第六章原核基因表达调控详解演示文稿

第六章原核基因表达调控详解演示文稿当前第1页\共有47页\编于星期三\10点优选第六章原核基因表达调控当前第2页\共有47页\编于星期三\10点

基因表达调控是生命的必需基因表达(geneexpression)是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。当前第3页\共有47页\编于星期三\10点

基因组(genome)是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。

生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的

大肠杆菌:约4000个基因，一般情况下只有5－10%在高水平转录状态。哺乳类:人含有10万个基因，开放转录的约1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的组织特异性当前第4页\共有47页\编于星期三\10点

基因表达的阶段特异性:一般在胚胎时期基因开放的数量最多，随着分化发展，细胞中某些基因关闭、某些基因转向开放，胚胎发育不同阶段、不同部位的细胞中开放的基因及其开放的程度不一样，合成蛋白质的种类和数量都不相同，显示出基因表达调控在空间和时间上极高的有序性。即使是同一个细胞，处在不同的细胞周期状态，其基因的表达和蛋白质合成的情况也不尽相同.当前第5页\共有47页\编于星期三\10点

基因表达适应环境的变化①组成性表达(constitutiveexpression)指不大受环境变动而变化的一类基因表达。看家基因(housekeepinggene)。组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。

②适应性表达(adaptiveexpression)指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。返回首页当前第6页\共有47页\编于星期三\10点一、原核基因表达调控总论１、原核基因表达的特点原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的环境中，食物供应毫无保障，只有能根据环境条件的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。自然选择倾向于保留高效率的生命过程。在一个每30min增殖一倍的109细菌群体中，若有一个细菌变成了29.5min增殖一倍，大约经过80天的连续生长后，这个群体中的99.9%都将具有29.5min增殖一倍的生长速度。当前第7页\共有47页\编于星期三\10点一个大肠杆菌细胞中约有2500-3000个基因。估计正常情况下，可带有107个蛋白质，平均每个基因产生3000多个蛋白质分子。但大肠杆菌中一般带有15,000-30,000个核糖体，有50余种核糖体结合蛋白。此外，负责糖酵解系统的蛋白质数量也很大。而象半乳糖苷酶等诱导酶，其含量可少至每细胞仅1-5个分子。组成型合成蛋白质适应型或调节型蛋白质当前第8页\共有47页\编于星期三\10点一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种"开-关"（on-off）活性是通过调节转录来建立的，也就是说mRNA的合成是可以被调节的。当我们说一个系统处于"off"状态时，也有本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成1或2个mRNA分子。所谓"关"实际的意思是基因表达量特别低，很难甚至无法检测。

科学家把这个从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(geneexpression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(generegulation或genecontrol)。当前第9页\共有47页\编于星期三\10点基因表达调控主要表现在以下几个方面：（1）转录水平上的调控（2）转录后的调控mRNA加工成熟水平上的调控翻译水平上的调控

原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着举足轻重的影响。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和发育阶段是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。返回首页当前第10页\共有47页\编于星期三\10点正调控系统调节基因的产物是激活蛋白根据激活蛋白的作用性质，又可分为可诱导的正调控和可阻遏的正调控。２、原核基因调控机制的类型与特点当前第11页\共有47页\编于星期三\10点负调控系统调节基因的产物是阻遏蛋白。根据其作用特征又可分为可诱导的负调控和可阻遏的负调控。当前第12页\共有47页\编于星期三\10点(一)操纵子的提出大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖。当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。大肠杆菌二阶段生长现象二、乳糖操纵子(lac)的调控模式当前第13页\共有47页\编于星期三\10点Jacob和Monod根据对lacZ,Y,A基因突变体的研究,于1961年提出了操纵子学说。其要点是:一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵位点组成一个转录单元。这个单元就称其为操纵子。调节基因产生的阻遏蛋白与操纵位点结合从而阻碍了结构基因转录成为mRNA;而诱导物又可以与阻遏蛋白相结合从而阻止阻遏蛋白与操作子的结合。乳糖操纵元模型提出以后,人们相继了解了许多其他的操纵元,这些操纵元都各有其特点。例如半乳糖操纵元具有双启动子结构;阿拉伯糖操纵元的调节蛋白质具有正控制和负控制的双重功能;色氨酸操纵元是一个可阻遏的操纵元。操纵子（operon）学说当前第14页\共有47页\编于星期三\10点在环境中没有乳糖或其他β-半乳糖苷时，大肠杆菌合成β-半乳糖苷酶量极少，加入乳糖2－3分钟后，细菌大量合成β-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时，菌体内的β-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的3%。在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测出细菌中β-半乳糖苷酶活性显著增高的过程。大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使乳糖进入细菌的乳糖透过酶催化乳糖分解第一步的β－半乳糖苷酶(图)β-半乳糖苷酶的作用当前第15页\共有47页\编于星期三\10点图中z、a和b型是大肠杆菌编码利用乳糖所需酶类的基因，p是转录z、a、b所需要的启动子，调控基因i编码合成调控蛋白R，R能与o结合而阻碍从p开始的基因转录，所以o就是调节基因开放的操纵序列，乳糖能改变R结构使其不能与o结合，因而乳糖浓度增高时基因就开放，转录合成所编码的酶类，这样大肠杆菌就能适应外界乳糖供应的变化而改变利用乳糖的状况。当前第16页\共有47页\编于星期三\10点1、结构基因群结构基因：操纵元中被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因(SG)。一个操纵元中含有2个以上的结构基因，多的可达十几个。每个结构基因是一个连续的开放读框，5′端有翻译起始码(DNA存储链上是ATG，转录成mRNA就是AUG)，3′端有翻译终止码(DNA存储链上是TAA、TGA或TAG，转录成mRNA就是UAA、UGA或UAG)。各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。至少在第一个结构基因5′侧具有核糖体结合位点,因而当这段含多个结构基因的DNA被转录成多顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并起始翻译。核糖体沿mRNA移动；在合成完第一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA而继续翻译合成下一个基因编码的多肽。（二）操纵子(operon)的基本组成当前第17页\共有47页\编于星期三\10点乳糖操纵子控制模型的主要内容：⑴Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码；⑵启动区P位于阻遏基因I与操纵区O之间；⑶操纵区是DNA上的一小段序列，是阻遏物结合的位点；⑷当阻遏物与操纵区结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制；⑸诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区结合，使lacmRNA能够合成。当前第18页\共有47页\编于星期三\10点乳糖操纵元的结构及其基因表达调控可综合于图（三）乳糖操纵元的表达调控当前第19页\共有47页\编于星期三\10点z基因长3510bp，编码含1170个氨基酸、分子量为135，000的多肽，以四聚体形式组成有活性的β－半乳糖苷酶，催化乳糖转变为别乳糖，再分解为半乳糖和葡萄糖；z基因5′侧具有大肠杆菌RBS特征的(SD)序列。y基因长780bp，编码由260个氨基酸组成、分子量30000的半乳糖透过酶，促使环境中的乳糖进入细菌；a基因长825bp，编码含275氨基酸、分子量为32000的转乙酰基酶，以二聚体活性形式催化半乳糖的乙酰化。由于z、y、a三个基因头尾相接，同一个核糖体能沿此转录生成的多顺反子mRNA移动，在翻译合成了上一个基因编码的蛋白质后，不从mRNA上掉下来而继续沿mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质。1乳糖操纵元含有z、y和a三个结构基因。当前第20页\共有47页\编于星期三\10点启动基因转录的一段DNA序列。操纵元至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5′侧上游，控制整个结构基因群的转录。用RNA聚合酶与分离的一段DNA双链混合，再加入外切核酸酶去水解DNA，结果只有被RNA聚合酶识别结合而被保护的那段DNA不被水解，由此可以测出启动子的范围及其序列。不同的启动子序列有所不同，有一些共同的规律，它们一般长40－60bp，含A桾碱基对较多，某些段落是很相似的，这些相似的保守性段落称为共有性序列。如图所示，启动子一般可分为识别(R)、结合(B)和起始(I)三个区段。转录起始第一个碱基(通常标记位置为＋1)最常见的是A；在－10bp附近有TATAAT一组共有序列，称为Pribnow盒；在－35bp处又有TTGACA一组共有序列。原核生物基因转录起始区2、启动子当前第21页\共有47页\编于星期三\10点操纵子(operator)是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。举乳糖操纵元中的操纵子为例，如图所示，其操纵子(o)序列位于启动子(p)与被调控的基因之间，部分序列与启动子序列重叠。仔细分析该操纵子序列，可见这段双链DNA具有回文样的对称性一级结构，能形成十字形的茎环构造。不少操纵子都具有类似的对称性序列，可能与特定蛋白质的结合相关。乳糖操纵元的P-O区及O区序列3、操纵子当前第22页\共有47页\编于星期三\10点调控基因(rg)是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白(rp)，其介导的调控方式称为负性调控；与操纵子结合后能增强或起动调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白，所介导的调控方式称为正性调控。某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因录的影响，这些特定物质可称为效应物，其中凡能引起诱导发生的分子称为诱导剂，能导致阻遏发生的分子称为阻遏剂或辅助阻遏剂。4、调控基因当前第23页\共有47页\编于星期三\10点终止子(T)是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。在一个操纵元中至少在构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。终止子按其作用是否需蛋白因子的协助至少可以分为两类：一类是不依赖ρ因子(蛋白性终止因子)的终止子，这类终止子在序列上有一些共通的特点，即有一段富含GC的反向重复序列，其后跟随一段富含AT的序列(图)，因而转录生成的mRNA的序列中能形成发夹式结构，后继一连串U，正是RNA聚合酶转录生成的这段mRNA的结构阻止RNA聚合酶继续沿DNA移动，并使聚合酶从DNA链上脱落下来，终止转录。另一类是依赖ρ因子的终止子，即其终止转录的作用需要ρ因子的协同，或至少是受ρ因子的影响。5、终止子当前第24页\共有47页\编于星期三\10点以上5种元件是每一个操纵元必定含有的。其中启动子、操纵子位于紧邻结构基因群的上游，终止子在结构基因群之后，它们都在结构基因的附近，只能对同一条DNA链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗传学实验上称为顺式作用，启动子、操纵子和终止子就属于顺式作用元件。调控基因可以在结构基因群附近、也可以远离结构基因，它是通过其基因产物调控蛋白来发挥作用的，因而调控基因不仅能对同一条DNA链上的结构基因起表达调控作用，而且能对不在一条DNA链上的结构基因起作用，在遗传学实验上称为反式作用，其编码产生的调控蛋白称为反式调控因子。当前第25页\共有47页\编于星期三\10点乳糖操纵元的结构及其基因表达调控可综合于图（三）乳糖操纵元的表达调控当前第26页\共有47页\编于星期三\10点当大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，1ac操纵元处于阻遏状态。i基因在其自身的启动子Pi控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白R，每个细胞中仅维持约10个分子的阻遏蛋白。R以四聚体形式与操纵子o结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子P1ac的结合，阻止了基因的转录起动。R的阻遏作用不是绝对的，R与o偶尔解离，使细胞中还有极低水平的β－半乳糖苷酶及透过酶的生成。当有乳糖存在时，乳糖受β－半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，与R结合，使R构象变化，R四聚体解聚成单体，失去与o的亲和力，与o解离，基因转录开放，β－半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加1000倍。这就是乳糖对1ac操纵元的诱导作用。1、阻遏蛋白的负性调控当前第27页\共有47页\编于星期三\10点一些化学合成的乳糖类似物，不受β－半乳糖苷酶的催化分解，却也能与R特异性结合，使R构象变化，诱导1ac操纵元的开放。例如异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)就是很强的诱导剂，不被细胞代谢而十分稳定。X－gal(5－溴－4－氯－3－吲哚－β－半乳糖苷)也是一种人工化学合成的半乳糖苷，可被β－半乳糖苷酶水解产生兰色化合物，因此可以用作β－半乳糖苷酶活性的指示剂。IPTG和X－gal都被广泛应用在分子生物学和基因工程的工作中。当前第28页\共有47页\编于星期三\10点细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖分解供给能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。细菌中有一种能与cAMP特异结合的cAMP受体蛋白CRP，当CRP未与cAMP结合时它是没有活性的，当cAMP浓度升高时，CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，称为CAP，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。在1ac操纵元的启动子P1ac上游端有一段与P1ac部分重叠的序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合位点。CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活性，使转录提高50倍。相反，当有葡萄糖可供分解利用时，cAMP浓度降低，CRP不能被活化，1ac操纵元的结构基因表达下降。葡萄糖利用对乳糖操纵元的影响2、CAP的正性调控当前第29页\共有47页\编于星期三\10点由于P1ac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使1ac操纵元转录开放，还不能使细胞很好利用乳糖，必须同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。1ac操纵元的强诱导既需要有乳糖的存在，又需要没有葡萄糖可供利用。通过这种机制，细菌优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。不难看出：CAP结合位点就是一种起正性调控作用的操纵子，CAP则是对转录起正性作用的控蛋白棗激活蛋白，编码CRP的基因也是一个调控基因，不过它并不在1ac操纵元的附近，CAP可以对几个操纵元都起作用。从上所述，乳糖操纵元属于可诱导操纵元，这类操纵元通常是关闭的，当受效应物作用后诱导开放转录。这类操纵元使细菌能适应环境的变化，最有效地利用环境能提供的能源底物。返回首页当前第30页\共有47页\编于星期三\10点色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵元(trpoperon)的调控。色氨酸操纵子负责色氨酸的生物合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，trp基因表达，色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程（而不是诱导过程）中起作用。由于trp体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CAP的调控。三、色氨酸操纵子的调控模式当前第31页\共有47页\编于星期三\10点色氨酸的合成分5步完成。每个环节需要一种酶，编码这5种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子mRNA上，分别以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表，编码了邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油-3-磷酶合成酶trpE基因是第一个被翻译的基因，和trpL和trpa（不是trpA）。trp操纵子中产生阻遏物的基因是trpR，该基因距trp基因簇很远，后者在大肠杆菌染色体图上25min处，而前者则位于90min处。在位于65min处还有一个trpS（色氨酸tRNA合成酶），它和携带有trp的tRNATrp也参与trp操纵子的调控作用。1、色氨酸操纵元的结构与阻遏蛋白的负性调控当前第32页\共有47页\编于星期三\10点合成色氨酸所需要酶类的基因E、D、C、B、A等头尾相接串连排列组成结构基因群，受其上游的启动子Ptrp和操纵子o的调控，调控基因trpR的位置远离P-o-结构基因群，在其自身的启动子作用下，以组成性方式低水平表达分子量为47000的调控蛋白R。R并没有与o结合的活性，当环境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后构象变化而活化，就能够与o特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录，因此这是属于一种负性调控的、可阻遏的操纵元(repressibleoperon)，即这操纵元通常是开放转录的，当有效应物(色氨酸为阻遏剂)作用时，则阻遏关闭转录。细菌不少生物合成系统的操纵元都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。当前第33页\共有47页\编于星期三\10点trpR基因突变常引起trpmRNA的永久型合成，该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白(aporepressor)。除非培养基中有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会与操纵区结合。辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并使之关闭转录trpmRNA。阻遏-操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主管转录是否启动，相当于粗调开关。trp操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个系统进行细调控，指示已经启动的转录是否继续下去。这个细微调控是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频率。trp操纵子的阻遏系统当前第34页\共有47页\编于星期三\10点实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度，但还没有高到能够活化R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。仔细研究发现这种调控现象与色氨酸操纵元特殊的结构有关。色氨酸操纵元中的衰减子结构及其调控示意图2、衰减子及其作用当前第35页\共有47页\编于星期三\10点Ptrp-o与trpE之间有162bp的一段先导序列(L)，实验证明当色氨酸达一定浓度时，RNA聚合酶的转录会终止在这里。这段序列中含有编码由14个氨基酸组成的短肽的开放读框，其序列中有2个色氨酸相连，在此开放读框前有核糖体识别结合位点(RBS)序列。在先导序列的后半段含有3对反向重复序列，在被转录生成mRNA时都能够形成发夹式结构，但由于B的序列分别与A和C重叠，所以如果B形成发夹结构，A和C都不能再形成发夹结构；相反，当A形成发夹结构时，B就不能形成发夹结构，却有利于C生成发夹结构。C后面紧跟一串A(转录成RNA就是一串U)，C实际上是一个终止子，如果转录mRNA时它形成发夹结构，就能使RNA聚合酶停止转录而从mRNA上脱离下来。三种不同情况下A、B、C形成发夹结构的状态前导区序列特点与弱化作用当前第36页\共有47页\编于星期三\10点在色氨酸未达到能起阻遏作用的浓度时，从Ptrp起始转录，RNA聚合酶沿DNA转录合成mRNA，同时核糖体就结合到新生成的mRNA核糖体结合位点上开始翻译。当色氨酸浓度低时，生成的tRNAtrp色氨酸量就少，能扩散到核糖体，mRNA形成的翻译复合体中供给合成短肽的几率低，使核糖体沿mRNA翻译移动的速度慢，赶不上RNA聚合酶沿DNA移动转录的速度，这时核糖体占据短开放读框的机会较多，使A不能生成发夹结构，于是B就形成发夹结构，阻止了C生成终止信号的结构，RNA聚合酶得以沿DNA前进，继续去转录其后trpE等基因，trp操纵元就处于开放状态。当色氨酸浓度增高时，tRNAtrp色氨酸浓度随之升高，核糖体沿mRNA翻译移动的速度加快，占据到B段的机会增加，B生成发夹结构的机会减少，C形成终止结构的机会增多，RNA聚合酶终止转录的的几率增加，于是转录减弱。当前第37页\共有47页\编于星期三\10点如果当其他氨基酸短缺或所有的氨基酸都不足时，核糖体翻译移动的速度就更慢，甚至不能占据A的序列，结果有利于A和C发夹结构的形成，于是RNA聚合酶停止转录，等于告诉细菌：“整个氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能合成蛋白质，不如不合成以节省能量”。先导序列起到随色氨酸浓度升高降低转录的作用，这段序列就称为衰减子attenuator)。在trp操纵元中，对结构基因的转录阻遏蛋白的负调控起到粗调的作用，而衰减子起到细调的作用。细菌其他氨基酸合成系统的许多操纵元(如组氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等操纵元)中也有类似的衰减子存在。返回首页当前第38页\共有47页\编于星期三\10点激酶KUDP转移酶T差向异构酶E半乳糖半乳糖+葡萄糖半乳糖-1-磷酸乳糖UDP-葡萄糖UDP-半乳糖葡萄糖UDP转移酶T细胞壁四、其他操纵子的调控机制1．半乳糖操纵子当前第39页\共有47页\编于星期三\10点包括3个结构基因：

异构酶(galE)，

半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)，

半乳糖激酶(galk)。

这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。galEgalTgalkgalRP