第四章+原核基因表达调控.

基因的表达与调控(上)——原核基因表达调控模式DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制为什么还要学习表达调控?finished基因表达调控基本概念和特征乳糖操纵子色氨酸操纵子半乳糖操纵子阿拉伯糖操纵元原核基因调控的其他机制第一节基因表达调控的基本概念和特征1、基因表达调控的概念基因转录及翻译的过程叫做基因表达,对这个过程的调节就称为基因表达调控。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达2、基因表达的时间性及空间性（一）时间特异性按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生,如病毒感染。（二）空间特异性指在个体生长全过程，某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异,又称细胞或组织特异性。组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达(adaptiveexpression）3、基因表达的方式组成性表达(constitutivegeneexpression)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。如管家基因。管家基因(housekeepinggene)某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达。Xa21β-actin12常用的管家基因中文名称英文缩写Beta－肌动蛋白β-actin甘油醛3-磷酸脱氢酶GAPDHTATABox结合蛋白TBP微管蛋白αα-Tubulin诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为开放或增强。诱导表达(inductionexpression)在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为关闭或下降。阻遏表达(repressionexpression)4、基因表达的调控因子：•蛋白质(主要)•小分子RNA(某些环节)5、基因表达的调控水平基因组转录转录后翻译翻译后DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制中心法则(centraldogma)原核生物基因表达的特点1.只有一种RNA聚合酶。RNA聚合酶用来识别原核细胞的启动子，催化所有RNA的合成。2.基因表达以操纵子为基本单位。原核基因一般不含内含子，基因是连续的。原核基因转录单位多为多顺反子。多顺反子(polycistron)原核基因中多个功能相关的结构基因串联在一起构成一个转录单位。通常依赖同一调控序列对其转录进行调节，使这些相关基因实现协同表达。操纵子（operon）一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。tayzopStructuralgenepromoter启动子promoterterminator终止子terminatoroperator操纵元件operator操纵子结构示意图3.转录和翻译偶联进行：原核生物裸露的环形DNA，在拟核内转录成mRNA后，直接在胞浆中与核糖体结合翻译为蛋白质。4.mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列----SD序列。5.原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控。通常有两种方式：(1)起始调控，即启动子调控；(2)终止调控，即衰减子调控。第二节乳糖操纵子•内容提要：•操纵子学说的基本概念•乳糖操纵子的结构•酶的诱导——lac体系受调控的证据•乳糖操纵子调控模型•影响因子•Lac操纵子中的其他问题一、基本概念1、操纵子模型的提出1961年，Monod和Jacob提出获1965年诺贝尔生理学和医学奖2、操纵子的定义操纵子：是基因表达的协调单位，由调节基因、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。根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答，可分为：正转录调控和负转录调控调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白激活蛋白正转录调控负转录调控正转录调控如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白激活蛋白正转录调控负转录调控负转录调控在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。•可诱导调节：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。例：大肠杆菌的乳糖操纵子根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白诱导物mRNA酶蛋白酶合成的诱导操纵子模型诱导物如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。•可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生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：色氨酸操纵子酶合成的阻遏操纵子模型调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白调节基因操纵基因结构基因辅阻遏物辐阻遏物如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。（色氨酸）二、乳糖操纵子的结构•Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖•Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-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。•A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。三，酶的诱导——lac体系受调控的证据•安慰诱导物：如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。CH2OHCH3HOOS－C－CH3HCH3OHHHHHOH图16-6异丙基-β-硫代半乳糖苷的分子结构四、乳糖操纵子调控模型主要内容：①Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码②这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区（P），不能单独启动合成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。③操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。RNA聚合酶结合部位阻遏物结合部位操纵位点的回文序列④当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。未诱导：结构基因被阻遏阻遏物四聚体LacIPOlacZlacYlacA图16-当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。诱导：基因被打开β-半乳糖苷酶透性酶乙酰转移酶图16-7诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关组成型突变：lacOc组成型突变：lacI-RepressorhaslostlacISgenesythesizesIducer-bindingsitedefectiverepressorthatcannotbindinducer;itbindspermanentlytooperatorlacISOperantorlacI+wild-typerepressordoesnotinfluenceDNA-bindingofLacSrepressor图16-UninduciblelacSmutationsaredominant不可诱导突变（超阻遏）：五、影响因子1、lac操纵子的本底水平表达有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：①诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成有需要诱导。②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的预先存在。解释：本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lacmRNA合成。2、大肠杆菌对乳糖的反应培养基：甘油按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶；培养基：加入乳糖少量乳糖透过酶进入细胞β-半乳糖苷酶异构乳糖诱导物诱导lacmRNA的生物合成大量乳糖进入细胞多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）异构乳糖HOHHOHOHHHCH2OHHOOHHOOHOCH2CH2OHHOHOHHHOOH别乳糖HOOHHHHOHOHHH＋H2OHHHOOHCH2OHCH2OHHOHCH2OHHOOHHOOOHHHOHH＋OHHHOHHHHOHHOH葡萄糖半乳糖图16-乳糖分解的不同产物乳糖诱导物的加入和去除对lacmRNA的影响3、阻遏物lacI基因产物及功能Lac操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。4、葡萄糖对lac操纵子的影响如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，lac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。5、cAMP与受体蛋白腺苷酸环化酶将ATP转变为cAMP,cAMP与其受体蛋白结合,形成cAMP—CAP复合物,ZYAOPDNA调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶cAMP—CAP复合物ATP腺甘酸环化酶cAMP（环腺甘酸）大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；有葡萄糖，cAMP浓度低++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时促进转录有葡萄糖，cAMP浓度低时不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正调控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。cAMP—CAP复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。协调调节单纯乳糖存在时，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。乳糖操纵元的主要结构第三节色氨酸操纵子（trpoperon）内容提要：•色氨酸操纵子的结构•色氨酸操纵子的阻遏系统•色氨酸操纵子的弱化机制一、色氨酸操纵子的结构调控基因结构基因催化分枝酸转变为色氨酸的酶分支酸→邻氨基苯甲酸→磷酸核糖基→CDRP→吲哚甘油-磷酸→色氨酸邻氨基苯甲酸邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油色氨酸合成酶硼酸合成酶β链α链60，00060，00045，00050，00029，000POlatrpEtrpDPtrpCtrpBtrpAtt’156016201353119180436P：起动子；O：操纵子；l：前导序列；a：衰减子；t,t’：终止子图16-15E.colitrpO的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应合成色氨酸的操纵子色氨酸操纵子特点:(1)trpR和trpABCDE不连锁；(2)操纵基因在启动子内(3)有衰减子(attenuator)/弱化子(4)启动子和结构基因不直接相连，二者被前导序列(Leader)所隔开trpRtrpPtrpOtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA蛋白TrpR(无活性)活化的阻遏蛋白阻遏物(Trp)图16-27TrpR被Trp激活后可阻遏trp操纵子的转录(仿B.Lewin:《GENES》Ⅳ，1990,Fig.13.16)二、trp操纵子的阻遏系统低Trp时：阻遏物不结合操纵基因;高Trp时：阻遏物+Trp结合操纵基因问题？对trp酶系统来说,本底合成是除阻遏合成的1/70，而实际情况下是1/700，为什么???1、弱化子：在trp操纵子的DNA中，可导致转录过早终止的一段核苷酸序列。引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。2、前导序列：在trpmRNA5’端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段，把此片段叫做前导序列。3、弱化机制作用机理：1转录和翻译是紧密耦连的2前导序列中存在终止子结构3前导序列中有两个色氨酸密码子衰减子作用的实质是以翻译手段控制基因的转录二级控制的生物学意义？1活性阻遏物和非活性阻遏物的转变较慢,而tRNA荷载与否可能更为灵敏;2氨基酸的主要用途是用来合成蛋白质,tRNA荷载为标准来控制可能更为恰当;3活性阻遏物决