原核生物的基因表達調(diào)控課件

1、第12章 原核生物的基因表達調(diào)控Section 12 Regulation of gene expression in Prokaryotes1第12章 原核生物的基因表達調(diào)控1原核生物的基因表達調(diào)控概述基因表達(gene expression)就是指某一基因指導下的蛋白質(zhì)合成,蛋白質(zhì)是基因表達的產(chǎn)物?；虮磉_調(diào)控是生物體內(nèi)基因表達的調(diào)節(jié)控制機制，使細胞中基因表達的過程在時間、空間上處于有序狀態(tài)，并對環(huán)境條件的變化做出適當反應的復雜過程。2原核生物的基因表達調(diào)控概述基因表達(gene express基因表達調(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。原核基因表達調(diào)控的

2、特點與方式調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，有正負調(diào)控兩種機制；細胞要調(diào)控各種蛋白質(zhì)在不同時期的表達水平有兩條途徑：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）3基因表達調(diào)控包括：基因水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平、翻譯水平和44操縱子學說 Theory of Operon操縱子學說是關于原核生物基因結(jié)構(gòu)及其表達調(diào)控的學說。 細菌基因表達調(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在法國科學院院報(Proceeding of theFrench Academy of Sci

3、ences)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)郊毎小?操縱子學說 Theory of Operon操縱子學說是關于在論文中他們首先提出了操縱子(operon)和操縱基因(operator)的概念,他們的操縱子學說(theory of operon)使我們得以從分子水平認識基因表達的調(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獎。目前發(fā)現(xiàn)的操縱子主要有：（1）乳糖操縱子 （

4、2）色氨酸操縱子 （3）阿拉伯糖操縱子（4） 組氨酸操縱子 6在論文中他們首先提出了操縱子(operon)和操縱基因(op操縱子概念: 轉(zhuǎn)錄的功能單位，是基因表達和調(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。 Control elementsStructural genes操縱子模型圖7操縱子概念:Control elementsStructur1.Promoter binding2. DNA Unwinding and initiation三聚復合物閉合復合物開放復合物3. ElongationDNA解旋區(qū)(轉(zhuǎn)錄泡)81.Promoter binding2. DNA Unw

5、in12bp17bp3. Elongation912bp17bp3. Elongation9Termination (1)不依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止(Rho-indepent termination)發(fā)夾結(jié)構(gòu)特點:回文序列中富含G.C堿基對,在回文序列的下游方向又常有6個8個AT堿基對；10Termination發(fā)夾結(jié)構(gòu)特點:回文序列中富含G.C堿基1111(2) 依賴因子的轉(zhuǎn)錄終止 (Rho-depent termination)結(jié)合RNA上72個核甘酸發(fā)夾結(jié)構(gòu)特點:依賴因子的終止子中回文序列的G-C對含量較少。在回文序列下游方向的序列沒有固定特征,其A-T對含量比前一種終止子低。 12(2) 依

6、賴因子的轉(zhuǎn)錄終止 (Rho-depent terControl elementsStructural genes結(jié)構(gòu)基因：編碼大量功能各異的蛋白質(zhì)的DNA序列。這些蛋白質(zhì)包括了細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。調(diào)節(jié)基因：編碼合成那些參與基因表達調(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)控的關鍵。調(diào)控元件：如操縱序列，是調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。13Control elementsStructural genThe lac operon 乳糖操縱子結(jié)構(gòu)與功能（1）結(jié)構(gòu)基因:lac Z編碼-半乳糖苷

7、酶, 將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖；lacY編碼-半乳糖苷透性酶, 將乳糖從細胞外運進細胞內(nèi)；lac A編碼硫代半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶，催化將乙酰基團從乙酰輔酶A轉(zhuǎn)移到-半乳糖苷分子上。14The lac operon 乳糖操縱子結(jié)構(gòu)與功能14(2) 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(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。 Olac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（repressor）：是負調(diào)控系統(tǒng)中由調(diào)節(jié)基

8、因(lacI)編碼的調(diào)節(jié)蛋白，可于操縱基因結(jié)合，調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。15(2) 調(diào)控元件: Plac啟動子、lac操縱基因(其中含順式作用元件（cis-acting element）： 指對基因表達有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，在基因的同一條DNA分子上。如啟動子、增強子、終止子、操縱基因等。反式作用因子（trans-acting factor)）： 參與基因表達調(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

9、作用因子可被誘導合成, 其活性也受多種因素的調(diào)節(jié)。如RNA聚合酶、CRP等。16順式作用元件（cis-acting element）：16(3) 調(diào)(節(jié))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（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，如細菌的lacZ，lacY, lacA 基因。17(3) 調(diào)(節(jié))控基因: lacI，編碼乳糖阻抑物，單體存在乳糖

10、操縱子的負調(diào)控機制：當有葡萄糖存在時（下圖） 18乳糖操縱子的負調(diào)控機制：18當只有乳糖存在時（下圖）異乳糖誘導物的產(chǎn)生：乳糖 異乳糖（在透過酶和-半乳糖苷酶的作用下）19當只有乳糖存在時（下圖）異乳糖誘導物的產(chǎn)生：乳糖 IPTG（isopropyl- -D thiogalactopyoanoside)誘導物：同異乳糖IPTG20IPTG（isopropyl- -D thiogalact- 半乳糖苷酶使X-gal顯藍色分子克隆藍白斑篩選原理21- 半乳糖苷酶使X-gal顯藍色分子克隆藍白斑篩選原理21乳糖操縱子的正調(diào)控系統(tǒng) 細菌在葡萄糖、乳糖等碳源存在下，首先利用葡萄糖。當葡萄糖消耗快盡時，細

11、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（ CRP ，cAMP receptor protein)CRP是一種轉(zhuǎn)錄激活因子（Transcriptional activator), 也稱分解代謝激活蛋白（CAP,Catabolite activator protein）。22乳糖操縱子的正調(diào)控系統(tǒng) 細菌在葡萄糖、乳糖等CAP（CRP)只有與cAMP結(jié)合形成cAMP-CAP復合體時才能與DNA結(jié)合，激活Plac啟動子，促進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。細胞中的cAMP(環(huán)腺苷酸）受葡萄糖的含量控制。(1)

12、 當葡萄糖缺乏時，細胞中腺苷環(huán)化酶活力提高，cAMP含量升高，此時CAP與cAMP形成復合物，在誘導劑的作用下cAMP-CAP復合特定結(jié)合位點結(jié)合，引起DNA90彎曲，增強了RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合，轉(zhuǎn)錄效率提高50倍。23CAP（CRP)只有與cAMP結(jié)合形成cAMP-CAP復合體（2）當葡萄糖存在時， cAMP在細胞中的含量極低，二聚體的CAP不能與DNA結(jié)合，受其調(diào)控的基因（LacZYA)就不表達。24（2）當葡萄糖存在時， cAMP在細胞中的含量極低，二聚體的2525CAP的結(jié)合位點CAP與DNA的結(jié)合部位是一個反向重復序列，結(jié)合位點可能有3種情況26CAP的結(jié)合位點26CABSum

13、maryA: RNA polymeraseB: lac repressor C: CRP-cAMP27CABSummaryA: RNA polymerase27The Trp Operon 色氨酸操縱子 生物細胞中的氨基酸合成也是由操縱子調(diào)節(jié)的,細胞需要某種氨基酸時其基因即表達,不需要時基因即關閉,達到經(jīng)濟的原則。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)在我們詳細討論色氨酸操縱子(trp)的基因表達的調(diào)控。 28The Trp Operon 色氨酸操縱子 生物結(jié)構(gòu)與功能The trp operon 編碼色氨酸合成途徑中的5個

14、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。當細胞內(nèi)的色氨酸缺乏時，這些基因協(xié)同表達。29結(jié)構(gòu)與功能29Trp R基因 距trp基因族較遠,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30Trp R基因 距trp基因族較遠,產(chǎn)生阻抑物的基因,編碼合2. 色氨酸操縱子的調(diào)控機制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行的。第一水平是色氨酸操縱子的

15、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)，其控制轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)進行。Trp R基因 編碼合成阻遏蛋白.當細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；當細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）。312. 色氨酸操縱子的調(diào)控機制色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng) 色氨酸操色氨酸稱為輔阻遏物(Corepressor)32色氨酸稱為輔阻遏物32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。33色氨操縱子的弱化系統(tǒng) 弱化子（attenuator） : 在前導RNA結(jié)構(gòu)：try前導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)。34前導RNA結(jié)構(gòu)：try前導RNA由四個互補的區(qū)域組成，可形成 前導肽The leader peptide 前導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導RNA第27-68號堿基所編碼的14個氨