6-原核基因的表達(dá)調(diào)控.ppt

第六章基因的表達(dá)與調(diào)控 上 原核基因表達(dá)調(diào)控模式 Contents 基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念 一 基因表達(dá)的概念geneexpression 基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程 對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為generegulation rRNA tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達(dá) 組成性表達(dá) constitutiveexpression 適應(yīng)性表達(dá) adaptiveexpression 二 基因表達(dá)的方式 1 組成性表達(dá) 指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達(dá) 某些基因在一個個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá) 通常被稱為管家基因 housekeepinggene 2 適應(yīng)性表達(dá)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) 應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo) induction 這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因 induciblegene 相反 隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏 repression 相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因 repressiblegene 三 基因表達(dá)的規(guī)律 時間性和空間性 1 時間特異性 temporalspecificity 2 空間特異性 spatialspecificity 基因表達(dá)伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異 實際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的 所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性 cellortissuespecificity 在個體生長全過程 某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn) 稱之為基因表達(dá)的空間特異性 四 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 原核 真核 維持個體發(fā)育與分化 真核 Contents 基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 第二節(jié)原核基因調(diào)控機(jī)制 內(nèi)容提要 原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)操縱子學(xué)說原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式 一 原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié) 1 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控 transcriptionalregulation 2 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 post transcriptionalregulation mRNA加工成熟水平上的調(diào)控 翻譯水平上的調(diào)控 二 操縱子學(xué)說1 操縱子模型的提出1961年 Monod和Jacob提出獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎 JacobandMonod 2 操縱子的定義 操縱子 是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位 由啟動子 操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成 操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制 1 根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白 阻遏蛋白或激活蛋白 的應(yīng)答 可分為 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控 三 原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點 激活蛋白 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控 負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控 如果在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是關(guān)閉的 加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開啟 這樣的調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控 激活蛋白 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控 負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控 負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控 在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是表達(dá)的 加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉 這樣的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控 可誘導(dǎo)調(diào)節(jié) P196 指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下 由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài) 即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化 例 大腸桿菌的乳糖操縱子分解代謝蛋白的基因 2 根據(jù)操縱子對某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應(yīng)答 可分為可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和可阻遏調(diào)節(jié)兩大類 酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型 誘導(dǎo)物 如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來分解它 這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物 可阻遏調(diào)節(jié) P197 基因平時是開啟的 處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中 由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉 阻遏了基因的表達(dá) 例 色氨酸操縱子合成代謝蛋白的基因 酶合成的阻遏操縱子模型 調(diào)節(jié)基因 操縱基因 結(jié)構(gòu)基因 mRNA 酶蛋白 調(diào)節(jié)基因 操縱基因 結(jié)構(gòu)基因 輔阻遏物 輻阻遏物 如果某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶 這種物質(zhì)就是輔阻遏物 3 在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中 調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白 repressor 起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用 根據(jù)其作用特征又可分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏 在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中 阻遏蛋白與效應(yīng)物 誘導(dǎo)物 結(jié)合時 結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄 在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中 阻遏蛋白與效應(yīng)物 輔阻遏物 結(jié)合時 結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄 4 在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中 調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白 activator 根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)和正控阻遏在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中 效應(yīng)物分子 誘導(dǎo)物 的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài) 在正控阻遏系統(tǒng)中 效應(yīng)物分子 輔阻遏物 的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài) 四 轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式 1 因子的更換在E coli中 當(dāng)細(xì)胞從基本的轉(zhuǎn)錄機(jī)制轉(zhuǎn)入各種特定基因表達(dá)時 需要不同的 因子指導(dǎo)RNA聚合酶與各種啟動子結(jié)合 大腸桿菌中的各種 因子比較 溫度較高 誘導(dǎo)產(chǎn)生各種熱休克蛋白由 32參與構(gòu)成的RNA聚合酶與熱休克應(yīng)答基因啟動子結(jié)合 誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的熱休克蛋白 適應(yīng)環(huán)境需要 枯草芽孢桿菌芽孢形成有序的 因子的替換 RNA聚合酶識別不同基因的啟動子 使芽孢形成有關(guān)的基因有序地表達(dá) 2 降解物對基因活性的調(diào)節(jié)3 弱化子對基因活性的影響 Contents 基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 第三節(jié)乳糖操縱子 lacoperon 內(nèi)容提要 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)酶的誘導(dǎo) lac體系受調(diào)控的證據(jù)乳糖操縱子調(diào)控模型影響因子Lac操縱子中的其他問題 一 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu) Z編碼 半乳糖苷酶 將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y編碼 半乳糖苷透過酶 使外界的 半乳糖苷 如乳糖 能透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi) A編碼 半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶 乙酰輔酶A上的乙酰基轉(zhuǎn)到 半乳糖苷上 形成乙酰半乳糖 二 酶的誘導(dǎo) lac體系受調(diào)控的證據(jù) 安慰誘導(dǎo)物 如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解 這種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物 如IPTG 異丙基 D 硫代半乳糖苷 三 乳糖操縱子調(diào)控模型 主要內(nèi)容 Z Y A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼 這個mRNA分子的啟動子緊接著O區(qū) 而位于I與O之間的啟動子區(qū) P 不能單獨起動合成 半乳糖苷酶和透過酶的生理過程 操縱基因是DNA上的一小段序列 僅為26bp 是阻遏物的結(jié)合位點 RNA聚合酶結(jié)合部位 阻遏物結(jié)合部位 操縱位點的回文序列 當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時 lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制 誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合 改變它的三維構(gòu)象 使之不能與操縱基因結(jié)合 從而激發(fā)lacmRNA的合成 當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時 操縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù) 所以啟動子能夠順利起始mRNA的合成 組成型突變 lacOc 組成型突變 lacI 不可誘導(dǎo)突變 超阻遏 四 影響因子 1 lac操縱子的本底水平表達(dá)有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的 誘導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合 而轉(zhuǎn)運誘導(dǎo)物需要透過酶 后者的合成有需要誘導(dǎo) 解釋 一些誘導(dǎo)物可以在透過酶不存在時進(jìn)入細(xì)胞 一些透過酶可以在沒有誘導(dǎo)物的情況下合成 真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖 前者是在 半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的 因此 需要有 半乳糖甘酶的預(yù)先存在 解釋 本底水平的組成型合成 非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成 2 大腸桿菌對乳糖的反應(yīng) 培養(yǎng)基 甘油按照lac操縱子本底水平的表達(dá) 每個細(xì)胞內(nèi)有幾個分子的 半乳糖苷酶和 半乳糖苷透過酶 培養(yǎng)基 加入乳糖少量乳糖 透過酶 進(jìn)入細(xì)胞 半乳糖苷酶 異構(gòu)乳糖 誘導(dǎo)物 誘導(dǎo)lacmRNA的生物合成 大量乳糖進(jìn)入細(xì)胞 多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖 碳源和能源 異構(gòu)乳糖 乳糖 誘導(dǎo)物的加入和去除對lacmRNA的影響 3 阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能 Lac操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的 每個細(xì)胞中有5 10個阻遏物分子 當(dāng)I基因由弱啟動子突變成強(qiáng)啟動子 細(xì)胞內(nèi)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來克服阻遏狀態(tài) 整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo) 4 葡萄糖對lac操縱子的影響 如果將葡萄糖和乳糖同時加入培養(yǎng)基中 lac操縱子處于阻遏狀態(tài) 不能被誘導(dǎo) 一旦耗盡外源葡萄糖 乳糖就會誘導(dǎo)lac操縱子表達(dá)分解乳糖所需的三種酶 代謝物阻遏效應(yīng) 5 cAMP與代謝物激活蛋白 代謝物激活蛋白 CAP 環(huán)腺甘酸受體蛋白 CRP cAMP CAP復(fù)合物 ATP 腺甘酸環(huán)化酶 cAMP 環(huán)腺甘酸 大腸桿菌中 無葡萄糖 cAMP濃度高 有葡萄糖 cAMP濃度低 無葡萄糖 cAMP濃度高時促進(jìn)轉(zhuǎn)錄 有葡萄糖 cAMP濃度低時不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄 CAP的正調(diào)控 當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時 CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用 如無CAP存在 即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合 操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性 cAMP CAP復(fù)合物與啟動子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的 協(xié)調(diào)調(diào)節(jié) 葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏 catabolicrepression 單純?nèi)樘谴嬖跁r 細(xì)菌利用乳糖作碳源 若有葡萄糖或葡萄糖 乳糖共同存在時 細(xì)菌首先利用葡萄糖 TheLacOperon WhenGlucoseIsPresentButNotLactose RNAPol Comeon letmethrough NowayJose TheLacOperon WhenLactoseIsPresentButNotGlucose Lac Thislactosehasbentmeoutofshape BindtomePolymerase RNAPol Yipee TheLacOperon WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresent BindtomePolymerase RNAPol STOPRighttherePolymerase Comeon letmethrough 五 Lac操縱子中的其他問題 1 A基因及其生理功能 半乳糖甘分子 IPTG 半乳糖甘酶 分解產(chǎn)物 體內(nèi)積累 半乳糖甘乙?；D(zhuǎn)移酶 半乳糖甘分子 IPTG 乙?；?2 lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較 半乳糖苷酶 透過酶 乙酰基轉(zhuǎn)移酶 1 0 5 0 2翻譯水平上受到調(diào)節(jié) 1 lacmRNA可能與翻譯過程中的核糖體相脫離 從而終止蛋白質(zhì)鏈的翻譯 2 在lacmRNA分子內(nèi)部 A基因比Z基因更容易受內(nèi)切酶作用發(fā)生降解 3 操縱子的融合與基因工程 P O Z Y A tsx P O pur結(jié)構(gòu)基因 缺失 lacoperon puroperon Contents 基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 第四節(jié)色氨酸操縱子 trpoperon 內(nèi)容提要 色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子的弱化機(jī)制 一 色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因催化分枝酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼岬拿?trpR trp 特點 1 trpR和trpABCDE不連鎖 2 操縱基因在啟動子內(nèi) 3 有衰減子 attenuator 弱化子 4 啟動子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連 二者被前導(dǎo)序列 Leader 所隔開 二 trp操縱子的阻遏系統(tǒng) 低Trp時 阻遏物不結(jié)合操縱基因 高Trp時 阻遏物 Trp結(jié)合操縱基因 三 trp操縱子的弱化機(jī)制 衰減子 attenuator 弱化子前導(dǎo)序列 leadersequence 1 弱化子 DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核甘酸序列 123 150區(qū) 123 150 研究引起終止的mRNA堿基序列 發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNA通過自我配對可以形成莖 環(huán)結(jié)構(gòu) 有典型的終止子特點 2 前導(dǎo)序列 在trpmRNA5 端trpE基因的起始密碼前一個長162bp的mRNA片段 3 弱化機(jī)制 前導(dǎo)肽 轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu) 細(xì)菌通過弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足 因為阻遏作用只能使轉(zhuǎn)錄不起始 對于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄 只能通過弱化作用使之中途停下來 阻遏作用的信號是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少 弱化作用的信號則是細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少 它通過前導(dǎo)肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行 在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)這兩種作用相輔相成 體現(xiàn)著生物體內(nèi)周密的調(diào)控作用 什么是操縱子 operon 試說明色氨酸操縱子 Trpoperon 在原核基因表達(dá)調(diào)控中的調(diào)控機(jī)制和重要作用 2003年武漢大學(xué)分子生物學(xué)試題 Contents 基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 第五節(jié)其他操縱子 一 半乳糖操縱子 galactoseoperon 異構(gòu)酶 galE 乳糖 磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶 galT 半乳糖激酶 galk gal操縱子的特點 它有兩個啟動子 其mRNA可從兩個不同的起始點開始轉(zhuǎn)錄 它有兩個O區(qū) 一個在P區(qū)上游 另一個在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部 二 阿拉伯糖操縱子 arabinoseoperon araB基因 araA基因和araD 形成一個基因簇 簡寫為araBAD 三個基因的表達(dá)受到ara操縱子中araC基因產(chǎn)物AraC蛋白的調(diào)控 ara操縱子的調(diào)控有兩個特點 第一 araC表達(dá)受到AraC的自身調(diào)控 第二 AraC既是ara操縱子的正調(diào)節(jié)蛋白 需cAMP CRP的共同參與 起始轉(zhuǎn)錄 又是其負(fù)調(diào)節(jié)蛋白 這種雙重功能是通過AraC蛋白的兩種異構(gòu)體來實現(xiàn)的 Pi和Pr 三 阻遏蛋白LexA的降解與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答 SOS反應(yīng)的機(jī)理 由RecA蛋白和LexA阻遏物的相互作用引起的 LexA阻遏物 是SOSDNA修復(fù)系統(tǒng)所有基因的阻遏物RecA蛋白 是SOS反應(yīng)的最初的發(fā)動因子 在單鏈DNA和ATP存在時 RecA蛋白被激活 表現(xiàn)出水解酶活性 分解LexA阻遏物 當(dāng)RecA水解LexA阻遏物后 導(dǎo)致SOS體系 包括recA基因 高效表達(dá) DNA得到修復(fù) Contents 基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 一 翻譯起始的調(diào)控RBS 核糖體結(jié)合位點 mRNA鏈上起始密碼子AUG上游的一段非翻譯區(qū) RBS的結(jié)合強(qiáng)度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼子AUG之間的距離 SD 4 10 9 AUG 第六節(jié)轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 二 稀有密碼子對翻譯的影響 dnaG 引物酶 RNA引物 dnaG rpoD和rpsU屬于大腸桿菌基因組上的同一個操縱子 50個拷貝的dnaG蛋白 2800個拷貝的rpoD和40000個拷貝的rpsU 幾種蛋白質(zhì)中異亮氨酸密碼子使用頻率比較 細(xì)胞內(nèi)對應(yīng)于稀有密碼子的tRNA較少 高頻率使用這些密碼子的基因翻譯過程容易受阻 影響了蛋白質(zhì)合成的總量 三 重疊基因?qū)Ψg的影響 TrpB 谷氨酸 異亮氨酸 終止GAA AUC UGA UGG AAAUG GAA甲硫氨酸 谷氨酸 trpA trpE 蘇氨酸 苯丙氨酸 終止ACU UUC UGA UGG CUAUGAUG GCU甲硫氨酸 丙氨酸 trpD 翻譯終止時核糖體立即處在起始環(huán)境中 這種重疊的密碼子保證了同一核糖體對兩個連續(xù)基因進(jìn)行翻譯的機(jī)制 1 關(guān)于管家基因敘述錯誤的是 A 在生物個體的幾乎各生長階段持續(xù)表達(dá) B 在生物個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá) C 在生物個體全生命過程的幾乎所有細(xì)胞中表達(dá) D 在生物個體的某一生長階段持續(xù)表達(dá) E 在一個物種的幾乎所有個體中持續(xù)表達(dá) D 2 一個操縱子 元 通常含有 A 數(shù)個啟動序列和一個編碼基因 B 一個啟動序列和數(shù)個編碼基因 C 一個啟動序列和一個編碼基因 D 兩個啟動序列和數(shù)個編碼基因 E 數(shù)個啟動序列和數(shù)個編碼基因 B 3 下列情況不屬于基因表達(dá)階段特異性的是 一個基因在 A 分化的骨骼肌細(xì)胞表達(dá) 在未分化的心肌細(xì)胞不表達(dá) B 胚胎發(fā)育過程不表達(dá) 出生后表達(dá) C 胚胎發(fā)育過程表達(dá) 在出生后不表達(dá) D 分化的骨骼肌細(xì)胞表達(dá) 在未分化的骨骼肌細(xì)胞不表達(dá) E 分化的骨骼肌細(xì)胞不表達(dá) 在未分化的骨骼肌細(xì)胞表達(dá) A 4 乳糖操縱子 元 的直接誘導(dǎo)劑是 A 葡萄糖 B 乳糖 C 一半乳糖苷酶 D 透酶 E 異構(gòu)乳糖 E 5 Lac阻遏蛋白結(jié)合乳糖操縱子 元 的 A CAP結(jié)合位點 B O序列 C P序