原核基因表达调控-研ppt课件

1、第六章第六章 基因的表达与调控基因的表达与调控( (上上) ) 原核基因表达调控方式原核基因表达调控方式DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制Contents基因表达调控的根本概念基因表达调控的根本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖支配子乳糖支配子色氨酸支配子色氨酸支配子其他支配子其他支配子转录后程度上的调控转录后程度上的调控第一节第一节 基因表达调控的根本概念基因表达调控的根本概念 组成性表达(constitutive expression) 顺应性表达(adaptive expression二、基因表达的方式二、基因表达的方式 1、组成性表达： 指不大受环境变动而变化的一类基

2、因表达。某些基因在一个个体的几乎一切细胞中继续表达，某些基因在一个个体的几乎一切细胞中继续表达，通常被称为管家基因通常被称为管家基因(housekeeping gene)。 2、顺应性表达、顺应性表达指环境的变化容易使其表达程度变动的一类基因指环境的变化容易使其表达程度变动的一类基因表达。表达。 应环境条件变化基因表达程度增高的景象称为应环境条件变化基因表达程度增高的景象称为诱导诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基，这类基因被称为可诱导的基因因(inducible gene)； 相反，随环境条件变化而基因表达程度降低的相反，随环境条件变化而基因表达程度降低的景象称为阻遏景象称为

3、阻遏(repression)，相应的基因被称为，相应的基因被称为可阻遏的基因可阻遏的基因(repressible gene)。 三、基因表达的规律三、基因表达的规律 时间性和空间性时间性和空间性1、时间特异性、时间特异性temporal specificity按功能需求，某一特定基因的表达严厉按按功能需求，某一特定基因的表达严厉按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性段特异性(stage specificity)(stage specificity)。 2、

4、空间特异性、空间特异性(spatial specificity)基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差别，实践上是由细胞在器官的分布决议的，布差别，实践上是由细胞在器官的分布决议的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or (cell or tissue specificity)tissue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性。空间特异性。四、基因表达调控的生物

5、学意义四、基因表达调控的生物学意义 顺应环境、维持生长和增殖原核、真核 维持个体发育与分化真核第二节第二节 原核基因调控机制原核基因调控机制内容提要：原核基因表达调控环节支配子学说原核基因调控机制的类型与特点转录程度上调控的其他方式 一、基因表达调控环节一、基因表达调控环节1 1、转录程度上的调控、转录程度上的调控transcriptional regulationtranscriptional regulation2 2、转录后程度上的调控、转录后程度上的调控post-transcriptional regulationpost-transcriptional regulationmRNAm

6、RNA加工成熟程度上的调控加工成熟程度上的调控翻译程度上的调控翻译程度上的调控蛋白质加工程度的调控蛋白质加工程度的调控二、支配子学说二、支配子学说1 1、支配子模型的提出、支配子模型的提出19611961年，年，MonodMonod和和JacobJacob提出提出获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖Jacob and Monod2、支配子的定义、支配子的定义支配子：是基因表达的协调单位，由启动子、支配支配子：是基因表达的协调单位，由启动子、支配基因及其所控制的一组功能上相关的构造基因所组基因及其所控制的一组功能上相关的构造基因所组成。支配基因受调理基因产物的控制。成

7、。支配基因受调理基因产物的控制。1 1、根据支配子对调理蛋白阻遏蛋白或激活蛋白、根据支配子对调理蛋白阻遏蛋白或激活蛋白 的应对，可分为：的应对，可分为： 正转录调控正转录调控 负转录调控负转录调控 三、原核基因调控机制的类型与特点三、原核基因调控机制的类型与特点调理基因调理基因支配基因支配基因构造基因构造基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负转录调控负转录调控正转录调控假设在没有调理蛋白质存在时基因是封锁的，参与这种调理蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控叫正转录调控。调理基因调理基因支配基因支配基因构造基因构造基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负转录

8、调控负转录调控负转录调控在没有调理蛋白质存在时基因是表达的，参与这种调理蛋白质后基因表达活性便被封锁，这样的调控负转录调控。 可诱导调理：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来封锁的形状转变为任务形状，即在某些物质的诱导下使基因活化。 例：大肠杆菌的乳糖支配子 分解代谢蛋白的基因2、根据支配子对某些能调理它们的小分子的应对，可分为可诱导调理和可阻遏调理两大类：调理基因调理基因支配基因支配基因构造基因构造基因阻遏蛋白阻遏蛋白调理基因调理基因支配基因支配基因构造基因构造基因阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物诱导物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的诱导支配子模型酶合成的诱导支配子模型诱导物假设某种物质可以促

9、使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。 可阻遏调理：基因平常是开启的，处在产生蛋白质可阻遏调理：基因平常是开启的，处在产生蛋白质或酶的任务过程中，由于一些特殊代谢物或化合物或酶的任务过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其封锁，阻遏了基因的表达。的积累而将其封锁，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸支配子例：色氨酸支配子 合成代谢蛋白的基因合成代谢蛋白的基因酶合成的阻遏支配子模型酶合成的阻遏支配子模型调理基因调理基因支配基因支配基因构造基因构造基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调理基因调理基因支配基因支配基因构造基因构造基因辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物假设某种物质可以阻止细菌产生合成这种物质的酶

10、，这种物质就是辅阻遏物。3、在负转录调控系统中，调理基因的产物是阻遏蛋、在负转录调控系统中，调理基因的产物是阻遏蛋白白repressor，起着阻止构造基因转录的作用。，起着阻止构造基因转录的作用。 根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物诱导物结在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物诱导物结合时，构造基因转录；合时，构造基因转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物辅阻遏物在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物辅阻遏物结合时，构造基因不转录。结合时，构造基因不转录。4 4、在正转录调控系统中，调理基因的产物是激活蛋、在正转录调

11、控系统中，调理基因的产物是激活蛋白白activatoractivator。 根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏在正控诱导系统中，效应物分子诱导物的存在使在正控诱导系统中，效应物分子诱导物的存在使激活蛋白处于活性状；激活蛋白处于活性状；在正控阻遏系统中，效应物分子辅阻遏物的存在在正控阻遏系统中，效应物分子辅阻遏物的存在使激活蛋白处于非活性形状。使激活蛋白处于非活性形状。正控诱导正控阻遏四、转录程度上调控的其他方式四、转录程度上调控的其他方式1、因子的改换 在E.coli中,当细胞从根本的转录机制转入各种特定基因表达时，需求不同的因子指点RNA

12、聚合酶与各种启动子结合。大肠杆菌中的各种因子比较因子编码基因主要功能70rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控54rpoN参与多数氮源利用基因的调控38rpoH分裂间期特异基因的表达调控32rpoS热休克基因的表达调控28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控24rpoE过度热休克基因的表达调控 温度较高,诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应对基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,顺应环境需求 枯草芽孢杆菌芽孢构成 有序的因子的交换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢构成有关的基因有序地表达2. 降解物对基因活性的调理 有葡萄糖存在的情况下，即使在细

13、菌培育基中参与乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的支配子也不会启动，因此也不会产生出代谢这些糖的酶，这种景象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制造用。为什么会产生这种效应呢？由于葡萄糖是最方便的能源，细菌无需开启一些不常用的基因去利用其他糖类。添加葡萄糖后，葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，减少环腺苷酸cAMP的合成，与它相结合的蛋白质，即环腺苷酸受体蛋白CRP又称分解代谢物激活蛋白CAP，因找不到配体而不能构成复合物。而cAMP- CAP复合物的构成又是乳糖、半乳糖或阿拉伯糖支配子等表达所必需的。3. 弱化子对基因活性的影响 属于这种调理方式的有大肠杆菌中的色氨酸支配子、苯

14、丙氨酸支配子、苏氨酸支配子、异亮氨酸支配子等等。 起信号作用的是有特殊负载的氨基酰-tRNA的浓度，在色氨酸支配子中就是色氨酰-tRNA的浓度。 当支配子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。这种由于核糖体在基因转录产物上的不同位置，决议了RNA可以构成哪一种方式的二级构造、并由此决议基因能否继续转录的调理方式确实是非常巧妙的。 起调理作用的信号分子是细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度，因此是转录调理中的微调整，好比无线电调谐器中的微调一样，只需稍加变动就可影响整个体系的功能。4.4.细菌的应急反响细菌的应急反响 细菌有时会碰到紧急情况，比如氨基酸饥饿时，就不是短

15、少一两种氨基酸，而是氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反响，包括消费各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反响过程均被停顿。实施这一应急反响的信号是鸟苷四磷酸ppGpp和鸟苷五磷酸pppGpp。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。 当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成，其浓度可添加10倍以上。ppGpp的出现会封锁许多基因，当然也会翻开一些合成氨基酸的基因，以应付这种紧急情况。 关于ppGpp的作用原理还不大清。ppGpp与pppGpp的作用范围非常广泛，它们不是只影响一个或

16、几个支配子，而是影响一大批，所以它们是超级调控因子。 小结 一个体系在需求时被翻开，不需求时被封锁。 这种“开-关on-off活性是经过调理转录来建立的，也就是说mRNA的合成是可以被调理的。第三节第三节 乳糖支配子乳糖支配子(lac operon)(lac operon)内容提要：内容提要：乳糖支配子的构造乳糖支配子的构造酶的诱导酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据乳糖支配子调控模型乳糖支配子调控模型影响因子影响因子LacLac支配子中的其他问题支配子中的其他问题一、乳糖支配子的构造一、乳糖支配子的构造 Z编码-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖 Y编码-半乳糖苷透过酶：

17、使外界的-半乳糖苷如乳糖能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，构成乙酰半乳糖。二、酶的诱导二、酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据 在不含乳糖的培育基中，每个大肠杆功细胞内大约只需1-2个利用乳糖的酶分子。假设在培育基中参与乳糖，利用乳糖的酶浓度很快到达细胞总蛋白量的6%或7%，每个细胞中可有超越105个酶分子。 由底物导致合成利用该底物的酶，这种景象称为酶的诱导。 如何确定诱导物的作用是诱如何确定诱导物的作用是诱导新酶合成，还是将已存在于细导新酶合成，还是将已存在于细胞中的酶前体转化为有活性的酶胞中的酶

18、前体转化为有活性的酶？ 把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标志的氨基酸但没有半乳糖诱导物的培育基中繁衍几代然后再将这些带有放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培育基中随着培育基中诱导物的参与，-半乳糖苷酶便开场所成分别-半乳糖苷酶，发现这种酶无35S标志阐明酶的合成不是由前体转化而来的，而是参与诱导物后新合成的 同位素示踪实验 酶的诱导景象是生物进化过程中出现的酶的诱导景象是生物进化过程中出现的一种合理、经济地利用有限资源的天性一种合理、经济地利用有限资源的天性。 酶诱导已证明是低等生物的普遍景象。酶诱导已证明是低等生物的普遍景象。 Jacob和Monod以为诱导酶他们当时称为顺应酶景象

19、是个基因调控问题，可以用实验方法进展研讨，因此选为突破口，终于经过大量实验及分析，于1961年建立了该支配子的控制模型。机制：阻遏蛋白的负性调理 无乳糖: lac支配子处于阻遏形状(repression) 有乳糖: lac支配子即可被诱导 诱导剂(inducer): 别乳糖、半乳糖、IPTG异丙基硫代半乳糖苷 抚慰诱导物： 假设某种物质可以促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为抚慰诱导物，如IPTG异丙基- D-硫代半乳糖苷。 CH2OH CH3 HO O SCCH3 H CH3 OH HH H H OH图 16-6 异丙基-硫代半乳糖苷的分子结构三、乳糖支配子调控模型三、乳糖支配子调

20、控模型主要内容：主要内容： Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码分子所编码 这个这个mRNA分子的启动子分子的启动子P紧接着紧接着支配基因支配基因O，而位于调理基因，而位于调理基因I与与O之间的启动子之间的启动子P，不能单独启动合成，不能单独启动合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 支配基因支配基因O是是DNA上的一小段序列仅上的一小段序列仅为为26bp，是阻遏物的结合位点。，是阻遏物的结合位点。RNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位阻遏物结合部位阻遏物结合部位 支配位点的回文序列 当阻遏物与支配基因结合时，当阻遏物与支

21、配基因结合时，lac mRNAlac mRNA的转录起始的转录起始遭到抑制。遭到抑制。 未诱导：结构基因被阻遏 阻遏物 四聚体 LacI P O lacZ lacY lacA 图 16- 当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上 诱导物经过与阻遏物结合，改动它的三维构象，诱导物经过与阻遏物结合，改动它的三维构象，使之不能与支配基因结合，从而激发使之不能与支配基因结合，从而激发lac mRNA的合成。的合成。 当有诱导物存在时，支配基因区没有被阻遏物占当有诱导物存在时，支配基因区没有被阻遏物占据，所以启动子可以顺利起始据，所以启动子可以顺利起始mRNA的合成。的合成。 诱导：基因被打开 -半乳糖苷酶

22、透性酶 乙酰转移酶 图 16-7 诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关 组成型突变： lacOc 几种突变对几种突变对Lac支配子的影响支配子的影响组成型突变： lacI- 几种突变对几种突变对Lac支配子的影响支配子的影响 R epressor has lost lacI S genesythesizes Iducer-binding site defective repressor that cannot bind inducer; it binds perm a nently to operator lacI S O pera ntor lacI + w ild-type represso

23、r does not influence DNA-binding of LacS repressor 图图 16- U ninducible lac S m utations are dom ina nt 不可诱导突变超阻遏：几种突变对几种突变对Lac支配子的影响支配子的影响四、影响因子四、影响因子1、lac支配子的本底程度表达有两个矛盾是支配子实际所不能解释的：诱导物需求穿过细胞膜才干与阻遏物结合，而转运诱导物需求透过酶，后者的合成又需求诱导。真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在-半乳糖苷酶的催化下由乳糖构成的，因此，需求有-半乳糖苷酶的预先存在。解释：解释： 一些诱导物可以在透过酶不存

24、在时进入细胞？一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？ 一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？ 一些诱导物可以在一些诱导物可以在-半乳糖苷酶不存在时被分解成半乳糖？半乳糖苷酶不存在时被分解成半乳糖？ 一些一些-半乳糖苷酶在没有诱导物的情况下合成？半乳糖苷酶在没有诱导物的情况下合成？ 本底程度的组成型合成：非诱导形状下有少量的本底程度的组成型合成：非诱导形状下有少量的lac mRNA合成。合成。2、大肠杆菌对乳糖的反响 培育基：甘油培育基：甘油 按照按照lac支配子本底程度的表达，每个细胞内有几个支配子本底程度的表达，每个细胞内有几个分子的分子的-半乳糖

25、苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；培育基：参与乳糖培育基：参与乳糖少量乳糖少量乳糖透过酶透过酶进入细胞进入细胞-半乳糖苷酶半乳糖苷酶异构乳糖异构乳糖诱导物诱导物诱导诱导lac mRNA的生物合成的生物合成大量乳糖进入细胞大量乳糖进入细胞多数被降解为葡萄糖和半乳糖碳源和能源多数被降解为葡萄糖和半乳糖碳源和能源异构乳糖异构乳糖 H OH HO H OH H H CH2OH H O OH HO O H O CH2 CH2OH H OH OH H HO O H 别乳糖 H O OH H H H OH OH H H H2O H H H O OH CH2OH CH2OH H OH CH2

26、OH H O OH HO O OH H H OH H OH H HO H H H H OH H OH 葡萄糖 半乳糖 图 16- 乳糖分解的不同产物乳糖诱导物的参与和去除对lac mRNA的影响3、阻遏物lacI基因产物及功能 Lac Lac 支配子阻遏物支配子阻遏物mRNAmRNA是由弱启动子控制下组成是由弱启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有型合成的，每个细胞中有5-105-10个阻遏物分子。个阻遏物分子。 当当I I基来由弱启动子突变成强启动子，细胞内就基来由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不能够产生足够的诱导物来抑制阻遏形状，整个不能够产生足够的诱导物来抑制阻遏形状，整个laclac

27、支配子在这些突变体中就不可诱导。支配子在这些突变体中就不可诱导。4、葡萄糖对lac支配子的影响 假设将葡萄糖和乳糖同时参与培育基中，假设将葡萄糖和乳糖同时参与培育基中， lac支支配子处于阻遏形状，不能被诱导；一旦耗尽外源配子处于阻遏形状，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导葡萄糖，乳糖就会诱导lac支配子表达分解乳糖支配子表达分解乳糖所需的三种酶。所需的三种酶。 代谢物阻遏效应：葡萄糖对代谢物阻遏效应：葡萄糖对lac支配子表达的抑制支配子表达的抑制是间接的，不是葡萄糖本身而是其降解产物抑制是间接的，不是葡萄糖本身而是其降解产物抑制lac mRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效应的合成

28、，科学上把葡萄糖的这种效应称为代谢物阻遏效应。称为代谢物阻遏效应。5 5、cAMPcAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白CAP/环腺甘酸受体蛋白环腺甘酸受体蛋白CRPCRP+cAMP 复合物复合物CAP ZYAOPDNA 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列支配序列支配序列 构造基因构造基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ATPATP腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶cAMP环腺苷酸环腺苷酸 大肠杆菌中：无葡萄糖，大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；浓度高； 有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低浓度低+ + + + +

29、+ + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时促进转录促进转录有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时不促进转录不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正调控的正调控当阻遏蛋白封锁转录时，CAP对该系统不能发扬作用如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与支配序列结合，存在，即使没有阻遏蛋白与支配序列结合，支配子仍无转录活性。支配子仍无转录活性。 cAMPCAP复合物与启动复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。子区的结合是转录起始所必需的。协调调理协调调理单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；假单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；假设有葡

30、萄糖或葡萄糖设有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。先利用葡萄糖。第四节 色氨酸支配子trp operon内容提要：内容提要：色氨酸支配子的构造色氨酸支配子的构造色氨酸支配子的阻遏系统色氨酸支配子的阻遏系统色氨酸支配子的弱化机制色氨酸支配子的弱化机制一、色氨酸支配子的构造一、色氨酸支配子的构造 调控基因调控基因 构造基因构造基因 催化分枝酸转变为色氨酸催化分枝酸转变为色氨酸 的酶的酶trpRtrp 特点: (1) trpR和trpABCDE不连锁； (2) 支配基因在启动子内 (3) 有衰减子(attenuator)/弱化子 (4) 启动子和构造基因不直接相连，二者被 前导序列(Leader)所隔开 二、trp 支配子的阻遏系统三、trp 支配子的弱化机制衰减子attenuator/弱化子前导序列leader sequence1、弱化子： DNA中可导致转录过早终止的一段核苷酸序列123-150区。123150 研讨引起终止的研讨引起终止的mRNAmRNA碱基序列，发现该区碱基序列，发现该区mRNAmRNA经过自我配对经过自我配对可以构成茎可以构成茎- -环构造，有典型的终止子特点。环构造，有典型