乳糖操纵子

第十五章基因表达的调控2基因表达=基因转录+翻译基因表达的调控:生物体随时调整不同基因的表达状态,以适应环境、维持生长和发育需要。主要是转录水平的调控基因转录的调节：1.DNA序列2.调控蛋白RNA聚合酶3.DNA-蛋白质相互作用活性的影响3基因表达的调控方式:阻遏负调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达(相应蛋白质降低)促进正调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达(相应蛋白质增加)4第一节原核生物基因表达的调控方式特点调控机制--操纵子正调控负调控转录翻译偶联快速乳糖操纵子--负、正调控转录起始的调控色氨酸操纵子--负调控转录起始、终止的调控5一、乳糖操纵子(lactoseoperon)操纵子（operon）：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）.一个操纵子=编码序列（2-6）+启动序列+操纵序列+(其他调节序列)6乳糖操纵子的发现：细菌以葡萄糖为能量来源葡萄糖充分时：与葡萄糖代谢有关的酶基因---表达与其他糖代谢有关的酶基因---关闭葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）：与乳糖代谢有关的酶基因---表达与葡萄糖代谢有关的酶基因---关闭7细菌对乳糖的利用及其相关的酶:乳糖(在通透酶作用下进入细菌）β半乳糖苷酶（细菌中少量存在）别位乳糖β半乳糖苷酶（细菌中少量存在）葡萄糖+半乳糖β半乳糖苷酶（细菌中少量存在）转乙酰基酶--功能未详8IPOZYa控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列操纵序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶（一）乳糖操纵子（lactoseopron）结构RNA聚合酶结合位点调控基因9（二）Lac阻遏物的作用---负调控Lac阻遏物结构特点调控机制（负调控）由基因I编码生成的蛋白质具有四级结构的蛋白质具有4个相同亚基每个亚基中都有一与诱导剂结合的位点Lac阻遏物与O基因结合：结构基因关闭Lac阻遏物与诱导剂结合：不与O基因结合，结构基因开放RNA聚合酶结合，转录开始10生理性诱导剂实验常用诱导剂别位乳糖异丙基硫代半乳糖（IPTG）Lac操纵子诱导剂11IOOρ诱导剂乳糖操纵子的负调控图15-412（三）CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用----乳糖操纵子的正调控低葡萄糖、高乳糖、高cAMP时：Lac阻遏蛋白不封闭转录,CAP+cAMP加强转录。13葡萄糖存在时：优先利用葡萄糖作为能源。与阻遏蛋白的存在有关--乳糖操纵子的负调控与cAMP有关：葡萄糖cAMPLac操纵子（-）只有乳糖存在时：只能利用乳糖解除阻遏蛋白的作用CAP-cAMP复合物的激活作用CAP+cAMP乳糖操纵子导致结构基因转录(正调控)cAMP在原核生物中的作用（饥饿信号）CAP(分解物基因激活物蛋白):•有二个相同亚基的蛋白质•一个与DNA结合的domain一个与cAMP结合的domain14IPOZYa调控基因控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列cAMP-CAP结合位点操纵序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶乳糖操纵子（lactoseopron）结构RNA聚合酶结合位点15CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用---正调控条件2:低乳糖条件3:低乳糖条件4:高葡萄糖低cAMP高乳糖Lac阻遏蛋白封闭转录时,CAP对该系统不发挥作用条件1:低葡萄糖高cAMP高乳糖Lac阻遏蛋白不封闭转录时,没有CAP存在,也无高效转录活性。Lac阻遏蛋白不封闭转录,CAP+cAMP加强转录。OOOOO图15-516原核生物基因表达的一般情况（乳糖操纵子）环境条件的变化是相关基因表达的外界信号基因表达的负调控基因表达的正调控正、负调控协同表达葡萄糖、乳糖浓度的变化Lac阻遏物与操纵基因cAMP+CAP与相应的DNA序列17二、色氨酸操纵子1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控调控基因结构基因催化分支酸转变为色氨酸的酶trpR18阻遏物对色氨酸操纵子的负调控阻遏物+Trp结合操纵基因相同二个共阻遏物亚基组成的蛋白质高Trp时：阻遏物+Trp结合操纵基因低Trp时：阻遏物不结合操纵基因192.衰减作用对色氨酸操纵子的调控衰减子（attenuator）---DNA位于L基因中,离E基因5’端约30-60bp。通过衰减子（转录终止结构）使转录终止。高Trp时：衰减子起作用，终止转录。产生“衰减子转录产物”（mRNA)，转录、翻译偶联，同时产生“前导肽”。20前导肽转录终止结构图15-621原核生物转录、翻译偶联图15-822衰减作用的基础转录终止结构高色氨酸时低色氨酸时图15-723发夹结构环茎多个U24高Trp时：Trp-tRNATrp存在核糖体通过片段1(2个Trp密码子)封闭片段2片段3，4形成发夹结构类似于不依赖ρ因子的转录终止序列RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物转录、翻译偶联,产生前导肽25低Trp时：Trp-tRNATrp没有供应核糖体翻译停止在片段1（2个Trp密码子）片段2，3形成发夹结构转录不终止RNA聚合酶继续转录26第二节真核生物基因表达的调控一.真核生物调控的特征：真核生物基因表达的调控核心途径：环境信号转导染色质活化转录的激活基因表达以正调控为主（激活蛋白激活靶基因）转录与翻译在不同的亚细胞区域进行27二、参与基因调控的顺式作用元件和反式作用因子（一）顺式作用元件真核生物DNA序列和被转录的结构基因距离较近包括：启动子（启动子上游近侧序列）增强子和转录调控有关(可影响自身编码基因表达活性)281.启动子和启动子上游近侧序列是RNA聚合酶结合位点周围的DNA序列位于转录起始点的上游按其对RNA聚合酶的影响分为两类:位于较上游的元件，强烈影响转录起始CAATbox，GCbox离转录点较近，起转录起始调控作用TATAbox29去甲基化的CpG岛对转录起始是必需的oCpG岛：基因的5’末端调控区存在一段富含成对的胞嘧啶、鸟嘧啶（CpG）的序列302.增强子一类能增强真核生物启动子功能的顺式作用元件（DNA序列）增强子、启动子交错覆盖/连续没有增强子启动子不表现活性没有启动子增强子无法发挥作用增强子作用不受序列方向的制约有组织特异性313.反应元件真核细胞处于某一特定环境时有反应的基因具有相同的顺式作用元件这一类顺式作用元件--反应元件（DNA序列）特点：（１）具较短的保守序列（２）与转录起始点的距离不固定（３）可位于启动子或增强子内举例：激素反应元件（HRE）32当糖皮质激素作用时,真核细胞中有反应的基因具有此类顺式作用元件33（二）反式作用因子（转录因子，transcriptionfactor）一类在真核细胞核中发挥作用的蛋白质因子反式作用因子识别/结合顺式作用元件中的靶序列启动转录例：转录因子TFⅡD识别结合TATAbox转录因子SP1识别结合GCbox转录因子CTF1识别结合CCAATbox34反式因子有两个必需的结构域DNA结合结构域：与顺式元件识别、结合转录激活结构域：与RNA聚合酶结合蛋白质图15-935反式作用因子（DNA结合域）结构模式--蛋白质Helix-turn-helixα螺旋-β转角-α螺旋最常见DNA结合域之一例：CAP(最早在原核生物中发现）α螺旋识别、进入DNA双螺旋结构的大沟36Zinc-fingers锌指最常见DNA结合域之一约有30个AA残基其中4个AA残基（2个Cys，2个His或4个Cys）配位键Zn2+锌指与DNA双螺旋大沟结合。存在于多种真核转录因子具多个锌指结构3738蛋白质图15-10图15-1139Leucine-zippers亮氨酸拉链一段肽链中每隔7个AA即有一个Leuα螺旋亲水面：亲水AA组成疏水面：Leu组成（亮氨酸拉链条）可形成二聚体（发挥作用）（同二聚体/异二聚体）DNA的结合域：拉链区以外结构40图15-1241图15-1342helix-loop-helix螺旋-环-螺旋α-螺旋有兼性形成二聚体有利于其与DNA结合43二聚体