05-原核生物的基因表达调控.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,*,第五章 原核生物的基因表达调控,Chapter 5 Regulation of gene expression in prokaryote,基因表达,(gene expression)：指基因转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。,基因表达表现为严格的规律性：,即时间、空间特异性,。,时间、空间特异性由特异基因的启动子和(或)增强子与调节蛋白相互作用决定,。,基因表达,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）,。,时间特异性:,在个体发育、生长的全过程，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，称之为基因表达的,空间特异性（spatial specificity）。,基因表达的这种空间分布差异是由细胞在器官的分布决定的，因此又称,细胞特异性,（cell specificity）或,组织特异性,(tissue specificity)。,空间特异性:,Rice Genome Expression Profiles,水稻基因时空动态,Human Genome Expression,人基因组时空动态,一、原核生物基因操纵子的概念,操纵子（operon）,：原核生物基因表达和调控的一个完整单元，包括调节基因、启动子、结构基因和操纵基因。,原核生物基因表达在DNA、转录和翻译三个不同层次进行调控，但,转录,水平的调控是最主要的方式。操纵子是原核转录调控的主要形式。,I,P,O,Z,Y,A,调节基因 控制位点 结构基因,结构基因、调控基因,结构基因,：编码细胞结构和基本代谢活动所必要的,RNA,和蛋白质。,调控基因,：调节其它基因表达的基因。,顺式作用因子,（,cis,-acting elements,）,:,调节基因表达的,DNA,序列。,反式作用因子,（,trans-acting factors,）：调节基因表达的蛋白质因子。,负调控（,negative regulation,）,与缺乏调控因子时比较，若调控因子使基因的表达水平下降，甚至关闭。调控因子称,阻遏蛋白（,repressor,）,分为：,可诱导的负调控系统,阻遏蛋白与操纵基因结合，可阻止结构基因的转录，但有诱导物时，它与阻遏蛋白结合从而解除对结构基因转录的抑制,可阻遏的负调控系统,阻遏蛋白不影响结构基因的转录，但它与辅阻遏物结合后，抑制结构基因的转录,二、乳糖操纵子（,lactose operon，,lac,）,1、,Discovery of Operon,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，葡萄糖用完后，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”。,Jacques Monod,1951年，Monod与Jacob合作，发现两基因：,Z基因,：与合成-半乳糖苷酶有关；,I基因,：决定细胞对诱导物的反应。,1961年,F.Jacob&J.Monod,提出乳糖操纵子学说,此后不断完善。获1965年诺贝尔生理学和医学奖,Francis Jacob,Jacques Monod,I,P,O,Z,Y,A,调控基因 控制位点 结构基因,DNA,阻遏蛋白,启动序列,cAMP-CAP结合位点,操纵基因,半乳糖苷酶,通透酶,乙酰基转移酶,2、,lac,的,结构,RNA聚合酶,结合位点,（67,59）,（7,28,）,（1）Lac阻遏物的作用-负调控,3、,lac,的调控,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,没有乳糖存在时,阻遏基因,（1）Lac阻遏物的作用-负调控,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,异乳糖,乳糖操纵子为一个可诱导的负控制系统,突变分析,结构基因：,lacZ,lacY,I,Z,Y,A,O,P,不能分解乳糖的原因？,I,C,mut.,(,I,C,O,+,P,+,),constitutive mut.(组成型),I,C,gene产物repressor丧失与O位点结合的能力,I,S,mut.,(,I,S,O,+,P,+,),super-repression mut.(超阻型),I,S,gene 产物repessor 不能与inducer结合,调控基因,I,：,O,C,失去与repressor特异结合的能力,O,C,mut.,(,I,+,O,C,P,+,),constitutive mut.（组成型）,操纵基因,O,：,O gene (operator),cis-action factor,Symmetrical seq.,of,26 bp&G/C as axis,Methylation enhanced by repressor,Protected by repressor against methylation,（2）CAP-cAMP复合物的作用-,Lac,的正调控,同二聚体:,DNA结合区,cAMP(cyclic AMP)结合位点,CAP(Catabolite activator protein)分解代谢基因激活蛋白,葡萄糖 cAMP Lac操纵子被抑制,+,转录,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,mRNA,无,乳糖时,有,乳糖时,无葡萄糖 cAMP浓度,高,有葡萄糖cAMP浓度,低,RNA-pol,O,O,O,O,lac操纵子基因表达既需要乳糖又需缺乏葡萄糖,Lac 阻遏蛋白,不,封闭转录时,没有CAP存在,也,无高效,转录活性。,Lac 阻遏蛋白,封闭,转录时,CAP对该系统,不,发挥作用,Lac 阻遏蛋白,不,封闭转录,CAP+cAMP 加强转录。,协调调节,负性调节与正性调节协调合作,阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用,如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性,葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖,葡萄糖可降低,cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转录,结论：,lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖,三、色氨酸操纵子(tryptohane operon，,trp,),trp,操纵子,属,阻遏型操纵子,，主要调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶的转录合成。,色氨酸操纵子通常处于开放状态，其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阻遏蛋白结合，从而使基因转录关闭,辅阻遏蛋白的负调控,调控基因：,trp R,调 控 区：trpP,trpO,trpL,结构基因：,trpE,trpD,trpC,trpB,trpA,1、色氨酸操纵子的结构,The trp operon encodes five structural genes required for tryptophane synthesis.,It encodes a signal transcription(7kb)downstream of O,trp,.,These genes are co-ordinately expressed when tryptophan is in short supply in the cell.,Trp,有Tr,p,无Trp,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,2、阻遏物对色氨酸操纵子的负调控,色氨酸操纵子,前导区,（Leader）：结构基因起始密码子前有162 bp的DNA序列。,3、色氨酸操纵子的弱化系统,前导肽,（Leader peptide）：推测前导区mRNA可编码14个氨基酸组成的多肽，其中第10和第11位均为色氨酸,前导肽14aa,P,O,E,4,3,2,1,L,DNA,RNA,ATG,TGA,2 trp,1,4,3,2,弱化子（attenuator）：,一段位于结构基因上游前,导区具有终止子结构的短序列，通过前导序列转录,产生的 mRNA 形成类似于终止子的二级结构，达到转录终止的目的。,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,转录衰减,色氨酸操纵子,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,高Trp时,：,Trp-tRNA,Trp,存在,核糖体通过片段1(,2个,Trp密码子),封闭片段2,片段3，4,形成,发夹结构,类似于不依赖因子的转录终止序列,RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物,转录、翻译偶联,产生前导肽,低Trp时：,Trp-tRNA,Trp,没有供应,核糖体翻译停止在片段1,（2个,Trp密码子）,片段2，3,形成,发夹结构,转录不终止,RNA聚合酶继续转录,协调,阻遏作用：粗调开关,阻遏物的作用是当有大量外源色氨酸存在时，阻止非必需的先导mRNA的合成，它使这个合成系统更加经济。主要调节转录的启动与否。,阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少,弱化作用：细调开关,弱化作用的信号是Trp-tRNA,trp,的多少，通过控制前导肽的翻译来控制转录的进行,原核生物衰减作用的普遍性,原核生物在氨基酸饥饿状态下，自动停止或降低,(10-20,倍,),rRNA,tRNA,转录，从而调节蛋白质合成速率的,严谨现象,4、严谨反应（,stringent response,）,stringent response,是对任何氨基酸饥饿时表现的一种广泛的调节机制,空载tRNA,发出应急信号，进而引起,ppGpp,和,pppGpp,的大量增加。,ppGpp,（魔斑，magic spot）,魔斑,魔斑,pppGpp,（魔斑，magic spot）,PP-CH,2,MS,1,PP,G,四磷酸鸟苷,PPP-CH,2,G,MS,2,PP,五磷酸鸟苷,在正常条件下仅有氨基酰-tRNA在EE-Tu的作用下位于A位点。但在应急情况下，由于缺乏相应的氨基酰-tRNA，空载tRNA便占据A位，就阻断了核糖体的进程，而触发了一个,空转反应,（,idiling reaction,）,四、阿拉伯糖操纵子（arabinose operon）,是利用同一调控蛋白的不同结构形式，活化和抑制操纵基因的调控单位。,结构基因,：,araB、araA,和,araD，,形成一个基因簇（简写为,araBAD,）,，分别编码异构酶、激酶、表位酶（参与阿拉伯糖的降解）,调节基因,：,araC,基因，编码调控蛋白araC蛋白,araBAD,和,araC,的转录方向,相反,ara操纵子的调控有三个特点：,第一，,araC,表达受到AraC的自动调控。,第二，AraC,既,可充当阻遏物(Pr)，也可作为激活剂(Pi)。,第三，AraC与CAP结合可充分诱导ara操纵子。,araI,Pi,binding site transcription,for araBAD,O,1,O,2,Pr,binding site repression,for P,BAD,&P,C,CAP binding site for CAP-cAMP,看家基因:,某些基因在一个生物体的几乎所有细胞中持续表达，这类基因称,看家基因（housekeeping gene）.,看家基因的表达方式称,基本(或组成性)表达,，这类基因表达只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，不受其它机制调节。,基因表达的方式,按对内、外环境信号刺激的反应性，基因表达的方式分为：,（一）基本表达,开启,基因的转录活性，这种作用及过程称为,诱导,（induction）。,诱导物（,Inducer）,关闭,基因的转录活性，这种作用及过程称为,阻遏,（repression）。,辅阻遏物,（Corepressor）,加入对基因表达有调节作用的小分子后,（二）诱导和阻遏表达,诱导和阻遏在生物界普遍存在，也是生物体适应环境的基本途径。,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,）。,重要性,生物个体正常生长、发育和适应环境的基础,细胞分化是的结果,