原核细胞基因表达调控机制.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,石河子大学研究生生物化学与分子生物学精品课程,Several steps in the gene expression process may be modulated,including the,transcription,step and,translation,step and the,post-translational modification,of a protein.Gene regulation gives the,cell,control over structure and function,and is the basis for,cellular differentiation,morphogenesis,and the versatility and adaptability of any,organism,.Gene regulation may also serve as a substrate for evolutionary change,since control of the timing,location,and amount of gene expression can have a profound effect on the functions(actions)of the gene in the organism.,原核细胞基因表达调控,Regulation of Prokaryotic,Gene Expression,一、基因表达调控概述,Basic Conceptions and Principle,（一）基因表达的概念,*,基因,*基因组,(genome),一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。,基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。,*基因表达,(gene expression),基因表达是受调控的,（二）基因表达的时间性及空间性,1,、时间特异性,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,(temporal specificity),。,多细胞生物基因表达的时间特异性又称,阶段特异性,(stage specificity),。,2,、空间特异性,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,(spatial specificity),。,（三）基因表达的方式,按对,刺激的反应性，基因表达的方式分为：,1,、组成性表达,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),。,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,组成性基因表达,(constitutive gene expression),。,2,、诱导和阻遏表达,在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为,可诱导基因,。,可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为,诱导,(induction),。,如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是,可阻遏基因,。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为,阻遏,(repression),。,基因,表达增强,表达减弱,诱导,阻遏,环境因素,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,(coordinate expression),，,这种调节称为,协调调节,(coordinate regulation),。,（四）基因表达调控的生物学意义,1,、适应环境、维持生长和增殖,2,、维持个体发育与分化,二、基因表达调控的基本原理,Basic Principle of Gene Expression Regulation,a,（一）基因表达的多级调控,基因激活,转录起始,转录后加工,mRNA,降解,蛋白质降解等,蛋白质翻译,翻译后加工修饰,转录起始,（二）基因转录激活调节基本要素,特异,DNA,序列和调节蛋白质,调节蛋白,DNA-,蛋白质、蛋白质,-,蛋白质相互作用,RNA,聚合酶,原核生物,蛋白质因子,操纵子,(operon),机制,特异,DNA,序列,编码序列,启动序列,操纵序列,其他调节序列,(,promoter,),(,operator,),1.,特异,DNA,序列和调节蛋白质,是,RNA,聚合酶结合并启动转录的特异,DNA,序列。,1,),启动序列,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,Pribnow,box,共有序列,(consensus sequence),决定启动序列的转录活性大小。,某些特异因子（蛋白质）,决定,RNA,聚合酶,对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。,2,操纵序列,阻遏蛋白,(repressor),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,3,),其他调节序列、调节蛋白,例如,激活蛋白,(activator),可结合启动序列邻近的,DNA,序列，促进,RNA,聚合酶与启动序列的结合，增强,RNA,聚合酶活性。,有些基因在没有激活蛋白存在时,，,RNA,聚合酶很少或完全不能结合启动序列。,真核生物,顺式作用元件,(,cis,-acting element),可影响自身基因表达活性的,DNA,序列,B,A,DNA,编码序列,转录起始点,不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如,TATA,盒、,CAAT,盒等，这些共有序列是,RNA,聚合酶或特异转录因子的结合位点。,2,、真核基因的调节蛋白,还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列,，,调节自身基因的表达，称,顺式作用,。,由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。,反式作用因子,(trans-acting factor),这种调节作用称为,反式作用,。,c,DNA,a,DNA,反式调节,C,顺式调节,mRNA,C,蛋白质,C,B,A,mRNA,蛋白质,A,A,指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的,DNA,结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。,绝大多数调节蛋白质结合,DNA,前，需通过蛋白质,-,蛋白质相互作用，形成,二聚体,(,dimer,),或,多聚体,(polymer),。,3.DNA-,蛋白质,蛋白质,-,蛋白质,的相互作用,4.RNA,聚合酶,原核启动序列,/,真核启动子与,RNA,聚合酶活性,RNA,聚合酶与其的亲和力,，,影响转录。,调节蛋白与,RNA,聚合酶活性,一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达,，,然后通过,DNA-,蛋白质、蛋白质,-,蛋白质相互作用影响,RNA,聚合酶活性。,三、原核基因表达调控,Regulation of Prokaryotic,Gene Expression,调节的主要环节在,转录起始,（一）原核基因转录调节特点,1,、,因子决定,RNA,聚合酶识别特异性,2,、操纵子模型的普遍性,3,、阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性,（二）乳糖操纵子调节机制,1,、,乳糖操纵子,(,lac,operon,),的结构,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,Z,Y,A,O,P,DNA,Lac,operon,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,没有乳糖存在时,2,、,阻遏蛋白的负性调节,阻遏基因,mRNA,阻遏蛋白,有乳糖存在时,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,启动转录,mRNA,乳糖,半乳糖,-,半乳糖苷酶,Lac,operon,+,转录,无葡萄糖，,cAMP,浓度高时,有葡萄糖，,cAMP,浓度低时,3,、,CAP,的,正性调节,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,4,、,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。,葡萄糖对,lac,操纵子的阻遏作用称,分解代谢阻遏,(catabolic repression),。,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,The regulation of,lac,operon,by CAP,repressor,CAMP and inducer,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,（三）色氨酸操纵子调节机制,转录衰减,色氨酸操纵子,Trp,operon,衰减子（,A,）是,Trp,operon,的第二控制系统。,第二控制系统实验证据提示：,Trp,operon,酶本底只有,1/70,，,Lac,operon,为,1/1000,，说明,Trp,operon,的阻遏要比,Lac,operon,低得,多，但仍可以满足细菌适应生存的需要，说明,Trp,存在第二控制系统。,衰减子前导肽（,aL,）,及其空间结构特点,aL,离,E,基因上游约,3060bp,有,4,个,GC,特征的片段，其后是,8,个,U,，,是不依赖,因子的终止子，终止作用有赖于前面片段发夹结构形成情况。,当,Trp,，,片段,3,4,形成发夹结构，转录终止。,有,2,个串联,UGG,（,Trp,密码子）全长多顺反子,6700bp,。,空 间 结 构,特 点,DNA,RPO,aL,EBCDA,aLmRNA,L,肽,UGGUGG,1,2,3,4,位于第,60,位核苷酸,-,Trp-Trp,-,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,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,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,（四）,基因重组,沙门菌鞭毛素基因的调节,H2,鞭毛素,阻遏蛋白,Hin,重组酶,转位片段,hin,H2,I,H1,H1,鞭毛素,hin,H2,I,DNA,启动序列,H1,启动序列,（五）,SOS,反应,SOS,基因,紫外线,激活,Rec,A,Lex,A,阻遏,蛋白,与,DNA,损伤修复有关的酶和蛋白质,基因表达,Lex,A,阻遏,蛋白,操纵序列,DNA,（五）,SOS,反应,(,六）原核生物翻译水平的调控,Gene Expression of Translational Level Regulation in Prokaryote,翻译水平的调控,转录是原（真）核基因调控的重要水平，由于原核生物没有核膜，转录翻译同时进行，所以转录后调控余地不大。翻译是原核生物基因表达调控的另一个重要层次。,1,、,SD,序列对翻译的影响,A.SD,序列（,SD,Sequence,SDs,）,概念,原核生物,mRNA,起始密码子,AuG,上游,3-10bp,处有,1,个,RbS,称为,SD,序列。,（,1,）种类,不同基因有不同的,SDs,，,其一致序列为,AGGAGG,，,从而控制单位时间起始复合物形成的数目，最后控制翻译产物的数量。,（,2,）位置,mRNA,起始密码子,AuG,上游,4-13bp,处，与,AuG,间隔,4-13bp,。,1,、,SD,序列对翻译的影响,（,3,）,碱基特点,富含,A,，,与核糖体小亚基,16SRNA,端富含,U,序列互补，被其识别与结合，,mRNA,转录不久，即被之结合、翻译。,（,4,）多顺反子,编码多个蛋白质，每,1,个编码区前都有,1,个,AuG,和,SD,序列，多个核糖体与,SDs,结合将蛋白质分别译出来。,B.SD,序列对翻译水平的影响,（,1,）,SDs,与,AuG,距离长短的影响,据认为此距离是影响翻译效率主要因素。例，重组,IL-2,，,Plac,的,SDs,距,AuG,7,个核苷酸，,IL-2,表达最高，距,8,个核苷酸，,IL-2,表达降低,500,倍。,B.SD,序列对翻译水平的影响,（,2,）,SDs,组成与一致序列差异的影响,Plac3,种酶翻译合成比例为,1:0.5:0.2,，这种现象反映 ,SDs,与一致序列差异导致核糖体结合速率有快有慢 密码子对应,tRNA,太少，等待运输周转。,C.mRNA,二级结构隐蔽,SD,序列的作用,SDs,存在,mRNA,的二级结构发夹（茎环）中，受到了隐蔽核糖体无法靠近与之结合，只有打开二级结构，暴露位点、方可结合。,例,:,红霉素抗性菌有,1,个质粒,omrc,该质粒,可以编码使,23srRNA,甲基化酶,(,红霉素甲基化酶,(,erythromycin,methylase,),使,23,srRNA,2057-2060,位,GAAG,的,A,甲基化，,阻止红霉素结合,。（红霉素通过该位点结合于核糖体）,抑制蛋白质合成。红霉素甲基化酶可使核糖体对红霉素产生抗性。,C.mRNA,二级结构隐蔽,SD,序列的作用,（,1,）,amrc,翻译起始区有一个反向重复顺序,，其上游先导肽也有一个反向重复序列，类似,Trp,operon,的前导肽，能形成转录衰减子发夹结构，称为翻译弱化子。,（,2,）红霉素甲基化酶基因、,mRNA,与前导肽对应空间结构,前导肽,mRNA,1.2,2.3,3.4,4.3,片段可以互补形成发夹结构,SD,1,前导肽核糖体结合位点,SD,2,红霉素甲基化酶核糖体结合位点,DNA,amrC,L,mRNA,前导肽,SD,1,1,2,3 SD,2,4,红霉素甲基化酶,前导肽,红霉素,前导肽,4,个片形成二级结构情况,甲基化酶生成情况,23srRNA,甲基化与红霉素抗性,无,前导肽正常翻译，正常释出片段,1,、,2,，,3,、,4,形成发夹结构隐匿,SD,2,核糖体元法靠近不能译出红霉素甲基化酶,无,23srRNA,甲基化无红霉素抗性,有,红霉素结合核糖体使之滞留于前导肽，片段,1.2,，,2.3,、成发夹，,3.4,不能成发夹，暴露,SD,2,核糖体结合，译出红霉素甲基化酶,23srRNA,甲基化，抗红霉素,当,23srRNA,全部甲基化后核糖体不再结合红霉素顺利译出先导肽隐匿,SD,2,核糖体无法靠近不再译出甲基化酶。,甲基化酶可能有本底水平，当有红霉素时，可使甲基化酶大量表达。,2,、,mRNA,的稳定性,A.,细菌基因调控,3,要素,转录起始、终止和,mRNA,的快速转换,mRNA,快速转换即旧,mRNA,快速降解，新,mRNA,快速合成，这是细菌快速适应环境在,mRNA,的具体体现。,B.mRNA,降解速度的影响因素（一级结构和空间结构）,不同,mRNA,降解速度不同，降解作用不是随机的，长,mRNA,不一定较短,mRNA,稳定性差。,（,1,）生理状况,、环境因素均影响,mRNA,的降解，但最重要的是：,（,2,）,mRNA,的一级结构和二级结构,降解,mRNA,的内切酶,主要是：,RNase,（,识别特殊发夹结构），该酶降解片段再被其它核酸酶降解（如,3,外切核酸酶，,RNase,）。,目前所知，,mRNA,终止子（尤是不依赖,因子终止子）或类似的发夹结构都可以不同程度阻碍,RNase,对,mRNA,的降解。,（,3,）原核,mRNA,半寿期多为,2-3min,，,降解,NTP,用于新的,mRNA,合成。决定,mRNA,寿命的许多因素都影响到基因表达。,3,、翻译产物对翻译的调控（蛋白质合成的自体调控）,有些,mRNA,编码的蛋白质，本身就是蛋白质翻译过程中发挥调节作用的因子，这些因子对自身翻译也起调控制作用。,A.,核糖体蛋白,（,1,）,核糖体是,1,座合成蛋白质流动工厂,，沿,mRNA,移动 快速合成蛋白质。核糖体由,rRNA,为骨架与核糖体蛋白组成。,Ecoli,核糖体蛋白质有,55,种，（大亚基,34,，小亚基,21,），核糖体是细菌细胞重要成份之一。,（,2,）细菌中,50,余种核糖体蛋白质，基因分布在不同的操纵子中,，合成这些蛋白质，速率是与细胞增殖适应的，受生长条件营养环境影响。,（,3,）实验证明，这些操纵子转录水平是可调控的，但核糖体蛋白合成的控制主要在翻译水平。因为加入额外操纵子于细菌，,mRNA,增加，而核糖体蛋白质并不增加。,（,4,）每,1,个,operon,转录的,mRNA,编码蛋白中的一种（或,2,种蛋白质复合体）,可以结合到多顺反子上游的,1,个特定部位，阻止核糖体结合和起始翻译。,B.,翻译终止子,RF,2,合成的自体调控,（,1,）终止密码和释放因子（终止子）,无论原核、真核都有,3,种终止码：,UAG,、,UGA,和,UAA,没有,1,种,tRNA,与终止码作用，而是由特殊的蛋白因子促成终止作用，这类蛋白因子称做释放因子，也有称翻译终止子。,原核有,3,种释放因子,RF,1,识别,UAA,、,UAG,RF2,识别,UAA,、,UGA,RF,3,能刺激,RF,、,RF,2,的活性。,真核只有,1,种，即,eRF,。,（,2,）,RF2 mRNA,的移框窗口及其附近结构,阅读框（,reading-frame,）,也称,读,码。,mRNA,核苷酸序列中，,3,个核苷酸为,1,组（称为密码子），由核糖体进行翻译。每个密码子代表蛋白质合成中单个氨基酸，阅读框规定了,3,个核苷酸组成,1,个密码子，这是由起始密码子,AUG,决定的。例如,AUG CCA AAA UUU CCC,可以读成,AUG/GCA/AAA/UUU/CCC,，,而不会读,A/UGG/CAA/AAU/UUC/CC,。,开放阅读框（,open reading-frame,）,没有终止密码子打断的阅读，通常是从,DNA,（,不是,RNA,）,顺序推论出开放阅读框的存在。,基因密码阅读的,3,个特点,每个基因都有特定的阅读框,（如组蛋白），阅读必须从第,1,个密码子开始到最后,1,个密码子结束。,阅读是不停顿的,，停顿只能合成肽而不是蛋白质。（学理发）,阅读（,mRNA,）,方向,5,3,，合成肽链方向氨基端,羧基端,，而不能反之。,mRNA 5 AUGGGG UAU CUU,U,GAC UAC GAC 3,合成肽链方向,NH2,Gly,Tyr,Leu,Asp-Tyr-Asp-COOH,前面,25,个氨基酸 后面,315,个氨基酸,(AA),RF,2,mRNA,移框窗口及其结构,移框窗口（转换区）,至少,15,个核苷酸才能发生移框,23 24 25 26 27 28,RF2,是由,340,氨基酸组成的蛋白质，它的密码子并不处于同,1,个阅读框中，前,25,个,AA,处于,AUG,所在阅读框中，后,315AA,处于（,+1,）另,1,阅读框中。,RF2,整个阅读框分成,2,个阅读框，中间多了,1,个,U,，,U,与第,26,个,AA,（,ASP,）,密码子的前,2,个核苷酸构成了,RF2,识别的终止码,UGA,，,而且是前框（,25,个,AA,）同框,终止密码子。,移框窗口至少含,15,个核苷酸。,RF,2,合成的自体调控,细胞内,RF,2,供应充足时当核糖体,A,位到达第,25,个密码子后面的,UGA,时,RF,2,就促成了肽链合成终止。,RF,2,RF,2,mRNA,译至第,25,个,AA,在,其后,UGA,处将不成熟的肽释放。,胞内缺乏,RF,2,核糖体向前滑动,1,个核苷酸（,U,）,即移框作用,继续合成第,25,个,AA,直到最后的终止码,UAG UAG,由另,1,个释放因子,RF,1,识别并促使,RF,2,肽链的,释放。,移框作用如此精细的自体调控机制目前仍不清楚,，可能与前面,25,肽的结构有关。,（,1,）,低渗,omPR,Pr.,omPF,。,omPC,基因关闭。,（,2,）,高渗,变构,OmPR,Pr,.,Ompc,ompc,mRNA,ompc,Pr.,micF,（,3,）,micF,能,与,ompF,mRNA,前导序列（,L,）,中的,44,个核苷酸（包括,SDs,）,及编码区（包括起始码,AUG,）,形成杂合双链，,从而抑制了,ompF,mRNA,翻译。,正控,正控,转录,翻译,同时转录,（,4,）,2,种蛋白质（,ompF.ompc,）,随渗透压变化而变化此消彼长，总量不变。,（,5,）反义,RNA,与,mRNA,反义，通过互补碱基与特定的,mRNA,结合，抑制,mRNA,的翻译，又称干扰,mRNA,的互补,RNA,简称,micRNA,（,mRNA-interfering complementary RNA,）。,（七）原核生物反义,RNA,调控,Gene Expression of Antisense RNA Regulation in Prokaryote,反义,RNA,对,Tn10,转位酶的,调控作用,1.Tn10,带有,ter,r,，,转座最大的特点是原位转座不,动，仅将,1,个新的合成复本插到另,1,个新的位点上。,2.Tn10,的,基本结构,IS,Structure,l,gene,3,反,义（阻遏）,RNA,5,（,RNA-out,）,5,Pin,（,启动子）,3,5,Pin,启动转录,Tn10转位酶,（RNA-in）,Pout,启动子,（,RNA-out,）,阻遏,RNA,3,5,3,5,互补,Tn10,转位酶,mRNA,3.,调控机理,Tn10,转位酶由,pin,控制，反义,RNA,基因由,Pout,控制。,2,个启动子转录方向相反，在转录区有,35,（,40,）,bp,重叠，导致,2,条,RNA,互补。,2,个启动子交叉转录,，产物,RNA,互补重叠成双股链核糖体不能接触,转位酶不能译出,无酶无法转位,。,只有,RNA-in,摆脱了,RNA-out,配对才有机会翻译。,RNA-out,活性较,RNA-in,大,8,倍，所以,Tn10,的份数越多，转座机会就越少。,生物学意义,对于细菌来说，,Tn,是入侵者，除抗生素抗性基因对细菌有利外，过多,Tn,对细菌是一个重负担、甚至置细菌于死地（转座引起插入突变等）,Tn10,用反义,RNA,约束自己不要过多繁殖以免与宿主同归于尽。,思考题,名词解释：基因表达,(gene expression),、管家基因,(housekeeping gene),、操纵子,(,operon,),、启动子,(promoter),、反义,RNA(antisense,RNA),问答题：,1,、原核与真核生物转录水平基因表达特点如何？,2,、叙述基因转录激活的基本要素有哪些？,3,、叙述乳糖操纵子调节机制。,4,、叙述原核生物翻译水平的调控,