原核生物的基因表達(dá)調(diào)控

1、1第第12章章 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控Section 12 Regulation of gene expression in Prokaryotes2v原核生物的基因表達(dá)調(diào)控概述原核生物的基因表達(dá)調(diào)控概述基因表達(dá)(gene expression)就是指某一基因指導(dǎo)下的蛋白質(zhì)合成,蛋白質(zhì)是基因表達(dá)的產(chǎn)物?；虮磉_(dá)調(diào)控是生物體內(nèi)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制機(jī)制，使細(xì)胞中基因表達(dá)的過程在時間、空間上處于有序狀態(tài)，并對環(huán)境條件的變化做出適當(dāng)反應(yīng)的復(fù)雜過程。3基因表達(dá)調(diào)控包括：基因水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平、翻譯水平和翻譯后水平的調(diào)控。原核基因表達(dá)調(diào)控的特點與方式調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，有正

2、負(fù)調(diào)控兩種機(jī)制；細(xì)胞要調(diào)控各種蛋白質(zhì)在不同時期的表達(dá)水平有兩條途徑：1）DNA模板轉(zhuǎn)錄的速度（轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控）2）mRNA翻譯的速度（翻譯水平的調(diào)控）45v操縱子學(xué)說操縱子學(xué)說 Theory of Operon操縱子學(xué)說是關(guān)于原核生物基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控的學(xué)說。 細(xì)菌基因表達(dá)調(diào)控的許多原理是在研究E.coli乳糖代謝調(diào)節(jié)時被發(fā)現(xiàn)的。1961年法國巴斯德研究院的Francois Jacob與Jacques Monod在法國科學(xué)院院報(Proceeding of theFrench Academy of Sciences)上發(fā)表了一篇論文,提出乳糖代謝中的兩個基因被一靠近它們的遺傳因子所調(diào)節(jié)。這二

3、個基因編碼半乳糖苷酶(-galactosidase)和半乳糖苷透過酶(galactoside penmase)。前者能水解乳糖成為半乳糖和葡萄糖,后者將乳糖運輸?shù)郊?xì)胞之中。6在在論文中他們首先提出了操縱子(operon)和操縱基因(operator)的概念,他們的操縱子學(xué)說(theory of operon)使我們得以從分子水平認(rèn)識基因表達(dá)的調(diào)控,是一個劃時代的突破。他們二人于1965年榮獲諾貝爾生理學(xué)獎。目前發(fā)現(xiàn)的操縱子主要有：（1）乳糖操縱子 （2）色氨酸操縱子 （3）阿拉伯糖操縱子（4） 組氨酸操縱子 7操縱子概念操縱子概念: 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄的功能單位，是基因表達(dá)和調(diào)控的單元。典型的的功能單位

4、，是基因表達(dá)和調(diào)控的單元。典型的操縱子包括了結(jié)構(gòu)基因，調(diào)控元件以及調(diào)控基因。操縱子包括了結(jié)構(gòu)基因，調(diào)控元件以及調(diào)控基因。 Control elementsStructural genes操縱子模型圖操縱子模型圖81.Promoter binding2. DNA Unwinding and initiation三聚復(fù)合物閉合復(fù)合物開放復(fù)合物3. ElongationDNA解旋區(qū)(轉(zhuǎn)錄泡)912bp17bp3. Elongation10Termination (1)不依賴不依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止(Rho-indepent termination)發(fā)夾結(jié)構(gòu)發(fā)夾結(jié)構(gòu)特點特點:回文回文序列中富

5、序列中富含含G.C堿堿基對基對,在回在回文序列的文序列的下游方向下游方向又常有又常有6個個8個個AT堿基對；堿基對；1112(2) 依賴依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止因子的轉(zhuǎn)錄終止 (Rho-depent termination)結(jié)合RNA上72個核甘酸發(fā)夾結(jié)構(gòu)特發(fā)夾結(jié)構(gòu)特點點:依賴依賴因因子的終止子子的終止子中回文序列中回文序列的的G-C對含對含量較少。在量較少。在回文序列下回文序列下游方向的序游方向的序列沒有固定列沒有固定特征特征,其其A-T對含量比前對含量比前一種終止子一種終止子低低。 13Control elementsStructural genes結(jié)構(gòu)基因：結(jié)構(gòu)基因：編碼大量功能各異的蛋白質(zhì)的

6、編碼大量功能各異的蛋白質(zhì)的DNA序列。序列。這些蛋白質(zhì)包括了細(xì)胞和組織器官基本成分的結(jié)構(gòu)這些蛋白質(zhì)包括了細(xì)胞和組織器官基本成分的結(jié)構(gòu)蛋白、有催化活性的酶和各種調(diào)節(jié)蛋白等。蛋白、有催化活性的酶和各種調(diào)節(jié)蛋白等。調(diào)節(jié)基因：調(diào)節(jié)基因：編碼合成那些參與基因表達(dá)調(diào)控的RNA和蛋白質(zhì)的特異DNA序列。調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物通過與DNA 上的特定位點結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄，是調(diào)控的關(guān)鍵。調(diào)控元件：調(diào)控元件：如操縱序列操縱序列，是調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。14The lac operon 乳糖操縱子乳糖操縱子u結(jié)構(gòu)與功能（1）結(jié)構(gòu)基因:lac Z編碼-半乳糖苷酶, 將乳糖乳糖水解為半乳糖半乳糖和葡萄糖葡萄糖；la

7、cY編碼-半乳糖苷透性酶, 將乳糖從細(xì)胞外運進(jìn)細(xì)胞內(nèi)；lac A編碼硫代半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶，催化將乙酰基團(tuán)從乙酰輔酶A轉(zhuǎn)移到-半乳糖苷半乳糖苷分子上。15(2) 調(diào)控元件調(diào)控元件: Plac啟動子、lac操縱基因(其中含有Olac結(jié)合位點) 操縱基因操縱基因(oprator)：控制基因，與啟動子相鄰，與調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物結(jié)合共同控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。 Olac結(jié)合位點（操縱序列結(jié)合位點）結(jié)合位點（操縱序列結(jié)合位點）：28bp堿基組成回文結(jié)構(gòu)，與四聚體的乳糖阻抑（遏）物緊密結(jié)合，阻礙lac ZYA的轉(zhuǎn)錄。阻抑（遏）物（阻抑（遏）物（repressor）：是負(fù)調(diào)控系統(tǒng)中由調(diào)節(jié)基因(lacI)編碼的調(diào)節(jié)蛋

8、白，可于操縱基因結(jié)合，調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。16順式作用元件（順式作用元件（cis-acting element）： 指對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，在基因的同一條DNA分子上。如啟動子、增強(qiáng)子、終止子、操縱基因等。反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor)）：）： 參與基因表達(dá)調(diào)控的因子, 它們與特異的靶基因的順式元件結(jié)合起作用。編碼反式作用因子的基因與被反式作用因子調(diào)控的靶序列(基因)不在同一染色體上。反式作用因子有兩個重要的功能結(jié)構(gòu)域:DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域和轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)域,它們是其發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能的必需結(jié)構(gòu)。反式作用因子可被誘導(dǎo)合成, 其活性也受多種因素的調(diào)節(jié)。如

9、RNA聚合酶、CRP等。17(3) 調(diào)調(diào)(節(jié)節(jié))控基因控基因: lacI，編碼乳糖阻抑物，單體存在時不具活性，四聚體形式存在時具有活性。順反子（順反子（Cistron): 基因的功能單位，一個順反子就是一個遺傳區(qū)段的結(jié)構(gòu) 基因，常作為基因的同義詞。多順反子多順反子mRNA（Polycistronic mRNA): mRNA分子的一種，作為兩種或更多的多肽鏈翻譯的模板，是由DNA中的鄰近順反子所限定，如細(xì)菌的lacZ，lacY, lacA 基因。18u乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控機(jī)制：乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控機(jī)制：當(dāng)有葡萄糖存在時（下圖）當(dāng)有葡萄糖存在時（下圖） 19當(dāng)只有乳糖存在時（下圖）當(dāng)只有乳糖存在時（下

10、圖）異乳糖誘導(dǎo)物的產(chǎn)生：乳糖誘導(dǎo)物的產(chǎn)生：乳糖 異乳糖（在透過酶和異乳糖（在透過酶和-半乳糖苷酶的作用下）半乳糖苷酶的作用下）20IPTG（isopropyl- -D thiogalactopyoanoside)誘導(dǎo)物：同異乳糖IPTG21- 半乳糖苷酶使X-gal顯藍(lán)色分子克隆藍(lán)白斑篩選原理分子克隆藍(lán)白斑篩選原理22u乳糖操縱子的正調(diào)控系統(tǒng)乳糖操縱子的正調(diào)控系統(tǒng) 細(xì)菌在葡萄糖、乳糖等碳源存在下，首先利用葡萄糖。當(dāng)葡萄糖消耗快盡時，細(xì)菌啟動正調(diào)控系統(tǒng)。該調(diào)節(jié)作用主要由cAMP-CAP正調(diào)控物質(zhì)完成。cAMP受體蛋白（受體蛋白（ CRP ，cAMP receptor protein)CRP是一種

11、轉(zhuǎn)錄激活因子（Transcriptional activator), 也稱分解代謝激活蛋白（CAP,Catabolite activator protein）。23CAP（CRP)只有與cAMP結(jié)合形成cAMP-CAP復(fù)合體時才能與DNA結(jié)合，激活Plac啟動子，促進(jìn)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄。Plac啟動子是弱啟動子，缺少-35序列，只有弱的-10序列。細(xì)胞中的cAMP(環(huán)腺苷酸）受葡萄糖的含量控制。(1) 當(dāng)葡萄糖缺乏時，細(xì)胞中腺苷環(huán)化酶活力提高，cAMP含量升高，此時CAP與cAMP形成復(fù)合物，在誘導(dǎo)劑的作用下cAMP-CAP復(fù)合特定結(jié)合位點結(jié)合，引起DNA90彎曲，增強(qiáng)了RNA聚合酶與啟動子的

12、結(jié)合，轉(zhuǎn)錄效率提高轉(zhuǎn)錄效率提高50倍。倍。24（2）當(dāng)葡萄糖存在時）當(dāng)葡萄糖存在時， cAMP在細(xì)胞中的含量極低，在細(xì)胞中的含量極低，二聚體的二聚體的CAP不能與不能與DNA結(jié)合，受其調(diào)控的基因結(jié)合，受其調(diào)控的基因（LacZYA)就不表達(dá)。就不表達(dá)。2526CAP的結(jié)合位點的結(jié)合位點CAP與與DNA的結(jié)合部位是一個反向重復(fù)序列的結(jié)合部位是一個反向重復(fù)序列，結(jié)合位點結(jié)合位點可能有可能有3種情況種情況27C ABSummaryA: RNA polymeraseB: lac repressor C: CRP-cAMP28The Trp Operon 色氨酸操縱子色氨酸操縱子 生物細(xì)胞中的氨基酸合成也

13、是由操縱子調(diào)節(jié)的,細(xì)胞需要某種氨基酸時其基因即表達(dá),不需要時基因即關(guān)閉,達(dá)到經(jīng)濟(jì)的原則。目前有多種氨基酸合成的操縱子的結(jié)構(gòu)已研究清楚,如色氨酸、蘇氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸等十余種,現(xiàn)在我們詳細(xì)討論色氨酸操縱子(trp)的基因表達(dá)的調(diào)控。 29 結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)與功能The trp operon 編碼色氨酸合成途徑中的5個結(jié)構(gòu)基因（下圖），編碼一個轉(zhuǎn)錄單元，產(chǎn)生7kb的轉(zhuǎn)錄物。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的色氨酸缺乏時，這些基因協(xié)同表達(dá)。30Trp R基因 距trp基因族較遠(yuǎn),產(chǎn)生阻抑物的基因,編碼合成一個分子量為58kDa的阻遏蛋白.Ptrp+O+trpL:調(diào)控元件trpE: 編碼鄰氨基苯甲酸合成酶

14、trpD: 編碼鄰氨基苯甲酸焦磷酸轉(zhuǎn)移酶trpC; 編碼鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶trpB: 編碼色氨酸合成酶trpA: 編碼吲哚甘油-3-磷酸合成酶312. 色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)制色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)制色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng) 色氨酸操縱子的調(diào)控是在兩個水平上進(jìn)行的。第一水平是色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)阻遏系統(tǒng)，其控制轉(zhuǎn)錄的啟動與否；第二水平是色氨酸的弱化系統(tǒng)弱化系統(tǒng)，其控制轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)進(jìn)行。Trp R基因 編碼合成阻遏蛋白.當(dāng)細(xì)胞中的色氨酸缺乏時，阻遏蛋白以游離的形式存在，不能與操縱基因結(jié)合，色氨酸基因正常表達(dá)；當(dāng)細(xì)胞中的色氨酸過量時，色氨酸與阻遏蛋白結(jié)合并形成二聚體，二聚體與操縱基因結(jié)合，色氨酸合成被阻斷（下圖）。32色氨酸稱為輔阻遏物色氨酸稱為輔阻遏物(Corepressor)33色氨操縱子的弱化系統(tǒng)色氨操縱子的弱化系統(tǒng) 弱化子（attenuator） : 在trpE編碼序列的起始位點上游的162bp的trp前導(dǎo)序列內(nèi)有一個不依賴因子的終止子，在其發(fā)夾結(jié)構(gòu)后有8個U，這個結(jié)構(gòu)稱為弱化子。34前導(dǎo)RNA結(jié)構(gòu)：try前導(dǎo)RNA由四個互補的區(qū)域組成，可形成各種不同的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，其中一個就是弱化子3-4的發(fā)夾結(jié)構(gòu)。35 前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽The leader peptide 前導(dǎo)RNA序列中含有一個有效的核糖體結(jié)合位點并能形成由前