第九章 微生物基因表達的調控.ppt

第九章微生物基因表達的調控 概述 Introduction 基因表達 geneexpression 基因轉錄及翻譯的過程 生物基因組中結構基因所攜帶的遺傳信息 經過轉錄 翻譯等一系列過程 合成具有特定的生物學功能和生物學效應的蛋白質的全過程 中心法則 thecentraldogma 基因表達是受調控的 不是所有的基因表達都產生蛋白質 rRNA或tRNA的基因經轉錄和轉錄后加工產生成熟的rRNA或tRNA 也是rRNA或tRNA的基因表達 因為rRNA或tRNA就具有在蛋白質翻譯方面的功能 但是 基因表達 轉錄 翻譯 大腸桿菌基因組 約4000個基因 一般情況下只有5 10 在高水平轉錄狀態(tài) 其它基因有的處于較低水平的表達 或者暫時不表達 人的基因組約含有10萬個基因 但在一個組織細胞中通常只有一部分基因表達 多數基因處在沉靜狀態(tài) 典型的哺乳類細胞中開放轉錄的基因約在1萬個上下 即使蛋白質合成量比較多 基因開放比例較高的肝細胞 一般也只有不超過20 的基因處于表達狀態(tài) 生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達出來的 基因表達的時間性及空間性 temporalandspatialspecificity 時間特異性 temporalspecificity 某一基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生Hb hemoglobin 珠蛋白基因簇 胚胎型 珠蛋白基因簇 胚胎型 胎兒型 2 2 2 2 2 2 空間特異性 spatialspecificity 在個體生長全過程 某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現同形異位現象 homeosis 果蠅頭部長觸角部位長出腳來同形異位盒基因 homeobox 高度保守的一段核苷酸序列 180bp 控制胚胎發(fā)育的基因 基因表達的方式 1 組成性基因表達 constitutivegeneexpression 指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達 管家基因與奢侈基因產物是細胞或生物體整個生命過程中都持續(xù)需要而必不可少的 這類基因也稱為看家基因 house keepinggene 管家基因 在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因 奢侈基因 luxurygene 只在特定的細胞類型中表達的基因 基因表達的方式 2 適應性表達 adaptiveexpression 指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達 誘導和阻遏表達誘導 induction 可誘導基因在特定環(huán)境信號刺激下表達增強的過程 DNA損傷 修復酶基因激活乳糖 利用乳糖的三種酶表達阻遏 repression 可阻遏基因表達產物水平降低的過程色氨酸 色氨酸合成酶系 基因表達的方式 3 協調表達協調表達在一定機制控制下 功能上相關的一組基因 無論其為何種表達方式 均需協調一致 共同表達 即為協調表達 coordinateexpression 基因表達的調控方式 阻遏負調控 調控蛋白 DNA序列基因的表達 相應蛋白質降低 促進正調控 調控蛋白 DNA序列基因的表達 相應蛋白質增加 五 基因表達調控的基本原理 基因表達的多級調控 轉錄水平的調控transcriptionallevel 轉錄激活 轉錄起始 轉錄后水平的調控post transcriptionallevel 轉錄后加工 運輸 mRNA降解 翻譯水平的調控translationlevel 翻譯的起始 翻譯后水平的調控post translationlevel翻譯后的加工 轉運 多肽鏈的分解 基因表達調控的生物學意義適應環(huán)境 維持生長和增殖維持個體發(fā)育與分化 原核生物中 營養(yǎng)狀況 nutritionalstatus 和環(huán)境因素 environmentalfactor 對基因表達起著舉足輕重的影響 真核生物尤其是高等真核生物中 激素水平 hormonelevel 和發(fā)育階段 developmentalstage 是基因表達調控的最主要手段 營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降 在轉錄水平上對基因表達的調控決定于DNA的結構 RNA聚合酶的功能 蛋白因子及其他小分子配基的相互作用 原核生物基因表達調控主要在轉錄水平 其次是翻譯水平 因為細菌mRNA在形成過程中與核糖體混合在一起 所以 細菌的轉錄與翻譯過程幾乎發(fā)生在同一時間間隔內 轉錄與翻譯相耦聯 coupledtranscriptionandtranslation 真核生物中 轉錄產物 primarytranscript 只有從核內運轉到核外 才能被核糖體翻譯成蛋白質 原核生物的共有序列原核生物的啟動序列 在距離轉錄起始點 10區(qū)和 35區(qū)往往含有一些重要的保守序列 共有序列 10區(qū) 含TATAAT序列 又稱Pribnow盒 35區(qū) 含TTGACA序列 RNA聚合酶結合部位決定轉錄起始點 共有序列 consensussequence 決定啟動序列的轉錄活性大小 某些特異因子 蛋白質 決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結合能力 阻遏蛋白 repressor 的結合位點 當操縱序列結合有阻遏蛋白時 會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合 或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動 阻礙轉錄 操縱序列 可結合啟動序列鄰近的DNA序列 促進RNA聚合酶與啟動序列的結合 增強RNA聚合酶活性 激活蛋白 activator 有些基因在沒有激活蛋白存在時 RNA聚合酶很少或完全不能結合啟動序列 操縱子模型的提出 莫洛 Monod 和雅各布 Jacob 獲1965年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎 第一節(jié)轉錄水平的調控 controloftranscription 操縱子 operon 原核生物中幾個功能相關的結構基因成簇串聯排列組成的一個基因表達的協同單位 DNA序列 一個操縱子 編碼序列 2 6 啟動序列 操縱序列 其他調節(jié)序列 DiscoveryofOperon 1940年 Monod發(fā)現 細菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時 細菌先利用葡萄糖 葡萄糖用完后 才利用乳糖 在糖源轉變期 細菌的生長會出現停頓 即產生 二次生長曲線 文獻 細胞中存在兩種酶 即組成酶與適應酶 誘導酶 1947年 報告 酶的適應現象及其在細胞分化中的意義 1951年 Monod與Jacob合作 發(fā)現兩對基因 Z基因 與合成 半乳糖苷酶有關 I基因 決定細胞對誘導物的反應 Szilard I基因決定阻遏物的合成 當阻遏物存在時 酶無法合成 只有有誘導物存在 才能去掉該阻遏物 Jacob 結構基因旁有開關基因 即操縱基因 阻遏物通過與開關基因的結合 控制結構基因的表達 乳糖操縱子的發(fā)現 細菌以葡萄糖為能量來源葡萄糖充分時 與葡萄糖代謝有關的酶基因 表達與其他糖代謝有關的酶基因 關閉葡萄糖耗盡時 乳糖存在 培養(yǎng)基 與乳糖代謝有關的酶基因 表達與葡萄糖代謝有關的酶基因 關閉 I P O Z Y a 調控基因控制位點結構基因 DNA 阻遏蛋白 啟動序列 cAMP CAP結合位點 操縱序列 半乳糖苷酶 通透酶 乙酰基轉移酶 乳糖操縱子 lactoseopron 結構 RNA聚合酶結合位點 沒有乳糖存在時 阻遏蛋白的負性調節(jié) 有乳糖存在時 無葡萄糖 cAMP濃度高時 有葡萄糖 cAMP濃度低時 CAP的正性調節(jié) CAP 分解物基因激活物蛋白 可促進乳糖利用 但須與cAMP結合才有活性 阻遏基因轉錄翻譯阻遏蛋白R R與操縱基因結合 阻止結合在啟動子上的DDRP前移 結構基因不被轉錄 1 無乳糖也無葡萄糖存在時 2 當無乳糖 有葡萄糖時 由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活 乳糖操縱子關閉 另外 由于有葡萄糖 cAMP含量低 CAP的正性調節(jié)不起作用 總結 所以 無乳糖時 無論有無葡萄糖 操縱子關閉 由于有葡萄糖 cAMP含量低 CAP的正性調節(jié)不起作用 抑制乳糖操縱子的轉錄 使細菌只能利用葡萄糖 3 既有乳糖 又有葡萄糖時 乳糖與阻遏蛋白結合 使阻遏蛋白變構 失去與操縱基因結合的能力而脫落 由于不含葡萄糖 細胞內cAMP含量高 cAMP與CAP結合成復合物 與DNA結合 并推動DDRP向前移動 促進轉錄 4 有乳糖 無葡萄糖時 乳糖與阻遏蛋白結合 使阻遏蛋白變構 失去與操縱基因結合的能力而脫落 結合在啟動子上的DDRP向前移動 結構基因被轉錄翻譯 合成與乳糖代謝有關的酶類從而利用乳糖 所以 有乳糖時 只有沒有葡萄糖 操縱子才開放有葡萄糖存在 操縱子關閉 I O O 誘導劑 乳糖操縱子的負調控 圖15 4 CAP cAMP復合物在乳糖操縱子表達中的作用 正調控 條件2 低乳糖 條件3 低乳糖 條件4 高葡萄糖低cAMP高乳糖 Lac阻遏蛋白封閉轉錄時 CAP對該系統不發(fā)揮作用 條件1 低葡萄糖高cAMP高乳糖 Lac阻遏蛋白不封閉轉錄時 沒有CAP存在 也無高效轉錄活性 Lac阻遏蛋白不封閉轉錄 CAP cAMP加強轉錄 O O O O O 圖15 5 協調調節(jié) coordinateregulation 負性調節(jié)與正性調節(jié)協調合作阻遏蛋白封閉轉錄時 CAP不發(fā)揮作用如沒有CAP加強轉錄 即使阻遏蛋白從P上解聚仍無轉錄活性 葡萄糖 乳糖共同存在時 細菌優(yōu)先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP濃度 阻礙其與CAP結合從而抑制轉錄結論 lac操縱子強的誘導作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖 IPTG 異丙基硫代半乳糖苷 極強的誘導劑 1 RNA編輯 RNAediting 2 mRNA前體的選擇性拼接3 反義RNA的調控反義RNA的調控是指真核生物基因組中 某些調節(jié)基因轉錄所產生的RNA可與基因組DNA或RNA序列互補 形成雜交體 阻斷或減弱基因轉錄或翻譯的調控機制 這些調節(jié)基因所產生的RNA稱之為反義RNA 轉錄后水平的調控 mRNA的加工原核生物的mRNA往往一產生就是成熟的 不需轉錄后的修飾加工 真核生物基因的初始轉錄產物則一般缺乏生物活性 必須經過剪接加工后成為有活性的成熟mRNA分子 它們需從細胞核轉移到細胞質內 指導蛋白質的合成 真核生物mRNA的加工主要包括在mRNA的5 末端加 帽子 在3 端加上多聚腺苷酸尾巴以及進行RNA的剪接 真核生物RNA的剪接有三類 第一類是依靠內含子的特殊結構而能自發(fā)地進行剪接 第二類是蛋白質 酶 促剪切 第三類是需要一種細胞核小分子核糖核蛋白參與剪接的方式 真核生物mRNA的剪接就是這種方式 翻譯水平的調控 mRNA的穩(wěn)定性 mRNA的降解速度受細菌的生理狀態(tài) 環(huán)境因素及mRNA結構的影響 翻譯產物對翻譯的影響小分子RNA的調控作用mRNA干擾性互補RNA micRNA 或反義RNA antisenseRNA 調整基因表達產物的類型低水平表達基因的控制 真核生物基因表達的調控 DNA水平的調控轉錄水平的調控轉錄后水平的調控翻譯水平的調控翻譯后水平的調控 真核基因組結構特點 真核基因組結構龐大3 109bp單順反子含有大量重復序列基因不連續(xù)性內含子外顯子非編碼區(qū)較多多于編碼序列 9 1 一 真核基因組結構特點 一 真核基因組結構龐大 二 單順反子 單順反子 monocistron 即一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子 經翻譯生成一條多肽鏈 三 重復序列 正向重復 反向重復 四 基因不連續(xù)性 斷裂基因 基本概念順式作用元件和反式作用因子基因活性的調控主要通過反式作用因子 通常是蛋白質 與順式作用元件 通常在DNA上 相互作用而實現 順式作用元件 cis actingelement 對基因表達有調節(jié)活性的DNA序列 其活性只影響與其自身同處在一個DNA分子上的基因 通常不編碼蛋白質 多位于基因旁側或內含子中 如啟動子 反式作用因子 trans actingfactor 通過擴散自身表達產物 酶 調節(jié)蛋白 控制其他基因的表達 如轉錄因子 其編碼基因與其識別或結合靶核苷酸序列不在同一個DNA分子上 基因表達的調節(jié)控制基本上是反式作用因子與順式作用元件的相互作用 反式作用因子只識別DNA上非常短的一段序列 順式元件 結構基因和調控基因結構基因 structuralgenes 編碼蛋白質或RNA的任何基因 原核生物的結構基因一般成簇排列 真核生物獨立存在 結構基因簇由單一啟動子共同調控 調節(jié)基因 regulatorgenes 參與其他基因表達調控的RNA或蛋白質的編碼基因 調節(jié)基因編碼的調節(jié)物質通過與DNA上的特定位點結合控制轉錄是調控的關鍵 調節(jié)物與DNA特定位點的相互作用能以正調控方式 啟動或增強基因表達活性 調節(jié)靶基因 也能以負調控方式 關閉或降低基因表達活性 調節(jié)靶基因 啟動子和終止子 啟動子 promoter P 能被RNA聚合酶識別 結合并啟動基因轉錄的一段DNA序列 終止子 terminator T 給予RNA聚合酶轉錄終止信號的DNA序列 啟動子和終止子屬于順式作用元件 而RNA聚合酶為反式作用因子 啟動子 真核基因啟動子是RNA聚合酶結合位點周圍的一組轉錄控制組件 至少包括一個轉錄起始點以及一個以上的功能組件 增強子 enhancer 指遠離轉錄起始點 決定基因的時間 空間特異性 增強啟動子轉錄活性的DNA序列 其發(fā)揮作用的方式通常與方向 距離無關 在轉錄起始點5 或3 側均能起作用 相對于啟動子的任一指向均能起作用 發(fā)揮作用與受控基因的遠近距離相對無關 對異源性啟動子也能發(fā)揮作用 通常具有一些短的重復順序 特點 增強子 沉默子 silencer 某些基因的負性調節(jié)元件 當其結合特異蛋白因子時 對基因轉錄起阻遏作用 同一DNA序列可被不同蛋白質識別同一蛋白質因子可與多種不同DNA序列發(fā)生聯系 少數是直接結合 多數是蛋白質 蛋白質相互作用后再影響DNA 蛋白質 蛋白質或DNA 蛋白質的結合 均導致構象上的微細變化 構象變化常是實現調控功能的分子基礎 反式作用因子在自身生物合成過程中 有相當大的可變性和可塑性 反式作用因子 操縱基因和阻抑蛋白 操縱基因 operatorgene 能被調控蛋白特異性結合的一段DNA序列 當調控蛋白結合在操縱基因序列上 會影響其下游基因轉錄的強弱 與操縱基因結合后能減弱或阻止其調控基因轉錄的調控蛋白稱為阻遏蛋白 repressiveprotein 其介導的調控方式稱為負性調控 negativeregulation 細菌通常為負調控 與操縱基因結合后能增強或起動其調控基因轉錄的調控蛋白稱為激活蛋白 activatingprotein 所介導的調控方式稱為正性調控 positiveregulation 轉錄因子 轉錄因子 轉錄起始過程中 RNA聚合酶所需要的輔助因子 轉錄因子參與正調控的反式作用因子 正調控和負調控的共同點 調控蛋白都是反式作用因