【學(xué)習(xí)】第十一章原核基因表達(dá)調(diào)控ppt課件

1、Control of gene expression in prokaryote1 概概 述述2 乳糖支配子乳糖支配子3 色氨酸支配子色氨酸支配子4 應(yīng)急應(yīng)對(duì)應(yīng)急應(yīng)對(duì)5 RNA對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控6 翻譯對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控翻譯對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控7 小小 結(jié)結(jié) 1.1 幾個(gè)根本概念幾個(gè)根本概念 1.2 基因或支配子表達(dá)調(diào)控程度基因或支配子表達(dá)調(diào)控程度 1.3 調(diào)控的類型與特點(diǎn)調(diào)控的類型與特點(diǎn)1 概概 述述1.1.1 順式作用元件與反式作用因子順式作用元件與反式作用因子1.1.2 構(gòu)造基因與調(diào)控基因構(gòu)造基因與調(diào)控基因1.1.3 阻抑物、支配基因與支配子阻抑物、支配基因與支配子1.1.4 正

2、調(diào)控與負(fù)調(diào)控正調(diào)控與負(fù)調(diào)控1.1.5 誘導(dǎo)與阻遏誘導(dǎo)與阻遏1.1.1 順式作用元件與反式作用因子順式作用元件與反式作用因子 構(gòu)造基因構(gòu)造基因structural gene 編碼各類具有不同構(gòu)造和功能的蛋白質(zhì)和編碼各類具有不同構(gòu)造和功能的蛋白質(zhì)和RNA的的基因?；颉?調(diào)控基因調(diào)控基因regulator gene 編碼蛋白質(zhì)或編碼蛋白質(zhì)或RNA來調(diào)理其他基因表達(dá)的基因。來調(diào)理其他基因表達(dá)的基因。1.1.2 構(gòu)造基因與調(diào)控基因構(gòu)造基因與調(diào)控基因阻抑物阻抑物repressor: 阻止基因表達(dá)的蛋白質(zhì)，可與支配基因結(jié)合阻止基因表達(dá)的蛋白質(zhì)，可與支配基因結(jié)合來阻止轉(zhuǎn)錄或結(jié)合來阻止轉(zhuǎn)錄或結(jié)合RNA來阻止蛋

3、白質(zhì)的翻譯。來阻止蛋白質(zhì)的翻譯。支配基因支配基因operator: DNA上的一個(gè)位點(diǎn)，阻抑物能與之結(jié)合抑上的一個(gè)位點(diǎn)，阻抑物能與之結(jié)合抑制相鄰啟動(dòng)子起始轉(zhuǎn)錄。制相鄰啟動(dòng)子起始轉(zhuǎn)錄。支配子支配子operon: 細(xì)菌基因表達(dá)和調(diào)控的單位，包括構(gòu)造基因細(xì)菌基因表達(dá)和調(diào)控的單位，包括構(gòu)造基因和能被調(diào)控基因產(chǎn)物識(shí)別的和能被調(diào)控基因產(chǎn)物識(shí)別的 DNA控制元件?？刂圃?。1.1.3 阻抑物、支配基因與支配子阻抑物、支配基因與支配子 正調(diào)控正調(diào)控positive control: 調(diào)控因子經(jīng)過與啟調(diào)控因子經(jīng)過與啟動(dòng)子元件結(jié)合來激活基因的表達(dá)。動(dòng)子元件結(jié)合來激活基因的表達(dá)。負(fù)調(diào)控負(fù)調(diào)控negative con

4、trol: 阻抑物與支配基因阻抑物與支配基因結(jié)合來阻止基因的表達(dá)。結(jié)合來阻止基因的表達(dá)。1.1.4 正調(diào)控與負(fù)調(diào)控正調(diào)控與負(fù)調(diào)控1.1.5 誘導(dǎo)與阻遏誘導(dǎo)與阻遏1.2.1 轉(zhuǎn)錄程度轉(zhuǎn)錄程度 (1) DNA的構(gòu)造的構(gòu)造 (2) RNA聚合酶的功能聚合酶的功能 (3) 蛋白因子及其他小分子配基的相互作用蛋白因子及其他小分子配基的相互作用1.2.2 轉(zhuǎn)錄后程度轉(zhuǎn)錄后程度 (1) 翻譯的起始、延伸及終止翻譯的起始、延伸及終止 (2) 蛋白質(zhì)產(chǎn)物的加工、修飾、折疊及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)產(chǎn)物的加工、修飾、折疊及轉(zhuǎn)運(yùn)負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)控阻遏系統(tǒng)負(fù)控阻遏系統(tǒng)正控阻遏系統(tǒng)正控阻遏系統(tǒng)2.1

5、 乳糖支配子的構(gòu)造組成乳糖支配子的構(gòu)造組成2.2 乳糖支配子的調(diào)控模型乳糖支配子的調(diào)控模型The lac operon includes cis-actihng regulator elements and protein-coding structural genes2.2.1 乳糖支配子的負(fù)調(diào)控乳糖支配子的負(fù)調(diào)控2.2.2 乳糖支配子的正調(diào)控乳糖支配子的正調(diào)控(1) 負(fù)調(diào)控位點(diǎn)負(fù)調(diào)控位點(diǎn)-支配基因支配基因 位置位置; 序列特征序列特征(2) 調(diào)理因子調(diào)理因子-阻抑物阻抑物 構(gòu)造特征構(gòu)造特征; 活性控制活性控制(3) 阻抑物與支配基因的作用分析阻抑物與支配基因的作用分析(4) 乳糖支配子的負(fù)

6、控誘導(dǎo)系統(tǒng)乳糖支配子的負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)2.2.1 乳糖支配子的負(fù)調(diào)控乳糖支配子的負(fù)調(diào)控Repressor and RNA polymerase bind at sites that overlap around the transcription startpoint of the lac operon.-5+21Lac 支配基因的位置支配基因的位置 The lac operator has a symmetrical sequence. The sequence is numbered relative to the startpoint for transcription at +1. Lac

7、 支配基因的序列特征支配基因的序列特征Lac阻抑物的構(gòu)造特征阻抑物的構(gòu)造特征N endC endThe repressor tetramer consists of two dimers. Dimers are held together by contacts involving core domain 2 as well as by the oligomerization helix. The dimers are linked into the tetramer by the oligomerization interface.Repressor maintains the lac op

8、eron in the inactive condition by binding to the operator. The shape of the repressor is represented as a series of connected domains as revealed by its crystal structure Inducer changes the structure of the core so that the headpieces of a repressor dimer are no longer in an orientation that permit

9、s binding to DNA.Lac阻抑物的活性控制阻抑物的活性控制阻抑物與支配基因的作用分析阻抑物與支配基因的作用分析Lac repressor binds strongly and specifically to its operator, but is released by inducer. Virtually all the repressor in the cell is bound to DNA.Repression affects the sites at which repressor is bound on DNAThe three lac operators -83

10、+11 +410 O1 O3 O2 O1: AATTGTGAGCGGATAACAATTO2: AAATGTGAGCGAGTAACAACCO3: GGCAGTGAGCGCAACGCAATTCAPRNAPO3+O2+O1: 1300; O3+O1: 440; O1+O2:700; O3+O2:1.9; O3:1.0; O1:18; O2:1.0; No operators:1.0-foldIf both dimers in a repressor tetramer bind to DNA, the DNA between the two binding sites is held in a loo

11、p. 可以對(duì)支配子進(jìn)展誘導(dǎo)的小分子，其構(gòu)造可以對(duì)支配子進(jìn)展誘導(dǎo)的小分子，其構(gòu)造通常與支配子所表達(dá)的酶的底物的構(gòu)造一通常與支配子所表達(dá)的酶的底物的構(gòu)造一樣或類似。樣或類似。 -半乳糖苷含乳糖是半乳糖苷含乳糖是lacZYA基因編碼基因編碼的酶可識(shí)別的底物。的酶可識(shí)別的底物。 -半乳糖苷不存在時(shí)，乳糖支配子的表達(dá)程半乳糖苷不存在時(shí)，乳糖支配子的表達(dá)程度極低。參與度極低。參與-半乳糖苷可誘導(dǎo)乳糖支配子半乳糖苷可誘導(dǎo)乳糖支配子中三個(gè)構(gòu)造基因的轉(zhuǎn)錄。中三個(gè)構(gòu)造基因的轉(zhuǎn)錄。Glucose controls expression of lac operonAddition of inducer results

12、 in rapid induction of lac mRNA, and is followed after a short lag by synthesis of the enzymes; removal of inducer is followed by rapid cessation of synthesis. (1) 正調(diào)控位點(diǎn)正調(diào)控位點(diǎn)- CRP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn) 位置位置 序列特征序列特征(2) 調(diào)理因子調(diào)理因子- CRP 構(gòu)造特征構(gòu)造特征 活性控制活性控制(3) CAP與靶位點(diǎn)的作用與靶位點(diǎn)的作用The CRP protein can bind at different sites

13、 relative to RNA polymerase. CRP結(jié)合位點(diǎn)的位置結(jié)合位點(diǎn)的位置CRP-binding sites are close to the promoter-41, one- 61, two- 92, oneThe consensus sequence for CRP contains the well conserved pentamer TGTGA and (sometimes) an inversion of this sequence (TCANA). CRP結(jié)合位點(diǎn)序列特征結(jié)合位點(diǎn)序列特征CRP binds to a consensus sequence 一個(gè)由

14、兩個(gè)一樣亞基組成的二聚體，每個(gè)亞基一個(gè)由兩個(gè)一樣亞基組成的二聚體，每個(gè)亞基為為22.5 kDa, 二聚體可被單個(gè)分子二聚體可被單個(gè)分子cAMP激活。激活。 CRP單體含一個(gè)單體含一個(gè)DNA結(jié)合區(qū)和一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活區(qū)。結(jié)合區(qū)和一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活區(qū)。CRPCRP的構(gòu)造特征的構(gòu)造特征Cyclic AMP has a single phosphate group connected to both the 3 and 5 positions of the sugar ring. adenylate cyclaseATP cAMPBy reducing the level of cyclic AMP, gluco

15、se inhibits the transcription of operons that require CRP activity.The level of cyclic AMP is inversely related to the level of glucose. CRP的活性控制的活性控制cAMPCRP bends DNA 90 around the center of symmetry. CRP與靶位點(diǎn)的作用與靶位點(diǎn)的作用3.1 色氨酸支配子的構(gòu)造組成色氨酸支配子的構(gòu)造組成3.2 色氨酸支配子的調(diào)控模型色氨酸支配子的調(diào)控模型 3.2.1 trp支配子的阻遏系統(tǒng)支配子的阻遏系統(tǒng) 3.

16、2.2 衰減子對(duì)色氨酸支配子的表達(dá)調(diào)控衰減子對(duì)色氨酸支配子的表達(dá)調(diào)控 3.1 色氨酸支配子的構(gòu)造組成色氨酸支配子的構(gòu)造組成The Trp OperonNote:the order of the genes follows the order of the biosynthetic pathway (1) 輔阻遏蛋白對(duì)輔阻遏蛋白對(duì)trp支配子表達(dá)的調(diào)控支配子表達(dá)的調(diào)控 輔阻遏蛋白輔阻遏蛋白trpR的產(chǎn)物經(jīng)過與支配基因的結(jié)合與的產(chǎn)物經(jīng)過與支配基因的結(jié)合與否來控制構(gòu)造基因能否被轉(zhuǎn)錄。否來控制構(gòu)造基因能否被轉(zhuǎn)錄。 (2) 輔阻遏蛋白的活性控制輔阻遏蛋白的活性控制 輔阻遏蛋白的活性遭到色氨酸程度的控制，

17、色氨酸與輔阻遏蛋白的活性遭到色氨酸程度的控制，色氨酸與輔阻遏蛋白結(jié)合那么激活了輔阻遏蛋白，這樣輔阻遏蛋輔阻遏蛋白結(jié)合那么激活了輔阻遏蛋白，這樣輔阻遏蛋白就可與支配區(qū)白就可與支配區(qū)DNA結(jié)合，封鎖結(jié)合，封鎖trp支配子的表達(dá)。支配子的表達(dá)。3.2.1 trp支配子的阻遏系統(tǒng)支配子的阻遏系統(tǒng)(1) 前導(dǎo)序列和衰減子前導(dǎo)序列和衰減子(內(nèi)源性終止子內(nèi)源性終止子)的序列特征的序列特征(2) 色氨酸程度調(diào)控前導(dǎo)區(qū)和衰減子對(duì)應(yīng)色氨酸程度調(diào)控前導(dǎo)區(qū)和衰減子對(duì)應(yīng)RNA二級(jí)二級(jí)構(gòu)造構(gòu)造 (3) RNA的可變性二級(jí)構(gòu)造調(diào)控衰減作用的可變性二級(jí)構(gòu)造調(diào)控衰減作用3.2.2 衰減子對(duì)色氨酸支配子的表達(dá)調(diào)控衰減子對(duì)色氨酸支

18、配子的表達(dá)調(diào)控(1)前導(dǎo)序列和衰減子前導(dǎo)序列和衰減子(內(nèi)源性終止子內(nèi)源性終止子)的序列特的序列特征征(2) 色氨酸程色氨酸程度調(diào)控前導(dǎo)區(qū)度調(diào)控前導(dǎo)區(qū)和衰減子對(duì)應(yīng)和衰減子對(duì)應(yīng)RNA二級(jí)構(gòu)造二級(jí)構(gòu)造143212344.1 定定 義義4.2 產(chǎn)生的核酸堆積物產(chǎn)生的核酸堆積物- (p)ppGpp4.3 (p)ppGpp的產(chǎn)活力制的產(chǎn)活力制4.4 (p)ppGpp的作用的作用 應(yīng)急應(yīng)對(duì)應(yīng)急應(yīng)對(duì)stringent response： 當(dāng)細(xì)菌發(fā)現(xiàn)它們處于很差的生長環(huán)境，當(dāng)細(xì)菌發(fā)現(xiàn)它們處于很差的生長環(huán)境，沒有足夠的氨基酸來維持蛋白質(zhì)合成時(shí)，沒有足夠的氨基酸來維持蛋白質(zhì)合成時(shí)，它們就會(huì)停頓大部分活動(dòng)，這種景象稱

19、為它們就會(huì)停頓大部分活動(dòng)，這種景象稱為應(yīng)急應(yīng)對(duì)。應(yīng)急應(yīng)對(duì)。 應(yīng)急應(yīng)對(duì)產(chǎn)生兩種非正常的核酸堆積物應(yīng)急應(yīng)對(duì)產(chǎn)生兩種非正常的核酸堆積物有時(shí)又稱預(yù)警子有時(shí)又稱預(yù)警子(alarmone)，即，即ppGpp和和pppGpp，統(tǒng)稱，統(tǒng)稱(P)PPGPP。 應(yīng)急因子應(yīng)急因子RelA是一種是一種(p)ppGpp合成酶，約合成酶，約與與5%的核糖體結(jié)合在一同。的核糖體結(jié)合在一同。 當(dāng)當(dāng)A位被空載位被空載tRNA占據(jù)時(shí)，占據(jù)時(shí)， RelA被激活。被激活。 一個(gè)空載一個(gè)空載tRNA進(jìn)入進(jìn)入A位就生成一個(gè)位就生成一個(gè)(p)ppGppStringent factor catalyzes the synthesis of

20、pppGpp and ppGpp; ribosomal proteins can dephosphorylate pppGpp to ppGpp. 應(yīng)急應(yīng)對(duì)使得應(yīng)急應(yīng)對(duì)使得rRNA和和tRNA的合成量的合成量大幅減少大幅減少10-20%，一些，一些mRNA的合成的合成也減少也減少1/3。蛋白質(zhì)的降解速率添加，。蛋白質(zhì)的降解速率添加，許多代謝調(diào)理作用開場(chǎng)發(fā)生。許多代謝調(diào)理作用開場(chǎng)發(fā)生。Nucleotide levels control initiation of rRNA transcription. 5.1 反義反義RNA抑制基因表達(dá)抑制基因表達(dá)5.2 小小RNA分子調(diào)理翻譯分子調(diào)理翻譯5.3

21、 RNA干擾與基因沉默干擾與基因沉默5.1.1 反義基因和反義反義基因和反義RNA的定義的定義5.1.2 反義反義RNA技術(shù)及作用原理技術(shù)及作用原理 反義基因反義基因 (Antisense gene): 是指相對(duì)于啟動(dòng)子的方向，將基因反向，從而轉(zhuǎn)錄出是指相對(duì)于啟動(dòng)子的方向，將基因反向，從而轉(zhuǎn)錄出“反義反義RNA鏈給與正義鏈給與正義RNA互補(bǔ)，此時(shí)的基因稱互補(bǔ)，此時(shí)的基因稱反義基因。反義基因。反義反義RNA (Antisense RNA): 能與特異能與特異mRNA分子互補(bǔ)結(jié)合的一段分子互補(bǔ)結(jié)合的一段RNA分子。分子。反義反義RNARNA技術(shù)：技術(shù)： 利用基因重組技術(shù)，構(gòu)建人工表達(dá)載體，使其離體

22、或體內(nèi)表達(dá)利用基因重組技術(shù)，構(gòu)建人工表達(dá)載體，使其離體或體內(nèi)表達(dá)反義反義RNARNA，從而抑制靶基因的表達(dá)，從而抑制靶基因的表達(dá) 。作用原理作用原理: :1 1復(fù)制程度：與引物復(fù)制程度：與引物RNARNA互補(bǔ)結(jié)合，抑制互補(bǔ)結(jié)合，抑制DNADNA復(fù)制。復(fù)制。2 2轉(zhuǎn)錄程度：與轉(zhuǎn)錄程度：與mRNA 5mRNA 5末端互補(bǔ)結(jié)合，阻止帽子構(gòu)造構(gòu)成；末端互補(bǔ)結(jié)合，阻止帽子構(gòu)造構(gòu)成；作用于外顯子和內(nèi)含子銜接區(qū)，阻止前作用于外顯子和內(nèi)含子銜接區(qū)，阻止前mRNAmRNA的剪接；的剪接； 作用于作用于poly Apoly A構(gòu)成位點(diǎn)，阻止構(gòu)成位點(diǎn)，阻止mRNAmRNA的成熟及其向胞漿中的轉(zhuǎn)運(yùn)的成熟及其向胞漿中的

23、轉(zhuǎn)運(yùn). .3 3翻譯程度：能夠是最主要方面，互補(bǔ)于起始位點(diǎn)阻止核糖翻譯程度：能夠是最主要方面，互補(bǔ)于起始位點(diǎn)阻止核糖體結(jié)合；互補(bǔ)于編碼區(qū)阻止核糖體在體結(jié)合；互補(bǔ)于編碼區(qū)阻止核糖體在mRNAmRNA上挪動(dòng)；降解靶上挪動(dòng)；降解靶mRNA mRNA 5.2.1 小小RNA分子調(diào)理翻譯機(jī)制分子調(diào)理翻譯機(jī)制5.2.2 細(xì)菌內(nèi)含有調(diào)理因子細(xì)菌內(nèi)含有調(diào)理因子RNA5.2.3 真核生物中含有的微小調(diào)理因子真核生物中含有的微小調(diào)理因子RNA 調(diào)理因子調(diào)理因子RNA經(jīng)過與靶經(jīng)過與靶RNA構(gòu)成雙鏈區(qū)域來構(gòu)成雙鏈區(qū)域來行使功能，雙鏈體可以：行使功能，雙鏈體可以： 阻遏翻譯起始；阻遏翻譯起始；產(chǎn)生一個(gè)核酸內(nèi)切酶作用靶點(diǎn)

24、；引起轉(zhuǎn)錄終止。產(chǎn)生一個(gè)核酸內(nèi)切酶作用靶點(diǎn)；引起轉(zhuǎn)錄終止。By binding to a target RNA to form a duplex region, a regulator RNA may create a site that is attacked by a nuclease. 細(xì)菌中的調(diào)理因子細(xì)菌中的調(diào)理因子RNA是短的分子，是短的分子，統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為sRNA。 E.coli 至少包含至少包含17種不同種不同sRNA，有，有一些一些sRNA是普遍的調(diào)理因子，可以影是普遍的調(diào)理因子，可以影響許多靶基因。響許多靶基因。Oxy R可被可被H2O2刺激表達(dá)的基因刺激表達(dá)的基因Oxy S 靶基因之一靶基因之一 Oxy S RNA 109 堿基堿基一種在轉(zhuǎn)錄后程度影響基因表達(dá)的反式作用調(diào)理因子一種在轉(zhuǎn)錄后程度影響基因表達(dá)的反式作用調(diào)理因子超越超越10個(gè)靶基因個(gè)靶基因轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄氧化應(yīng)急反響展現(xiàn)了氧化應(yīng)急反響展現(xiàn)了RNA作為調(diào)理因