原核生物的基因表達與調控(1).ppt

第六章基因的表達與調控 上 原核基因表達調控模式 Contents 基因表達調控的基本概念原核基因調控機制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉錄后水平上的調控 第一節(jié)基因表達調控的基本概念 一 基因表達的概念geneexpression 基因轉錄及翻譯的過程 對這個過程的調節(jié)就稱為generegulation rRNA tRNA編碼基因轉錄合成RNA的過程也屬于基因表達 組成性表達 constitutiveexpression 適應性表達 adaptiveexpression 二 基因表達的方式 1 組成性表達 指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達 某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達 通常被稱為管家基因 housekeepinggene 2 適應性表達指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達 應環(huán)境條件變化基因表達水平增高的現(xiàn)象稱為誘導 induction 這類基因被稱為可誘導的基因 induciblegene 相反 隨環(huán)境條件變化而基因表達水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏 repression 相應的基因被稱為可阻遏的基因 repressiblegene 三 基因表達的規(guī)律 時間性和空間性 1 時間特異性 temporalspecificity 2 空間特異性 spatialspecificity 基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異 實際上是由細胞在器官的分布決定的 所以空間特異性又稱細胞或組織特異性 cellortissuespecificity 在個體生長全過程 某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn) 稱之為基因表達的空間特異性 四 基因表達調控的生物學意義 適應環(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 基因表達調控的基本概念原核基因調控機制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉錄后水平上的調控 第二節(jié)原核基因調控機制 內容提要 原核基因表達調控環(huán)節(jié)操縱子學說原核基因調控機制的類型與特點轉錄水平上調控的其他形式 一 原核基因表達調控環(huán)節(jié) 1 轉錄水平上的調控 transcriptionalregulation 2 轉錄后水平上的調控 post transcriptionalregulation mRNA加工成熟水平上的調控 翻譯水平上的調控 二 操縱子學說1 操縱子模型的提出1961年 Monod和Jacob提出獲1965年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎 JacobandMonod 2 操縱子的定義 操縱子 是基因表達的協(xié)調單位 由啟動子 操縱基因及其所控制的一組功能上相關的結構基因所組成 操縱基因受調節(jié)基因產物的控制 1 根據(jù)操縱子對調節(jié)蛋白 阻遏蛋白或激活蛋白 的應答 可分為 正轉錄調控負轉錄調控 三 原核基因調控機制的類型與特點 激活蛋白 正轉錄調控 負轉錄調控 正轉錄調控 如果在沒有調節(jié)蛋白質存在時基因是關閉的 加入這種調節(jié)蛋白質后基因活性就被開啟 這樣的調控正轉錄調控 激活蛋白 正轉錄調控 負轉錄調控 負轉錄調控 在沒有調節(jié)蛋白質存在時基因是表達的 加入這種調節(jié)蛋白質后基因表達活性便被關閉 這樣的調控負轉錄調控 可誘導調節(jié) P196 指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下 由原來關閉的狀態(tài)轉變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài) 即在某些物質的誘導下使基因活化 例 大腸桿菌的乳糖操縱子分解代謝蛋白的基因 2 根據(jù)操縱子對某些能調節(jié)它們的小分子的應答 可分為可誘導調節(jié)和可阻遏調節(jié)兩大類 酶合成的誘導操縱子模型 誘導物 如果某種物質能夠促使細菌產生酶來分解它 這種物質就是誘導物 可阻遏調節(jié) P197 基因平時是開啟的 處在產生蛋白質或酶的工作過程中 由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關閉 阻遏了基因的表達 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 調節(jié)基因 操縱基因 結構基因 mRNA 酶蛋白 調節(jié)基因 操縱基因 結構基因 輔阻遏物 輻阻遏物 如果某種物質能夠阻止細菌產生合成這種物質的酶 這種物質就是輔阻遏物 3 在負轉錄調控系統(tǒng)中 調節(jié)基因的產物是阻遏蛋白 repressor 起著阻止結構基因轉錄的作用 根據(jù)其作用特征又可分為負控誘導和負控阻遏 在負控誘導系統(tǒng)中 阻遏蛋白與效應物 誘導物 結合時 結構基因轉錄 在負控阻遏系統(tǒng)中 阻遏蛋白與效應物 輔阻遏物 結合時 結構基因不轉錄 4 在正轉錄調控系統(tǒng)中 調節(jié)基因的產物是激活蛋白 activator 根據(jù)激活蛋白的作用性質分為正控誘導和正控阻遏在正控誘導系統(tǒng)中 效應物分子 誘導物 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 轉錄水平上調控的其他形式 1 因子的更換在E coli中 當細胞從基本的轉錄機制轉入各種特定基因表達時 需要不同的 因子指導RNA聚合酶與各種啟動子結合 大腸桿菌中的各種 因子比較 溫度較高 誘導產生各種熱休克蛋白由 32參與構成的RNA聚合酶與熱休克應答基因啟動子結合 誘導產生大量的熱休克蛋白 適應環(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 使芽孢形成有關的基因有序地表達 2 降解物對基因活性的調節(jié)3 弱化子對基因活性的影響 Contents 基因表達調控的基本概念原核基因調控機制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉錄后水平上的調控 第三節(jié)乳糖操縱子 lacoperon 內容提要 乳糖操縱子的結構酶的誘導 lac體系受調控的證據(jù)乳糖操縱子調控模型影響因子Lac操縱子中的其他問題 一 乳糖操縱子的結構 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 能透過大腸桿菌細胞壁和原生質膜進入細胞內 A編碼 半乳糖苷乙酰基轉移酶 乙酰輔酶A上的乙?；D到 半乳糖苷上 形成乙酰半乳糖 二 酶的誘導 lac體系受調控的證據(jù) 安慰誘導物 如果某種物質能夠促使細菌產生酶而本身又不被分解 這種物質被稱為安慰誘導物 如IPTG 異丙基 D 硫代半乳糖苷 三 乳糖操縱子調控模型 主要內容 Z Y A基因的產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 是阻遏物的結合位點 RNA聚合酶結合部位 阻遏物結合部位 操縱位點的回文序列 當阻遏物與操縱基因結合時 lacmRNA的轉錄起始受到抑制 誘導物通過與阻遏物結合 改變它的三維構象 使之不能與操縱基因結合 從而激發(fā)lacmRNA的合成 當有誘導物存在時 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 不可誘導突變 超阻遏 四 影響因子 1 lac操縱子的本底水平表達有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的 誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結合 而轉運誘導物需要透過酶 后者的合成有需要誘導 解釋 一些誘導物可以在透過酶不存在時進入細胞 一些透過酶可以在沒有誘導物的情況下合成 真正的誘導物是異構乳糖而非乳糖 前者是在 半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的 因此 需要有 半乳糖甘酶的預先存在 解釋 本底水平的組成型合成 非誘導狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成 2 大腸桿菌對乳糖的反應 培養(yǎng)基 甘油按照lac操縱子本底水平的表達 每個細胞內有幾個分子的 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 進入細胞 半乳糖苷酶 異構乳糖 誘導物 誘導lacmRNA的生物合成 大量乳糖進入細胞 多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖 碳源和能源 異構乳糖 乳糖 誘導物的加入和去除對lacmRNA的影響 3 阻遏物lacI基因產物及功能 Lac操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的 每個細胞中有5 10個阻遏物分子 當I基因由弱啟動子突變成強啟動子 細胞內就不可能產生足夠的誘導物來克服阻遏狀態(tài) 整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導 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 一旦耗盡外源葡萄糖 乳糖就會誘導lac操縱子表達分解乳糖所需的三種酶 代謝物阻遏效應 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濃度高時促進轉錄 有葡萄糖 cAMP濃度低時不促進轉錄 CAP的正調控 當阻遏蛋白封閉轉錄時 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合 操縱子仍無轉錄活性 cAMP CAP復合物與啟動子區(qū)的結合是轉錄起始所必需的 協(xié)調調節(jié) 葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏 catabolicrepression 單純乳糖存在時 細菌利用乳糖作碳源 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 分解產物 體內積累 半乳糖甘乙酰基轉移酶 半乳糖甘分子 IPTG 乙?；?2 lac基因產物數(shù)量上的比較 半乳糖苷酶 透過酶 乙酰基轉移酶 1 0 5 0 2翻譯水平上受到調節(jié) 1 lacmRNA可能與翻譯過程中的核糖體相脫離 從而終止蛋白質鏈的翻譯 2 在lacmRNA分子內部 A基因比Z基因更容易受內切酶作用發(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結構基因 缺失 lacoperon puroperon Contents 基因表達調控的基本概念原核基因調控機制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉錄后水平上的調控 第四節(jié)色氨酸操縱子 trpoperon 內容提要 色氨酸操縱子的結構色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子的弱化機制 一 色氨酸操縱子的結構調控基因結構基因催化分枝酸轉變?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 3 有衰減子 attenuator 弱化子 4 啟動子和結構基因不直接相連 二者被前導序列 Leader 所隔開 二 trp操縱子的阻遏系統(tǒng) 低Trp時 阻遏物不結合操縱基因 高Trp時 阻遏物 Trp結合操縱基因 三 trp操縱子的弱化機制 衰減子 attenuator 弱化子前導序列 leadersequence 1 弱化子 DNA中可導致轉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)結構 有典型的終止子特點 2 前導序列 在trpmRNA5 端trpE基因的起始密碼前一個長162bp的mRNA片段 3 弱化機制 前導肽 轉錄終止結構 細菌通過弱化作用彌補阻遏作用的不足 因為阻遏作用只能使轉錄不起始 對于已經起始的轉錄 只能通過弱化作用使之中途停下來 阻遏作用的信號是細胞內色氨酸的多少 弱化作用的信號則是細胞內載有色氨酸的tRNA的多少 它通過前導肽的翻譯來控制轉錄的進行 在細菌細胞內這兩種作用相輔相成 體現(xiàn)著生物體內周密的調控作用 什么是操縱子 operon 試說明色氨酸操縱子 Trpoperon 在原核基因表達調控中的調控機制和重要作用 2003年武漢大學分子生物學試題 Contents 基因表達調控的基本概念原核基因調控機制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉錄后水平上的調控 第五節(jié)其他操縱子 一 半乳糖操縱子 galactoseoperon 異構酶 galE 乳糖 磷酸尿嘧啶核苷轉移酶 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錄 它有兩個O區(qū) 一個在P區(qū)上游 另一個在結構基因galE內部 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 三個基因的表達受到ara操縱子中araC基因產物AraC蛋白的調控 ara操縱子的調控有兩個特點 第一 araC表達受到AraC的自身調控 第二 AraC既是ara操縱子的正調節(jié)蛋白 需cAMP CRP的共同參與 起始轉錄 又是其負調節(jié)蛋白 這種雙重功能是通過AraC蛋白的兩種異構體來實現(xiàn)的 Pi和Pr 三 阻遏蛋白LexA的降解與細菌中的SOS應答 SOS反應的機理 由RecA蛋白和LexA阻遏物的相互作用引起的 LexA阻遏物 是SOSDNA修復系統(tǒng)所有基因的阻遏物RecA蛋白 是SOS反應的最初的發(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RecA水解LexA阻遏物后 導致SOS體系 包括recA基因 高效表達 DNA得到修復 Contents 基因表達調控的基本概念原核基因調控機制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉錄后水平上的調控 一 翻譯起始的調控RBS 核糖體結合位點 mRNA鏈上起始密碼子AUG上游的一段非翻譯區(qū) RBS的結合強度取決于SD序列的結構及其與起始密碼子AUG之間的距離 SD 4 10 9 AUG 第六節(jié)轉錄后水平上的調控 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 幾種蛋白質中異亮氨酸密碼子使用頻率比較 細胞內對應于稀有密碼子的tRNA較少 高頻率使用這些密碼子的基因翻譯過程容易受阻 影響了蛋白質合成的總量 三 重疊基因對翻譯的影響 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)基因進行翻譯的機制 1 關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 B 在生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達 C 在生物個體全生命過程的幾乎所有細胞中表達 D 在生物個體的某一生長階段持續(xù)表達 E 在一個物種的幾乎所有個體中持續(xù)表達 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階段特異性的是 一個基因在 A 分化的骨骼肌細胞表達 在未分化的心肌細胞不表達 B 胚胎發(fā)育過程不表達 出生后表達 C 胚胎發(fā)育過程表達 在出生后不表達 D 分化的骨骼肌細胞表達 在未分化的骨骼肌細胞不表達 E 分化的骨骼肌細胞不表達 在未分化的骨骼肌細胞表達 A 4 乳糖操縱子 元 的直接誘導劑是 A 葡萄糖 B 乳糖 C 一半乳糖苷酶 D 透酶 E 異構乳糖 E 5 Lac阻遏蛋白結合乳糖操縱子 元 的 A CAP結合位點 B O序列 C P序列