原核生物基因表達的調(diào)詳解演示文稿

原核生物基因表達的調(diào)詳解演示文稿本文檔共59頁；當前第1頁；編輯于星期一\13點57分優(yōu)選原核生物基因表達的調(diào)本文檔共59頁；當前第2頁；編輯于星期一\13點57分管家基因：始終或經(jīng)常性開啟的基因,是維持細胞基本生命活動所必須的，如編碼組成型蛋白的基因。奢侈基因：指編碼組織特異性蛋白的基因，對細胞分化有重要影響，如大腸桿菌被乳糖誘導的基因等。本文檔共59頁；當前第3頁；編輯于星期一\13點57分原核生物是單細胞生物，需要隨時根據(jù)環(huán)境條件變化調(diào)整自身基因的表達。原核生物細胞中沒有形成細胞器，基因轉(zhuǎn)錄與翻譯同時發(fā)生，mRNA半衰期極短，在幾分鐘內(nèi)就被降解，因此一種mRNA必須持續(xù)轉(zhuǎn)錄才能維持蛋白質(zhì)的合成。原核生物基因表達的調(diào)控主要是在轉(zhuǎn)錄水平，以便能更加便捷和有效地調(diào)節(jié)細胞內(nèi)一種蛋白質(zhì)的水平。本文檔共59頁；當前第4頁；編輯于星期一\13點57分11.1基因表達調(diào)控的兩種方式

基因表達的調(diào)控可分為兩種：正調(diào)控(positiveregulation):調(diào)控蛋白使靶基因的表達水平上升。正調(diào)控中的調(diào)控蛋白稱為激活蛋白(activator)。負調(diào)控(negativeregulation):調(diào)控蛋白使靶基因的表達水平下降，甚至關閉。負調(diào)控中的調(diào)控蛋白稱為阻遏蛋白(repressor)。本文檔共59頁；當前第5頁；編輯于星期一\13點57分圖11-1正調(diào)控與負調(diào)控模式的比較本文檔共59頁；當前第6頁；編輯于星期一\13點57分

許多調(diào)節(jié)蛋白屬于別構蛋白，細胞中某些特定的物質(zhì)能與它們結(jié)合，使調(diào)節(jié)蛋白的構象發(fā)生變化，從而改變它們與操縱基因的結(jié)合活性，影響到基因轉(zhuǎn)錄的活性，這些特定物質(zhì)統(tǒng)稱為別構效應物。不論是激活蛋白，還是阻遏蛋白，其活性都可能受到別構效應物的影響。本文檔共59頁；當前第7頁；編輯于星期一\13點57分原核生物更傾向于使用負調(diào)控，真核生物更傾向于使用正調(diào)控。原核生物的DNA基本上是裸露的，它們的基因表達默認狀態(tài)是開放的，調(diào)節(jié)基因表達的主要方式是改變默認狀態(tài)——即負調(diào)控。真核生物的DNA與大量蛋白結(jié)合形成復合物，是基因表達的一種天然障礙，它們的基因表達默認狀態(tài)是關閉的，調(diào)節(jié)基因表達的主要方式是激活——即正調(diào)控。本文檔共59頁；當前第8頁；編輯于星期一\13點57分本文檔共59頁；當前第9頁；編輯于星期一\13點57分11.2DNA水平的調(diào)控

11.2.1啟動子序列對基因表達的調(diào)控

不同基因的啟動子序列與一致序列可能不同，與RNA聚合酶的親和力就不同，從而造成轉(zhuǎn)錄起始效率的差別。具有強啟動子的管家基因的轉(zhuǎn)錄水平要高于具有弱啟動子的管家基因。本文檔共59頁；當前第10頁；編輯于星期一\13點57分11.2.2DNA重組對基因表達的調(diào)控

鼠傷寒沙門氏菌是一種帶有鞭毛的細菌。構成其鞭毛的蛋白質(zhì)有H1和H2兩種。任何一個沙門氏細菌只表達這兩種鞭毛蛋白中的一種，在同一個細胞內(nèi)從不同時表達。隨著一群細胞的生長和分裂，某些子代細胞會發(fā)生相變，即自發(fā)地改變其鞭毛蛋白的表達樣式，以逃避宿主免疫系統(tǒng)的攻擊。本文檔共59頁；當前第11頁；編輯于星期一\13點57分圖11-2鼠傷寒沙門氏菌相變的分子機制本文檔共59頁；當前第12頁；編輯于星期一\13點57分11.3轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

11.3.1轉(zhuǎn)錄起始階段的調(diào)控11.3.1不同因子的選擇性使用

原核生物識別啟動子序列的是因子，不同的因子可識別不同的啟動子序列。大腸桿菌主要使用。在特殊條件下其他類型的因子被表達或激活，啟動其他基因的表達。本文檔共59頁；當前第13頁；編輯于星期一\13點57分熱激條件使失活，同時增強rpoH基因的表達；

rpoH基因的產(chǎn)物——與RNA聚合酶核心酶組裝成全酶，與熱激基因的啟動子結(jié)合，啟動Hsp的表達。本文檔共59頁；當前第14頁；編輯于星期一\13點57分圖11-3σ因子的選擇性使用與熱激基因的表達調(diào)控

本文檔共59頁；當前第15頁；編輯于星期一\13點57分圖11-4σ因子的級聯(lián)與SPO1噬菌體不同時期基因表達之間的關系本文檔共59頁；當前第16頁；編輯于星期一\13點57分11.3.1.2操縱子調(diào)控模型

操縱子(operon)是原核生物基因表達和調(diào)控最重要的形式。11.3.1.2.1操縱子的基本結(jié)構

(1)啟動子

(2)結(jié)構基因

(3)操縱區(qū)(operator)

指能被調(diào)節(jié)蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動子相鄰或重疊，當調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合在操縱子序列上，會影響其下游基因的轉(zhuǎn)錄。(4)調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因編碼能與操縱基因結(jié)合的調(diào)節(jié)蛋白。本文檔共59頁；當前第17頁；編輯于星期一\13點57分11.3.1.2.2操縱子的類型誘導型操縱子：一般控制與分解代謝有關酶的表達，需要誘導物與阻遏蛋白結(jié)合或誘導物與激活蛋白結(jié)合，如乳糖操縱子、麥芽糖操縱子。阻遏型操縱子：通?？刂婆c合成代謝有關的基因表達，需要輔阻遏物與阻遏蛋白解離或輔阻遏物與激活蛋白的解離，如色氨酸操縱子、組氨酸操縱子。本文檔共59頁；當前第18頁；編輯于星期一\13點57分11.3.1.2.3乳糖操縱子

1940年，Monod發(fā)現(xiàn)：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時，細菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗盡后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細菌的生長會出現(xiàn)停頓，即產(chǎn)生“二次生長曲線”。Jacob和Monod提出操縱子學說，獲諾貝爾獎。(1)乳糖操縱子的負調(diào)控

lacZ基因編碼-半乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖異構化為別乳糖，絕大多數(shù)乳糖水解為半乳糖和葡萄糖。

lacY基因編碼半乳糖透過酶，使-半乳糖苷透過細胞壁和細胞膜進入細胞內(nèi)。

lacA基因編碼乙酰轉(zhuǎn)移酶，催化半乳糖的乙酰化。本文檔共59頁；當前第19頁；編輯于星期一\13點57分乳糖對－半乳糖苷酶的合成有誘導作用。葡萄糖對－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。本文檔共59頁；當前第20頁；編輯于星期一\13點57分圖11-5β-半乳糖苷酶催化的水解和異構化反應

本文檔共59頁；當前第21頁；編輯于星期一\13點57分本文檔共59頁；當前第22頁；編輯于星期一\13點57分ZYAOP結(jié)構基因LacIP調(diào)控基因β半乳糖苷酶β半乳糖苷透性酶β半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶阻遏蛋白催化β-半乳糖苷水解將β-半乳糖苷轉(zhuǎn)入細胞將乙酰CoA的乙酰基轉(zhuǎn)移到β-半乳糖苷上啟動子(lacP)操縱基因（lacO）本文檔共59頁；當前第23頁；編輯于星期一\13點57分ZYAOP結(jié)構基因操縱基因（lacO）LacIP調(diào)控基因阻遏蛋白阻遏蛋白存在時，阻止Lac操縱子轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白缺乏或無活性時，Lac操縱子的基因開啟。RNApol乳糖操縱子的負調(diào)控可誘導的負調(diào)控本文檔共59頁；當前第24頁；編輯于星期一\13點57分ZYAOP結(jié)構基因操縱基因（lacO）LacIP調(diào)控基因阻遏蛋白誘導物誘導物-阻遏蛋白復合物

誘導物(如乳糖、IPTG)存在時，與阻遏蛋白結(jié)合，改變阻遏蛋白的構象，使其不能與LacO結(jié)合，基因開始轉(zhuǎn)錄。mRNA本文檔共59頁；當前第25頁；編輯于星期一\13點57分本文檔共59頁；當前第26頁；編輯于星期一\13點57分安慰誘導物

(gratuitousinducer)：能高效誘導酶的合成但不被所誘導的酶分解的分子。如：IPTG(異丙基硫代半乳糖苷)本文檔共59頁；當前第27頁；編輯于星期一\13點57分

lacO是-5至+21的序列，與啟動子右末端重疊操縱基因(operator,O)是原核生物操縱子中被調(diào)控蛋白識別并結(jié)合的DNA區(qū)域。本文檔共59頁；當前第28頁；編輯于星期一\13點57分lacO的序列，以+11為對稱軸具有反向重復序列本文檔共59頁；當前第29頁；編輯于星期一\13點57分圖11-6lac操縱子的負調(diào)控本文檔共59頁；當前第30頁；編輯于星期一\13點57分

乳糖操縱子屬于可誘導型操縱子，這類操縱子通常是關閉的，當受效應物作用后，被誘導開放。這類操縱子使細菌能適應環(huán)境的變化，最有效地利用環(huán)境提供的能源底物。當細菌在沒有乳糖的培養(yǎng)中生長時，阻遏蛋白同乳糖操縱子的操縱基因區(qū)域結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄的進行。本文檔共59頁；當前第31頁；編輯于星期一\13點57分(2)乳糖操縱子的正調(diào)控

當乳糖和葡萄糖同時存在時，大腸桿菌出現(xiàn)葡萄糖效應：即在有葡萄糖存在時，細菌優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，即使有誘導物乳糖存在，乳糖操縱子也處于被抑制的狀態(tài)，直至葡萄糖消耗完才解除抑制，此時細菌才利用乳糖生長。乳糖的存在僅僅是乳糖操縱子開放的必要條件，而非充要條件。乳糖操縱子的開放需要CRP(cAMP受體蛋白)的正調(diào)控。只有在負調(diào)控消失、正調(diào)控起作用時，乳糖操縱子才能開放。本文檔共59頁；當前第32頁；編輯于星期一\13點57分啟動子ZYAlacOcAMP-CAP位點RNA聚合酶作用位點cAMP-CAP結(jié)合結(jié)合于啟動子上游的激活區(qū)域，幫助RNA聚合酶形成開放型起始復合物，促進轉(zhuǎn)錄起始。分解代謝物激活蛋白(Cataboliteactivatorprotein，CAP)：即CRP(cAMP受體蛋白)，轉(zhuǎn)錄的活化因子，直接作用于操縱子，激活基因轉(zhuǎn)錄。CAP需要cAMP存在時才有活性。本文檔共59頁；當前第33頁；編輯于星期一\13點57分圖11-8乳糖操縱子的操縱基因和CAP-cAMP結(jié)合位點序列

本文檔共59頁；當前第34頁；編輯于星期一\13點57分圖11-9CAP的正調(diào)控作用本文檔共59頁；當前第35頁；編輯于星期一\13點57分分解代謝阻遏作用ATPcAMP腺苷酸環(huán)化酶(ACase)葡萄糖分解代謝物

抑制作用活化CAPlac操縱子轉(zhuǎn)錄葡萄糖降低細胞內(nèi)cAMP水平,使CAP失活，lac操縱子不能表達,不能利用乳糖。本文檔共59頁；當前第36頁；編輯于星期一\13點57分

CAP也是很多其他與分解代謝有關的操縱子的激活蛋白，包括乳糖操縱子、阿拉伯糖操縱子、半乳糖操縱子和麥芽糖操縱子等近100個啟動子受到它的激活。這種由同一種調(diào)控蛋白調(diào)節(jié)多個操縱子基因表達活性的方式稱為調(diào)諧子(regulon)。這些操縱子附近都含有CAP結(jié)合位點。本文檔共59頁；當前第37頁；編輯于星期一\13點57分11.3.1.2.8色氨酸操縱子

色氨酸操縱子屬于可阻遏型，作為輔阻遏物的是色氨酸。色氨酸是構成蛋白質(zhì)的組分，如果環(huán)境中缺乏色氨酸，細菌必須自己合成。但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸，細菌就會充分利用外界的色氨酸，減少或停止色氨酸的合成，以節(jié)省能量。

trp操縱子是一個氨基酸合成體系，不是糖的分解，因此和葡萄糖沒有什么關系，操縱子中也就不存在cAMP-CAP位點。大腸桿菌的色氨酸操縱子由一個啟動子、一個操縱基因、一個前導肽編碼基因(trpL)和5個結(jié)構基因(trpE、trpD、trpC、trpB、trpA)以及一個調(diào)節(jié)基因(trpR)組成。結(jié)構基因編碼將莽草酸轉(zhuǎn)化為色氨酸的關鍵酶。trpR編碼阻遏蛋白，與結(jié)構基因相距較遠。本文檔共59頁；當前第38頁；編輯于星期一\13點57分合成色氨酸所需要酶類的結(jié)構基因群，受其上游的啟動子Ptrp和操縱區(qū)O的調(diào)控，調(diào)控基因trpR的位置遠離P-O-結(jié)構基因群，在其自身的啟動子作用下，以組成性方式低水平表達其調(diào)控蛋白R，R并沒有與操縱區(qū)O結(jié)合的活性，當環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時，R與色氨酸結(jié)合后構象變化而活化，就能夠與操縱區(qū)O特異性親和結(jié)合，阻遏結(jié)構基因的轉(zhuǎn)錄。本文檔共59頁；當前第39頁；編輯于星期一\13點57分圖11-18色氨酸操縱子的阻遏調(diào)控本文檔共59頁；當前第40頁；編輯于星期一\13點57分色氨酸合成途徑的終產(chǎn)物色氨酸通過阻遏轉(zhuǎn)錄抑制該途徑酶的合成，這種作用又稱為末端產(chǎn)物阻遏。細胞在合成蛋白質(zhì)的過程中，本著節(jié)約能量的原則平衡氨基酸合成酶的合成。通過TrpR的調(diào)節(jié)，可使色氨酸的合成降低100倍。阻遏作用是色氨酸合成第一個層次的調(diào)控，主管轉(zhuǎn)錄的啟動是否啟動。此外，大腸桿菌還有色氨酸合成第二個層次的調(diào)控——弱化作用(也稱為衰減作用,attenuation)，決定已經(jīng)啟動的轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)下去。本文檔共59頁；當前第41頁；編輯于星期一\13點57分

弱化作用

trp操縱子不因為trpR基因的缺失完全喪失調(diào)控功能。當trpR基因被敲除，trp操縱子在無色氨酸時的轉(zhuǎn)錄活性是有色氨酸存在時的10倍。

trp操縱子在結(jié)構基因的5'-端含有一個ORF，它并不編碼合成色氨酸的酶，而是編碼一種短肽——前導肽，里面有兩個連續(xù)的色氨酸密碼子，約占總密碼子數(shù)目的10%。色氨酸-tRNA對前導肽的翻譯是必不可少的。弱化作用的實質(zhì)是以翻譯的手段來控制基因的轉(zhuǎn)錄。本文檔共59頁；當前第42頁；編輯于星期一\13點57分

前導區(qū)的堿基序列包括4個分別以1、2、3和4表示的片段,能以兩種不同的方式進行堿基配對,1-2和3-4配對,或2-3配對,3-4配對區(qū)正好位于終止密碼子的識別區(qū)。前導序列有相鄰的兩個色氨酸密碼子,當培養(yǎng)基中色氨酸濃度很低時,負載有色氨酸的tRNATrp也就少,這樣翻譯通過兩個相鄰色氨酸密碼子的速度就會很慢,當4區(qū)被轉(zhuǎn)錄完成時,核糖體滯留1區(qū),這時的前導區(qū)結(jié)構是2-3配對,不形成3-4配對的終止結(jié)構,所以轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進行，起到將色氨酸操縱子中的結(jié)構基因全部轉(zhuǎn)錄完為止。反之,色氨酸充足,核糖體可順利通過兩個相鄰的色氨酸密碼子,在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前,核糖體就到達2區(qū),這樣使2-3不能配對,3-4區(qū)可以配對形成終止子結(jié)構,轉(zhuǎn)錄停止。本文檔共59頁；當前第43頁；編輯于星期一\13點57分圖11-21trp操縱子的弱化子莖環(huán)結(jié)構

本文檔共59頁；當前第44頁；編輯于星期一\13點57分圖11-22弱化子調(diào)控機制

本文檔共59頁；當前第45頁；編輯于星期一\13點57分RPOleadingseq.EDCBAtrp+為什么需要阻遏作用？當大量Trp存在時，阻遏系統(tǒng)起作用。阻遏物與之結(jié)合，阻止先導mRNA合成。

經(jīng)濟Negative—repressibleoperon可以被最終合成產(chǎn)物所阻遏本文檔共59頁；當前第46頁；編輯于星期一\13點57分RPOleadingseq.EDCBA少量trp+不足以結(jié)合O位點為什么需要弱化作用？當trp濃度低時，阻遏物從有活性變?yōu)闊o活性，速度極慢，不能很快引發(fā)色氨酸合成。因此需要一個能快速作出反應的系統(tǒng)，以保持培養(yǎng)基中適當?shù)纳彼崴健１疚臋n共59頁；當前第47頁；編輯于星期一\13點57分

編碼合成其他氨基酸的基因也有類似的弱化作用。例如在組氨酸和苯丙氨酸操縱子的起始區(qū)分別含有多個His或Phe的前導肽編碼序列，能對氨基酸的合成起更精確的調(diào)節(jié)作用。但對于某些氨基酸為說，弱化作用可能是其唯一的調(diào)控機制。如組氨酸操縱子沒有阻遏蛋白，其前導序列中一共有7個連續(xù)的His密碼子，這大大提高了弱化作用的效率。本文檔共59頁；當前第48頁；編輯于星期一\13點57分本文檔共59頁；當前第49頁；編輯于星期一\13點57分11.4翻譯水平的調(diào)控

11.4.1mRNA高級結(jié)構對基因表達的影響11.4.1.1mRNA二級結(jié)構對自身翻譯的影響大腸桿菌的RNA噬菌體MS2、R17和f2的基因組只含有4個基因：cp(編碼外殼蛋白)、A、Rep(編碼復制酶)、Lys。RNA噬菌體進入到宿主細胞后，核糖體僅結(jié)合到cp基因的RBS上，而A蛋白基因和rep基因的RBS因為形成了RNA的二級結(jié)構，不能與核糖體結(jié)合。

本文檔共59頁；當前第50頁；編輯于星期一\13點57分由于A和rep的RBS被封閉在二級結(jié)構中，當核糖體閱讀到cp基因時，促使形成二級結(jié)構的氫鍵斷裂。其下游的rep基因所形成的二級結(jié)構也隨著翻譯的進行而被打開，rep基因得以翻譯。雖然rep的RBS每次都被cp基因的翻譯打開，但RNA噬菌體的外殼蛋白合成的量要比復制酶多得多。新產(chǎn)生的外殼蛋白的亞基可以特異性地結(jié)合在rep基因的RBS上，阻止核糖體的結(jié)合。這樣外殼蛋白就成了復制酶基因的特異性翻譯阻遏物。在感染10分鐘后，外殼蛋白的合成量便足以阻斷復制酶的進一步合成。本文檔共59頁；當前第51頁；編輯于星期一\13點57分11.4.1.2mRNA二級結(jié)構對自身壽命的影響在大腸桿菌中，降解mRNA的酶有核糖核酸酶II和PNP，但mRNA的二級結(jié)構可以阻遏這些酶的作用。大腸桿菌mRNA中有一種高度保守的反向重復序列(IR)，對mRNA的穩(wěn)定性起著重要的作用。IR有利于形成莖環(huán)結(jié)構，防止3'→5'外切酶的降解作用，從而增加mRNA上游部分的半衰期，但對下游部分影響不大。如大腸桿菌麥芽糖操縱子中，malE和malF基因之間存在2個IR，malE的產(chǎn)物要比malF產(chǎn)物的含量高20倍~40倍。malE的3'-端也有2個IR，可以形成莖環(huán)保護其不被外切酶降解，造成malG和malF的mRNA區(qū)域不如malE的區(qū)域穩(wěn)定。本文檔共59頁；當前第52頁；編輯于星期一\13點57分11.4.2反義RNA對翻譯的調(diào)控

大腸桿菌編碼許多小分子調(diào)控RNA，能夠與不同的mRNA結(jié)合，從而在翻譯水平上發(fā)揮調(diào)控作用。由于這些小分子通過與靶RNA進行堿基配對結(jié)合的方式行使功能，因此被稱為反義RNA。

本文檔共59頁；當前第53頁；編輯于星期一\13點57分大腸桿菌有兩種外膜蛋白OmpC和OmpF，分別由ompC和ompF兩個基因編碼。滲透壓增高時，OmpC產(chǎn)量增加，OmpF產(chǎn)量減??；滲透壓下降時，OmpC產(chǎn)量減小，OmpF產(chǎn)量增加。細胞感應滲透壓變化的體系屬于雙組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)。