原核生物基因表達(dá)調(diào)控

關(guān)于原核生物基因表達(dá)調(diào)控第1頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

第一節(jié)

原核生物基因表達(dá)特點(diǎn)CharacteristicsofGeneExpressionofProkaryotes

第2頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月操縱子在研究基因表達(dá)的重要性具有普遍性；真核生物研究的借鑒；開(kāi)拓了分子識(shí)別（molecularrecognition)的研究；研究成果應(yīng)用于實(shí)踐，具有指導(dǎo)意義。一、操縱子是原核生物的基因轉(zhuǎn)錄單元第3頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月操縱子理論實(shí)驗(yàn)依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停杭?xì)菌的乳糖代謝酶類(lèi)誘導(dǎo)突破點(diǎn):乳糖阻遏蛋白基因lacI的發(fā)現(xiàn)lacI

是組成型表達(dá)基因，其突變(lacI-)引起管轄的基因族也發(fā)生組成型表達(dá)用噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)方法把野生型(lacI+)轉(zhuǎn)入突變株(lacI-)，逆轉(zhuǎn)了組成型突變第4頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月操縱子(operon)是由結(jié)構(gòu)基因及其上游調(diào)控序列組成的轉(zhuǎn)錄單元，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受調(diào)控序列控制。調(diào)控序列包括遠(yuǎn)端的阻遏蛋白(repressor)基因I，近端的啟動(dòng)子(promoter,P)和操縱序列(operator,O)。第5頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

蛋白質(zhì)因子特異DNA序列結(jié)構(gòu)基因

啟動(dòng)子

操縱序列阻遏蛋白基因

(promoter)(operator)第6頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月啟動(dòng)子是RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位。RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列第7頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月操縱序列是阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng)，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白第8頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、原核生物中mRNA的轉(zhuǎn)錄、翻譯和降解偶聯(lián)進(jìn)行第9頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

三、mRNA所攜帶的信息差別很大細(xì)菌mRNA所編碼的蛋白質(zhì)數(shù)量有很大差異。有的mRNA只帶有一個(gè)結(jié)構(gòu)基因的信息（編碼一個(gè)蛋白質(zhì)），稱(chēng)為單順?lè)醋觤RNA（monocistronicmRNA）；大部分mRNA都是從操縱子轉(zhuǎn)錄而成，帶有編碼幾個(gè)甚至十幾個(gè)蛋白質(zhì)的序列信息，這種mRNA是從幾個(gè)首尾相連的結(jié)構(gòu)基因（存在于一個(gè)操縱子中）一次轉(zhuǎn)錄而成，稱(chēng)為多順?lè)醋觤RNA（polycistronicmRNA）。第10頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)

原核生物基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控RegulationofProkaryoticGeneExpressionatTranscriptionLevel第11頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、轉(zhuǎn)錄調(diào)控是以特定的DNA序列和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)（一）特定的DNA序列是轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

在基因內(nèi)和基因外都有一些特定的DNA序列，與結(jié)構(gòu)基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)、能夠被基因調(diào)控蛋白特異性識(shí)別和結(jié)合，這些特定的DNA序列稱(chēng)為順式作用元件（cis-actingelements），亦稱(chēng)為順式調(diào)控元件。在原核生物中主要是啟動(dòng)子、阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)、正調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)、增強(qiáng)子等。第12頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月BADNA編碼序列轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)

第13頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月E.coli的啟動(dòng)子區(qū)

第14頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）調(diào)控蛋白具有結(jié)合DNA所需的結(jié)構(gòu)特征

基因特異性轉(zhuǎn)錄因子（genespecifictranscriptionfactors）:能夠與順式作用元件特異性結(jié)合、對(duì)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程有調(diào)控作用的蛋白質(zhì)激活蛋白或正調(diào)控蛋白:對(duì)基因表達(dá)有激活作用的蛋白質(zhì)阻遏蛋白:對(duì)基因表達(dá)有抑制作用的蛋白質(zhì)第15頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月最常見(jiàn)的DNA結(jié)合域：

1.鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結(jié)合GC盒第16頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月123standforzincion第17頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix,HTH）usuallybindstoCAATbox第18頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、特定蛋白質(zhì)與DNA結(jié)合后控制

轉(zhuǎn)錄起始（一）σ因子和啟動(dòng)子決定轉(zhuǎn)錄是否能夠起始啟動(dòng)子及其與轉(zhuǎn)錄的關(guān)系

第19頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）阻遏蛋白結(jié)合操縱元件對(duì)轉(zhuǎn)錄起始進(jìn)行負(fù)調(diào)控

阻遏蛋白是一類(lèi)在轉(zhuǎn)錄水平對(duì)基因表達(dá)產(chǎn)生負(fù)調(diào)控作用的蛋白質(zhì)。阻遏蛋白主要通過(guò)抑制開(kāi)放啟動(dòng)子復(fù)合物的形成而抑制基因的轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白與DNA結(jié)合后，RNA聚合酶仍有可能與啟動(dòng)子結(jié)合，但不能形成開(kāi)放起始復(fù)合物，不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄；這種作用稱(chēng)為阻遏（repression），特定的信號(hào)分子與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白失活，從DNA上脫落下來(lái)，稱(chēng)為去阻遏，或脫阻遏（derepression）。第20頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

阻遏蛋白都可以與信號(hào)分子結(jié)合而發(fā)生變構(gòu)，在不同構(gòu)象時(shí)，阻遏蛋白或者與DNA結(jié)合，或者與DNA解離。在可誘導(dǎo)型操縱子中，信號(hào)分子使阻遏物從DNA釋放下來(lái)，解除對(duì)轉(zhuǎn)錄的抑制作用；在可阻遏型操縱子中，信號(hào)分子使阻遏物結(jié)合DNA，抑制轉(zhuǎn)錄。在兩種情況下，阻遏蛋白結(jié)合于DNA后都是抑制轉(zhuǎn)錄，這種類(lèi)型的基因表達(dá)調(diào)控稱(chēng)為負(fù)調(diào)控。第21頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.乳糖操縱子是可誘導(dǎo)型操縱子

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)子操縱序列

結(jié)構(gòu)基因z：β-半乳糖苷酶y：通透酶a：乙酰基轉(zhuǎn)移酶zyaOPDNAI基因乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)第22頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月阻遏基因mRNA阻遏蛋白IDNAzyaOPpol沒(méi)有乳糖存在時(shí)乳糖操縱子被阻遏蛋白封閉第23頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAzyaOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶乳糖操縱子被誘導(dǎo)物開(kāi)放第24頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.色氨酸操縱子是可阻遏操縱子

合成代謝操縱子由合成產(chǎn)物關(guān)閉合成代謝操縱子在基礎(chǔ)狀態(tài)下持續(xù)開(kāi)放，在產(chǎn)物達(dá)到滿足需要量時(shí)才關(guān)閉。第25頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分解和合成代謝的操縱子操縱子基礎(chǔ)狀態(tài)調(diào)控方式分解代謝關(guān)閉由誘導(dǎo)物開(kāi)放合成代謝開(kāi)放由阻遏物關(guān)閉第26頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TrpTrp高時(shí)Trp低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操縱子的作用原理操縱子關(guān)閉第27頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（三）激活蛋白結(jié)合正調(diào)控元件而對(duì)轉(zhuǎn)錄起始進(jìn)行正調(diào)控

1．正調(diào)控蛋白可結(jié)合啟動(dòng)子鄰近序列進(jìn)行

調(diào)控

2．激活蛋白結(jié)合增強(qiáng)子可遠(yuǎn)距離進(jìn)行轉(zhuǎn)錄起始正調(diào)控第28頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ntrC蛋白對(duì)轉(zhuǎn)錄的正調(diào)控作用第29頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、原核基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄過(guò)程可通過(guò)

不同模式進(jìn)行調(diào)控（一）去阻遏和正調(diào)控機(jī)制對(duì)轉(zhuǎn)錄起始進(jìn)行雙重調(diào)控1．乳糖操縱子受阻遏蛋白（負(fù)性調(diào)節(jié)）和

CAP（正性調(diào)節(jié)）的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)

第30頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

乳糖操縱子由cAMP-CAP系統(tǒng)進(jìn)行正調(diào)控TTTACATATGTTN17N6AlacTTGACATATAAT共有序列乳糖操縱子是弱啟動(dòng)子，被RNA-pol結(jié)合后，還需cAMP-CAP（分解代謝物基因活化蛋白）活化第31頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月++++轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP結(jié)合位點(diǎn)第32頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月mRNA低半乳糖時(shí)高半乳糖時(shí)

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOOＩＩ無(wú)轉(zhuǎn)錄無(wú)轉(zhuǎn)錄低水平轉(zhuǎn)錄第33頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．AraC的別構(gòu)調(diào)節(jié)使阿拉伯糖操縱子調(diào)控更精細(xì)

阿拉伯糖操縱子的轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控第34頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）色氨酸操縱子的弱化機(jī)制實(shí)質(zhì)是

轉(zhuǎn)錄與翻譯調(diào)控的偶聯(lián)色氨酸操縱子(trpoperon)除了產(chǎn)物阻遏負(fù)調(diào)控外，還有轉(zhuǎn)錄衰減(attenuation)調(diào)控方式。衰減是轉(zhuǎn)錄-翻譯的偶聯(lián)調(diào)控。

第35頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TrpTrp高時(shí)Trp低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶?色氨酸操縱子的作用原理第36頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……第37頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA當(dāng)色氨酸濃度高時(shí)轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’RNA聚合酶終止第38頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽15’trp密碼子結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNARNA聚合酶當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)前導(dǎo)mRNA第39頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（三）DNA片段倒位和阻遏蛋白的協(xié)同作用沙門(mén)菌鞭毛素基因的調(diào)節(jié)H2鞭毛素

阻遏蛋白Hin重組酶轉(zhuǎn)位片段hinH2IH1H1鞭毛素hinH2IDNA啟動(dòng)序列H1啟動(dòng)序列第40頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

原核生物基因表達(dá)的翻譯水平調(diào)控RegulationofProkaryoticGeneExpressionatTranslationLevel

第三節(jié)第41頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、SD序列決定翻譯起始效率（一）SD序列的堿基序列影響翻譯起始的效率（二）SD序列的定位影響翻譯起始的效率紅霉素甲基化酶mRNA的翻譯調(diào)控第42頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、mRNA的穩(wěn)定性是決定翻譯產(chǎn)物量的重要因素原核生物mRNA分子某些片段，例如發(fā)夾有RNase抗性。細(xì)胞內(nèi)有結(jié)合RNA、使之免受RNase降解的保護(hù)蛋白。近年發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源或外源的小分子RNA可特異互補(bǔ)結(jié)合細(xì)胞RNA，使其失去功能。與減少表達(dá)量一樣，降低mRNA穩(wěn)定性也是基因表達(dá)調(diào)控方式第43頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、翻譯產(chǎn)物可對(duì)翻譯過(guò)程產(chǎn)生反饋

調(diào)節(jié)效應(yīng)核糖體蛋白控制多順?lè)醋觤RNA的翻譯翻譯終止因子RF-2調(diào)節(jié)自身的翻譯第44頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核糖體蛋白與rRNA合成是互相協(xié)調(diào)的原核生物的16SrRNA與21種核糖體蛋白(ribosomalproteins)，簡(jiǎn)稱(chēng)r-蛋白，組成核糖體小亞基；5S和23SrRNA與31種r-蛋白組成大亞基。大、小亞基在翻譯起始組合為70S核糖體。蛋白質(zhì)合成是生存的最基本需要，細(xì)胞必然要嚴(yán)格控制rRNA和r-蛋白的比例。第45頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核糖體蛋白基因與RNApol亞基基因的多順?lè)醋硬倏v子基因簇表達(dá)產(chǎn)物rif(rpoBC)rpL-K-A-J-L-rpoB-rpoCL-11-1-10-12-RNApol-β-β’rpoArpsM-K-D-rpoA-rpL-QS13-11-4-RNApol-O-L-17spcrpL-N-X-E-rpsN-H-rpL-F-R-rpsE-rpL-D-OL14-24-5-S14-8-L6-18-S-5-L-30-15

r-蛋白基因在各個(gè)操縱子上轉(zhuǎn)錄為多順?lè)醋拥?6頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月這類(lèi)操縱子有轉(zhuǎn)錄-翻譯偶聯(lián)調(diào)控現(xiàn)象，稱(chēng)為自我調(diào)節(jié)（autogenouscontrol）。第47頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、小分子反義RNA參與調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成（一）小分子RNA參與基因表達(dá)產(chǎn)物類(lèi)型轉(zhuǎn)換的調(diào)控（二）小分子RNA參與維持極低水平的基因表達(dá)第48頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

大腸桿菌滲透壓調(diào)節(jié)中micRNA的調(diào)節(jié)作用

第49頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小分子RNA在翻譯水平的調(diào)控作用第50頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

Lambda噬菌體的基因表達(dá)調(diào)控RegulationofgeneexpressioninLambdaphage

第51頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、Lambda噬菌體調(diào)控區(qū)段的表達(dá)產(chǎn)物與生活周期有關(guān)λ噬菌體的生活史溶菌生長(zhǎng)途徑(lysispathway)溶原菌生長(zhǎng)途徑(lysogenicpathway)第52頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Lambda噬菌體的溶原和裂解生活周期第53頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

Lambda噬菌體的基因結(jié)構(gòu)和調(diào)控區(qū)域第54頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、cI

基因表達(dá)的阻遏蛋白封閉大部分基因使λ