原核生物的基因表达调控(2)

1、关于原核生物的基因表达调控 (2)第一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月第二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月动物的生长发育第三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月第四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月不同环境的影响短日照植物长日照植物第五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月第十一章 原核生物的基因表达调控第六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月调节型基因组成型基因（看家基因，管家基因）第七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月基因表达调控的两种方式 基因的表达模式都可根据控制的效果分为正调控和负调控。如果是在转录水平的调控，这两种调控模式一般都涉

2、及到特定的调节蛋白与DNA特定序列之间的相互作用。一般将与调节蛋白结合的特定DNA序列称为顺式作用元件，而对于原核生物来说，这样的顺式作用元件经常被称为操纵基因。第八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月原核生物基因表达的调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起。操纵子就是由启动子、操纵基因以及相邻的若干结构基因组成的功能单位，其中结构基因受操纵基因所控制。操纵子中的全部结构基因从同一个启动子开始转录成单个mRNA分子。第九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月如果是负调控，则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活的情况下，基因正常表达。一旦存在调节蛋白或者调节蛋白被激活，基因则不

3、能表达。因此，负调控中的调节蛋白被称为阻遏蛋白；如果是正调控，则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活的情况下，基因不表达或者表达量不足。一旦有调节蛋白或者调节蛋白被激活，基因才能表达或者大量表达。因此，正调控中的调节蛋白被称为激活蛋白。第十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月正调控与负调控模式的比较第十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月调控水平在DNA水平上的调控二. 在转录水平上的调控转录起始水平上的调控转录终止水平上的调控三. 在翻译水平上的调控第十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月在DNA水平的调控基因的拷贝数启动子序列对基因表达的调控DNA重组对DNA表达的调控：重

4、组可以改变控制基因表达的元件与受控基因之间的距离和方向，因而可以成为控制基因表达的一种手段。第十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月不同类型启动子与基因表达之间的关系组成型启动子弱启动子强启动子一般与一致序列相同或相近缺乏一个或多个一致序列元件与一致序列相同或接近恒定的转录速率低转录速率高转录速率可能不受其它形式的调控经常需要激活蛋白经常受到阻遏第十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月鼠伤寒沙门氏菌相变的分子机制fljBfljBfljBfljBfljCfljCfljCfljCfljC蛋白fljBDNA重组对基因的表达调控fjA第十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月调控

5、水平在DNA水平上的调控二. 在转录水平上的调控转录起始水平上的调控转录终止水平上的调控三. 在翻译水平上的调控第十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月在转录水平的调控转录起始阶段的调控不同因子的选择性使用操纵子调控模型几种重要的操纵子转录终止阶段的调控抗终止作用弱化 第十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月不同因子的选择性使用细菌识别启动子序列的是因子。不同的因子可识别不同的启动子序列，E. coli主要使用70。在特殊的条件下，其它类型的因子被表达或被激活。这些新的因子识别的是其它类型的启动子，其一致序列不同于70所识别的启动子，从而指导RNA pol启动一些新基因的表达。

6、这样的调控系统使有机体能对在特定条件下才表达的多个基因进行统一的调控。 第十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月因子的选择性使用与热激基因的表达调控htpR第十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月因子的级联与SPO1噬菌体不同时期基因表达之间的关系4343第二十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月在转录水平的调控转录起始阶段的调控不同因子的选择性使用操纵子调控模型几种重要的操纵子转录终止阶段的调控抗终止作用弱化 第二十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月操纵子模型第一个被阐明的基因表达调控系统是由法国巴斯德研究所的Francois Jacob和Jacques Mo

7、nod于1962年提出来的大肠杆菌基因表达的操纵子模型。事实证明，大多数原核生物的基因表达调控都采取这种方式，尽管真核细胞没有操纵子的结构，但模型中的一些基本原理也适用于真核生物。第二十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月操纵子模型认为：一些功能相关的结构基因成簇存在，构成所谓的多顺反子，它们的表达作为一个整体受到控制元件的调节。控制元件由启动子、操纵基因和调节基因组成。调节基因编码调节蛋白，与操作子结合而调节结构基因的表达。 第二十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月在转录水平的调控转录起始阶段的调控不同因子的选择性使用操纵子调控模型几种重要的操纵子转录终止阶段的调控抗终止作

8、用弱化 第二十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月乳糖操纵子乳糖操纵子属于诱导型操纵子，其天然的诱导物是乳糖的异构体别乳糖，它既受到负调控，又受到正调控。乳糖操纵子的负调控乳糖操纵子的正调控第二十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月-半乳糖苷酶催化的水解和异构化反应第二十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月葡萄糖效应和乳糖诱导第二十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月乳糖对乳糖代谢酶的诱导如果供大肠杆菌生长的培养基中没有乳糖，那么细胞内参与乳糖分解代谢的三种酶，即-半乳糖苷酶、乳糖透过酶和巯基半乳糖苷转乙酰酶很少，如每个细胞的-半乳糖苷酶的平均含量只有0.55个

9、。可是一旦在培养基中加入乳糖或某些乳糖的类似物，则在几分钟内，每个细胞中的-半乳糖苷酶分子数量骤增，可高达5 000个，有时甚至可占细菌可溶性蛋白的 510。与此同时，其它两种酶的分子数也迅速提高。由此可见，新合成的-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰化酶由底物乳糖或其类似物直接诱导产生，乳糖及其相关类似物被称为诱导物。 第二十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月大肠杆菌乳糖操纵子的结构1个调节基因（lacI）位于Plac附近，有其自身的启动子和终止子，转录方向和结构基因的转录方向相反，呈低水平的组成型表达，编码阻遏蛋白1个操纵基因（lacO） 位于Plac和lacZ基因之间，为阻遏蛋白结合的位

10、点1个启动子（Plac）3个结构基因（lacZ、lacY和lacA）组成。lacZ编码-半乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖异构化为别乳糖，绝大多数乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY基因编码半乳糖透过酶，其功能是使环境中的-半乳糖苷能透过细胞壁和细胞膜进入细胞内；lacA基因编码转乙酰基酶。转录时，RNA聚合酶首先与Plac结合，通过lacO向右，按lacZlacYlacA方向进行转录，每次转录出来的一条mRNA上都带有这3个基因。第二十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月大肠杆菌半乳糖操纵子模型第三十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月乳糖操纵子三个阻遏蛋白结合位点的结构特征及其作用

11、第三十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月乳糖操纵子的正调控葡萄糖效应在有葡萄糖存在时，细菌优先利用环境中的葡萄糖，即使有诱导物乳糖的存在，乳糖操纵子也处于被抑制的状态，直到葡萄糖被消耗完后才能解除抑制，这时细菌才开始利用乳糖进行生长。这说明乳糖的存在仅仅是乳糖操纵子开放的必要条件，但还不是充要条件。同时有乳糖和葡萄糖的情况下，乳糖操纵子也不能正常开放呢的原因是乳糖操纵子的开放还需要一种称为cAMP受体蛋白（CRP）的激活蛋白的正调控。只有在负调控不起作用、正调控起作用的条件下，乳糖操纵子才能开放。 第三十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月CAP的正调控作用第三十三张，PPT

12、共八十一页，创作于2022年6月乳糖操纵子的操纵基因和CAP-cAMP结合位点序列第三十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月CAP-cAMP在CAP位点上与RNA pol的相互作用 第三十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月CAP-cAMP与其结合位点结合以后导致DNA发生的弯曲第三十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月为什么乳糖操纵子既要受到负调控，又要受到正调控？一是使细胞能够优先利用葡萄糖，而优先利用葡萄糖对细胞来说是有益的，因为参与葡萄糖分解的基因均是管家基因，这样葡萄糖可以迅速地被分解，为细胞提供能量；二是lac启动子序列与启动子的一致序列相差较大，是一个弱启

13、动子，而CAP-cAMP的激活就弥补了其启动子活性的“先天不足”。第三十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月大肠杆菌的阿拉伯糖操纵子 阿拉伯糖操纵子编码3个与阿拉伯糖代谢有关的酶：阿拉伯糖异构酶，催化阿拉伯糖异构成核酮糖，由araA基因编码；核酮糖激酶，催化核酮糖的磷酸化，由araB基因编码；核酮糖-5-磷酸差向异构酶，由araD基因编码，催化核酮糖-5-磷酸异构成木酮糖-5-磷酸，使之进入磷酸戊糖途径进行代谢。这3个结构基因按照araB、araA和araD的顺序排列，简称为araBAD，共同受araC基因的产物AraC蛋白和CAP-cAMP控制。 与乳糖操纵子不同的是，阿拉伯糖操纵子

14、的调节蛋白既是一种激活蛋白，又是一种阻遏蛋白。 第三十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月阿拉伯糖操纵子结构第三十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月阿拉伯糖操纵子的阻遏和激活第四十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月大肠杆菌的色氨酸操纵子的色氨酸操纵子是一种阻遏型的操纵子，它控制5种参与色氨酸合成酶基因的表达。色氨酸作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合而阻止色氨酸操纵子的表达。除了色氨酸操纵子是阻遏型以外，其它与合成代谢有关的操纵子，如组氨酸操纵子，也都属于阻遏型操纵子。一般说来，控制分解代谢的操纵子为诱导型，控制合成代谢的操纵子属于阻遏型。操纵子发生这样的分化使得细胞能够迅速对

15、环境或细胞内部的代谢变化做出反应。第四十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月分解代谢操纵子和合成代谢操纵子比较第四十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月大肠杆菌色氨酸操纵子的结构与功能由一个启动子、一个操纵基因、一个前导肽编码基因（trpL）和5个结构基因（trpE、trpD、trpC、trpB、trpA）以及一个调节基因（trpR）组成。结构基因编码将莽草酸转化为色氨酸的关键酶。trpR编码阻遏蛋白，它距结构基因的距离较远。当色氨酸含量低时，阻遏蛋白没有结合DNA的活性。这时，操纵基因区域便可以同RNA pol结合，转录得以进行，表达参与色氨酸合成的基因，补充细胞内色氨酸的含

16、量；当色氨酸充足时，它作为辅阻遏物同阻遏蛋白结合后，会引起阻遏蛋白构象变化，使其能够同操纵基因结合，阻遏色氨酸合成基因的转录。色氨酸合成途径的终产物会通过阻遏转录的进行抑制该途径酶的合成。第四十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月色氨酸操纵子模型第四十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月RNA开关（核开关）在许多细菌（包括某些真核生物）内，发现一些特殊的双功能mRNA在非编码区含有特定代谢物的特异性结合位点，充当基因表达的开关，代谢物的结合改变了mRNA的构象，结果要么提高转录的终止效率，要么降低翻译的效率，要么影响到mRNA的后加工，从而改变一个基因的表达。RNA 开关或核开

17、关就是指这一类特殊的mRNA。核开关能直接检测到细胞内一些重要的小分子代谢物的水平，并根据细胞的生理需要打开或关闭相关基因的表达。第四十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月部分核开关的结构 第四十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月枯草杆菌控制TPP 合成和运输的核开关的结构及其作用机制第四十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月原核生物的CRISPR 系统CRISPR 意思是“成簇有规律间隔短回文重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）CRISPR 区域实际上是一种存储外来病毒序列的记

18、忆库。它由许多不同的病毒序列和相同的重复序列交替排列组成。CRISPR 系统提供了对任何含有相同和相近序列的病毒的防护。CRISPR 系统中的蛋白质，即CRISPR 相关蛋白（CAS 蛋白）具有两个功能：一是利用存储的序列信息，去识别入侵的病毒基因组并摧毁它们；二是参与获得和储存病毒的序列片段，这一过程还不清楚。CAS 蛋白由位于CRISPR 序列上游的基因编码。CRISPR 区作为一个整体先被转录，然后被CAS 蛋白在每一个重复序列的中间切开，产生单个病毒特异性片段。如果其中的某一个片段可以和外来入侵的病毒DNA 或RNA 互补配对，CAS 蛋白就可以将病毒的DNA 或RNA 降解。CRIS

19、PR 系统广泛分布在古菌和细菌之中，大约90% 基因组序列已测过的古菌和70% 基因组序列已测过的细菌都带有这个系统。第四十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月原核生物的CRISPR 系统第四十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月双组分调节系统此系统存在于所有的细菌或许多低等的真核生物，通过使用一对调节蛋白检测来自环境中的特定信号，并对信号作出反应。这一对蛋白质一个是感应器激酶，一个是反应调节蛋白。每一个蛋白质都是由两个结构域组成。感应器激酶含有1个检测环境信号的结构域和1个激酶活性结构域。一旦检测到特定的环境信号，感应器激酶结构域的一个保守的His残基发生自我磷酸化（磷酸基团

20、来自ATP的-磷酸）。然后这个磷酸根被转移到位于反应调节蛋白的第一个结构域上的一个保守的Asp残基上。反应调节蛋白的第二个结构域负责将信号转导到细胞内部。由于反应调节蛋白的磷酸化通常激活其潜在的转录调节的活性，于是来自环境中特定的信号最终诱发了特定基因表达的变化。第五十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月双组分调节系统的作用图解第五十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月在转录水平的调控转录起始阶段的调控不同因子的选择性使用操纵子调控模型几种重要的操纵子转录终止阶段的调控弱化 抗终止作用第五十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月Trp弱化子的模型RNA pol启动trp操纵

21、子的转录；在转录约90nt以后，RNA pol暂停在第一个二级结构之处；核糖体开始与新生的mRNA结合，启动前导肽的合成；RNA pol从暂停状态解除，继续转录；RNA pol当到达潜在的终止子区域的时候，是继续转录还是停止转录取决于紧随其后的核糖体的位置；如果细胞缺乏Trp，核糖体就会停留在两个连续的Trp密码子位置，等待有Trp-tRNATrp进入A部位，那么1区被隔离在核糖体内，无法与2区配对，于是2区和3区在4区被转录之间发生配对，迫使后来转录的4区处于单链状态，这就阻止了3区和4区形成终止子结构，转录即可以继续；如果细胞里的Trp含量充足，核糖体能够连续地翻译前导肽，它就会覆盖了2区

22、，阻止了2区与3区配对。于是，当4区被转录以后，就自发地与3区形成终止子结构，导致转录提前结束，产生约140bp的转录物。第五十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月色氨酸的衰减子模型第五十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月其他氨基酸操纵子前导肽的氨基酸序列 第五十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月在转录水平的调控转录起始阶段的调控不同因子的选择性使用操纵子调控模型几种重要的操纵子转录终止阶段的调控弱化抗终止作用第五十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月抗终止作用转录的终止依赖于终止子。但不同终止子的作用也有强弱之分，有的终止子几乎能完全终止转录；有的则只是部

23、分终止转录，一部分RNA pol能越过这类终止序列继续转录。如果操纵子的结构基因群中间有弱终止子存在，则前后转录产物的量会有所不同，这也是终止子调节基因群中不同基因表达产物比例的一种方式。有的蛋白质因子能作用于终止子序列，减弱或取消终止子的作用，称为抗终止作用，这些蛋白因子就称为抗终止因子。当然也有一些蛋白质因子能够促进终止子的作用。两种情况都可以用来调节基因的表达， 第五十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月BglG蛋白的抗终止作用第五十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月枯草杆菌氨酰-tRNA合成酶基因内的弱化子作用模型第五十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月调控

24、水平在DNA水平上的调控二. 在转录水平上的调控转录起始水平上的调控转录终止水平上的调控三. 在翻译水平上的调控第六十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月翻译水平上的调控反义RNA的正负调控翻译控制自体调控mRNA的二级结构和稳定性对翻译的调控严谨反应第六十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月反义RNA反义RNA是指与特定目标RNA分子（通常是mRNA）因存在互补序列，而发生配对从而调节目标RNA功能的RNA分子。它通常是以一个基因编码链的部分序列为模板而转录而成，并不编码任何蛋白质。反义RNA可参与DNA复制和基因转录的调控，而其对基因转录的调控主要在翻译水平上，少数在转录水平

25、上，反义RNA可能起负调控，也可能起正调控的作用。 第六十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月反义RNA的负调控作用micF RNA由micF基因编码，它是大肠杆菌OmpF mRNA的反义RNA，由Mizuno T. 在1983年发现。Tn10转座酶的反义调控利用反义机制调节它自身的转座酶的活性。第六十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月渗透压变化与OmpF和OmpC表达之间的关系第六十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月渗透压变化改变OmpF和OmpC表达的机理第六十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月micF RNA与ompF mRNA之间的碱基配对第六十六

26、张，PPT共八十一页，创作于2022年6月Tn10转座酶的反义调控第六十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月反义RNA的正调控作用DrsA是在大肠杆菌中发现的又一种反义RNA，它既可以和hns mRNA互补配对，还可以和rpoS mRNA互补配对，但对这两种mRNA的翻译影响正好相反，前一种配对掩盖了hns mRNA5-端的核糖体结合位点（RBS），从而导致翻译受阻，后一种配对则暴露出rpoS mRNA上的RBS，从而激活翻译。第六十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月反义RNA的负调控和正调控 第六十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月自体调控自体调控是指一个基因产物

27、对自己的基因表达产生激活或抑制的现象。它既可以在转录水平上，也可以在翻译水平上进行。T4噬菌体p32蛋白的自体调控：p32是由T4噬菌体基因组编码的一种蛋白质，它参与DNA重组、修复和复制，它与单链DNA结合的亲和力特高，这种性质与其功能有关。如果细胞内没有单链DNA结合位点，它便与自己的mRNA上位于起始密码子周围富含AT的序列结合，阻止自身的翻译。核糖体蛋白的自体调控：核糖体蛋白的基因组织成多个操纵子，大多数操纵子含有组成大、小亚基的核糖体蛋白的基因，某些与翻译有关的蛋白质的基因也包含在内。在每一个核糖体的操纵子上都有一个核糖体蛋白基因兼做调节基因，其蛋白质产物能够与自己的mRNA 5端结

28、合，从而抑制自身的翻译。 第七十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月不同的核糖体蛋白形成的操纵子结构第七十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月核糖体蛋白（S15）的自体调控第七十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月mRNA的二级结构与基因表达的调控mRNA的二级结构不仅可以影响到mRNA的稳定性，还会影响到核糖体结合位点的可得性。单核细胞增生性李斯特菌是一种能够导致食物中毒的人类病原菌，其毒性基因只有在菌体进入宿主内才会表达。控制毒性基因表达的源头在温度。PrfA 是一种激活蛋白，它负责激活与毒性有关的基因表达。有趣的是PrfA在37C表达，在30C则不表达，可是它的转录

29、在两种温度下都能进行，看来控制的位点只能是在翻译的水平上了。原来在30C或者更低的温度下，PrfA mRNA上的SD序列与其它区域配对形成链内双链，致使核糖体结合位点被掩盖，翻译因此受到抑制；在37C 下，配对区域热变性，SD序列暴露，核糖体可以结合，翻译便可以进行了。第七十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月温度对李斯特菌PrfA蛋白的表达调控第七十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月mRNA的稳定性与基因表达的调控既然mRNA是翻译的模板，那么它的稳定性越高就会有更多的时间被翻译，因此，如果能够通过某种手段控制一种mRNA的稳定性，也就多了一种在翻译水平上调节基因表达的渠道。但由于原核细胞的mRNA本来就很不稳定，所以，在原核细胞利用此手段来调控基因表达的并不多见。RyhB RNA是大肠杆菌的一种小RNA，仅在铁饥饿的情况下表达。在铁供应不足的条件下，这种RNA与胞内6种与铁储存的蛋白质mRNA配对结合，形成双链区域，致使被结合的mRNA更容易被RNA酶E水解；但在高铁的情况下，RyhB RNA的表达受阻，于是参与铁储存的蛋白质的mRNA稳定性提高，翻译效率因此提升。第七十五张，PPT共八十一页，创作于2022