原核生物基因表达调控部分课件

原核生物基因表达调控部分课件第七章原核基因表达调控模式一、原核基因表达调控总论1、基因表达调控得基本概念2、原核基因表达调控机制二、转录水平上得调控(transcriptionalregulation)

1、乳糖操纵子与负控诱导系统

2、色氨酸操纵子与负控阻遏系统三、转录后水平上得调控(post-transcriptionalregulation)mRNA加工成熟水平上得调控(differentialprocessingofRNAtranscript)四、翻译水平上得调控(differentialtranslationofmRNA)1)翻译起始得调控2)稀有密码子对翻译得影响3)重叠基因对翻译得影响4)Poly(A)对翻译得影响5)翻译得阻遏6)魔斑核苷酸水平对翻译得影响7)不同得mRNA翻译能力得差异8)反义RNA对翻译得影响第一节基因表达调控得基本概念一、基因表达(geneexpression):从DNA到蛋白质得过程,即基因得转录与翻译过程。(rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA得过程也属于基因表达)。二、基因调控(generegulation):从DNA到蛋白质这一转录和翻译过程得调节。Genetranscriptionandtranslation

三基因表达得方式1、组成型表达(constitutiveexpression):指不太受环境因素或代谢状态影响得一类基因表达。管家基因(housekeepinggene):指在个体得整个生命周期中、在所有得组织细胞中持续表达得基因。2、适应型表达(adaptiveexpression):指受环境因素或代谢状态影响变化较大得一类基因表达。1)可诱导得基因(induciblegene)应环境条件变化基因表达水平增高得现象称为诱导(induction),这类基因被称为可诱导基因。2)可阻遏得基因(repressiblegene)随环境条件变化而基因表达水平降低得现象称为阻遏(repression),相应得基因被称为可阻遏基因。管家基因(housekeepinggene)某些基因在一个个体得几乎所有细胞中持续表达。bcl-2β-actin12常用得管家基因中文名称英文缩写Beta－肌动蛋白β-actin甘油醛3-磷酸脱氢酶GAPDHTATABox结合蛋白 TBP18s核糖体核糖核酸 18srRNA微管蛋白αα-Tubulin四基因表达得规律-时间性和空间性1、时间特异性(temporalspecificity)按功能需要,某一特定基因得表达严格按特定得时间顺序发生,称之为基因表达得时间特异性。2、空间特异性(spatialspecificity)在个体生长得全过程,某种基因产物在个体中按不同组织空间顺序出现,称之为基因表达得空间特异性。基因表达伴随时间顺序所表现出得这种分布差异,实际上就是由细胞在器官得分布决定得,所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。第二节原核基因表达调控机制一、原核基因表达调控环节二、操纵子学说三、原核基因调控机制得类型与特点一、原核基因表达调控环节1、转录水平上得调控(transcriptionalregulation)2、转录后水平上得调控(post-transcriptionalregulation)---

mRNA加工成熟水平上得调控3、翻译水平上得调控二、操纵子学说(operontheory)1、操纵子模型(operonmodel)得提出

操纵子学说就是关于原核生物基因结构及其表达调控得学说。由法国巴斯德研究所著名科学家Jacob和Monod在1961年首先提出,她们据此调控模式预言了mRNA得存在,导致mRNA得发现,获1965年诺贝尔生理学和医学奖。JacobandMonod2、操纵子(operon)得概念就是基因表达得协调单位,由启动子、操纵基因及其所控制得一组功能上相关得结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物得控制。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静三、原核基因调控机制得类型与特点根据调控机制得不同:1、正转录调控(positivetranscriptionregulation)1)正控诱导系统2)正控阻遏系统2、负转录调控(nagetivetranscriptionregulation)

1)负控诱导系统2)负控阻遏系统原核生物得转录调控体系1、正转录调控

在没有调节蛋白存在时基因就是关闭得,加入调节蛋白后基因活性就被开启,这样得调控称为正转录调控。在该系统中,调节基因得产物就是激活蛋白(activator),根据激活蛋白得作用性质分为正控诱导系统和正控阻遏系统。正控诱导系统正控阻遏系统2、负转录调控

调节基因得产物就是阻遏蛋白(repressor),起着阻止结构基因转录得作用。根据其作用特征又可分为负控诱导系统和负控阻遏系统。负控诱导系统负控阻遏系统第三节乳糖操纵子(lacoperon)一、乳糖操纵子得结构二、酶得诱导—lac体系受调控得证据三、乳糖操纵子调控模型四、影响因子五、CAP得正调控与协调调控六、Lac操纵子中得其她问题一、乳糖操纵子得结构LacZ编码β-半乳糖苷酶(将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖);LacY编码β-半乳糖苷透过酶(使外界得β-半乳糖苷(如乳糖)能透过大肠杆菌得原生质膜进入细胞内);LacA编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶(乙酰辅酶A上得乙酰基转到β-半乳糖苷上,形成乙酰半乳糖)。二、酶得诱导—lac体系受调控得证据安慰性诱导物:

如果某种物质能够诱导细菌产生酶而本身又不被分解,这种物质被称为安慰性诱导物,如IPTG(异丙基-β–D-硫代半乳糖苷)和巯甲基半乳糖甘(TMG)。(乳糖会被其诱导合成得β-半乳糖苷酶催化降解,从而使其浓度不断发生变化)。三、乳糖操纵子调控模型主要内容:1、Z、Y、A基因得产物由同一条多顺反子mRNA所编码;2、该mRNA分子得启动子P紧接着O区,位于I与O之间不能单独起动合成β-半乳糖苷酶和透过酶得生理过程;3、操纵区就是DNA上得一小段序列(仅为26bp),就是阻遏物得结合位点;4、当阻遏物与操纵区结合时,lacmRNA得转录起始受到抑制;5、诱导物通过与阻遏物结合,改变她得三维构象,使之不能与操纵区结合,从而激发lacmRNA得合成。三、乳糖操纵子调控模型1、Z、Y、A基因得产物由同一条多顺反子mRNA所编码;三、乳糖操纵子调控模型2、该mRNA分子得启动子紧接着O区,位于I与O之间不能单独起动合成β-半乳糖苷酶和透过酶得生理过程;三、乳糖操纵子调控模型3、操纵区就是DNA上得一小段序列(仅为26bp),就是阻遏物得结合位点;三、乳糖操纵子调控模型4、当阻遏物与操纵区结合时,lacmRNA得转录起始受到抑制。5、诱导物通过与阻遏物结合,改变她得三维构象,使之不能与操纵区结合,从而激发lacmRNA得合成。1、lac操纵子得本底水平表达有两个矛盾就是操纵子理论所不能解释得:1)诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合,而转运诱导物需要透过酶,后者得合成需要诱导;解释: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得情况下合成？2)真正得诱导物就是异构乳糖而非乳糖,前者就是在β-半乳糖甘酶得催化下由乳糖形成得,因此,需要有β-半乳糖甘酶得预先存在。解释:本底水平得组成型合成:非诱导状态下有少量得lacmRNA合成。四、影响因子四、影响因子2、大肠杆菌对乳糖得反应培养基:甘油按照lac操纵子本底水平得表达,每个细胞内有几个分子得β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶;培养基:加入乳糖四、影响因子3、阻遏物lacI基因产物及功能

Lac操纵子阻遏物mRNA就是由弱启动子控制下组成型合成得,每个细胞中有5-10个阻遏物分子。当I基因由弱启动子突变成强启动子,细胞内就不可能产生足够得诱导物来克服阻遏状态,整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。四、影响因子4、葡萄糖对lac操纵子得影响代谢物阻遏效应(葡萄糖效应):如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中,lac操纵子处于阻遏状态,不能被诱导;一旦耗尽外源葡萄糖,乳糖就会诱导lac操纵子表达分解乳糖所需得三种酶。

四、影响因子5、cAMP与代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白(CAP)/环腺甘酸受体蛋白(CRP)五CAP得正调控与协调调节(一)CAP得正调控:

1、细菌中得cAMP含量与葡萄糖得分解代谢有关。当环境中无葡萄糖可供利用时,cAMP含量就升高,cAMP与CRP结合变为CAP,并以二聚体得方式与特定得DNA序列结合,1ac操纵子得结构基因表达;相反,当有葡萄糖存在时,cAMP浓度降低,CRP不能被活化,即cAMP不能与CRP结合变为CAP,1ac操纵子得结构基因表达下降。在1ac操纵子得启动子P1ac上游端有一段与Plac部分重叠得序列,能与CAP特异结合,称为CAP结合位点(CAPbindingsite)。CAP与这段序列结合时,可增强RNA聚合酶得转录活性,使转录提高50倍。由于P1ac就是弱启动子,单纯因乳糖得存在发生去阻遏使1ac操纵子转录开放,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,细菌才能合成足够得酶来利用乳糖。1ac操纵子得强诱导既需要有乳糖得存在,又需要没有葡萄糖可供利用,通过CAP得正调控作用,细菌才能充分利用乳糖。CAP得正调控(一)CAP得正调控2、cAMP和CRP都就是合成lacmRNA所必需得。cAMP-CRP复合物就是激活lac得重要组成部分,细菌对此复合物得需要就是独立得,与阻遏体系无关,转录必须有cAMP-CRP复合物结合在DNA得启动子区域上,与启动子区得结合就是转录起始所必需得。3、当阻遏蛋白封闭转录时,cAMP-CRP对该系统不能发挥作用,如无cAMP-CRP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。4、cAMP-CRP就是一个不同于阻遏物得正调控因子,而lac操纵子得功能就是在这两个相互独立得调控体系作用下实现得。(一)CAP得正调控(二)协调调节--CAP得正调控与Lac负调控得共同调节(二)协调调节--CAP得正调控与Lac负调控得共同调节(二)协调调节--CAP得正调控与Lac负调控得共同调节(二)协调调节--CAP得正调控与Lac负调控得共同调节(二)协调调节--CAP得正调控与Lac负调控得共同调节六、Lac操纵子中得其她问题1、A基因及其生理功能A基因虽然不在乳糖降解中起作用,但她抑制了β-半乳糖苷酶产物得有害性衍生物在细胞内积累,在生物进化中就是有意义得。β-半乳糖苷酶:透过酶:乙酰基转移酶=1:0、5:0、2Lac基因产物得量在翻译水平上受到调控:(1)lacmRNA可能与翻译过程中得核糖体相脱离,从而终止蛋白质链得翻译;(2)在lacmRNA分子内部,A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。2、lac基因产物数量上得比较3、操纵子得融合与基因工程

操纵子在自然条件下可能发生融合,典型得例子就是lac操纵子与负责嘌呤合成得pur操纵子得偶联。

Lac启动子就是一个很强得启动子,通过她可以使较弱启动子得转录增强,从而增加蛋白质得合成量。第四节色氨酸操纵子(trpoperon)一、色氨酸操纵子得结构及特点二、色氨酸操纵子得阻遏系统三、色氨酸操纵子得弱化系统四、Trp操纵子中得阻遏作用与弱化作用一、色氨酸操纵子得结构及特点(一)色氨酸操纵子得结构一、色氨酸操纵子得结构及特点(一)色氨酸操纵子得结构

色氨酸就是构成蛋白质得组分,一般得环境难以给细菌提供足够得色氨酸,细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸,但就是一旦环境能够提供色氨酸时,细菌就会充分利用外界得色氨酸、减少或停止合成色氨酸,以减轻自己得负担。细菌所以能做到这点就是因为有色氨酸操纵子(trpoperon)得调控。一、色氨酸操纵子得结构及特点(一)色氨酸操纵子得结构(二)、色氨酸操纵子得特点:

1、trpR和trpABCDE不连锁;2、操纵基因在启动子内3、有衰减子(attenuator)/弱化子4、启动子和结构基因不直接相连,二者被前导序列(Leadersequence)所隔开二、trp操纵子得阻遏系统

1、色氨酸操纵子属于一种负性调控得、可阻遏得操纵子(repressibleoperon),这类操纵子通常就是开放转录得,当有效应物(色氨酸为阻遏剂)作用时则阻遏关闭转录,其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省得状态。二、trp操纵子得阻遏系统2、低Trp时:阻遏物不结合操纵基因;3、高Trp时:阻遏物+Trp结合操纵基因4、trp操纵子得负控阻遏机制合成色氨酸所需酶类得基因E、D、C、B、A首尾相接串连排列组成结构基因群,受其上游得启动子Ptrp和操纵子O得调控;调控基因trpR得位置远离P-O-结构基因群,在其自身得启动子作用下,以组成性方式低水平表达其编码分子量为47000得无活性得调控蛋白R,R没有与O结合得活性;3)当环境中trp浓度较低时,R由于trp得缺乏,构象处于失活状态,R不能与0特异性亲和结合,从而结构基因得以转录;4)当环境能提供足够浓度得色氨酸时,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,阻遏结构基因得转录。二、trp操纵子得阻遏系统三、色氨酸操纵子得弱化系统(attenuation)1、弱化机制得发现2、弱化子(attenuator)3、前导序列(leadersequence)4、trp操纵子得弱化机制5、转录得弱化理论1、弱化机制得发现1)trp浓度与合成trp得酶量得实验观察当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能够活化调节蛋白R使其起阻遏作用得程度时,产生色氨酸合成得酶得量就已经明显降低,而且产生得酶量与色氨酸浓度呈负相关,这种调控现象与色氨酸操纵子特殊得结构有关。三、色氨酸操纵子得弱化系统(attenuation)1、弱化机制得发现2)阻遏机制不能完满解释得一个实验现象在高trp和低trp浓度下,trp操纵子得表达水平相差约600倍,然而阻遏作用仅使转录降低70倍;使阻遏物失活突变不能完全消除色氨酸对trp操纵子表达得影响(说明:trp操纵子得这种调控与阻遏物得控制无关);3)通过缺失突变株得研究发现trpmRNA5’端trpE基因得起始密码前一个长162bp得mRNA片段称为前导序列,其中123-150位碱基序列得缺失会导致trp基因得表达提高6-10倍(在阻遏细胞和组成性突变得细胞内均相同);三、色氨酸操纵子得弱化系统(attenuation)2、弱化子(attenuator)1)概念:在DNA上用于终止和减弱转录得一段核甘酸序列(trp操纵子:123-150区)。2、弱化子(attenuator)2)trp弱化子结构示意图2、弱化子(attenuator)

2)Trp弱化子终子区研究引起终止得mRNA碱基序列,发现该区mRNA通过自我配对可以形成茎-环结构,有典型得终止子特点。2、弱化子(attenuator)3)作用:终止或减弱trp基因得转录。3、前导序列1)概念:trpmRNA5’端trpE基因得起始密码前一个长162bp得mRNA片段,她就是由DNA上得前导区编码生成得。3、前导序列2)作用:终止或减弱trp基因得转录,产生一个仅有140个核苷酸得RNA分子(解释了123-150区序列得缺失会导致转录增强得原因)。3、前导序列3)前导序列特征分析

a、前导区得序列测定:trp操纵子前导区得碱基序列已全部测定,她就是trpmRNA5’端trpE基因得起始密码前长162bp得mRNA片段。

b、前导区得序列分析:完整得前导序列可分为1、2、3、4区域,这四个区域得片段能以两种不同得方式进行碱基配对,有时以1-2和3-4配对;有时只以2-3方式互补配对。核糖体经过前导区继续翻译得能力控制着这两种结构得转换,她决定mRNA就是否形成终止所需得结构。前导序列得终止区与一般得转录终止位点特点相同,具有成串得U和潜在得能形成茎环得二重对称结构。c、RNaseT1降解实验(此酶不水解配对得RNA)证明配对方式:表明纯化得trp前导序列中只有1-2和3-4得配对方式,由此定位得3-4配对区正好位于终止密码子识别区,当这个区域发生破坏自我碱基突变,有利于转录得继续进行。3、前导序列4)前导肽

前导序列中含有编码由14个氨基酸组成得短肽得开放阅读框,其序列中有2个色氨酸相连,在此开放阅读框前有核糖体识别结合位点(RBS)序列,提示这段短开放阅读框在转录后就是能被翻译得。指由mRNA上得前导序列合成得一段含14个氨基酸得短肽,她可在翻译水平上控制前导区转录得终止。当氨基酸缺乏时,前导肽不能形成。4、Trp操纵子得弱化机制4、Trp操纵子得弱化机制4、Trp操纵子得弱化机制4、Trp操纵子得弱化机制4、Trp操纵子得弱化机制4、Trp操纵子得弱化机制5、转录得弱化理论

1)mRNA转录得终止就是通过前导肽基因得翻译来调节得,在前导肽基因中有两个相邻得色氨酸密码子,在翻译时对tRNATrp得浓度十分敏感。

2)当培养基中色氨酸得浓度很低时,负载有色氨酸得tRNATrp也少,由此推断,翻译通过两个相邻色氨酸密码子得速度就会很慢,当4区被转录完成时,核糖体才进行到1区(或停留在两个相邻得色氨酸密码子处),这时得前导区结构就是2-3配对,不形成3-4配对得终止结构,所以转录可继续进行,直到将色氨酸操纵子中得结构基因全部转录完毕为止。

5、转录得弱化理论3)当培养基中色氨酸浓度高时,核糖体可顺利通过两个相邻得色氨酸密码子,在4区被转录之前,核糖体就到达2区,这样使2-3不能配对,3-4区可以自由配对形成茎-环式得终止子结构,使得只有约10％得RNA聚合酶能继续参与色氨酸操纵子结构基因得转录。由此可见,弱化子对RNA聚合酶转录得终止依赖于前导肽翻译中核糖体所处得位置,而细胞中色氨酸存在与否,决定了mRNA转录得弱化子结构,使弱化子中1、2、3、4区域呈现竞争性配对,从而产生弱化效应,这就是色氨酸操纵子第二水平调控得机制。4)色氨酸含量变化对阻遏过程和弱化过程得作用方向就是相同得。前者主要控制操纵子基因表达得启动,而后者主要决定转录和翻译就是否能继续进行下去。四、Trp操纵子中得阻遏作用与弱化作用1、阻遏和衰减机制虽然都就是在转录水平上进行得调控,但就是她们得作用机制完全不同,前者控制转录得起始,后者控制转录起始后就是否继续下去;2、衰减作用就是比阻遏作用更为精细得调节,细菌通过弱化作用弥补阻遏作用得不足,因为阻遏作用只能使转录不起始,对于已经起始得转录,只能通过弱化作用使之中途停下来;3、阻遏作用得信号就是细胞内色氨酸得多少;弱化作用得信号则就是细胞内载有色氨酸得tRNA得多少;4、阻遏作用通过激活阻遏蛋白R来控制转录得进行,而弱化作用则就是通过前导肽得翻译来控制转录得进行。细菌细胞内这两种作用相辅相成,体现着生物体内精密得调控作用。ThearaoperonThearaoperonThegaloperon第五节、转录后水平上得调控(post-transcriptionalregulation)

—mRNA加工成熟水平上得调控1、mRNA加工成熟水平上得调控(differentialprocessingofRNAtranscript)原核生物中转录生成得mRNA为多顺反子,原核生物中没有核模,所以转录与翻译就是连续进行得,往往转录还未完成,翻译已经开始了,因此原核生物中转录生成得mRNA没有特殊得转录后加工修饰过程;原核生物5’端无帽子,3’端无poly(A)尾(即使有也很短)。2、tRNA、rRNA得加工(在真核生物基因调控中讲述)。

一、翻译起始得调控1、RBS(核糖体结合位点)--mRNA链上起始密码子AUG上游得一段非翻译区,在RBS中用SD(ShineDalgarno)序列,长度一般为5个核苷酸。该序列与核糖体16srRNA得3’端互补配对,处使核糖体与mRNA得结合;利于翻译得起始;RBS得结合强度取决于SD序列得结构及其与起始密码子AUG之间得距离。SD-4-10(9)-AUG2、mRNA得二级结构也就是翻译起始调控得重要因素。mRNA5’端得空间结构直接影响到核糖体得30s亚基与mRNA得结合。第六节、翻译水平上得调控(differentialtranslationofmRNA)二、稀有密码子对翻译得影响dnaG(引物酶)RNA引物dnaG、rpoD和rpsU属于大肠杆菌基因组上得同一个操纵子50个拷贝得dnaG蛋白、2800个拷贝得rpoD和40000个拷贝得rpsU二、稀有密码子对翻译得影响几种蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较蛋白质AUU%AUC%AUA%结构蛋白37621σ亚基26740DnaG蛋白363232

细胞内对应于稀有密码子得tRNA较少,高频率使用这些密码子得基因翻译过程容易受阻,影响了蛋白质合成得总量。三、重叠基因对翻译得影响trpE—苏氨酸—苯丙氨酸—终止

ACU--UUC--UGA--UGG--CUAUG–GCU

甲硫氨酸--丙氨酸--trpDTrpB--谷氨酸--异亮氨酸--终止GAA--AUG--UGA--UGG--AAAUG--GAA

甲硫氨酸---谷氨酸--trpA翻译终止时核糖体立即处在起始环境中,这种重叠得密码子保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译得机制。三、重叠基因对翻译得影响四、poly(A)尾对翻译得影响

mRNA3‘端poly(A)得长短对翻译效率有很大影响。营养细胞和发育早期细胞显著得不同就是mRNA上核糖体得多少和mRNA上poly(A)得长短;细胞中蛋白质合成旺盛时,mRNA链上得poly(A)尾也较长;当某些mRNA链不再被翻译时,核糖体就被释放出来,其poly(A)也相应缩短。五、翻译得阻遏(translationrepression)

组成核糖体得蛋白共有50多种,她们得合成严格保持与rRNA相应得水平。当有过量核糖体游离蛋白质存在时,即引起她自身以及有关蛋白质合成得阻遏。这种在翻译水平上得阻遏作用称为翻译阻遏。对核糖体蛋白质起翻译阻遏作用得调节蛋白质均为能直接和rRNA相结合得核糖体蛋白质,她们由于能和自身得mRNA起始控制部位相结合而影响翻译。六、魔斑核苷酸水平对翻译得影响

细胞如何保证蛋白质合成得总速度与蛋白质合成机器主要成分rRNA得合成速率相一致,,保证