原核生物基因的表达调控2课时.ppt
目目 录录一、诱导负调控一、诱导负调控 0.8 0.8课时课时二、诱导正调控二、诱导正调控 0.2课时课时三、阻遏调控三、阻遏调控 0.2课时课时四、弱化子调控四、弱化子调控 0.3课时课时五、翻译调控五、翻译调控 0.3课时课时六、六、mRNAmRNA加工调控加工调控 0.2课时课时乳糖加入和去除对lac mRNA的影响 1961，Jocob E.coli在葡萄糖培养基上，-半乳糖苷酶分子平均1-5个；加乳糖后猛增千倍以上，去掉乳糖又会恢复原水平；培养基也会瞬间变红再恢复。显然，-半乳糖酶是在乳糖诱导下产生的，称可诱导酶，该酶生产系统称可诱导系统(indacible system)。一、一、诱导负调控诱导负调控(inducible negative regulation)1、乳糖操纵子、乳糖操纵子(lactose operon)的发的发现现 1、乳糖操纵子、乳糖操纵子(lactose operon)的发的发现现 E.coli乳糖代谢 w t添加乳糖时,-半乳糖苷酶、渗透酶和转乙酰基酶含量同时增加，无乳糖时3种酶合成同时停止，说明这3种酶是一个系统。E.coli乳糖代谢突变型不添加乳糖时，上述3种酶也会表达，说明乳糖代谢系统除上述结构基因之外，还有调节该系统的基因。一、一、诱导负调控诱导负调控(inducible negative regulation)2、lac operon结构结构一、一、诱导负调控诱导负调控(inducible negative regulation)调节基因lacI：1040 bp启动基因lacP：54 bp操纵基因lacO：26 bp结构基因半乳糖基因Z:3510 bp渗透酶基因Y：780 bp转乙酰酶基因A：825bp分子量分子量KDa分子量分子量KDa个氨基酸个氨基酸结构结构 实验证明：-半乳糖苷酶、渗透酶和转乙酰基酶分别受Z、Y、A结构基因控制，从启动基因开始，并受操纵和调节基因控制。lacI基因生产的阻遏物关闭操纵子；有乳糖时，因乳糖与阻遏物结合，操纵基因lacO 被打开，Z、Y和A结构基因分别翻译出半乳糖苷酶、渗透酶和转乙酰酶，分解乳糖为葡萄糖被利用。操纵子通常关着诱导能打开称诱导调控，调节基因生产阻遏物的调控称诱导负调控。3、诱导负调控、诱导负调控一、一、诱导负调控诱导负调控(inducible negative regulation)结构基因Z、Y、A突变Z-、Y-、A-后分别失去-半乳糖苷酶、渗透酶和转乙酰基酶合成能力，称非组成型突变。操纵、调节和启动基因突变会影响到结构基因产物表达，称组成型突变。操纵基因O突变成OC后，阻遏物不能识别，不能与O基因结合。所以，该突变体没有乳糖时也生产上述3种酶，称OC组成型突变。4、组成与非组成型突变、组成与非组成型突变一、一、诱导负调控诱导负调控(inducible negative regulation)5、调节基因组成型突变、调节基因组成型突变一、一、诱导负调控诱导负调控(inducible negative regulation)调节基因I+突变成I-，生产的异常阻遏物不能关闭 O基因，在没有乳糖诱导时也生产半乳糖苷酶、渗透酶，称I-组成型突变。lacI-突变体生产的阻遏物与乳糖结合的复合物出现N端头部向中心弯曲异构，不能与 O基因结合，不能关闭O，导致不诱导也表达的组成型突变。6、调节基因超组成型突变、调节基因超组成型突变一、一、诱导负调控诱导负调控(inducible negative regulation)调节基因I+突变成Is生产的阻遏物，因失去了与诱导物的结合位点。在乳糖诱导下操纵子也无法打开，结构基因不表达，称超组成型突变。I-Is突变，其阻遏物变化位点C端中心，推测I-d突变的阻遏物变化位点可能是N端，会与O基因紧密结合，出现超组成型突变。7、部分二倍体显隐性研究、部分二倍体显隐性研究一、一、诱导负调控诱导负调控(inducible negative regulation)用F因子与E.coli构成部分二倍体，lac操纵子实验表明：I+Z-Y+/FI-Z+Y+不诱导不表达，诱导也不表达，说明Z+、Y+对Z-、Y-为显性。lacI+Z-Y+/FI-Z+Y+不诱导不表达,说明I+对I-为显性.IsZ+Y+/FI+Z+Y+诱导和不诱导均不表达,说明IS对I+和I-均为显性。O+Y+/FOcY+不诱导也表达，说明Oc对O+为显性1、cAMP与与CAP复合物诱导正调控复合物诱导正调控二、二、诱导正调控诱导正调控(inducible positive regulation)乳糖分解成葡萄糖很少时，腺苷环化酶催化ATP形成环化腺苷酸cAMP。cAMP与分解激活蛋白CAP形成复合物,激活乳糖操纵子打开。乳糖分解成葡萄糖很多时，腺苷环化酶无活性，无cAMP，不能形成CAP复合物乳糖操纵子关闭。cAMP诱导时操纵子打开cAMP不诱导时操纵子关闭，称诱导正调控。CAP复合物诱导就转录，不诱导不转录低葡萄糖高葡萄糖腺苷环化酶未失活腺苷环化酶失活cAMP与CAP结合无cAMP-CAP复合物活花CAP打开操纵子cAMPcAMP无无cAMPcAMP诱导负控制：I基因生产的阻遏蛋白，通常将操纵子关闭，诱导时才被打开的操纵子称诱导负调控。如lac operon。诱导正控制：I基因生产无活性激活蛋白无法打开操纵子，诱导时有活性、打开操纵子的调控称诱导正调控。如cAMP lac operon诱导自控制：调节基因位于操纵子内为之。2、诱导调控类型、诱导调控类型二、二、诱导正调控诱导正调控(inducible positive regulation)非编码区基因有：启动基因P、操纵基因O、前导序列L、弱化子、终止子；编码区有：5个结构基因。包括：邻氨基苯甲酸合成酶E.D基因，吲哚甘油磷酸合成酶C，色氨酸合成酶B、A共5个基因。结构如下：1、色氨酸操纵子结构 1978,Yanofsky 三、阻遏调控三、阻遏调控(repressible regulation)(repressible regulation)调节基因R生产无活性阻遏蛋白，操纵子一直被打开生产色氨酸。操纵子通常开着，辅阻时才被关闭的调控称可阻遏调控。过量的色氨酸激活了阻遏蛋白，关闭操纵子。因调节基因产物是阻遏蛋白称阻遏负调控，也称反馈抑制。2、色氨酸操纵子调控色氨酸操纵子调控 三、阻遏调控三、阻遏调控(repressible regulation)(repressible regulation)负控制:I基因生产无活性阻遏蛋白，操纵子一直被打开，辅阻时才被关闭，称阻遏负调控。如trp operon。正控制:I基因生产激活蛋白，操纵子一直被打开，辅助时激活蛋白失活关闭操纵子，称阻遏正调控。如甲硫氨酸操纵子；操纵基因位于操纵子内称阻遏自控调控，如his operon3、阻遏调控类型、阻遏调控类型 三、阻遏调控三、阻遏调控(repressible regulation)(repressible regulation)前导序列中直接参与operon弱化调控的区间称弱化子。色氨酸操纵子E、O基因间有162bp序列，有弱化转录的作用称弱化子；trpL123150bp缺失突变体的转录速率高6-8倍。1、弱化子（、弱化子（attenuator）四、弱化子调控（四、弱化子调控（attenuator regulationattenuator regulation）2、弱化子结构、弱化子结构 四、弱化子调控（四、弱化子调控（attenuator regulationattenuator regulation）弱化子有4个区间。1区L5459两个UGG UGG trp密码子；如果3-4区配对因没有碱基游离，转录马上终止；如果2-3区配对，第4区游离，转录缓慢终止。trp 浓度高时,色氨酰-tRNA浓度高，第1区L5459两个trp密码子被占，导致3-4区配对因无游离碱基,转录立即终止。trp浓度低时,色氨酰-tRNA浓度低，很难通过两个trp密码子，导致2-3区配对第4区游离，缓慢转录trp mRNA。4、弱化子调控原理、弱化子调控原理 四、弱化子调控（四、弱化子调控（attenuator regulationattenuator regulation）1、严谨反应严谨反应(stringent response)五、翻译调控（五、翻译调控（translation regulation translation regulation）mRNA空转减少蛋白质翻译量 因氨基酸饥饿，导致mRNA空转，直接减少蛋白质翻译量，称严谨反应，也是严谨反应的调控机理之一。同时，因过多的空载tRNA耗能，使GTP形成GDP，鸟苷四磷酸合成酶(严谨因子)催化GDP变成鸟苷四磷酸(ppGpp)及鸟苷五磷酸(pppGpp)，其浓度从50mol/L急增500mol/L异常的空载反应耗能异常的空载反应耗能GDP形成鸟苷形成鸟苷4磷酸磷酸严谨因子，即鸟苷四磷酸改变RNA聚合酶结构，使rRNA转录量急剧下降,核糖体蛋白失去结合对象,蛋白质合成停止。所以，严谨反应既是mRNA翻译水平调控，又是rRNA转录水平的调控。严谨因子调控 五、翻译调控（五、翻译调控（translation regulation translation regulation）1、严谨反应严谨反应(stringent response)2、偶联翻译、偶联翻译 因基因突变导致邻近基因翻译量也同步减少的现象 trpE突变，使邻近trpD正常基因的生产量也相应减少，其机理是trpE的终止子就是trpD的启动子。trp E trp Dtrp mRNAACUUUCUGAUG GCG trpE结束=trpD开始 苏 苯丙 终止甲硫 苯丙 称偶联翻译 偶联翻译调控来自DNA序列结构，称固定式调控；而严谨反应与DNA序列无关，称非固定式调控 五、翻译调控（五、翻译调控（translation regulation translation regulation）3、自我调控、自我调控 五、翻译调控（五、翻译调控（translation regulation translation regulation）mRNA生产的核糖体蛋白能与rRNA结合不累积时mRNA能正常翻译，但累积时，会阻遏该mRNA翻译。这种mRNA产物阻遏自身翻译，称自我调控。如核糖体蛋白短串联重复操纵子中：rpsL-rpsG-fusA-tufA如果2个核糖体rRNA转录量少于抑癌基因fusA或延伸因子tufA基因量时，fusA mRNA翻译就会被阻断。如果rRNA转录量与fusA或tufA基因翻译量相当时，该 mRNA就能正常翻译。核糖体蛋白与rRNA结合，mRNA能正常翻译核糖体蛋白无rRNA结合而累计，与同源mRNA结合翻译终止1、转录翻译偶合、转录翻译偶合(coupling)原核生物的转录与翻译几乎同步。据研究原核生物单个顺反子mRNA转录速度约14codon/min，翻译速度约15codon/min，转录与翻译几乎同步称转录翻译偶合。RNA聚合酶核糖体蛋白操纵子，包括RNA聚合酶基因与其亚基、核糖体大亚基L10、L7、L12基因同时转录，称该操纵子前体。需经RNase切开，形成核糖体大亚基、RNA聚合酶和mRNA后方才能翻译。2、mRNA加工加工 六、六、RNARNA调控（调控（RNA regulation RNA regulation）3、成熟、成熟RNA前体加工前体加工 E.coli r r n操纵子，一个转录单位中包含有：16s rRNA-2个tRNA-23s rRNA-2个tRNA-5s rRNA，需要将3个rRNA、4个tRNA分别剪切分开后，才有活性，才称为成熟的RNA分子。加工成有活性的成熟分子剪切间隔序列，加工成有活性的成熟RNA分子 RNA都有失活的间隔序列，需剪去后才有活性tRNA3端添臂，加工成有活性的RNA分子 转录的tRNA没有CCA氨基酸臂，需要添加臂端 六、六、RNARNA调控（调控（RNA regulation RNA regulation）4 4、反义、反义RNA(antisense RNA)RNA(antisense RNA)调控调控 六、六、RNARNA调控（调控（RNA regulation RNA regulation）反义RNA是指有意链RNA的互补RNA，能抑制同源RNA翻译。1983年发现：Tn10转座子在IS10R末端有2个启动子，内向顺式启动子Pin指导Tn10转座子合成转座酶，外向反式启动子Pout指导Tn10转座子反义链转录，正反义链转录的RNA有36bp重叠区可以配对，两者高频率配对时转座酶mRNA翻译停止；低频率配对时转座酶mRNA翻译。第第1414章章 原核生物基因的表达调控原核生物基因的表达调控一、作业一、作业 P P348-349348-349 4.9 4.9二、复习题二、复习题（一）名词注释（一）名词注释1.transcriptional control 8.insulator2.inducible regulation 9.trans-acting factor3.lactose operon 10.hormone response element 4.repressible regulation 11.5untranslated region regulation5.attenuator 12.post translation control6.stringent control 13.heterogeneos nucleus RNA7.cis acting element（二）填空（二）填空1、原核生物基因的表达调控以（）和（）调控为主，mRNA加工为辅。2、调节基因生产的阻遏蛋白能与操纵基因结合关闭操纵子，诱导物作用下失去活性不能关闭操纵子的调控类型称为（）调控，因调节基因生产的无活性激活蛋白，在诱导物的作用下形成有活性的复合物操纵子被打开的调控类型称为（）调控。3、调节基因生产的无活性阻遏蛋白，在辅阻物作用下形成有活性的复合物,操纵子被关闭的调控类型称为（）调控，调节基因生产的激活蛋白，在辅阻物作用下失去活性,操纵子被关闭的调控类型称为（）调控。4、因自身生产产物有余，而使无活性阻碍蛋白活化，关闭启动基因，停止该物质转录生产的调控称为()调控。因自身生产产物与相应的tRNA结合，该产物氨酰基tRNA有余，而使mRNA产生内部终止子及茎环结构，停止该物质生产的调控为()调控。5、因某基因突变使邻近基因翻译量也相应减少的现象称为（），导致这种现象的原因是前面基因的终止子就是后面基因的（）。（三）选择填空（三）选择填空1、乳糖操纵子发生组成型突变后不诱导情况下也会表达。下面基因型哪些不是组成型突变。（）a、OCZ+；b、I-Y+；c、I-Y+；d、O+Y-。2、原核生物翻译水平的基因表达调控包括（）。a、严谨反应；b、弱化子调控；c、阻遏调控；d、mRNA加工调控（四）判断题（四）判断题 原核生物结构基因最先转录出来的mRNA前体分子称hnRNA。（）（五）复习题（五）复习题 指出下列每一种部分二倍体是诱导型还是组成型？是否能合成-半乳糖苷酶(斜线左侧是质粒基因型，右侧是染色体基因型)a)lacZ+lacY-/lacZ-lacY+b)lacOClacZ-lacY+/lacZ+lacY-c)lacP-lacZ+/lacOClacZ-d)lacI+lacP-lacZ+/lacI-lacZ+
