第九章 微生物基因表達(dá)的調(diào)控.ppt

第九章微生物基因表達(dá)的調(diào)控 概述 Introduction 基因表達(dá) geneexpression 基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程 生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息 經(jīng)過轉(zhuǎn)錄 翻譯等一系列過程 合成具有特定的生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)的蛋白質(zhì)的全過程 中心法則 thecentraldogma 基因表達(dá)是受調(diào)控的 不是所有的基因表達(dá)都產(chǎn)生蛋白質(zhì) rRNA或tRNA的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工產(chǎn)生成熟的rRNA或tRNA 也是rRNA或tRNA的基因表達(dá) 因?yàn)閞RNA或tRNA就具有在蛋白質(zhì)翻譯方面的功能 但是 基因表達(dá) 轉(zhuǎn)錄 翻譯 大腸桿菌基因組 約4000個(gè)基因 一般情況下只有5 10 在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài) 其它基因有的處于較低水平的表達(dá) 或者暫時(shí)不表達(dá) 人的基因組約含有10萬個(gè)基因 但在一個(gè)組織細(xì)胞中通常只有一部分基因表達(dá) 多數(shù)基因處在沉靜狀態(tài) 典型的哺乳類細(xì)胞中開放轉(zhuǎn)錄的基因約在1萬個(gè)上下 即使蛋白質(zhì)合成量比較多 基因開放比例較高的肝細(xì)胞 一般也只有不超過20 的基因處于表達(dá)狀態(tài) 生物基因組的遺傳信息并不是同時(shí)全部都表達(dá)出來的 基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性 temporalandspatialspecificity 時(shí)間特異性 temporalspecificity 某一基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生Hb hemoglobin 珠蛋白基因簇 胚胎型 珠蛋白基因簇 胚胎型 胎兒型 2 2 2 2 2 2 空間特異性 spatialspecificity 在個(gè)體生長全過程 某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)同形異位現(xiàn)象 homeosis 果蠅頭部長觸角部位長出腳來同形異位盒基因 homeobox 高度保守的一段核苷酸序列 180bp 控制胚胎發(fā)育的基因 基因表達(dá)的方式 1 組成性基因表達(dá) constitutivegeneexpression 指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達(dá) 管家基因與奢侈基因產(chǎn)物是細(xì)胞或生物體整個(gè)生命過程中都持續(xù)需要而必不可少的 這類基因也稱為看家基因 house keepinggene 管家基因 在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因 奢侈基因 luxurygene 只在特定的細(xì)胞類型中表達(dá)的基因 基因表達(dá)的方式 2 適應(yīng)性表達(dá) adaptiveexpression 指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動的一類基因表達(dá) 誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo) induction 可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境信號刺激下表達(dá)增強(qiáng)的過程 DNA損傷 修復(fù)酶基因激活乳糖 利用乳糖的三種酶表達(dá)阻遏 repression 可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過程色氨酸 色氨酸合成酶系 基因表達(dá)的方式 3 協(xié)調(diào)表達(dá)協(xié)調(diào)表達(dá)在一定機(jī)制控制下 功能上相關(guān)的一組基因 無論其為何種表達(dá)方式 均需協(xié)調(diào)一致 共同表達(dá) 即為協(xié)調(diào)表達(dá) coordinateexpression 基因表達(dá)的調(diào)控方式 阻遏負(fù)調(diào)控 調(diào)控蛋白 DNA序列基因的表達(dá) 相應(yīng)蛋白質(zhì)降低 促進(jìn)正調(diào)控 調(diào)控蛋白 DNA序列基因的表達(dá) 相應(yīng)蛋白質(zhì)增加 五 基因表達(dá)調(diào)控的基本原理 基因表達(dá)的多級調(diào)控 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控transcriptionallevel 轉(zhuǎn)錄激活 轉(zhuǎn)錄起始 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控post transcriptionallevel 轉(zhuǎn)錄后加工 運(yùn)輸 mRNA降解 翻譯水平的調(diào)控translationlevel 翻譯的起始 翻譯后水平的調(diào)控post translationlevel翻譯后的加工 轉(zhuǎn)運(yùn) 多肽鏈的分解 基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義適應(yīng)環(huán)境 維持生長和增殖維持個(gè)體發(fā)育與分化 原核生物中 營養(yǎng)狀況 nutritionalstatus 和環(huán)境因素 environmentalfactor 對基因表達(dá)起著舉足輕重的影響 真核生物尤其是高等真核生物中 激素水平 hormonelevel 和發(fā)育階段 developmentalstage 是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段 營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降 在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達(dá)的調(diào)控決定于DNA的結(jié)構(gòu) RNA聚合酶的功能 蛋白因子及其他小分子配基的相互作用 原核生物基因表達(dá)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平 其次是翻譯水平 因?yàn)榧?xì)菌mRNA在形成過程中與核糖體混合在一起 所以 細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄與翻譯過程幾乎發(fā)生在同一時(shí)間間隔內(nèi) 轉(zhuǎn)錄與翻譯相耦聯(lián) coupledtranscriptionandtranslation 真核生物中 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物 primarytranscript 只有從核內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)到核外 才能被核糖體翻譯成蛋白質(zhì) 原核生物的共有序列原核生物的啟動序列 在距離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) 10區(qū)和 35區(qū)往往含有一些重要的保守序列 共有序列 10區(qū) 含TATAAT序列 又稱Pribnow盒 35區(qū) 含TTGACA序列 RNA聚合酶結(jié)合部位決定轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) 共有序列 consensussequence 決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小 某些特異因子 蛋白質(zhì) 決定RNA聚合酶對一個(gè)或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力 阻遏蛋白 repressor 的結(jié)合位點(diǎn) 當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí) 會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合 或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動 阻礙轉(zhuǎn)錄 操縱序列 可結(jié)合啟動序列鄰近的DNA序列 促進(jìn)RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合 增強(qiáng)RNA聚合酶活性 激活蛋白 activator 有些基因在沒有激活蛋白存在時(shí) RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動序列 操縱子模型的提出 莫洛 Monod 和雅各布 Jacob 獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎 第一節(jié)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 controloftranscription 操縱子 operon 原核生物中幾個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列組成的一個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同單位 DNA序列 一個(gè)操縱子 編碼序列 2 6 啟動序列 操縱序列 其他調(diào)節(jié)序列 DiscoveryofOperon 1940年 Monod發(fā)現(xiàn) 細(xì)菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時(shí) 細(xì)菌先利用葡萄糖 葡萄糖用完后 才利用乳糖 在糖源轉(zhuǎn)變期 細(xì)菌的生長會出現(xiàn)停頓 即產(chǎn)生 二次生長曲線 文獻(xiàn) 細(xì)胞中存在兩種酶 即組成酶與適應(yīng)酶 誘導(dǎo)酶 1947年 報(bào)告 酶的適應(yīng)現(xiàn)象及其在細(xì)胞分化中的意義 1951年 Monod與Jacob合作 發(fā)現(xiàn)兩對基因 Z基因 與合成 半乳糖苷酶有關(guān) I基因 決定細(xì)胞對誘導(dǎo)物的反應(yīng) Szilard I基因決定阻遏物的合成 當(dāng)阻遏物存在時(shí) 酶無法合成 只有有誘導(dǎo)物存在 才能去掉該阻遏物 Jacob 結(jié)構(gòu)基因旁有開關(guān)基因 即操縱基因 阻遏物通過與開關(guān)基因的結(jié)合 控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá) 乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn) 細(xì)菌以葡萄糖為能量來源葡萄糖充分時(shí) 與葡萄糖代謝有關(guān)的酶基因 表達(dá)與其他糖代謝有關(guān)的酶基因 關(guān)閉葡萄糖耗盡時(shí) 乳糖存在 培養(yǎng)基 與乳糖代謝有關(guān)的酶基因 表達(dá)與葡萄糖代謝有關(guān)的酶基因 關(guān)閉 I P O Z Y a 調(diào)控基因控制位點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因 DNA 阻遏蛋白 啟動序列 cAMP CAP結(jié)合位點(diǎn) 操縱序列 半乳糖苷酶 通透酶 乙?；D(zhuǎn)移酶 乳糖操縱子 lactoseopron 結(jié)構(gòu) RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn) 沒有乳糖存在時(shí) 阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié) 有乳糖存在時(shí) 無葡萄糖 cAMP濃度高時(shí) 有葡萄糖 cAMP濃度低時(shí) CAP的正性調(diào)節(jié) CAP 分解物基因激活物蛋白 可促進(jìn)乳糖利用 但須與cAMP結(jié)合才有活性 阻遏基因轉(zhuǎn)錄翻譯阻遏蛋白R R與操縱基因結(jié)合 阻止結(jié)合在啟動子上的DDRP前移 結(jié)構(gòu)基因不被轉(zhuǎn)錄 1 無乳糖也無葡萄糖存在時(shí) 2 當(dāng)無乳糖 有葡萄糖時(shí) 由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活 乳糖操縱子關(guān)閉 另外 由于有葡萄糖 cAMP含量低 CAP的正性調(diào)節(jié)不起作用 總結(jié) 所以 無乳糖時(shí) 無論有無葡萄糖 操縱子關(guān)閉 由于有葡萄糖 cAMP含量低 CAP的正性調(diào)節(jié)不起作用 抑制乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄 使細(xì)菌只能利用葡萄糖 3 既有乳糖 又有葡萄糖時(shí) 乳糖與阻遏蛋白結(jié)合 使阻遏蛋白變構(gòu) 失去與操縱基因結(jié)合的能力而脫落 由于不含葡萄糖 細(xì)胞內(nèi)cAMP含量高 cAMP與CAP結(jié)合成復(fù)合物 與DNA結(jié)合 并推動DDRP向前移動 促進(jìn)轉(zhuǎn)錄 4 有乳糖 無葡萄糖時(shí) 乳糖與阻遏蛋白結(jié)合 使阻遏蛋白變構(gòu) 失去與操縱基因結(jié)合的能力而脫落 結(jié)合在啟動子上的DDRP向前移動 結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄翻譯 合成與乳糖代謝有關(guān)的酶類從而利用乳糖 所以 有乳糖時(shí) 只有沒有葡萄糖 操縱子才開放有葡萄糖存在 操縱子關(guān)閉 I O O 誘導(dǎo)劑 乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控 圖15 4 CAP cAMP復(fù)合物在乳糖操縱子表達(dá)中的作用 正調(diào)控 條件2 低乳糖 條件3 低乳糖 條件4 高葡萄糖低cAMP高乳糖 Lac阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí) CAP對該系統(tǒng)不發(fā)揮作用 條件1 低葡萄糖高cAMP高乳糖 Lac阻遏蛋白不封閉轉(zhuǎn)錄時(shí) 沒有CAP存在 也無高效轉(zhuǎn)錄活性 Lac阻遏蛋白不封閉轉(zhuǎn)錄 CAP cAMP加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄 O O O O O 圖15 5 協(xié)調(diào)調(diào)節(jié) coordinateregulation 負(fù)性調(diào)節(jié)與正性調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)合作阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí) CAP不發(fā)揮作用如沒有CAP加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄 即使阻遏蛋白從P上解聚仍無轉(zhuǎn)錄活性 葡萄糖 乳糖共同存在時(shí) 細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP濃度 阻礙其與CAP結(jié)合從而抑制轉(zhuǎn)錄結(jié)論 lac操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖 IPTG 異丙基硫代半乳糖苷 極強(qiáng)的誘導(dǎo)劑 1 RNA編輯 RNAediting 2 mRNA前體的選擇性拼接3 反義RNA的調(diào)控反義RNA的調(diào)控是指真核生物基因組中 某些調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄所產(chǎn)生的RNA可與基因組DNA或RNA序列互補(bǔ) 形成雜交體 阻斷或減弱基因轉(zhuǎn)錄或翻譯的調(diào)控機(jī)制 這些調(diào)節(jié)基因所產(chǎn)生的RNA稱之為反義RNA 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控 mRNA的加工原核生物的mRNA往往一產(chǎn)生就是成熟的 不需轉(zhuǎn)錄后的修飾加工 真核生物基因的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物則一般缺乏生物活性 必須經(jīng)過剪接加工后成為有活性的成熟mRNA分子 它們需從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)內(nèi) 指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成 真核生物mRNA的加工主要包括在mRNA的5 末端加 帽子 在3 端加上多聚腺苷酸尾巴以及進(jìn)行RNA的剪接 真核生物RNA的剪接有三類 第一類是依靠內(nèi)含子的特殊結(jié)構(gòu)而能自發(fā)地進(jìn)行剪接 第二類是蛋白質(zhì) 酶 促剪切 第三類是需要一種細(xì)胞核小分子核糖核蛋白參與剪接的方式 真核生物mRNA的剪接就是這種方式 翻譯水平的調(diào)控 mRNA的穩(wěn)定性 mRNA的降解速度受細(xì)菌的生理狀態(tài) 環(huán)境因素及mRNA結(jié)構(gòu)的影響 翻譯產(chǎn)物對翻譯的影響小分子RNA的調(diào)控作用mRNA干擾性互補(bǔ)RNA micRNA 或反義RNA antisenseRNA 調(diào)整基因表達(dá)產(chǎn)物的類型低水平表達(dá)基因的控制 真核生物基因表達(dá)的調(diào)控 DNA水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控翻譯后水平的調(diào)控 真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 真核基因組結(jié)構(gòu)龐大3 109bp單順反子含有大量重復(fù)序列基因不連續(xù)性內(nèi)含子外顯子非編碼區(qū)較多多于編碼序列 9 1 一 真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 一 真核基因組結(jié)構(gòu)龐大 二 單順反子 單順反子 monocistron 即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子 經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈 三 重復(fù)序列 正向重復(fù) 反向重復(fù) 四 基因不連續(xù)性 斷裂基因 基本概念順式作用元件和反式作用因子基因活性的調(diào)控主要通過反式作用因子 通常是蛋白質(zhì) 與順式作用元件 通常在DNA上 相互作用而實(shí)現(xiàn) 順式作用元件 cis actingelement 對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的DNA序列 其活性只影響與其自身同處在一個(gè)DNA分子上的基因 通常不編碼蛋白質(zhì) 多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中 如啟動子 反式作用因子 trans actingfactor 通過擴(kuò)散自身表達(dá)產(chǎn)物 酶 調(diào)節(jié)蛋白 控制其他基因的表達(dá) 如轉(zhuǎn)錄因子 其編碼基因與其識別或結(jié)合靶核苷酸序列不在同一個(gè)DNA分子上 基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制基本上是反式作用因子與順式作用元件的相互作用 反式作用因子只識別DNA上非常短的一段序列 順式元件 結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因 structuralgenes 編碼蛋白質(zhì)或RNA的任何基因 原核生物的結(jié)構(gòu)基因一般成簇排列 真核生物獨(dú)立存在 結(jié)構(gòu)基因簇由單一啟動子共同調(diào)控 調(diào)節(jié)基因 regulatorgenes 參與其他基因表達(dá)調(diào)控的RNA或蛋白質(zhì)的編碼基因 調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物質(zhì)通過與DNA上的特定位點(diǎn)結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄是調(diào)控的關(guān)鍵 調(diào)節(jié)物與DNA特定位點(diǎn)的相互作用能以正調(diào)控方式 啟動或增強(qiáng)基因表達(dá)活性 調(diào)節(jié)靶基因 也能以負(fù)調(diào)控方式 關(guān)閉或降低基因表達(dá)活性 調(diào)節(jié)靶基因 啟動子和終止子 啟動子 promoter P 能被RNA聚合酶識別 結(jié)合并啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列 終止子 terminator T 給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號的DNA序列 啟動子和終止子屬于順式作用元件 而RNA聚合酶為反式作用因子 啟動子 真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件 至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上的功能組件 增強(qiáng)子 enhancer 指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn) 決定基因的時(shí)間 空間特異性 增強(qiáng)啟動子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列 其發(fā)揮作用的方式通常與方向 距離無關(guān) 在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)5 或3 側(cè)均能起作用 相對于啟動子的任一指向均能起作用 發(fā)揮作用與受控基因的遠(yuǎn)近距離相對無關(guān) 對異源性啟動子也能發(fā)揮作用 通常具有一些短的重復(fù)順序 特點(diǎn) 增強(qiáng)子 沉默子 silencer 某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)元件 當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí) 對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用 同一DNA序列可被不同蛋白質(zhì)識別同一蛋白質(zhì)因子可與多種不同DNA序列發(fā)生聯(lián)系 少數(shù)是直接結(jié)合 多數(shù)是蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)相互作用后再影響DNA 蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)或DNA 蛋白質(zhì)的結(jié)合 均導(dǎo)致構(gòu)象上的微細(xì)變化 構(gòu)象變化常是實(shí)現(xiàn)調(diào)控功能的分子基礎(chǔ) 反式作用因子在自身生物合成過程中 有相當(dāng)大的可變性和可塑性 反式作用因子 操縱基因和阻抑蛋白 操縱基因 operatorgene 能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列 當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱基因序列上 會影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱 與操縱基因結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為阻遏蛋白 repressiveprotein 其介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為負(fù)性調(diào)控 negativeregulation 細(xì)菌通常為負(fù)調(diào)控 與操縱基因結(jié)合后能增強(qiáng)或起動其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為激活蛋白 activatingprotein 所介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為正性調(diào)控 positiveregulation 轉(zhuǎn)錄因子 轉(zhuǎn)錄因子 轉(zhuǎn)錄起始過程中 RNA聚合酶所需要的輔助因子 轉(zhuǎn)錄因子參與正調(diào)控的反式作用因子 正調(diào)控和負(fù)調(diào)控的共同點(diǎn) 調(diào)控蛋白都是反式作用因