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1、原核生物基因表达的调控,主要内容,概述乳糖操纵子色氨酸操纵子原核生物基因表达的时序原核生物翻译水平上的调控,一、概述,（一）基因表达(gene expression)的概念,Definition:基因转录及翻译的过程,（二）基因的可调控性,Definition:又称管家基因(housekeeping genes)是维持细胞生存必需的一类基因，在各类细胞中都处于活性状态。,组成型基因(constitutive genes),调控型基因(regulated genes),Definition:又称奢侈基因(luxury genes)在不同组织细胞中选择表达的基因。根据细胞生长、发育的需要或环境因素
2、的改变，其活性受到调控。,持家基因,奢侈基因,结构基因(structural genes):编码有功能产物（RNA或蛋白质）的基因。调控基因(regulatory genes):编码那些控制其他基因表达的RNA或蛋白质的基因。,（三）结构基因和调控基因,正调控(positive regulation):与缺乏调控因子比较，调控因子使靶基因的表达水平上升。负调控(negative regulation):调控因子使靶基因的表达水平下降，甚至关闭。,（四）正调控和负调控,诱导(induction):在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因是可诱导的.阻遏(repressi
3、on):如果基因对环境信号应答时被抑制，基因表达产物水平降低.,（五）诱导和阻遏,（六）效应物,使阻遏蛋白失活或使激活蛋白激活，从而实现诱导。,使阻遏蛋白激活或使激活蛋白失活，从而实现阻遏。,诱导物(inducer),辅阻遏物(co-repressor),（七）原核生物基因表达的控制模式,阻遏,阻遏,诱导,诱导,可诱导的系统,可诱导的负调控,可诱导的正调控,阻遏,诱导,可阻遏的系统,可阻遏的负调控,可阻遏的正调控,阻遏,诱导,1961年Monod和Jacob提出操纵子学说1965年诺贝尔生理学和医学奖,（八）操纵子(operon),1940年，Monod发现：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培养
4、基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗尽后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿，即产生“二次生长曲线”。,1.操纵子学说,乳糖对半乳糖苷酶的合成有诱导作用。葡萄糖对半乳糖苷酶的合成有抑制作用。,1961年，操纵子学说由Jacob和Monod提出1965年诺贝尔生理学和医学奖,原核生物基因表达、调控的基本形式；由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调控基因产物的控制。,2.操纵子定义,二、乳糖操纵子(lac operon),（一）乳糖操纵子的结构和功能,阻遏蛋白存在时，阻止Lac操纵子转录阻遏蛋白缺乏或无活性时，Lac操纵子的基因开启。,（二）lac
5、操纵子的负调控,可诱导的负调控,诱导物(如乳糖、IPTG)存在时，与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋白的构象，使其不能与LacO结合，基因开始转录。,安慰诱导物 gratuitous inducer：能高效诱导酶的合成但不被所诱导的酶分解的分子。如：IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）,1.操纵基因lacO的结构,Definition:操纵基因(operator,O)是原核生物操纵子中被调控蛋白识别并结合的DNA区域。,lacO是-5至+21的序列，与启动子右末端重叠,lacO的序列，以+11为对称轴具有反向重复序列,2.阻遏蛋白（repressor）,N端有结合DNA的能力两核心区之间有结合诱导物的位点C
6、端有亚基聚合位点,阻遏蛋白是由相同亚基组成的同源四聚体(tetramer),3.阻遏蛋白与诱导物的作用,诱导物作用的两种模型,平衡模型：,阻遏蛋白与DNA结合和释放是一个快速动态平衡过程，,诱导物与游离的阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白不能与DNA 结合,解离模型：,诱导物直接同结合在DNA上阻遏蛋白结合，使其构象改变，从操纵基因上解离。,Virtually all the repressor in the cell is bound to DNA,LacZ突变：半乳糖苷酶基因的突变，因而不能分解利用乳糖lacY 突变：半乳糖透性酶基因的突变，不能从培养基中吸收乳糖,4.结构基因和调控基因的突变分析,
7、结构基因的突变,不可诱导型突变,操纵基因lacO的突变,阻遏蛋白不能与之结合，使阻遏蛋白不能阻止RNA 聚合酶起始转录，操纵子不断地表达，是组成型表达,调控基因的突变,阻遏蛋白失活，不能与操纵基因结合，操纵子不断地表达，是组成型表达,它不仅本身不能和操纵基因结合，而且能参与形成四聚体，妨碍“好”亚基与操纵基因结合。,使阻遏蛋白对诱导物不起反应。因为阻遏蛋白失去了结合诱导物的位点，或它不能将其作用传递给DNA 结合位点。,通过突变确认并绘制LacI 基因内不同的功能区,（四）lac操纵子的正调控,cAMP-CAP结合结合于启动子上游的激活区域，帮助RNA聚合酶形成开放型起始复合物，促进转录起始。
8、分解代谢物激活蛋白(Catabolite activator protein，CAP)：转录的活化因子，直接作用于操纵子，激活基因转录。CAP需要cAMP存在时才有活性。,CAP是二聚体，被单个cAMP激活,1.分解代谢阻遏作用,葡萄糖降低细胞内cAMP 水平,使CAP失活，lac操纵子不能表达,不能利用乳糖.,分解代谢阻遏作用（catabolite repression）：在细胞中，优先利用葡萄糖作碳源，而不使用其他糖类这种选择，是由葡萄糖的分解代谢物控制的。,2.CAP的作用位点,乳糖操纵子控制区域,对L1进行缺失突变分析，L1的右边区域突变表现出乳糖操纵子本底水平的转录，cAMP-CAP
9、不能刺激转录。表明L1区域的缺失突变丧失了CAP结合位点，保留有启动子区域。,CAP蛋白是二聚体CAP 结合的共有序列有2个保守的5 碱基序列TGTGA,3.CAP的作用机制,（1）cAMP-CAP通过与RNA聚合酶亚基CTD相互作用，促进RNA聚合酶同启动子的结合。（2）cAMP-CAP结合DNA后，使其弯曲。使RNA聚合酶结合更紧密，也促进了cAMP-CAP同RNA聚合酶的结合，有利于形成开放型起始复合物，促进转录起始。,CAP-cAMP激活作用的模型,促进RNA聚合酶对-35和-10序列的识别和结合，有利于形成开放型起始复合物,CAP存在原因,5.lac操纵子正负调控的协调作用,两种调控
10、机制根据存在的C源性质和水平协调的调节lac操纵子的表达。,无乳糖:阻遏蛋白结合于操纵基因，转录不能起始。,有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。有葡萄糖:cAMP，CAP失活，不能激活基因转录，lac操纵子本底水平转录。,有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。无葡萄糖:CAP活化，激活基因转录，lac操纵子高水平转录。,三、色氨酸操纵子(trp operon),（一）trp operon的结构,（二）trp operon的负调控,Trp是辅阻遏物 低浓度Trp或缺乏Trp时，脱辅基阻遏蛋白没有活性，不能与操纵基因结合，结构基因转录。,可阻遏的负调控,高浓度Trp时，Trp与脱辅基阻遏蛋白结合，使其具有结
11、合操纵基因的构象，阻遏结构基因转录。,（三）trp operon的衰减作用,前导序列：在trp mRNA 5端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。,Definition:衰减子又称弱化子(attenuator)DNA中可导致转录过早终止的一段核苷酸序列,前导序列特点,3区和4区富含GC,容易形成茎环二级结构,接着有8个连续的U,构成不依赖因子的终止子,使mRNA合成提前终止.,由1区和2区还可构成第二个发夹结构,2区也可与3区互补,就会阻止3区和4区形成发夹结构,即不形成终止信号,衰减作用机制,Trp leader RNA:,Translation of Trp leade
12、r RNA:,衰减作用的信号：细胞内色氨酰-tRNA的多少,trp存在时，核糖体能合成前导肽，核糖体伸展到2区，阻碍1区和2区配对，结果3区同4区配对形成终止子结构，RNA合成终止.,没有trp时，核糖体在1区的trp密码子停留较长时间，阻碍1区和2区配对，2区同3区配对，4区不能形成终止子,RNA继续合成.,Gly饥俄时，核糖体停在GGU上，1区和2区部分配对，3区和4区能形成终止子，trp操纵子不能表达；Thr饥俄时，核糖体停在AUC上，3区和4区仍能形成终止子，trp操纵子不能表达；Arg饥俄时，影响1区和2区配对，但不影响2区和3区形成茎环结构，结果不能形成终止信号，RNA聚合酶继续转
13、录。,其他aa饥饿对trp衰减子的作用,四、原核生物基因表达的时序,时序调控方式,因子的更换合成新的RNA聚合酶合成新的调控因子,影响转录终止,因子的更换,大肠杆菌中的各种因子比较,温度较高,诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA pol与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要.枯草芽孢杆菌的芽孢形成 有序的因子的替换,RNA pol识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达,抗终止作用,噬菌体,早期转录:产生pN和Cro蛋白,晚期转录:pN导致转录延伸到晚早期,pN抗终止的机制,pN结合在转录产物的nut位点，并同结合于RNA pol的Nus复合物
14、相互作用，改变了RNA pol的构象，减弱了RNA pol的停顿，引起抗终止作用。,pN,四、原核生物基因在翻译水平的调控,翻译的调控主要发生在起始阶段,（一）翻译的自我调控,1.mRNA翻译受自我蛋白质产物的调控,mRNA翻译产物作为一种阻遏蛋白发挥作用。通过阻遏蛋白与mRNA 的特定区域结合，抑制核糖体对翻译起始区的识别。,结合mRNA的自体蛋白可以阻遏翻译,核糖体蛋白质（r-proteins）的自我调控,存在游离rRNA时，r-蛋白与rRNA结合装配核糖体。没有游离的r-蛋白与mRNA结合，mRNA的翻译继续。,rRNA控制r-蛋白水平,rRNA合成减慢或停止，游离r-蛋白富集，就能与m
15、RNA 结合，阻止继续翻译。,2.mRNA的二级结构对翻译的控制,RNA 噬菌体mRNA上有2个翻译起始位点。但只有一个可利用的起始位点，另一个被包在茎环结构中，因而核糖体不能识别它。当第一个顺反子被翻译时，RNA的构象发生改变，使其它起始位点也能被利用。,（二）稀有密码子对翻译的影响,40000个/cell,2800个/cell,50个/cell,Ile密码子使用频率比较,翻译一旦开始，其速度就受对应于mRNA分子所利用的tRNA的供应情况而决定。细胞中对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用稀有密码子,翻译容易受阻，延长了核糖体在mRNA上的移动时间，降低翻译速度，影响合成总量。,（三）
16、反义RNA对翻译的调控,Definition:反义RNA（Antisense RNA)：指与靶RNA(或DNA)具有互补序列的调控RNA。,转录产生反义RNA的基因称为反义基因通过互补RNA序列与特定靶mRNA结合而起负调控作用。反义RNA结合位点通常是mRNA的SD序列、起始密码子和N端的部分密码子把这类干扰mRNA作用的互补RNA称为micRNA(mRNA-interfering complementary RNA),即反义RNA.,反义RNA可与RNA 结合，阻塞核糖体与之结合的位点，从而阻止蛋白质的合成,反义RNA也可与mRMA 结合，形成双螺旋结构，成为内切酶的底物，使mRNA变得不
17、稳定。,反义RNA也可与转录物结合，形成类似于终止子的结构，使转录提前结束。,本章总结,概念（）：管家基因(housekeeping genes)、操纵子(operon)、衰减子(attenuator)、反义RNA（Antisense RNA)几组名词：管家基因与奢侈基因、结构基因与调控基因、正调控与负调控、诱导与阻遏、诱导物与辅阻遏物原核生物基因表达的控制模式乳糖操纵子（lac operon)的调控机制和重要作用（）试说明色氨酸操纵子（Trp operon)的调控机制和重要作用（）。原核生物基因表达的时序(3种方式)原核生物翻译水平上的调控（）,1.mRNA(信使RNA)：进行遗传信息的传递
18、，作为蛋白质合成的模板2.rRNA（核糖体RNA）：可装配成核糖体，参与蛋白质合成。核糖体是蛋白质合成的场所。3.tRNA（转运RNA）：携带氨基酸，在蛋白质的合成中起接头作用4.snRNA(核内小分子RNA)：它是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体（spilceosome）的主要成分。5.核酶：泛指具有催化功能的RNA的分子。内含子的自我剪接等6.SiRNA（小干扰性RNA）：抑制病毒、转座子等外源基因的表达,附：RNA的功能,7.端粒酶中的RNA：与端粒的复制有关8.hnRNA（核内不均一RNA）：是mRNA的前体9.反义RNA：可与mRNA或有义DNA链互补导致正常翻译终止的RNA分子
19、。10.snoRNA（小分子核仁RNA）：参与rRNA前体的加工11.gRNA(指导RNA)：指导RNA的编辑12.基因组RNA：储存遗传信息，如RNA病毒13.scRNA（胞质小RNA）：参与蛋白质的合成和运输,如SRP颗粒就是一种由一个7SRNA和蛋白质组成的核糖核蛋白体颗粒,主要功能是识别信号肽,并将核糖体引导到内质网。,叙述由一段DNA序列形成多种蛋白产物的机制。阅读框不同、抗终止作用、选择性剪接和RNA编辑。重叠基因在X174中最早发现，两个邻近的基因以一种巧妙的方式发生重叠，转录出来的mRNA以不同的阅读框阅读并被表达，产生两种以上的蛋白产物。在噬菌体中有不同时期表达的操纵子，如左
20、向早期操纵子可以转录出两种mRNA，这是由于依赖于因子的终止作用以及早期基因编码的抗终止蛋白的抗终止作用造成的。抗终止蛋白与RNA聚合酶结合后改变了RNA pol的构象，减弱了RNA pol的停顿，使其不再识别弱终止子，从而使一段DNA可以转录出多种mRNA，从而产生两种以上的蛋白产物。,真核生物的hnRNA含有内含子，通过剪接可将其除去形成mRNA,但有的高等真核细胞存在选择性剪接，即来自一个基因的RNA，其某个内含子的5 供体在不同的条件下和不同内含子的3受体进行剪接，从而将来自一个基因的mRNA前体剪接产生多种mRNA，翻译出不同的蛋白质。另外，在真核生物中存在RNA编辑，将mRNA在转录后进行插入、缺失或核苷酸的替换，改变DNA 模板的遗传信息，从而翻译出氨基酸序列不同的多种蛋白质。,thanx:),
