【分子生物学】复习九课件

【分子生物学】复习九第八讲原核生物基因表达调控绪论绪论8.1乳糖操纵元乳糖操纵元 lactose operon8.2色氨酸操纵元色氨酸操纵元8.1 乳糖操纵元乳糖操纵元8.1.1 Discovery of Operon 1961年年,F.Jacob&J.Monod提出提出,此后此后不断完善。不断完善。获获19651965年诺贝尔生理学和医学年诺贝尔生理学和医学奖奖乙酰基转移酶乙酰基转移酶半乳糖苷半乳糖苷透性酶透性酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶操作位点操作位点乳糖操纵元结构结构调节基因调节基因8.1.2 酶的诱导现象B-半乳糖苷酶半乳糖苷酶8.1.3 调控机理体外结合竞争实验:阻遏物RNA pol,off RNA pol阻遏物，on2.阻遏状态阻遏状态3 诱导状态诱导状态诱导物诱导物诱导物诱导物诱导作用：在可诱导的操纵元中，诱导作用：在可诱导的操纵元中，加入对基因表达有调节作用的小分加入对基因表达有调节作用的小分子后，开启基因的转录活性子后，开启基因的转录活性 2 CAP的结合对DNA构型的影响DNA弯曲弯曲弯曲点位于弯曲点位于CAP结合位点二重对称的中心结合位点二重对称的中心弯曲使弯曲使CAP能与启动子上的能与启动子上的RNA pol 接触接触SummarySummary of lac operon regulationGlucosecAMPLactoseTranscription of lac mRNAHighLowPresentlow rate of expressionHighLowAbsentessentially noneLowHighAbsentessentially noneLowHighPresenthigh rate of expression8.2 Trp operon生物细胞中的氨基酸合成，生物细胞中的氨基酸合成，也受操纵元的调节。细胞需要某也受操纵元的调节。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。的原则。8.2.2 Trp operon 的阻遏系统1 Trp R 四聚体四聚体8.2.2 Trp operon 的阻遏系统1 Trp R 四聚体四聚体3 阻遏系统主管转录是否启动，主管转录是否启动，在缺乏在缺乏Trp时，时，mRNA起始合成，但不能自动延伸，起始合成，但不能自动延伸，一般在一般在trpE之前终止转录之前终止转录 粗调开关粗调开关8.2.3 弱化作用 attenuation1 弱化子，衰减子，弱化子，衰减子，前导前导RNA，140bp弱化子，弱化子，弱化子，弱化子，衰减子，衰减子，衰减子，衰减子，序列分析发现，其中4个片段进行配对，形成不同的二级结构TerminatorS312POE4321LDNARNAATGTGA2 trp codons14322 前导肽14aa3 3 转转录录弱弱化化作作用用Lack of trp Lack of trp Lack of aminoacyl tRNA Lack of aminoacyl tRNA Ribosome pause at trp Ribosome pause at trp codons,occluding codons,occluding sequence 1sequence 1Form 2:3 hairpin Form 2:3 hairpin anti-terminatoranti-terminatoranti-terminatoranti-terminator Transcription into trpE Transcription into trpE and beyond and beyond 3553The Attenuator When Starved For Tryptophan4123RNAPol.RibosomeHelp,I needTryptophanHigh trp High trp Trp is inserted at Trp is inserted at the trp codons the trp codons Translate to the end of Translate to the end of leader message leader message Ribosome occlude sequence Ribosome occlude sequence 2 2Terminate transcription at Terminate transcription at(3:4 form(3:4 form terminatorterminator)3553The Attenuator When Tryptophan Is Present4123RNAPol.RibosomeRNAPol.弱化子对转录调控的关键空间结构，空间结构，10th and 11th codons encode trp residues (rare AA)时间，核糖体停顿在时间，核糖体停顿在2个个Trp 密码子上时，产生延密码子上时，产生延宕，宕，此时此时4区未转录出来区未转录出来The leader peptide is to determiner trp availability and to regulate transcription termination14amino-acid(encoded by 27-68 of the 14amino-acid(encoded by 27-68 of the leader RNA leader RNA summary8.2.4 阻遏作用与弱化作用的协调 阻遏效率阻遏效率 启动子的转录起始频率在启动子的转录起始频率在R+和和R-相差相差70倍倍 弱化作用弱化作用 trp存在时，约有存在时，约有10的的RNA pol侥幸转录侥幸转录 -trp 活性阻遏物活性阻遏物 无活性阻遏物无活性阻遏物 +trptrptrp操纵子具有双重调节体系？操纵子具有双重调节体系？操纵子具有双重调节体系？操纵子具有双重调节体系？Negativerepressible operonNegativerepressible operon可以被最终合成产物所阻遏可以被最终合成产物所阻遏R P O leading seq.E D C B Atrp+为什么需要阻遏体系？为什么需要阻遏体系？当大量当大量Trp 存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结存在时，阻遏系统起作用。阻遏物与之结合，阻止先导合，阻止先导mRNA合成。合成。经济经济仅有少量仅有少量 trp时，时，RNApol启动，启动，但在但在L.S.处脱落，转录中断处脱落，转录中断R P O leading seq.E D C B A少量少量trp+不足以结合不足以结合 O 位点位点为什么需要弱化系统？为什么需要弱化系统？当当trp浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，浓度低时，阻遏物从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发不能很快引发trp 合成。因此需要一个能快速作出反应的系合成。因此需要一个能快速作出反应的系统，以保持培养基中适当的统，以保持培养基中适当的Trp水平。水平。8.2.5 细菌演化出弱化系统的生物学意义 通过通过tRNA荷载与否进行调控，更为灵敏荷载与否进行调控，更为灵敏 氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而tRNA 荷载为标准进行调控更为恰当荷载为标准进行调控更为恰当 两个调控系统，避免浪费提高效率两个调控系统，避免浪费提高效率 阻遏系统阻遏系统 高水平高水平trp时，不转录时，不转录 低水平低水平trp时，转录至时，转录至LS 弱化系统弱化系统 细调细调 原核生物细致的精细调控机制原核生物细致的精细调控机制增强原核生物对环境的适应性增强原核生物对环境的适应性Organization of Lac Operon and LacIOperonpromoterRibosome initiationThe Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCome on,let me throughNo wayJose!CAPThe Lac Operon:When Glucose And Lactose Are PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great,I can transcribe!Some transcription occurs,but at a slow rateThis lactose has bent me out of shapeThe Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright,Im off to the races.Come on,let me through!Attenuation ControlAttenuation ControlHigh Trp LevelsRibosome proceedsLoop 3/4 forms Transcription terminatesLow Trp LevelsRibosome stallsLoop 2/3 formsTranscription continuesTrp Operon Controlled by AttenuationtrpR P O 1 2 3 4 trpE trpD trp C trp B trpAattenuatorLeaderattenuation can form under certain conditionsbase-pairing can occur between1-2 2-3 3-4Attenuation41High levels of Tryptophan in Celltranscription&translation occur simultaneously in Prokaryotesleader transcript(1)has 2 trp codons(UGGUGG)ribosomes moves fast along transcriptstem-loop 3-4 forms,poly Us afterearly termination of transcription,translation stops (only leader peptide forms -has no function)42Low Levels of Tryptophan in Cellribosome stalls at UGGUGG in leader transcript(1)stem-loop 2-3 forms,no poly U aftertranscription continues43Low Levels of other Amino Acidsribosome stalls way earlystem-loops 1-2&3-4 form,poly U afterearly termination of transcription44The Trp Operon:When Tryptophan Is PresentSTOPRight therePolymeraseTrpTrpRepressorRepressorRepressorPromo.trpDtrpBLead.OperatortrpAtrpCtrpEAten.RNAPol.FoiledAgain!Repressor mRNAHey man,Im constitutive3553Transcription And Translation In ProkaryotesRibosomeRibosome5mRNARNAPol.Met-Lys-Ala-Ile-Phe-Val-AAGUUCACGUAAAAAGGGUAUCGACA-AUG-AAA-GCA-AUU-UUC-GUA-Leu-Lys-Gly-Trp-Trp-Arg-Thr-Ser-STOPCUG-AAA-GGU-UGG-UGG-CGC-ACU-UCC-UGA-AACGGGCAGUGUAUUCACCAUGCGUAAAGCAAUCAGAUACCCAGCCCGCCUAAUGAGCGGGCUUUU Met-Gln-Thr-Gln-Lys-ProUUUU-GAACAAAAUUAGAGAAUAACA-AUG-CAA-ACA-CAA-AAA-CCG trpE.TerminatorThe Trp Leader and Attenuator4123The mRNA Sequence Can Fold In Two Ways4123Terminatorharipin41231概念：操纵元、诱导物、阻遏物、弱化子、正概念：操纵元、诱导物、阻遏物、弱化子、正控制、负控制控制、负控制2请说明乳糖和色氨酸操纵元的调节机制请说明乳糖和色氨酸操纵元的调节机制3葡萄糖葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用哪一种乳糖共同存在时，细菌优先利用哪一种糖，为什么？糖，为什么？4原核生物的转录后调控有哪几中，分别是什么原核生物的转录后调控有哪几中，分别是什么？