资源描述
,*,目 录,目 录,*,Regulation of Gene Expression in,Prokaryotes,第二十章,原核生物基因表达调控,1,第一节 原核生物基因表达特点,Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes,2,操纵子在研究基因表达的重要性,具有普遍性；,真核生物研究的借鉴；,开拓了分子识别（,molecular recognition),的研究；,研究成果应用于实践，具有指导意义。,一、操纵子是原核生物的基因转录单元,3,操纵子理论实验依据,实验模型：细菌的乳糖代谢酶类诱导,突破点,:,乳糖阻遏蛋白基因,lac I,的发现,lac I,是组成型表达基因，其突变,(,lac I,-,),引起管辖的基因族也发生组成型表达,用噬菌体转导方法把野生型,(,lac I,+,),转入突变株,(,lac I,-,),，,逆转了组成型突变,4,操纵子,(operon),是由结构基因及其上游调控序列组成的转录单元，结构基因转录受调控序列控制。,调控序列包括远端的阻遏蛋白,(repressor),基因,I,，近端的启动子,(promoter, P),和操纵序列,(operator, O),。,5,蛋白质因子,特异,DNA,序列,结构基因,启动子,操纵序列,阻遏蛋白基因,(promoter),(operator),6,启动子是,RNA,聚合酶识别和结合的部位。,RNA,转录起始,-35,区,-10,区,TTGACA,TTAACT,TTTACA,TATGAT,TTTACA,TATGTT,TTGATA,TATAAT,CTGACG,TACTGT,N,17,N,16,N,17,N,16,N,16,N,7,N,7,N,6,N,7,N,6,A,A,A,A,A,trp,tRNA,Tyr,lac,rec,A,Ara,BAD,TTGACA,TATAAT,共有序列,7,操纵序列是阻遏蛋白的结合位点,当操纵序列结合有,阻遏蛋白,时，会阻碍,RNA,聚合酶与启动序列的结合，或是,RNA,聚合酶不能沿,DNA,向前移动 ，阻碍转录。,启动序列,编码序列,操纵序列,pol,阻遏蛋白,8,二、原核生物中,mRNA,的转录、翻译和降解偶联进行,9,三、,mRNA,所携带的信息差别很大,细菌,mRNA,所编码的蛋白质数量有很大差异。有的,mRNA,只带有一个结构基因的信息（编码一个蛋白质），称为,单顺反子,mRNA,（,monocistronic mRNA,）,；,大部分,mRNA,都是从操纵子转录而成，带有编码几个甚至十几个蛋白质的序列信息，这种,mRNA,是从几个首尾相连的结构基因（存在于一个操纵子中）一次转录而成，称为,多顺反子,mRNA,（,polycistronic mRNA,）,。,10,第二节,原核生物基因表达的,转录水平调控,Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level,11,一、转录调控是以特定的,DNA,序列和蛋白质结构为基础,（一）特定的,DNA,序列是转录起始调控的结构基础,在基因内和基因外都有一些特定的,DNA,序列，与结构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合，这些特定的,DNA,序列称为,顺式作用元件（,cis-acting elements,）,，亦称为顺式调控元件。在原核生物中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合位点、增强子等。,12,B,A,DNA,编码序列,转录起始点,13,E.coli,的启动子区,14,（二）调控蛋白具有结合,DNA,所需的结构特征,基因特异性转录因子,（,gene specific transcription factors,）,:,能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质,激活蛋白或正调控蛋白,:,对基因表达有激活作用的 蛋白质,阻遏蛋白,:,对基因表达有抑制作用的蛋白质,15,最常见的,DNA,结合域：,1.,锌指,(zinc finger),C Cys,H His,常结合,GC,盒,16,1,2,3,stand for zinc ion,17,2.,螺旋,-,回折,-,螺旋（,helix-turn-helix, HTH,）,usually binds to CAAT box,18,二、特定蛋白质与,DNA,结合后控制,转录起始,（,一）,因子和启动子决定转录是否能够起始,启动子及其与转录的关系,19,（二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起始进行负调控,阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与,DNA,结合后，,RNA,聚合酶仍有可能与启动子结合，但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种作用称为,阻遏（,repression,）,，特定的信号分子与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从,DNA,上脱落下来，称为去阻遏，或,脱阻遏（,derepression,）,。,20,阻遏蛋白都可以与信号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与,DNA,结合，或者与,DNA,解离。在可诱导型操纵子中，信号分子使阻遏物从,DNA,释放下来，解除对转录的抑制作用；在可阻遏型操纵子中，信号分子使阻遏物结合,DNA,，抑制转录。在两种情况下，阻遏蛋白结合于,DNA,后都是抑制转录，这种类型的基因表达调控称为负调控。,21,1.,乳糖操纵子是可诱导型操纵子,调控区,CAP,结合位点,启动子,操纵序列,结构基因,z,：,-,半乳糖苷酶,y,： 通透酶,a,：乙酰基转移酶,z,y,a,O,P,DNA,I,基因,乳糖操纵子的结构,22,阻遏基因,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,z,y,a,O,P,pol,没有乳糖存在时,乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭,23,mRNA,阻遏蛋白,有乳糖存在时,I,DNA,z,y,a,O,P,pol,启动转录,mRNA,乳糖,半乳糖,-,半乳糖苷酶,乳糖操纵子被诱导物开放,24,2.,色氨酸操纵子是可阻遏操纵子,合成代谢操纵子由合成产物关闭,合成代谢操纵子在基础状态下持续开放，在产物达到满足需要量时才关闭。,25,分解和合成代谢的操纵子,操纵子,基础状态,调控方式,分解代谢,关闭,由,诱导物,开放,合成代谢,开放,由,阻遏物,关闭,26,Trp,Tr,p,高时,Trp,低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA,聚合酶,RNA,聚合酶,色氨酸操纵子的作用原理,操纵子关闭,27,（三）激活蛋白结合正调控元件而对转录起始进行正调控,1,正调控蛋白可结合启动子邻近序列进行,调控,2,激活蛋白结合增强子可远距离进行转录,起始正调控,28,ntrC,蛋白对转录的正调控作用,29,三、原核基因表达的转录过程可通过,不同模式进行调控,（一）去阻遏和正调控机制对转录起始进行,双重调控,1,乳糖操纵子受阻遏蛋白（负性调节）和,CAP,（正性调节）的协调调节,30,乳糖操纵子由,cAMP-CAP,系统进行正调控,TTTACA,TATGTT,N,17,N,6,A,lac,TTGACA,TATAAT,共有序列,乳糖操纵子是弱启动子，被,RNA-pol,结合后，还需,cAMP-CAP,（分解代谢物基因活化蛋白）活化,31,+ + + +,转录,无葡萄糖，,cAMP,浓度高时,有葡萄糖，,cAMP,浓度低时,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,结合位点,32,mRNA,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低,cAMP,浓度高,葡萄糖高,cAMP,浓度低,RNA-pol,O,O,O,O,无转录,无转录,低水平转录,33,2,AraC,的别构调节使阿拉伯糖操纵子调控更精细,阿拉伯糖操纵子的转录起始调控,34,（二）色氨酸操纵子的弱化机制实质是 转录与翻译调控的偶联,色氨酸操纵子,(,trp,operon),除了产物阻遏负调控外，还有转录,衰减,(attenuation),调控方式。,衰减是转录,-,翻译的偶联调控。,35,Trp,Tr,p,高时,Trp,低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA,聚合酶,RNA,聚合酶,?,色氨酸操纵子的作用原理,36,UUUU,UUUU,调节区,结构基因,trpR,O,P,前导序列,衰减子区域,UUUU,前导,mRNA,1,2,3,4,衰减子结构,第,10,、,11,密码子为,trp,密码子,终止密码子,14aa,前导肽编码区,:,包含序列,1,形成发夹结构能力强弱：,序列,1/2,序列,2/3,序列,3/4,trp,密码子,UUUU,37,UUUU,3,4,UUUU 3,3,4,核糖体,前导肽,前导,mRNA,当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,1,2,5,trp,密码子,衰减子结构,就是终止子,可使转录,前导,DNA,UUUU 3,RNA,聚合酶,终止,38,UUUU,3,4,2,4,2,3,UUUU,核糖体,前导肽,1,5,trp,密码子,结构基因,前导,DNA,RNA,聚合酶,当色氨酸浓度低时,Trp,合成酶系相关,结构基因被转录,序列,3,、,4,不能,形成衰减子结构,前导,mRNA,39,（三）,DNA,片段倒位和阻遏蛋白的协同作用,沙门菌鞭毛素基因的调节,H2,鞭毛素,阻遏蛋白,Hin,重组酶,转位片段,hin,H2,I,H1,H1,鞭毛素,hin,H2,I,DNA,启动序列,H1,启动序列,40,原核生物基因,表达的翻译水平调控,Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Translation Level,第三节,41,一、,SD,序列决定翻译起始效率,（一）,SD,序列的碱基序列影响翻译起始的效率,（二）,SD,序列的定位影响翻译起始的效率,红霉素甲基化酶,mRNA,的翻译调控,42,二、,mRNA,的稳定性,是决定翻译产物量的重要因素,原核生物,mRNA,分子某些片段，例如发夹有,RNase,抗性。,细胞内有结合,RNA,、使之免受,RNase,降解的保护蛋白。,近年发现，内源或外源的小分子,RNA,可特异互补结合细胞,RNA,，使其失去功能。,与减少表达量一样，降低,mRNA,稳定性也是基因表达调控方式,43,三、翻译产物可对翻译过程产生反馈,调节效应,核糖体蛋白控制多顺反子,mRNA,的翻译,翻译终止因子,RF-2,调节自身的翻译,44,核糖体蛋白与,rRNA,合成是互相协调的,原核生物的,16S rRNA,与,21,种核糖体蛋白,(ribosomal proteins),，简称,r-,蛋白，组成核糖体小亚基；,5S,和,23S rRNA,与,31,种,r-,蛋白组成大亚基。大、小亚基在翻译起始组合为,70S,核糖体。,蛋白质合成是生存的最基本需要，细胞必然要严格控制,rRNA,和,r-,蛋白的比例。,45,核糖体蛋白基因与,RNA pol,亚基基因的多顺反子,操纵子,基因簇,表达产物,rif (rpoBC),rpL-K-A-J-L-rpoB- rpoC,L-11-1-10-12-RNApol-,rpoA,rpsM-K-D-rpoA-rpL-Q,S13-11-4-RNApol-O-L-17,spc,rpL-N-X-E-rpsN-H-rpL-F-R-rpsE-rpL-D-O,L14-24-5-S14-8-L6-18-S-5-L-30-15,r-,蛋白基因在各个操纵子上转录为多顺反子,46,这类操纵子有转录,-,翻译偶联调控现象，称为,自我调节（,autogenous control,）,。,47,四、小分子反义,RNA,参与调节蛋白质合成,（一）小分子,RNA,参与基因表达产物类型转 换的调控,（二）,小分子,RNA,参与维持极低水平的基因,表达,48,大肠杆菌渗透压调节中,mic RNA,的调节作用,49,小分子,RNA,在翻译水平的调控作用,50,第四节,Lambda,噬菌体的基因表达调控,Regulation of gene expression in Lambda phage,51,一、,Lambda,噬菌体调控区段的表达产物与生活周期有关,噬菌体的生活史,溶菌生长途径,(,l,ysis pathway),溶原菌生长途径,(lysogenic pathway),52,Lambda,噬菌体的溶原和裂解生活周期,53,Lambda,噬菌体的基因结构和调控区域,54,二、,cI,基因表达的阻遏蛋白封闭大部分基因使,进入溶原周期,的转录按先后分,即刻早期,(immediate early),，晚早期,(delay early),和晚期,(late),，三期的表达依次连续相互制约 。,前两期转录是双向的。晚期转录单向，在环状基因组从,R,沿环到,A-J,结构区，和向左到达重组区的晚早期转录汇合，完成一个转录周期。表达产物供溶菌周期装配感染型噬菌体。,55,调控的主要关键在阻遏蛋白基因,cI,cI,两侧启动子受宿主,RNA pol,催化向左转录出,12S RNA,，翻译为抗终止蛋白,N,；向右转录出,7SRNA,，翻译为,Cro,蛋白。,Cro,蛋白有封闭阻遏蛋白基因的作用。,N,蛋白在,nut,位点帮助,RNA pol,越过左、右终止点,tR,和,tL,，进行晚早转录，并继续完成晚期转录。,晚期转录之前，还受另一抗终止蛋白,Q,的活化。,这些都是完成溶菌作用的必须条件,56,首先是,c,的表达，,C,开启,cI,。,cI,表达的阻遏蛋白结合左、右操纵序列,O,L,和,O,R,。,E. coli,的,RNA pol,结合,P,R,后不能向右转录，无法完成晚早和晚期表达，没有结构蛋白的生成。,P,L,的启动活性比,P,R,强，可使重组区表达，产物分别有附加（,att,）、整合（,int,）和切割（,xis,）作用。,完成整合后，,CIII,维持,cII,活性，,C,开启,cI,。,cI,单独表达，产生的阻遏蛋白封闭启动子，进入溶原状态。,溶原状态的建立：,57,Lambda,溶菌和溶原建立的调控,溶菌,溶原,58,
展开阅读全文