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,乳糖操纵子的发现: 大肠肝菌能够利用乳糖： 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 环境中没有乳糖 编码上述乳糖代谢酶的基因则被关闭,当诱导物不存在时，操纵子以极低的基础水平转录 诱导物的加入激活转录，使lac mRNA水平迅速上升 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平 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 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

2、保持在诱导水平,操纵子,反式作用突变鉴定调节基因： lac 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 lacIs ：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,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聚合酶可以不受限制地从启动子开始转录，结构基因组成型表达,乳糖操纵子模型： Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。,该mRNA分子的启动子（P）位于调节基因（I）与操纵区（O）之间，

3、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,当阻遏物与操纵区相结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。 活性阻遏蛋白是由4个相同亚基组成的同源四聚体 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 阻遏蛋白和DNA的结合能增强RNA聚合酶结合DNA的能力，只是结合的RNA聚合酶不能起始转录,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 DNA结合域包含两个螺旋，由一个转角分开 铰链区连接DNA结合域和核心区 核心区 由核心结构域1和核心结构域2组成； 诱导物结合

4、在两个结构域之间的裂隙中； C端负责亚基间的寡聚化,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。,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,阻遏蛋白结合诱导物后构型的变化： 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,阻遏物同时结合两个操纵基因 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（

5、pseudo-operator） 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 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,诱导物改变阻遏蛋白在DNA上的分布，而不是产生游离阻遏蛋白： 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 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 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,操纵子模型 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： 负调控基因除非被阻遏蛋白关闭，否则一

6、直表达 正调控基因只有在活性调节蛋白存在时，才会被表达 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 诱导物：An inducer is a small molecule that triggers gene transcription by binding to a regulator protein. 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,大肠杆

7、菌色氨酸操纵子的负调控： 色氨酸操纵子控制5种酶的合成，由trp E, D, C, B, A编码 当色氨酸缺乏时，调节基因（trpR）编码无活性的aporepressor阻遏蛋白 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： Trp 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 Trp 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 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

8、译,调控过程: Trp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区转录出来后仍是单链状态，终止子不能形成，转录继续进行 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 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： 具有三个操纵子： ara BAD:编码阿拉伯糖代谢相关酶 ara E,ara FG:编码膜蛋白，与阿拉伯糖结

9、合、转运有关 调节蛋白：C蛋白 C蛋白具有双重调节功能 C蛋白在阿拉伯糖操纵子上有3个不同结合部位:ara I、araO1和araO2,调控过程: 没有C蛋白: 转录C mRNA 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 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,噬菌体基因组,PL

10、: 基因左侧区域转录启动子 PR: 基因右侧区域转录启动子 OL: 非编码区（约50bp），位于CI和N基因之间 OR: 非编码区(约50bp)，位于CI和Cro之间,CI: 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 CII和CIII： 编码激活蛋白，具有增强CI基因转录的作用 Cro: 阻止C I蛋白的合成（裂解周期的必需步骤） 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）,N: 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

11、终止子，继续转录迟早期基因 Q: 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 qut 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 Cro 负调控因子 N 抗终止子 迟早期基因(delayed early genes ): C II 和C III 7个重组基因 2个复制基因 Q 抗终止子 晚期基因(Late genes ): 10个头部基因 11个尾部基因 2个裂解基因,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蛋白的抗终止作

12、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,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调节蛋白浓度上升 CI与OL、OR结合

13、，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,cro 蛋白和OR3的亲和力比对OR1和OR2的亲和力强 cro 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 然后cro蛋白和OR1或OR2结合，阻碍RNA聚合酶和PR结合，从而

14、降低（但不完全抑制）早期基因的表达 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

15、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域，促进TATA box 区起始复合物的形成和RNA聚合酶的转录 delayed early:

16、 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与核酸的相互作用而实现,反义RNA的抑制机理： 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

17、运 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44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,核糖体蛋白基因组成若干个

18、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。 mRNA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,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mRNA的翻译 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,严紧反应： 当细菌发现它们处于很差的生长环境，缺乏足够的氨

19、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） 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 两斑点分别为ppGpp（鸟苷四磷酸）和pppGpp （鸟苷五磷酸）,ppGpp的生成： rel A基因编码严紧控制因子（stringent factor ，SF），SF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

20、，核糖体重新进行多肽合成，或发生另一次无效反应,(p)ppGpp的作用： 抑制rRNA和tRNA的转录 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。,H1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。 沙门氏杆菌的相取决于H2-rh1是否表达。 H2-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。,