第五章 原核生物基因表达调控

第五章原核基因表达调控模式蛋白质合成的类型：永久型：是指蛋白质的合成不受环境变化或代谢状态的影响，始终维持在恒定水平。适应型或调节型：是指蛋白质的合成速度明显地受环境的影响。2020/9/212第一节原核生物基因表达调控的概述第二节乳糖操纵子与负控诱导系统第三节色氨酸操纵子与负控阻遏系统第四节其它操纵子第五节转录后的调控2020/9/213第一节原核生物基因表达调控的概述基因表达（geneexpression)：是指DNA分子所承载的遗传信息，通过密码子—反密码子系统，转变成蛋白质或功能RNA分子的过程，称为基因表达。基因表达调控（generegulationorgenecontrol):是指对基因表达过程的调节。2020/9/214基因表达调控主要表现在以下几个方面：1、转录水平上的调控（transcriptionalregulation);2、mRNA加工成熟水平上的调控（differentialprocessingofRNAtranscription);3、翻译水平上的调控（differentialtranslationofmRNA)2020/9/215基因调控的指挥系统：原核生物营养水平（nutritionalstatus)环境因素(environmentalfactors)真核生物激素水平（hormonelevel)发育阶段（developmentalstage)2020/9/216一、原核基因调控机制的类型与特点根据调控机制的不同：正转录调控（positivetranscriptionregulation）：调节基因的产物是激活蛋白（activator），起着提高结构基因转录水平的作用。负转录调控（negativetranscriptionregulation）：调节基因的产物是阻遏蛋白（reppressor），起着阻止结构基因转录的作用。2020/9/217根据作用特征：诱导（induction）：调节因子与效应物结合后，开启基因的转录活性称为诱导（induction）；阻遏（repression）：调节因子与效应物结合后，关闭基因的转录活性称为阻遏（repression）。2020/9/2182020/9/2192020/9/2110调节基因产物调节基因产物与效应物结合基因表达基因不表达阻遏蛋白负控诱导系统负控阻遏系统激活蛋白正控诱导系统正控阻遏系统2020/9/21111、特殊代谢物对基因活性的调节可诱导调节：是指一些基因在某些代谢物的诱导下使其活化，由原来的关闭状态转变为开放状态。如：大肠杆菌的乳糖操纵子可阻遏调节：是指一些基因由于某些代谢物的积累，而使其由原来的开放状态转变为关闭状态。如：色氨酸操纵子二、原核基因调节的主要特点2020/9/2112无诱导物时，基因关闭诱导物开启基因可诱导的操纵子：是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因；2020/9/2113可阻遏的操纵子：是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质。2020/9/21142、弱化子对基因活性的调节弱化子(attenuator)：是指起转录终止信号的一段核苷酸序列。trp操纵子mRNA前导序列结构2020/9/2115细胞中某一氨基酸的浓度发生改变氨酰–tRNA的浓度变化核糖体在转录产物RNA上的结合位置不同，使得RNA形成特定的二级结构由RNA的二级结构判断基因能否继续转录调节机理：2020/9/2116色氨酸含量和核糖体位置对弱化子结构的影响当色氨酸充足时，前导序列的合成正常进行，核糖体占据1区和部分2区，2、3不能有效配对；3、4配对形成终止子的发卡结构，转录终止。Trp+转录终止2020/9/2117当缺乏色氨酸时，翻译在双色氨酸密码子处中止；核糖体仅占据1区，2、3区配对；3、4区不能形成发卡结构，转录继续。Trp-转录继续2020/9/2118前导区的转录无色氨酸时，转录可持续进行有色氨酸存在时，转录在弱化子区域终止2020/9/21193、降解物对基因活性的调节葡萄糖效应或降解物抑制作用：细菌培养基中在葡萄糖存在的情况下，即使加入乳糖、半乳糖等诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性导致环腺苷酸的合成减少环腺苷酸代谢物激活蛋白复合物复合物结合在启动子区域是乳糖、半乳糖等糖类mRNA转录所必需的。2020/9/21204、细菌的应急反应是指细菌在供给物全面匮乏的情况下，难以找到代用物，所作出的一种反应，帮助细菌渡过难关。应急反应的机理：空载的tRNA激活焦磷酸转移酶鸟苷四磷酸ppGpp鸟苷五磷酸pppGpp关闭一些基因打开一些基因2020/9/21211、原核基因调控机制的类型与特点正转录调控负转录调控诱导阻遏2、原核基因调节的主要特点a、特殊代谢物对基因表达的调节b、弱化子对基因活性的调节c、降解物对基因活性的调节d、细菌的应急反应小结2020/9/2122β-半乳糖苷酶透过酶转乙酰酶阻遏物第二节乳糖操纵子与负控诱导系统2020/9/2123阻遏蛋白基因（I）属于组成型合成的。因此，lac操纵子通常是处于关闭状态的。lac操纵子的结构阻遏蛋白基因（I）启动区（P）操纵区（O）CAP-cAMP结合部位三个结构基因ZYA2020/9/2124一、酶的诱导——lac体系受调控的证据E.coli在不含乳糖的培养基生长时，β-半乳糖苷酶含量极低；当加入乳糖或半乳糖后，则迅速升高。两种含硫的乳糖类似物：异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）巯甲基半乳糖苷（TMG）2020/9/2125诱导物（inducer）：如果某物质能促使细胞产生一特定的酶，该物质就叫做诱导物；安慰诱导物（gratuitousinducers）：可诱导酶的合成，但不被所诱导的酶降解的物质称为安慰诱导物。IPTG（异丙基巯基半乳糖苷）是lac基因的安慰诱导物。辅阻遏物（corepressor）如果某物质能阻止细胞产生一特定的酶，该物质就叫做辅阻遏物。2020/9/2126二、乳糖操纵子的模型及其影响因子操纵子模型：一个或几个结构基因与一个调节基因、一个操纵区组成一个操纵单元。这个单元称为操纵子（operon）。β-半乳糖苷酶透过酶转乙酰酶阻遏物2020/9/2127操纵区位于启动子与结构基因之间，与启动子部分重叠，阻遏物结合于操作区时，即阻止RNA聚合酶起始转录。2020/9/2128乳糖操纵子控制模型的主要内容：②操纵区位于启动子与结构基因之间，不能单独起始结构基因的表达；③操纵区是一小段DNA序列，是阻遏物结合位点；④操纵区与启动子部分重叠，当阻遏物与操纵区结合时，即阻止RNA聚合酶起始转录；⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区结合，从而激发mRNA的合成。①一条多顺反子mRNA编码Z、Y、A基因；2020/9/21292020/9/2130调节基因阻遏蛋白产生结合操纵区相邻启动区乳糖操纵子中调节基因的作用过程：乳糖操纵子中诱导物的作用机理：诱导物作用的对象是阻遏蛋白。阻碍RNA聚合酶与启动子区的正常结合结构基因转录成mRNA并合成蛋白质抑制2020/9/2131（一）、lac操纵子的本底水平表达诱导物的形成需要有β-半乳糖苷酶的存在；诱导物作用需要跨膜，跨膜需要透过酶的存在；透过酶的产生又需要诱导物的存在；β-半乳糖苷酶的产生又需要诱导物的存在；在非诱导的状态下仍有少量的lacmRNA合成，这种合成被称为本底水平的组成型合成（backgroundlevelconstitutivesynthesis)。2020/9/2132（二）、大肠杆菌对乳糖的反应乳糖本底水平透过酶进入细菌细胞结合阻遏蛋白阻遏蛋白失活，β-半乳糖苷酶和透过酶表达细胞吸收大量乳糖去向葡萄糖半乳糖异构乳糖结合阻遏蛋白当阻遏蛋白的浓度超过异构乳糖的浓度，细胞重新建立阻遏状态，导致lacmRNA的合成被抑制。本底水平β-半乳糖苷酶葡萄糖-1,6-半乳糖诱导物2020/9/2133（三）、阻遏物lacI基因产物及功能Lac操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的，该阻遏蛋白具有4个相同的亚基，每个亚基均含347个氨基酸残基。lacI基因为组成型，通过启动子的上升突变体可获得较多的阻遏蛋白；β-半乳糖苷酶透过酶转乙酰酶阻遏物2020/9/2134调节基因lacI的突变也可导致乳糖操纵子基因的组成型表达。2020/9/2135操纵区lacO的突变（lacOc）可导致乳糖操纵子基因的组成型表达。2020/9/2136（四）、葡萄糖对lac操纵子的影响在葡萄糖存在时，E.coli优先利用葡萄糖；此时即使培养基中含有乳糖，乳糖操纵子蛋白仍然含量很低。这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的，这种效应称为降解物抑制（cataboliterepression）。2020/9/2137葡萄糖葡萄糖-6-磷酸甘油某些代谢产物抑制活性腺苷酸环化酶ATPcAMPCrp基因编码代谢物激活蛋白CAPcAMP-CAP葡萄糖对其它糖的代谢抑制，是通过对cAMP的抑制完成的。（五）、cAMP与代谢物激活蛋白2020/9/2138代谢物活化蛋白：CAP（Catabolitegeneactivatorprotein；cAMPreceptorprotein）是一些启动子起始转录必需的正调控因子。CAP只有与cAMP结合后才能与其结合区域结合。2020/9/2139CAP的结合部位CAP结合部位不太固定，方向也可以不同。半乳糖操纵子乳糖操纵子阿拉伯糖操纵子2020/9/2140三、lacoperon的其它问题lacoperon的功能是在正负两个调控体系的协调作用下实现的。阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用（葡萄糖和乳糖都不存在）；如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从operator上解聚仍无转录活性（葡萄糖和乳糖同时存在的情况下）；CAP组成型合成，所以cAMP－CAP复合物取决于cAMP含量;2020/9/2141腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，因此cAMP－CAP调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶;降解物敏感型操纵元：只要有葡萄糖存在，这些操纵元就不表达。2020/9/21422.A基因及其生理功能编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒。所以lacA虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累。2020/9/21433.lac基因产物数量，1：0.5：0.2不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上的调节。方式有二:核糖体脱离:多顺反子的差别性翻译;内切酶作用:在lacmRNA分子内部，a基因比z基因更易受内切酶作用.2020/9/21442020/9/2145生物细胞中的氨基酸合成，也受操纵元的调节。细胞需要某种氨基酸时，其基因即表达，不需要时基因关闭，达到经济的原则。第三节色氨酸操纵子与负控阻遏系统2020/9/2146trp操纵子的组成邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸合成酶邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶2020/9/2147trpR,阻遏蛋白P，-40~+18O,-21~+1L,+1~+162结构基因一、trp操纵子的结构大肠肝菌中的trp操纵子2020/9/2148trp操纵子的结构操纵区启动子区（P）操纵子（O）弱化子区（a）结构基因E:邻氨基苯甲酸合成酶（与G基因为融合基因）C:吲哚甘油磷酸合成酶B:色氨酸合成酶α亚基D:邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶A:色氨酸合成酶β亚基前导区(L)2020/9/2149二、Trpoperon的阻遏系统1、TrpR四聚体2020/9/2150阻遏蛋白＋trp→有活性的阻遏物＋trpO→不转录2020/9/21512、阻遏蛋白的结合位点trpO-21~+1，反向重复序列trpP-40~+18活性阻遏物与trpO的结合，RNApol与启动子的结合发生竞争。2020/9/21523、阻遏系统主管转