第十六章原核生物基因表达的调控课件

,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,*,原核生物基因表达的调控,第一节 转录水平的调控,一. 操纵子模型：1.调节基因和结构基因.,原核生物基因表达的调控第一节 转录水平的调控,1,操纵子,（operon),顺式作用元件,（cis-acting element）,结构基因,（ structural genes）,调节基因,（regulator genes）。,反式作用因子,（trans-acting factor）。,诱导物,（inducer）和,效应物,（effectors）,可诱导,的基因和,组成型基因,控制位点,（controlling site）,诱导,（induction）,操纵子（operon),2,2.正调控和负调控,正调控,负调控,诱导(induction),阻遏(repression),诱导物(inductor),阻遏物(repressor),辅阻遏物(corepressor) 使阻遏蛋白具有活性或使活性蛋白失去活性的物质称。,2.正调控和负调控正调控,3,未发现,未发现,4,二.乳糖操纵子,1 调控位点,(1) Operator,操纵基因,(2) CAP(catabolite gene activation protein),or CRP(cAMP受体蛋白)结合位点,(3) Promotor,2,别乳糖,为诱导物,3,本底组成型,(background constitutive,synthesis),组成型,(constitutive gene),即,看家基因,（Houskeeping gene),二.乳糖操纵子1 调控位点,5,乳糖,乳糖,6,第十六章原核生物基因表达的调控课件,7,诱导物的加入和去除对,lac,mRNA的影响,诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响,8,第十六章原核生物基因表达的调控课件,9,第十六章原核生物基因表达的调控课件,10,3.操纵子的发现,1961年 Jacob & Monod,构建部分二倍体(,lacI,-,/F,lacI,+,),lacI,S,阻遏蛋白不可诱导性突变，阻遏,蛋白失去诱导物结合位点,lacI,-,阻遏蛋白不能形成寡聚物,lacI,-d,阻遏蛋白不能和DNA结合，且呈,负互补(反式显性),O,c,操纵基因的组成型突变,3.操纵子的发现1961年 Jacob & Monod,11,第十六章原核生物基因表达的调控课件,12,第十六章原核生物基因表达的调控课件,13,(二) 阻遏蛋白和诱导物的互作,诱导,（induction）,诱导物,（inducers）,异丙基-D-硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside,IPTG,）,安慰诱导物,（gratuitous inducer）,多顺反子,mRNA,变构调控,（allosteric control）,协同调控,（coordinate regulation）一系列基因受同一操纵子的调控。,基因簇,(cluster),(二) 阻遏蛋白和诱导物的互作诱导（induct,14,第十六章原核生物基因表达的调控课件,15,第十六章原核生物基因表达的调控课件,16,第十六章原核生物基因表达的调控课件,17,第十六章原核生物基因表达的调控课件,18,第十六章原核生物基因表达的调控课件,19,等位基因间的互补,（interallelic complementation）。,负的互补,（negative complementation）,lacI,-d,的产物和,lacI,+,的产物组成多聚体时，阻遏蛋白无活性。,反式显性,（trans-dominant）,显性失活,（dominant negatives）,等位基因间的互补,20,阻遏蛋白和操纵基因的结合与解离,操纵基因的结构,阻遏蛋白的结构：,N端159aa头部片段：为HTH，与操纵基因DNA的大沟结合；,核心区：有6个,折叠，诱导物就结合在两个核心区之间的裂缝中；,C端为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。,阻遏蛋白和操纵基因的结合与解离操纵基因的结构,21,操纵位点的回文序列,操纵位点的回文序列,22,阻遏蛋白单体的结构,阻遏蛋白单体的结构,23,阻遏蛋白单体的三级结构,阻遏蛋白单体的三级结构,24,第十六章原核生物基因表达的调控课件,25,第十六章原核生物基因表达的调控课件,26,诱导物的结合解离模型,诱导物的结合解离模型,27,诱导物和阻遏蛋白结合的模型,诱导物和阻遏蛋白结合的模型,28,阻遏能发生在多个位点上,阻遏能发生在多个位点上,29,CAP结合位点,cAMP是由,腺苷环化酶,（adenylate cyclase）,催化合成,CAP,（catabolite activator protein）,CAP,以两种方法来激活转录：,（1）它可能直接和RNA Pol相互作用；,（2） 作用于DNA，改变其结构，从而帮,助RNA Pol结合。,CAP结合位点 cAMP是由腺苷环化酶（adenyla,30,第十六章原核生物基因表达的调控课件,31,第十六章原核生物基因表达的调控课件,32,第十六章原核生物基因表达的调控课件,33,第十六章原核生物基因表达的调控课件,34,第十六章原核生物基因表达的调控课件,35,第二节 操纵子的其它调控形式,一半乳糖操纵子,（,gal,operon）,1.结构,2.特点,：,(1)双启动子；,(2)双操纵基因；,(3) 无35顺序；,(4),O,E,在CAP位点内，,O,I,在 gene,E,内,Gal 既可为碳源，同时UDPGal,又是合成细菌细胞壁的重要前体,第二节 操纵子的其它调控形式一半乳糖操纵子（gal o,36,第十六章原核生物基因表达的调控课件,37,gal,操纵子的结构,gal 操纵子的结构,38,3.调节,(1) 有Gal,P,1,启动,K,T,E,转录,无,Glu 无Gal,P,1,不启动,无Gal,O,E,O,I,结合形成环，仅转,有 录20b,有Gal,P,2,启动 S,2,转录,E,组成型,(2) CAP-cAMP对,P1,正调节，对,P2,抑制,(3) 阻遏物对,P1,，,P2,都是负调控， CAP-cAMP,含量少时P2 可转录 (机制不清),(4),P1,与RNA Pol亲和力,P2,与RNA Pol亲和力,3.调节(1) 有G,39,二阿拉伯糖操纵子(,ara O,),1. 结构:具有正负调节功能的操纵子,2.特点：,(1) AraC有双功能 a.,纯C结合,ara,O1,阻遏；b.,C+Ara C,ind,结合于,araI，,诱导，正调节,(2),araC,本身也受操纵调节；,(3) AraC,有三个结合位点(,O1,O2,和,araI,),(4) 是调节子(regulon),(5)双向转录；,(6),Pc,和,O,1,重叠；,(7)C 自身调节,二阿拉伯糖操纵子(ara O)1. 结构:具有正负调节功能的,40,ara,操纵子的结构,araI,ara 操纵子的结构araI,41,第十六章原核生物基因表达的调控课件,42,第十六章原核生物基因表达的调控课件,43,3.调节,有Glu,无CAP,C,本底转录，产少量,有Ara,AraC,结合于,O,1,停止转录；,无Glu,有CAP,Ara+C C,ind,araI,ara P,BAD,转录；,无Ara,或用完： C,过量，可结合到,araO,1,阻遏,araPc,还可结合到,araI,和,araO2,上，成环，,阻遏转录。,3.调节 有Glu,无CAPC本,44,三. 色氨酸操纵子,1.结构,2.特点:,(1),trpR,(89),和,trpABCDE,(25),不连锁；,(2) 操纵基因在启动子内,(3) 有衰减子(attenuator),(4) 启动子和结构基因不直接相连，二者被,前导顺序(Leader)所隔开,三. 色氨酸操纵子 1.结构,45,trp,操纵子的结构,trp 操纵子的结构,46,第十六章原核生物基因表达的调控课件,47,3.调节,(1) Trp作为辅阻遏物(corepressor),(2)阻遏物和 RNA pol 在P,O,重叠区产生竞争性抑制；,(3)阻遏物的阻遏能力低，是LacR的1/千；,(4),trpO,调节合成代谢，存在衰减作用。,3.调节(1) Trp作为辅阻遏物(corepressor),48,第三节 转录的终止调控,一 衰减作用,1978年,yanofsky,发现,前导序列,（leader sequence）,衰减子,（attenuator）,第三节 转录的终止调控一 衰减作用,49,第十六章原核生物基因表达的调控课件,50,第十六章原核生物基因表达的调控课件,51,第十六章原核生物基因表达的调控课件,52,第四节 RNA聚合酶转录起始,一、亚基的替换,枯草杆菌（,B.subtilis,）中因子用于转录起始的调节,大部分因子转换的例子都发生在,孢子形成,（sporulation）中,孢子形成分为三个阶段,（1）DNA复制；,（2）在细胞的一端基因组被分离；,（3）分离的基因组外包上一层子外壳,。,第四节 RNA聚合酶转录起始 一、亚基的替换,53,因子的更换用于噬菌体时序调节,因子的更换用于噬菌体时序调节,54,第十六章原核生物基因表达的调控课件,55,第十六章原核生物基因表达的调控课件,56,H,43,K,K,G,H43KKG,57,F,对,E,的活性控制,在前孢子中由早期基因产生,G, ,G,使RNA聚合酶在,前孢子转录晚期孢子形成基因。,另一个早期孢子形成基因产物负责和母细胞中的成分联系,F,激活SpoR, SpoR由,前孢子分泌，然后它激活膜结合蛋白,SpoGA，,活化的SpoGA在母细胞中剪切失活的前体物Pro- ,E,使其成为活化因子,E,。,F 对E的活性控制在前孢子中由早,58,第十六章原核生物基因表达的调控课件,59,二因子的替代可以控制起始,在,E.coli,，不同类型的启动子需要不同类型的,因子,热休克基因,（heat shock genes）,二因子的替代可以控制起始在E.coli，不同类型的启动子需,60,三、修饰核心酶、替换亚基,T4噬菌体的时序调节依赖本身携带的蛋白对宿主的核心酶加以修饰,改变其和亚基的结合能力,乘机将本身编码的蛋白取代原来的亚基,从而改变RNA聚合酶的识别能力。,内部蛋白,ADP-核糖转移酶,（,ADPRT,）,蛋白,Mot,取代原来的亚基,超修饰,（hupermodified）,三、修饰核心酶、替换亚基T4噬菌体的时序调节依赖本身携带的,61,第十六章原核生物基因表达的调控课件,62,四、RNA聚合酶的代换,T,7,噬菌体的时序调控根据自身的感染特点采用了RNA聚合酶的代换来进行。,四、RNA聚合酶的代换T7噬菌体的时序调控根据自身的感染特点,63,第十六章原核生物基因表达的调控课件,64,第五节,DNA重排对转录起始的调控,沙门氏菌（,S.typhimrium,）的,相转变,（phase variation）,Mu噬菌体的G,片断倒位,第五节 DNA重排对转录起,65,第十六章原核生物基因表达的调控课件,66,第十六章原核生物基因表达的调控课件,67,第十六章原核生物基因表达的调控课件,68,第十六章原核生物基因表达的调控课件,69,第,六节 翻译的调控,一.翻译起始的调控,(一)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,A,UG,GCU,Met,-Ala-,TrpD,TrpB,-Glu- Ile-终止,GAA AUC,UG,A,UG,GAA,Met,-Glu-,TrpA,.,第六节 翻译的调控一.翻译起始的调控,70,在,E.coli,的,gal,操纵子中,E.T.K,三个基因，,T,与,K,以另一种形式重叠来达到协调一致：,在E.coli的gal操纵子中E.T.K三个基因，T与K以另,71,(二),翻译水平的自我调控,(二) 翻译水平的自我调控,72,第十六章原核生物基因表达的调控课件,73,第十六章原核生物基因表达的调控课件,74,第十六章原核生物基因表达的调控课件,75,第十六章原核生物基因表达的调控课件,76,第十六章原核生物基因表达的调控课件,77,第十六章原核生物基因表达的调控课件,78,(三),二级结构对翻译起始的调控,E.coli,的RNA噬菌体MS,2,R17,f2和Q都非常小（直径约为250）,是最简单的病毒。基因组长36004200nt，只含4个基因：,A,、,cp,、,Rep,和,Lys,。,CP(coat protein),含129aa,MW为13.7KDa。,A,（atachment）编码附着蛋白（含393氨aa，MW为44KDa）；,Rep,（replicase）编码复制酶（含544aa，MW为61KKDa）；,lys,（lysis）白基因编码裂解蛋白,和,cp,，,Rep,基因重叠，该蛋白含75aa。,(三)二级结构对翻译起始的调控E.coli的RNA噬菌体MS,79,第十六章原核生物基因表达的调控课件,80,(四),反义RNA的调控,1884年Mizuno,T.等发现,干扰mRNA的互补RNA,（,mic-RNA, mRNA-interfering complementary RNA ）,antisenseRNA的作用可能有两种机制。,(1) 和靶核苷酸序列形成双链区，直接,阻碍其翻译的起始。,(2) 在靶分子的部分区域形成双链区，,改变其构象，直接影响其功能。,(四) 反义RNA的调控1884年Mizuno,T.等发现,81,第十六章原核生物基因表达的调控课件,82,二.,翻译的延伸调控,(一) 稀有密码子的调控,二.翻译的延伸调控(一) 稀有密码子的调控,83,第十六章原核生物基因表达的调控课件,84,在25种非调控蛋白中：,AUU 37%,Ile AUC6 2%,AUA 1%,在dnaG,中22个Ile codons,AUU 36,Ile AUC 32,AUA 32%,在25种非调控蛋白中：,85,（二）,二级结构对翻译延伸的调控,（二）二级结构对翻译延伸的调控,86,三、翻译的终止调控,(一) 严紧反应(strigent response),(1)ppGpp四磷酸鸟苷(魔斑I magic spot I),是调控一些反应的效应物，有多种功能，但主要功能是：抑制rRNA基因的启动子；抑制多数或大多数基因转录的延伸。,(2)pppGpp五磷酸鸟苷(魔斑II magic,spot II),空转反应,（idling reaction）,松驰型突变,（relaxed(,rel,)mutants）,应急因子,（stringent factor）,三、翻译的终止调控(一) 严紧反应(strigent res,87,蛋白质的正常合成 及饥饿时的严紧反应,蛋白质的正常合成,88,ppGpp对,rnn,转录的抑制,ppGpp对rnn转录的抑制,89,(,spoT,编码一种酶，提供ppGpp主要降解途径),( spoT 编码一种酶，提供ppGpp主要降解途径),90,(二),mRNA稳定性对翻译的调控,(二) mRNA稳定性对翻译的调控,91,