原核生物基因的表達(dá)及其調(diào)控課件

1、原核生物基因的表達(dá)及其調(diào)控一種生物的整套遺傳密碼可以比作一本密碼字典,該種生物的每個(gè)細(xì)胞中都有這本字典。為什么基因只有在它應(yīng)該發(fā)揮作用的細(xì)胞內(nèi)和應(yīng)該發(fā)揮作用的時(shí)間才能呈現(xiàn)活化狀態(tài)?結(jié)論：必然有一個(gè)基因調(diào)控系統(tǒng)在發(fā)揮作用。第一節(jié) 原核生物基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯原核生物的DNA： 單個(gè)裸露的DNA 不編碼占5% 轉(zhuǎn)錄和翻譯同一時(shí)間，地點(diǎn)進(jìn)行 基因調(diào)控主要在三個(gè)水平上進(jìn)行:. DNA水平. 轉(zhuǎn)錄水平(主) . 翻譯水平一、轉(zhuǎn)錄的起始 轉(zhuǎn)錄是原核生物基因表達(dá)的主要調(diào)控點(diǎn)，主要涉及兩個(gè)方面：1、RNA合成的酶系；2、RNA合成起始和終止信號(hào)，即DNA分子上的特定序列。 通過(guò)RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄因子和啟動(dòng)子的相互

2、作用實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄調(diào)控，改變細(xì)胞的表型，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生理狀態(tài)和環(huán)境的變化。（一）RNA聚合酶(RNA polymerase)：大腸桿菌的RNA聚合酶：由5個(gè)亞基組成，即2， 2組成的酶稱全酶。 亞基與其他亞基結(jié)合較松弛，易從全酶上解離；其余部分2稱為核心酶(core enzyme)。亞基作用：參與啟動(dòng)子的識(shí)別和結(jié)合以及轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的異構(gòu)化。細(xì)胞內(nèi)哪條DNA鏈被轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄方向與轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)的選擇都與亞基有關(guān)。在啟動(dòng)子與終止子之間是一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，通常將mRNA開(kāi)始的一個(gè)核苷酸定為o點(diǎn)(即+1)由此向右常稱為下游(downstream)，其核苷酸依次編為正序號(hào)；起始點(diǎn)左例稱為上游(upstream)其核苷酸

3、則依次以負(fù)號(hào)表示緊接起始點(diǎn)左側(cè)的核苷酸為-1。離體實(shí)驗(yàn)表明：全酶所轉(zhuǎn)錄的RNA和細(xì)胞內(nèi)所轉(zhuǎn)錄出的RNA，其起始點(diǎn)相同，序列相同，若僅用核心酶進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，則模板鏈和起始點(diǎn)的選擇都有很大的隨意性，而且往往同一段DNA的兩條鏈都被轉(zhuǎn)錄。由此可見(jiàn)：亞基對(duì)識(shí)別DNA鏈上的轉(zhuǎn)錄信號(hào)是不可缺少的，它是核心酶和啟動(dòng)子之間的橋梁。 因子的取代在細(xì)胞發(fā)育和對(duì)環(huán)境應(yīng)答的反應(yīng)中起主導(dǎo)作用。如在枯草桿菌中就有不同相對(duì)分子質(zhì)量的因子Figure 9.6 RNA polymerase moves like an inchworm during elongation, when it compresses from the b

4、ack end and release from the front end.9.2 Transcription is catalyzed by RNA polymeraseRNA聚合酶體積很大，橫跨近60個(gè)堿基，而解旋的DNA區(qū)域可能不到17個(gè)堿基。當(dāng)聚合酶按53方向延伸RNA鏈時(shí)，解旋的DNA區(qū)域也隨之移動(dòng)?？拷?端的DNA不斷解旋。同時(shí)在5端重新形成DNA雙鏈，不斷將RNA-DNA雜合鏈中的RNA鏈擠出。 （二）啟動(dòng)子 (promoter)： 轉(zhuǎn)錄的起始是基因表達(dá)的關(guān)鍵階段，啟動(dòng)子就是連接在基因3端上游的DNA序列，其長(zhǎng)度從100 bp到200 bp不等，是轉(zhuǎn)錄起始時(shí)RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)

5、合的特定部位，但其本身并不被轉(zhuǎn)錄。原核生物啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)含有同源序列。整個(gè)啟動(dòng)子包括兩個(gè)部分：其上游部分是CAP-cAMP結(jié)合位點(diǎn)，下游部分是RNA聚合酶的進(jìn)入位點(diǎn)。 二、轉(zhuǎn)錄的終止（一）終止子及其結(jié)構(gòu)：1、概念： DNA上提供轉(zhuǎn)錄停止信號(hào)的一段序列稱為終止子(terminator)，是一個(gè)基因的末端或是一個(gè)操縱子的末端的一段特定序列。2、類型：強(qiáng)終止子和弱終止子強(qiáng)終止子：不依賴于Rho蛋白質(zhì)輔助因子而能實(shí)現(xiàn)終止作用，這類終止子屬于強(qiáng)終止子；弱終止子：依賴于Rho蛋白質(zhì)輔助因子才能實(shí)現(xiàn)終止作用，這類終止子屬于弱終止子。蛋白質(zhì)輔助因子稱為釋放因子，通常稱為因子?；匚捻樞?(Palindromic s

6、equence) 5 GTGAGCTCAC 3 3 CACTCGAGTG 5畫(huà)上荷花和尚畫(huà)書(shū)臨漢字翰林書(shū)所有原核生物的終止子共同的序列特征 在轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)之前有一段回文結(jié)構(gòu)，因而所產(chǎn)生的mRNA可形成莖環(huán)狀的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，它可使RNA聚合酶的移動(dòng)停止或減緩。第二節(jié) 大腸桿菌乳糖操縱子的正負(fù)調(diào)控一、操縱子與操縱子模型操縱子學(xué)說(shuō)/操縱子模型： F.Jacob J.Mond（1960）E.coli lac operon( 1965諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng))操縱子：核酸分子上調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄活性的基本單元，由結(jié)構(gòu)基因、操縱基因（O）和啟動(dòng)基因（P）組成。 promoter structural genes opera

7、tor啟動(dòng)基因 操縱基因 結(jié)構(gòu)基因操縱子(operon)模型轉(zhuǎn)錄、翻譯、合成蛋白結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合RNA聚合酶調(diào)控（節(jié)）蛋白 操縱子RNARPO structural genesDNAProtein 正調(diào)控（positive regulation) 負(fù)調(diào)控 (negative regulation)調(diào)控蛋白的作用機(jī)制注：R：Regulator P：Promoter O：Operator 正調(diào)控與負(fù)調(diào)控調(diào)節(jié)基因 RNA 調(diào)節(jié)蛋白 正調(diào)節(jié)蛋白激活+操縱子 結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄、表達(dá) 正調(diào)節(jié)蛋白失活，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá) （正控制/正調(diào)節(jié) ） 負(fù)調(diào)節(jié)蛋白激活+操縱子 結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄、表達(dá) 負(fù)調(diào)節(jié)蛋白失活，結(jié)構(gòu)基因表達(dá)

8、 （負(fù)控制/負(fù)調(diào)節(jié) ）阻遏物與輔阻遏物阻遏物（repressor）：由調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的一種變構(gòu)蛋白，當(dāng)它與操縱基因結(jié)合時(shí)，能夠抑制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。輔阻遏物(corepressor)：能夠與失活的阻遏蛋白結(jié)合，并恢復(fù)阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合能力的物質(zhì)。誘導(dǎo)調(diào)控與非誘導(dǎo)調(diào)控根據(jù)輔因子（小分子）結(jié)合后調(diào)控效果，可分： 開(kāi)啟調(diào)控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄活性 誘導(dǎo) 關(guān)閉調(diào)控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄活性 阻遏操縱子調(diào)控系統(tǒng)的基本類型可誘導(dǎo)負(fù)控制系統(tǒng)可誘導(dǎo)正控制系統(tǒng)可阻遏負(fù)控制系統(tǒng)可阻遏正控制系統(tǒng)正調(diào)控與負(fù)調(diào)控并非互相排斥的兩種機(jī)制，而是生物體適應(yīng)環(huán)境的需要，有的系統(tǒng)既有正調(diào)控又有負(fù)調(diào)控；原核生物以負(fù)調(diào)控為主，真核生物以正

9、調(diào)控為主；降解代謝途徑中既有正調(diào)控又有負(fù)調(diào)控；合成代謝途徑中一般以負(fù)調(diào)控來(lái)控制產(chǎn)物自身的合成。如：大腸桿菌乳糖代謝的調(diào)控需要三種酶參加:. -半乳糖酶：將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖. 滲透酶：增加糖的滲透，易于攝取乳糖和半乳糖. 轉(zhuǎn)乙酰酶：-半乳糖轉(zhuǎn)變成乙酰半乳糖大量乳糖時(shí)：大腸桿菌三種酶的數(shù)量急劇增加，幾分鐘即可達(dá)到千倍以上，這三種酶能夠成比例地增加.乳糖消耗完：這三種酶的合成也即同時(shí)停止.大腸桿菌乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控(可誘導(dǎo))P structural genes OlacZ lacY lacAR -半乳糖苷酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶lacZ lacY lacA乳糖操縱子的負(fù)控制-

10、可誘導(dǎo)機(jī)制誘導(dǎo)物阻遏蛋白單體阻遏蛋白四聚體四、大腸桿菌乳糖操縱子的正調(diào)控 當(dāng)即有大量乳糖又有葡萄糖時(shí)， 基因表達(dá)將是怎樣？葡萄糖效應(yīng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時(shí)，即使有乳糖存在，不誘導(dǎo)靶基因表達(dá)。這樣的操縱子稱葡萄糖敏感操縱子。這種效應(yīng)由一種正控制機(jī)制決定。葡萄糖 腺苷酸環(huán)化酶活性降低 ATP無(wú)法轉(zhuǎn)變成cAMP 不能形成CAP-cAMP復(fù)合蛋白 RNA酶無(wú)法結(jié)合在DNA上 結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)。葡萄糖抑制操縱子的原理：阿拉伯糖操縱子的雙向控制Ara操縱子是控制分解代謝途徑的另一調(diào)控系統(tǒng)。特點(diǎn)：調(diào)節(jié)蛋白既可起正調(diào)控作用，又可起負(fù)調(diào)控作用。色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控 1色氨酸操縱子模型：由雅各布（Jacob F.

11、）和莫諾（Monod J.）提出，具有合成代謝途徑典型的操縱子模型。操縱子：包括色氨酸合成有關(guān)的5種酶的結(jié)構(gòu)基因；大量色氨酸時(shí)：大腸桿菌5種酶的轉(zhuǎn)錄同時(shí)受到抑制；色氨酸不足時(shí)：這種酶的基因開(kāi)始轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄；色氨酸：作為阻遏物而不是誘導(dǎo)物參與調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。trp操縱子是一個(gè)典型的可阻遏操縱元模型(repressible operon)。色氨酸操縱子模型結(jié)構(gòu)：5種結(jié)構(gòu)基因：trpE、D、C、B、A；調(diào)控結(jié)構(gòu)：?jiǎn)?dòng)子、操縱基因、前導(dǎo)序列、弱化子；阻遏物trpR基因：與trp操縱子相距較遠(yuǎn)；2.色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控： . 阻遏調(diào)控：trpR基因編碼無(wú)輔基阻遏物 與色氨酸結(jié)合 形成有活性的色氨酸阻遏物

12、與操縱子結(jié)合 阻止轉(zhuǎn)錄；色氨酸不足：阻遏物三維空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 ，不能與操縱子結(jié)合，操縱元開(kāi)始轉(zhuǎn)錄；色氨酸濃度升高：色氨酸與阻遏物結(jié)合，空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可與操縱子結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄。. 弱化子調(diào)控：當(dāng)有色氨酸存在而trp操縱子受抑制時(shí)，仍有一段前導(dǎo)序列發(fā)生轉(zhuǎn)錄，可能存在另一種的機(jī)制來(lái)抑制trp操縱元的轉(zhuǎn)錄。色氨酸高濃度存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄的前導(dǎo)序列140bp長(zhǎng)，其中有一28bp的弱化子區(qū)域；形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，為內(nèi)部終止子，RNA酶從DNA上脫落，不能轉(zhuǎn)錄；色氨酸低濃度或不存在時(shí)，RNA聚合酶能通過(guò)弱化子區(qū)域，轉(zhuǎn)錄完整的多順?lè)醋觤RNA序列；問(wèn)題：弱化子如何進(jìn)行調(diào)控？前導(dǎo)序列可翻譯出一段14個(gè)氨基酸的短肽，在該短肽的第10、11位置上是兩個(gè)色氨酸密碼子；兩個(gè)密碼子之后是一段mRNA序列，該序列可分為四個(gè)區(qū)段，區(qū)段間可互補(bǔ)配對(duì)，形成不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)。原核生物為邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯，前導(dǎo)序列中核糖體位置決定形成哪種二級(jí)結(jié)構(gòu),從而決定弱化子是否可形成終止信號(hào)。. 當(dāng)有色氨酸時(shí)，完整翻譯短肽 核糖體停留在終止密碼子處，鄰近區(qū)段2位置 阻礙了2,3配對(duì) 使3, 4區(qū)段配對(duì) 形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)終止子 RNA酶在弱化子處終止，不能向前移動(dòng)。.如缺乏色氨酸，核糖體到達(dá)色氨酸密碼子時(shí) 由于沒(méi)有色氨酰tRNA的供應(yīng) 停留在該密碼子位置，位于區(qū)段1 使區(qū)段2與區(qū)段3配對(duì) 區(qū)段4無(wú)對(duì)應(yīng)序列配對(duì)呈單鏈狀態(tài) RNA