第20章 原核生物基因表达调控.ppt

目目 录录Regulation of Gene Expression in Prokaryotes第二十章第二十章原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控目目 录录第一节第一节 原核生物基因表达特点原核生物基因表达特点Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes目目 录录操纵子在研究基因表达的重要性操纵子在研究基因表达的重要性n具有普遍性；具有普遍性；n真核生物研究的借鉴；真核生物研究的借鉴；n开拓了分子识别（开拓了分子识别（molecular recognition)的研究；的研究；n研究成果应用于实践，具有指导意义。研究成果应用于实践，具有指导意义。一、操纵子是原核生物的基因转录单元一、操纵子是原核生物的基因转录单元目目 录录操纵子理论实验依据操纵子理论实验依据n实验模型：细菌的乳糖代谢酶类诱导实验模型：细菌的乳糖代谢酶类诱导n突破点突破点:乳糖阻遏蛋白基因乳糖阻遏蛋白基因lac I的发现的发现nlac I 是组成型表达基因，其突变是组成型表达基因，其突变(lac I-)引起引起管辖的基因族也发生组成型表达管辖的基因族也发生组成型表达n用噬菌体转导方法把野生型用噬菌体转导方法把野生型(lac I+)转入突变转入突变株株(lac I-)，逆转了组成型突变逆转了组成型突变目目 录录操操纵纵子子(operon)是是由由结结构构基基因因及及其其上上游游调调控控序序列列组组成成的的转转录录单单元元，结结构构基基因因转转录录受受调调控控序序列列控制。控制。调调控控序序列列包包括括远远端端的的阻阻遏遏蛋蛋白白(repressor)基基因因I，近近端端的的启启动动子子(promoter,P)和和操操纵纵序序列列(operator,O)。目目 录录 蛋白质因子蛋白质因子特异特异DNA序列序列结构基因结构基因 启动子启动子 操纵序列操纵序列阻遏蛋白基因阻遏蛋白基因(promoter)(operator)目目 录录启动子是启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。聚合酶识别和结合的部位。RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列目目 录录操纵序列是阻遏蛋白的结合位点操纵序列是阻遏蛋白的结合位点当当操操纵纵序序列列结结合合有有阻阻遏遏蛋蛋白白时时，会会阻阻碍碍RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，或或是是RNA聚聚合合酶不能沿酶不能沿DNA向前移动向前移动，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白目目 录录二、原核生物中二、原核生物中mRNA的转录、翻译和的转录、翻译和降解偶联进行降解偶联进行目目 录录 三、三、mRNA所携带的信息差别很大所携带的信息差别很大细菌细菌mRNA所编码的蛋白质数量有很大差异。所编码的蛋白质数量有很大差异。有的有的mRNA只带有一个结构基因的信息（编码一个只带有一个结构基因的信息（编码一个蛋白质），称为蛋白质），称为单顺反子单顺反子mRNA（monocistronic mRNA）；大部分大部分mRNA都是从操纵子转录而成，带有编都是从操纵子转录而成，带有编码几个甚至十几个蛋白质的序列信息，这种码几个甚至十几个蛋白质的序列信息，这种mRNA是从几个首尾相连的结构基因（存在于一个操纵子是从几个首尾相连的结构基因（存在于一个操纵子中）一次转录而成，称为中）一次转录而成，称为多顺反子多顺反子mRNA（polycistronic mRNA）。目目 录录第二节第二节 原核生物基因表达的原核生物基因表达的转录水平调控转录水平调控Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level目目 录录一、转录调控是以特定的一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋序列和蛋白质结构为基础白质结构为基础（一）特定的（一）特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础序列是转录起始调控的结构基础 在基因内和基因外都有一些特定的在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列，与结序列，与结构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合，这些特定的和结合，这些特定的DNA序列称为序列称为顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting elements），亦称为顺式调控元件。在原核生物，亦称为顺式调控元件。在原核生物中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合位点、增强子等。位点、增强子等。目目 录录BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点 目目 录录E.coliE.coli的启动子区的启动子区目目 录录（二）调控蛋白具有结合（二）调控蛋白具有结合DNA所需的结构特征所需的结构特征 基因特异性转录因子基因特异性转录因子（gene specific transcription factors）:能够与顺式作用元件特异性结合、对基因能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质 激活蛋白或正调控蛋白激活蛋白或正调控蛋白:对基因表达有激活作用的对基因表达有激活作用的 蛋白质蛋白质 阻遏蛋白阻遏蛋白:对基因表达有抑制作用的蛋白质对基因表达有抑制作用的蛋白质 目目 录录最常见的最常见的DNA结合域：结合域：1.锌指锌指(zinc finger)C CysH His常结合常结合GC盒盒目目 录录123stand for zinc ion目目 录录 2.螺旋螺旋-回折回折-螺旋（螺旋（helix-turn-helix,HTH）usually binds to CAAT box目目 录录二、特定蛋白质与二、特定蛋白质与DNA结合后控制结合后控制转录起始转录起始（一）一）因子和启动子决定转录是否能够起始因子和启动子决定转录是否能够起始 启动子及其与转录的关系启动子及其与转录的关系 目目 录录（二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起（二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起始进行负调控始进行负调控 阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与DNA结合后，结合后，RNA聚合酶仍有可能与启动子结合，聚合酶仍有可能与启动子结合，但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种作用称为作用称为阻遏（阻遏（repression），特定的信号分子与阻，特定的信号分子与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA 上脱落下来，上脱落下来，称为去阻遏，或称为去阻遏，或脱阻遏（脱阻遏（derepression）。目目 录录 阻阻遏遏蛋蛋白白都都可可以以与与信信号号分分子子结结合合而而发发生生变变构构，在在不不同同构构象象时时，阻阻遏遏蛋蛋白白或或者者与与DNA结结合合，或或者者与与DNA解解离离。在在可可诱诱导导型型操操纵纵子子中中，信信号号分分子子使使阻阻遏遏物物从从DNA释释放放下下来来，解解除除对对转转录录的的抑抑制制作作用用；在在可可阻阻遏遏型型操操纵纵子子中中，信信号号分分子子使使阻阻遏遏物物结结合合DNA，抑抑制制转转录录。在在两两种种情情况况下下，阻阻遏遏蛋蛋白白结结合合于于DNA后后都都是抑制转录，这种类型的基因表达调控称为负调控。是抑制转录，这种类型的基因表达调控称为负调控。目目 录录1.乳糖操纵子是可诱导型操纵子乳糖操纵子是可诱导型操纵子 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动子启动子操纵序列操纵序列 结构基因结构基因z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶y：通透酶通透酶a：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶zyaOPDNAI基因基因乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构目目 录录阻遏基因阻遏基因mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAzyaOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭目目 录录mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAzyaOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶乳糖操纵子被诱导物开放乳糖操纵子被诱导物开放目目 录录 2.色氨酸操纵子是可阻遏操纵子色氨酸操纵子是可阻遏操纵子 合成代谢操纵子由合成产物关闭合成代谢操纵子由合成产物关闭合成代谢操纵子在基础状态下持续开放，合成代谢操纵子在基础状态下持续开放，在产物达到满足需要量时才关闭。在产物达到满足需要量时才关闭。目目 录录分解和合成代谢的操纵子分解和合成代谢的操纵子操纵子操纵子基础状态基础状态调控方式调控方式分解代谢分解代谢关闭关闭由由诱导物诱导物开放开放合成代谢合成代谢开放开放由由阻遏物阻遏物关闭关闭目目 录录Trp Trp 高时高时Trp 低时低时mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子的作用原理色氨酸操纵子的作用原理操纵子关闭操纵子关闭目目 录录（三）激活蛋白结合正调控元件而对转录起（三）激活蛋白结合正调控元件而对转录起始进行正调控始进行正调控1 1正调控蛋白可结合启动子邻近序列进行正调控蛋白可结合启动子邻近序列进行 调控调控 2激活蛋白结合增强子可远距离进行转录激活蛋白结合增强子可远距离进行转录 起始正调控起始正调控目目 录录ntrCntrC蛋白对转录的正调控作用蛋白对转录的正调控作用 目目 录录三、原核基因表达的转录过程可通过三、原核基因表达的转录过程可通过 不同模式进行调控不同模式进行调控（一）去阻遏和正调控机制对转录起始进行（一）去阻遏和正调控机制对转录起始进行 双重调控双重调控1乳糖操纵子受阻遏蛋白（负性调节）和乳糖操纵子受阻遏蛋白（负性调节）和 CAP（正性调节）的协调调节（正性调节）的协调调节目目 录录 乳糖操纵子由乳糖操纵子由cAMP-CAP系统进行正调控系统进行正调控TTTACATATGTTN17N6Alac TTGACA TATAAT共有序列共有序列乳糖操纵子是弱启动子，被乳糖操纵子是弱启动子，被RNA-pol结合后，还需结合后，还需cAMP-CAP（分解代谢物基因活化蛋白）活化（分解代谢物基因活化蛋白）活化目目 录录+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP结合位点结合位点目目 录录mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO无转录无转录无转录无转录低水平转录低水平转录目目 录录2AraC的别构调节使阿拉伯糖操纵子调控更精细的别构调节使阿拉伯糖操纵子调控更精细阿拉伯糖操纵子的转录起始调控阿拉伯糖操纵子的转录起始调控 目目 录录（二）色氨酸操纵子的弱化机制实质是（二）色氨酸操纵子的弱化机制实质是 转录与翻译调控的偶联转录与翻译调控的偶联色色氨氨酸酸操操纵纵子子(trp operon)除除了了产产物物阻阻遏遏负负调调控控外外，还还有有转转录录衰减衰减(attenuation)调控方式。调控方式。衰减是转录衰减是转录-翻译的偶联调控。翻译的偶联调控。目目 录录Trp Trp 高时高时Trp 低时低时mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA聚合酶聚合酶 RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操纵子的作用原理色氨酸操纵子的作用原理目目 录录UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第10、11密码子为密码子为trp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa前导肽编码区前导肽编码区:包含序列包含序列1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱：序列序列1/2序列序列2/3序列序列3/4 trp 密码子密码子 UUUU目目 录录UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA聚合酶聚合酶 终止终止目目 录录UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA聚合酶聚合酶 当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3、4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 前导前导mRNA 目目 录录（三）（三）DNA片段倒位和阻遏蛋白的协同作用片段倒位和阻遏蛋白的协同作用沙沙门门菌菌鞭鞭毛毛素素基基因因的的调调节节 H2鞭毛素鞭毛素 阻遏蛋白阻遏蛋白 Hin重组酶重组酶转位片段转位片段hinH2IH1 H1鞭毛素鞭毛素hinH2IDNA启动序列启动序列H1启动序列启动序列目目 录录原核生物基因原核生物基因表达的翻译水平调控表达的翻译水平调控Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Translation Level 第三节第三节目目 录录一、一、SD序列决定翻译起始效率序列决定翻译起始效率（一）（一）SD序列的碱基序列影响翻译起始的效率序列的碱基序列影响翻译起始的效率（二）（二）SD序列的定位影响翻译起始的效率序列的定位影响翻译起始的效率红霉素甲基化酶红霉素甲基化酶mRNA的翻译调控的翻译调控 目目 录录二、二、mRNA的稳定性的稳定性是决定翻译产物是决定翻译产物量的重要因素量的重要因素原原核核生生物物mRNA分分子子某某些些片片段段，例例如如发发夹夹有有RNase抗性。抗性。细胞内有结合细胞内有结合RNA、使之免受、使之免受RNase降解的保护蛋降解的保护蛋白。白。近近年年发发现现，内内源源或或外外源源的的小小分分子子RNA可可特特异异互互补补结合细胞结合细胞RNA，使其失去功能。，使其失去功能。与减少表达量一样，降低与减少表达量一样，降低mRNA稳定性也是稳定性也是基因表达调控方式基因表达调控方式目目 录录三、翻译产物可对翻译过程产生反馈三、翻译产物可对翻译过程产生反馈 调节效应调节效应n核糖体蛋白控制多顺反子核糖体蛋白控制多顺反子mRNA的翻译的翻译n翻译终止因子翻译终止因子RF-2调节自身的翻译调节自身的翻译 目目 录录核糖体蛋白与核糖体蛋白与rRNA 合成是互相协调的合成是互相协调的原原 核核 生生 物物 的的 16S rRNA与与 21种种 核核 糖糖 体体 蛋蛋 白白(ribosomal proteins)，简简称称r-蛋蛋白白，组组成成核核糖糖体体小小亚亚基基；5S和和23S rRNA与与31种种r-蛋蛋白白组组成成大大亚亚基基。大、小亚基在翻译起始组合为大、小亚基在翻译起始组合为70S核糖体。核糖体。蛋蛋白白质质合合成成是是生生存存的的最最基基本本需需要要，细细胞胞必必然然要要严严格控制格控制rRNA和和r-蛋白的比例。蛋白的比例。目目 录录核糖体蛋白基因与核糖体蛋白基因与RNA pol 亚基基因的多顺反子亚基基因的多顺反子操纵子操纵子基因簇基因簇表达产物表达产物rif(rpoBC)rpL-K-A-J-L-rpoB-rpoCL-11-1-10-12-RNApol-rpoArpsM-K-D-rpoA-rpL-QS13-11-4-RNApol-O-L-17spcrpL-N-X-E-rpsN-H-rpL-F-R-rpsE-rpL-D-OL14-24-5-S14-8-L6-18-S-5-L-30-15r-蛋白基因在各个操纵子上转录为多顺反子蛋白基因在各个操纵子上转录为多顺反子目目 录录这类操纵子有转录这类操纵子有转录-翻译偶联调控现象，称为翻译偶联调控现象，称为自我调节（自我调节（autogenous control）。目目 录录四、小分子反义四、小分子反义RNA参与调节蛋白质合成参与调节蛋白质合成（一）小分子（一）小分子RNA参与基因表达产物类型转参与基因表达产物类型转 换的调控换的调控（二）（二）小分子小分子RNA参与维持极低水平的基因参与维持极低水平的基因 表达表达目目 录录 大肠杆菌渗透压调节中大肠杆菌渗透压调节中mic RNA的调节作用的调节作用目目 录录小分子小分子RNA 在翻译水平的调控作用在翻译水平的调控作用 目目 录录第四节第四节Lambda 噬菌体的基因表达调控噬菌体的基因表达调控Regulation of gene expression in Lambda phage目目 录录一、一、Lambda 噬菌体调控区段的表达产物噬菌体调控区段的表达产物与生活周期有关与生活周期有关 噬菌体噬菌体的生活史的生活史溶菌生长途径溶菌生长途径(lysis pathway)溶原菌生长途径溶原菌生长途径(lysogenic pathway)目目 录录Lambda 噬菌体的溶原和裂解生活周期噬菌体的溶原和裂解生活周期 目目 录录 Lambda 噬菌体的基因结构和调控区域噬菌体的基因结构和调控区域目目 录录二、二、cI 基因表达的阻遏蛋白封闭大部分基因表达的阻遏蛋白封闭大部分基因使基因使进入溶原周期进入溶原周期的转录按先后分的转录按先后分即刻早期即刻早期(immediate early)，晚早期晚早期(delay early)和晚期和晚期(late)，三期的表达依次，三期的表达依次连续相互制约连续相互制约。前两期转录是双向的。晚期转录单向，在环前两期转录是双向的。晚期转录单向，在环状基因组从状基因组从R沿环到沿环到A-J结构区，和向左到达重组结构区，和向左到达重组区的晚早期转录汇合，完成一个转录周期。表达区的晚早期转录汇合，完成一个转录周期。表达产物供溶菌周期装配感染型噬菌体。产物供溶菌周期装配感染型噬菌体。目目 录录调控的主要关键在阻遏蛋白基因调控的主要关键在阻遏蛋白基因cI cI两两侧侧启启动动子子受受宿宿主主RNA pol催催化化向向左左转转录录出出12S RNA，翻翻译译为为抗抗终终止止蛋蛋白白N；向向右右转转录录出出7SRNA，翻译为翻译为Cro蛋白。蛋白。Cro蛋白有封闭阻遏蛋白基因的作用。蛋白有封闭阻遏蛋白基因的作用。N蛋蛋白白在在nut位位点点帮帮助助RNA pol越越过过左左、右右终终止止点点tR和和tL，进行晚早转录，并继续完成晚期转录。，进行晚早转录，并继续完成晚期转录。晚期转录之前，还受另一抗终止蛋白晚期转录之前，还受另一抗终止蛋白Q的活化。的活化。这些都是完成溶菌作用的必须条件这些都是完成溶菌作用的必须条件目目 录录首先是首先是c的表达，的表达，C开启开启cI。cI 表达的阻遏蛋白结合左、表达的阻遏蛋白结合左、右操纵序列右操纵序列OL和和OR。E.coli的的RNA pol 结合结合PR后不能向右转录，无法完成晚早和后不能向右转录，无法完成晚早和晚期表达，没有结构蛋白的生成。晚期表达，没有结构蛋白的生成。PL的启动活性比的启动活性比PR强，可使重组区表达，产物分别有附加强，可使重组区表达，产物分别有附加（att）、整合（）、整合（int）和切割（）和切割（xis）作用。）作用。完成整合后，完成整合后，CIII 维持维持cII 活性，活性，C开启开启cI。cI单独表达，产生的阻遏蛋白封闭启动子，进入溶原状态。单独表达，产生的阻遏蛋白封闭启动子，进入溶原状态。溶原状态的建立：溶原状态的建立：目目 录录 Lambda 溶菌和溶原建立的调控溶菌和溶原建立的调控溶菌溶菌溶原溶原