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1、.,第六章 原核生物基因表达调控,前言,.,一、基因表达 (gene expression),在一定调节机制控制下，基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等的过程 。 大多数基因的表达产物是蛋白质,部分基因如tRNA和rRNA基因表达产物是RNA。,.,.,一个典型的原核生物基因的结构,.,.,.,二、基因表达调控,围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都通称为基因表达调控. 转录水平的调控 转录后的调控 翻译水平的调控,DNA水平,基因丢失；,基因扩增,基因重排；,甲基化修饰；,染色质的结构状态,RNA水平,转录水平调控；,RNA的转录后
2、加工；,mRNA从核内向胞浆转运；,mRNA稳定性,蛋白质水平,翻译过程；,翻译后加工；,蛋白质的稳定性,.,三、基因表达的特性：,1）时间特异性或阶段特异性,2）空间特异性或组织细胞特异性,.,1、时间特异性,按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。,多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。,.,2、空间特异性（spatial specificity）:,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial sp
3、ecificity)。,基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,.,四、基因表达的方式,组成性基因表达 适应性表达（诱导和阻遏表达）,.,1、组成性基因表达,某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因 (house-keeping gene)。,.,无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性表达。,.,2、诱导和阻遏表达,诱导表达
4、（induction）指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。,阻遏表达（repression）指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。,.,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节(coordinate regulation)。,协调表达,.,五、基因表达调控的基本原理：,1.基因表达调控的多层次和复杂性,2 . 基因转录激活调节基本要素,.,1.基因表达调控的多层次和复杂性,
5、四个基本调控点 （1）基因结构的活化 （2）转录起始：最有效的调节环节 （3）转录后加工及转运 （4）翻译及翻译后加工,.,DNA水平,基因丢失；,基因扩增,基因重排；,甲基化修饰；,染色质的结构状态,RNA水平,转录水平调控；,RNA的转录后加工；,mRNA从核内向胞浆转运；,mRNA稳定性,蛋白质水平,翻译过程；,翻译后加工；,蛋白质的稳定性,.,2 . 基因转录激活调节基本要素,基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。,三个基本要素： 1）特异的DNA调节序列 2）调节蛋白 3）RNA聚合酶,.,.,基因转录激活调节基本要素,
6、1、特异DNA序列,原核生物的操纵子 真核生物的顺式作用元件 （cis-acting element）,2、调节蛋白,.,- 操纵子(operon),.,- 操纵子(operon),.,- 操纵子(operon),由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因转录受操纵基因所控制。 操纵基因是顺式控制元件，阻抑蛋白是反式作用因子,.,是指可影响自身基因表达活性的特异DNA 序列。通常是非编码序列。包括启动子、增强子及沉默子等。,真核生物的顺式作用元件,.,.,2、调节蛋白,是调节基因转录的蛋白因子，如原核生物的阻遏蛋白和CAP蛋白（降解物基因活化蛋白）、真核生物的基本转录因子和
7、特异转录因子等。,.,3、 RNA聚合酶,启动序列影响其与RNA聚合酶的亲和力，而亲和力大小则直接影响转录起动的频率。,原核启动序列或真核启动子是由转录起始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录的调节组件组成。,.,.,真核生物RNA聚合酶,.,.,六、基因表达调控的生物学意义,1、适应环境、维持生长和增殖,2、维持个体发育与分化,.,第一节 原核基因表达调控总论,反义链 模板链、 （）链,正义链、 编码链、（+）链,基因表达,.,转录水平上的调控 转录后水平上的调控,基因表达调控,.,原核生物主要是在转录水平上调控基因的表达。 当需要某种基因产物时，就大量合成这种mRNA，当不需要这种基因产物时
8、就抑制这种mRNA的转录，就是让相应的基因不表达。,.,通常所说的基因不表达，并不是说这个基因就完全不转录为mRNA，而是转录的水平很低，维持在一个基础水平（本底水平）。 基因表达完全关闭的情况使极为少见的。,真核生物基因表达的调控可发生在不同水平上,.,一、原核基因调控机制的类型与特点,（一）原核基因调控机制的类型,负调控 正调控,gene ON OFF,阻遏蛋白,gene OFF ON,激活蛋白,基因表达量特别低,.,1、负调控 negative regulation,在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被关闭，这样的控制系统就叫做负控系统 。 其调节蛋白质叫
9、做阻遏蛋白 两种类型：负控诱导和负控阻遏,负控诱导系统,负控阻遏系统,.,2、正调控 positive regulation,在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控制系统就叫做正控系统。 其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白) 两种类型:正控诱导和正控阻遏系统,.,.,（二）特殊代谢物调节基因表达的类型,可诱导调节 可阻遏调节,.,1、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. 调节分解代谢的操纵子，同时受cAMP-CAP的活性调节,可诱导调节 无诱导物时,gene OFF
10、,可诱导调节 有诱导物时,gene ON,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,CAP的正性调节,.,2、可阻遏调节,一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来开启的状态转变为关闭状态，基因的表达被阻遏. 调节合成代谢的操纵子,.,（三）原核生物基因表达调控的特点,调节的主要环节在转录水平上进行 因子决定RNA聚合酶识别特异性 主要通过操纵子模式进行调节 阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍存在的负调控作用,.,原核生物中基因的组织形式,几个作用相关的基因在染色体上串连排列在一起，由同一个调控系统来控制。 这样的一个整体称为一个操纵元(operon)。,.,.,.,
11、大肠杆菌至少有6种因子,70,负责识别一般的启动子,54,识别与氮代谢有关的基因启动子,32,识别热激（heat shock）蛋白质基因启动子,.,二、弱化子对基因活性的影响,1、弱化子 在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.,RNA聚合酶,起调节作用的是某种氨酰-tRNA的浓度,RNA分子在分子内采用不同的碱基配对方式，形成不同的二级结构而参与调控。 当不同的结构对是否允许终止存在差异时，改变二级结构可对转录终止进行调控,2、弱化子作用机制,前导序列,第10、11密码子为trp密码子,14aa前导肽编码区:
12、,包含序列1,形成发夹结构能力强弱： 序列1/2序列2/3序列3/4,5,trp mRNA trpL,1 2,3 4,寡聚U区,trpE,(a) 正常,(b) 高 Trp,1,2,转录终止,3 4,(C) 低Trp,1,2 3,4,转录延伸,UUUU 3,前导肽,前导mRNA,1.当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,衰减子结构 就是终止子 可使转录,RNA聚合酶,终止,前导肽,前导mRNA,RNA聚合酶,2.当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关 结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,.,三、降解物对基因活性的调节,1、葡萄糖效应（降解物抑制作用） 是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时
13、葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖类的利用的现象。,.,2、降解物对基因活性的调节,葡萄糖通过降低cAMP的含量而抑制基因表达,.,四、细菌的应急反应,指细菌在恶劣生长环境中关闭tRNA和核糖体形成的能力。,1、细菌的应急反应,.,2、细菌的应急反应的机制,应急信号： 鸟苷四磷酸（ppGpp）、 鸟苷五磷酸（pppGpp） 诱导物：空载tRNA,焦磷酸转移酶,.,第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统,.,一、乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成,I,.,.,启 动 子 RNA聚合酶结合位点 调节基因 CAP结合位点 操 纵 基 因 Z基 阻遏蛋白结合位点 mRNA,Lac操纵
14、子调控区域,.,乳糖操纵子的结构基因及其表达产物,.,二、酶的诱导-lac体系受调控的证据,在不含乳糖及-半乳糖苷的培养基中，lac+基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有12个酶分子。 如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个酶分子。,1、实验证据,.,2、实验用诱导物,乳糖 IPTG(异丙基巯基半乳糖苷) TMG(巯甲基半乳糖苷) ONPG(O-硝基半乳糖苷),.,.,pUC18,Ap,r,lacZ,ori,Ap + X-gal,重组子（Apr + lacZ-）,基因工程的蓝白斑筛选,.,蓝白显色筛选法,.,三、lac操纵子模型及其影响因子,（
15、一）Lac操纵子模型,控制区,信息区,.,1961年由莫诺（Monod,J.法)和雅各布(Jacob,F.法)提出，用来阐述大肠杆菌乳糖代谢中基因表达的调控机制。 获1965年诺贝尔生理学和医学奖,.,乳糖操纵子模型的建立(Jacob and Monod, 1961),获1965年诺贝尔奖,.,乳糖操纵子模型,1、Z、Y、A基因的产物为一条多顺反子mRNA,lacZ：编码-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖； lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁； lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。,.,2、P区位于I与O之间，O为阻遏物结合位点,启 动 子
16、 RNA聚合酶结合位点 调节基因 CAP结合位点 操 纵 基 因 Z基因 阻遏蛋白结合位点,.,乳糖操纵元的负调控,.,Lac操纵子P、O区的重叠,阻遏物与O区的结合影响了RNA聚合酶与启动子区结合形成转录起始复合物的效率。,.,4、 CAP的正性调节,.,Cyclic AMP,ATP在腺苷酸环化酶的作用下转变成环式AMP(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)。,.,The adenyl cyclase-catalyzed synthesis of cyclic AMP (cAMP) from ATP, 2003 John Wiley and Sons P
17、ublishers,.,cAmp-CAP,Catabolite activating protein, CAP 代谢激活蛋白，是cAmp的受体蛋白 (cyclic Amp receptor protein, CRP) cAmp-CAP复合物，是lac操纵元的正调控因子,.,乳糖操纵元的正调控,.,.,.,5、 协调调节,当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用； 如无CAP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。 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。,.,低半乳糖时,高半乳糖时,葡萄糖低 cAMP浓度高,葡萄
18、糖高cAMP浓度低,.,(二) 乳糖操纵子的影响因子,1、lac操纵子的本底水平表达,乳糖,.,.,因为诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而运转诱导物需要透过酶。 在非诱导状态下有少量（1-5个mRNA分子）lac mRNA合成-本底水平组成型合成。,lac操纵子的本底水平表达,.,3、阻遏物lacI基因产物及功能,弱启动子控制的组成型合成,.,.,.,.,.,4、葡萄糖对lac操纵子的影响,葡萄糖 腺苷酸环化酶活性降低 ATP 无法转变成 cAMP 不能形成 CAP-cAMP 复合蛋白 RNA 酶无法结合在 DNA 上 结构基因不表达。 代谢物阻遏效应 研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制l
19、ac mRNA的合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应.,.,葡萄糖效应,.,5、cAMP与代谢物激活蛋白,.,.,.,.,CRP结合位点,cAMP-CRP复合物与启动子区的结合lac mRNA合成起始所必需的，有利于形成稳定的开放型启动子-RNA聚合酶结构。,.,.,四、lac操纵子DNA的调控区域P、O区,控制区,信息区,-82+1,-7+28,.,五、lac操纵子中的其他问题,（一）A基因及其生理功能,-半乳糖苷酶,透过酶,乙酰基转移酶,.,（二）lac基因产物数量上的比较,Z、Y、A三个基因产物的拷贝数比例为1：0.5：0.2,.,1、Lac mRNA可能在翻译过程中的核糖体相脱离，从而终
20、止蛋白质链的翻译。,原因：在翻译水平上的调节,.,2、Lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更易受内切酶作用发生降解，故Z基因的完整拷贝数要比A基因多。,原因：在翻译水平上的调节,降解,.,（三）操纵子的融合与基因工程,操纵子的融合： 由较弱启动子和强启动子的基因形成的融合基因，可以通过强启动子使弱启动子的转录增强，增加蛋白表达量。,.,第三节 色氨酸操纵子与负控阻遏系统,.,可诱导调节：调节分解代谢的操纵子，同时受cAMP-CAP的活性调节,可阻遏调节：调节合成代谢的操纵子,特殊代谢物调节基因活性的类型,.,.,一、 trp操纵子的阻遏系统,（一） trp操纵子的研究背景,酶合成阻遏的现象
21、Jacob and Monod的工作,（二） trp操纵子的结构,阻遏型操纵子,trpA,trpB,trpC,trpE,trpD,Ptrp Otrp,前导序列 a,Trp 阻抑物 色氨酸,激活,RNA,trpE trpD trpC trpB trpA,色氨酸合成所需的酶,trpR,.,酶阻遏的操纵子模型,辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构基因表达.,辅阻遏蛋白,.,（三） trp操纵子的阻遏调控机制,色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。 色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类
22、似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。 而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。,Trp 浓度高时,Trp浓度低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA聚合酶,RNA聚合酶,色氨酸操纵子 阻遏调节,?,.,二、 弱化子与前导肽,（一）弱化子,在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.,前导序列,RNA聚合酶,起调节作用的是某种氨酰-tRNA的浓度,.,（二）前导肽,前导肽,前导mRNA,R
23、NA聚合酶,当色氨酸浓度低时,Trp合成酶系相关 结构基因被转录,序列3、4不能形成衰减子结构,（三）mRNA前导区的序列分析,前导区mRNA上有两个连续的色氨酸密码子；前导序列上有4个分别以1、2、3、4表示的片断能以两种不同的方式进行碱基配对，有时以12和34配对，有时只以23方式互补配对.,.,（四）转录的弱化作用,mRNA转录的终止是通过前导肽基因的翻译来调节的。 在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子，故这个前导肽的翻译必定对tRNATrp 的浓度敏感。,.,.,（五）衰减子的生物学意义,活性阻遏物和非活性阻遏物的转变可能较慢，而tRNA负载与否可能更为灵敏； 氨基酸的主要用途是合成
24、蛋白质，因而以tRNA负载情况为标准来进行控制可能更为恰当. 当细胞内氨基酸高于某一水平时，可以实现完全的阻遏；而只有低于这一水平时，才需用衰减子这个调节系统来进行调节，阻遏蛋白和衰减子调节机制都是为了避免浪费，提高效率。,.,第四节 其他操纵子（自学） 第五节 固氮基因调控（自学）,.,第六节 转录后调控,.,一、翻译起始的调控,1、SD序列对翻译的影响 SD序列：mRNA起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。(9-12bp) 5-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3 SD序列的顺序及位置对翻译的影响 SD与AUG之间相距一般以4-10个核苷酸为佳，9个核苷酸最佳。,.,.,2、mRNA
25、的二级结构对翻译起始的调控,SD sequence,AUG,10bases,UAAGGAGGU:complementary with 16s rRNA,5,.,.,.,实验证据 RNA引物由dnaG基因编码的引物酶催化合成 dnaG、rpoD及rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子 基因转录出来的三个蛋白相应的mRNA拷贝数大体相同，由于翻译的调控使得蛋白的拷贝数发生了很大的变化。,二、稀有密码子对翻译的影响,.,.,由于细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。,.,三、重叠基因对翻译的影响,A基因,B基因,A基因终止密码子
26、与B基因的起始密码子重叠,.,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。 偶联翻译是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段。,重叠基因对翻译的影响,trp操纵子trpE基因与trpD基因的翻译偶联机制,trpE苏氨酸苯丙氨酸终止,ACU-UUC-UGA-UGG-CU,AUG-GCU,甲硫氨酸丙氨酸trpD,.,五、翻译的阻遏,.,六、魔斑核苷酸水平对翻译的影响,空载氨酰-tRNA对蛋白质和RNA的合成速度进行调控,.,（一）严紧控制和松散控制,1、严紧控制（基因型rel）,当细菌处于饥饿条件下，缺乏维持蛋白质合成的氨基酸，其大部分活性区域将被关闭，此称之为严紧控制。 严紧控制导致两种特殊的核苷酸积累：PPGpp、pppGpp,cAMP,条件恢复，Spot基因催化ppGpp迅速降解,.,2、松弛控制（基因型rel-）,松弛突变株（基因型rel- ）去除了严禁控制反应； 蛋白质合成停止，但RNA的合成速度没有下降； 氨基酸的匮乏不会导致（p）ppGpp的合成； 若有严紧因子存在，也能合成（p）ppGpp.,（二）调控机制,应急信号： 鸟苷四磷酸（ppGpp）、 鸟苷五磷酸（pppGpp） 诱导物：空载tRNA,.,原核生物基因表达调控机制,转录激活水平上的调控 转录后调控,.,课后作业,简要回答原核生物基因表达调控机制？,