最新原核基因表达调控-1精品课件.ppt
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1、原核基因表达调控原核基因表达调控-1基因表达基因表达(gene expression)是指储存遗传信息的基因是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译,产生有生物活性的典型的基因表达是基因经过转录、翻译,产生有生物活性的蛋白质的过程。蛋白质的过程。rRNA或或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或或tRNA,也是,也是rRNA或或tRNA的基因表达,因为的基因表达,因为rRNA或或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。就具有在蛋白质翻译方面的功能。一、
2、 基因表达调控总论2 2、适应性表达、适应性表达( (adaptive expression) )指环境的变化容易使其表达水平改变的一类基因表达。 诱导(induction):是指在特定环境因素刺激下,基因被激活,从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。 DNA损伤 修复酶基因激活 乳糖 利用乳糖的三种酶表达 阻遏(repression):是指在特定环境因素刺激下,基因被抑制,从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。 色氨酸 色氨酸合成酶系 在原核和单细胞真核生物中,通过改变基因表在原核和单细胞真核生物中,通过改变基因表达适应环境,对于细胞的生存非常重要。达适应环境,对于细
3、胞的生存非常重要。 如有充足的葡萄糖,细菌就可利用葡萄糖作能源和碳源;当没有葡萄糖时,细菌就要适应环境中存在的其它糖类(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等),开放能利用这些糖类的酶的基因,以满足生长的需要。 即使室内环境保持稳定的高等哺乳类,也经常要变动基因的表达来适应环境。例如与适宜温度下生活相比较,在冷或热环境下适应生活的动物,其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同。 长期摄取不同的食物,体内合成代谢酶类的情况也会有所不同。 基因表达调控是生物适应环境生存所必需的。基因表达调控是生物适应环境生存所必需的。 基因表达调控主要表现在以下几个方面:基因表达调控主要表现在以下几个方面: 转录水平上的调控转录
4、水平上的调控(transcriptional regulation); mRNA加工成熟水平上的调控加工成熟水平上的调控(differential processing of RNA transcript); 翻译水平上的调控翻译水平上的调控(differential translation of mRNA). 原核生物中,营养状况原核生物中,营养状况(nutritionalstatus)和环境因素和环境因素(environmental factor)对基因表达起着举足轻重的影响。对基因表达起着举足轻重的影响。在真核生物尤其是高等真核生物中,激素水平在真核生物尤其是高等真核生物中,激素水平(h
5、ormone level)和发育阶段和发育阶段(developmental stage)是基因表达调控的最是基因表达调控的最主要手段,营养和环境因素的影响力大为下降。主要手段,营养和环境因素的影响力大为下降。 基因表达是一个多步骤的过程,表达的产物是具基因表达是一个多步骤的过程,表达的产物是具有一定功能的蛋白质。基因表达的每一环节以及有一定功能的蛋白质。基因表达的每一环节以及表达产物的稳定性均可作为调控的位点,理论上,表达产物的稳定性均可作为调控的位点,理论上,一种基因表达的调控可以在多种水平上展开,包一种基因表达的调控可以在多种水平上展开,包括括DNA水平、转录水平、转录后加工水平、翻译水平
6、、转录水平、转录后加工水平、翻译水平、翻译后加工水平等。但在所有调控方式中,水平、翻译后加工水平等。但在所有调控方式中,从节省能量的角度来看,对基因表达关闭的越早从节省能量的角度来看,对基因表达关闭的越早越好,这样不至于将能量浪费在越好,这样不至于将能量浪费在mRNA和蛋白质和蛋白质的合成上。就这一点而言,的合成上。就这一点而言,转录的起始阶段是最转录的起始阶段是最佳调控位点。佳调控位点。基因表达调控的环节基因表达调控的环节 多级调控多级调控 基因表达调控基因表达调控可见于从基因激活可见于从基因激活到蛋白质生物合成到蛋白质生物合成的各个阶段,的各个阶段,因此因此基因表达的调控可基因表达的调控可
7、分为转录水平(基分为转录水平(基因激活及转录起因激活及转录起始),转录后水平始),转录后水平(加工及转运),(加工及转运),翻译水平及翻译后翻译水平及翻译后水平,但以转录水水平,但以转录水平的基因表达调控平的基因表达调控最重要。最重要。 转录水平的调控转录水平的调控是调控DNA模板上转录特定mRNA的速度,通常主要是对转录起始的调控;有时也可对转录终止过程进行调控,一般对延伸过程不容易进行调控。 在真核细胞中,也可以对在真核细胞中,也可以对mRNA的加工过程,的加工过程,包括修饰、剪接和运输等进行调控。而在原包括修饰、剪接和运输等进行调控。而在原核细胞中核细胞中mRNA一旦合成,就可用于指导蛋
8、一旦合成,就可用于指导蛋白质的合成,无需加工,因此,无法在这一白质的合成,无需加工,因此,无法在这一步骤进行调控。步骤进行调控。 翻译水平的调控翻译水平的调控,也象转录水平的调,也象转录水平的调控一样,通常是控一样,通常是通过对起始阶段和终通过对起始阶段和终止阶段的调控实现的止阶段的调控实现的。顺式作用元件与反式作用因子顺式作用元件与反式作用因子 结构基因(structural gene) 编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和RNA的基因。 调控基因(regulator gene) 编码蛋白质或RNA来调节其他基因表达的基因。结构基因与调控基因结构基因与调控基因阻遏物(repressor):
9、阻止基因表达的蛋白质,可与操纵基因结合来阻止转录或结合RNA来阻止蛋白质的翻译。操纵基因(operator): DNA上的一个位点,阻遏物能与之结合抑制相邻启动子起始转录。操纵子(operon): 细菌基因表达和调控的单位,包括结构基因和能被调控基因产物识别的 DNA控制元件。阻遏物、操纵基因与操纵子阻遏物、操纵基因与操纵子: 通过小分子诱导物参与, 使阻遏物失活或活化激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控 。通过小分子辅阻遏物参与,使激活剂失活或活化阻遏物来实现基因或操纵子不表达的调控。诱导与阻遏诱导与阻遏二、 转录水平的调控1. 转录调控的原理转录调控的原理2. 原核生物转录调控的操纵子学说
10、原核生物转录调控的操纵子学说3. 乳糖操纵子的调控乳糖操纵子的调控1. 转录调控的原理 基因表达由调控蛋白控制基因表达由调控蛋白控制 基因常常由外部信号控制;这些信号由调基因常常由外部信号控制;这些信号由调控蛋白传递给基因。控蛋白传递给基因。 调节蛋白通常都是调节蛋白通常都是DNA结合蛋白结合蛋白,它们,它们识别受其控制的基因上或基因附近的特识别受其控制的基因上或基因附近的特异位点。异位点。 基因的表达模式都可根据控制的效果分为正调控和负基因的表达模式都可根据控制的效果分为正调控和负调控。如果是在转录水平的调控,这两种调控模式一调控。如果是在转录水平的调控,这两种调控模式一般都涉及到特定的调节
11、蛋白与般都涉及到特定的调节蛋白与DNA特定序列之间的相特定序列之间的相互作用。一般将与调节蛋白结合的特定互作用。一般将与调节蛋白结合的特定DNA序列称为序列称为顺式作用元件顺式作用元件,而对于原核生物来说,这样的顺式作,而对于原核生物来说,这样的顺式作用元件经常被称为用元件经常被称为操纵基因操纵基因。 如果是负调控如果是负调控,则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活,则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活的情况下,基因正常表达。一旦存在调节蛋白或者调的情况下,基因正常表达。一旦存在调节蛋白或者调节蛋白被激活,基因则不能表达。因此,负调控中的节蛋白被激活,基因则不能表达。因此,负调控中的调节蛋白被称为调节蛋
12、白被称为阻遏蛋白阻遏蛋白; 如果是正调控如果是正调控,则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活,则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活的情况下,基因不表达或者表达量不足。一旦有调节的情况下,基因不表达或者表达量不足。一旦有调节蛋白或者调节蛋白被激活,基因才能表达或者大量表蛋白或者调节蛋白被激活,基因才能表达或者大量表达。因此,正调控中的调节蛋白被称为达。因此,正调控中的调节蛋白被称为激活蛋白激活蛋白。正调控与负调控模式的比较正调控与负调控模式的比较 正调控系统 调节基因的产物是激活蛋白 根据激活蛋白的作用性质,又可分为可诱导的正调控和可阻遏的正调控。 负调控系统 调节基因的产物是阻遏蛋白。 根据其作用特征又
13、可分为可诱导的负调控和可阻遏的负调控。 原核生物的基因调控主要发生在转录水平上,根据调控机原核生物的基因调控主要发生在转录水平上,根据调控机制的不同可分为制的不同可分为负转录调控负转录调控和和正转录调控正转录调控。 在负转录调控系统中,调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor)。根据其作用特征又可分为负控诱导系统和负控阻遏系统二大类。 在正转录调控系统中,调节基因的产物是激活蛋白(activator)。也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导系统和正控阻遏系统。阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白转录激活转录激活负控诱导负控诱导正控诱导正控诱导转录抑制转录抑制负控阻遏负控阻遏正控阻遏正控阻遏1.
14、 3 调控蛋白对转录起始的调控 无调控蛋白存在时,无调控蛋白存在时,RNA聚合酶只是微弱的结聚合酶只是微弱的结合在启动子上。这是因为该启动子组分不完整。合在启动子上。这是因为该启动子组分不完整。 当聚合酶结合了启动子时,它会自动的经由封闭当聚合酶结合了启动子时,它会自动的经由封闭复合体到开放复合体的转变而起始转录。这导致复合体到开放复合体的转变而起始转录。这导致基因的组成型表达基因的组成型表达(constitutive expression)或或称为称为本底水平(本底水平(basal level)表达表达。这种情况下。这种情况下RNA聚合酶的结合是限速步骤聚合酶的结合是限速步骤(图图16-1a
15、) 阻遏物阻遏物控制某一基因的起始转录,是通过其结控制某一基因的起始转录,是通过其结合到合到RNA聚合酶结合的位点,以阻碍聚合酶结聚合酶结合的位点,以阻碍聚合酶结合到启动子上,从而而阻止转录(图合到启动子上,从而而阻止转录(图16-1b)。)。 DNA上阻遏物结合的位点称为操纵基因。上阻遏物结合的位点称为操纵基因。 活化子通过协助聚合酶结合到启动子上从而激活该启动子开活化子通过协助聚合酶结合到启动子上从而激活该启动子开始的转录。始的转录。 活化子以其一个表面结合到启动子附近的某一活化子以其一个表面结合到启动子附近的某一DNA位点;同位点;同时以另一表面与时以另一表面与RNA聚合酶相互作用,将聚
16、合酶带到启动子聚合酶相互作用,将聚合酶带到启动子(图(图16-1c)。)。 活化子与活化子与RNA聚合酶的相互作用,以及活化子与聚合酶的相互作用,以及活化子与DNA的相的相互作用,只起到黏合作用:活化子只是将酶带到启动子附近。互作用,只起到黏合作用:活化子只是将酶带到启动子附近。 一旦聚合酶结合到启动子上,它就自动的使闭合复合体转变一旦聚合酶结合到启动子上,它就自动的使闭合复合体转变为开放复合体,并起始转录。为开放复合体,并起始转录。一些活化子通过协助聚合酶结合到启动子上从而激活转录的开始某些活化子通过变构和调控RNA聚合酶或DNA的构象改变而起作用 在有些情况下,在有些情况下,RNA聚合酶不
17、需要协助就可以聚合酶不需要协助就可以结合在结合在DNA上并形成稳定的闭合复合体,但是上并形成稳定的闭合复合体,但是这一闭合复合体却不能自动转变为开放复合体这一闭合复合体却不能自动转变为开放复合体(图(图16-2a)。)。在这种启动子上,必须由活化在这种启动子上,必须由活化子刺激闭合复合体转变为开放复合体,因此,子刺激闭合复合体转变为开放复合体,因此,这一转变就是限速步骤。这一转变就是限速步骤。 活化子与稳定的闭合复合体相互活化子与稳定的闭合复合体相互作用诱导构象发生改变,引起闭作用诱导构象发生改变,引起闭合复合体向开发复合体的转变。合复合体向开发复合体的转变。 前面所述的前面所述的DNA结合蛋
18、白(调结合蛋白(调节蛋白和节蛋白和RNA聚合酶)的相互聚合酶)的相互作用,是假定这些蛋白结合在作用,是假定这些蛋白结合在DNA上的临近的位点。上的临近的位点。 有些相互作用的蛋白质结合在有些相互作用的蛋白质结合在DNA上相距较远的位点,在这上相距较远的位点,在这种情况下,为了使蛋白质相互作种情况下,为了使蛋白质相互作用,结合位点之间的用,结合位点之间的DNA就会就会环化,使蛋白结合位点彼此靠近环化,使蛋白结合位点彼此靠近(图(图16-3) 1.4 远程激活和DNA环化远程调控 活化子结合位点一般位于启动子上游(活化子结合位点一般位于启动子上游(150bp-1kb或更远或更远)也能发挥作用。也能
19、发挥作用。 抑制子相互作用使抑制子相互作用使DNA形成环化的情况也不少。形成环化的情况也不少。 DNA上相距较远的位点通过环化靠近的方式之上相距较远的位点通过环化靠近的方式之一是在这些一是在这些DNA序列上再结合其它蛋白质。序列上再结合其它蛋白质。 如在活化子结合位点和启动子之间另如在活化子结合位点和启动子之间另有蛋白结合,使有蛋白结合,使DNA弯曲,协助活化弯曲,协助活化子和聚合酶相互作用。子和聚合酶相互作用。Jacob和Monod等人对E. coli利用乳糖的适应现象进行研究,1961年提出乳糖操纵子(lac operon)学说。2 原核细胞转录调控的操纵子学说原核细胞转录调控的操纵子学说
20、 操纵子的概念:操纵子的概念:操纵子是原核生物基因表达操纵子是原核生物基因表达调控的功能单位;它的组成元件包括有调节基调控的功能单位;它的组成元件包括有调节基因、操作子和一系列结构基因因、操作子和一系列结构基因。操作子可以被操作子可以被调节基因的产物即调节蛋白)识别调节基因的产物即调节蛋白)识别。 原核生物中在同一代谢途径中功能相关的蛋白原核生物中在同一代谢途径中功能相关的蛋白的编码基因排列在一起组成一个操纵子,转录的编码基因排列在一起组成一个操纵子,转录成多顺反子成多顺反子mRNA。结构基因群结构基因群一个操纵子中一般含有2个以上的结构基因(structural gene, SG),每个结构
21、基因是一个连续的开放读框(open reading frame),5-端有翻译起始码,3-端有翻译终止码。各结构基因头尾衔接、串连排列,组成结构基因群。 操纵子的组成元件操纵子的组成元件在第一个结构基因5侧具有核糖体结合位点核糖体结合位点(ribosome binding site, RBS),当这段含多个结构基因的DNA被转录成多顺反子mRNA,就能被核糖体所识别、结合、并起始翻译。启动子启动子 启动子(promoter,P)是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。 操纵子至少有一个启动子,控制整个结构基因群的转录。不同启动子因序列差异而与RNA聚合酶的亲和力不同,启动
22、转录的频率有高有低,即起动基因转录的强弱不同。 操作子操作子操作子(operator, O)是一段能被调控蛋白特异性结合的DNA序列。操作子常与启动子邻近或重叠,当调控蛋白结合在操纵基因上,会影响其下游基因的转录。 乳糖操纵子中的操作子(o)序列位于启动子(p)与被调控的基因之间,部分序列与启动子序列重叠。 操作子序列具有回文(palindrome)结构。许多操纵子都具有类似的对称性序列,可能与特定蛋白质的结合相关。 终止子终止子终止子(terminator T)是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。操纵子中结构基因群最后一个基因的末端存在一个终止子。终止子按其作用可分为不依赖因子的强终
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