原核细胞的基因表达调控

,*,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,第八章 原核细胞的基因表达调控,第一节,基因表达调控概述,生物体内基因表达的调节控制机制，使细胞中基因表达,的过程在时间和空间上处于有序状态，并对环境条件的变,化做出适当反应的复杂过程，并且也是生物体内细胞分,化、形态发生和个体发育的分子基础。,一原核生物基因表达调控的特点,由于原核生物大都为单细胞生物，缺乏核膜，因此极易,受外界环境的影响，需要不断地调控基因的表达，以适应,外界环境的营养条件和克服不利因素，提高生物的应变与,适应能力以完成生长发育与繁殖的过程。这种调控大多以,操纵子为单位进行。,二,.,操纵子调控模型,是,1961,年由,Jacob,和,Monod,提案并确立，即编码某特定区,域的基因与只在,DNA,分子上发挥作用的区域是各不相同,的。基因的表达调控主要发生在转录水平上。,(,一,),概念,原核生物细胞内功能相关的结构基因组成一排基因簇，,由此而形成的转录单位，即为操纵子。,(,二,),主要组成,结构基因,（,structural gene,）,:,生物酶与细胞结构所必需,的蛋白质的编码基因，该基因又称为,cis,作用因子,（,cis,acting,）。,相关结构基因的表达产物协同完成一个,生理生化过程，这些结构基因在一套调控系统作用下,统一开放与关闭，维持合适而精确的基因产物分子比。,结构基因编码各类具有不同结构与功能的蛋白质，包括,结构,蛋白,、,酶,和调控蛋白,2.,调控基因（,regulator gene,）:基因表达调控蛋白的编码基,因，又称为反式作用因子（,trans acting）,。主要是通过编码,蛋白或者,RNA,来调节其他基因的表达。,三,.,原核细胞转录调控的基本模式,顺式作用元件,反式作用因子,引起目的基因表达的正调控或者负调控模式,反式作用,:,编码产物将从合成地点扩散到其作用靶位的,过程。,顺式作用,:,不转变为其他任何形式而只以,DNA,形式在原来,位置起作用的,DNA,序列。,调节区域,启动子,转录起始点,结构基因,Operator/ promotor,RNA,几,个,相应的,蛋白质,Repressor binding,with operator,RNA polymerase,负调控,:,由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基,因的特异的顺式作用元件相互作用，从而达到控制其表达,的目的，称为负调控。,正调控:,某一基因编码的产物作用于自己基因的,调控元件,以达到控制其表达的目的,称为正调控。,t,a,y,z,o,p,Structural gene,P,romoter,O,perator,Terminator,功能,启动子:,一个操纵子一般只含有一个启动子,操作子:,由一个或多个,DNA,顺式调控元件组成，,是基因反式调控因子的结合区，这种蛋白,-DNA,的二元复合物通过与启动子,-RNA,聚合酶复合物,的相互作用，对操纵子的开发或关闭进行调控,结构基因:,若干个生物功能相关的结构基因以相,同极性密集排列,终止子:,使转录不同程度地终止,阻遏基因,I,调控区,启动子,操作子,DNA,Z,Y,A,O,P,结构基因,Z,：,-,半乳糖苷酶,Y,： 通透酶,A,：乙酰基转移酶,第二节 乳糖操纵子,（一） 结构及其性质,lac,I,lac,Z,lac,Y,lac,A,Z,Y,A,O,P,P,DNA,mRNA,1040,82,351,0,78,0,825,多肽,360,1021,260,275,氨基酸,38000,125,000,3,0,000,3,0,000,Dalton,蛋白质,四聚体,四聚体,二聚体,膜蛋白,结构,152,000,500,000,3,0,000,60,000,Dalton,功能,阻遏蛋白,-,半乳糖苷酶,(,二,),调控机理,阻遏蛋白,单聚体,阻遏蛋白,四聚体,lac,I,启动子/,操作子,lac,Z,lac,Y,lac,A,转录,翻译,无诱导物,结构基因,被阻遏,诱导物,无活阻遏蛋白,有诱导物,RNA,聚合酶,转录,翻译,转录,mRNA,翻译,(三),操纵基因的鉴定,不可诱导型突变,(uninducible mutation):,使操纵子,在,任何情况下都不能表达的突变。,组成型突变体,(consititutive mutant):,不受调控物影,响的持续表达称为组成型基因表达，其突变体即为组,成型突变体。,组成型突变鉴定出的操纵基因,O,C,表明调控元件能,够以不可扩散的产物形式行使其功能，操纵基因是一,个典型的顺式作用位点，其功能依赖于一些反式作用,因子对其,DNA,序列的识别。操纵基因对邻近基因的控,制与细胞内是否存在其他等位基因并无关系，这种位点,的突变称为顺式显性突变,(,cis,-dominant,),(,四,),调控基因的鉴定,lacI,基因的突变是反式作用的，它可以影响细菌内所,有结构基因簇的表达,使,lacI,基因失活得突变是隐性的，它可以导致组成型表达,因为阻遏物不能与操纵基因结合，所以阻遏物的,DNA,结合,位点的突变是组成型的,阻遏物上诱导物结合位点的突变使它不会失活，因此这,会引起操纵子的非诱导性,启动子突变是顺式作用和非诱导性的,ACAACACACCTTAAC,A,CTC,G,CCTATTGTTAAAGTGTGT,TGT,TGTGTG,G,AATTG,A,G,A,G,C,GGATAACAATTTCACACA,对称轴,10,5,1,5,10,15,20,25,(,五,),阻遏蛋白与操纵基因的相互作用,mRNA,(,六,),阻遏蛋白结合诱导物后从操纵基因上脱离,(,七,),阻,遏蛋白的其他特性,阻遏蛋白单体有多个结构域,阻遏蛋白单体结构,:N,端,DNA,结合结构域、铰链区与核心区,DNA,结合结构域有两个短,螺旋用以与,DNA,大沟结合,负责多聚化的区域和诱导物,结合位点都位于核心区,阻遏蛋白由两个二聚体组成四聚体,两个单体通过核心结构域,2,和,寡聚化螺旋之间的结合形成,二聚体，二聚体的一端是,DNA,结构域，另一端是寡聚化螺旋，,两个二聚体通过寡聚化界面之,间的相互作用形成四聚体,阻遏蛋白单体的,DNA,结合,结构域插入到,DNA,的大沟, 活性阻遏蛋白中，二聚体,的两个,DNA,结合区域可以插入,连续的双螺旋转角,诱导物的结合使阻遏蛋白的,构象改变，从而造成,DNA,结合,位点不能形成正确的几何构象,以维持与,DNA,的接触,第三节 操纵子的调控网络模式,一,.,概述,1.,细菌基因调控,:,基因表达受到调控因子的控制，该调控因子在受调控的蛋白质合成之前，可能与一段特定序列作用或者结构相互作用。,表达水平上的调控,:,以,DNA,为,target,的转录水平上的调控与以,RNA,为,target,的翻译水平上的调控,2.,调控因子的类型,a.,蛋白质类调控因子,:,通过变构效应,(allostery),发挥作用,b. RNA,调控因子,:,通过改变二级结构发挥作用。调控因子通常是二级结构丰富的小,RNA,分子，但存在一段单链区域能与,target,互补，调控因子与之相互作用，形成双螺旋结构，从而调控基因表达。,操纵子,可诱导,可阻遏,负调控,正调控,负调控,正调控,二,.,分类,灭活阻遏蛋白,阻遏蛋白,诱导物,阻遏,诱导,诱导负调控,灭活激活蛋白,激活激活蛋白,诱导正调控,三,.,调控模式,辅阻遏物,灭活阻遏蛋白,激活阻遏蛋白,诱导,阻遏,阻遏负调控,灭活激活蛋白,激活激活蛋白,阻遏,正调控,四,.,大肠杆菌的碳源利用机制,1.,葡萄糖阻遏作用调控碳源利用,诱导物排除法,:,葡萄糖阻止从培养基中吸收其他可替代碳源的能力。,由,CRP,激活很多操纵子,2,.,乳糖操纵子的正调控作用,正调控因子,:,辅助,RNA,聚合酶与启动子结合而起始转录的蛋白质。,葡萄糖,活性,C,R,P,？,无活,CRP,cAMP, C,R,P,结构及其作用,a. C,R,P,因子是一同源二聚体,每个亚基为,22.5kDa,，可被单,分子,cAMP,激活，在应答启动子上，,CRP,二聚体约结合,22bp,，,其中含有一对保守的五聚体对称序列，是,C,R,P,的识别位点，,且具有双向性。,b.,每个,C,R,P,亚基均含有一个,DNA,结合区与一个转录激活区，其中结合区的定位因操纵子而异。,A A N,T G T G A,N N T N N N,T C A N A,T T N N,T T N,A C A C T,N N A N N N,A G T N T,A A N N,高度保守五聚体,低度保守五聚体,转录, C,R,P,的激活途径,a,.,直接与RNA聚合酶作用，RNA聚合酶的,亚基是,C,R,P,的结合区。,b.,作用于,DNA,，改变其结构以协助,RNA,聚合酶定位于,启动子上。,C,R,P,与,RNA,聚合酶之间的相互作用的精确效应依赖于,C,R,P,相对启动子区域的定位，对乳糖操纵子而言，,C,R,P,的,优势效应是提高,RNA,聚合酶与启动子形成复合物的启动,效率。,第四节 各种操纵子调控系统,gal,K,gal,T,gal,E,P,O,gal,R,mRNA,P,gal,1,P,gal,2,O,E,O,I,Gal,C,激酶,Gal-1-P,转移酶,UDP-Gal,+,Glu-1-P,UDP-Glc,异构酶,gal,mRNA,特征:,有两套调控元件,一,.,半,乳糖操纵子,(,一,),结构及其性质,(,二,),调控机制,Glu,环境,cAMP,细胞内,C,R,P,结合型,C,R,P,P,gal,1,P,gal,2,启动,关闭,Glu,cAMP,CAP,C,R,P,cAMP,失活,open,二,.,阿拉伯糖操纵子,(,一,),结构与性质,调控子,ar,a,BAD,ara,E,ara,FG,调控基因,ara,C,定位于细菌膜上，与阿拉伯糖运,输有关。,L-,核酮糖激酶,L-,阿拉伯糖异构酶,L-,核酮糖,-5-,磷酸,-4-,异构酶,(,二,),阿拉伯糖调控系统的组成,ara,C,基因的调控,ara,BAD,基因的转录,两基因区间的共享调控区,ara,O,2,ara,O,1,P,ara,C,C,R,P,结合位点,ara,I,P,ara,BAD,C,蛋白结合位点,ara,C mRNA,ara,BAD,mRNA,148 nt,(,三,),调控机制,ara,O,2,ara,O,1,ara,I,C,蛋白存在时,ara,C mRNA,RNA,聚合酶,阿拉伯糖,-AraC,激活,ar,a,C,，,AraC or binding Arac,a,ra,O,1,ara,C,表达被阻遏,三,.,色氨酸操纵子,P,O,trp,L,a,trp,E,trp,D,trp,C,trp,B,trp,A,t,t,trp,E,trp,D,trp,C,trp,B,trp,A,邻氨基苯甲酸合成酶两个亚基,吲哚甘油酸合成酶,色氨酸合成酶两个亚基,第五节 紧急应答系统,一,.,概念,stringent response,:,当维持细菌的蛋白合成所需的氨基,酸的供给发生问题时，其生长条件也发生了变化，从而,使其各项生理活动的现象。,二,.,产生现象,rRNA,与,tRNA,的合成极度减少,全部,RNA,的合成是正常的,5%-10%,全,mRNA,的合成减少为正常的,1/3,蛋白质的分解速度上升,核苷,、,碳水化合物与脂质的合成减少,ppGpp,pp,pGpp,Aminoacyl-tRNA,Ribosome idling reaction,启动子开始的阻碍因子,模板的伸长反应受阻,三,. ppGpp,的作用,在编码,rRNA,的操纵子中，启动子上转录起始被特异地抑制。用于应急调控的启动子的突变可以消除应急控制，表明该效应与特异的启动子序列发生相互作用,ppGPP,能缩短许多或大部分模板的转录延伸期，原因可能是由,ppGpp,引起的不断增高的,RNA,聚合酶的暂停反应。,