第七章原核生物表达调控文稿教学课件

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,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,第七章原核生物表达调控文稿演示,顺式作用元件,：对基因表达有调节活性的,DNA,序列,，其活性只影响与其自身同处在一个,DNA,分子上的基因；,反式作用因子,：,通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达,基因表达的调控主要通过,反式作用因子（通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常在,DNA,上）,相互识别、,相互作用而实现,。,1.1 基因表达：储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。,基因表达调控,：对基因表达过程的调节。,生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控,:,组成性表达,(constitutive expression),适应性表达(adaptive expression）,1.2 基因表达的方式,1.,2.1,组成性表达：,指不大受环境变动而变化的一类基因表达。,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),。,维持细胞最低限度功能所不可少的基因。,如编码组蛋白基因、编码核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因、糖酵解酶的基因等。,1.2.2,适应性表达,指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。,诱导,(induction)：,应环境条件变化基因表达水平增高的现象，这类基因被称为可诱导的基因,(inducible gene),；,阻遏,(repression),：随环境条件变化而基因表达水平降低的现象相应的基因被称为可阻遏的基因,(repressible gene),。,1.3 基因表达的规律 时间性和空间性,基因表达的组织特异性,-,空间特异性,：在个体生长过程中，各个组织只合成自身结构和功能所需蛋白。,不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同。,基因表达的阶段特异性,-,时间特异性,：细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的。,某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生,。,1.4 基因表达调控的生物学意义,适应环境、维持生长和增殖,（原核、真核）,维持个体发育与分化,（真核 ）,生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的，尽管现在对调控机理的奥妙所知还不多，但已经认识到：,不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。,1.5 原核生物基因表达调控环节：, 转录水平上的调控；, 转录后水平上的调控：,mRNA,加工成熟水平上的调控 ；,翻译水平上的调控 。,2 基本概念,2.1 结构基因和调控基因,2.2 操纵基因,2.3 启动子和终止子,2.4 顺式作用元件和反式作用因子,2.5 转录因子,2.1 结构基因和调控基因,结构基因,（structural gene）,：编码蛋白质或RNA的任何基因。,原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。,调控基因,（,regulator gene,）,：参与其他基因表达调控的,RNA,或蛋白质的编码基因。,其编码产物与,DNA,上的特定位点结合调控基因表达。,2 基本概念,Promoter,Gene 1,Gene 2,Gene 3,Terminator,Promoter,Gene,调控基因,调控蛋白,影响结构基因的表达,2.2 操纵基因,操纵基因（operator gene，O）：调控蛋白特异性结合的一段DNA序列；调控蛋白结合在操纵基因的序列上，会影响其下游基因转录的强弱：,调控基因,调控蛋白,影响结构基因的表达,负性调控：调控蛋白结合在操纵基因的序列上，减弱或阻止其调控基因转录，相应的调控蛋白称为阻抑蛋白；,正性调控：调控蛋白结合在操纵基因的序列上，增强或启动其调控基因转录，相应的调控蛋白称为激活蛋白。,2.3 启动子和终止子,启动子 (promoter, P) ：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。,终止子(terminator, T) ：给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。,2 基本概念,2.1 结构基因和调控基因,2.2 操纵基因,2.3 启动子和终止子,2.4 顺式作用元件和反式作用因子,2.5 转录因子,2.4 顺式作用元件和反式作用因子,顺式作用元件(,cis-acting element,) ：对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；,通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中，,如启动子、终止子、操纵基因等。,调控基因,反式作用因子,(,trans-acting factor,),：,通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达,其编码基因与其识别或结合的靶序列不在同一个,DNA,分子上。,如调控蛋白、转录因子等,。,调控基因,调控蛋白,影响结构基因的表达,2.5 转录因子,转录因子：转录起始过程中，RNA聚合酶所需要的辅助因子。,转录因子是参与正调控的反式作用因子。在无转录因子时，RNA聚合酶不能起始转录。,转录因子通常识别位于基因上游启动子附近的顺式作用元件。,RNA pol II,TFIID,TAFs,TBP Pol III,启 动 子,TFIIIB TFIIIC,TBP RNA pol III,Pol I,启 动 子,RNA pol I,SL1,UBF1,TBP Pol II,启 动 子,转录起始点,TATA,基因表达的调控主要通过,反式作用因子（通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常在,DNA,上）,相互识别、,相互作用而实现,。,顺式作用元件,转录因子,反式作用因子,调控基因,RNA polymarase,启动子,第一节 概述,第二节 操纵子,第三节,转录后加工的调控,第四节,翻译水平的调控,第二节 操纵子,1 乳糖操纵子(lac operon)的结构,2 乳糖操纵子的调控机制,2.1,阻抑蛋白的负性调控,2.2 阻抑蛋白的作用机制,2.3 分解代谢产物阻抑作用的正调控,3,色氨酸操纵子,4 正调控系统和负调控系统,1 乳糖操纵子(lac operon)的结构,发现：1940年Monod：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌才利用乳糖繁殖增长；,1961,年，,法国人,Jacob & Monod,提出,乳糖操纵子,学说,。,获,1965,年诺贝尔生理学和医学奖。,Francis Jacob,Jacques Monod,外周胞质,乳糖,细胞内面,乳糖,透(性)酶,透(性)酶,半乳糖苷酶,葡萄糖,半乳糖,内膜,操纵子的结构组成：,结构基因群: Z Y A,启动子: P,操纵基因：O,调控基因: I,终止子: T,T,操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。,第二节 操纵子,1 乳糖操纵子(lac operon)的结构,2 乳糖操纵子的调控机制,2.1,阻抑蛋白的负性调控,2.2 阻抑蛋白的作用机制,2.3 分解代谢产物阻抑作用的正调控,3,色氨酸操纵子,4 正调控系统和负调控系统,1,阻抑蛋白的负性调控,-,半乳糖苷酶,降解,乳糖,为葡萄糖和半乳糖；,葡萄糖,作为细胞的能源和碳源，,半乳糖,可被另外的酶系统转变为葡萄糖。,调控基因,1.1 可诱导的负性调控乳糖操纵子调控方式；,诱导物（inducer）：作用于调控蛋白-阻抑蛋白，引起诱导发生的小分子物质。,1.2 Lac操纵子的本底水平表达,诱导物先要越膜才能与阻遏蛋白结合,由乳糖被,-,半乳糖苷酶降解产生的,异构乳糖才是真正的诱导物,。,问题：,预先存在,-,半乳糖苷酶和透过酶吗？,非诱导条件下,Lac,操纵子微量表达。,原因：,阻抑蛋白对操纵基因的结合不是绝对紧密。,安慰诱导物：,如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基- D-硫代半乳糖苷）。,第二节 操纵子,1 乳糖操纵子(lac operon)的结构,2 乳糖操纵子的调控机制,2.1,阻抑蛋白的负性调控,2.2 阻抑蛋白的作用机制,2.3 分解代谢产物阻抑作用的正调控,3,色氨酸操纵子,4 正调控系统和负调控系统,阻抑蛋白的结构和功能,阻抑蛋白与特异,DNA,（操纵基因）的结合位点,阻抑蛋白对,DNA,的特异结合作用,阻抑蛋白对,RNA,聚合酶的影响,2 阻抑蛋白的作用机制,N,端,1,59aa,头部片段,HTH,，,与操纵基因,DNA,的大沟结合；,2,个核心区：每个有,6,个,折叠，诱导物结合在两个核心区之间的裂缝中；,C,端,为一组,a-,螺旋,2.1,阻抑蛋白的结构和功能的关系,核心结构域1,核心结构域2,HTH,铰链区,头部,尾部聚合,4个亚基的核心片段接触形成四聚体,2.2,阻抑蛋白与特异DNA（操纵基因）的结合位点,操纵基因的对称序列,对称轴：+11,2.3 阻抑蛋白对DNA的特异结合作用：,非诱导条件下，阻抑蛋白都结合在,DNA,上，特异位点的亲和力高，非特异位点的亲和力低。,诱导物的加入改变了阻抑蛋白的分布。,2.4,阻抑蛋白对,RNA,聚合酶的影响,阻抑蛋白和,RNA,pol,可同时与,DNA,结合；,阻抑蛋白存在增强了,RNA,pol,的结合：,RNA,pol,与启动子结合的平衡常数,1.9X10,7,；,有,阻抑,蛋白时，,2.5X10,9,。,虽然阻抑蛋白存在使得,RNA,pol,不能转录。但加入诱导物后，释放出,阻抑,蛋白，,闭合复合体变成为开放复合体，立即起始转录。,阻抑蛋白结合区,操纵基因和启动子的相对位置关系,第二节 操纵子,1 乳糖操纵子(lac operon)的结构,2 乳糖操纵子的调控机制,2.1,阻抑蛋白的负性调控,2.2 阻抑蛋白的作用机制,2.3 分解代谢产物,CAP,的正调控,3,色氨酸操纵子,4 正调控系统和负调控系统,2. 3,CAP对,乳糖操纵子的正调控作用,2.3.1 CAP (分解代谢物激活蛋白，catobolite gene activatorin protein) ：,由,cap,编码，,结合cAMP后成为有活性的,CAP；,cAMP：分解代谢产物，其,含量与葡萄糖的分解代谢有关：,cAMP-CAP复合物对lac操纵子的正调控,葡萄糖效应：葡萄糖的存在降低了cAMP的量，不能形成cAMP-CAP复合物，操纵子关闭,2.3.2 CAP的作用机制,（1）CAP,以两种方法来激活转录：,a 可能直接CAP作用于RNA pol a亚基，,b 作用于DNA，改变其结构，从而帮助RNA Pol结合。,（2）,CAP结合位点,结合位点22bp I -70 -50,II -50 -40,CAP为二聚体， 45KD ，被cAMP激活,2.3.3,CAP,存在原因：,由于,pLac,是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使,lac,操纵元转录开放，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，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。,乳糖,第二节 操纵子,1 乳糖操纵子(lac operon)的结构,2 乳糖操纵子的调控机制,2.1,阻抑蛋白的负性调控,2.2 阻抑蛋白的作用机制,2.3 分解代谢产物,CAP,阻抑作用的正调控,3,色氨酸操纵子,4 正调控系统和负调控系统,3,色氨酸操纵子,3.1,色氨酸,trp,操纵子,的,结构,1） 阻抑蛋白的负调控,3.2,trp操纵子的双重调控体系,辅阻遏物,当缺乏色氨酸时,该操纵子开放表达,阻遏物,当存在色氨酸时，该操纵子关闭,可阻抑的负调控- trp操纵子,阻抑蛋白,的阻遏能力低，是,LacR,的1/,1000,；,辅阻遏物,(,corepressor,),：,作用于阻抑蛋白，引起基因表达阻抑的小分子物质。,诱导物,（,inducer,）：作用于调控蛋白,-,阻抑蛋白，引起诱导发生的小分子物质。,效应物,（,effector,）：在操纵子系统中某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录的影响的特定物质。,2） 弱化作用/衰减作用,当色氨酸达到一定浓度，但还没有高到能够活化阻抑蛋白使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。,弱化子,前导序列 trp L (leader sequence) :在trp mRNA 5端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。起着随色氨酸浓度升高降低转录的作用；,弱化子(attenuator) ：也称内部终止子， DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150bp）。,弱化作用(attenuation) ：弱化子控制RNA聚合酶通读弱化子能力的调控机制。,高色氨酸,为什么需要阻遏体系？,当大量,Trp,存在时，阻遏系统起作用。阻抑蛋白与之结合，阻止先导,mRNA,合成。,为什么需要弱化系统？,当,trp,浓度低时，阻抑蛋白从有活性变为无活性，速度极慢，不能很快引发,trp,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,Trp,水平。,两个调控系统，避免浪费提高效率；,阻遏系统,高水平,trp,时，不转录,低水平,trp,时，转录至前导序列,弱化系统,细调,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,第二节 操纵子,1 乳糖操纵子(lac operon)的结构,2 乳糖操纵子的调控机制,2.1,阻抑蛋白的负性调控,2.2 阻抑蛋白的作用机制,2.3 分解代谢产物,CAP,阻抑作用的正调控,3,色氨酸操纵子,4 正调控系统和负调控系统,5 正调控系统和负调控系统,操纵子调控系统的基本类型：,负性调控：,减弱或阻止其调控基因转录，,可诱导,负调控系统,可阻遏,负调控系统,正性调控：,增强或起动其调控基因转录，,可诱导,正调控系统,可阻遏,正调控系统,乳糖,第一节 概述,第二节,操纵子,第三节 转录后加工的调控,第四节,翻译水平的调控,第三节 转录后加工的调控,1 经,mRNA,切割进行的调控,原核生物的,mRNA,很少经过加工，少数情况下多顺反子,mRNA,先被内切酶切成较小的单位再作为翻译的模板。,rpIL,(L7),2,通过切割释放原核,rRNA,大肠杆菌的rRNA：16S，23S和5S。,7,个操纵子编码,rRNA,，在染色体上并不紧密连锁。,每个操纵子都含有,16S,、,23S,、,5S RNA,及几个,tRNA,。,tRNA,的数量，种类及位置都不固定。,每个操纵子都有一个,双重启动子,结构：,第一个启动子在,16S,rRNA,起始点上约,300bp,处，可能是基本的启动子。离,P1 110bp,有第二个启动子,P2,。,第一节 概述,第二节,操纵子,第三节,转录后加工的调控,第四节 翻译水平的调控,第四节 翻译水平的调控,翻译过程中的自体调控,重叠核苷酸与翻译调控,稀有密码子的调控,魔斑核苷酸水平对翻译的影响,小分子,RNA,调节翻译,自体调控：某种蛋白质或者RNA调控自身的表达。,1.1 阻抑蛋白对翻译起始的调控,1.2 参与基因表达装置的蛋白质的合成的自体调控,1.3 mRNA二级结构对翻译的调控,1,翻译过程中的自体调控,1.1 阻抑蛋白对翻译起始的调控,阻抑蛋白通过与,mRNA,的特定区域结合，抑制核糖体对,翻译起始区,的识别。,最常见形式：,阻抑,蛋白与含有起始密码子,AUG,的序列直接结合，从而阻止核糖体结合。,表,与,mRNA,起始区结合抑制翻译的阻抑蛋白,阻抑蛋白,靶基因,作用位点,R17 外壳蛋白,R17,复制酶,核糖体结合位点的发夹结合,T4 RegA,T4,早期,mRNA,含有起始密码子的各种序列,T4 DNA,聚合酶,T4 DNA,聚合酶,S-D,序列,T4 p32,基因,32,单链,5,前导序列,p32易与单链DNA结合，不影响自身合成,。,缺乏单链DNA，过量的p,32,直接地结合在mRNA上阻断了翻译的起始。,图 过量的,基因32,的蛋白,p32与自身的mRNA结合抑制核糖体翻译起始,T4噬菌体蛋白p32合成的自体调控,1.2 参与基因表达装置的蛋白质的合成的自体调控,参与基因表达装置的蛋白质包括：,核糖体蛋白质、蛋白质合成因子和RNA聚合酶亚基等。,物,参与基因表达装置的蛋白质的基因混合组成几个操纵子，每个操纵子都含有数个基因。,这些操纵子的表达都受操纵子自身的一些基因产物的调控。,蛋白质富集后抑制其自身及一些相关基因产物的进一步合成。,1.3 mRNA二级结构对翻译的调控,翻译一个顺反子需要二级结构的改变，而这种二级结构的改变又依赖于前一个顺反子的翻译。,mRNA上有多个核糖体存在时，第一个顺反子的翻译会破坏mRNA原有的二级结构，使核糖体能够与下一个顺反子的翻译起始区域结合。,举例-RNA噬菌体基因的表达调控：,CP 外壳蛋白,CP,是,阻遏物,，占据,rep,的核糖体结合位点，控制其合成,Rep复制酶,CP和Rep并不等量,2,重叠核苷酸与翻译调控,色氨酸操纵子,TrpE-,Thr-Phe-终止密码子,ACU UUC UG,AUG,GCU,Met-Ala-,TrpD,TrpB,-Glu- Ile-终止,GAA AUC UG,AUG,GAA,Met-Glu-,TrpA,3 稀有密码子的调控,在原核生物中，有时同一个操纵子中的基因其功能并无相关性，那么它们的产量就不可能要求一致，但又同在一个操纵子中，如何来进行调节呢？,表 在不同产物中Ile(异亮）密码子使用频率不同,密码子,在25种非调控蛋白中(%),在引物酶中(%),在因子中(%),AUU,37,36,26,AUC,62,32,74,AUA,1,32,0,蛋白质翻译一旦开始后，其速度即受对应于,mRNA,分子中所利用的各种,tRNA,的供应情况而决定。,稀少,tRNA,分子所识别的密码子大都翻译得较慢，而被丰富的,tRNA,识别的密码子则翻译得要快些。,4,魔斑核苷酸水平对翻译的影响-应急调控,应急调控(strigent control)：细菌在饥饿条件下，缺乏各种氨基酸使得蛋白质合成受阻，将采取关闭大量的代谢过程来抵御不良条件，保存自己的一种机制。,当氨基酸缺乏时，,tRNA成为空载体，就触发ATP,和,GTP,合成一种新化合物，称为四磷酸鸟苷,ppGpp,和,pppGpp,。在层析谱上检出这两种化合物的斑点，称为魔斑。,GTP+ATP pppGpp+AMPppGpp,同时参与蛋白翻译的r,RNA、tRNA也,停止合成 。,合成酶（应急因子RelA),(,spoT,编码一种酶，提供ppGpp主要降解途径),（应急因子RelA),魔斑的主要作用：,pppGpp作为调控一些反应的效应物，通过影响RNA聚合酶与启动子结合的专一性来调控细胞的应急反应。,抑制核糖体和其他大分子的合成，,活化某些氨基酸操纵子的转录表达，,抑制与氨基酸运转无关的转运系统，,活化蛋白水解酶等。,(,spoT,编码一种酶，提供ppGpp主要降解途径),（应急因子RelA),5 小分子RNA调节翻译,1984,年,Mizuno,和,Iwoue,发现,RNA,可作为,反式作用,因子,，与调节蛋白一样，,参与基因表达的调控。,小分子干扰,RNA,(,small interfering RNA,siRNA,),或者,RNA,调节物。,其靶分子为,单链核酸序列,。,小分子干扰,RNA,与目标分子互补，形成双链区，通过改变靶分子的二级结构来控制靶分子的活性。,小分子干扰RNA,与操纵子的阻抑蛋白的不同:,RNA没有变构的性质，不受其他小分子影响而改变识别靶分子的能力；,其调节作用随着其产生而产生，随着其消失而失去。,反义RNA ：与mRNA互补的RNA分子。,反义RNA就是一种,小分子干扰RNA,-RNA调节物。,反义,RNA,作为,调节物质,的作用机制：,与,mRNA,上核糖体结合位点结合，使得翻译不能起始；,与,mRNA,形成双螺旋结构，作为内切酶底物；,与转录产物结合，使转录提前终止。,