《分子生物学课件原核生物基因表达的调控》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分子生物学课件原核生物基因表达的调控（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、原核生物基因表达的调控,第十章 原核生物基因表达的调控,中心法则(the central dogma),基因表达(gene expression)：基因转录及翻译的过程。,1 概述,第十章 原核生物基因表达的调控,1 概述,1.1 基因表达的时空特异性, Hb (hemoglobin) 珠蛋白基因簇：（胚胎型）、 珠蛋白基因簇：（胚胎型）、（胎儿型）、 、（成人型） 血红蛋白：22 （胚胎型）22（胎儿型）22 （成人型）,时间特异性(temporal specificity)：,某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生。,第十章 原核生物基因表达的调控,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不
2、同组织空间顺序出现,空间特异性(spatial specificity),同形异位盒基因(homeobox) : 高度保守的一段核苷酸序列（180bp）,控制胚胎发育的基因 同形异位现象(homeosis): 果蝇头部长触角部位长出脚来,1.1 基因表达的时空特异性,第十章 原核生物基因表达的调控,1.2 基因表达的方式,1 概述, 组成型表达（constitutive gene expression）,基因表达只受启动子序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，不受其他机制的调节。,管家基因（housekeeping gene）： 在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。,奢侈基因（l
3、uxury gene）： 只在特定的细胞类型中表达的基因。,第十章 原核生物基因表达的调控,1.2 基因表达的方式,诱导（induction）： 是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。 DNA损伤 修复酶基因激活 乳糖 利用乳糖的三种酶表达 阻遏（repression） 是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。 色氨酸：色氨酸合成酶系, 诱导和阻遏表达(适应型或调节型),第十章 原核生物基因表达的调控,1 概述,1.3 影响基因表达的因素：,个体差异，终生不变。,激素、药物，细胞因子、机械刺激、
4、病原体感染、电刺激、细胞转化, 遗传因素, 环境因素,原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着举足轻重的影响。 在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和发育阶段是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。,第十章 原核生物基因表达的调控,1 概述,1.4 基因表达调控的生物学意义, 适应环境、维持生长和增殖 维持个体发育与分化,1.5 基因表达调控的环节,基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为转录水平（基因激活及转录起始），转录后水平（加工及转运），翻译水平及翻译后水平，但以转录水平的基因表达调控最重要。,第十章 原核生物基因表达
5、的调控,1 概述,1.6 原核基因表达调控的几个基本概念,顺式作用元件 (cis-acting element ) :真核生物结构基因 上游的调控区存在的相似或一致性的DNA序列，如 动子、增强子等。,反式作用因子（trs-acting factor）:直接或间接辨认、结合 顺式 作用元 件并影响其功能的蛋白质，如转录因子等。,结构基因（structural gene）:编码蛋白质或RNA的基因。,调节基因（regulator gene）:编码合成那些参与基因表 达调控的RNA或蛋白质的特异DNA序列。,操纵基因（operator gene）：操纵子中的控制基因，与 启动子相邻。,阻遏蛋白（
6、repressive protein ）：负调控系统中由调节 基因编码的 调节蛋白。,第十章 原核生物基因表达的调控,2 原核生物基因表达调控, 转录水平的调控(control of transcription) 操纵子(operon)：由调控区（启动子和操纵基因）与结构基因组成。 翻译水平的调控(control of translation),2.1 转录水平的调控,2.1.1 影响因素, 启动子决定转录方向及模板链, 启动子决定转录效率, 启动子(promoter),第十章 原核生物基因表达的调控,启动子有三个功能区：启始部位（+1区）、结合部位（-10区）、识别部位（-35区）,启动子,
7、第十章 原核生物基因表达的调控,2.1.1 影响因素,70：识别大多数基因的启动子 32：识别热休克诱导基因的启动子，控制热休克蛋白 (heat shock protein,Hsp)基因表达。, 因子,识别基因的启动子，控制转录时序。,激活蛋白(activating protein)：与操纵子结合后能增强或起动调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白，所介导的调控方式称为正调控(positive regulation) ,促进转录。, 阻遏蛋白与激活蛋白：调控转录,阻遏蛋白(repressive protein)：与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白,其介导的调控方式称为负
8、调控(negative regulation),抑制转录；,第十章 原核生物基因表达的调控,第十章 原核生物基因表达的调控,2.1 转录水平的调控,2.1.2 转录水平调控机制,操纵子学说：操纵子是原核生物在分子水平上基因表达调控的单位，由调节基因、启动子、操纵基因和结构基因等序列组成。通过调节基因编码的调节蛋白或与诱导物、辅阻遏物协同作用，开启或关闭操纵基因，对操纵子结构基因的表达进行正、负调控。,莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)提出,获1965年诺贝尔生理学和医学奖。, 乳糖操纵子, 色氨酸操纵子,第十章 原核生物基因表达的调控,乳糖操纵子, 乳糖操纵子的结构与功能,操纵子(ope
9、ron): 结构基因(structural gene)、启动子(promoter,P)和操纵子(operator,O)。阻遏物基因(inhibitor,I),产生阻遏物(repressor)。,第十章 原核生物基因表达的调控, -半乳糖苷酶：是一种-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。 -半乳糖苷透过酶：使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 -半乳糖苷乙酰基转移酶：把乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,乳糖操纵子,结构基因的功能：负责乳糖的降解。,Z 编码-半乳糖苷酶； Y 编码
10、-半乳糖苷透过酶； A 编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。,第十章 原核生物基因表达的调控, 乳糖操纵子调控方式, 阻遏蛋白的负调节,乳糖操纵子, 无乳糖：lac操纵子处于阻遏状态。,第十章 原核生物基因表达的调控, 乳糖操纵子调控方式, 阻遏蛋白的负调节,乳糖操纵子, 有乳糖：lac操纵子即可被诱导。,第十章 原核生物基因表达的调控, 乳糖操纵子调控方式, 阻遏蛋白的负调节,乳糖操纵子,乳糖代谢,生成lac诱导物,诱导物是乳糖码？,Allolctose 异构乳糖 别乳糖,第十章 原核生物基因表达的调控,gratuitous inducer 安慰诱导物 义务诱导物,IPTG：异丙基半乳糖苷 TMG
11、：巯甲基半乳糖苷 ONPG：O-硝基半乳糖苷,乳糖操纵子, 乳糖操纵子调控方式, 阻遏蛋白的负调节,可诱导半乳糖苷酶产生，但不是其底物,第十章 原核生物基因表达的调控,乳糖操纵子, 乳糖操纵子调控方式, 激活蛋白的正调节,CAP(catabolite activator protein)：分解代谢物激活蛋白，同二聚体，具有DNA结合区和 cAMP (cyclic AMP)结合位点，可激活转录。,第十章 原核生物基因表达的调控,乳糖操纵子, 乳糖操纵子调控方式, 阻遏蛋白的正调节,第十章 原核生物基因表达的调控,负调节与正调节协调合作 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 如没有CAP加强转录，
12、即使阻遏蛋白从P上 解聚仍无转录活性,乳糖操纵子, 乳糖操纵子调控方式, 协调调节(coordinate regulation),葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖 葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转录,结论：lac操纵元强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖。,第十章 原核生物基因表达的调控,乳糖操纵子, 阻遏蛋白的作用机制, 具有二重性 阻止转录（与lacO结合） 开始转录（与诱导物结合）, 阻遏蛋白结构, 38KD，4聚体，一个亚 基结合一个IPTG分子。, lacI 组成型转录 Pi弱启动子，510个cell,第十章 原核生物基因表达的调控,阻遏蛋白 的结构域
13、, 头段 ：-NH2端 lacO结合区 绞链区 核心段 ：-COOH端 诱导物结合区,第十章 原核生物基因表达的调控,4个亚基的核心片段接触形成四聚体,第十章 原核生物基因表达的调控,第十章 原核生物基因表达的调控,对称轴：+11 对称序列：6bp, 阻遏蛋白的结合位点lacO的结构, 阻遏蛋白的作用机制,第十章 原核生物基因表达的调控, 诱导物对阻遏蛋白结合操纵基因的影响, 阻遏蛋白的作用机制,诱导物与阻遏蛋白和操纵基因的复合物结合，致使阻遏蛋白的空间构象发生改变，与DNA亲和力下降。, 阻遏蛋白对RNA pol功能的影响, 阻遏蛋白和RNA 聚合酶可同时与DNA结合 RNA pol 与启动
14、子结合的平衡常数 1.9X107 有阻遏蛋白时, 2.5X109 结合着的RNA聚合酶不能转录. 但加入诱导物后, 释放出阻遏蛋白, 变为开放型启动子复合物. 阻遏蛋白实际上使RNA 聚合酶贮存在启动子上。,第十章 原核生物基因表达的调控,色氨酸操纵子,生物细胞中的氨基酸合成， 也受操纵子的调节。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。,第十章 原核生物基因表达的调控, 色氨酸操纵子的结构与功能,色氨酸操纵子,trp操纵子属阻遏型操纵子，主要调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。,第十章 原核生物基因表达的调控, 色氨酸操纵子的调控机制,色氨酸操纵子,
15、阻遏系统粗调,色氨酸操纵子通常处于开放状态，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作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合从而激活其活性！,第十章 原核生物基因表达的调控,色氨酸操纵子的阻遏系统,第十章 原核生物基因表达的调控, 色氨酸操纵子的调控机制,色氨酸操纵子, 弱化系统细调,前导序列（leader sequence）：色氨酸mRNA 5端trpE基因的起始密码前有一个长162bp的mRNA片段被称为前导序列或前导区。,1978年 yanofsky发现,衰减子（attenuator）：位
16、于转录单位开始区的一种内部终止子，称为弱化子或衰减子。,前导肽：前导区编码的一条多肽链。,第十章 原核生物基因表达的调控,前导区的结构,第十章 原核生物基因表达的调控,Trp弱化子mRNA的终止区,第十章 原核生物基因表达的调控,前导区的序列特征,第十章 原核生物基因表达的调控,第十章 原核生物基因表达的调控,色氨酸操纵子的弱化作用,低色氨酸,第十章 原核生物基因表达的调控,弱化子对RNA聚合酶的终止依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置，而细胞中Trp的存在与否决定了mRNA转录的弱化子结构，使弱化子中1、2、3、4区域呈现竞争性配对，从而产生终止效应。,高色氨酸,有实验证明，在不加色氨酸的培养基中，trp mRNA的合成仍然受到部分阻遏，现在一般认为，野生型细胞中同时存在着有活性和无活性的阻遏物，培养基中色氨酸浓度的变化，能够使这两种阻遏物间的平衡发生倾斜，最终做出关闭或启动trp操纵子的决定，从而维持一定的色氨酸含量。,
