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Regulation of Gene Expression in Prokaryotes

第二十章. 原核生物基因表达调控. Regulation of Gene Expression in Prokaryotes. 第一节 原核生物基因表达特点 Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes. 具有普遍性； 真核生物研究的借鉴； 开拓了分子识别（ molecular recognition) 的研究； 研究成果应用于实践，具有指导意义。. 操纵子在研究基因表达的重要性. 一、操纵子是原核生物的基因转录单元. 实验模型：细菌的乳糖代谢酶类诱导 突破点 : 乳糖阻遏蛋白基因 lac I 的发现

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Regulation of Gene Expression in Prokaryotes

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Presentation Transcript

  1. 第二十章 原核生物基因表达调控 Regulation of Gene Expression inProkaryotes

  2. 第一节原核生物基因表达特点Characteristics of Gene Expression of Prokaryotes

  3. 具有普遍性； 真核生物研究的借鉴； 开拓了分子识别（molecular recognition)的研究； 研究成果应用于实践，具有指导意义。 操纵子在研究基因表达的重要性 一、操纵子是原核生物的基因转录单元

  4. 实验模型：细菌的乳糖代谢酶类诱导 突破点: 乳糖阻遏蛋白基因lac I的发现 lac I是组成型表达基因，其突变(lac I-)引起管辖的基因族也发生组成型表达 用噬菌体转导方法把野生型(lac I+)转入突变株(lac I-)，逆转了组成型突变 操纵子理论实验依据

  5. 操纵子(operon)是由结构基因及其上游调控序列组成的转录单元，结构基因转录受调控序列控制。操纵子(operon)是由结构基因及其上游调控序列组成的转录单元，结构基因转录受调控序列控制。 调控序列包括远端的阻遏蛋白(repressor)基因I，近端的启动子(promoter, P)和操纵序列(operator, O)。

  6. 启动子 (promoter) 结构基因 阻遏蛋白基因 操纵序列 (operator) 特异DNA序列 蛋白质因子

  7. -35区 -10区 RNA转录起始 trp TTGACA N17 TTAACT N7 A A tRNATyr TTTACA N16 TATGAT N7 lac TTTACA N17 TATGTT N6 A recA N16 TATAAT N7 A TTGATA Ara BAD CTGACG N16 TACTGT N6 A 共有序列 TTGACA TATAAT • 启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。

  8. 阻遏蛋白 启动序列 操纵序列 编码序列 pol • 操纵序列是阻遏蛋白的结合位点 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。

  9. 二、原核生物中mRNA的转录、翻译和降解偶联进行二、原核生物中mRNA的转录、翻译和降解偶联进行

  10. 细菌mRNA所编码的蛋白质数量有很大差异。有的mRNA只带有一个结构基因的信息（编码一个蛋白质），称为单顺反子mRNA（monocistronic mRNA）； 大部分mRNA都是从操纵子转录而成，带有编码几个甚至十几个蛋白质的序列信息，这种mRNA是从几个首尾相连的结构基因（存在于一个操纵子中）一次转录而成，称为多顺反子mRNA（polycistronic mRNA）。 三、mRNA所携带的信息差别很大

  11. 第二节 原核生物基因表达的 转录水平调控 Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level

  12. （一）特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础（一）特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础 在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列，与结构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合，这些特定的DNA序列称为顺式作用元件（cis-acting elements），亦称为顺式调控元件。在原核生物中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合位点、增强子等。 一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋白质结构为基础

  13. 转录起始点 DNA B A 编码序列

  14. E.coli的启动子区

  15. 基因特异性转录因子（gene specific transcription factors）:能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质 激活蛋白或正调控蛋白:对基因表达有激活作用的 蛋白质 阻遏蛋白:对基因表达有抑制作用的蛋白质 （二）调控蛋白具有结合DNA所需的结构特征

  16. 最常见的DNA结合域： 1. 锌指(zinc finger) 常结合GC盒 C —— Cys H —— His

  17. 2 3 1 stand for zinc ion

  18. 2.螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix, HTH） usually binds to CAAT box

  19. （一）σ因子和启动子决定转录是否能够起始 二、特定蛋白质与DNA结合后控制转录起始 启动子及其与转录的关系

  20. （二）阻遏蛋白结合操纵元件对转录起始进行负调控阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与DNA结合后，RNA聚合酶仍有可能与启动子结合，但不能形成开放起始复合物，不能启动转录；这种作用称为阻遏（repression），特定的信号分子与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失活，从DNA 上脱落下来，称为去阻遏，或脱阻遏（derepression）。

  21. 阻遏蛋白都可以与信号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与DNA结合，或者与DNA解离。在可诱导型操纵子中，信号分子使阻遏物从DNA释放下来，解除对转录的抑制作用；在可阻遏型操纵子中，信号分子使阻遏物结合DNA，抑制转录。在两种情况下，阻遏蛋白结合于DNA后都是抑制转录，这种类型的基因表达调控称为负调控。阻遏蛋白都可以与信号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与DNA结合，或者与DNA解离。在可诱导型操纵子中，信号分子使阻遏物从DNA释放下来，解除对转录的抑制作用；在可阻遏型操纵子中，信号分子使阻遏物结合DNA，抑制转录。在两种情况下，阻遏蛋白结合于DNA后都是抑制转录，这种类型的基因表达调控称为负调控。

  22. 调控区 结构基因 y z a DNA P O z： β-半乳糖苷酶 y： 通透酶 a：乙酰基转移酶 操纵序列 I基因 启动子 CAP结合位点 1. 乳糖操纵子是可诱导型操纵子 • 乳糖操纵子的结构

  23. 阻遏基因 pol DNA I P O z y a mRNA 阻遏蛋白 • 乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭 没有乳糖存在时

  24. DNA I P O z y a 启动转录 mRNA mRNA β-半乳糖苷酶 pol 阻遏蛋白 半乳糖 乳糖 • 乳糖操纵子被诱导物开放 有乳糖存在时

  25. 2. 色氨酸操纵子是可阻遏操纵子 合成代谢操纵子由合成产物关闭 合成代谢操纵子在基础状态下持续开放，在产物达到满足需要量时才关闭。

  26. 分解和合成代谢的操纵子

  27. Trp 色氨酸操纵子的作用原理 调节区 结构基因 P O RNA聚合酶 trpR RNA聚合酶 Trp 低时 mRNA Trp 高时 操纵子关闭

  28. 1．正调控蛋白可结合启动子邻近序列进行 调控 （三）激活蛋白结合正调控元件而对转录起始进行正调控 2．激活蛋白结合增强子可远距离进行转录 起始正调控

  29. ntrC蛋白对转录的正调控作用

  30. （一）去阻遏和正调控机制对转录起始进行 双重调控 1．乳糖操纵子受阻遏蛋白（负性调节）和 CAP（正性调节）的协调调节 三、原核基因表达的转录过程可通过不同模式进行调控

  31. 共有序列 TTGACA TATAAT 乳糖操纵子由cAMP-CAP系统进行正调控 lac TTTACA N17 TATGTT N6 A • 乳糖操纵子是弱启动子，被RNA-pol结合后，还需cAMP-CAP（分解代谢物基因活化蛋白）活化

  32. CAP CAP CAP CAP CAP CAP + + + + 转录 DNA P O Z Y A CAP结合位点 无葡萄糖，cAMP浓度高时 CAP 有葡萄糖，cAMP浓度低时

  33. RNA-pol O O mRNA O O 低半乳糖时 高半乳糖时 葡萄糖低 cAMP浓度高 Ｉ 无转录 葡萄糖高cAMP浓度低 Ｉ 低水平转录 无转录

  34. 2．AraC的别构调节使阿拉伯糖操纵子调控更精细2．AraC的别构调节使阿拉伯糖操纵子调控更精细 阿拉伯糖操纵子的转录起始调控

  35. 色氨酸操纵子(trp operon)除了产物阻遏负调控外，还有转录衰减(attenuation)调控方式。 衰减是转录-翻译的偶联调控。 （二）色氨酸操纵子的弱化机制实质是 转录与翻译调控的偶联

  36. Trp 色氨酸操纵子的作用原理 调节区 结构基因 P O RNA聚合酶 trpR RNA聚合酶 Trp 低时 mRNA Trp 高时 ?

  37. 结构基因 调节区 P O trpR 前导mRNA 1 2 3 4 UUUU…… 终止密码子 trp 密码子 衰减子区域 衰减子结构 UUUU…… UUUU…… UUUU…… 前导序列 14aa前导肽编码区: 包含序列1 第10、11密码子为trp密码子 形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4

  38. 前导DNA UUUU 3’ 3 4 UUUU…… 1 2 4 核糖体 3 5’ trp 密码子 转录衰减机制 RNA聚合酶 前导mRNA 衰减子结构 就是终止子 可使转录 终止 UUUU 3’ 前导肽 • 当色氨酸浓度高时

  39. 前导DNA 结构基因 3 4 UUUU…… 1 2 2 3 5’ 4 UUUU…… 核糖体 trp 密码子 Trp合成酶系相关 结构基因被转录 RNA聚合酶 前导mRNA 序列3、4不能形成衰减子结构 前导肽 • 当色氨酸浓度低时

  40. 启动序列 启动序列 DNA hin I H2 H1 H2鞭毛素 Hin重组酶 阻遏蛋白 hin I H2 H1 转位片段 H1鞭毛素 （三）DNA片段倒位和阻遏蛋白的协同作用 沙门菌鞭毛素基因的调节

  41. 原核生物基因 表达的翻译水平调控 第三节 Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Translation Level

  42. （一）SD序列的碱基序列影响翻译起始的效率 （二）SD序列的定位影响翻译起始的效率 一、SD序列决定翻译起始效率 红霉素甲基化酶mRNA的翻译调控

  43. 二、mRNA的稳定性是决定翻译产物量的重要因素二、mRNA的稳定性是决定翻译产物量的重要因素 • 与减少表达量一样，降低mRNA稳定性也是基因表达调控方式 • 原核生物mRNA分子某些片段，例如发夹有RNase抗性。 • 细胞内有结合RNA、使之免受RNase降解的保护蛋白。 • 近年发现，内源或外源的小分子RNA可特异互补结合细胞RNA，使其失去功能。

  44. 核糖体蛋白控制多顺反子mRNA的翻译 翻译终止因子RF-2调节自身的翻译 三、翻译产物可对翻译过程产生反馈调节效应

  45. 核糖体蛋白与rRNA 合成是互相协调的 • 原核生物的16S rRNA与21种核糖体蛋白(ribosomal proteins)，简称r-蛋白，组成核糖体小亚基；5S和23S rRNA与31种r-蛋白组成大亚基。大、小亚基在翻译起始组合为70S核糖体。 • 蛋白质合成是生存的最基本需要，细胞必然要严格控制rRNA和r-蛋白的比例。

  46. r-蛋白基因在各个操纵子上转录为多顺反子 核糖体蛋白基因与RNA pol 亚基基因的多顺反子

  47. 这类操纵子有转录-翻译偶联调控现象，称为自我调节（autogenous control）。

  48. （一）小分子RNA参与基因表达产物类型转 换的调控 （二）小分子RNA参与维持极低水平的基因 表达 四、小分子反义RNA参与调节蛋白质合成

  49. 大肠杆菌渗透压调节中mic RNA的调节作用

  50. 小分子RNA 在翻译水平的调控作用

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