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1、原核基因表达调控 Regulation in prokaryotes,Chapter 5,OUTLINE,5.1 原核基因表达调控总论 5.2 乳糖操纵子的转录调控 5.3 色氨酸操纵子的转录调控 5.4 其它操纵子(半乳糖、阿拉伯糖) 5.5 翻译水平的调控,一、基因表达的概念 gene expression ：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为gene regulation 。 注意：rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。,5.1原核基因表达调控总论,(1) 组成性表达(constitutive expression) 指在个体发育的任一阶段都能在大多数细
2、胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。 (2) 适应性表达(adaptive expression) 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。,二、基因表达的方式,(1) 组成性表达,指不大受环境变动而变化的一类基因表达。 某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。 管家基因表达水平受环境因素影响较小，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。它的表达只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而不受其他机制调节。,指环境的变化容易使
3、其表达水平变动的一类基因表达。 应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)； 相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。,(2) 适应性表达,诱导作用：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。 例如：乳糖-乳糖操纵子（-半乳糖苷酶-使乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；-半乳糖苷透过酶-使乳糖进入细菌细胞内； -半乳糖苷乙酰基转移酶-使半乳糖苷第六位碳原子乙
4、酰化）。,5.1.1 诱导和阻遏,阻遏作用：一些基因平时都是开启的，处在蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例如：色氨酸色氨酸合成酶。一般情况下细菌自身可以合成色氨酸，但加入色氨酸，细菌因为不需要自身合成色氨酸，因此关闭该操纵子基因。,5.1.1 诱导和阻遏,原核基因表达调控类型及特点,原核生物的基因调控主要发生在转录水平,1. Gene Expression is Controlled by Regulatory Proteins (调控蛋白),Gene expression is very often controlled by Extr
5、acellular Signals, which are communicated to genes by regulatory proteins: Positive regulators or activators(激活蛋白)INCREASE the transcription Negative regulators or repressors(阻遏蛋白)DECREASE or ELIMINATE the transcription,2. Gene expression is controlled at different stages,The bulk of gene regulation
6、 takes place at the initiation of transcription. Some involve transcriptional elongation/termination, RNA processing, and translation of the mRNA into protein.,3.Targeting promoter binding: many promoters are regulated by activators that help RNAP bind DNA (recruitment) and by repressors that block
7、the binding.,RNAP binds many promoters weakly, activators that contain two binding sites to bind a DNA sequence and RNAP simultaneously can enhance the RNAP affinity with the promoters, and thus increases gene transcription.This is called recruitment regulation (招募调控). On the contrary, Repressors ca
8、n bind to the operator inside of the promoter region, which prevents RNAP binding and the transcription of the target gene.,4.Targeting transition to the open complex: Allostery regulation (异构调控) after the RNA Polymerase Binding,In some cases, RNAP binds the promoters efficiently, but no spontaneous
9、 isomerization occurs to lead to the open complex, resulting in no or low transcription. Some activators can bind to the closed complex, inducing conformational change in either RNAP or DNA promoter, which converts the closed complex to open complex and thus promotes the transcription.,5.Targeting p
10、romoter escape by some repressors,Repressors can work in ways: blocking the promoter binding. blocking the transition to the open complex. blocking promoter escape.,6. Cooperative binding (recruitment) and allostery have many roles in gene regulation,For example: group of regulators often bind DNA c
11、ooperatively (activators and/or repressors interact with each other and with the DNA, helping each other to bind near a gene they regulated) : produce sensitive switches to rapidly turn on a gene expression, integrate signals (some genes are activated when multiple signals are present).,5.1.2 弱化子对基因
12、活性的影响,弱化子：(色氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸等) 当操纵子(是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制)被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的一段核苷酸。 核糖体在基因转录产物上的不同位置，决定了RNA可以形成哪一种形式的二级结构，并由此决定基因能否继续转录。 起信号作用的是有特殊负载的氨酰-tRNA的浓度。,5.1.3 降解物对基因活性的调节,通过提高转录强度来调节基因表达： 葡萄糖效应(降解物抑制效应)：在有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也
13、不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来。 葡萄糖：抑制腺苷酸环化酶，减少cAMP的合成，与其相结合的环腺苷酸受体蛋白CRP或分解代谢物蛋白CAP，找不到配体而不能形成复合物。,5.1.4 细菌的应急反应,实施应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)；产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。 当氨基酸饥饿时，细胞中存在大量空载tRNA，其激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成，从而关闭和打开一些基因。,1961年操纵子模型的提出 莫洛(Monod)和雅各布(Jacob) 获1965年诺贝尔生理学和医学奖 是一种负控诱导系统,5.2 乳糖操纵子(lactose operon
14、),5.2.1 酶的诱导,如何发现？乳糖诱导lac mRNA的合成,真正的诱导剂？,IPTG(异丙基硫代半乳糖苷) TMG(巯甲基半乳糖苷) 发色底物O-硝基半乳糖苷(ONPG),别乳糖 和 IPTG 是Lac 操纵子 的 诱导物,操纵子(operon): 阻遏基因(inhibitor,I,产生阻遏物repressor)、启动子(promoter,P)、操纵基因(operator,O)、结构基因(structural gene) 。,Lac 操纵子结构,Operon: a unit of prokarytoic gene expression and regulation which typi
15、cally includes: 1. Structural genes for enzymes in a specific biosynthetic pathway whose expression is coordinately controlled. 2. Control elements, such as operator sequence. 3. Regulator gene(s) whose products recognize the control elements.,Sometimes are encoded by the gene under the control of a
16、 different promoter,lacY,encodes a cell membrane protein called lactose permease (半乳糖苷渗透酶) to transport Lactose across the cell wall,lacZ,encodes for -galactosidase(半乳糖苷酶)for lactose hydrolysis,lacA,encodes a thiogalactoside transacetylase (硫代半乳糖苷转乙酰酶)to get rid of the toxic thiogalacosides,三种结构基因,The lacZ, lacY, lacA genes are transcribed into a single lacZYA mRNA (polycistronic mRNA) under the control of a signal promoter Plac .,LacZYA transcription unit contains an opera
