原核生物的基因表达调控课件.ppt

1、第第12章章 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控Section 12 Regulation of gene expression in Prokaryotes1原核生物的基因表达调控概述原核生物的基因表达调控概述基因表达(gene expression)就是指某一基因指导下的蛋白质合成,蛋白质是基因表达的产物。基因表达调控是生物体内基因表达的调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间、空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当反应的复杂过程。2基因表达调控包括：基因水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平的调控。原核基因表达调控的特点与方式调控主要发生在转录水平，有正负调

2、控两种机制；细胞要调控各种蛋白质在不同时期的表达水平有两条途径：1）DNA模板转录的速度（转录水平的调控）2）mRNA翻译的速度（翻译水平的调控）34操纵子学说操纵子学说 Theory of Operon操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控的学说。细菌基因表达调控的许多原理是在研究E.coli乳糖代谢调节时被发现的。1961年法国巴斯德研究院的Francois Jacob与Jacques Monod在法国科学院院报(Proceeding of theFrench Academy of Sciences)上发表了一篇论文,提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。这二个基因编

3、码半乳糖苷酶(-galactosidase)和半乳糖苷透过酶(galactoside penmase)。前者能水解乳糖成为半乳糖和葡萄糖,后者将乳糖运输到细胞之中。5在在论文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因(operator)的概念,他们的操纵子学说(theory of operon)使我们得以从分子水平认识基因表达的调控,是一个划时代的突破。他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。目前发现的操纵子主要有：（1）乳糖操纵子 （2）色氨酸操纵子（3）阿拉伯糖操纵子（4）组氨酸操纵子 6操纵子概念操纵子概念:转录转录的功能单位，是基因表达和调控的单元。典型的的功能单位，是基因表达和

4、调控的单元。典型的操纵子包括了结构基因，调控元件以及调控基因。操纵子包括了结构基因，调控元件以及调控基因。Control elementsStructural genes操纵子模型图操纵子模型图71.Promoter binding2.DNA Unwinding and initiation三聚复合物闭合复合物开放复合物3.ElongationDNA解旋区(转录泡)812bp17bp3.Elongation9Termination (1)不依赖不依赖因子的转录终止因子的转录终止(Rho-indepent termination)发夹结构发夹结构特点特点:回文回文序列中富序列中富含含G.C碱碱基

5、对基对,在回在回文序列的文序列的下游方向下游方向又常有又常有6个个8个个AT碱基对；碱基对；1011(2)依赖依赖因子的转录终止因子的转录终止(Rho-depent termination)结合RNA上72个核甘酸发夹结构特发夹结构特点点:依赖依赖因因子的终止子子的终止子中回文序列中回文序列的的G-C对含对含量较少。在量较少。在回文序列下回文序列下游方向的序游方向的序列没有固定列没有固定特征特征,其其A-T对含量比前对含量比前一种终止子一种终止子低低。12Control elementsStructural genes结构基因：结构基因：编码大量功能各异的蛋白质的编码大量功能各异的蛋白质的DN

6、A序列。序列。这些蛋白质包括了细胞和组织器官基本成分的结构这些蛋白质包括了细胞和组织器官基本成分的结构蛋白、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。蛋白、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。调节基因：调节基因：编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA 上的特定位点结合控制转录，是调控的关键。调控元件：调控元件：如操纵序列操纵序列，是调节结构基因转录的一段DNA序列。13The lac operon 乳糖操纵子乳糖操纵子u结构与功能（1）结构基因:lac Z编码-半乳糖苷酶,将乳糖乳糖水解为半乳糖半乳糖和葡萄糖葡萄糖；lacY编码-半乳糖苷透性酶,将乳糖

7、从细胞外运进细胞内；lac A编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，催化将乙酰基团从乙酰辅酶A转移到-半乳糖苷半乳糖苷分子上。14(2)调控元件调控元件:Plac启动子、lac操纵基因(其中含有Olac结合位点)操纵基因操纵基因(oprator)：控制基因，与启动子相邻，与调节基因的产物结合共同控制结构基因的表达。Olac结合位点（操纵序列结合位点）结合位点（操纵序列结合位点）：28bp碱基组成回文结构，与四聚体的乳糖阻抑（遏）物紧密结合，阻碍lac ZYA的转录。阻抑（遏）物（阻抑（遏）物（repressor）：是负调控系统中由调节基因(lacI)编码的调节蛋白，可于操纵基因结合，调控结构基因的转录。

8、15顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element）：指对基因表达有调节活性的DNA序列，在基因的同一条DNA分子上。如启动子、增强子、终止子、操纵基因等。反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor)）：）：参与基因表达调控的因子,它们与特异的靶基因的顺式元件结合起作用。编码反式作用因子的基因与被反式作用因子调控的靶序列(基因)不在同一染色体上。反式作用因子有两个重要的功能结构域:DNA结合结构域和转录活化结构域,它们是其发挥转录调控功能的必需结构。反式作用因子可被诱导合成,其活性也受多种因素的调节。如RNA聚合酶、CRP等。16(3)调调(节节)控基

9、因控基因:lacI，编码乳糖阻抑物，单体存在时不具活性，四聚体形式存在时具有活性。顺反子（顺反子（Cistron):基因的功能单位，一个顺反子就是一个遗传区段的结构 基因，常作为基因的同义词。多顺反子多顺反子mRNA（Polycistronic mRNA):mRNA分子的一种，作为两种或更多的多肽链翻译的模板，是由DNA中的邻近顺反子所限定，如细菌的lacZ，lacY,lacA 基因。17u乳糖操纵子的负调控机制：乳糖操纵子的负调控机制：当有葡萄糖存在时（下图）当有葡萄糖存在时（下图）18当只有乳糖存在时（下图）当只有乳糖存在时（下图）异乳糖诱导物的产生：乳糖诱导物的产生：乳糖 异乳糖（在透过

10、酶和异乳糖（在透过酶和-半乳糖苷酶的作用下）半乳糖苷酶的作用下）19IPTG（isopropyl-D thiogalactopyoanoside)诱导物：同异乳糖IPTG20-半乳糖苷酶使X-gal显蓝色分子克隆蓝白斑筛选原理分子克隆蓝白斑筛选原理21u乳糖操纵子的正调控系统乳糖操纵子的正调控系统 细菌在葡萄糖、乳糖等碳源存在下，首先利用葡萄糖。当葡萄糖消耗快尽时，细菌启动正调控系统。该调节作用主要由cAMP-CAP正调控物质完成。cAMP受体蛋白（受体蛋白（CRP，cAMP receptor protein)CRP是一种转录激活因子（Transcriptional activator),也称

11、分解代谢激活蛋白（CAP,Catabolite activator protein）。22CAP（CRP)只有与cAMP结合形成cAMP-CAP复合体时才能与DNA结合，激活Plac启动子，促进RNA聚合酶的转录。Plac启动子是弱启动子，缺少-35序列，只有弱的-10序列。细胞中的cAMP(环腺苷酸）受葡萄糖的含量控制。(1)当葡萄糖缺乏时，细胞中腺苷环化酶活力提高，cAMP含量升高，此时CAP与cAMP形成复合物，在诱导剂的作用下cAMP-CAP复合特定结合位点结合，引起DNA90弯曲，增强了RNA聚合酶与启动子的结合，转录效率提高转录效率提高50倍。倍。23（2）当葡萄糖存在时）当葡萄糖

12、存在时，cAMP在细胞中的含量极低，在细胞中的含量极低，二聚体的二聚体的CAP不能与不能与DNA结合，受其调控的基因结合，受其调控的基因（LacZYA)就不表达。就不表达。2425CAP的结合位点的结合位点CAP与与DNA的结合部位是一个反向重复序列的结合部位是一个反向重复序列，结合位点结合位点可能有可能有3种情况种情况26C ABSummaryA:RNA polymeraseB:lac repressor C:CRP-cAMP27The Trp Operon 色氨酸操纵子色氨酸操纵子 生物细胞中的氨基酸合成也是由操纵子调节的,细胞需要某种氨基酸时其基因即表达,不需要时基因即关闭,达到经济的原

13、则。目前有多种氨基酸合成的操纵子的结构已研究清楚,如色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等十余种,现在我们详细讨论色氨酸操纵子(trp)的基因表达的调控。281.结构与功能结构与功能The trp operon 编码色氨酸合成途径中的5个结构基因（下图），编码一个转录单元，产生7kb的转录物。当细胞内的色氨酸缺乏时，这些基因协同表达。29Trp R基因 距trp基因族较远,产生阻抑物的基因,编码合成一个分子量为58kDa的阻遏蛋白.Ptrp+O+trpL:调控元件trpE:编码邻氨基苯甲酸合成酶trpD:编码邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶trpC;编码邻氨基苯甲酸异构酶trpB:编码色

14、氨酸合成酶trpA:编码吲哚甘油-3-磷酸合成酶302.色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的阻遏系统 色氨酸操纵子的调控是在两个水平上进行的。第一水平是色氨酸操纵子的阻遏系统阻遏系统，其控制转录的启动与否；第二水平是色氨酸的弱化系统弱化系统，其控制转录是否继续进行。Trp R基因 编码合成阻遏蛋白.当细胞中的色氨酸缺乏时，阻遏蛋白以游离的形式存在，不能与操纵基因结合，色氨酸基因正常表达；当细胞中的色氨酸过量时，色氨酸与阻遏蛋白结合并形成二聚体，二聚体与操纵基因结合，色氨酸合成被阻断（下图）。31色氨酸称为辅阻遏物色氨酸称为辅阻遏物(Corepress

15、or)32色氨操纵子的弱化系统色氨操纵子的弱化系统 弱化子（attenuator）:在trpE编码序列的起始位点上游的162bp的trp前导序列内有一个不依赖因子的终止子，在其发夹结构后有8个U，这个结构称为弱化子。33前导RNA结构：try前导RNA由四个互补的区域组成，可形成各种不同的发夹结构，其中一个就是弱化子3-4的发夹结构。34 前导肽前导肽The leader peptide 前导RNA序列中含有一个有效的核糖体结合位点并能形成由前导RNA第27-68号碱基所编码的14个氨基酸的前导肽,前导肽的作用是决定色氨酸的含量并控制转录的终止。第10和第1135弱化作用弱化作用（衰减作用）（衰减作用）Attenuation弱化作用的弱化作用的重要性重要性1.弱化作用，转录弱化作用，转录被抑制了被抑制了10倍倍（细调）（细调）2.阻抑物的作用，阻抑物的作用，转录被抑制了转录被抑制了70倍（粗调）倍（粗调）3.总调控能力总调控能力700倍倍36思考题：课本第388页：1-6；8-9；11-12；15-18。37