原核细胞的基因表达调控.ppt

第八章 原核细胞的基因表达调控,第一节 基因表达调控概述 生物体内基因表达的调节控制机制，使细胞中基因表达 的过程在时间和空间上处于有序状态，并对环境条件的变 化做出适当反应的复杂过程，并且也是生物体内细胞分 化、形态发生和个体发育的分子基础。,一原核生物基因表达调控的特点 由于原核生物大都为单细胞生物，缺乏核膜，因此极易 受外界环境的影响，需要不断地调控基因的表达，以适应 外界环境的营养条件和克服不利因素，提高生物的应变与 适应能力以完成生长发育与繁殖的过程。这种调控大多以 操纵子为单位进行。,二.操纵子调控模型 是1961年由Jacob和Monod提案并确立，即编码某特定区 域的基因与只在DNA分子上发挥作用的区域是各不相同 的。基因的表达调控主要发生在转录水平上。 (一)概念 原核生物细胞内功能相关的结构基因组成一排基因簇， 由此而形成的转录单位，即为操纵子。,(二)主要组成,结构基因（structural gene）: 生物酶与细胞结构所必需 的蛋白质的编码基因，该基因又称为cis作用因子 （cis acting）。相关结构基因的表达产物协同完成一个 生理生化过程，这些结构基因在一套调控系统作用下 统一开放与关闭，维持合适而精确的基因产物分子比。 结构基因编码各类具有不同结构与功能的蛋白质，包括 结构蛋白、酶和调控蛋白,2. 调控基因（regulator gene）:基因表达调控蛋白的编码基 因，又称为反式作用因子（trans acting）。主要是通过编码 蛋白或者RNA来调节其他基因的表达。,三.原核细胞转录调控的基本模式,引起目的基因表达的正调控或者负调控模式,反式作用: 编码产物将从合成地点扩散到其作用靶位的 过程。 顺式作用: 不转变为其他任何形式而只以DNA形式在原来 位置起作用的DNA序列。,Operator/ promotor,RNA,几个相应的蛋白质,Repressor binding with operator,RNA polymerase,功能,启动子: 一个操纵子一般只含有一个启动子,操作子: 由一个或多个DNA顺式调控元件组成， 是基因反式调控因子的结合区，这种蛋白-DNA 的二元复合物通过与启动子-RNA聚合酶复合物 的相互作用，对操纵子的开发或关闭进行调控,结构基因: 若干个生物功能相关的结构基因以相 同极性密集排列,终止子: 使转录不同程度地终止,第二节 乳糖操纵子,（一） 结构及其性质,(二) 调控机理,阻遏蛋白 单聚体,阻遏蛋白 四聚体,转录,翻译,无诱导物,结构基因 被阻遏,诱导物,无活阻遏蛋白,有诱导物,RNA聚合酶,转录,mRNA,翻译,(三) 操纵基因的鉴定,不可诱导型突变(uninducible mutation): 使操纵子在 任何情况下都不能表达的突变。 组成型突变体(consititutive mutant): 不受调控物影 响的持续表达称为组成型基因表达，其突变体即为组 成型突变体。 组成型突变鉴定出的操纵基因OC 表明调控元件能 够以不可扩散的产物形式行使其功能，操纵基因是一 个典型的顺式作用位点，其功能依赖于一些反式作用 因子对其DNA序列的识别。操纵基因对邻近基因的控 制与细胞内是否存在其他等位基因并无关系，这种位点 的突变称为顺式显性突变(cis-dominant),(四) 调控基因的鉴定,lacI基因的突变是反式作用的，它可以影响细菌内所 有结构基因簇的表达 使lacI基因失活得突变是隐性的，它可以导致组成型表达 因为阻遏物不能与操纵基因结合，所以阻遏物的DNA结合 位点的突变是组成型的 阻遏物上诱导物结合位点的突变使它不会失活，因此这 会引起操纵子的非诱导性 启动子突变是顺式作用和非诱导性的,(五)阻遏蛋白与操纵基因的相互作用,mRNA,(六)阻遏蛋白结合诱导物后从操纵基因上脱离,(七) 阻遏蛋白的其他特性,阻遏蛋白单体有多个结构域,阻遏蛋白单体结构:N端DNA 结合结构域、铰链区与核心区 DNA结合结构域有两个短 螺旋用以与DNA大沟结合 负责多聚化的区域和诱导物 结合位点都位于核心区,阻遏蛋白由两个二聚体组成四聚体,两个单体通过核心结构域2和 寡聚化螺旋之间的结合形成 二聚体，二聚体的一端是DNA 结构域，另一端是寡聚化螺旋， 两个二聚体通过寡聚化界面之 间的相互作用形成四聚体,阻遏蛋白单体的DNA结合 结构域插入到DNA的大沟 活性阻遏蛋白中，二聚体 的两个DNA结合区域可以插入 连续的双螺旋转角 诱导物的结合使阻遏蛋白的 构象改变，从而造成DNA结合 位点不能形成正确的几何构象 以维持与DNA的接触,第三节 操纵子的调控网络模式,一. 概述 1. 细菌基因调控: 基因表达受到调控因子的控制，该调控因子在受调控的蛋白质合成之前，可能与一段特定序列作用或者结构相互作用。 表达水平上的调控:以DNA为target的转录水平上的调控与以RNA为target的翻译水平上的调控 2. 调控因子的类型 a. 蛋白质类调控因子:通过变构效应(allostery)发挥作用 b. RNA调控因子:通过改变二级结构发挥作用。调控因子通常是二级结构丰富的小RNA分子，但存在一段单链区域能与target互补，调控因子与之相互作用，形成双螺旋结构，从而调控基因表达。,二. 分类,四. 大肠杆菌的碳源利用机制 1. 葡萄糖阻遏作用调控碳源利用 诱导物排除法: 葡萄糖阻止从培养基中吸收其他可替代碳源的能力。 由CRP激活很多操纵子,2.乳糖操纵子的正调控作用, 正调控因子: 辅助RNA聚合酶与启动子结合而起始转录的蛋白质。, CRP的激活途径,a. 直接与RNA聚合酶作用，RNA聚合酶的亚基是CRP 的结合区。 b. 作用于DNA，改变其结构以协助RNA聚合酶定位于 启动子上。,CRP与RNA聚合酶之间的相互作用的精确效应依赖于 CRP相对启动子区域的定位，对乳糖操纵子而言，CRP的 优势效应是提高RNA聚合酶与启动子形成复合物的启动 效率。,第四节 各种操纵子调控系统,gal K,gal T,gal E,P,O,gal R,mRNA,UDP-Glc,异构酶,特征: 有两套调控元件,一. 半乳糖操纵子 (一)结构及其性质,(二)调控机制,二. 阿拉伯糖操纵子,(一)结构与性质,三. 色氨酸操纵子,第五节 紧急应答系统,一. 概念 stringent response: 当维持细菌的蛋白合成所需的氨基 酸的供给发生问题时，其生长条件也发生了变化，从而 使其各项生理活动的现象。 二. 产生现象,rRNA与tRNA的合成极度减少 全部RNA的合成是正常的5%-10% 全mRNA的合成减少为正常的1/3 蛋白质的分解速度上升 核苷、碳水化合物