第8章 原核生物基因表达调控

第八章原核生物基因表达调控概述第一节原核生物基因表达调控概述•一、基因表达调控的意义•在一定调节机制控制下，基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等的过程。•大多数基因的表达产物是蛋白质,部分基因如tRNA和rRNA基因表达产物是RNA。•围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都通称为基因表达调控。•在生物体生命活动中并不是所有的基因都同时表达，在生物体代谢过程中所需要的各种酶和蛋白质的基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，在正常情况下是持续表达的，而与生物发育过程有关的基因则要在特定的时间和空间才进行表达。（1）时间特异性或阶段特异性（2）空间特异性或组织细胞特异性1时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporalspecificity)。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。2空间特异性（spatialspecificity）•在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatialspecificity)。•基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。二、原核生物基因表达调控的特点与方式（1）原核生物基因表达调控包括在DNA水平、转录水平、转录后水平和翻译水平，但转录水平的调节是最有效、最经济的方式，也是最主要的调节方式。（2）原核生物基因的表达调控多以操纵子为单位进行，即将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达。（3）基因调控的模式可分成两大类，正调控和负调控，原核生物以负调控为主。转录水平上的调控转录后水平上的调控•操纵子学说1961年，法国巴斯德研究院的FrancoisJacob（雅各布）与JacquesMonod（莫洛）提出，获1965年诺贝尔生理学和医学奖。操纵子(operon)结构基因启动子操纵基因调节基因(promoter)(operator)阻抑蛋白三、原核生物基因表达调控的几个重要概念•结构基因：编码细胞结构和基本代谢活动所必要的RNA和蛋白质的基因。•调节基因：编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。•顺式作用元件（cis-actingelements）:调节基因表达的DNA序列。•反式作用因子（trans-actingfactors）：调节基因表达的蛋白质因子，可直接或间接结合顺式作用元件。•正调控和负调控正调控(positivecontrol)•在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白后基因活性就被开启，这样的调控为正转录调控。调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白调节蛋白负调控（negativecontrol)•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。调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白不转录，基因封闭2020/1/2814•正调控（positiveregulation）•与缺乏调控因子时比较，若调控因子使靶基因的表达水平上升。调控因子称激活蛋白（activator）•正调控可分为：•可诱导的正调控系统调节因子在诱导物的作用下，能与启动子结合开启结构基因的转录。•可阻遏的正调控系统调节因子可与启动子结合，促进结构基因的转录。但当其与辅阻遏物结合后，不能启动结构基因的转录。2020/1/28152020/1/2816•负调控（negativeregulation）与缺乏调控因子时比较，若调控因子使基因的表达水平下降，甚至关闭，调控因子称阻遏蛋白（repressor）•负调控可分为：•可诱导的负调控系统•阻遏蛋白与操纵基因结合，可阻止结构基因的转录，但有诱导物时，它与阻遏蛋白结合从而解除对结构基因转录的抑制。•可阻遏的负调控系统•阻遏蛋白不影响结构基因的转录，但它与辅阻遏物结合后，抑制结构基因的转录。2020/1/2817四、原核生物基因表达调控机制1代谢产物对基因活性的调节一些基因的特殊代谢产物对基因活性的调节具有诱导或阻遏作用。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.如乳糖操纵子，调节分解代谢的操纵子，同时受cAMP-CAP的活性调节2弱化子对基因活性的影响•弱化子：在操纵基因与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列。当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸序列起终止转录信号作用。UUUU……RNA聚合酶•起调节作用的是某种氨酰-tRNA的浓度•弱化子作用机制UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:包含序列1形成发夹结构能力强弱：序列1/2序列2/3序列3/4trp密码子UUUU……5’trpmRNAtrpL1234寡聚U区trpE(a)正常(b)高[Trp]12转录终止34(C)低[Trp]1234转录延伸UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子结构基因前导DNARNA聚合酶2.当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构3降解物对基因活性的调节•葡萄糖效应（降解物抑制作用）是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖类的利用的现象。•降解物对基因活性的调节•葡萄糖通过降低cAMP的含量而抑制基因表达4细菌的应急反应•细菌的应急反应指细菌在恶劣生长环境中关闭tRNA和核糖体形成的能力。•细菌的应急反应的机制应急信号：鸟苷四磷酸（ppGpp）、鸟苷五磷酸（pppGpp）诱导物：空载tRNA焦磷酸转移酶31•DiscoveryofOperon•1940年，Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。JacquesMonod第二节乳糖操纵子2020/1/2832•1951年，Monod与Jacob合作，发现两基因：Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关；I基因：决定细胞对诱导物的反应。•1961年,F.Jacob&J.Monod提出乳糖操纵子学说，此后不断完善。1965年获诺贝尔生理学和医学奖。FrancisJacobJacquesMonod一、乳糖操纵子（lacoperon）的结构与组成调控区阻遏基因启动子控制基因结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAILac操纵子P、O区的重叠乳糖操纵子模型•Z、Y、A基因的产物为一条多顺反子mRNAlacZ：编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。乳糖操纵子的结构基因及其表达产物二、酶的诱导-lac体系受调控的证据在不含乳糖及β-半乳糖苷的培养基中，lac+基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有1～2个酶分子。如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个酶分子。1实验证据HOHHOHOHHHCH2OHHOOHHOOHOCH2CH2OHHOHOHHHOOH别乳糖HOOHHHHOHOHHH＋H2OHHHOOHCH2OHCH2OHHOHCH2OHHOOHHOOOHHHOHH＋OHHHOHHHHOHHOH葡萄糖半乳糖图16-乳糖分解的不同产物2020/1/2840mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因（1）Lac阻遏物的作用---负调控2020/1/2842mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖异乳糖•乳糖操纵子为一个可诱导的负控制系统（2）CAP的正性调节-35-100CAPcAMPORNA聚合酶结合[无葡萄糖:有葡萄糖:cAMPcAMP(促进转录)(不促进转录)•代谢物阻遏效应•研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制lacmRNA的合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应。葡萄糖效应有葡萄糖，cAMP浓度低时AYZOPIRNApolCAPAYZOPICAPRNApolCatabolitegeneactivationproteinsite-10site-35siteCACCCCAGGCTTTACACTTTATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTGAGCGGATAACAATTTCACACCTCATTAGGACTCGATTGAGTGTAATTA5’3’Operonregion20bpRNApolymerasebindingregionorpromoterregionPrimarystructureoflacoperonregulationregion5’TATAAT3’Pribnowbox（3）协调调节•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。•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。mRNA低半乳糖时高半乳糖时葡萄糖低cAMP浓度高葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOOmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因弱启动子控制的组成型合成二、阻遏蛋白的作用机制Helix-turn-helixCoredomain1Coredomain215180360DNAbindingHingeInducerbindingOligomerization图16-阻遏蛋白单体的结构和功能•阻遏蛋白结构具有对称性，是相同亚基构成的四聚体。ActiverepressorcannotbindtoOcmutantoperantorOperonistranscribedandtranslatedlacIOcoperantorβ-半乳糖苷酶透性酶乙酰转移酶图16-7操纵基因发生组成型突变，操纵子组成型表达InactiverepressorlacI－genesythesizesdefectiverepressorthatdoesnotbindtoDNAOperonistranscribedandtranslatedlacI－Operantorβ-半乳糖苷酶透性酶乙酰转移酶图16-lacI发生突变，操纵子组成型表达InactiverepressorlacI－genesythesizesdefectiverepressorthatdoesnotbindtoDNALacI+genesythesizeslacI－Operatorwild-typerepressorwhichbindtooperatorlacI+Inducerdisplaceswild-typerepressorfromoperatorasusual图16-ConstitutivemutationsinthelacIgenearerecessive.第三节色氨酸操纵子•trp操纵子的结构阻遏型操纵子trpAtrpBtrpCtrpEtrpDPtrpOtrp前导序列aTrp阻抑物色氨酸激活RNAtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA色氨酸合成所需的酶trpR一、trp操纵子的阻遏系统•酶阻遏的操纵子模型•辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构基因表达。调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白.........辅阻遏蛋白•tr