原核生物的基因表达调控ppt课件

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第12章 原核生物的基因表达调控,Section 12 Regulation of gene expression in Prokaryotes,1,第12章 原核生物的基因表达调控1,原核生物的基因表达调控概述,基因表达(gene expression)就是指某一基因指导下的蛋白质合成,蛋白质是基因表达的产物。,基因表达调控是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、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。,2,原核生物的基因表达调控概述基因表达(gene express,基因表达调控包括：基因水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平的调控。,原核基因表达调控的特点与方式,调控主要发生在转录水平，有正负调控两种机制；,细胞要调控各种蛋白质在不同时期的表达水平有两条途径：,1）DNA模板转录的速度（转录水平的调控）,2）mRNA翻译的速度（翻译水平的调控）,3,基因表达调控包括：基因水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和,4,4,操纵子学说 Theory of Operon,操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控的学说。,细菌基因表达调控的许多原理是在研究E.coli乳糖代谢调节时被发现的。,1961年法国巴斯德研究院的Francois Jacob与Jacques Monod在法国科学院院报(Proceeding of theFrench Academy of Sciences)上发表了一篇论文,提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。这二个基因编码半乳糖苷酶(-galactosidase)和半乳糖苷透过酶(galactoside penmase)。前者能水解乳糖成为半乳糖和葡萄糖,后者将乳糖运输到细胞之中。,5,操纵子学说 Theory of Operon操纵子学说是关于,在,论文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因(operator)的概念,他们的操纵子学说(theory of operon)使我们得以从分子水平认识基因表达的调控,是一个划时代的突破。,他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。,目前发现的操纵子主要有：（1）乳糖操纵子 （2）色氨酸操纵子（3）阿拉伯糖操纵子（4）组氨酸操纵子,6,在论文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因(op,操纵子概念:,转录,的功能单位，是基因表达和调控的单元。典型的操纵子包括了结构基因，调控元件以及调控基因。,Control elements,Structural genes,操纵子模型图,7,操纵子概念:Control elementsStructur,1.Promoter binding,2.DNA Unwinding and initiation,三聚复合物,闭合复合物,开放复合物,3.Elongation,DNA解旋区(转录泡),8,1.Promoter binding2.DNA Unwin,12bp,17bp,3.Elongation,9,12bp17bp3.Elongation9,Termination,(1),不依赖因子的转录终止,(Rho-indepent termination),发夹结构特点:回文序列中富含G.C碱基对,在回文序列的下游方向又常有6个8个AT碱基对；,10,Termination发夹结构特点:回文序列中富含G.C碱基,11,11,(2)依赖因子的转录终止,(Rho-depent termination),结合RNA上72个核甘酸,发夹结构特点:依赖因子的终止子中回文序列的G-C对含量较少。在回文序列下游方向的序列没有固定特征,其A-T对含量比前一种终止子低,。,12,(2)依赖因子的转录终止(Rho-depent ter,Control elements,Structural genes,结构基因：,编码大量功能各异的蛋白质的DNA序列。这些蛋白质包括了细胞和组织器官基本成分的结构蛋白、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。,调节基因：,编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA 上的特定位点结合控制转录，是调控的关键。,调控元件：,如,操纵序列,，是调节结构基因转录的一段DNA序列,。,13,Control elementsStructural gen,The,lac,operon 乳糖操纵子,结构与功能,（1）结构基因:,lac Z,编码-半乳糖苷酶,将,乳糖,水解为,半乳糖,和,葡萄糖,；,lacY,编码,-,半乳糖苷透性酶,将乳糖从细胞外运进,细胞内,；,lac A,编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，催化将乙酰基团从乙酰辅酶A转移到,-半乳糖苷,分子上。,14,The lac operon 乳糖操纵子结构与功能14,(2)调控元件,:,Plac,启动子、,lac,操纵基因(其中含有,Olac,结合位点),操纵基因,(oprator),：,控制基因，与启动子相邻，与,调节基因,的产物结合共同控制结构基因的表达。,Olac结合位点（操纵序列结合位点）,：28bp碱基组成回文结构，与四聚体的乳糖阻抑（遏）物紧密结合，阻碍lac ZYA的转录。,阻抑（遏）物（repressor）,：,是负调控系统中由调节基因,(,lac,I),编码的调节蛋白，可于操纵基因结合，调控结构基因的转录。,15,(2)调控元件:Plac启动子、lac操纵基因(其中含,顺式作用元件（cis-acting element）,：,指对基因表达有调节活性的DNA序列，在基因的同一条DNA分子上。如启动子、增强子、终止子、操纵基因等。,反式作用因子（trans-acting factor)）：,参与基因表达调控的因子,它们与特异的靶基因的顺式元件结合起作用。编码反式作用因子的基因与被反式作用因子调控的靶序列(基因)不在同一染色体上。反式作用因子有两个重要的功能结构域:DNA结合结构域和转录活化结构域,它们是其发挥转录调控功能的必需结构。反式作用因子可被诱导合成,其活性也受多种因素的调节。如RNA聚合酶、CRP等。,16,顺式作用元件（cis-acting element）：16,(3)调(节)控基因,:,lac,I，编码乳糖阻抑物，单体存在时不具活性，四聚体形式存在时具有活性。,顺反子（Cistron):,基因的功能单位，一个顺反子就是一个遗传区段的结构 基因，常作为基因的同义词。,多顺反子mRNA（Polycistronic mRNA):,mRNA分子的一种，作为两种或更多的多肽链翻译的模板，是由DNA中的邻近顺反子所限定，如细菌的lacZ，lacY,lacA 基因。,17,(3)调(节)控基因:lacI，编码乳糖阻抑物，单体存在,乳糖操纵子的负调控机制：,当有葡萄糖存在时（下图）,18,乳糖操纵子的负调控机制：18,当只有乳糖存在时（下图）,异乳糖,诱导物的产生：乳糖 异乳糖（在透过酶和,-半乳糖苷酶的作用下）,19,当只有乳糖存在时（下图）异乳糖诱导物的产生：乳糖,IPTG（isopropyl-D thiogalactopyoanoside),诱导物：,同异乳糖,IPTG,20,IPTG（isopropyl-D thiogalact,-,半乳糖苷酶使X-gal显蓝色,分子克隆蓝白斑筛选原理,21,-半乳糖苷酶使X-gal显蓝色分子克隆蓝白斑筛选原理21,乳糖操纵子的正调控系统,细菌在葡萄糖、乳糖等碳源存在下，首先利用葡萄糖。当葡萄糖消耗快尽时，细菌启动正调控系统。该调节作用主要由cAMP-CAP正调控物质完成。,cAMP受体蛋白（,CRP,，cAMP receptor protein,),CRP,是一种转录激活因子,（Transcriptional activator),也称,分解代谢激活蛋白（,CAP,Catabolite activator protein,）,。,22,乳糖操纵子的正调控系统 细菌在葡萄糖、乳糖等,CAP（CRP)只有与cAMP结合形成cAMP-CAP复合体时才能与DNA结合，激活Plac,启动子,，促进RNA聚合酶的转录。,Plac启动子是弱启动子，缺少-35序列，只有弱的-10序列。,细胞中的cAMP(环腺苷酸）受葡萄糖的含量控制。,(1)当葡萄糖缺乏时，细胞中腺苷环化酶活力提高，cAMP含量升高，此时CAP与cAMP形成复合物，在诱导剂的作用下cAMP-CAP复合特定结合位点结合，引起DNA90弯曲，增强了RNA聚合酶与启动子的结合,，转录效率提高50倍。,23,CAP（CRP)只有与cAMP结合形成cAMP-CAP复合体,（2）当葡萄糖存在时,，,cAMP在细胞中的含量极低，二聚体的CAP不能与DNA结合，受其调控的基因（LacZYA)就不表达。,24,（2）当葡萄糖存在时，cAMP在细胞中的含量极低，二聚体的,25,25,CAP的结合位点,CAP与DNA的结合部位是一个反向重复序列,，,结合位点可能有3种情况,26,CAP的结合位点26,C,A,B,Summary,A:,RNA polymerase,B:,lac repressor,C:,CRP-cAMP,27,CABSummaryA:RNA polymerase27,The Trp Operon 色氨酸操纵子,生物细胞中的氨基酸合成也是由操纵子调节的,细胞需要某种氨基酸时其基因即表达,不需要时基因即关闭,达到经济的原则。目前有多种氨基酸合成的操纵子的结构已研究清楚,如色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等十余种,现在我们详细讨论色氨酸操纵子(,trp,)的基因表达的调控。,28,The Trp Operon 色氨酸操纵子 生物,结构与功能,The trp operon 编码色氨酸合成途径中的5个结构基因（下图），编码一个转录单元，产生7kb的转录物。当细胞内的色氨酸缺乏时，这些基因协同表达。,29,结构与功能29,Trp R基因 距trp基因族较远,产生阻抑物的基因,编码合成一个分子量为58kDa的阻遏蛋白.,Ptrp+O+trpL:调控元件,trpE:编码邻氨基苯甲酸合成酶,trpD:编码邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶,trpC;编码邻氨基苯甲酸异构酶,trpB:编码色氨酸合成酶,trpA:编码吲哚甘油-3-磷酸合成酶,30,Trp R基因 距trp基因族较远,产生阻抑物的基因,编码合,2.色氨酸操纵子的调控机制,色氨酸操纵子的阻遏系统,色氨酸操纵子的调控是在两个水平上进行的。第一水平是色氨酸操纵子的,阻遏系统,，其控制转录的启动与否；第二水平是色氨酸的,弱化系统,，其控制转录是否继续进行。,Trp R基因 编码合成阻遏蛋白.当细胞中的色氨酸缺乏时，阻遏蛋白以游离的形式存在，不能与操纵基因结合，色氨酸基因正常表达；当细胞中的色氨酸过量时，色氨酸与阻遏蛋白结合并形成二聚体，二聚体与操纵基因结合，色氨酸合成被阻断（下图）。,31,2.色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子的阻遏系统 色氨酸操,色氨酸称为辅阻遏物,(,Corepressor),32,色氨酸称为辅阻遏物32,色氨操纵子的弱化系统,弱化子（attenuator）,:在,trp,E编码序列的起始位点上游的162bp的trp,前导序列,内有一个不依赖,因子的终止子，在其发夹结构后有8个U，这个结构称为弱化子。,33,色氨操纵子的弱化系统 弱化子（attenuator）:在,前导RNA结构：,try,前导RNA由四个互补的区域组成，可形成各种不同的发夹结构，其中一个就是弱化子3-4的发夹结构。,34,前导RNA结构：try前导RNA由四个互补的区域组成，可形成,前导肽,The leader peptide,前导RNA序列中含有一个有效的,核糖体结合位点,并能形成由前导RNA第27-68号碱基所编码的14个氨基酸的前导肽,前导肽的作用是决定色氨酸的含量并控制转录的终止。,第10和第11,35,前导