【学习】第十一章原核基因表达调控ppt课件

1、Control of gene expression in prokaryote1 概概 述述2 乳糖支配子乳糖支配子3 色氨酸支配子色氨酸支配子4 应急应对应急应对5 RNA对基因表达的调控对基因表达的调控6 翻译对基因表达的调控翻译对基因表达的调控7 小小 结结 1.1 几个根本概念几个根本概念 1.2 基因或支配子表达调控程度基因或支配子表达调控程度 1.3 调控的类型与特点调控的类型与特点1 概概 述述1.1.1 顺式作用元件与反式作用因子顺式作用元件与反式作用因子1.1.2 构造基因与调控基因构造基因与调控基因1.1.3 阻抑物、支配基因与支配子阻抑物、支配基因与支配子1.1.4 正

2、调控与负调控正调控与负调控1.1.5 诱导与阻遏诱导与阻遏1.1.1 顺式作用元件与反式作用因子顺式作用元件与反式作用因子 构造基因构造基因structural gene 编码各类具有不同构造和功能的蛋白质和编码各类具有不同构造和功能的蛋白质和RNA的的基因。基因。 调控基因调控基因regulator gene 编码蛋白质或编码蛋白质或RNA来调理其他基因表达的基因。来调理其他基因表达的基因。1.1.2 构造基因与调控基因构造基因与调控基因阻抑物阻抑物repressor: 阻止基因表达的蛋白质，可与支配基因结合阻止基因表达的蛋白质，可与支配基因结合来阻止转录或结合来阻止转录或结合RNA来阻止蛋

3、白质的翻译。来阻止蛋白质的翻译。支配基因支配基因operator: DNA上的一个位点，阻抑物能与之结合抑上的一个位点，阻抑物能与之结合抑制相邻启动子起始转录。制相邻启动子起始转录。支配子支配子operon: 细菌基因表达和调控的单位，包括构造基因细菌基因表达和调控的单位，包括构造基因和能被调控基因产物识别的和能被调控基因产物识别的 DNA控制元件。控制元件。1.1.3 阻抑物、支配基因与支配子阻抑物、支配基因与支配子 正调控正调控positive control: 调控因子经过与启调控因子经过与启动子元件结合来激活基因的表达。动子元件结合来激活基因的表达。负调控负调控negative con

4、trol: 阻抑物与支配基因阻抑物与支配基因结合来阻止基因的表达。结合来阻止基因的表达。1.1.4 正调控与负调控正调控与负调控1.1.5 诱导与阻遏诱导与阻遏1.2.1 转录程度转录程度 (1) DNA的构造的构造 (2) RNA聚合酶的功能聚合酶的功能 (3) 蛋白因子及其他小分子配基的相互作用蛋白因子及其他小分子配基的相互作用1.2.2 转录后程度转录后程度 (1) 翻译的起始、延伸及终止翻译的起始、延伸及终止 (2) 蛋白质产物的加工、修饰、折叠及转运蛋白质产物的加工、修饰、折叠及转运负控诱导系统负控诱导系统正控诱导系统正控诱导系统负控阻遏系统负控阻遏系统正控阻遏系统正控阻遏系统2.1

5、 乳糖支配子的构造组成乳糖支配子的构造组成2.2 乳糖支配子的调控模型乳糖支配子的调控模型The lac operon includes cis-actihng regulator elements and protein-coding structural genes2.2.1 乳糖支配子的负调控乳糖支配子的负调控2.2.2 乳糖支配子的正调控乳糖支配子的正调控(1) 负调控位点负调控位点-支配基因支配基因 位置位置; 序列特征序列特征(2) 调理因子调理因子-阻抑物阻抑物 构造特征构造特征; 活性控制活性控制(3) 阻抑物与支配基因的作用分析阻抑物与支配基因的作用分析(4) 乳糖支配子的负

6、控诱导系统乳糖支配子的负控诱导系统2.2.1 乳糖支配子的负调控乳糖支配子的负调控Repressor and RNA polymerase bind at sites that overlap around the transcription startpoint of the lac operon.-5+21Lac 支配基因的位置支配基因的位置 The lac operator has a symmetrical sequence. The sequence is numbered relative to the startpoint for transcription at +1. Lac

7、 支配基因的序列特征支配基因的序列特征Lac阻抑物的构造特征阻抑物的构造特征N endC endThe repressor tetramer consists of two dimers. Dimers are held together by contacts involving core domain 2 as well as by the oligomerization helix. The dimers are linked into the tetramer by the oligomerization interface.Repressor maintains the lac op

8、eron in the inactive condition by binding to the operator. The shape of the repressor is represented as a series of connected domains as revealed by its crystal structure Inducer changes the structure of the core so that the headpieces of a repressor dimer are no longer in an orientation that permit

9、s binding to DNA.Lac阻抑物的活性控制阻抑物的活性控制阻抑物与支配基因的作用分析阻抑物与支配基因的作用分析Lac repressor binds strongly and specifically to its operator, but is released by inducer. Virtually all the repressor in the cell is bound to DNA.Repression affects the sites at which repressor is bound on DNAThe three lac operators -83

10、+11 +410 O1 O3 O2 O1: AATTGTGAGCGGATAACAATTO2: AAATGTGAGCGAGTAACAACCO3: GGCAGTGAGCGCAACGCAATTCAPRNAPO3+O2+O1: 1300; O3+O1: 440; O1+O2:700; O3+O2:1.9; O3:1.0; O1:18; O2:1.0; No operators:1.0-foldIf both dimers in a repressor tetramer bind to DNA, the DNA between the two binding sites is held in a loo

11、p. 可以对支配子进展诱导的小分子，其构造可以对支配子进展诱导的小分子，其构造通常与支配子所表达的酶的底物的构造一通常与支配子所表达的酶的底物的构造一样或类似。样或类似。 -半乳糖苷含乳糖是半乳糖苷含乳糖是lacZYA基因编码基因编码的酶可识别的底物。的酶可识别的底物。 -半乳糖苷不存在时，乳糖支配子的表达程半乳糖苷不存在时，乳糖支配子的表达程度极低。参与度极低。参与-半乳糖苷可诱导乳糖支配子半乳糖苷可诱导乳糖支配子中三个构造基因的转录。中三个构造基因的转录。Glucose controls expression of lac operonAddition of inducer results

12、 in rapid induction of lac mRNA, and is followed after a short lag by synthesis of the enzymes; removal of inducer is followed by rapid cessation of synthesis. (1) 正调控位点正调控位点- CRP结合位点结合位点 位置位置 序列特征序列特征(2) 调理因子调理因子- CRP 构造特征构造特征 活性控制活性控制(3) CAP与靶位点的作用与靶位点的作用The CRP protein can bind at different sites

13、 relative to RNA polymerase. CRP结合位点的位置结合位点的位置CRP-binding sites are close to the promoter-41, one- 61, two- 92, oneThe consensus sequence for CRP contains the well conserved pentamer TGTGA and (sometimes) an inversion of this sequence (TCANA). CRP结合位点序列特征结合位点序列特征CRP binds to a consensus sequence 一个由

14、两个一样亚基组成的二聚体，每个亚基一个由两个一样亚基组成的二聚体，每个亚基为为22.5 kDa, 二聚体可被单个分子二聚体可被单个分子cAMP激活。激活。 CRP单体含一个单体含一个DNA结合区和一个转录激活区。结合区和一个转录激活区。CRPCRP的构造特征的构造特征Cyclic AMP has a single phosphate group connected to both the 3 and 5 positions of the sugar ring. adenylate cyclaseATP cAMPBy reducing the level of cyclic AMP, gluco

15、se inhibits the transcription of operons that require CRP activity.The level of cyclic AMP is inversely related to the level of glucose. CRP的活性控制的活性控制cAMPCRP bends DNA 90 around the center of symmetry. CRP与靶位点的作用与靶位点的作用3.1 色氨酸支配子的构造组成色氨酸支配子的构造组成3.2 色氨酸支配子的调控模型色氨酸支配子的调控模型 3.2.1 trp支配子的阻遏系统支配子的阻遏系统 3.

16、2.2 衰减子对色氨酸支配子的表达调控衰减子对色氨酸支配子的表达调控 3.1 色氨酸支配子的构造组成色氨酸支配子的构造组成The Trp OperonNote:the order of the genes follows the order of the biosynthetic pathway (1) 辅阻遏蛋白对辅阻遏蛋白对trp支配子表达的调控支配子表达的调控 辅阻遏蛋白辅阻遏蛋白trpR的产物经过与支配基因的结合与的产物经过与支配基因的结合与否来控制构造基因能否被转录。否来控制构造基因能否被转录。 (2) 辅阻遏蛋白的活性控制辅阻遏蛋白的活性控制 辅阻遏蛋白的活性遭到色氨酸程度的控制，

17、色氨酸与辅阻遏蛋白的活性遭到色氨酸程度的控制，色氨酸与辅阻遏蛋白结合那么激活了辅阻遏蛋白，这样辅阻遏蛋辅阻遏蛋白结合那么激活了辅阻遏蛋白，这样辅阻遏蛋白就可与支配区白就可与支配区DNA结合，封锁结合，封锁trp支配子的表达。支配子的表达。3.2.1 trp支配子的阻遏系统支配子的阻遏系统(1) 前导序列和衰减子前导序列和衰减子(内源性终止子内源性终止子)的序列特征的序列特征(2) 色氨酸程度调控前导区和衰减子对应色氨酸程度调控前导区和衰减子对应RNA二级二级构造构造 (3) RNA的可变性二级构造调控衰减作用的可变性二级构造调控衰减作用3.2.2 衰减子对色氨酸支配子的表达调控衰减子对色氨酸支

18、配子的表达调控(1)前导序列和衰减子前导序列和衰减子(内源性终止子内源性终止子)的序列特的序列特征征(2) 色氨酸程色氨酸程度调控前导区度调控前导区和衰减子对应和衰减子对应RNA二级构造二级构造143212344.1 定定 义义4.2 产生的核酸堆积物产生的核酸堆积物- (p)ppGpp4.3 (p)ppGpp的产活力制的产活力制4.4 (p)ppGpp的作用的作用 应急应对应急应对stringent response： 当细菌发现它们处于很差的生长环境，当细菌发现它们处于很差的生长环境，没有足够的氨基酸来维持蛋白质合成时，没有足够的氨基酸来维持蛋白质合成时，它们就会停顿大部分活动，这种景象称

19、为它们就会停顿大部分活动，这种景象称为应急应对。应急应对。 应急应对产生两种非正常的核酸堆积物应急应对产生两种非正常的核酸堆积物有时又称预警子有时又称预警子(alarmone)，即，即ppGpp和和pppGpp，统称，统称(P)PPGPP。 应急因子应急因子RelA是一种是一种(p)ppGpp合成酶，约合成酶，约与与5%的核糖体结合在一同。的核糖体结合在一同。 当当A位被空载位被空载tRNA占据时，占据时， RelA被激活。被激活。 一个空载一个空载tRNA进入进入A位就生成一个位就生成一个(p)ppGppStringent factor catalyzes the synthesis of

20、pppGpp and ppGpp; ribosomal proteins can dephosphorylate pppGpp to ppGpp. 应急应对使得应急应对使得rRNA和和tRNA的合成量的合成量大幅减少大幅减少10-20%，一些，一些mRNA的合成的合成也减少也减少1/3。蛋白质的降解速率添加，。蛋白质的降解速率添加，许多代谢调理作用开场发生。许多代谢调理作用开场发生。Nucleotide levels control initiation of rRNA transcription. 5.1 反义反义RNA抑制基因表达抑制基因表达5.2 小小RNA分子调理翻译分子调理翻译5.3

21、 RNA干扰与基因沉默干扰与基因沉默5.1.1 反义基因和反义反义基因和反义RNA的定义的定义5.1.2 反义反义RNA技术及作用原理技术及作用原理 反义基因反义基因 (Antisense gene): 是指相对于启动子的方向，将基因反向，从而转录出是指相对于启动子的方向，将基因反向，从而转录出“反义反义RNA链给与正义链给与正义RNA互补，此时的基因称互补，此时的基因称反义基因。反义基因。反义反义RNA (Antisense RNA): 能与特异能与特异mRNA分子互补结合的一段分子互补结合的一段RNA分子。分子。反义反义RNARNA技术：技术： 利用基因重组技术，构建人工表达载体，使其离体

22、或体内表达利用基因重组技术，构建人工表达载体，使其离体或体内表达反义反义RNARNA，从而抑制靶基因的表达，从而抑制靶基因的表达 。作用原理作用原理: :1 1复制程度：与引物复制程度：与引物RNARNA互补结合，抑制互补结合，抑制DNADNA复制。复制。2 2转录程度：与转录程度：与mRNA 5mRNA 5末端互补结合，阻止帽子构造构成；末端互补结合，阻止帽子构造构成；作用于外显子和内含子衔接区，阻止前作用于外显子和内含子衔接区，阻止前mRNAmRNA的剪接；的剪接； 作用于作用于poly Apoly A构成位点，阻止构成位点，阻止mRNAmRNA的成熟及其向胞浆中的转运的成熟及其向胞浆中的

23、转运. .3 3翻译程度：能够是最主要方面，互补于起始位点阻止核糖翻译程度：能够是最主要方面，互补于起始位点阻止核糖体结合；互补于编码区阻止核糖体在体结合；互补于编码区阻止核糖体在mRNAmRNA上挪动；降解靶上挪动；降解靶mRNA mRNA 5.2.1 小小RNA分子调理翻译机制分子调理翻译机制5.2.2 细菌内含有调理因子细菌内含有调理因子RNA5.2.3 真核生物中含有的微小调理因子真核生物中含有的微小调理因子RNA 调理因子调理因子RNA经过与靶经过与靶RNA构成双链区域来构成双链区域来行使功能，双链体可以：行使功能，双链体可以： 阻遏翻译起始；阻遏翻译起始；产生一个核酸内切酶作用靶点

24、；引起转录终止。产生一个核酸内切酶作用靶点；引起转录终止。By binding to a target RNA to form a duplex region, a regulator RNA may create a site that is attacked by a nuclease. 细菌中的调理因子细菌中的调理因子RNA是短的分子，是短的分子，统称为统称为sRNA。 E.coli 至少包含至少包含17种不同种不同sRNA，有，有一些一些sRNA是普遍的调理因子，可以影是普遍的调理因子，可以影响许多靶基因。响许多靶基因。Oxy R可被可被H2O2刺激表达的基因刺激表达的基因Oxy S 靶基因之一靶基因之一 Oxy S RNA 109 碱基碱基一种在转录后程度影响基因表达的反式作用调理因子一种在转录后程度影响基因表达的反式作用调理因子超越超越10个靶基因个靶基因转录转录氧化应急反响展现了氧化应急反响展现了RNA作为调理因