原核细胞基因表达调控机制.ppt

Several steps in the gene expression process may be modulated, including the transcription step and translation step and the post-translational modification of a protein. Gene regulation gives the cell control over structure and function, and is the basis for cellular differentiation, morphogenesis and the versatility and adaptability of any organism. Gene regulation may also serve as a substrate for evolutionary change, since control of the timing, location, and amount of gene expression can have a profound effect on the functions (actions) of the gene in the organism.,原核细胞基因表达调控,Regulation of Prokaryotic Gene Expression,一、基因表达调控概述,Basic Conceptions and Principle,（一）基因表达的概念,*基因 *基因组(genome) 一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。,基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。,* 基因表达(gene expression),基因表达是受调控的,（二）基因表达的时间性及空间性,1、时间特异性,2、空间特异性,基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。,（三）基因表达的方式,按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,1、组成性表达,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。,无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基因表达(constitutive gene expression)。,2、诱导和阻遏表达,在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。,可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。,如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,（四）基因表达调控的生物学意义,1、适应环境、维持生长和增殖,2、维持个体发育与分化,二、基因表达调控的基本原理 Basic Principle of Gene Expression Regulation,a,（一）基因表达的多级调控,基因激活,转录起始 转录后加工 mRNA降解,转录起始,（二） 基因转录激活调节基本要素,特异DNA序列和调节蛋白质 调节蛋白 DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用 RNA聚合酶,原核生物, 操纵子(operon) 机制,1. 特异DNA序列和调节蛋白质,Pribnow box,共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小。,某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。,2 操纵序列 阻遏蛋白(repressor)的结合位点,当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。,3) 其他调节序列、调节蛋白,例如,激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。,有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。,真核生物,不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列 ，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。,2 、真核基因的调节蛋白,还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。,由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。,反式作用因子(trans-acting factor),这种调节作用称为反式作用。,反式调节,顺式调节,指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。,绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。,4. RNA聚合酶, 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性,RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。, 调节蛋白与RNA聚合酶活性,一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。,三、原核基因表达调控,Regulation of Prokaryotic Gene Expression,1、因子决定RNA聚合酶识别特异性,2、操纵子模型的普遍性,3、阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性,（二）乳糖操纵子调节机制,1、乳糖操纵子(lac operon)的结构,Lac operon,没有乳糖存在时,2、阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,Lac operon,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,3、CAP的正性调节,4、协调调节,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；,如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。,单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。,葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄糖高cAMP浓度低,The regulation of lac operon by CAP,repressor,CAMP and inducer,Trp 高时,Trp 低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,?,（三）色氨酸操纵子调节机制,转录衰减,色氨酸操纵子,Trp operon,空 间 结 构,特 点,前导序列,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:,包含序列1,形成发夹结构能力强弱： 序列1/2序列2/3序列3/4,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构 就是终止子 可使转录,RNA聚合酶,终止,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关 结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,（四）基因重组,沙门菌鞭毛素基因的调节,（五）SOS反应,紫外线,与DNA 损伤修复有关的酶和蛋白质,DNA,（五） SOS反应,3、翻译产物对翻译的调控（蛋白质合成的自体调控） 有些mRNA编码的蛋白质，本身就是蛋白质翻译过程中发挥调节作用的因子，这些因子对自身翻译也起调控制作用。 A.核糖体蛋白 （1）核糖体是1座合成蛋白质流动工厂，沿mRNA移动 快速合成蛋白质。核糖体由rRNA为骨架与核糖体蛋白组成。Ecoli核糖体蛋白质有55种，（大亚基34，小亚基21），核糖体是细菌细胞重要成份之一。,（2）细菌中50余种核糖体蛋白质，基因分布在不同的操纵子中，合成这些蛋白质，速率是与细胞增殖适应的，受生长条件营养环境影响。 （3）实验证明，这些操纵子转录水平是可调控的，但核糖体蛋白合成的控制主要在翻译水平。因为加入额外操纵子于细菌，mRNA增加，而核糖体蛋白质并不增加。 （4）每1个operon转录的mRNA编码蛋白中的一种（或2种蛋白质复合体）可以结合到多顺反子上游的1个特定部位，阻止核糖体结合和起始翻译。,B.翻译终止子RF2合成的自体调控 （1）终止密码和释放因子（终止子） 无论原核、真核都有3种终止码：UAG、UGA和UAA 没有1种tRNA与终止码作用，而是由特殊的蛋白因子促成终止作用，这类蛋白因子称做释放因子，也有称翻译终止子。,原核有3种释放因子 RF1 识别UAA、UAG RF2 识别UAA、UGA RF3 能刺激RF、RF2的活性。 真核只有1种，即eRF。,（2）RF2 mRNA的移框窗口及其附近结构 阅读框（reading-frame）也称读码。mRNA核苷酸序列中，3个核苷酸为1组（称为密码子），由核糖体进行翻译。每个密码子代表蛋白质合成中单个氨基酸，阅读框规定了3个核苷酸组成1个密码子，这是由起始密码子AUG决定的。例如AUG CCA AAA UUU CCC可以读成AUG/GCA/AAA/UUU/CCC，而不会读A/UGG/CAA/AAU/UUC/CC。,开放阅读框（open reading-frame）没有终止密码子打断的阅读，通常是从DNA（不是RNA）顺序推论出开放阅读框的存在。 基因密码阅读的3个特点 每个基因都有特定的阅读框（如组蛋白），阅读必须从第1个密码子开始到最后1个密码子结束。 阅读是不停顿的，停顿只能合成肽而不是蛋白质。（学理发） 阅读（mRNA）方向53，合成肽链方向氨基端羧基端，而不能反之。,mRNA 5 AUGGGG UAU CUU UGAC UAC GAC 3 合成肽链方向 NH2 Gly Tyr Leu Asp -Tyr - Asp-COOH 前面25个氨基酸 后面315个氨基酸(AA),RF2mRNA移框窗口及其结构,移框窗口（转换区）至少15个核苷酸才能发生移框,23 24 25 26 27 28,RF2是由340氨基酸组成的蛋白质，它的密码子并不处于同1个阅读框中，前25个AA处于AUG所在阅读框中，后315AA处于（+1）另1阅读框中。 RF2整个阅读框分成2个阅读框，中间多了1个U，U与第26个AA（ASP）密码子的前2个核苷酸构成了RF2识别的终止码UGA，而且是前框（25个AA）同框终止密码子。 移框窗口至少含15个核苷酸。,RF2合成的自体调控 细胞内RF2供应充足时当核糖体A位到达第25个密码子后面的UGA时RF2就促成了肽链合成终止。 RF2 RF2mRNA译至第25个AA 在其后UGA处将不成熟的肽释放。,胞内缺乏RF2核糖体向前滑动1个核苷酸（U） 即移框作用继续合成第25个AA 直到最后的终止码UAG UAG由另1个释放因子RF1识别并促使RF2肽链的释放。 移框作用如此精细的自体调控机制目前仍不清楚，可能与前面25肽的结构有关。,（1）低渗omPR Pr. omPF 。 omPC基因关闭。 （2）高渗变构OmPR Pr. Ompc ompc mRNA ompc Pr. micF （3）micF能与ompF mRNA前导序列（L）中的44个核苷酸（包括SDs） 及编码区（包括起始码AUG）形成杂合双链，从而抑制了ompF mRNA翻译。,正控,正控,转录,翻译,同时转录,（4）2种蛋白质（ompF.ompc）随渗透压变化而变化此消彼长，总量不变。 （5）反义RNA与mRNA反义，通过互补碱基与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译，又称干扰mRNA的互补RNA,简称micRNA（mRNA-interfering complementary RNA）。,反义RNA对Tn10转位酶的调控作用 1.Tn10带有terr，转座最大的特点是原位转座不 动，仅将1个新的合成复本插到另1个新的位点上。,2.Tn10的基本结构,3. 调控机理 Tn10转位酶由pin控制，反义RNA基因由Pout控制。2个启动子转录方向相反，在转录区有35（40）bp重叠，导致2条RNA互补。 2个启动子交叉转录，产物RNA互补重叠成双股链核糖体不能接触转位酶不能译出无酶无法转位。,只有RNA-in摆脱了RNA-out配对才有机会翻译。RNA-out活性较RNA-in大8倍，所以Tn10的份数越多，转座机会就越