分子遺傳學(xué)第四章原核生物基因的表達(dá)調(diào)控.ppt

第四章 原核生物基因的表達(dá)和調(diào)控,操縱子(operon),有原核生物中，由幾個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇排列而組成的一個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同單位（coordinated unite），稱為操縱子(operon) 。,1.乳糖操縱子（lac operon）,3.色氨酸操縱子（trp operon）,2.阿拉伯糖操縱子（ara operon）,1.乳糖操縱子（lac operon）,結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 三個(gè)結(jié)構(gòu)基因Z、Y、A，分別編碼-半乳糖苷酶(-galactosidase)、透酶(permease)和半乳糖苷乙?；?galactoside acetylase) 其上游還有一個(gè)啟動(dòng)子（P）和一個(gè)操縱基因（O） 啟動(dòng)子上游還有一個(gè)CAP蛋白結(jié)合位點(diǎn),Organization of Lac Operon and LacI,promoter,Regulation of Gene Expression,（異丙基硫代半乳糖苷）,半乳糖,CAP Binding Bends DNAv,This DNA bending results in more efficient RNA polymerase binding,CAP mediates glucose repression of Lac,Promotes transcription,調(diào)控機(jī)制,I基因編碼產(chǎn)生阻遏蛋白，阻遏蛋白為四聚體，在沒(méi)有乳糖的條件下，阻遏基因與操縱基因結(jié)合。當(dāng)有乳糖存在時(shí)，經(jīng)透酶作用進(jìn)入細(xì)胞，在-半乳糖苷酶催化下轉(zhuǎn)變成半乳糖，后者作為誘導(dǎo)劑（inducer）與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白與操縱基因解聚，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。,Lactose Glucose,- +,- -,+ -,+ +,LacI,CAP-cAMP,Four States of the Lac Operon,E.coli的乳糖操縱子是原核生物基因表達(dá)調(diào)控的典型例子. 1、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu) 大腸桿菌的乳糖操縱子含Z、Y及A三個(gè)結(jié)構(gòu)基因，分別編碼-半乳糖苷酶、透酶、乙?；D(zhuǎn)移酶，此外還有一個(gè)操縱序列O、一個(gè)啟動(dòng)序列P及一個(gè)調(diào)節(jié)基因。基因編碼一種阻遏蛋白，后者與O序列結(jié)合，使操縱子受阻遏而處于轉(zhuǎn)錄失活狀態(tài)。在啟動(dòng)序列P上游還有一個(gè)分解（代謝）物基因激活蛋白CAP結(jié)合位點(diǎn)，由P序列、O序列和CAP結(jié)合位點(diǎn)共同構(gòu)成LAC操縱子的調(diào)控區(qū)，三個(gè)酶的編碼基因即由同一調(diào)控區(qū)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)基因產(chǎn)物的協(xié)調(diào)表達(dá)。 2、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié) 在沒(méi)有乳糖存在時(shí)，乳糖操縱子處于阻遏狀態(tài)。此時(shí)，基因列在P啟動(dòng)序列操縱下表達(dá)的乳糖阻遏蛋白與O序列結(jié)合，故阻斷轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)。阻遏蛋白的阻遏作用并非絕對(duì)，偶有阻遏蛋白與O序列解聚。因此，每個(gè)細(xì)胞中可能會(huì)有寥寥數(shù)分子半乳糖苷酶、透酶生成。 當(dāng)有乳糖存在時(shí)，乳糖操縱子即可被誘導(dǎo)。真正的誘導(dǎo)劑并非乳糖本身。乳糖經(jīng)透酶催化、轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞，再經(jīng)原先存在于細(xì)胞中的少數(shù) -半乳糖苷酶催化，轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖。后者作為一種誘導(dǎo)劑分子結(jié)合阻遏蛋白，使蛋白構(gòu)型變化，導(dǎo)致阻遏蛋白與O序列解離、發(fā)生轉(zhuǎn)錄，使-半乳糖苷酶分子增加 1000倍。,3、CAP的正性調(diào)節(jié) 分解代謝物基因激活蛋白 CAP是同二聚體，在其分子內(nèi)有DNA結(jié)合區(qū)及cAMP結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)沒(méi)有葡萄糖及cAMP濃度較高時(shí)，cAMP與CAP結(jié)合，這時(shí)CAP結(jié)合在乳糖啟動(dòng)序列附近的CAP位點(diǎn)，可刺激RNA轉(zhuǎn)錄活性，使之提高50倍；當(dāng)葡萄糖存在時(shí)，cAMP濃度降低，cAMP與CAP結(jié)合受阻，因此乳糖操縱子表達(dá)下降。 由此可見，對(duì)乳糖操縱子來(lái)說(shuō) CAP是正性調(diào)節(jié)因素，乳糖阻遏蛋白是負(fù)性調(diào)節(jié)因素。兩種調(diào)節(jié)機(jī)制根據(jù)存在的碳源性質(zhì)及水平協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)乳糖操縱子的表達(dá)。 4、對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)制的解釋 大腸桿菌根據(jù)碳源性質(zhì)選擇代謝方式。 倘若有葡萄糖存在時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先選擇葡萄糖供應(yīng)能量。葡萄糖通過(guò)降低 cAMP濃度，阻礙cAMP與CAP結(jié)合而抑制乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄，使細(xì)菌只能利用葡萄糖。 在沒(méi)有葡萄糖而只有乳糖的條件下，阻遏蛋白與 O序列解聚，CAP結(jié)合cAMP后與乳糖操縱子的CAP位點(diǎn)，激活轉(zhuǎn)錄，使得細(xì)菌利用乳糖作為能量來(lái)源。,2.阿拉伯糖操縱子（ara operon）,結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)基因 B、A、D，分別編碼異構(gòu)酶（isomerase）、激酶（kinase）、表位酶（epimerase），催化阿拉伯糖轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸木酮糖 調(diào)控區(qū) 由啟動(dòng)子（P）、起始區(qū)（I）和操縱基因（O）構(gòu)成,CAP,調(diào)控機(jī)制,C基因是調(diào)節(jié)基因，編碼調(diào)控蛋白AraC， AraC蛋白單獨(dú)存在時(shí)，結(jié)合到araO1和araO2，表現(xiàn)出負(fù)調(diào)控；阿拉伯糖使AraC蛋白變構(gòu)，結(jié)合到araI上，表現(xiàn)正調(diào)控。在ara操縱子基因表達(dá)調(diào)控中，CAP蛋白的調(diào)控作用不顯著。,The Arabinose Operon,This loop prevents RNA transcription,No Arabinose present, operon OFF,Arabinose present, Glucose absent, operon ON,調(diào)控作用,有葡萄糖，有或無(wú)阿拉伯糖：關(guān)閉 無(wú)葡萄糖，無(wú)阿拉伯糖：關(guān)閉 無(wú)葡萄糖，有阿拉伯糖：開放,3.色氨酸操縱子（trp operon）,結(jié)構(gòu)特點(diǎn) E.coli的色氨酸操縱子有五個(gè)結(jié)構(gòu)基因E、D、C、B、A基因編碼三種酶，用于合成色氨酸， 上游調(diào)控區(qū)由啟動(dòng)子（P）和操縱基因（O）組成 R基因編碼阻遏蛋白,色氨酸的合成分5步完成。每個(gè)環(huán)節(jié)需要一種酶，編碼這5種酶的基因緊密連鎖在一起，被轉(zhuǎn)錄在一條多順?lè)醋觤RNA上，分別以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表，編碼了鄰氨基苯甲酸合成酶、鄰氨基苯甲酸焦磷酸轉(zhuǎn)移酶、鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油-3-磷酶合成酶。,調(diào)控機(jī)制,阻遏型機(jī)制及衰減機(jī)制。衰減子位于結(jié)構(gòu)基因E和操縱基因O之間的L基因中。L基因的部分轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物編碼14個(gè)氨基酸，其中含兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子，這兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子及原核生物中轉(zhuǎn)錄和翻譯的偶聯(lián)是產(chǎn)生衰減的基礎(chǔ)。 調(diào)控作用 將環(huán)境中的色氨酸消耗完，然后