原核基因表达调控.pptx

色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构 调控基因调控基因 结构基因结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸催化分枝酸转变为色氨酸 的酶的酶trpRtrp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 7.3.1 色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的阻遏系统1.色氨酸操纵子色氨酸操纵子(tryptophane operon)负责色氨酸的生物合成。当培养基中有负责色氨酸的生物合成。当培养基中有足够足够的色氨酸的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，时，这个操纵子自动关闭，缺乏色缺乏色氨酸氨酸时操纵子被打开，时操纵子被打开，trp基因表达，色氨基因表达，色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程中酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程中起作用。起作用。这个系统的效应物是这个系统的效应物是色氨酸，色氨酸，是是try操纵子操纵子所编码的生物合成途径的末端终产物。所编码的生物合成途径的末端终产物。2.色氨酸的合成色氨酸的合成色氨酸的合成分色氨酸的合成分5步完成。每个环节需要步完成。每个环节需要一种酶，编码这一种酶，编码这5种酶的基因紧密连锁在种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子一起，被转录在一条多顺反子mRNA上，上，分别以分别以trpE-邻氨基苯甲酸合成酶邻氨基苯甲酸合成酶trpD-邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶trpC-邻氨基苯甲酸异构酶邻氨基苯甲酸异构酶trpB-色氨酸合成酶色氨酸合成酶trpA-吲哚甘油吲哚甘油-3-磷酶合成酶磷酶合成酶细菌中的细菌中的色氨酸生物合成色氨酸生物合成途径途径 3.色氨酸操纵子色氨酸操纵子(trp)结构结构 包括包括:调节基因（调节基因（R）启动子启动子 （P）操纵基因（操纵基因（O）引导序列（引导序列（L）及弱化子及弱化子a 结构基因（结构基因（E、D、C、B、A）大肠杆菌中的色氨酸操纵子大肠杆菌中的色氨酸操纵子大肠杆菌中的色氨酸操纵子组成和功能大肠杆菌中的色氨酸操纵子组成和功能trp 操纵子操纵子O的结构的结构trp trp 操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统低低TrpTrp时：时：阻遏物不结合阻遏物不结合操纵基因操纵基因;高高TrpTrp时：时：阻遏物阻遏物+Trp +Trp 结合操纵基因结合操纵基因7.3.2 弱化子与前导肽弱化子与前导肽1.弱化子弱化子：在负控阻遏系统调节的基因中，起终止转录信号作用的一段核苷酸片段，称为弱化子弱化子。DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150区）。弱化子调控弱化子调控是转录调控中的微调控（或细调控）。在这个系统中，酶的浓度根据氨基酸浓度的变化而受调节。弱化子弱化子 1231502.前导肽与前导序列前导肽与前导序列前导肽前导肽是前导序列产生的一个含是前导序列产生的一个含14个氨基个氨基酸的多肽。酸的多肽。前导肽对应的前导肽对应的mRNA序列为序列为前导序列前导序列。前导序列前导序列在在trp mRNA5/端端trpE基因的起始基因的起始密码前有一段长密码前有一段长162bp的片段，称为的片段，称为前导区。前导区。前导序列和前导肽结构前导序列和前导肽结构3.mRNA前导区分析前导区分析前导序列结构特点前导序列结构特点易形成茎环结构，有易形成茎环结构，有8个个U的的终止信号序列终止信号序列1和和2区形成第二个区形成第二个发夹结构发夹结构3和和2也形成也形成发夹结发夹结构构有前导肽有前导肽有二个相邻色氨酸密码子（有二个相邻色氨酸密码子（UGGUGG)前导序列：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。前导序列的二级结构与衰减子构象前导序列的二级结构与衰减子构象第第1种构象：较稳定构象，在离体条件下存在。种构象：较稳定构象，在离体条件下存在。特征：特征：1区和区和2区配对；区配对；3区和区和4区配对，为区配对，为衰减子构象衰减子构象。此种构象的衰减子使后面转录此种构象的衰减子使后面转录提前结束提前结束。第第2种构象：在细胞内和离体均存在。种构象：在细胞内和离体均存在。特征：特征：2区和区和3区配对；区配对；此种构象可此种构象可RNA聚合酶聚合酶继续转录继续转录。前导序列二级结构前导序列二级结构前导序列前导序列二级结构二级结构与衰减子与衰减子构象构象 4.转录的弱化作用转录的弱化作用-衰化机制衰化机制（1）trp饥饿饥饿-抗衰减作用，即转录继续进行。抗衰减作用，即转录继续进行。当当无色氨酸无色氨酸存在时，存在时，核糖体核糖体在在1区内的区内的trp密密码子位置停顿相当长时间，码子位置停顿相当长时间，1区处于核糖体覆盖区处于核糖体覆盖之下，不能同之下，不能同2区作碱基配对。但区作碱基配对。但2区和区和3区就可区就可以有碱基配对，迫使以有碱基配对，迫使4区处于单链形式，不能形区处于单链形式，不能形成二级结构的终止信号，结果成二级结构的终止信号，结果RNA聚合酶就穿聚合酶就穿过衰减子区继续转录进程。过衰减子区继续转录进程。trp饥饿饥饿-抗衰减抗衰减作用作用 （2）非非trp饥饿饥饿-转录终止转录终止 当当有色氨酸有色氨酸存在时，核糖体能合成前导存在时，核糖体能合成前导肽。肽。核糖体核糖体伸展到伸展到2区，阻碍区，阻碍1区与区与2区的区的碱基配对，但碱基配对，但3区和区和4区可以进行碱基配区可以进行碱基配对，产生终止信号，结果对，产生终止信号，结果RNA聚合酶就聚合酶就在衰减子区停止转录。在衰减子区停止转录。非非trp饥饿饥饿-转录终转录终止止弱化子的弱化作用机制弱化子的弱化作用机制前导肽前导肽转录终止结构转录终止结构小结小结：trp操纵子弱化机制操纵子弱化机制7.3.3 trp操纵子弱化机制的实验证据操纵子弱化机制的实验证据研究方法：前导区的调节作用证据细菌中为什么要有弱化子系统呢？细菌中为什么要有弱化子系统呢？一种可能是阻遏物从有活性向无活性的转变速度极低，需要有一个能更快地做出反应的系统，以保持培养基中适当的色氨酸水平。或者，弱化子系统主要是对外源色氨酸浓度做出反应。外源色氨酸浓度很低的信号虽然足以引起trp操纵子的去阻遏作用，但是这个信号还不足以很快引发内源色氨酸的合成。在这种环境下，弱化子就通过抗终止的方法来增加trp基因表达，从而提高内源色氨酸浓度。那么为什么还要有阻遏体系呢？那么为什么还要有阻遏体系呢？目前认为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!总结！总结！trp操纵子调控操纵子调控 trp操纵子调控方式：操纵子调控方式：1、粗调控粗调控-阻遏作用阻遏作用 即启动子即启动子-操纵基因系统受操纵基因系统受阻遏蛋白阻遏蛋白的负的负调控调控。信号信号是细胞内的色氨酸的多少。是细胞内的色氨酸的多少。2、细调控细调控-弱化作用弱化作用 核糖体对核糖体对mRNA前导序列前导序列L中弱化子的结中弱化子的结合对转录终止进行调控。合对转录终止进行调控。信号信号是细胞内载有是细胞内载有色氨酸的色氨酸的tRNA的多少。的多少。其它氨基酸饥饿对其它氨基酸饥饿对trp弱化子的作用弱化子的作用1、甘氨酸饥饿甘氨酸饥饿时，核糖体停留在前导序列的甘氨酸时，核糖体停留在前导序列的甘氨酸密码子密码子GGU上，上，trp操纵子不能表达。操纵子不能表达。2、苏氨酸饥饿苏氨酸饥饿时，核糖体停留在前导序列的甘氨酸时，核糖体停留在前导序列的甘氨酸密码子密码子AUC上，上，trp操纵子不表达。操纵子不表达。3、精氨酸缺乏精氨酸缺乏时，与时，与trp饥饿相同，饥饿相同，RNA聚合酶可聚合酶可以继续转录。以继续转录。衰减作用的普遍性衰减作用的普遍性存在衰减作用的调控十分普遍。存在衰减作用的调控十分普遍。大肠杆菌的大肠杆菌的trp、val、phe、thr、leu；沙门氏菌的沙门氏菌的his、leu、嘧啶合成等嘧啶合成等；7.3.4trp操纵子的其他调控机制操纵子的其他调控机制大肠杆菌大肠杆菌trp操纵子与枯草埃希菌操纵子与枯草埃希菌trp操纵子比较操纵子比较7.4 7.4 其他操纵子其他操纵子7.4.1半乳糖操纵子(galactose operon)(galactose operon)异构酶异构酶(galE)乳糖乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)半乳糖激酶半乳糖激酶(galk)。7.4 其他操纵子的调控机制其他操纵子的调控机制7.4.1 半乳糖操纵子半乳糖操纵子大肠杆菌半乳糖操纵子(galactoseoperon)包括3个结构基因：异构酶异构酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，半乳糖半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactosetransferase,galT)，半乳糖激酶半乳糖激酶(galactosekinase,galk)。这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。gal操纵子操纵子gal操纵子操纵子lac操纵子操纵子ara操纵子比较操纵子比较gal操纵子的特点操纵子的特点：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-67-53，另一个在结构基因galE内部。7.4.2 阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖(arabinose)是另一个可以为代谢提供碳源的五碳五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因：araB、araA和araD，分别编码3个酶：araB基因编码核酮糖激酶核酮糖激酶(ribulokinase)，araA编码L-阿拉伯糖异构酶阿拉伯糖异构酶(L-arabinoseisomerase)，araD编码L-核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸-4-差向异构酶差向异构酶(L-ribulose-5phosphate-4epimerase)。与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因araC，这个AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。AraBAD和araC基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上，araBAD基因簇从启动子PBAD开始向左进行转录，而araC基因则是从Pc向右转录。araara操纵子的调控有两个特点：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。这种双重功能双重功能是通过AraC蛋白的两种异构体来实现的（Pi和Pr)。1.AraC蛋白的正负调节作用蛋白的正负调节作用AraC蛋白蛋白作为PBAD活性正、负调节因子的双重功能是通过该蛋白的两种异构体来实现的。Pr是起阻遏作用的形式，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，而Pj是起诱导作用的形式，它通过与PBAD启动子结合进行调节。在没有阿拉伯糖时在没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势；一旦有阿拉一旦有阿拉伯糖存在伯糖存在，它就能够与AraC蛋白结合，使平衡趋向于Pi形式。这样，阿拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与Pr的结合，使Pr离开它的结合位点，然后，产生大量的Pi，并与启动子结合。2.AraC蛋白的两种形式蛋白的两种形式3.营养状况对ara操作子的影响7.4.3 7.4.3 阻遏蛋白阻遏蛋白LexALexA的降解与细菌中的的降解与细菌中的SOSSOS应答应答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7.4.4二组分调控系统与信号传导二组分调控系统：由两种不同蛋白质组成。（1）膜上传感蛋白；（2）细胞质中的应答调节蛋白；7.4.5 多启动子调控的操纵子多启动子调控的操纵子I rRNA操纵子操纵子大肠杆菌rRNA操纵子（rrnE）上有两个启动子，P1和P2。P1是强启动子，营养充沛时，由P1起始的转录产物比由P2起始的转录产物高3-5倍。当营养匮乏时，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。II.核糖体蛋白核糖体蛋白SI操纵子操纵子核糖体蛋白SI操纵子（rpsA），它也受应急反应调节。RpsA有4个启动子，P1、P2是强启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表达，合成SI蛋白。P3、P4是弱启动子，只有在紧急情况下，P1、P2启动子受ppGpp的抑制，由P3、P4起始合成的SI蛋白维持了生命的最低需要。III.Dna Q蛋白操纵子蛋白操纵子DnaQ蛋白是DNA聚合酶全酶的亚基之一，其主要功能是校正DNA复制中可能出现的错误。在RNA聚合酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子P2控制；而RNA聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子P1。7.5固氮基因调控（自学）7.6 转录水平上的其他调控方式转录水平上的其他调控方式转录过程的调控是生物基因表达调节最有效的方式，体现在任一过程。转录起始阶段的调控包括：不同因子的选择性使用，操纵子调控。7.6.1 因子的调节作用因子的调节作用因子的调节作用：独立作用和交互作用因子活性调控：1、被蛋白水解酶的调控2、能被同源的抗因子失活，阻止与RNA聚合酶核心酶组装举例举例：革兰氏阳性菌形成孢子-4种因子P270图7.6.2 组蛋白类似蛋白的调控作用组蛋白类似蛋白的调控作用细菌体内的非特异性细菌体内的非特异性DNA结合蛋白是结合蛋白是：组蛋白类似组蛋白类似蛋白蛋白举例举例：细菌的：细菌的H-NS蛋白蛋白-结构特点：结构特点：2个结构域：个结构域：DNA结合结构域，蛋白结合结构域，蛋白-蛋白相互作用蛋白相互作用结构域。结构域。作用作用：1、维持、维持DNA的高级结构，形成多聚体；的高级结构，形成多聚体；2、可与大肠杆菌基因组上大量分散基因调控区结、可与大肠杆菌基因组上大量分散基因调控区结合，抑制基因转录。合，抑制基因转录。7.6.3 转录调控因子的作用转录调控因子的作用转录调控因子转录调控因子是指能够与基因的启动子区相结合，对基因的转录起激活或抑制作用的DNA结合蛋白。大多数是序列特异性结合蛋白结合蛋白。作用作用：有的能调控大量基因的表达，有的仅调控1-2个基因的表达。举例举例：转录调控因子CRP、ArcA调控50%的表达；也有60个转录因子调控2个启动子；7.6.4 抗终止因子的调控作用抗终止因子的调控作用抗终止因子抗终止因子是能够在特定位点阻止转录终止的一类蛋白质。当这些存在时，RNA聚合酶能够越过终止子，继续转录DNA。这种调控主要在噬菌体和少数细菌这种调控主要在噬菌体和少数细菌中中，当RNA聚合酶到终止子之前与RNA聚合酶结合，只有与抗终止抗终止因子结合因子结合的的RNA聚合酶才能顺利通过具有茎环结构的终止子，使转录继续进行。P271图举例举例：大肠杆菌的抗终止子的蛋白：Nus蛋白转录的起始和终止过程中，RNA聚合酶分别受到因子因子和NusA蛋白蛋白的调控。7.7.1mRNA自身结构自身结构元件对翻译起始的调节7.7.2mRNA稳定性稳定性对转录水平的影响7.7.3调节蛋白调节蛋白的调节作用7.7.4反义反义RNA的调节作用7.7 转录后调控转录后调控7.7.1mRNA自身结构自身结构元件对翻译Q起始的调节1、翻译起始于核糖体的30S亚基对mRNA上上起始密码的识别起始密码的识别。AUG的识别的识别有有fMet-t RNA中的中的UAC完成配对。完成配对。原核生物的起始密码子使用原核生物的起始密码子使用AUG 常用常用GUG 14%，与，与fMet-t RNA中的中的UAC配对弱配对弱UUG 3%，与，与fMet-t RNA中的中的UAC配对弱配对弱AUU2、mRNA上上的核糖体结合位点的核糖体结合位点（RBS)与与SD序序列列结合强度及起始密码结合强度及起始密码AUG的距离的距离。SD与与AUG之间之间距离距离4-10个核苷酸，个核苷酸，9个最佳。个最佳。3、mRNA的二级结构的二级结构对翻译起始的调控。对翻译起始的调控。SD序列的微小变化影响序列的微小变化影响mRNA的二级结构。的二级结构。7.7.2.mRNA稳定性稳定性对转录水平的影响细菌的mRNA半衰期半衰期2-3分钟分钟。mRNA的降解的降解取决于二级结构取决于二级结构。举例：举例：大肠杆菌的大肠杆菌的CsrAB系统系统CsrA是是RNA结合蛋白，结合蛋白，CsrB是非编码的是非编码的RNA分子。分子。7.7.3调节蛋白调节蛋白的调节作用mRNA上上的的结合蛋白结合蛋白和和特异性抑制蛋白特异性抑制蛋白，可通，可通过与核糖体的竞争性结合来过与核糖体的竞争性结合来抑制抑制翻译起始。翻译起始。举例：大肠杆菌中核糖体蛋白举例：大肠杆菌中核糖体蛋白 P274图图7.7.4反义反义RNA的调节作用RNA调节调节是原核生物基因表达转录后调节的重要机制。细菌受环境影响会产生一宿非编码的小RNA。小RNA作用：能与mRNA上上特定序列结合配对特定序列结合配对并并改变改变mRNA的构象，导致翻译被开启货关闭，的构象，导致翻译被开启货关闭，也可能导致目标也可能导致目标mRNA快速降解快速降解。举例：细菌铁蛋白举例：细菌铁蛋白7.7.5稀有密码子对翻译的影响大肠杆菌DNA聚合酶的RNA引物引物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细胞需要数量：50个拷贝的dnaG蛋白、2800个拷贝的rpoD和40000个拷贝的rpsU几种蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较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37621亚基26740DnaG蛋白363232结论：细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻子的基因翻译过程容易受阻，影响影响了蛋白质合成的总量总量。7.7.6 重叠基因重叠基因对翻译的影响对翻译的影响重叠基因重叠基因最早在大肠杆菌噬菌体大肠杆菌噬菌体X174中发现，用不同的阅读方式得到不同的蛋白质，丝状RNA噬菌体、线粒体DNA和细菌染色体上都有重叠基因存在。Trp操纵子操纵子由5个基因（trpE、D、C、B、A）组成，在正常情况下，操纵子中5个基因产物是等量的，但trpE突变突变后，其邻近的trpD产量比下游的trpBA产量要低得多。这种与蛋白无关的表达调控，已被证实是在翻译水平上的调控。大肠杆菌噬菌体大肠杆菌噬菌体X174重叠基因对翻译的影响重叠基因对翻译的影响TrpBTrpB 谷氨酸-异亮氨酸-终止 GAA -AUC -UGA-UGG-AA AUG-GAA 甲硫氨酸 谷氨酸trpAtrpEtrpE苏氨酸苯丙氨酸终止 ACU -UUC -UGA -UGG -CU AUG AUG GCU 甲硫氨酸-丙氨酸-trpD 翻译终止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。7.7.7翻译的阻遏大肠杆菌大肠杆菌RNA噬菌体噬菌体Q复制酶复制酶可作为翻译阻遏物进行调节。7.7.8 魔斑核苷酸水平对翻译的影响魔斑核苷酸水平对翻译的影响魔斑核苷酸魔斑核苷酸：鸟苷四磷酸（ppGpp）和五磷酸（pppGpp）产生产生：GTP是鸟苷四磷酸（ppGpp）和五磷酸（pppGpp）前体。GTP+ATPpppGpp+AMPppGppppGpp的主要作用：的主要作用：可能是影响RNA聚合酶与启动子结合的专一性，从而成为细胞内严紧控制的关键。当细胞缺乏氨基酸时当细胞缺乏氨基酸时产生产生ppGpp，可在很大范围内做出应急反应应急反应，如-抑制抑制核糖体和其他大分子的合成，活化活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化活化蛋白水解酶蛋白水解酶等。本章小结7.1 总论总论7.2 乳糖操纵子与负控诱导系统（重点）乳糖操纵子与负控诱导系统（重点）7.3 色氨酸操纵子与负控阻遏系统（重点）色氨酸操纵子与负控阻遏系统（重点）7.4 其他操纵子的调控机制其他操纵子的调控机制7.5 固氮基因调控固氮基因调控（自学）（自学）7.6 转录水平其他调控转录水平其他调控7.7 转录后调控转录后调控第七章复习题1、解释名词：（1）基因表达与基因表达调控（2）正调控与负调控（3）诱导物与阻遏物（4）弱化子（5）葡萄糖效应（6）魔斑核苷酸复习题2、原核生物基因表达调控的类型和特点有哪些？3、简述乳糖操纵子的结构及基因表达调控的分子机制。4、简述色氨酸操纵子的结构及基因表达调控的分子机制。