第7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,*,*,一、基因表达的概念,基因组,(,genome),全部遗传信息,或整套基因。,基因表达,(gene expression),基因产生蛋白质分子或,RNA,分子的过程。,基因表达调控,(gene regulation,or regulation of gene expression),二、基因表达的方式,（一）,组成性表达,(constitutive expression),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),。,原核生物,：营养状况（,nutritional status）,环境因素（,environmental factor）,高等真核生物,：,激素,水平（,hormone level,）,发育,阶段（,developmental stage,）,法国巴斯德研究所,Jacob,和,Monod,等人,1961,年提出,(lac operon),学说，,1965,年获诺贝尔医学与生理学奖,Jacob,Monod,三、乳糖操纵子,营养条件：无葡萄糖且存在乳糖时启动,（一）,阻遏蛋白的负调控（负控诱导）,操纵子,（,operon,）：核酸分子上调控基因转录活性的基本单元，由,结构基因,（,structural genes,）（编码蛋白）、,操纵区,（,Operator,）（结合调节蛋白）和,启动子,（,Promoter,）（结合,RNA,聚合酶）组成。,promoter,structural genes,operator,启动子 操纵区 结构基因,结构基因：,操纵子中被调控的编,码蛋白质的基因,一个操纵子中含有,2,个以上的结构基因，每个结构基因是一个连续的开放阅读框，各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。转录成,多顺反子,mRNA,，核糖体在合成完第一个编码的多肽后不脱离,mRNA,而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直至合成完这条多顺反子,mRNA,所编码的全部多肽。,乳糖操纵子的组成,lacZ,：,编码,半乳糖苷酶（,-,galactosidase,）,分解乳糖。,lacY,：,编码,-,半乳糖苷透性酶（,permeasae,）,将半乳糖转运到细胞中。,lacA,：,编码,-,半乳糖苷乙酰转移酶（,transacetylase,），把乙酰辅酶,A,上的乙酰基转移到,-,半乳糖,苷上。,乳糖操纵子的组成,启动子,(promoter,P),：是指能被,RNA,聚合酶识别、结合并启动基因转录,的一段,DNA,序列。它们一般长,40-60bp,，含,A-T,较多，某些段落很相似的，有保守性，称为,共有性序列,(consensus sequences),。在,-10bp,附近有,TATAAT,一组共有序列，在,-35bp,处又有,TTGACA,一组共有序列。,操纵区,（,operator,，,O,）：是指能被,调控蛋白特异性结合,的一段,DNA,序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。乳糖操纵子中的操纵区具有回文（,palindrome,）样的对称性一级结构（,-7+28,位，对称轴在,+11,位），能形成十字形的茎环（,stem loop,）构造。不少操纵区都具有类似的对称性序列。,乳糖操纵子的负调控（,I,）,在没有乳糖时，,lac,操纵子处于阻遏状态。此,时,基因在其自身的启动子,Pi,控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白单体,R。R,以同源,四聚体形式与操纵,区,结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子,P,lac,的结合，阻止了基因的转录起,始,。,乳糖操纵子的负调控（,II,）,有乳糖时，乳糖受,半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，与,阻遏物,结合，使,阻遏物,构象变化，,阻遏物,四聚体解聚成单体，失去与,的亲和力，与,解离，基因转录开放,。,1,，,Z,、,Y,、,A,基因的产物由同一条,多顺反子的,mRNA,分子所编码。,2,，该,mRNA分子的,启动子,（,P,）位于阻遏基因（,I,）与操纵区（,O,）之间，不能单独起始,-半乳糖苷酶和透过酶,的高效表达。,3,，,操纵,区,是,DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。,4,，当,阻遏物与操纵,区结合,时，,lac,mRNA的转录起始受到抑制。,5,，,诱导物通过与阻遏物结合,，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。当有诱导物存在时，操纵区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的,转录。,乳糖操纵子,负调控,的主要内容,lac,操纵子的,本底水平表达,阻遏物的结合：异构乳糖,IPTG,透过酶及,-,半乳糖苷酶是乳糖操纵子负控诱导所必需的,葡萄糖对,lac,操纵子的影响,1,，代谢物抑制效应（,catabolite repression,）,2,，,cAMP,与,CRP,（,cAMP receptor protein,）,CAP,（,Catabolite gene activation protein,）代谢分解物基因激活蛋白的正调控,（二）,CAP,的正调控,CAP,以二聚体形式与,DNA,结合，使,DNA,弯曲,90,度,CAP,在不同操纵子中的,DNA,结合位点,operator,CBS,promotor,结构基因,半乳糖,操纵子,阿拉伯糖,操纵子,结构基因,operator,CBS,promotor,乳糖,操纵子,operator,promotor,CBS,结构基因,CBS,：,CAP binding,site,cAMP,含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖供给能量时，,cAMP,含量降低；无葡萄糖时，,cAMP,含量升高。,cAMP,与,cAMP,受体蛋白,CRP,（,cAMP receptor protein,）结合后所形成的复合物,CAP,，并以二聚体的方式与特定的,DNA,序列结合，使转录效率提高,50,倍。,CAP,通过改变启动子的构象以及与,RNA,聚合酶的相互作用,帮助酶分子正确定向,以便与,-10,区结合，起到取代,-35,区功能的作用。使转录效率提高,50,倍,P,lac,是弱启动子，单纯去阻遏使,lac,操纵子转录开放还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有,CAP,来加强转录活性。,CAP,的正调控,四、色氨酸操纵子,营养条件：环境低色氨酸时启动，环境高色氨酸时关闭。,色氨酸操纵子的组成：,结构基因：,trpE,、,D,、,C,、,B,、,A,调控结构：启动子、操纵子、,前导序列,、,弱化子,阻遏物,trpR,基因：与操纵子相距较远,（一）,阻遏蛋白的负调控（负控阻遏）,（二）弱化子,的调控,前导序列,（,leader sequence,）：在第一个结构基因,trpE,与操纵区,trpO,之间有一段,162bp,的,DNA,，编码,14,氨基酸的前导肽，第,10,位和第,11,位相邻的色氨酸密码子。,前导序列的转录物内部有,4,个配对区，彼此都能配对,:1,区,2,区配对、,3,区,4,区配对，能形成两个茎环结构。第二个茎环后紧接寡聚,U,。,茎环结构（,hairpin structure,）,3-4,区配对终止转录,弱化作用,自习：,半乳糖操纵子，阿拉伯糖操纵子,（,p255-263,）,1,，转录水平上的调控（,transcriptional regulation,）,（,1,）转录的起始,-,转录水平调控的主要部位,通过,RNA,聚合酶、转录因子和启动子的相互,作用实现转录调控。,（,2,）转录的终止,2,，转录后水平上的调控（,post-transcriptional regulation,）,四、基因表达调控的层面,转录单元,Most bacterial promoters have 35 and 10 elements,（,consensus sequences,）,Some have UP element,Some lack 35 element,but have extended 10 region,-35 element,-10 element(Pribnow box),UP element,pre 10 element,+1,Transcription start,+1,转录的起始,启动子,(Promoter),转录的起始,RNA,聚合酶,(RNA polymerase),基因,作用,全酶,2,催化,rRNA,、,tRNA,和,mRNA,的合成的起始,核心酶,2,延伸,rpoA,酶的组装，解旋与再螺旋,rpoB,酶催化中心,rpoC,酶催化中心,rpoD,识别特异启动子,大肠杆的的,RNA,聚合酶：由,5,个亚基组成，即,2,，有时还有,2,个,亚基。以,2,组成的酶称全酶。,亚基与其他亚基结合较松弛，易从全酶（,holoenzyme,）上解离；其余部分,2,称为核心酶,(core enzyme),大肠杆菌,RNA,聚合酶,原核生物转录起始,s,因子,功能：识别启动子、起始转录,E.coli,中存在多种,s,因子,大部分基因的表达需要,s,70,特定条件下需要不同的,s,因子,s,54,：氮源利用,s,32,：热休克,s,因子功能,s,70,promoters in,E.coli,The 35 and 10 sequences of individual,s,factors are conserved(yellow boxes),The spacer sequence between 35 and 10 is not conserved,but the spacer length is 17,1 bp,The 3D structure of bacterial RNA polymerase holoenzyme,N-term,s,1,Inhibition,s,2,-10 binding,s,3,-10 binding,s,4,-35 binding,sfactor domains:,s,3,启动子调节,抑制（,I,）,空间构象阻碍：,lac,operon,，,trp,operon,抑制开放型复合物的形成、启动子清除等,DNA binding domain,Tetramerization helix,Core N subdomain,Core C subdomain,Inducer binding pocket,Hinge helix,乳糖操纵子阻遏蛋白单体,-82,+11,lac repressor,-35,-10,-82,+11,乳糖操纵子阻遏蛋白四聚体,(IPTG),IPTG,的诱导作用,anti-,s,factor,-35 -10,RNAP,s,RNAP,s,anti-,s,启动子调节,抑制（,II,）,-35 -10,Anti-activation,：,抑制分子去除激活分子的效应,weak promoter,+1,weak promoter,ABS,+1,ABS,RNA pol-,s,Activator,RNA pol-,s,Activator,Repressor,Activator binding sequence,启动子调节,抑制（,III,）,启动子调节,激活（,I,）,CAP,结合于启动子上游，有利于形成稳定的开放型启动子,-RNA,聚合酶结构,激活分子的结合,s,54,s,54,ATP,ATP+P,i,启动子调节,激活（,II,）,RNA,聚合酶激活,启动子调节,激活（,III,）,启动子激活：,MerR activated promoters,TPP,结合的,BmrR,激活转录，而,BmrR,则不能,转录的终止,终止子,(terminator),终止子,(terminator),DNA,上提供转录停止信号的一段序列称为终止子，是一个基因的末端或是一个操纵子的末端的一段特定序列。,强终止子：不依赖于,Rho,因子,弱终止子：依赖于,Rho,因子才能实现终止作用,终止序列的特点：,1,）回文结构（转录的,mRNA,形成茎环状的发夹结构）；,2,）回文结构富含,G-C,；,3,）回文序列的下游常有,68,个,AU,对,依赖子,因子的终止子回文序列中,GC,对含量较少，回文序列下方没有固定结构，其,AU,对含量也较低，因而是弱终止子，必需有,因子存在时才发生终止作用。,强终止子,弱终止子,抗终止作用,(anti,一,termination),因子的作用可以被抗终止因子所抵消，这样，,RNA,聚合酶便可通过终止子,(,依赖于,因子的,),继续转录后面的基因。,噬菌体的时序控制,噬菌体基因在裂解过程中的表达分前早期、晚早期和晚期,3,个阶段进行，其早期基因与晚期基因以终止子相隔。,自习：,转录后水平上的调控（,p272-278,）,五、细菌的应急反应,应急反应：,细菌有时会碰到紧急状况，比如全面的氨基酸饥饿时，细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种,RNA,、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。,严紧反应,(stringent response),：,细菌在饥饿条件下，缺乏足够的氨基酸使得蛋白质合成受阻时，将关闭大量的代谢过程。抵御不良条件，保存自己的一种机制。,应急反应的信号：,鸟苷四磷酸（,ppGpp,）和鸟苷五磷酸（,pppGpp,）（,魔斑核苷酸,）,魔斑核苷酸产生的诱导物：空载,tRNA,严紧控制因子（,stringent factor,，,SF,）：,rel A,基因,ppGpp,与,pppGpp,超级调控因子,根据氨酰,tRNA,的存在与否，核糖体重新进行多肽合成，或发生另一次无效反应,