原核生物基因的表達(dá)及其調(diào)控課件

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)揮作用的時間才能呈現(xiàn)活化狀態(tài)?結(jié)論：必然有一個基因調(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：單個裸露的DNA不編碼占5%轉(zhuǎn)錄和翻譯同一時間，地點進(jìn)行

基因調(diào)控主要在三個水平上進(jìn)行:①.DNA水平②.轉(zhuǎn)錄水平(主)③.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，主要涉及兩個方面：1、RNA合成的酶系；2、RNA合成起始和終止信號，即DNA分子上的特定序列。通過RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄因子和啟動子的相互作用實現(xiàn)轉(zhuǎn)錄調(diào)控，改變細(xì)胞的表型，從而實現(xiàn)細(xì)胞生理狀態(tài)和環(huán)境的變化。在啟動子與終止子之間是一個轉(zhuǎn)錄單位，通常將mRNA開始的一個核苷酸定為o點(即+1)．由此向右常稱為下游(downstream)，其核苷酸依次編為正序號；起始點左例稱為上游(upstream)．其核苷酸則依次以負(fù)號表示．緊接起始點左側(cè)的核苷酸為-1。離體實驗表明：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：σ亞基對識別DNA鏈上的轉(zhuǎn)錄信號是不可缺少的，它是核心酶和啟動子之間的橋梁。σ因子的取代在細(xì)胞發(fā)育和對環(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分子質(zhì)量的σ因子Figure9.6RNApolymerasemoveslikeaninchwormduringelongation,whenitcompressesfromthebackendandreleasefromthefrontend.9.2TranscriptioniscatalyzedbyRNApolymerase（二）啟動子(promoter)：

轉(zhuǎn)錄的起始是基因表達(dá)的關(guān)鍵階段，啟動子就是連接在基因3’端上游的DNA序列，其長度從100bp到200bp不等，是轉(zhuǎn)錄起始時RNA聚合酶識別、結(jié)合的特定部位，但其本身并不被轉(zhuǎn)錄。原核生物啟動子結(jié)構(gòu)含有同源序列。整個啟動子包括兩個部分：其上游部分是CAP-cAMP結(jié)合位點，下游部分是RNA聚合酶的進(jìn)入位點。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)錄停止信號的一段序列稱為終止子(terminator)，是一個基因的末端或是一個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ρ因子。所有原核生物的終止子共同的序列特征

在轉(zhuǎn)錄終止點之前有一段回文結(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/操縱子模型：F.JacobJ.Mond（1960）E.colilacoperon(1965諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎)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）和啟動基因（P）組成。

調(diào)控（節(jié)）蛋白操縱子RNARPOstructuralgenesDNAProtein＋正調(diào)控（positiveregulation)－負(fù)調(diào)控(negativeregulation)調(diào)控蛋白的作用機(jī)制注：R：RegulatorP：PromoterO：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)（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，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)。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)控來控制產(chǎn)物自身的合成。

大腸桿菌乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控(可誘導(dǎo))

PstructuralgenesOlacZlacYlacAR

β-半乳糖苷酶β-半乳糖苷通透酶β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶lacZlacYlacA乳糖操縱子的負(fù)控制-可誘導(dǎo)機(jī)制誘導(dǎo)物阻遏蛋白單體阻遏蛋白四聚體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：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（JacobF.）和莫諾（MonodJ.）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：大腸桿菌5種酶的轉(zhuǎn)錄同時受到抑制；

色氨酸不足時：這５種酶的基因開始轉(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操縱子是一個典型的可阻遏操縱元模型(repressibleoperon)。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)：啟動子、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：

⑴.阻遏調(diào)控：

trpR基因編碼無輔基阻遏物與色氨酸結(jié)合形成有活性的色氨酸阻遏物與操縱子結(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。⑵.弱化子調(diào)控：

當(dāng)有色氨酸存在而trp操縱子受抑制時，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)制來抑制trp操縱元的轉(zhuǎn)錄。

色氨酸高濃度存在時，轉(zhuǎn)錄的前導(dǎo)序列140bp長，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，RNA聚合酶能通過弱化子區(qū)域，轉(zhuǎn)錄完整的多順反子mRNA序列；問題：弱化子如何進(jìn)行調(diào)控？前導(dǎo)序列可翻譯出一段14個氨基酸的短肽，在該短肽的第10、11位置上是兩個色氨酸密碼子；兩個密碼子之后是一段mRNA序列，該序列可分為四個區(qū)段，區(qū)段間可互補配對，形成不同的二級結(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結(jié)構(gòu),從而決定弱化子是否可形成終止信號。①.當(dāng)有色氨酸時，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配對使3,4區(qū)段配對形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)終止子RNA酶在弱化子處終止，不能向前移動。

②.如缺乏色氨酸，核糖體到達(dá)色氨酸密碼子時由于沒有色氨酰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配對區(qū)段4無對應(yīng)序列配對呈單鏈狀態(tài)RNA聚合酶通過弱化子，繼續(xù)向前移動，轉(zhuǎn)錄出完整的多順反子序列。