原核生物基因的表達及其調控課件

1、原核生物基因的表達及其調控一種生物的整套遺傳密碼可以比作一本密碼字典,該種生物的每個細胞中都有這本字典。為什么基因只有在它應該發(fā)揮作用的細胞內和應該發(fā)揮作用的時間才能呈現(xiàn)活化狀態(tài)?結論：必然有一個基因調控系統(tǒng)在發(fā)揮作用。第一節(jié) 原核生物基因的轉錄和翻譯原核生物的DNA： 單個裸露的DNA 不編碼占5% 轉錄和翻譯同一時間，地點進行 基因調控主要在三個水平上進行:. DNA水平. 轉錄水平(主) . 翻譯水平一、轉錄的起始 轉錄是原核生物基因表達的主要調控點，主要涉及兩個方面：1、RNA合成的酶系；2、RNA合成起始和終止信號，即DNA分子上的特定序列。 通過RNA聚合酶、轉錄因子和啟動子的相互

2、作用實現(xiàn)轉錄調控，改變細胞的表型，從而實現(xiàn)細胞生理狀態(tài)和環(huán)境的變化。（一）RNA聚合酶(RNA polymerase)：大腸桿菌的RNA聚合酶：由5個亞基組成，即2， 2組成的酶稱全酶。 亞基與其他亞基結合較松弛，易從全酶上解離；其余部分2稱為核心酶(core enzyme)。亞基作用：參與啟動子的識別和結合以及轉錄起始復合物的異構化。細胞內哪條DNA鏈被轉錄、轉錄方向與轉錄起點的選擇都與亞基有關。在啟動子與終止子之間是一個轉錄單位，通常將mRNA開始的一個核苷酸定為o點(即+1)由此向右常稱為下游(downstream)，其核苷酸依次編為正序號；起始點左例稱為上游(upstream)其核苷酸

3、則依次以負號表示緊接起始點左側的核苷酸為-1。離體實驗表明：全酶所轉錄的RNA和細胞內所轉錄出的RNA，其起始點相同，序列相同，若僅用核心酶進行轉錄，則模板鏈和起始點的選擇都有很大的隨意性，而且往往同一段DNA的兩條鏈都被轉錄。由此可見：亞基對識別DNA鏈上的轉錄信號是不可缺少的，它是核心酶和啟動子之間的橋梁。 因子的取代在細胞發(fā)育和對環(huán)境應答的反應中起主導作用。如在枯草桿菌中就有不同相對分子質量的因子Figure 9.6 RNA polymerase moves like an inchworm during elongation, when it compresses from the b

4、ack end and release from the front end.9.2 Transcription is catalyzed by RNA polymeraseRNA聚合酶體積很大，橫跨近60個堿基，而解旋的DNA區(qū)域可能不到17個堿基。當聚合酶按53方向延伸RNA鏈時，解旋的DNA區(qū)域也隨之移動?？拷?端的DNA不斷解旋。同時在5端重新形成DNA雙鏈，不斷將RNA-DNA雜合鏈中的RNA鏈擠出。 （二）啟動子 (promoter)： 轉錄的起始是基因表達的關鍵階段，啟動子就是連接在基因3端上游的DNA序列，其長度從100 bp到200 bp不等，是轉錄起始時RNA聚合酶識別、結

5、合的特定部位，但其本身并不被轉錄。原核生物啟動子結構含有同源序列。整個啟動子包括兩個部分：其上游部分是CAP-cAMP結合位點，下游部分是RNA聚合酶的進入位點。 二、轉錄的終止（一）終止子及其結構：1、概念： DNA上提供轉錄停止信號的一段序列稱為終止子(terminator)，是一個基因的末端或是一個操縱子的末端的一段特定序列。2、類型：強終止子和弱終止子強終止子：不依賴于Rho蛋白質輔助因子而能實現(xiàn)終止作用，這類終止子屬于強終止子；弱終止子：依賴于Rho蛋白質輔助因子才能實現(xiàn)終止作用，這類終止子屬于弱終止子。蛋白質輔助因子稱為釋放因子，通常稱為因子?；匚捻樞?(Palindromic s

6、equence) 5 GTGAGCTCAC 3 3 CACTCGAGTG 5畫上荷花和尚畫書臨漢字翰林書所有原核生物的終止子共同的序列特征 在轉錄終止點之前有一段回文結構，因而所產(chǎn)生的mRNA可形成莖環(huán)狀的發(fā)夾結構，它可使RNA聚合酶的移動停止或減緩。第二節(jié) 大腸桿菌乳糖操縱子的正負調控一、操縱子與操縱子模型操縱子學說/操縱子模型： F.Jacob J.Mond（1960）E.coli lac operon( 1965諾貝爾醫(yī)學生理學獎)操縱子：核酸分子上調控基因轉錄活性的基本單元，由結構基因、操縱基因（O）和啟動基因（P）組成。 promoter structural genes opera

7、tor啟動基因 操縱基因 結構基因操縱子(operon)模型轉錄、翻譯、合成蛋白結合調節(jié)蛋白結合RNA聚合酶調控（節(jié)）蛋白 操縱子RNARPO structural genesDNAProtein 正調控（positive regulation) 負調控 (negative regulation)調控蛋白的作用機制注：R：Regulator P：Promoter O：Operator 正調控與負調控調節(jié)基因 RNA 調節(jié)蛋白 正調節(jié)蛋白激活+操縱子 結構基因轉錄、表達 正調節(jié)蛋白失活，結構基因不表達 （正控制/正調節(jié) ） 負調節(jié)蛋白激活+操縱子 結構基因轉錄、表達 負調節(jié)蛋白失活，結構基因表達

8、 （負控制/負調節(jié) ）阻遏物與輔阻遏物阻遏物（repressor）：由調節(jié)基因產(chǎn)生的一種變構蛋白，當它與操縱基因結合時，能夠抑制轉錄的進行。輔阻遏物(corepressor)：能夠與失活的阻遏蛋白結合，并恢復阻遏蛋白與操縱基因結合能力的物質。誘導調控與非誘導調控根據(jù)輔因子（小分子）結合后調控效果，可分： 開啟調控系統(tǒng)中結構基因的轉錄活性 誘導 關閉調控系統(tǒng)中結構基因的轉錄活性 阻遏操縱子調控系統(tǒng)的基本類型可誘導負控制系統(tǒng)可誘導正控制系統(tǒng)可阻遏負控制系統(tǒng)可阻遏正控制系統(tǒng)正調控與負調控并非互相排斥的兩種機制，而是生物體適應環(huán)境的需要，有的系統(tǒng)既有正調控又有負調控；原核生物以負調控為主，真核生物以正

9、調控為主；降解代謝途徑中既有正調控又有負調控；合成代謝途徑中一般以負調控來控制產(chǎn)物自身的合成。如：大腸桿菌乳糖代謝的調控需要三種酶參加:. -半乳糖酶：將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖. 滲透酶：增加糖的滲透，易于攝取乳糖和半乳糖. 轉乙酰酶：-半乳糖轉變成乙酰半乳糖大量乳糖時：大腸桿菌三種酶的數(shù)量急劇增加，幾分鐘即可達到千倍以上，這三種酶能夠成比例地增加.乳糖消耗完：這三種酶的合成也即同時停止.大腸桿菌乳糖操縱子的負調控(可誘導)P structural genes OlacZ lacY lacAR -半乳糖苷酶-半乳糖苷通透酶-半乳糖苷乙?；D移酶lacZ lacY lacA乳糖操縱子的負控制-

10、可誘導機制誘導物阻遏蛋白單體阻遏蛋白四聚體四、大腸桿菌乳糖操縱子的正調控 當即有大量乳糖又有葡萄糖時， 基因表達將是怎樣？葡萄糖效應培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時，即使有乳糖存在，不誘導靶基因表達。這樣的操縱子稱葡萄糖敏感操縱子。這種效應由一種正控制機制決定。葡萄糖 腺苷酸環(huán)化酶活性降低 ATP無法轉變成cAMP 不能形成CAP-cAMP復合蛋白 RNA酶無法結合在DNA上 結構基因不表達。葡萄糖抑制操縱子的原理：阿拉伯糖操縱子的雙向控制Ara操縱子是控制分解代謝途徑的另一調控系統(tǒng)。特點：調節(jié)蛋白既可起正調控作用，又可起負調控作用。色氨酸操縱子的轉錄調控 1色氨酸操縱子模型：由雅各布（Jacob F.

11、）和莫諾（Monod J.）提出，具有合成代謝途徑典型的操縱子模型。操縱子：包括色氨酸合成有關的5種酶的結構基因；大量色氨酸時：大腸桿菌5種酶的轉錄同時受到抑制；色氨酸不足時：這種酶的基因開始轉轉錄；色氨酸：作為阻遏物而不是誘導物參與調控結構基因的轉錄。trp操縱子是一個典型的可阻遏操縱元模型(repressible operon)。色氨酸操縱子模型結構：5種結構基因：trpE、D、C、B、A；調控結構：啟動子、操縱基因、前導序列、弱化子；阻遏物trpR基因：與trp操縱子相距較遠；2.色氨酸操縱子的負調控： . 阻遏調控：trpR基因編碼無輔基阻遏物 與色氨酸結合 形成有活性的色氨酸阻遏物

12、與操縱子結合 阻止轉錄；色氨酸不足：阻遏物三維空間結構發(fā)生變化 ，不能與操縱子結合，操縱元開始轉錄；色氨酸濃度升高：色氨酸與阻遏物結合，空間結構發(fā)生變化，可與操縱子結合，阻止轉錄。. 弱化子調控：當有色氨酸存在而trp操縱子受抑制時，仍有一段前導序列發(fā)生轉錄，可能存在另一種的機制來抑制trp操縱元的轉錄。色氨酸高濃度存在時，轉錄的前導序列140bp長，其中有一28bp的弱化子區(qū)域；形成發(fā)夾結構，為內部終止子，RNA酶從DNA上脫落，不能轉錄；色氨酸低濃度或不存在時，RNA聚合酶能通過弱化子區(qū)域，轉錄完整的多順反子mRNA序列；問題：弱化子如何進行調控？前導序列可翻譯出一段14個氨基酸的短肽，在該短肽的第10、11位置上是兩個色氨酸密碼子；兩個密碼子之后是一段mRNA序列，該序列可分為四個區(qū)段，區(qū)段間可互補配對，形成不同的二級結構。原核生物為邊轉錄邊翻譯，前導序列中核糖體位置決定形成哪種二級結構,從而決定弱化子是否可形成終止信號。. 當有色氨酸時，完整翻譯短肽 核糖體停留在終止密碼子處，鄰近區(qū)段2位置 阻礙了2,3配對 使3, 4區(qū)段配對 形成發(fā)夾結構終止子 RNA酶在弱化子處終止，不能向前移動。.如缺乏色氨酸，核糖體到達色氨酸密碼子時 由于沒有色氨酰tRNA的供應 停留在該密碼子位置，位于區(qū)段1 使區(qū)段2與區(qū)段3配對 區(qū)段4無對應序列配對呈單鏈狀態(tài) RNA