微生物转录调控

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,*,*,第七章 原核生物基因的表达调控,1,生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞内的DNA(或RNA)分子中的。随着个体的发育，DNA有序地将遗传信息，通过转录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。从DNA到蛋白质的过程，叫做基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。,2,基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念,3,基因表达调控在两个水平上体现,(1)转录水平上的调控(transcriptional regulation);,(2)转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation)，包括mRNA加工成熟水平上的调控(differential processing of RNA transcript);翻译水平上的调控(differential translation of mRNA)。,4,对于原核生物，以营养状况(nutritional status)和环境因素(environmental factor)为主要的基因表达影响因素。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormone level)和发育阶段(developmental stage)是基因表达调控的最主要手段，而营养和环境因素的影响力大为下降。,在转录水平上对基因表达调控取决于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。,5,第一节 大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控,一、,操纵子与操纵子模型,原核生物基因表达调控主要发生在转录水平，转录调控的基本单元是操纵子。,1、操纵子的概念：根据操纵子学说，很多功能上相关的结构基因在染色体上串连排列，由一个共同的控制区来操纵这些基因的转录。包含这些结构基因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子（operon）。,6,2、操纵子结构,由启动子（P）、操纵基因（O）、调节基因、结构基因所组成。,7,1、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)，激活蛋白结合与DNA的启动子及RNA聚合酶后，转录才会进行。,（1）在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行。,（2）在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。,二、正调控与负调控,8,2、在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋白(repressor)阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。,（1）负控诱导系统阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏蛋白结合上诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。,9,（2）负控阻遏系统阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。,10,调控模式,1、可诱导负调控,2、可诱导正调控,3、可阻遏负调控,4、可阻遏正调控,11,12,三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调控,（一）大肠杆菌的乳糖利用系统,大肠杆菌的乳糖代谢需要有-半乳糖苷酶（-galactosidase）的催化 。这种酶能把乳糖水解为半乳糖和葡萄糖 .另外有半乳糖苷透性酶 和巯基半乳糖苷转乙酰酶。三种酶协同作用，使得乳糖得以分解和利用。,13,项目,功能,结构,基因,3个不同结构基因能够产生3种不同的酶.,操纵,基因,是结构基因的开关.通过对RNA聚合酶阻抑与否来控制结构基因的转录或停止.,启动子,是RNA聚合酶与DNA结合的部位,可识别转录起始点.,调节,基因,能产生阻抑物.通过阻抑物与操纵基因的结合与否来控制操纵基因的关闭和开启,乳糖操纵子的结构和功能,14,（二）乳糖操纵子的调控机制,1、没有乳糖时，具有活性的阻遏物和操纵基因结合，转录不能进行。,2、有乳糖时，乳糖与阻遏物结合，使阻遏物发生构象变化而失活，不能与操纵子结合，结构基因正常转录，进而再翻译出蛋白质。,15,原核生物基因表达的调控,乳糖代谢基因表达调控图解：(没有乳糖时),lac,Z,lac,Y,lac,A,调节基因,启动子,操纵基因,结构基因,RNA聚合酶,信使RNA,转录,翻译,阻抑物与,操纵基因,结合，结,构基因转,录受阻,阻抑物,16,原核生物基因表达的调控,乳糖代谢基因表达调控图解：(有乳糖时),lac,Z,lac,Y,lac,A,调节基因,启动子,操纵基因,结构基因,RNA聚合酶,信使RNA,转录,翻译,阻抑物与乳糖结合后构象发生了改变，,因而不能与操纵基因结合，使得结构,基因进行转录。,阻抑物,乳糖,转录,半乳糖苷酶,酶,酶,乳糖分解代,谢调控过程,是一个自我,调控过程,17,四、大肠杆菌乳糖操纵子的正调控,1、葡萄糖敏感操纵子,有一些控制某一种糖如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖和麦芽糖等分解代谢的操纵子，当培养基含有葡萄糖时，会阻止这些操纵子的功能，称为葡萄糖敏感操纵子。,例如：当大肠杆菌生长的培养基中既有葡萄糖又有乳糖的条件，只利用葡萄糖，而不利用乳糖。,换句话说，只要在培养基中有葡萄糖存在，便可抑制了利用其他各种酶的产生，称为分解物阻遏。,18,2、CAP-cAMP调控,另外一种起调节作用的诱导物为cAMP（环化腺苷酸）,分析一组实验几种情况：,（1）当培养基中含用大量葡萄糖时，cAMP水平明显下降。,（2）当以乳糖为唯一碳源时， -半乳糖苷酶的合成增加。,19,（3）当有乳糖和葡萄糖为碳源时，如果加入cAMP ， -半乳糖苷酶的合成速率大大提高。,结论：？,cAMP 浓度能影响到-半乳糖苷酶的合成速率。主要是cAMP能激活CAP（分解物基因激活蛋白），起转录因子的作用。,20,3、lac操纵子的正调控机制,（1） cAMP-CAP复合物与DNA结合，改变DNA结构，促进了RNA聚合酶结合区的解链，从而促进RNA聚合酶和启动子结合，使转录能力增强。,（2） cAMP-CAP复合物的形成取决于AMP的浓度，当以葡萄糖为能源时，由于其抑制腺苷酸环化酶的活性，ATP不能转化为cAMP， cAMP浓度下降，不能形成cAMP-CAP复合物，乳糖结构基因不能被转录。因为细胞中有葡萄糖作为能源，就没有必要需要对乳糖利用的几种酶了。,21,22,