第九章：原核生物基因表達調控課件

1、第九章 原核生物基因表達的調控基因表達調控就是對基因產(chǎn)物的合成進行控制的機制. 一個細胞可能僅含有20個拷貝乳糖操縱子阻遏蛋白，但是它可能會需要超過100 000個拷貝的EF-Tu參與蛋白質的合成。在另外一些情況下，單細胞有機體調控基因表達是為了應答環(huán)境條件（例如，溫度，滲透壓或者是否存在某種營養(yǎng)物質）的改變或者細胞內部的生理狀況（例如為細胞分裂做準備）的變化。與細胞適應過程有關的酶或者蛋白質通常是不存在的，只有在需要的時候才被合成。管家基因與奢侈基因第九章 原核生物基因表達的調控基因表達調控就是對基因產(chǎn)物的合基因表達表達是一個多步驟的過程，表達的產(chǎn)物是具有一定功能的蛋白質?；虮磉_的每一環(huán)節(jié)

2、以及表達產(chǎn)物的穩(wěn)定性均可作為調控的位點，包括： 基因被轉錄成初級轉錄產(chǎn)物 初級轉錄產(chǎn)物被加工成成熟的mRNAmRNA的穩(wěn)定性mRNA的翻譯多肽鏈的加工和組裝酶或者蛋白質活性控制蛋白質的降解基因表達表達是一個多步驟的過程，表達的產(chǎn)物是具有一定功能的蛋9.1 轉錄水平的調控正調控與負調控模式比較 9.1 轉錄水平的調控正調控與負調控模式比較 單順反子與多順反子mRNA 單順反子與多順反子mRNA9.1.1 轉錄起始調控一、乳糖操縱子結構9.1.1.1 操縱子9.1.1 轉錄起始調控一、乳糖操縱子結構9.1.1.1 lacA編碼硫代半乳糖苷乙酰轉移酶，該酶的作用是消除同時被乳糖轉移酶轉運到細胞內的硫

3、代半乳糖苷對細胞造成的毒性。lacA編碼硫代半乳糖苷乙酰轉移酶，該酶的作用是消除同時被乳乳糖操縱子的阻遏與誘導 乳糖操縱子通常是關閉的。lacI編碼的阻遏蛋白以四聚體的形式與操縱基因結合，關閉三個結構基因的表達。乳糖操縱子的阻遏與誘導 乳糖操縱子通常是關閉的。lacI編碼由于阻遏蛋白偶爾會脫離操縱子基因，所以操縱子的轉錄并非完全關閉，仍會有本底水平的表達，細胞內會有幾個分子的半乳糖苷酶和透性酶。 由于阻遏蛋白偶爾會脫離操縱子基因，所以操縱子的轉錄并非完全關第九章：原核生物基因表達調控課件可誘導型操縱子使細菌能很好地適應環(huán)境的變化，有效地利用環(huán)境提供的底物。例如，當培養(yǎng)基中加有乳糖時，操縱子被誘

4、導開放，合成分解乳糖所需要的酶。當乳糖被消耗完后，細胞不再需要分解乳糖的酶，操縱子重新關閉。 可誘導型操縱子使細菌能很好地適應環(huán)境的變化，有效地利用環(huán)境提在研究工作中很少使用乳糖作為誘導劑，因為培養(yǎng)基中的乳糖會被誘導合成的半乳糖苷酶催化降解，其濃度不斷發(fā)生變化。實驗室里常使用人工合成的誘導物異丙基-D-硫代半乳糖苷（IPTG），由于IPTG不是半乳糖苷酶的底物，不被降解，所以又稱作安慰誘導物。在研究工作中很少使用乳糖作為誘導劑，因為培養(yǎng)基中的乳糖會被誘葡萄糖對lac操縱子表達的影響葡萄糖是細菌優(yōu)先利用的糖類。當葡萄糖和其他糖類（比如乳糖）同時存在時，細菌只利用葡萄糖而不代謝別的糖類，這種現(xiàn)象稱

5、為分解代謝物阻遏（catabolite repression）。因此，乳糖操縱子只有在乳糖存在，同時葡萄糖缺乏時才會高水平表達。原因是乳糖操縱子除了受阻遏蛋白的調節(jié)，還要受到分解代謝活化子蛋白（catabolic activator protein，CAP）的調節(jié)。葡萄糖對lac操縱子表達的影響葡萄糖是細菌優(yōu)先利用的糖類。當CAP能夠與cAMP結合形成一個二聚體，所以CAP又稱為cAMP受體蛋白（cAMP receptor protein，CRP）。cAMP-CRP二聚體能夠結合到啟動子的上游識別位點上，通過募集RNA聚合酶激活乳糖操縱子的轉錄。Plac不是強啟動子，它沒有典型的35序列。為了

6、實現(xiàn)高水平的轉錄，lac操縱子需要cAMP-CRP復合物的激活作用。激活蛋白通常結合在啟動子的上游協(xié)助RNA聚合酶與啟動子結合。與之相反，阻遏蛋白結合在啟動子的下游，阻止RNA聚合酶與啟動子結合，或者阻止RNA聚合酶向前移動，轉錄基因。CAP能夠與cAMP結合形成一個二聚體，所以CAP又稱為cA第九章：原核生物基因表達調控課件第九章：原核生物基因表達調控課件第九章：原核生物基因表達調控課件第九章：原核生物基因表達調控課件乳糖操縱子的四種調控形式 乳糖操縱子的四種調控形式 二、阿拉伯糖操縱子 大腸桿菌阿拉伯糖操縱子的編碼產(chǎn)物與阿拉伯糖的利用有關。與乳糖操縱子一樣，阿拉伯糖操縱子也屬于可誘導型，操

7、縱子通常情況下是關閉的，只有當環(huán)境中存在阿拉伯糖時，操縱子才開放，合成相應的酶參與阿拉伯糖分解代謝。二、阿拉伯糖操縱子 大腸桿菌阿拉伯糖操縱子的編碼產(chǎn)物與阿拉伯第九章：原核生物基因表達調控課件當沒有阿拉伯糖存在時，不需要araBAD表達，AraC作為負調控蛋白，以二聚體的形式同時與araO2和araI1結合，導致DNA環(huán)化，阻止araBAD的表達。當有阿拉伯糖存在時，阿拉伯糖與AraC結合，導致其構象發(fā)生變化，二聚體優(yōu)先與araI1和araI2結合，這個時候如果沒有葡萄糖存在，AraC和cAMP-CRP共同促進RNA聚合酶與PBAD結合，起始轉錄。當沒有阿拉伯糖存在時，不需要araBAD表達，

8、AraC作為負由于AraC對轉錄有激活作用，所以刪除araC后，阿拉伯糖操縱子一直處于關閉狀態(tài)，即便有阿拉伯糖的存在，也是如此。AraC也可以進行自然調控，當細胞內AraC的水平升高時，AraC與araO1結合，抑制自araPc開始的轉錄。由于AraC對轉錄有激活作用，所以刪除araC后，阿拉伯糖操三、半乳糖操縱子 gal操縱子有三個結構基因- galE，galT和galK，它們編碼的酶參與半乳糖代謝，這三個基因被轉錄成一條多順反子mRNA。這三個結構基因分別編碼半乳糖表異構酶、半乳糖轉移酶和半乳糖激酶 。三、半乳糖操縱子 gal操縱子有三個結構基因- galE，g半乳糖 + ATP 半乳糖1

9、-磷酸 + ADP + H+半乳糖1-磷酸 + UDPGlu UDPGal + 葡萄糖1-磷酸UDPGal UDPGlu以上三個反應式的總反應是：半乳糖 + ATP 葡萄糖1-磷酸 + ADP + H+半乳糖激酶半乳糖轉移酶半乳糖表異構酶半乳糖 + ATP 半乳糖1-磷酸 + 第九章：原核生物基因表達調控課件無葡萄糖，有半乳糖時，促進從P1起始的轉錄，合成代謝半乳糖的酶，為細胞的生長提供碳源和能源。但是，抑制從P2起始的轉錄。有葡萄糖時，從P2起始轉錄低水平轉錄，合成的半乳糖表異構酶將UDPGlu 轉換成UDPGal ，為細胞壁的合成提供材料。兩個阻遏蛋白分子分別結合于OE和OI，它們之間的相

10、互作用導致它們之間的DNA彎曲成環(huán)，啟動子就位于該DNA環(huán)上。DNA的環(huán)化阻止了RNA聚合酶起始轉錄。如果阻遏蛋白只與OE結合，則會促進由P2的轉錄。無葡萄糖，有半乳糖時，促進從P1起始的轉錄，合成代謝半乳糖的第九章：原核生物基因表達調控課件四、色氨酸操縱子 在一些操縱子中，阻遏蛋白自身并不能與操縱基因結合，它們需要首先與稱作輔阻遏物(corepressor)的小分子物質結合后才能與操縱基因結合，關閉結構基因的轉錄。這種類型的操縱子為可阻遏型，它們平時處于開啟狀態(tài)，由于合成產(chǎn)物的積累而將其關閉。在大腸桿菌中，參與很多氨基酸和維生素合成的酶的表達就是以這種方式受到調控的。色氨酸操縱子屬于可阻遏型

11、，作為輔阻遏物的是色氨酸。四、色氨酸操縱子 在一些操縱子中，阻遏蛋白自身并不能與操縱基第九章：原核生物基因表達調控課件第九章：原核生物基因表達調控課件第九章：原核生物基因表達調控課件五、全局調控受一種調節(jié)蛋白調控的一組基因或操縱子稱為調節(jié)子（regulon），這些基因或操縱子可以位于一條染色體的不同位置上。 乳糖操縱子五、全局調控受一種調節(jié)蛋白調控的一組基因或操縱子稱為調節(jié)子（阿拉伯糖操縱子阿拉伯糖操縱子半乳糖操縱子半乳糖操縱子9.1.1.2 不同因子對轉錄的調控一、熱激蛋白的表達大腸桿菌的最適生長溫度是37。當溫度上升至46時，大腸桿菌幾乎停止生長。在46下細胞合成的蛋白質大約30為一組相當

12、保守的熱激蛋白（heat shock protein, HSP）。很多熱激蛋白是分子伴侶（molecular chaperones）和蛋白酶。分子伴侶的作用是介導蛋白質正確折疊；蛋白酶的作用則是降解受到熱損傷而又不能修復的蛋白質。9.1.1.2 不同因子對轉錄的調控一、熱激蛋白的表達大熱激蛋白的表達調控主要發(fā)生在轉錄水平上。熱激蛋白基因的啟動子被32而不是通常的70識別。32也不能識別70啟動子，因為這兩種因子識別的啟動子序列不一樣熱激蛋白的表達調控主要發(fā)生在轉錄水平上。熱激蛋白基因的啟動子HSP的誘導合成是由于細胞內的32水平瞬間升高引起的。在熱激條件下，32的合成會增加，熱激誘導32合成發(fā)

13、生在翻譯水平。 另一方面，在熱激條件下32的穩(wěn)定性也增加了。HSP的誘導合成是由于細胞內的32水平瞬間升高引起的。第九章：原核生物基因表達調控課件第九章：原核生物基因表達調控課件二、枯草桿菌的孢子形成過程中的級聯(lián)調控芽孢的形成與釋放 二、枯草桿菌的孢子形成過程中的級聯(lián)調控芽孢的形成與釋放 芽孢形成過程中的因子激活級聯(lián)F激活早期芽孢形成基因的轉錄E激活母細胞前期分化基因的轉錄芽孢形成過程中的因子激活級聯(lián)F激活早期芽孢形成基因的轉錄G激活晚期芽孢形成基因的轉錄K激活母細胞后期分化基因的轉錄級聯(lián)保證了芽孢形成過程中各個步驟按正確的順序發(fā)生。在級聯(lián)中每一因子控制著芽孢形成的一個階段，并且控制著在下一階

14、段發(fā)揮作用的因子合成。并且在母細胞和芽孢之間存在著信息交換，使前芽孢和母細胞中的基因表達相互協(xié)調。G激活晚期芽孢形成基因的轉錄K激活母細胞后期分化基因的轉抗因子與抗抗因子抗因子與抗抗因子9.1.1.3 雙組分調節(jié)系統(tǒng)雙組分調節(jié)系統(tǒng)的組成感應激酶應答調節(jié)子9.1.1.3 雙組分調節(jié)系統(tǒng)雙組分調節(jié)系統(tǒng)的組成感應激酶應PhoR和PhoB構成的雙組分調節(jié)系統(tǒng)周質結構域、胞質結構域PhoR和PhoB構成的雙組分調節(jié)系統(tǒng)周質結構域、 天冬氨酸殘基 天冬氨酸殘基9.1.2 轉錄終止階段的調控9.1.2.1 弱化子研究表明色氨酸操縱子兩種機制的調控。如果trp操縱子只受trpR編碼的阻遏物調控，那么在缺乏或存

15、在色氨酸時，trpR突變使trp操縱子表達的酶量應該是相同的?？墒牵趖rpR缺失突變體中，培養(yǎng)基中缺乏色氨酸比有色氨酸存在時操縱子的表達水平更高，說明色氨酸操縱子除受阻遏物調控外，還受另一機制的調控。9.1.2 轉錄終止階段的調控9.1.2.1 弱化子研究表明當阻遏物對trp操縱子的阻遏作用被解除，但細胞內仍有一定濃度的色氨酸時，第二種調控機制使trp操縱子的轉錄在抵達trpE之前被提前終止，這種現(xiàn)象稱為弱化作用（attenuation），DNA中導致mRNA合成提前終止的一段序列稱為弱化子（attenuator）。弱化作用產(chǎn)生的關鍵在于trp mRNA的前導區(qū)。當阻遏物對trp操縱子的阻遏

16、作用被解除，但細胞內仍有一定濃度前導RNA的結構含有一個閱讀框 含有4個分別以1、2、3和4表示的序列，它們之間能夠以兩種不同的方式進行堿基配對 前導RNA的結構含有一個閱讀框第九章：原核生物基因表達調控課件弱 化 作 用弱 化 作 用第九章：原核生物基因表達調控課件第九章：原核生物基因表達調控課件實驗證據(jù)轉錄弱化理論得到了大量實驗證據(jù)的支持：（1）影響區(qū)段3和區(qū)段4二級結構穩(wěn)定性的突變以及改變區(qū)段4后面一串U的突變都會降低弱化子的終止作用，增加trp操縱子的表達，這與終止子的突變效應是一樣的；（2）相反，影響影響區(qū)段2和3配對的突變，則增加弱化子的弱化作用；（3）如果前導肽的起始密碼子發(fā)生錯

17、義突變，前導肽的翻譯就不能起始，有利于前導RNA形成12、34二級結構，則轉錄必定在弱化子處終止。 實驗證據(jù)轉錄弱化理論得到了大量實驗證據(jù)的支持：（1）影響區(qū)段第九章：原核生物基因表達調控課件9.1.2.2 抗終止作用抗終止蛋白阻止轉錄的終止作用，因此RNA聚合酶能夠越過終止子繼續(xù)轉錄DNA。 9.1.2.2 抗終止作用抗終止蛋白阻止轉錄的終止作用，因此噬菌體裂解周期中的級聯(lián)調控依賴于抗終止作用 噬菌體裂解周期中的級聯(lián)調控依賴于抗終止作用 第九章：原核生物基因表達調控課件第九章：原核生物基因表達調控課件第九章：原核生物基因表達調控課件第九章：原核生物基因表達調控課件第九章：原核生物基因表達調控

18、課件第九章：原核生物基因表達調控課件第九章：原核生物基因表達調控課件9.2 翻譯水平的調控9.2.1 反義RNA反義RNA是與mRNA互補的RNA分子，可被用于基因表達調控。反義RNA通常由獨立的基因編碼，合成后與mRNA的互補區(qū)退火，阻止mRNA與核糖體結合，因而阻斷了mRNA的翻譯。9.2 翻譯水平的調控9.2.1 反義RNA反義RNA是與反義RNA調控細菌鐵蛋白合成的機制Fur能夠感應細胞內鐵的水平。當細胞內有充足的鐵時，F(xiàn)ur關閉反義bfr基因，細胞產(chǎn)生細菌鐵蛋白。在低鐵條件下，反義bfr基因被轉錄，產(chǎn)生反義RNA，阻止細菌鐵蛋白的合成。Fur: ferric uptake regul

19、ator反義RNA調控細菌鐵蛋白合成的機制Fur能夠感應細胞內鐵的水9.2.2 核糖體蛋白的自體控制 E.coli核糖體蛋白操縱子9.2.2 核糖體蛋白的自體控制 E.coli核糖體蛋白操縱核糖體蛋白合成速率的調控是一種自體調控（autoregulation）?；虮磉_的自體調控是指一個基因的表達產(chǎn)物反過來抑制自身基因的表達，這實際上也是一種反饋機制。自體調控可以在基因表達的不同水平上進行，但是對核糖體蛋白合成的調控主要是發(fā)生在翻譯水平上的自體調控。核糖體蛋白合成速率的調控是一種自體調控（autoregula第九章：原核生物基因表達調控課件9.2.3 Some mRNA molecules m

20、ust be cleaved before translation通常，原核生物的轉錄產(chǎn)物無需加工即可以成為翻譯的模板。但是，在少數(shù)情況下原核生物mRNA需要經(jīng)過加工，然后才能被翻譯。adhE基因初始轉錄產(chǎn)物的前導序列折疊成復雜的二級結構，核糖體結合位點和起始密碼子都被隱蔽起來，不能被核糖體識別。RNase III把核糖體結合位點上游的序列切割下來使核糖體結合位點暴露出來。9.2.3 Some mRNA molecules must第九章：原核生物基因表達調控課件9.2.3 嚴謹反應大腸桿菌缺乏某種氨基酸，不但會使蛋白質的合成終止，也會導致rRNA和tRNA合成被抑制，而一些與氨基酸合成和運輸

21、有關的基因被誘導表達。這種由氨基酸饑餓引起的基因表達模式的變化稱為嚴緊反應（stringent response）。嚴緊反應是由兩種特殊的核苷酸（ppGpp和pppGpp）引發(fā)的，最初因它們的電泳遷移率和一般的核苷酸不同，被稱為“魔斑I”和“魔斑II”。這兩種核苷酸通稱為（p）ppGpp。9.2.3 嚴謹反應大腸桿菌缺乏某種氨基酸，不但會使蛋白質的第九章：原核生物基因表達調控課件嚴謹反應的分子機制嚴謹反應的分子機制（p）ppGpp與RNA聚合酶亞基結合，改變了RNA聚合酶對一系列啟動子的親和力，導致細胞基因表達的整體變化，使細胞適應新的環(huán)境。這些變化包括rRNA和tRNA的合成被抑制，一系列參

22、與氨基酸合成與運轉的基因被激活。人們在對大腸桿菌relA突變體進行研究時認識到是（p）ppGpp的積累引發(fā)了嚴緊反應。relA突變體即使在氨基酸饑餓時也不能積累（p）ppGpp，也不關閉rRNA和tRNA的合成。由于relA突變體的rRNA和tRNA的合成不與蛋白質的合成嚴緊耦聯(lián)，帶有relA突變的株系就稱為松弛型突變型（relaxed mutant），該基因也因此而得名。（p）ppGpp與RNA聚合酶亞基結合，改變了RNA聚合酶9.3 核開關核開關是一類通過結合小分子代謝物調控基因表達的mRNA元件。它位于mRNA的特定區(qū)域，可以不依賴任何蛋白質因子而直接結合小分子代謝物，繼而發(fā)生構象重排，

23、調節(jié)mRNA的延伸和翻譯。目前發(fā)現(xiàn)的7種天然核開關，分別是B12核開關、TPP(硫胺素焦磷酸)核開關、FMN (黃素單核苷酸)核開關、SAM (S腺苷甲硫氨酸)核開關、賴氨酸核開關、鳥嘌呤核開關和腺嘌呤核開關。 9.3 核開關核開關是一類通過結合小分子代謝物調控基因表達的核開關：a)衰減機制; b)翻譯抑制機制核開關：a)衰減機制; b)翻譯抑制機制第九章：原核生物基因表達調控課件有的核開關可以通過其核酶活性調節(jié)基因的表達，比如編碼谷氨酰胺果糖-6-磷酸轉氨酶（glmS）mRNA的核開關。GlmS催化果糖-6-磷酸和谷氨酰胺生成葡萄糖胺-6-磷酸。當葡萄糖胺-6-磷酸在細胞內達到較高水平時，代謝物就與GlmS核開關結合，激活其核酶活性，造成GlmS mRNA發(fā)生自我切割。盡