原核基因表达调控2011.ppt

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1、基因表达的调控,2,基因表达 是指贮存在DNA序列中的遗传信息经过一系列步骤表现出其生物学功能的过程 永久型和调节型表达,3,基因表达=基因转录+翻译,4,基因表达调控（regulation of gene expression）：对基因表达过程各层次的调节,转录水平（transcriptional level）,转录后水平（post-transcriptional level ）,翻译水平（translation level）,翻译后水平（post-translation level）,5,主要是转录水平的调控 1.DNA序列 2.调控蛋白 3.DNA-蛋白质相互作用,RNA聚合酶活性,6,

2、基因表达的调控方式: 阻遏 负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质降低) 促进 正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质增加),7,第一节 原核生物基因表达的调控,8,9,一、乳糖操纵子(lactose operon),操纵子（operon）： 原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）. 一个操纵子 =编码序列（2-6） +启动序列+操纵序列+(其他调节序列),10,乳糖操纵子的发现： 细菌以葡萄糖为能量来源 葡萄糖充分时： 与葡萄糖代谢有关的酶基因-表达 与其他糖代谢有关的酶基因-关闭 葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基

3、）： 与乳糖代谢有关的酶基因 -表达 与葡萄糖代谢有关的酶基因-关闭,11,细菌对乳糖的利用及其相关的酶: 乳糖 (在透过酶作用下进入细菌） 半乳糖苷酶 （细菌中少量存在） 异构乳糖 半乳糖苷酶 （细菌中少量存在） 葡萄糖+半乳糖,半乳糖苷酶 （细菌中少量存在）,转乙酰基酶,12,I,P,O,Z,Y,a,控制位点 结构基因,DNA,阻遏蛋白,启动序列,操纵序列,半乳糖苷酶,半乳糖苷透过酶,乙酰基转移酶,（一）乳糖操纵子（lactose opron） 结构,RNA聚合酶 结合位点,调控基因,13,（二）Lac阻遏物的作用-负调控,Lac阻遏物 结构特点 调控机制 （负调控）,由基因I编码生成的蛋

4、白质 具有四级结构的蛋白质 具有4个相同亚基 每个亚基中都有一与诱导剂结合的位点 Lac阻遏物与O基因结合： 结构基因关闭 Lac阻遏物与诱导剂结合： 不与O基因结合，结构基因开放 RNA聚合酶结合，转录开始,14,生理性诱导剂 实验常用诱导剂,别位乳糖 异丙基硫代半乳糖（IPTG）,Lac操纵子诱导剂,15,I,O,O,诱导剂,乳糖操纵子的负调控,图15-4,16,可诱导调节,一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化,17,（三）CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中 的作用-乳糖操纵子的正调控,低葡萄糖、高乳糖、高cAMP时：

5、 Lac 阻遏蛋白不封闭转录, CAP+ cAMP 加强转录。,18,葡萄糖存在时： 优先利用葡萄糖作为能源。 与阻遏蛋白的存在有关 -乳糖操纵子的负调控 与cAMP有关： 葡萄糖 cAMP Lac操纵子（-）,只有乳糖存在时： 只能利用乳糖 解除阻遏蛋白的作用 CAP-cAMP复合物的激活作用 CAP+cAMP 乳糖操纵子 导致结构基因转录(正调控) cAMP 在原核生物中的作用 （饥饿信号） CAP(分解物基因激活物蛋白): 有二个相同亚基的蛋白质 一个与DNA结合的domain 一个与cAMP结合的domain,19,I,P,O,Z,Y,a,调控基因 控制位点 结构基因,DNA,阻遏蛋白

6、,启动序列,cAMP-CAP结合位点,操纵序列,半乳糖苷酶,通透酶,乙酰基转移酶,乳糖操纵子（lactose opron） 结构,RNA聚合酶 结合位点,20,CAP- cAMP复合物 在乳糖操纵子表达中的作用-正调控,条件2:,低乳糖,条件3:,低乳糖,条件4: 高葡萄糖 低cAMP 高乳糖,Lac 阻遏蛋白封闭转录时, CAP对该系统不发挥作用,条件1: 低葡萄糖 高cAMP 高乳糖,Lac 阻遏蛋白不封闭转录时, 没有CAP存在,也无高效转录活性。,Lac 阻遏蛋白不封闭转录, CAP+ cAMP 加强转录。,O,O,O,O,O,图15-5,21,原核生物基因表达的一般情况 （乳糖操纵子

7、）,环境条件的变化是相关基因表达的外界信号 基因表达 的负调控 基因表达 的正调控 正、负调控协同表达,葡萄糖、乳糖浓度的变化 Lac阻遏物与操纵基因 cAMP+CAP与相应的DNA序列,22,二、色氨酸操纵子 1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 调控基因 结构基因 催化分支酸转变为色氨酸 的酶,trpR,trp,23,阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 阻遏物 + Trp 结合操纵基因 相同二个 共阻遏物 亚基组成 的蛋白质 高Trp时：阻遏物+Trp 结合操纵基因 低Trp时：阻遏物 不结合操纵基因,24,2.衰减作用对色氨酸操纵子的调控 衰减子 （attenuator）-DNA 位于L基因中,离

8、E基因5端约30-60bp。 通过衰减子（转录终止结构）使转录终止。 高Trp 时：衰减子起作用，终止转录。 产生“衰减子转录产物”（mRNA) ， 转录、翻译偶联，同时产生“前导肽”。,25,前导肽,转录终止结构,图15-6,26,The leader RNA and leader peptide of the trp operon,27,Low Trp,High Trp,Complementary 2:3 Elongation of transcription,Complementary 3:4 termination of transcription,28,高Trp时： Trp-tRNA

9、Trp 存在 核糖体通过片段1(2个Trp密码子) 封闭片段2 片段3，4形成发夹结构 类似于不依赖因子的转录终止序列 RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物,转录、翻译偶联,产生前导肽,29,低Trp时： Trp-tRNATrp 没有供应 核糖体翻译停止在片段1 （2个Trp密码子） 片段2，3 形成发夹结构 转录不终止 RNA聚合酶继续转录,30,三、 其他操纵子的调控机制,1 半乳糖操纵子 大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)包括3个结构基因： 异构酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)， 半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose

10、transferase, galT)， 半乳糖激酶(galactose kinase, 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。,31,32,gal操纵子的特点： 它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起 始点开始转录； 它有两个O区，一个在P区上游-67-53，另一 个在结构基因galE内部。,33,分析gal操纵子P-O区的DNA序列发现，该操纵子确实存在两个相距仅5bp的启动子，可以分别起始mRNA的合成。每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。

11、 从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时，才能顺利进行，RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP。从S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由这个启动子起始的转录。当有cAMP-CAP时，转录从S1开始，当无cAMP-CAP时，转录从S2开始。,34,2 阿拉伯糖操纵子 阿拉伯糖(arabinose)是另一个可以为代谢提供碳源的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因：araB、araA和araD，分别编码3个酶：araB基因编码核酮糖激酶(ribulokinase)，araA编码L-阿拉伯糖异构酶(L-arabinose isomeras

12、e)，araD编码L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶(L-ribulose-5phosphate-4epimerase)。与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因araC，这个AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。AraBAD和araC基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上，araBAD基因簇从启动子PBAD开始向左进行转录，而araC基因则是从Pc向右转录。,35,36,37,AraC蛋白作为PBAD活性正、负调节因子的双重功能是通过该蛋白的两种异构体来实现的。Pr是起阻遏作用的形式，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，而Pi是起诱导作用

13、的形式，它通过与PBAD启动子结合进行调节。在没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与AraC蛋白结合，使平衡趋向于Pi形式。这样，阿拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与Pr的结合，使Pr离开它的结合位点，然后，产生大量的Pi，并与启动子结合。,38,3. 组氨酸操纵子 与His降解代谢有关的两组酶类被称为hut酶(histidine utilizing enzyme)，控制这些酶合成的操纵子被称为hut operon。由一个多重调节的操纵子控制，有两个启动子，两个操纵区及两个正调节蛋白。 Hut操纵子共编码4种酶和一个阻遏物。4种酶分别由hutG、hutH、hutI及

14、hutU基因编码，阻遏物则由hutC基因编码。在产气克氏菌中，以上基因构成两个转录单位，hutI、hutG、hutC和hutU、hutH分别被转录合成两条mRNA长链。这两个转录单位各自都有一个启动子和一个操纵区，其转录过程都是从左向右进行的，hutC阻遏物能与每个操纵区相结合。,39,40,无论以组氨酸作为唯一碳源或氮源，hut操纵子都会处于有活性状态。Hut操纵子的每一个启动子上都有cAMP-CAP结合位点，当碳供应匮乏时，能合成cAMP，出现cAMP-CAP复合物，并与操纵区上的相应位点结合，诱发基因转录。虽然尚不清楚氮源缺乏时的信号是什么，但它很可能也是一个正效应子。,41,4. 多启

15、动子调控的操纵子,I rRNA操纵子 大肠杆菌rRNA操纵子（rrnE）上有两个启动子，P1和P2。P1是强启动子，营养充沛时，由P1起始的转录产物比由P2起始的转录产物高3-5倍。当营养匮乏时，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。,42,II. 核糖体蛋白SI操纵子 核糖体蛋白SI操纵子（rpsA），它也受应急反应调节。RpsA有4个启动子，P1、P2是强启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表达，合成SI蛋白。P3、P4是弱启动子，只有在紧急情况下，P1、P2启动子受ppGpp的抑制，由P3、P4起始合成的SI蛋白维持了生命的最低需要。,43,III. Dna Q蛋白操纵子 Dna Q蛋白是D

16、NA聚合酶全酶的亚基之一，其主要功能是校正DNA复制中可能出现的错误。在RNA聚合酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子P2控制；而RNA聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子P1。,44,四、转录水平上的其它调控方式,1 因子的调节作用,45,2 组蛋白类似蛋白的调节作用,细菌中一些非特异性的DNA结合蛋白，用来维持DNA的高级结构，这些蛋白称为组蛋白类似蛋白（histone-like proteins） H-NS包含2个结构域，DNA结合结构域和蛋白蛋白相互作用结构域,46,3 转录调控因子的作用,能够与基因的启动子区结合，对基因的转录起激活或抑制作用的DNA结合蛋白称为转录调控因子 CRP、

17、FNR、IHF、Fis、ArcA、NarL和Lrp调控了50基因的表达 调控结果的差异,47,4 抗终止因子的调节作用,48,四、 原核生物种的转录后调控,49,1 mRNA自身结构元件对翻译起始的调节,起始密码子的差异，GUG 14%, UUG 3% RBS：SD序列结构及其与起始密码子之间的距离 mRNA的二级结构,50,2 mRNA的稳定性对转录水平的影响,CsrAB调节系统，CsrA为RNA结合蛋白，CsrB为RNA分子 糖原合成途径中酶的编码基因glg的mRNA的调控降解,51,52,3 调节蛋白的调控作用,mRNA结合蛋白可激活靶基因的翻译。BipA蛋白能激活fis mRNA的翻译

18、 mRNA特异性抑制蛋白通过与核糖体竞争性结合mRNA分子来抑制翻译的起始。如在rRNA不足的情况下核糖体蛋白抑制自身mRNA的翻译,53,4 反义RNA的调节作用,一些非编码的小RNA分子能与mRNA中的特定序列配对并改变所配对mRNA分子的构象，导致翻译过程被开启或关闭,54,55,5 稀有密码子对翻译的影响,已知dnaG和rpoD（编码RNA聚合酶亚基）及rpsU同一个操纵子，而这3个基因产物在数量上却大不相同，每个细胞内仅有dnaG产物50拷贝，而rpoD为2800拷贝，rpsU则高达40 000拷贝之多。细胞通过翻译调控，解决了这个问题。 研究dnaG序列发现其中含有不少稀有密码子，

19、也就是说这些密码子在其他基因中利用频率很低，而在dnaG中却很高。 许多调控蛋白如LacI、AraC、TrpR等类似。高频率使用这些密码子的基因翻译过程极容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。,56,6. 重叠基因对翻译的影响 研究trpE和trpD以及trpB和trpA两对基因中核苷酸序列与翻译耦联的关系，发现trpE基因的终止密码子和trpD基因的起始密码子共用一个核苷酸。,57,由于trpE的终止密码子与trpD的起始密码重叠，trpE翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。,58,7. 魔斑核苷酸水平对翻译的影响 科学上，把培养基中营

20、养缺乏，蛋白质合成停止后，RNA合成也趋于停止这种现象称为严紧控制（rel+）；反之则称为松散控制（rel-）。研究发现，在氨基酸缺乏时，rel+菌株能合成鸟苷四磷酸（ppGpp）和五磷酸（pppGpp），而rel-菌则不能。 GTP+ATPpppGpp+AMPppGpp ppGpp的主要作用可能是影响RNA聚合酶与启动子结合的专一性，从而成为细胞内严紧控制的关键。当细胞缺乏氨基酸时产生ppGpp，可在很大范围内做出应急反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。,59,生物体内一些酶或蛋白质（如DNA聚合酶、RNA聚合酶等）合成速率不受环境变化或代谢状态的影响，这类蛋白表达方式称为永久型（组成型constitutive）表达,60,生物体内一些酶或蛋白质合成速率明显受环境变化或代谢状态的影响，这类蛋白表达方式称为调节型（适应型adaptive or regulated）表达,