第五章 基因表达调控.ppt

第五章基因的表达与调控,原核基因表达调控模式,本章主要内容,基因表达调控总论原核基因表达调控总论乳糖操纵子与负控诱导系统色氨酸操纵子与负控阻遏系统操纵子的其他调控形式转录水平上的其他调控方式转录后调控,第一节基因表达调控总论,典型的基因表达是储存遗传信息的基因，在一定调节机制控制下，经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质或成熟的rRNA和tRNA的过程。,一、基因表达,典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。,生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的,大肠杆菌基因组（约4000个基因)，一般情况下只有510%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，或者暂时不表达。,人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态.,二、基因表达的规律-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。,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。,三、基因表达的方式,1.基因组中表达的基因分为两类：管家（持家）基因（housekeepinggene）:维持细胞基本生命活动所必须的基因。,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。,奢侈基因:在特别细胞类型中大量(通常)表达并编码特殊功能产物的基因。,奢侈基因（luxurygene）:是指导合成组织特异性蛋白的基因，对分化有重要影响，称组织特异性(tissue-specificgene)表达的基因，如表皮的角蛋白基因。,（1）组成性表达,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。,2.按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：,（2）诱导和阻遏表达,适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。,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。,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。,是指在特定环境因素刺激下，可诱导基因被激活，从而使基因的表达产物增加。,诱导表达,如:DNA发生损伤时，修复酶的基因被诱导激活。,可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏。,阻遏,如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭。,四、基因表达调控的基本原理,（一）基因表达调控的方式：多级调控转录水平（基因激活及转录起始）转录后水平（加工及转运）翻译水平翻译后水平,原核生物主要受营养状况和环境因素的影响真核生物主要受发育阶段和激素水平的影响,指挥系统多样性,1顺式作用元件：顺式作用元件（cis-actingelement）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。在原核生物中，大多数基因表达通过操纵子模型进行调控，顺式作用元件主要由启动子、操作子、激活子位点、终止位点组成。在真核生物中，与基因表达调控有关的顺式作用元件主要有启动子（promoter）、增强子（enhancer）和沉默子（silencer）。,（二）基因转录激活调节基本要素：,基因的组织结构及顺式作用元件,反式作用因子（trans-actingfactor）又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。原核生物中的反式作用因子主要分为特异因子（）、激活蛋白和阻遏蛋白；真核生物中的反式作用因子通常称为转录因子。,2反式作用因子：,大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。,3顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用,调节基因编码的蛋白质结合在DNA的特定位点以调控其转录,五、基因表达的生物学意义,1.适应环境、维持生长和增殖。2.维持个体发育与分化。,第二节原核基因表达调控总论,一、原核生物基因表达的调控方式,1.DNA水平的调控2.转录水平的调控3.翻译水平的调控,（1）因子决定RNA聚合酶识别特异性只有一种RNA-pol，但是有很多种因子,（2）操纵子模型的普遍性功能相关基因成簇串联通过单个启动子协调表达,（3）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性原核生物主要以这种负调节方式为主,分类负控制（negativecontrol）系统正控制（positivecontrol）系统正、负调控的共同点在于调控蛋白作为反式作用因子，能识别那些位于基因上游的顺式作用元件，根据调控蛋白的自身性质，可以激活或抑制基因表达。特点：通过特殊代谢物调节基因活性可诱导调节：基因由原来的关闭状态转变为工作状态可阻遏调节：基因由原来的开启状态转变为关闭状态,三、调控机制的类型与特点,1.负控制系统定义：调节基因的产物是阻遏蛋白，起着阻止结构基因转录的作用。2.阻遏蛋白（repressor）3.分类负控诱导：调节物为诱导物负控阻遏：调节物为阻遏物,（一）负控制系统,1.正控制系统：调节基因的产物是激活物，起着激活结构基因转录的作用2.激活蛋白（activator）3.分类正控诱导：调节物为诱导物正控阻遏：调节物为阻遏物,（二）正控制系统,1.可诱导操纵元(inducibleoperon)（1）可诱导操纵元:加入对基因表达有调节作用的小分子后，基因的转录活性开启的操纵元，称可诱导调节。（2）诱导（induction）:小分子使基因的转录活性开启的作用和过程（3）诱导物（inducer）:产生诱导作用的小分子；可能的作用方式：使无活性的激活蛋白激活或使有活性的阻遏蛋白失活,四、正、负控制系统对操纵元的控制,（一）可诱导操纵元,（1）可阻遏操纵元:加入对基因表达有调节作用的小分子后，基因的转录活性关闭的操纵元，可阻遏调节（2）阻遏（repression）:小分子使基因的转录活性关闭的作用和过程（3）辅阻遏物（corepressor）:产生阻遏作用的小分子；可能的作用方式：使有活性的激活蛋白失活或使无活性的阻遏蛋白激活,（二）可阻遏操纵元,第三节乳糖操纵子调节机制,1.发现：1940年Monod：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌才利用乳糖繁殖增长；,1961年，法国人Jacob辅阻遏物：相应的氨酰基-tRNA（3）弱化子调控的生物学意义调控更为灵敏对代谢产物的反应更为直接调控更为精细,四、trp操纵子的其他调控机制,Trp操纵子中trpG-D和trpC-F为融合基因，翻译出的多肽具有双重功能。有两个启动子控制整个操纵子的转录，能够感受trp和无负载的tRNATrp的浓度变化。,大肠杆菌与枯草埃希菌色氨酸操纵子的结构比较,一些G+菌，如枯草杆菌色氨酸操纵子的结构有所不同:7个结构基因中的6个依次排列为trpEDCFBA，存在于含有12个结构基因的芳香族氨基酸超操纵子(arooperon）;第7个结构基因,trpG存在于叶酸合成操纵子中，该酶参与Trp和叶酸的合成。有2个启动子参与调控，一个位于arooperon的起始位置，另一个则位于trpE上游约200bp处。,大肠杆菌与枯草埃希菌色氨酸操纵子的结构比较,TRAP:RNA结合蛋白,第四节操纵子的其他调控形式,1.半乳糖代谢相关的酶（1）半乳糖激酶（2）半乳糖转移酶（3）半乳糖表异构酶,一、具有双启动子的半乳糖操纵子,（一）半乳糖代谢,（1）半乳糖+ATP半乳糖1-磷酸+ADP+H（2）半乳糖1-磷酸+UDPGluUDPGal+葡萄糖1-磷酸（3）UDPGalUDPGlu总反应：半乳糖+ATP葡萄糖1-磷酸+ADP+H,2.代谢步骤,1.gal操纵子组成（1）结构基因（galK，galT，galE）（2）调节基因（galR）与结构基因相距很远galR突变造成组成型表达（3）P/O位点galOC突变造成组成型表达（4）诱导物：半乳糖,（二）半乳糖（gal）操纵子,galP1：转录起始位置：S1（+1）转录依赖cAMP-CAP功能：葡萄糖不存在时负责gal操纵子的转录,galP2：转录起始位置：S2（-5）转录不依赖cAMP-CAP功能：葡萄糖存在时负责gal操纵子的转录,1.半乳糖的双重作用（1）作为细菌的碳源（2）UDPGal是细菌细胞壁的重要前体2.双启动子的作用（1）galP1保证细菌可以利用半乳糖作为碳源（2）galP2保证有葡萄糖存在时，细菌可以合成UDPGal,（三）gal操纵子双启动子的意义,二、阿拉伯糖操纵子：具有双重功能的调节蛋白（正调控和负调控）,阿拉伯糖是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因araC，araC产生的AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。,araB：核酮糖激酶araA：L-阿拉伯糖异构酶araD：L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶,（一）阿拉伯糖操纵子的结构,AraC蛋白通过两种异构体（Pr和Pi）来实现正、负调节因子的双重功能。在没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，起阻遏作用。一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与AraC蛋白结合，使Pr离开操纵基因位点，构象平衡趋向于Pi形式。Pi是起诱导作用的形式，它通过与启动子结合促进RNA-pol开始转录，发挥正向调节作用。,（二）AraC蛋白的两种形式,无阿拉伯糖时，Pr形式占优势，起阻遏作用,有阿拉伯糖存在，Pi起诱导作用,促进RNA聚合酶与araBAD的结合并形成开放性启动子复合物,（1）有葡萄糖时，无AraC及cAMP-CAP时，araC转录，但很快会被Pr所阻遏（自身调控）（2）没有葡萄糖也没有阿拉伯糖时，有AraC（Pr），cAMP-CAP时，araBAD和araC均不转录（3）无葡萄糖，有阿拉伯糖时，有AraC（Pi），cAMP-CAP时，araBAD转录,3.营养状况对araBAD操纵子的调控,三、阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答,细菌DNA遭到破坏时，细胞内会启动一个被称为SOS的诱导型DNA修复系统。参与SOS-DNA修复系统的基因都受LexA阻遏蛋白的抑制，SOS体系的诱导表达过程中LexA阻遏蛋白被移开。,二组分系统（two-componentsystems），由二种不同的蛋白质组成。细胞质膜上的传感蛋白（sensorprotein）及位于细胞质中的应答调节蛋白（responseregulatorprotein）。,四、二组分调控系统和信号转导,细胞生活在不断变化的环境中，温度、pH和渗透压变化，氧分压变化，营养物质变化及细胞浓度的变化都要求细菌必须随时做出相应的反应以求生存,rRNA操纵子大肠杆菌rRNA操纵子（rrnE）上有两个启动子P1和P2。在对数生长期，P1起始的转录产物比2起始的产物多35倍。当细菌处于紧急状态，细胞中ppGpp浓度增加，P1的作用被抑制。因为rRNA是细胞中蛋白质合成机器核糖体的重要组成部分，不能完全停止供应，由P2起始rrnE基因转录。,大肠杆菌rrnE上有两个启动子（P1和P2）随着ppGpp浓度增加，P1逐渐关闭，而P2活性不变,五、多启动子调控的操纵子,nifAL基因控制了整个固氮酶系统的表达和活性。若突变nifA基因，那么固氮酶和其他所有已知的nif基因产物都会消失。若再将野生型nifA基因用质粒DNA的形式导入上述突变株中，nif操纵子的功能就得到恢复。nifA和nifL基因产物分别是nif操纵子的正、负调控因子。当细胞内没有nifL蛋白质时，nifA基因产物足以激活其他nif基因的表达，甚至在有NH3和O2存在时也如此。,六、固氮基因调控,第五节转录水平上的其他调控方式,1.因子的调节作用,起始识别因子,因子本身的活性受到蛋白水解酶的调控，也能被同源的抗因子失活。F以非活性形式存在于细胞中，环境刺激导致SpoIIAA抗-抗因子去磷酸化，并特异性地与抗因子SpoIIAB结合，释放出活性的F。活性F促使早期孢子形成相关基因转录。,Bacillus孢子形成期F的两种存在形式,2.枯草杆菌中亚基的更迭,在孢子形成的第二阶段，细胞产生了两个独立的被分隔的部分，这就是母细胞和前孢子（forespore）。这个过程约花8小时，它可以被看成为是一种原始的分化类型。在这种类型中，现代细胞产生两种发育命运不同的子细胞，一个是母细胞，一个是前孢子，当前孢子被释放时，母细胞最终被裂解，孢子的结构完全不同于原来的细菌。,（正常营养生长期）,（了解）3.组蛋白类似蛋白的调节作用4.转录调控因子的作用5.抗终止因子的调节作用,第六节转录后调控,一、mRNA自身结构元件对翻译起始的调节,起始密码子AUG，原核生物还存在其他可选择的起始密码子，GUG，UUG，另外还有AUU，这些不常见的起始密码子与fMet-tRNA的配对能力较AUG弱，从而导致翻译效率的降低。起始密码子上游的包括SD序列在内的非翻译区影响翻译的起始。RBS的结合强度取决于SD与AUG之间的距离。mRNA二级结构影响翻译的起始,二、mRNA稳定性对转录水平的影响,细菌mRNA的半衰期较短，mRNA分子的降解取决于它们的二级结构。,大肠杆菌CsrAB调节系统,细菌在静止期：糖以糖原形式储存细菌快速生长周期：通过糖酵解消耗糖。都是由CsrAB调节系统来完成的。,三、蛋白质合成的自体调控调节蛋白,细菌中有些mRNA结合蛋白可激活靶基因的翻译，相反也有些特异性抑制蛋白则可抑制自体mRNA的翻译。E.coli中当rRNA缺乏，核糖体蛋白会结合mRNA导致RBS（核糖体结合位点）位点封闭，蛋白合成停止。,核糖体蛋白对自身mRNA翻译的抑制,四、反义RNA的调控作用,1984年Mizuno和Iwoue发现RNA可作为反式作用因子，与调节蛋白一样，参与基因表达的调控。小分子干扰RNA(smallinterferingRNA,siRNA)或者RNA调节物。其靶分子为单链核酸序列。反义RNA：与mRNA互补的RNA分子。,反义RNA作为调节物质的作用机制：与mRNA上核糖体结合位点结合，使得翻译不能起始；与mRNA形成双螺旋结构，作为内切酶底物；与转录产物结合，使转录提前终止。,举例-Ecoli中ompF基因的翻译受小分子RNA调节,EnvZ，编码渗透压感受器的受体蛋白OmpR,ompF