原核生物基因表达调控.ppt

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1、原核生物基因表达调控 How many genes are expressed? 第一节 乳糖操纵子 n乳糖操纵子的发现: n大肠肝菌能够利用乳糖： v环境中乳糖作为唯一碳源 表达并 合成一系列与乳糖代谢相关的酶类 v环境中没有乳糖 编码上述乳糖 代谢酶的基因则被关闭 乳糖代谢酶结构基因 半乳糖苷酶Lac Z 半乳糖苷乙酰基转移酶Lac A 半乳糖苷透性酶Lac Y n当诱导物不存在时 ，操纵子以极低的 基础水平转录 n诱导物的加入激活 转录，使lac mRNA 水平迅速上升 n诱导物一旦除去， 转录立刻停止，lac mRNA极不稳定很快 降解，细胞内lac mRNA含量恢复到诱 导前的基础水

2、平 n诱导后蛋白质含量 的上升相对于mRNA 水平的变化存在一 个滞后期 n诱导物除去后，酶 的合成立即停止， 但由于蛋白质较稳 定，酶活性可长时 间保持在诱导水平 操纵子 n 反式作用突变鉴定调节基因 ： nlac I ：阻遏蛋白不能识 别操纵基因 为隐性遗传，只要引入正 常的lac I基因，并进行 诱导，即可恢复正常的调 控 nlacIs ：调节蛋白不能和诱 导物结合 为显性遗传，突变的阻遏 蛋白和细胞内所有的乳糖 操纵子结合并阻遏转录， 即使有野生型阻遏蛋白存 在也不会脱离 n顺式作用突变来鉴定 操纵基因： Oc 突变：操纵基因 发生突变，不能和 阻遏蛋白结合 导致RNA聚合酶可 以不受

3、限制地从启 动子开始转录，结 构基因组成型表达 n乳糖操纵子模型： nZ、Y、A基因的产物由同一条多顺反 子的mRNA分子所编码。 n该mRNA分子的启动子（P）位于调 节基因（I）与操纵区（O）之间， 不能单独起始半乳糖苷酶和透性酶基 因的高效表达。操纵区是阻遏蛋白的 结合位点。 操纵区位于 mRNA -5至 21这段区域， 和启动子的右 侧末端重叠 n当阻遏物与操纵区相结 合时，lac mRNA的转录 起始受到抑制。 n活性阻遏蛋白是由4 个相同亚基组成的同 源四聚体 n阻遏蛋白具有两个结 合位点：操纵基因结 合位点和诱导物结合 位点 n阻遏蛋白和DNA的结 合能增强RNA聚合酶 结合DN

4、A的能力，只 是结合的RNA聚合酶 不能起始转录 n 阻遏蛋白单体的结构： 由N端DNA结合域、铰 链区和核心区三部分组 成 lDNA结合域包含两个 螺旋，由一个转角分 开 l铰链区连接DNA结合 域和核心区 l核心区 由核心结构域1和 核心结构域2组成 ； 诱导物结合在两个 结构域之间的裂隙 中； C端负责亚 基间的 寡聚化 n诱导物通过与阻遏物 结合，改变它的构象 ，使之不能与操纵区 相结合，从而激活lac mRNA的转录。 n诱导物和结合于 操纵基因上的阻 遏物结合，使其 从操纵基因上释 放。而不是和游 离阻遏物结合， 影响阻遏物和 DNA结合的平衡 n 阻遏蛋白结合诱导物后 构型的变化

5、： 阻遏物由两个二聚体组 成四聚体； 二聚体的两个DNA结合 域可以同时插入DNA大 沟的两个相邻连续转角 ； 诱导物结合，改变了 DNA结合域和核心区之 间的角度方向，使二聚 体两个头部不能同时和 DNA结合，从而降低和 操纵基因的亲和力 n 阻遏物同时结合两个 操纵基因 u乳糖操纵子的操纵 基因两侧，还存在 两个较弱的额外操 纵基因（pseudo- operator） u完全阻遏转录，阻 遏蛋白四聚体除了 和操纵基因结合外 ，还需要和其中一 个额外操纵基因结 合 u同时和四聚体结合 的两个操纵基因之 间的DNA，弯曲形 成环状结构 n 诱导物改变阻遏蛋白在 DNA上的分布，而不是 产生游离

6、阻遏蛋白： n随机DNA序列和阻 遏蛋白也具有亲和 力，但比操纵基因 和阻遏蛋白的亲和 力低107倍 n诱导物和阻遏蛋白 结合时，阻遏蛋白 和操纵基因的亲和 力下降，所有阻遏 蛋白结合在DNA的 随机序列上 n除去诱导物后，阻 遏蛋白恢复活性， 从随机位点直接转 移到操纵基因上 乳糖操纵子 n 操纵子模型 n正调控和负调控： 根据操纵子在没有调节蛋白时的反应来定义： n负调控基因除非被阻遏蛋白关闭，否则一直 表达 n正调控基因只有在活性调节蛋白存在时，才 会被表达 n诱导和阻遏： 根据操纵子对调节其表达的小分子所产生的不同 应答反应来定义 n诱导物：An inducer is a small

7、molecule that triggers gene transcription by binding to a regulator protein. n辅阻遏物：A corepressor is a small molecule that triggers repression of transcription by binding to a regulator protein. 第二节操纵子的其他调控 形式 n 大肠杆菌色氨酸操纵子的负调控： n色氨酸操纵子控制5种酶的合成，由trp E, D, C, B, A编码 n当色氨酸缺乏时，调节基因（trpR）编码 无活性的aporepress

8、or阻遏蛋白 n当细胞中色氨酸浓度较高时，色氨酸和 aporepressor结合，形成有活性的色氨酸操 纵子阻遏蛋白 二、大肠杆菌色氨酸操纵子的衰减作用： uTrp mRNA的5端有139个核苷酸组 成的前导序列，前导序列有4个区域 彼此互补：12，23，34，34 发夹结构随后为8个连续U uTrp mRNA的5编码14个氨基酸组成 的前导肽，前导肽特点是含有两个连 续Trp u细菌中，转录和翻译耦联，RNA聚 合酶刚转录出部分前导序列，核糖体 就开始翻译 u调控过程: tTrp饥饿:核糖体停顿在两个Trp密码子 上，核糖体占据1区，留下完整的2区和 3区配对，形成发夹结构，这样4区转录 出

9、来后仍是单链状态，终止子不能形成 ，转录继续进行 t有充分的色氨酸:核糖体顺利完成前导 序列的合成，到达并占据1区和2区，使 2区不能与3区有效配对，从而3区和4区 配对产生终止子的发夹结构，转录终止 t其他氨基酸饥饿:核糖体在到达序列前 即停顿，1区和2区配对，然后3区和4区 配对形成终止子的发夹结构，转录终止 。 色氨 酸饥 饿 色氨酸丰富 色氨酸操纵子 二、阿拉伯糖操纵子： u具有三个操纵子： tara BAD:编码阿拉伯糖代谢相关酶 tara E,ara FG:编码膜蛋白，与阿拉伯糖 结合、转运有关 u调节蛋白：C蛋白 tC蛋白具有双重调节功能 tC蛋白在阿拉伯糖操纵子上有3个不同 结

10、合部位:ara I、araO1和araO2 n调控过程: u没有C蛋白:转录C mRNA u有C蛋白，阿拉伯糖、cAMP含量低: 一个C蛋白与ara I和ara O2结合， DNA成环状，c 基因与BAD 基因阻 遏 u有C蛋白，阿拉伯糖、cAMP含量高 :cAMP-CAP改变C蛋白活性，C蛋白 放出ara O2,不再成环，C蛋白再与阿 拉伯糖结合，能激活RNA聚合酶， BAD启动子活化。 第三节 基因转录的时序调 控 生物生长发育过程中，基因表达按 一定的时间顺序而展现，称为时序 调控 一、噬菌体的表达调控 1.噬菌体基因组 nPL: 基因左侧区域转录启动子 nPR: 基因右侧区域转录启动子

11、 nOL: 非编码区（约50bp），位于CI和N基因之间 nOR: 非编码区(约50bp)，位于CI和Cro之间 nCI: 以自身的启动子PRM转录，编码一种236个氨 基酸的阻遏蛋白，与OR结合将阻遏cro基因 的转录，但仍允许CI转录；与OL结合后将阻 碍N基因及其左侧基因的转录 nCII和CIII： 编码激活蛋白，具有增强CI基因转录的作用 nCro: u阻止C I蛋白的合成（裂解周期的必需步 骤） u关闭早早期基因的表达（裂解周期后期 不需要早早期基因的表达） nN: 编码一种反终止子蛋白，通过对寄主 细胞RNA聚合酶的修饰，使RNA聚合 酶通过早早期基因的终止子，继续转 录迟早期基因

12、 nQ: 是与N基因相似的反终止子，使使 RNA聚合酶通过迟早期基因的终止子 ，继续转录晚期基因 nqut 位点: Q蛋白结合位点 早早期基因（immediate early genes ）:启 动子和宿主基因启动子类似 uCro 负调控因子 uN 抗终止子 迟早期基因(delayed early genes ): uC II 和C III u7个重组基因 u2个复制基因 uQ 抗终止子 晚期基因(Late genes ): u10个头部基因 u11个尾部基因 u2个裂解基因 2.进入细菌 DNA上没有调节蛋白， RNA聚合酶结合于 PL和 PR 转录并产生抗终止蛋白N 和调节蛋白Cro N蛋

13、白的抗终止作用使 RNA聚合酶通过终止子 并转录出CII、CIII等蛋白 CII、CIII共同作用，促进CI转录 cro和cII基因之间存在一个PRE启动子， 它只有在cII蛋白存在时才能被RNA聚 合酶识别 cII蛋白在体内极不稳定，容易被寄主 的Hf1A蛋白酶降解 cIII的作用是保护cII蛋白，避免被降解 n启动子PRE的作用 表达CI蛋白，翻译效率比PRM高78倍 使转录以相反的方向经过cro基因，转 录产物的5端是cro mRNA的反义RNA, 能和cro mRNA杂交，抑制它的翻译 调节蛋白CI和Cro竞争，决定噬菌体进入何种 途径 溶源途径: CII促进CI基因表达，CI调节蛋白

14、浓度 上升 CI与OL、OR结合，阻碍除自身外噬菌体 所有基因的转录 同时，C I蛋白是c I基因转录所必需的 正调控蛋白。C I蛋白与OR的结合，使 RNA聚合酶在PRM有效启动转录 C I持续表达，而OL、OR被C I无限期占 据，噬菌体进入溶原途径 溶源途径 裂解途径： cro蛋白结合到OL和OR（以OR 处为例）： 每个操纵基因含3个阻遏蛋白结合位点， OR 由OR1 OR2 OR3组成， OL由OL1 OL2 OL3组成 ncro 蛋白和OR3的亲和力比对OR1和OR2 的亲和力强 ncro 蛋白和OR3的结合，抑制了RNA聚 合酶和PRM的结合，阻止CI基因表达 n然后cro蛋白和

15、OR1或OR2结合，阻碍 RNA聚合酶和PR结合，从而降低（但不 完全抑制）早期基因的表达 n晚期基因从位于Q和S（裂解区基因） 之间的启动子P R处开始转录，抗终止 子Q蛋白允许转录通过所有晚期基因 裂解途径 生理压力(如紫外线) 寄主细胞产生Rec A蛋白 Rec A蛋白降解C I蛋白 RNA聚合酶在启动子PR引导下开始转 录，产生Cro蛋白 进入裂解途径 溶源裂解： 二、枯草杆菌噬菌体spo1早、 中、晚期基因表达的转换： spo1为烈性噬菌体，生活史分为早、中 、晚三期： 侵染后，早期基因立刻转录； 在侵染45分钟后，早期基因停止表达 ，而开始转录中期基因； 从侵染后的812分钟，中期

16、基因转录 又被晚期基因的转录所代替。 早期基因-10序列和-35序列和寄主的一致序 列很相似 寄主RNA聚合酶转录早期基因产生调节蛋 白gp28 gp28取代寄主RNA聚合酶因子并与核心酶 结合 改变了RNA聚合酶对启动子的识别特性， 不再识别早期基因启动子而只识别中期基 因启动子 中期基因33和34转录产生调节蛋白gp33和 gp34 gp33与gp34可取代gp28及因子并使RNA聚 合酶只识别晚期基因 三种调节基因：28，33， 34 单纯疱疹病毒: HSV immediate early: 病毒的alpha-TIF 因子和 寄主细胞的Oct-1 结合到 早早期基因启动子上游的 增强子区

17、域，促进TATA box 区起始复合物的形成 和RNA聚合酶的转录 delayed early: 早早期基因产物之一蛋 白返回细胞核，促进迟 早期基因表达；在迟早 期基因产物蛋白的作 用下，病毒基因组DNA开 始复制 Late: TATA box 下游元件DAS 序列和DBF因子结合，促 进晚期基因的表达,晚期 基因一般编码和病毒颗粒 包装有关的蛋白 第四节 翻译水平的调控 一、反义RNA（antisense RNA)的调控作 用： 反义RNA通过互补的碱基与特定的 mRNA结合，阻碍该mRNA的表达，结 合部位通常是mRNA上的SD序列、起 始密码子和部分N端的密码子 基因调控不只是通过蛋白

18、与核酸的相 互作用而实现 反义RNA的抑制机理 ： u细胞核中：反义 RNA和正链RNA 结合，形成双链 ，阻止正义RNA 的加工或转运 u细胞质中：反义 RNA通常和 mRNA5端形成 双链，抑制其翻 译 相对于启动子，反义基因 antisense gene的方向刚好和野 生型基因相反 渗透压变化对E.coli外膜蛋白基因表达的调节： omp C 高渗透压时合成增多 omp F 低渗透压时合成增多 两种蛋白随渗透压变化而改变，但两种蛋白总 量保持不变 omp C基因转录时，omp C上游有一段DNA序列 ，以相反的方向同时转录一个174核苷酸的 RNA，这个RNA能与omp F的前导序列中4

19、4 个核苷酸（包括SD序列）以及编码区域(包括 起始密码子AUG)形成杂合双链，从而抑制了 omp F mRNA的翻译。 二、翻译阻遏 n核糖体蛋白基因组成若干个操纵子。 每个操纵子都有自己的调节蛋白，这 种调节蛋白都是核糖体蛋白本身，而 且都是核糖体上与rRNA结合的蛋白。 nmRNA与调节蛋白相结合的序列与 rRNA与该蛋白结合的序列有很大的同 源性，二者都能与起调控作用的核糖 体蛋白相结合，但结合能力 rRNAmRNA n当细胞中有游离rRNA时，调节蛋白优 先和rRNA结合；当rRNA被饱和后， 多余的调节蛋白就与mRNA上的结合 位点结合，这些结合位点靠近或包含 SD序列，阻碍mRN

20、A的翻译 n该过程促进与rRNA结合的核糖体蛋白 维持与rRNA相应的水平，而操纵子中 的其它蛋白质则可按自身需要合成。 三、严紧反应 n 严紧反应： u当细菌发现它们处于很差的生长环境，缺 乏足够的氨基酸来维持蛋白质合成时，它 们停止大部分代谢活动来保存能源，称为 严紧反应（或应急反应，stringent response ） u严紧反应时，细胞产生两种非正常的核苷 酸，在电泳时呈现两个特殊斑点，称为魔 点I和魔点II u两斑点分别为ppGpp（鸟苷四磷酸）和 pppGpp （鸟苷五磷酸） nppGpp的生成： rel A基因编码严紧控制因子（stringent factor ，SF），SF

21、位于核糖体上，催化 ATP转移焦磷酸给GTP或GDP，分别形成 pppGpp或ppGpp 在严紧反应条件下，氨基酸缺乏，空载tRNA 进入核糖体位点 SF因子合成（p）ppGpp，驱逐空载tRNA。 根据氨酰tRNA的存在与否，核糖体重新进行 多肽合成，或发生另一次无效反应 n(p)ppGpp的作用： n抑制rRNA和tRNA的 转录 n降低RNA聚合酶在转 录合成mRNA时的延 伸速度 第五节 DNA序列重排 沙门氏菌鞭毛蛋白由不同基因编码： H1基因表达产生H1型鞭毛蛋白 细菌处于I相 H2基因表达产生H2型鞭毛蛋白 细菌处于II相 I相和II相细菌在细胞分裂时，以1/1000概 率产生另一相的后代，称为相变。 nH1基因和H2基因位于染色体上不同区域。H2基因 与另一个编码H1阻遏蛋白的基因rh1紧密连锁，两 个基因协同表达。 n沙门氏杆菌的相取决于H2-rh1是否表达。 nH2-rh1是否表达受其上游一段995bp核苷酸DAN序 列的排列方向所控制。H2基因启动子位于该序列 末端，995bp序列中有一个hin基因，其蛋白产物可 催化995序列的倒位。当启动子序列朝向H2基因时 ，H2-rh1表达；倒位后，启动子背离H2基因，H2- rh1不表达，H1基因表达。