第十六原核生物基因表達(dá)的調(diào)控 ppt課件

1、 第十六章 原核生物基因表達(dá)的調(diào)控第一節(jié)第一節(jié) 轉(zhuǎn)錄程度的調(diào)控轉(zhuǎn)錄程度的調(diào)控一一. . 支配子模型：支配子模型：1.1.調(diào)理基因和構(gòu)造基因調(diào)理基因和構(gòu)造基因. . P laci P O lacZ lacY lacADNA1040823510780825mRNA多肽3603810211252603027530氨基酸分子量(KDa)蛋白四聚體152四聚體500膜蛋白30二聚體60結(jié)構(gòu)分子量(KDa)功能阻遏蛋白-半乳糖苷酶 透性酶轉(zhuǎn)乙酰酶 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和功能(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.3)支配子支配子operon)順式作用元件順式作用元件cis-acting

2、element構(gòu)造基因構(gòu)造基因 structural genes調(diào)理基因調(diào)理基因regulator genes。反式作用因子反式作用因子trans-acting factor。誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物inducer和效應(yīng)物和效應(yīng)物effectors可誘導(dǎo)的基因和組成型基因可誘導(dǎo)的基因和組成型基因控制位點(diǎn)控制位點(diǎn)controlling site誘導(dǎo)誘導(dǎo)induction2.正調(diào)控和負(fù)調(diào)控正調(diào)控負(fù)調(diào)控誘導(dǎo)(induction)阻遏(repression)誘導(dǎo)物(inductor)阻遏物(repressor)輔阻遏物(corepressor) 使阻遏蛋白具有活性或使活性蛋白失去活性的物質(zhì)稱。 負(fù)調(diào)控 正調(diào)控 L

3、ac O Ara O 誘 導(dǎo) 失活的阻遏物 活化的激活蛋白 阻遏物 誘導(dǎo)物 失活的活性蛋白 誘導(dǎo)物 阻遏 誘導(dǎo) 阻遏 誘導(dǎo) Trp O 阻 遏 失活的活性蛋白 輔-阻遏物 活化的激活蛋白 輔-阻遏物 失活的活性蛋白 誘導(dǎo) 阻遏 誘導(dǎo) 阻遏 圖 16-1 原核生物結(jié)構(gòu)基因的 4 種表達(dá)調(diào)控類型 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.21) 未發(fā)現(xiàn)二二.乳糖支配子乳糖支配子1 調(diào)控位點(diǎn) (1) Operator 支配基因 (2) CAP(catabolite gene activation protein) or CRP(cAMP受體蛋白)結(jié)合位點(diǎn) (3) Promotor

4、 2 別乳糖為誘導(dǎo)物 3 本底組成型(background constitutive synthesis) 組成型(constitutive gene) 即看家基因Houskeeping gene) H OH HO H OH H H CH2OH H O OH HO O H O CH2 CH2OH H OH OH H HO O H 別乳糖 H O OH H H H OH OH H H H2O H H H O OH CH2OH CH2OH H OH CH2OH H O OH HO O OH H H OH H OH H HO H H H H OH H OH 葡萄糖 半乳糖 圖 16- 乳糖分解的不同

5、產(chǎn)物乳糖 轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) DNA 解鏈區(qū) 50 40 30 20 10 1 10 20 30 RNA 聚合酶結(jié)合的起動(dòng)子區(qū) 阻遏物結(jié) 合的操縱基因區(qū) 圖 16-4 在 lac 操縱子上阻遏物結(jié)合區(qū)和 RNA 聚合酶結(jié)合區(qū)的重疊 誘導(dǎo)物的參與和去除對(duì)lac mRNA的影響 未誘導(dǎo)：結(jié)構(gòu)基因被阻遏 阻遏物 四聚體 LacI P O lacZ lacY lacA 圖 16- 當(dāng)無誘導(dǎo)物時(shí)阻遏物結(jié)合在操縱基因上 誘導(dǎo)：基因被打開 -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉(zhuǎn)移酶 圖 16-7 誘導(dǎo)物和阻遏物成為調(diào)節(jié)操縱子的開關(guān) 3.支配子的發(fā)現(xiàn)1961年 Jacob & Monod構(gòu)建部分二倍體(lacI-/FlacI+

6、)lacIS 阻遏蛋白不可誘導(dǎo)性突變，阻遏 蛋白失去誘導(dǎo)物結(jié)合位點(diǎn)lacI- 阻遏蛋白不能構(gòu)成寡聚物lacI-d 阻遏蛋白不能和DNA結(jié)合，且呈 負(fù)互補(bǔ)(反式顯性)Oc 支配基因的組成型突變表 16-1 在單倍體和部分二倍體中-半乳糖苷酶透過酶的合成基因型-半乳糖苷酶透過酶不誘導(dǎo)誘導(dǎo)不誘導(dǎo)誘導(dǎo) I +Z +Y + I Z +Y +I +Z Y + / FI Z +Y +I Z Y + / FI +Z +Y +I Z Y + / FI Z +Y -(I,Z,Y)/ FI Z +Y +O +Z +Y +O +Z +Y + / FO +Z Y +O cZ +Y +O +Z +Y- / FO cZ +

7、Y +O +Z +Y + / FO cZ Y +O +Z Y + / FO cZ +Y -I sO +Z +Y +/FO cZ +Y +:表示缺失， “”表示酶以最高水平存在， “”表示酶以最低水平存在 (二二) 阻遏蛋白和誘導(dǎo)物的互作阻遏蛋白和誘導(dǎo)物的互作誘導(dǎo)誘導(dǎo)induction誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物inducers異丙基異丙基-D-硫代半乳糖苷硫代半乳糖苷isopropylthiogalactoside,IPTG撫慰誘導(dǎo)物撫慰誘導(dǎo)物gratuitous inducer 多順反子多順反子mRNA 變構(gòu)調(diào)控變構(gòu)調(diào)控allosteric control 協(xié)同調(diào)控協(xié)同調(diào)控coordinate regula

8、tion一系列基因受同一支配子的調(diào)控。一系列基因受同一支配子的調(diào)控。 基因簇基因簇(cluster) CH2OH CH3 HO O SCCH3 H CH3 OH HH H H OH圖 16-6 異丙基-硫代半乳糖苷的分子結(jié)構(gòu) Active repressor cannot bind to O c mutant operantor Operon is transcribed and translated lacI O c operantor -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉(zhuǎn)移酶 圖 16-7 操縱基因發(fā)生組成型突變，操縱子組成型表達(dá) Inactive repressor lacIgene sythe

9、sizes defective repressor that does not bind to DNA Operon is transcribed and translated lacI Operantor -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉(zhuǎn)移酶 圖 16- lac I 發(fā)生突變，操縱子組成型表達(dá) Inactive repressor lacIgenesythesizes defective repressor that does not bind to DNA LacI + gene sythesizes lacI Operator wild-type repressor which bind t

10、o operator lacI + Inducer displaces wild-type repressor from operator as usual 圖圖 16- Constitutive mutations in the lacI gene are recessive. Repressor has lost lacI S genesythesizes Iducer-binding site defective repressor that cannot bind inducer; it binds permanently to operator lacI S Operantor la

11、cI + wild-type repressor does not influence DNA-binding of LacS repressor 圖圖 16- Uninducible lac S mutations are dominant 等位基因間的互補(bǔ)等位基因間的互補(bǔ)interallelic complementation。負(fù)的互補(bǔ)負(fù)的互補(bǔ)negative complementation lacI-d的產(chǎn)物和的產(chǎn)物和lacI+的產(chǎn)物組成多聚體的產(chǎn)物組成多聚體時(shí)，阻遏蛋白無活性。時(shí)，阻遏蛋白無活性。反式顯性反式顯性trans-dominant顯性失活顯性失活dominant negati

12、ves 阻遏蛋白和支配基因的結(jié)合與解離支配基因的構(gòu)造阻遏蛋白的構(gòu)造：N端159aa頭部片段：為HTH，與支配基因DNA的大溝結(jié)合；中心區(qū)：有6個(gè)折疊，誘導(dǎo)物就結(jié)合在兩個(gè)中心區(qū)之間的裂痕中；C端為兩組亮氨酸拉鏈，構(gòu)成四聚體。 支配位點(diǎn)的回文序列 阻遏蛋白單體的構(gòu)造 Helix-turn-helix Core domain1 Core domain2 1 51 80 360 DNA binding Hinge Inducer binding Oligomerization 圖 16- 阻遏蛋白單體的結(jié)構(gòu)和功能阻遏蛋白單體的三級(jí)構(gòu)造 StartpointgalaroHtrptrpRlac Promo

13、ter Operator location 圖 16-13 操縱基因可位于啟動(dòng)子不同的相對(duì)位點(diǎn)誘導(dǎo)物的結(jié)合解離模型(a) (b)圖1610 誘導(dǎo)物作用模型。(a)平衡模型，誘導(dǎo)物與游離的阻遏物結(jié)合，打破了其游離與結(jié)合之間的平衡；(b)解離模型，誘導(dǎo)物直接與結(jié)合在操縱位點(diǎn)上的阻遏物結(jié)合，使其釋放(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.13)誘導(dǎo)物和阻遏蛋白結(jié)合的模型 維持阻遏 過量的阻遏物可結(jié) 合在 DNA 阻遏物結(jié)合在 的其它位點(diǎn) 操縱基因上 aaaa aaa a a 誘導(dǎo)物 a 誘導(dǎo) 所有的阻遏物都結(jié)合 a a 在 DNA 的隨機(jī)位點(diǎn)上 a a a aa 誘導(dǎo)物解離 a

14、 建立阻遏 阻遏物恢復(fù) 活性狀態(tài) a a a 阻遏蛋白通過直接取代 a 從隨機(jī)位點(diǎn)移向 a 操縱基因 a a a a a a 圖 16-14 在細(xì)胞中所有的阻遏蛋白都結(jié)合在 DNA 上 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.18) 阻遏能發(fā)生在多個(gè)位點(diǎn)上aroH GCCG AATGTACTAGAGAACTAGTGC ATTAGCTTATTTTTTTGTTATCATGCTAAmRNAtrp AATC ATCGAACTAGTTAACTAGTAC GCAmRNAtrpR TGCT ATCGTACTCTTTAGCGAGTAC AACCmRNA 操 縱 區(qū) 域13 圖 16-16

15、 trp 阻遏物識(shí)別三個(gè)位點(diǎn)上的操縱區(qū)(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.19)199 F CAP結(jié)合位點(diǎn) cAMP是由腺苷環(huán)化酶adenylate cyclase 催化合成CAPcatabolite activator proteinCAP以兩種方法來激活轉(zhuǎn)錄： 1它能夠直接和RNA Pol相互作用； 2 作用于DNA，改動(dòng)其構(gòu)造，從而幫 助RNA Pol結(jié)合。 NH2 P P POCH2 ATP OH OH Glucose DNA Adenylcyclase Ihibition ? RNA pol + cyclic AMP + protein factor nee

16、ded for NH2 transcription to tack place OCH2 “ X” Protein factor Cyclic AMP (catabolite) RNA P O OH Stimulation Phosphodiesterase NH2 P OCH2 5AMP OH OH 圖16- Control of catabolite-sensitive transcription through cyclic AMP 葡萄糖 ATP 減少 cAMP ATP 活化的 CAP 失活的 CAP ATP 轉(zhuǎn)錄 不轉(zhuǎn)錄 圖16-17 圖16-17 通過減少 cAMP 的水平葡萄糖導(dǎo)

17、致了分解代謝的阻遏 轉(zhuǎn)錄 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 低度保守 5 聚體 5 聚體 圖 16-19 CAP 結(jié)合位點(diǎn)的保守順序 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.24) lac C A A T T A A T G T G A G T T A A C T C A C T C A T T A gal A A A T T C T T G T G T A A A C G A T T C C A C T A A

18、T T T 圖 16-22 lac 操縱子和 gal 操縱子上 cAMP-CAP 位點(diǎn)的比較 (仿 D.Freifeilder:Molecular Biology1983,Fig.14.15) 轉(zhuǎn)錄起點(diǎn) gal lac ara 啟動(dòng)子 CAP 結(jié)合位點(diǎn) 操縱基因 圖 16-20 CAP 蛋白可結(jié)合于相對(duì)于啟動(dòng)子的不同位點(diǎn) (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.25) 第二節(jié)第二節(jié) 支配子的其它調(diào)控方式支配子的其它調(diào)控方式一半乳糖支配子一半乳糖支配子gal operon1.構(gòu)造構(gòu)造2.特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1)雙啟動(dòng)子；雙啟動(dòng)子； (2)雙支配基因；雙支配基因； (3) 無無3

19、5順序；順序； (4) OE在在CAP位點(diǎn)內(nèi)，位點(diǎn)內(nèi)，OI在在 gene E內(nèi)內(nèi) Gal 既可為碳源，同時(shí)既可為碳源，同時(shí)UDPGal 又是合成細(xì)菌細(xì)胞壁的重要前體又是合成細(xì)菌細(xì)胞壁的重要前體 gal E P1 cAMP-CAP galKTE OI P2 OE (17 ) galR galU (62 ) (27 ) K T E PO galU galR mRNA Glu-1-P 阻遏物 Gal 激酶 Gal 轉(zhuǎn)移酶 表面異構(gòu)酶 尿苷轉(zhuǎn)移酶 UDP-GlUDP-Glu u Gal Gal-1-P UDP-Gal Gal-1-P UDP-Gal + + Gal-1-P Gal-1-P 圖 16-2

20、3 E.coli gal 操縱子的結(jié)構(gòu)，在染色體上的分布及其產(chǎn)物 gal 支配子的構(gòu)造 AAATTCTTGTGTAAACGATTCCACTAATTTA P1 -17 -11 P2 +CAP galE 起始點(diǎn) TATGCTA CAP GGAA 76 CAP 位點(diǎn) 47 cAMP-CAP 位點(diǎn) -10S2 S-D galOI 90 90 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 +1 +10 +20 +30 +40 +50 +6010 +1 +10 +20 +30 +40 +50 +60 TTGTGTAAACGATTCCACTAA TATGGTT G

21、alOE 12 (10S1 ) 6 圖 16-24 Gal 操縱子具有雙啟動(dòng)子(P1，P2 )和雙操縱基因 (galOE,galOI ) 3.調(diào)理(1) 有Gal P1啟動(dòng) K,T,E 轉(zhuǎn)錄 無 Glu 無Gal P1不啟動(dòng) 無Gal OE,O I 結(jié)合構(gòu)成環(huán)，僅轉(zhuǎn) 有 錄20b 有Gal P2啟動(dòng) S2 轉(zhuǎn)錄E,組成型(2) CAP-cAMP對(duì)P1 正調(diào)理，對(duì)P2 抑制 (3) 阻遏物對(duì)P1，P2 都是負(fù)調(diào)控， CAP-cAMP 含量少時(shí)P2 可轉(zhuǎn)錄 (機(jī)制不清)(4)P1與RNA Pol親和力 P2與RNA Pol親和力二阿拉伯糖支配子(ara O)1. 構(gòu)造:具有正負(fù)調(diào)理功能的支配子2.

22、特點(diǎn)： (1) AraC有雙功能 a.純C結(jié)合araO1,阻遏；b. C+Ara C ind,結(jié)合于araI，誘導(dǎo)，正調(diào)理(2) araC本身也受支配調(diào)理；(3) AraC有三個(gè)結(jié)合位點(diǎn)(O1,O2和araI)(4) 是調(diào)理子(regulon)(5)雙向轉(zhuǎn)錄；(6)Pc和O1重疊；(7)C 本身調(diào)理 ara 支配子的構(gòu)造 (1) (50) (55.5) araD araA araB araI araC araF araE PBAD Pc 表面異構(gòu)酶 異構(gòu)酶 核酮糖激酶 調(diào)節(jié)蛋白 周質(zhì)蛋白 透性酶 D-木酮糖-5-P L-核酮糖-5-P L-核酮糖 L-阿拉伯糖 L-阿拉伯糖 RNA Pol C

23、AP RNA Pol 細(xì)胞膜 araBAD 位點(diǎn) Cind 位點(diǎn) 結(jié)合位點(diǎn) araC araO2 +1 40 78 144 200 265 294 300 100 araO1 圖16-25 ara 操縱子 的結(jié)構(gòu)及 其編碼的酶所催化的生化反應(yīng) araI 有有 Ara,Glu,Ara,Glu,無無 CAPCAP RNA Pol araI CAP RNA Pol 位點(diǎn) Cind 位點(diǎn) 結(jié)合位點(diǎn) araC araO2 +1 40 78 144 200 265 294 300 100 araO1 C 蛋白 有有 Ara,Ara,無無 Glu,Glu,有有 CAPCAP RNA Pol araI CAP RNA Pol 位點(diǎn) Cind 位點(diǎn) 結(jié)合位點(diǎn) araC araO2 +1 40 78 144 200 265 294 300 100 araO1 araBAD C 蛋白 Ara 圖 16- ara O 的調(diào)節(jié) (a) -300 -200 araD araA araB RNA Pol araCind CAP +1 PBAD Ara cAMP (b) 300 araO2 200 araC +1 araI -100 圖 16 26 ara