第七章 乳糖操纵子

第七章原核基因表达调控主讲人：徐飞武汉生物工程学院生命科学与技术学院本章内容原核基因表达调控的总论乳糖操纵子与负控诱导系统色氨酸操纵子与负控阻遏系统其他操纵子固氮基因调控转录水平上的其他调控方式转录后调控重点重点•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。什么是基因表达与调控？7.1基因表达调控总论面对恶劣环境，适者生存。基因表达调控的生物学意义•适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）•维持个体发育与分化（真核）•了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学功能。基因转录及翻译的过程，从DNA到蛋白质或功能RNA的过程称为基因表达，对这个过程的调节就称为表达调控。注意：rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。（1）基因表达调控的概念同一细胞内，有的基因表达高，有的表达量低，甚至不表达。不同的组织器官，基因表达数目及表达量不同。同一基因在不同组织器官中表达量也不相同。仅少部分基因在不同细胞类型及生长发育时期表达相同，这类基因被称为组成性表达基因，或被称为管家基因。与细胞分化，组织、器官及生物体适应环境所需而表达的基因，被称为适应性表达基因，或被称为奢侈基因。（2）基因表达模式基因水平的调控转录水平的调控转录产物加工的调控翻译水平的调控以及翻译后的加工等转录水平调控转录后水平调控（3）基因的表达调控方式原核生物与真核生物转录及翻译调控的总体特征•原核生物-----营养和环境•真核生物-----激素水平和发育阶段•根据调控机制：7.1.1原核基因表达调控分类负转录调控正转录调控调节基因编码阻遏蛋白，阻止结构基因转录。调节基因编码激活蛋白，促进结构基因转录。正控诱导正控阻遏负控诱导负控阻遏几个重要概念结构基因与调节基因阻遏物、操纵基因与操纵子正调控与负调控诱导与阻遏顺式作用元件与反式作用因子启动子操纵序列多个结构基因终止子调节基因结构基因（structuralgene）编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和RNA的基因。1.结构基因与调节基因启动子操纵序列多个结构基因终止子调节基因RNAPro调节基因（regulatorgene）编码蛋白质或RNA来调节其他基因表达的基因。1.结构基因与调节基因启动子操纵序列多个结构基因终止子调节基因阻遏物（repressor）:阻止基因表达的蛋白质，可与操纵基因结合来阻止转录或结合RNA来阻止蛋白质的翻译。操纵基因（operator）:DNA上的一个位点，阻遏物能与之结合抑制相邻启动子起始转录。操纵子（operon）:细菌基因表达和调控的单位，包括结构基因和能被调控基因产物识别的DNA控制元件。2.阻遏物、操纵基因与操纵子正调控（positivecontrol）:调节基因编码的激活因子通过与启动子元件结合来促进基因的表达。负调控（negativecontrol）:调节基因编码阻抑因子与操纵基因结合来阻止基因的表达。3.正调控与负调控诱导(induction)：通过小分子诱导物参与,使阻抑物失活或活化激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控。阻遏(repression):通过小分子辅阻遏物参与，使激活剂失活或活化阻抑物来实现基因或操纵子不表达的调控。4.诱导与阻遏顺式作用元件（cis-actingelement）:指与结构基因串联的特定DNA序列，包括启动子、增强子、调控序列和可诱导元件等；顺式作用元件要与反式作用因子相互作用而起作用。反式作用因子（trans-actingfactor）:指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质（有时为RNA）。也称转录因子。5.顺式作用元件与反式作用因子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)阻遏蛋白激活蛋白负转录调控没有调节蛋白质存在时基因是的，加入调节蛋白质后基因表达活性便被，为负转录调控。正转录调控没有调节蛋白质存在时基因是（关闭/开启）的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被（关闭/开启），为正转录调控。开启关闭负转录调控分类:负控诱导负控阻碍阻遏蛋白阻止基因转录，与效应物结合后基因表达阻遏蛋白无活性，与效应物结合后阻止基因转录正转录调控分类:正控诱导正控阻碍激活蛋白与效应物结合后激活基因转录激活蛋白与效应物结合后阻遏基因转录基因表达调控4种模型负控诱导正控诱导负控阻遏正控阻遏7.1.2原核生物表达调控的主要特点1、可诱导调节2、可阻遏调节定义：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分解代谢蛋白的基因可诱导调节定义：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：色氨酸操纵子合成代谢蛋白的基因可阻遏调节7.1.3弱化子对基因活性的影响大肠杆菌的色氨酸操纵子和苯丙氨酸操纵子具有这种调节方式。在含葡萄糖和乳糖的培养基上，在葡萄糖没有被利用完之前，乳糖操纵子就一直被阻遏，乳糖不能被利用；直到葡萄糖被利用完后，乳糖操纵子才进行转录，形成利用乳糖的酶。7.1.4降解物对基因活性的调节例如：葡萄糖阻遏或分解代谢产生阻遏作用。葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代谢产物阻遏某些诱导酶体系编码的基因转录的现象。乳糖操纵子具有这种调节方式。基本原理7.1.5细菌的应急反应信号：鸟苷四磷酸ppGpp,会关闭很多基因，同时也会激活一些应急基因。小结•原核基因表达调控的特点•原核基因表达调控的分类•几个重要概念作业：简述基因表达调控的几种方式？7.2乳糖操纵子与负控诱导内容提要：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及其影响因子Lac操纵子中的其他问题操纵子：是原核生物基因表达调控的一种重要组织形式。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。操纵子调控模型1961年，Monod和Jacob提出了操纵子模型学说。获1965年诺贝尔生理学和医学奖MonodandJacob操纵子调控模型的提出乳糖操纵子的结构3个结构基因启动子操纵区调节基因阻遏物Z基因：编码β-半乳糖苷酶。将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。Y基因：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基因：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。结构基因的功能7.2.1酶的诱导——lac体系受调控的证据加入乳糖去掉乳糖小知识1、添加乳糖后，lacmRNA含量快速上升。相反，去掉乳糖后，lacmRNA含量快速下降到几乎无法检测到的水平，表明乳糖能激发lacmRNA的合成。2、在有葡萄糖和乳糖同时存在时，细菌优先利用葡萄糖。安慰诱导物：事实上，研究诱导作用很少直接使用乳糖。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）。β-半乳糖苷酶结合lac阻遏物别乳糖IPTG不是半乳糖苷酶可切割的底物IPTGPIOPLacILacZLacYLacAConstitutiveexpressmRNAGene:OFFNomRNAproductsrepressorLacoperon#37.2.2乳糖操纵子调控模型NegativeregulationoflacoperonPIOPLacILacZLacYLacAConstitutiveexpressmRNAGene:ONmRNAproductβ-GalactosidasePermeaseTransacetylaseIso-lactoseRNApolymeraseIso-lactose乳糖操纵子调控模型特点主要内容：①Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。②mRNA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），不能单独起动合成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。Lac操纵子的起点处的抑制子和RNA聚合酶位点重合RNA聚合酶结合部位阻遏物结合部位④当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。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。lac操纵子影响因子1、lac操纵子的本底水平表达有两个矛盾是操纵子理论不能解释的：①阻遏物在细胞内，诱导物在细胞外。因此，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的存在（Y基因编码）。Laclac操纵子影响因子1、lac操纵子的本底水平表达第二个矛盾：②真正的诱导物是异构乳糖（也称别乳糖）而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶（Z基因编码）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。Lac别乳糖吸收进入细胞培养基中的乳糖在胞内：转化为异构乳糖透过性酶β-半乳糖苷酶鸡-蛋矛盾乳糖操纵子活化，基因表达解释：PIOPLacILacZLacYLacA泄露表达（LeakyExpression）：没有乳糖存在时，阻遏蛋白偶然脱落，使下游结构基因保持本底表达。所以，细胞内含有极少量的基因表达产物。这些产物足以运送少量的外源乳糖进入细胞。当乳糖成为唯一碳源时，起初本底表达的产物使少量的乳糖进入细胞，并被转化成异构乳糖，获得真正的诱导物。异构乳糖诱导下游结构基因高效表达，使基因产物大量合成；导致运送大量的乳糖进入细胞，一方面分解产能，另一方面转化为异构乳糖维持基因的持续表达。RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPRepressorRepressorRNAPol.RNAPol.Great,Icantranscribe!Sometranscriptionoccurs,butataslowrateThislactosehasbentmeoutofshapeLac操纵子阻遏物泄漏表达3、阻遏物lacI基因产物及功能研究表明，LacI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。Lac阻抑物的结构特征NendCendRepressormaintainsthelacoperonintheinactiveconditionbybindingtotheoperator.Theshapeoftherepressorisrepresentedasaseriesofconnecteddomainsasrevealedbyitscrystalstructure4、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。代谢物阻遏效应葡萄糖存在，乳糖不存在的情况RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAPLac操纵子RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstituti