原核细胞基因表达调控机制-PPT课件

1、Several steps in the gene expression process may be modulated, including the transcription step and translation step and the post-translational modification of a protein. Gene regulation gives the cell control over structure and function, and is the basis for cellular differentiation, morphogenesis

2、and the versatility and adaptability of any organism. Gene regulation may also serve as a substrate for evolutionary change, since control of the timing, location, and amount of gene expression can have a profound effect on the functions (actions) of the gene in the organism.原核细胞基因表达调控Regulation of

3、Prokaryotic Gene Expression一、基因表达调控概述Basic Conceptions and Principle（一）基因表达的概念*基因*基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。* 基因表达(gene expression)基因表达是受调控的（二）基因表达的时间性及空间性1、时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage speci

4、ficity)。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(cell or tissue specificity)。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(spatial specificity)。（三）基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：1、组成性表达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(housekeeping gene)。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

5、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(constitutive gene expression)。2、诱导和阻遏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。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。 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。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。基因表达增强表达减弱诱导阻遏环境因素在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)

6、，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。（四）基因表达调控的生物学意义1、适应环境、维持生长和增殖2、维持个体发育与分化二、基因表达调控的基本原理Basic Principle of Gene Expression Regulation a （一）基因表达的多级调控基因激活转录起始 转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰转录起始（二） 基因转录激活调节基本要素特异DNA序列和调节蛋白质调节蛋白DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用RNA聚合酶原核生物 蛋白质因子 操纵子(operon) 机制特异DNA序列编码序列 启动序列 操纵序列 其他调节序

7、列(promoter)(operator)1. 特异DNA序列和调节蛋白质是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。1) 启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列Pribnow box共有序列(consensus sequence) 决定启动序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别

8、和结合能力。2 操纵序列 阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白3) 其他调节序列、调节蛋白例如激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。真核生物顺式作用元件(cis-acting element)可影响自身基因表达活性的DNA序列BADNA编码序列转录起始点不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些

9、共有序列 ，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。 2 、真核基因的调节蛋白还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。 反式作用因子(trans-acting factor) 这种调节作用称为反式作用。 cDNAaDNA反式调节C顺式调节 mRNA C蛋白质CBA mRNA蛋白质AA指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。绝大多数调节蛋白质结合

10、DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。3. DNA - 蛋白质蛋白质-蛋白质的相互作用4. RNA聚合酶 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性 RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。 调节蛋白与RNA聚合酶活性一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。三、原核基因表达调控Regulation of Prokaryotic Gene Expression调节的主要环节在转录起始（一）原核基因转录调节特点1、因子决定RNA聚合酶识别特异性2、操纵子模型的普遍性3、阻遏蛋白与

11、阻遏机制的普遍性（二）乳糖操纵子调节机制1、乳糖操纵子(lac operon)的结构 调控区CAP结合位点启动序列操纵序列 结构基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNALac operonmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时2、阻遏蛋白的负性调节阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶Lac operon+ + + + 转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时3、CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP4、协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不

12、能发挥作用；如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolic repression)。 mRNA低半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低 cAMP浓度高 葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOOThe regulation of lac operon by CAP,repressor,CAMP and inducerTrp Trp 高时 Trp 低时 mRNA OPtrpR调节区 结构基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 ?（

13、三）色氨酸操纵子调节机制转录衰减色氨酸操纵子Trp operon衰减子（A）是Trp operon的第二控制系统。 第二控制系统实验证据提示：Trp operon酶本底只有1/70，Lac operon为1/1000，说明Trp operon的阻遏要比Lac operon低得多，但仍可以满足细菌适应生存的需要，说明Trp存在第二控制系统。衰减子前导肽（aL）及其空间结构特点aL离E基因上游约3060bp有4个GC特征的片段，其后是8个U，是不依赖因子的终止子，终止作用有赖于前面片段发夹结构形成情况。当Trp，片段3,4形成发夹结构，转录终止。有2个串联UGG（Trp密码子）全长多顺反子6700

14、bp。空 间 结 构特 点DNARPO aL EBCDA aLmRNAL肽UGGUGG1234位于第60位核苷酸-Trp-Trp-UUUUUUUU调节区 结构基因 trpROP前导序列 衰减子区域 UUUU前导mRNA1234衰减子结构 第10、11密码子为trp密码子 终止密码子 14aa前导肽编码区: 包含序列1 形成发夹结构能力强弱： 序列1/2序列2/3序列3/4 trp 密码子 UUUUUUUU34UUUU 334核糖体 前导肽 前导mRNA1.当色氨酸浓度高时 转录衰减机制 125 trp 密码子 衰减子结构就是终止子可使转录前导DNA UUUU 3 RNA聚合酶 终止UUUU34

15、2423UUUU核糖体 前导肽 前导mRNA 15 trp 密码子 结构基因前导DNA RNA聚合酶 2.当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关结构基因被转录 序列3、4不能形成衰减子结构 （四）基因重组沙门菌鞭毛素基因的调节 H2鞭毛素 阻遏蛋白 Hin重组酶转位片段hinH2IH1 H1鞭毛素hinH2IDNA启动序列H1启动序列（五）SOS反应 SOS基因紫外线激活Rec ALex A阻遏蛋白 与DNA 损伤修复有关的酶和蛋白质基因表达Lex A阻遏蛋白操纵序列DNA（五） SOS反应(六）原核生物翻译水平的调控Gene Expression of Translational Level

16、Regulation in Prokaryote 翻译水平的调控 转录是原（真）核基因调控的重要水平，由于原核生物没有核膜，转录翻译同时进行，所以转录后调控余地不大。翻译是原核生物基因表达调控的另一个重要层次。1、SD序列对翻译的影响 A. SD序列（SD Sequence,SDs）概念 原核生物mRNA起始密码子AuG上游3-10bp处有1个RbS称为SD序列。 （1）种类不同基因有不同的SDs，其一致序列为AGGAGG，从而控制单位时间起始复合物形成的数目，最后控制翻译产物的数量。 （2）位置mRNA起始密码子AuG上游4-13bp处，与AuG间隔4-13bp。 1、SD序列对翻译的影响

17、（3）碱基特点富含A，与核糖体小亚基16SRNA端富含U序列互补，被其识别与结合，mRNA转录不久，即被之结合、翻译。 （4）多顺反子编码多个蛋白质，每1个编码区前都有1个AuG和SD序列，多个核糖体与SDs结合将蛋白质分别译出来。B. SD序列对翻译水平的影响 （1）SDs与AuG距离长短的影响 据认为此距离是影响翻译效率主要因素。例，重组IL-2，Plac的SDs距AuG 7个核苷酸，IL-2表达最高，距8个核苷酸，IL-2表达降低500倍。 B. SD序列对翻译水平的影响（2）SDs组成与一致序列差异的影响 Plac3种酶翻译合成比例为1:0.5:0.2，这种现象反映 SDs与一致序列差

18、异导致核糖体结合速率有快有慢 密码子对应tRNA太少，等待运输周转。C. mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用 SDs存在mRNA的二级结构发夹（茎环）中，受到了隐蔽核糖体无法靠近与之结合，只有打开二级结构，暴露位点、方可结合。 例:红霉素抗性菌有1个质粒omrc 该质粒可以编码使23srRNA甲基化酶(红霉素甲基化酶(erythromycin methylase)使23srRNA2057-2060位GAAG的A甲基化，阻止红霉素结合。（红霉素通过该位点结合于核糖体）,抑制蛋白质合成。红霉素甲基化酶可使核糖体对红霉素产生抗性。C.mRNA二级结构隐蔽SD序列的作用（1）amrc翻译起始区有一个反

19、向重复顺序，其上游先导肽也有一个反向重复序列，类似Trp operon的前导肽，能形成转录衰减子发夹结构，称为翻译弱化子。（2）红霉素甲基化酶基因、mRNA与前导肽对应空间结构前导肽 mRNA1.2,2.3,3.4,4.3片段可以互补形成发夹结构SD1前导肽核糖体结合位点SD2红霉素甲基化酶核糖体结合位点DNAamrCLmRNA前导肽SD1123 SD24红霉素甲基化酶前导肽红霉素前导肽4个片形成二级结构情况甲基化酶生成情况23srRNA甲基化与红霉素抗性无前导肽正常翻译，正常释出片段1、2，3、4形成发夹结构隐匿SD2核糖体元法靠近不能译出红霉素甲基化酶无23srRNA甲基化无红霉素抗性有红

20、霉素结合核糖体使之滞留于前导肽，片段1.2，2.3、成发夹，3.4不能成发夹，暴露SD2核糖体结合，译出红霉素甲基化酶23srRNA甲基化，抗红霉素 当23srRNA全部甲基化后核糖体不再结合红霉素顺利译出先导肽隐匿SD2 核糖体无法靠近不再译出甲基化酶。甲基化酶可能有本底水平，当有红霉素时，可使甲基化酶大量表达。2、mRNA的稳定性 A.细菌基因调控3要素转录起始、终止和mRNA的快速转换 mRNA快速转换即旧mRNA快速降解，新mRNA快速合成，这是细菌快速适应环境在mRNA的具体体现。B.mRNA降解速度的影响因素（一级结构和空间结构） 不同mRNA降解速度不同，降解作用不是随机的， 长

21、mRNA不一定较短mRNA稳定性差。 （1）生理状况、环境因素均影响mRNA的降解，但最重要的是： （2）mRNA的一级结构和二级结构降解mRNA的内切酶主要是：RNase（识别特殊发夹结构），该酶降解片段再被其它核酸酶降解（如3外切核酸酶，RNase）。目前所知，mRNA 终止子（尤是不依赖因子终止子）或类似的发夹结构都可以不同程度阻碍RNase对mRNA的降解。 （3）原核mRNA半寿期多为2-3min，降解NTP用于新的mRNA合成。决定mRNA寿命的许多因素都影响到基因表达。3、翻译产物对翻译的调控（蛋白质合成的自体调控） 有些mRNA编码的蛋白质，本身就是蛋白质翻译过程中发挥调节作用

22、的因子，这些因子对自身翻译也起调控制作用。 A.核糖体蛋白 （1）核糖体是1座合成蛋白质流动工厂，沿mRNA移动 快速合成蛋白质。核糖体由rRNA为骨架与核糖体蛋白组成。Ecoli核糖体蛋白质有55种，（大亚基34，小亚基21），核糖体是细菌细胞重要成份之一。 （2）细菌中50余种核糖体蛋白质，基因分布在不同的操纵子中，合成这些蛋白质，速率是与细胞增殖适应的，受生长条件营养环境影响。 （3）实验证明，这些操纵子转录水平是可调控的，但核糖体蛋白合成的控制主要在翻译水平。因为加入额外操纵子于细菌，mRNA增加，而核糖体蛋白质并不增加。 （4）每1个operon转录的mRNA编码蛋白中的一种（或2种

23、蛋白质复合体）可以结合到多顺反子上游的1个特定部位，阻止核糖体结合和起始翻译。B.翻译终止子RF2合成的自体调控（1）终止密码和释放因子（终止子） 无论原核、真核都有3种终止码：UAG、UGA和UAA 没有1种tRNA与终止码作用，而是由特殊的蛋白因子促成终止作用，这类蛋白因子称做释放因子，也有称翻译终止子。 原核有3种释放因子 RF1 识别UAA、UAG RF2 识别UAA、UGA RF3 能刺激RF、RF2的活性。 真核只有1种，即eRF。（2）RF2 mRNA的移框窗口及其附近结构 阅读框（reading-frame）也称读码。mRNA核苷酸序列中，3个核苷酸为1组（称为密码子），由核糖

24、体进行翻译。每个密码子代表蛋白质合成中单个氨基酸，阅读框规定了3个核苷酸组成1个密码子，这是由起始密码子AUG决定的。例如AUG CCA AAA UUU CCC可以读成AUG/GCA/AAA/UUU/CCC，而不会读A/UGG/CAA/AAU/UUC/CC。 开放阅读框（open reading-frame）没有终止密码子打断的阅读，通常是从DNA（不是RNA）顺序推论出开放阅读框的存在。基因密码阅读的3个特点每个基因都有特定的阅读框（如组蛋白），阅读必须从第1个密码子开始到最后1个密码子结束。阅读是不停顿的，停顿只能合成肽而不是蛋白质。（学理发）阅读（mRNA）方向53，合成肽链方向氨基端羧

25、基端，而不能反之。mRNA 5 AUGGGG UAU CUU UGAC UAC GAC 3合成肽链方向 NH2 Gly Tyr Leu Asp -Tyr - Asp-COOH 前面25个氨基酸 后面315个氨基酸(AA) RF2mRNA移框窗口及其结构 移框窗口（转换区）至少15个核苷酸才能发生移框23 24 25 26 27 28RF2是由340氨基酸组成的蛋白质，它的密码子并不处于同1个阅读框中，前25个AA处于AUG所在阅读框中，后315AA处于（+1）另1阅读框中。 RF2整个阅读框分成2个阅读框，中间多了1个U，U与第26个AA（ASP）密码子的前2个核苷酸构成了RF2识别的终止码U

26、GA，而且是前框（25个AA）同框终止密码子。移框窗口至少含15个核苷酸。 RF2合成的自体调控 细胞内RF2供应充足时当核糖体A位到达第25个密码子后面的UGA时RF2就促成了肽链合成终止。 RF2 RF2mRNA译至第25个AA 在其后UGA处将不成熟的肽释放。 胞内缺乏RF2核糖体向前滑动1个核苷酸（U） 即移框作用继续合成第25个AA 直到最后的终止码UAG UAG由另1个释放因子RF1识别并促使RF2肽链的释放。移框作用如此精细的自体调控机制目前仍不清楚，可能与前面25肽的结构有关。（1）低渗omPR Pr. omPF 。 omPC基因关闭。（2）高渗变构OmPR Pr. Ompc ompc mRNA ompc Pr. micF（3）micF能与ompF mRNA前导序列（L）中的44个核苷酸（包括SDs） 及编码区（包括起始码AUG）形成杂合双链，从而抑制了ompF mRN