁；,lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。,86/165,2、,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,调整基因 CAP结合位点 操 纵 基 因 Z基因,阻遏蛋白结合位点,87/165,乳糖操纵元负调控,88/165,Lac操纵子P、O区重合,阻遏物与O区结合影响了RNA聚合酶与开启子区结合形成转录起始复合物效率。,89/165,90/165,4、,CAP正性调整,91/165,Cyclic AMP,ATP,在腺苷酸环化酶作用下转变成环式,AMP(,cyclic adenosine monophosphate,cAMP,)。,92/165,The adenyl cyclase-catalyzed synthesis of cyclic AMP(cAMP)from ATP,John Wiley and Sons Publishers,93/165,cAmp-CAP,Catabolite activating protein,CAP,代谢激活蛋白，是,cAmp,受体蛋白,(cyclic Amp receptor protein,CRP),cAmp-CAP,复合物，是,lac,操纵元正调控因子,94/165,乳糖操纵元正调控,95/165,96/165,97/165,5、,协调调整,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。,98/165,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,99/165,(二)乳糖操纵子影响因子,1、,lac,操纵子本底水平表示,乳糖,100/165,101/165,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。,在非诱导状态下有少许（1-5个mRNA分子）lac mRNA合成-本底水平组成型合成。,lac,操纵子本底水平表示,102/165,3、阻遏物,lacI,基因产物及功效,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,阻遏基因,弱开启子控制组成型合成,103/165,104/165,105/165,106/165,107/165,108/165,109/165,4、葡萄糖对,lac,操纵子影响,葡萄糖 腺苷酸环化酶活性降低 ATP 无法转变成 cAMP 不能形成 CAP-cAMP 复合蛋白 RNA 酶无法结合在 DNA 上 结构基因不表示。,代谢物阻遏效应,研究认为葡萄糖一些降解产物抑制lac mRNA合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应.,110/165,葡萄糖效应,111/165,5、cAMP与代谢物激活蛋白,112/165,113/165,114/165,115/165,Catabolite gene,activation protein site,-,10,site,-,35 site,CACCCCAGGCT,T,TACACTTTATGCTTCCGGCTCGTA,T,GTTGTGTGG,A,ATTGAGCGGA,TAACA,ATTTCACAC,CTCATTAGG,ACTCGATTGAGTGTAATTA,5,3,Operon region,20bp,RNA polymerase binding region or promoter region,Primary structure of lac operon regulation region,5 TAT,AA,T 3,Pribnow box,116/165,CRP结合位点,cAMP-CRP复合物与开启子区结合lac mRNA合成起始所必需，有利于形成稳定开放型开启子-RNA聚合酶结构。,117/165,118/165,四、lac操纵子DNA调控区域P、O区,控制区,信息区,-82+1,-7+28,119/165,五、lac操纵子中其它问题,（一）A基因及其生理功效,-半乳糖苷酶,透过酶,乙酰基转移酶,乙酰化半乳糖苷降低对细胞危害,120/165,（二）,lac,基因产物数量上比较,Z、Y、A三个基因产物拷贝数百分比为1：0.5：0.2,121/165,1、Lac mRNA可能在翻译过程中核糖体相脱离，从而终止蛋白质链翻译。,原因：在翻译水平上调整,122/165,2、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基因完整拷贝数要比A基因多。,原因：在翻译水平上调整,降解,123/165,（三）操纵子融合与基因工程,操纵子融合：,由较弱开启子和强开启子基因形成融合基因，能够经过强开启子使弱开启子转录增强，增加蛋白表示量。,124/165,第三节 色氨酸操纵子与负控阻遏系统,125/165,可诱导调整：调整,分解代谢,操纵子，同时受,cAMP-CAP,活性调整,可阻遏调整：调整,合成代谢,操纵子,特殊代谢物调整基因活性类型,126/165,127/165,128/165,129/165,一、,trp,操纵子阻遏系统,（一）,trp,操纵子研究背景,酶合成阻遏现象Jacob and Monod工作,130/165,（二）,trp,操纵子结构,阻遏型操纵子,trpA,trpB,trpC,trpE,trpD,P,trp,O,trp,前导序列,a,Trp 阻抑物 色氨酸,激活,RNA,trpE trpD trpC trpB trpA,色氨酸合成所需酶,trpR,131/165,酶阻遏操纵子模型,辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构基因表示.,调整基因,操纵基因,结构基因,mRNA,酶蛋白,.,.,.,.,.,辅阻遏蛋白,132/165,（三）,trp,操纵子阻遏调控机制,色氨酸操纵子主要参加调控一系列用于色氨酸合成代谢酶蛋白转录合成。当细胞内,缺乏色氨酸,时，此,操纵子开放,，而当细胞内合成,色氨酸过多,时，此,操纵子被关闭,。,色氨酸操纵子调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。,而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭,。,133/165,Trp,Tr,p 浓度高时,Trp浓度,低时,mRNA,O,P,trpR,调整区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,色氨酸操纵子,阻遏调整,?,134/165,二、弱化子与前导肽,（一）弱化子,在操纵区与结构基因之间一段能够终止转录作用核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.,调整区,结构基因,trpR,O,P,前导序列,弱化子区域,UUUU,前导,mRNA,1,2,3,4,135/165,UUUU,RNA聚合酶,起调整作用是某种氨酰-tRNA浓度,136/165,（二）前导肽,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,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,137/165,138/165,（三）mRNA前导区序列分析,前导区mRNA上有两个连续色氨酸密码子；前导序列上有4个分别以,1、2、3、4,表示片断能以两种不一样方式进行碱基配对，有时以12和34配对，有时只以23方式互补配对.,UUUU,前导,mRNA,1,2,3,4,139/165,（四）转录弱化作用,mRNA转录终止是经过前导肽基因翻译来调整。,在前导肽基因中有两个相邻色氨酸密码子，故这个前导肽翻译必定对tRNA,Trp,浓度敏感。,140/165,141/165,（五）衰减子生物学意义,活性阻遏物和非活性阻遏物转变,可能较慢,，而tRNA负载是否可能,更为灵敏,；,氨基酸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.,当细胞内氨基酸高于某一水平时，能够实现完全阻遏；而只有低于这一水平时，才需用衰减子这个调整系统来进行调整，,阻遏蛋白和衰减子调整机制都是为了防止浪费，提升效率,。,142/165,第四节 其它操纵子（自学）,第五节 固氮基因调控（自学）,143/165,第六节 转录后调控,144/165,一、翻译起始调控,1、SD序列对翻译影响,SD序列：mRNA,起始密码前一段富含嘌呤核苷酸序列。(9-12bp),5-,AGGA,PuPuUUUPuPu,AUG,-3,SD序列次序及位置对翻译影响,SD与AUG之间相距普通以4-10个核苷酸为佳，9个核苷酸最正确。,145/165,RBS,146/165,2、mRNA二级结构对翻译起始调控,SD sequence,AUG,10bases,UA,AGGA,GGU:,complementary with,16s rRNA,5,147/165,148/165,149/165,150/165,试验证据,RNA引物由dnaG基因编码引物酶催化合成,dnaG、rpoD及rpsU属于大肠杆菌基因组上同一个操纵子,基因转录出来三个蛋白对应mRNA拷贝数大致相同，因为翻译调控使得蛋白拷贝数发生了很大改变。,二、稀有密码子对翻译影响,151/165,152/165,因为细胞内对应于稀有密码子tRNA较少，高频率使用这些密码子基因翻译过程轻易受阻，影响了蛋白质合成总量。,153/165,三、重合基因对翻译影响,A基因,B基因,A基因终止密码子与B基因起始密码子重合,154/165,重合密码确保了同一核糖体对两个连续基因进行翻译机制。,偶联翻译是确保两个基因产物在数量上相等主要伎俩。,重合基因对翻译影响,155/165,trp,操纵子,trpE,基因与,trpD,基因翻译偶联机制,trpE,苏氨酸苯丙氨酸终止,ACU,-UUC-UGA-UGG-CU,AUG-GCU,甲硫氨酸丙氨酸trpD,156/165,五、翻译阻遏,157/165,六、魔斑核苷酸水平对翻译影响,空载氨酰-tRNA对蛋白质和RNA合成速度进行调控,158/165,159/165,（一）严紧控制和涣散控制,1、严紧控制（基因型,rel,）,当细菌处于饥饿条件下，缺乏维持蛋白质合成氨基酸，其大部分活性区域将被关闭，此称之为严紧控制。,严紧控制造成两种特殊核苷酸积累：PPGpp、pppGpp,160/165,cAMP,条件恢复，,Spot,基因催化ppGpp快速降解,161/165,2、松弛控制（基因型,rel,-,）,松弛突变株（,基因型,rel-,）去除了禁止控制反应；,蛋白质合成停顿，但RNA合成速度没有下降；,氨基酸匮乏不会造成（p）ppGpp合成；,若有严紧因子存在，也能合成（p）ppGpp.,162/165,（二）调控机制,应急信号：,鸟苷四磷酸（ppGpp）、,鸟苷五磷酸（pppGpp）,诱导物：,空载tRNA,163/165,原核生物基因表示调控机制,转录激活水平上调控,转录后调控,164/165,课后作业,简明回答原核生物基因表示调控机制？,165/165,