微生物基因表达调控

1、微生物基因表达调控1 第十一章 微生物基因表达调控 （Regulation of Gene Expression in Microbes） 微生物基因表达调控2 内 容 基因表达调控背景 微生物酶活性的调节 基因表达的诱导和阻遏* 微生物基因表达调控的基本方式* 酵母菌基因表达的调控 微生物基因表达调控3 基因表达调控背景 微生物基因表达调控4 基因表达：遗传信息从遗传物质向蛋白质传递的 过程。 基因表达调控的两种机制： 控制酶的活性（翻译后） 控制酶的合成（转录、翻译） 微生物基因表达调控5 第一节 微生物酶活性的调节 微生物基因表达调控6 一. 反馈抑制（Feedback inhibiti

2、on ） 终产物将抑制反应途径的第一个酶 氨基酸、嘧啶等的合成 A - B - C - D - E | | / / F G 微生物基因表达调控7 反馈抑制的机制： 酶的变构性（allostery） Allosteric inhibitor 微生物基因表达调控8 酶的变构调节 微生物基因表达调控9 同工酶（isozyme） 催化相同的反应 不仅各受一种产物调控，而且受多种产物的共同 作用，都过量时酶活才降为零。 微生物基因表达调控10 二. 共价修饰（covalent modification） 在修饰酶的催化下，小分子有机物向某种酶的添 加或解离过程。 如糖原合成酶的（去）磷酸化，可调节酶的活

3、性 微生物基因表达调控11 第二节 微生物酶合成的调节 微生物基因表达调控12 一. 酶的诱导 诱导（induction） 底物存在时才合成，多见于分解代谢 诱导型酶（inducible enzyme）： 当底物存在时才合成的酶类。 如分解乳糖的-半乳糖苷酶 组成型酶（constitutive enzyme）： 在所有生长条件下都以相同量表达的酶类。 微生物基因表达调控13 二. 酶的阻遏 阻遏（repression） 多见于合成代谢 当培养基或环境中存在某种营养物质时，催化 该物质合成的酶类不合成。 如精氨酸合成酶，精氨酸为辅阻遏物 微生物基因表达调控14 三. 效应物 诱导物、辅阻遏物 总

4、蛋白 细胞数 -半乳糖苷酶 总蛋白 细胞数 精氨酸合成酶 添加乳糖 或 IPTG 添加精氨酸 微生物基因表达调控15 第三节 微生物基因表达调控的 基本方式 微生物基因表达调控16 原核生物的操纵子（原核生物的操纵子（operon）： 在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其 表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织 形式称为操纵子。 调控基因 (regulatory gene) ：编码能与操纵序列结 合的调控蛋白的基因。 微生物基因表达调控17 IPOZYA 半乳糖苷酶 半乳糖苷酶 透过酶透过酶 如：乳糖操纵子（如：乳糖操纵子（lactose operon） 微生物基因表达调控18 乳糖

5、操纵子的结构乳糖操纵子的结构 微生物基因表达调控19 微生物基因表达调控20 微生物基因表达调控21 微生物基因表达调控22 微生物基因表达调控23 一. 转录的负调控(negative regulation) 由阻遏蛋白参与的基因转录调控作用 阻遏蛋白 (repressive protein)：与操纵位点结合后 能减弱或阻止所调控基因转录的调控蛋白。 如：乳糖操纵子阻遏蛋白的负调控 微生物基因表达调控24 微生物基因表达调控25 1. 乳糖不存在时，阻遏蛋白I 结合在O上，阻碍转录起始 微生物基因表达调控26 2. 乳糖存在时，阻遏蛋白I 从 O解离，转录起始 微生物基因表达调控27 二.

6、转录的正调控(positive regulation) 由活化蛋白参与的基因转录调控作用 如乳糖操纵子CAP的正调控 (catabolite gene activator protein) CAP + cAMP lac operon的活化区 诱导DNA弯曲，启动子与RNA聚合酶结合，转录速 率提高20倍 微生物基因表达调控28 微生物基因表达调控29 活化蛋白与DNA和RNA聚合酶的相互作用 1. 邻近时，活化蛋白直接与RNA聚合酶作用 2. 相隔数百个bp时，活化蛋白通过DNA looping， 使RNA聚合酶易于与DNA正确结合 RNApol RNApol DNA DNA P P 微生物基

7、因表达调控30 三. 弱化作用（attenuation） 一个完整转录物的数目在减少，即使起始 阶段的转录物数目相同。 RNA合成 起始后、终止前的调控 微生物基因表达调控31 如：色氨酸操纵子 结构基因E 、 D 、 C 、 B 、 A 前导区 控制位点（操纵区O 、启动子P） E前导区OPDCBA RP 微生物基因表达调控32 前导区的结构和功能 162nt，富含GC，前端编码14aa的前导肽 色氨酸水平前导肽是否翻译完前导区的二级结 构下游基因是否转录 微生物基因表达调控33 前导区可能的两种二级结构 微生物基因表达调控34 衰减子 弱化作用 的机制 微生物基因表达调控35 四. 因子的

8、更替（factors alternation） 细菌的RNA聚合酶 1、 2、核心酶 因子：帮助核心酶识别启动子区 更替？ 不同的因子识别不同基因的启动子，使RNA聚合 酶转录不同的基因 微生物基因表达调控36 一）大肠杆菌的热激反应 Heat shock 细胞质型： 70 32 新的基因产物 适应热变化 二）枯草芽孢杆菌芽孢发育 因子的更替抑制营养生长，促使芽孢发育 三）其他 微生物基因表达调控37 E.coli的不同因子识别不同的顺序 因子基因功用-35顺序间隔距离-10顺序 70rpoD正常状态TTGACA16-18bpTATAAT 32rpoH热休克CNCTTGAA13-15bpCCC

9、CATNT 60rpoN氮的利用CTGGNA6bpTTCGA 微生物基因表达调控38 五. 全局调控（Global regulation） 微生物对环境变化的反应，常需要同时调控 许多不同基因的表达，这种控制机制是在 较为广泛的基础上起作用的，所以称为全 局调控。 涉及的基因： 调节子（regulon） 刺激子（stimulon） 微生物基因表达调控39 一）降解物阻遏 Catabolite repression 表现：微生物的二次生长 机制：转录控制 CAP + cAMP lac operon的活化区 有葡萄糖，抑制cAMP 的合成，并促进其向胞外运 输，使胞内cAMP 浓度低，难以激活转录

10、 问： lac operon表达需满足哪些条件？ 微生物基因表达调控40 二）群体感应 Quorum sensing 表现：细胞到达一定密度时，才表现某种行为 机制：由信号分子调控的自身诱导 产生足够的信号分子和群体依赖蛋白 如：生物发光，抗生素产生，芽孢形成的刺激等 R R R HSLS合成酶 群体依赖蛋白 DNA mRNA G-细菌的群体感应 HSLS 调控蛋白？调控蛋白？ 微生物基因表达调控41 三）双组分调控系统 表现：环境信号不直接传递到调控蛋白 机制：双（多）组分调控的信号转导 传感蛋白 响应调节蛋白 如：大肠杆菌同化磷酸盐，根瘤菌固氮等 P ATP P P RNAP 磷酸化酶催化

11、 调控蛋白？调控蛋白？ 微生物基因表达调控42 微生物基因表达调控43 四）SOS调控系统 大范围的DNA损伤引起细胞许多功能的变化 如 细胞突变，温和噬菌体启动裂解循环 机制：DNA损伤RecA蛋白活化降解LexA阻遏 蛋白启动多个基因的表达 微生物基因表达调控44 微生物基因表达调控45 第四节 酵母菌基因表达的调控 微生物基因表达调控46 一. 真核生物基因表达调控的特点 1. 表达调控的环节多 2. 转录与翻译不偶联 3. 基因的转录与染色质的结构变化相关 4. 表达以正调控为主 微生物基因表达调控47 真核生物转录水平的调控 顺式作用元件顺式作用元件、反式作用因子反式作用因子 启动子启动子结构基因结构基因增强子增强子沉默子沉默子 mRNAmRNA 转录转录 因子因子1 1 转录转录 因子因子2 2 RNARNA聚合聚合 酶酶IIII 终止子终止子 微生物基因表达调控48 组成型和非诱导型突变 基因基因产物产物杂合子杂合子 GAL1, GAL7, GAL10 的