分子遗传课件071110第七章 原核基因表达调控

第七章原核生物基因表达调控第一节概述机体能在基因表达过程的任何阶段进行调控调控可在转录阶段、转录后加工阶段和翻译阶段进行。但主要是发生在表达的开始阶段，转录阶段。这样可避免浪费能量合成不必要的表达产物。转录和翻译水平的调控也主要是在各自过程的起始阶段，终止阶段也可进行调控，但一般不在延伸阶段进行调控。第一节概述1.顺式作用元件和反式作用因子基因活性的调控主要通过反式作用因子(通常是蛋白质)与顺式作用元件(通常在DNA上)相互作用而实现游离基因产物扩散至其目标场所的过程称为反式作用trans-acting基因是编码可扩散产物的DNA序列。最重要的特征是基因产物将从合成的场所扩散到发挥作用的场所。反式作用因子trans-actingfactor的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上发挥顺式作用cis-acting的DNA序列，只在原位发挥作用，它仅影响与其在物理上相连的DNA顺式调节序列最终发挥作用的分子主要DNA，也可以是RNA。第一节概述1.顺式作用元件和反式作用因子反式作用因子trans-actingfactor的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上发挥顺式作用cis-acting的DNA序列，只在原位发挥作用，它仅影响与其在物理上相连的DNA顺式调节序列最终发挥作用的分子主要DNA，也可以是RNA。顺式作用元件cis-actingelement是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；同时，这种DNA序列通常编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。第一节概述1.顺式作用元件和反式作用因子2.结构基因和调节基因结构基因structuregene是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因编码着大量功能各异的蛋白质，所编码的蛋白质有组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、有催化活性的酶和调节蛋白等。调节基因regulatorgene是参与其他基因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关健调节物与DNA特定位点相互作用能以正调控的方式(启动或增强基因表达活性)调节靶基因，也能以负调控的方式(关闭或降低基因表达活性)调节)靶基因。DNA位点通常位于受调节基因的上游。第一节概述1.顺式作用元件和反式作用因子2.结构基因和调节基因3.启动子和终止子启动子promoter位于基因转录起始点的上游，负责基因转录的起始。终止子terminator能终止基因的转录。启动子和终止子是典型的顺式作用元件，能受同一类反式作用因子RNA聚合酶的识别第一节概述1.顺式作用元件和反式作用因子2.结构基因和调节基因3.启动子和终止子4.操纵基因和阻抑蛋白细菌的传统控制机制是阻抑蛋白repressor阻止基因表达，为负调控操纵基因operator是一个顺式作用位点，与启动子相邻，是阻抑蛋白的靶位点。无阻抑蛋白时RNA聚合酶能够识别受调节基因的启动子，使受调节的基因得到表达。有阻抑蛋白时阻抑蛋白与操纵基因结合，阻止RNA聚合酶启动转录，关闭基因的表达。第一节概述1.顺式作用元件和反式作用因子2.结构基因和调节基因3.启动子和终止子4.操纵基因和阻抑蛋白5.转录因子基因表达也以正调控方式进行调控细菌中正、负调控使用的频率大致相等，真核生物中，最常见的调控方式是正调控。参与正调控的反式作用因子是转录因子transcriptionfactor第二节操纵子一、乳糖操纵子的结构乳糖操纵子lactoseoperon,lac参与-半乳糖苷(乳糖)的分解代谢的三个酶的基因成簇排列,构成乳糖操纵子。无阻抑蛋白时RNA聚合酶能够识别乳糖操纵子启动子，使乳糖操纵子的三个结构基因得到表达。有阻抑蛋白时阻抑蛋白与操纵基因结合，阻止RNA聚合酶启动转录，关闭结构基因的表达。第二节操纵子一、乳糖操纵子的结构二、小分子诱导物对阻抑蛋白活性的影响诱导induction应答某种特定物质出现而合成特定酶的过程称为诱导。细菌采用诱导方式快速应答环境中营养物质的变化-半乳糖苷诱导乳糖操纵子表达-半乳糖苷酶环境中不含-半乳糖苷时，每个细胞内-半乳糖苷酶不到5个分子，加入适宜的底物后，2-3分钟内，酶很快达每细胞5000个分子的水平。在适宜的条件下，-半乳糖苷酶可达细胞总可溶蛋白的5%-10%。如果底物从培养基中去掉，酶的合成很快停止到诱导前的水平。Lac mRNA极不稳定，半衰期仅有约3分钟，使得诱导能很快逆转。第二节操纵子一、乳糖操纵子的结构二、小分子诱导物对阻抑蛋白活性的影响细菌采用阻抑作用关闭突然出现在培养中的化合物的内源性合成大肠杆菌通过色氨酸合成酶催化合成色氨酸，但是，如果培养基中含有色氨酸，酶的合成立即停止。这就是阻抑作用(repression)。阻抑作用使细胞避免采用自身资源进行不必要的合成。诱导物inducer如果某种小分子物质能够促使细菌产生酶将其自身分解，这种小分子物质就叫做诱导物。辅阻抑物corepressor如果某种小分子物质能够阻止细菌产生合成其自身的酶，这种小分子物质就叫做辅阻抑物。第二节操纵子一、乳糖操纵子的结构二、小分子诱导物对阻抑蛋白活性的影响义务诱导物gratutiousinducerIPTG能诱导乳糖操纵子，但不能被-半乳糖苷酶分解，能持续发挥诱导作用。这种能诱导酶合成，但不能被酶分解的分子称为义务诱导物。乳糖操纵子的调控机制阻抑蛋白通过与操纵基因结合，使乳糖操纵子通常处于非激活状态，加入诱导物，释放出阻抑蛋白，乳糖操纵子处于激活状态，RNA聚合酶可以起始转录。第二节操纵子一、乳糖操纵子的结构二、小分子诱导物对阻抑蛋白活性的影响操纵子在未诱导时存在基础水平的表达乳糖操纵子组成成分中有一个矛盾，它含有编码分解该糖所需的半乳糖苷酶的结构基因(lacZ)，也包括编码负责转运底物进入细胞的转运蛋白的基因(lacY)。但是如果操纵子处于阻抑状态，诱导物怎样进入细胞开始诱导过程呢？原因是：操纵子有一基础水平的表达，即使不被诱导时，操纵子也有少量表达(诱导水平的0.1%)。第二节操纵子一、乳糖操纵子的结构二、小分子诱导物对阻抑蛋白活性的影响三、操纵子突变不可诱导(uninducible)突变使操纵子在任何情况下，总不能表达的突变称为不可诱导突变。组成型(constitutive)突变不受调控物影响的连续表达称为组成型基因表达，引起组成型基因表达的突变称为组成型突变。第二节操纵子一、乳糖操纵子的结构二、小分子诱导物对阻抑蛋白活性的影响三、操纵子突变1.操纵基因突变与顺式显性操纵基因突变Oc其机制是突变使操纵基因改变，不再与阻抑蛋白结合，因此阻抑蛋白不能阻止RNA聚合酶起始转录，操纵基因持续不断地表达。图7-补1操纵基因突变Oc相邻的结构基因呈组成型表达。第二节操纵子一、乳糖操纵子的结构二、小分子诱导物对阻抑蛋白活性的影响三、操纵子突变1.操纵基因突变与顺式显性操纵基因突变Oc操纵基因突变Oc ，相邻的结构基因呈组成型表达。其机制是突变使操纵基因改变，不再与阻抑蛋白结合，因此阻抑蛋白不能阻止RNA聚合酶起始转录，操纵基因持续不断地表达。顺式显性(cis-dominance)突变顺式作用位点突变，使所调控的基因持续不断地表达。顺式显性的关键是，控制部位在位置上不能同基因分开，控制位点与所控制的基因在同一条DNA(RNA)上。第二节操纵子一、乳糖操纵子的结构二、小分子诱导物对阻抑蛋白活性的影响三、操纵子突变1.操纵基因突变与顺式显性2.操纵子不可诱导型突变启动子突变突变使得RNA聚合酶不能与Plac结合,使操纵子不能转录而丧失功能。阻抑蛋白失去结合诱导物能力丧失的突变lacIs第二节操纵子一、乳糖操纵子的结构二、小分子诱导物对阻抑蛋白活性的影响三、操纵子突变1.操纵基因突变与顺式显性2.操纵子不可诱导型突变3.阻抑蛋白基因lacI-突变阻抑蛋白基因的lacI-突变突变使阻抑蛋白失去结合操纵基因的能力，转录能持续地在启动子处起始，呈现组成型转录。向lacI-突变的细胞内加入野生型的lacI+，能恢复操纵子的正常功能表明lacI基因的产物阻抑蛋白是反式作用因子。第二节操纵子一、乳糖操纵子的结构二、小分子诱导物对阻抑蛋白活性的影响三、操纵子突变1.操纵基因突变与顺式显性2.操纵子不可诱导型突变3.阻抑蛋白基因lacI-突变4.各种突变的阻抑蛋白亚基的相互作用等位基因间互补不同等位基因的亚基相互缔合形成杂合聚集体，称为等位基因间的互补。一些突变的阻抑蛋白撞发生负互补作用。因为突变lacI-d导致阻抑蛋白不能与操纵基因结合,所以与正常lacI产物形成杂合体后，杂合体不能与操纵基因结合，这种突变也称为反式显性。第二节操纵子一、乳糖操纵子的结构二、小分子诱导物对阻抑蛋白活性的影响三、操纵子突变四、阻抑蛋白作用机制四、阻抑蛋白作用机制1.阻抑蛋白与特异DNA结合操纵基因有细菌调节蛋白许多识别位点的共有特点就是具有对称性以+11为对称轴，每边为两段各6bp的对称序列TGTGTG和AATTGT。组成型突变的碱基序列8个碱基的任一个碱基突变引起组成型突变。四、阻抑蛋白作用机制1.阻抑蛋白与特异DNA结合操纵基因有细菌调节蛋白许多识别位点的共有特点就是具有对称性以+11为对称轴，每边为两段各6bp的对称序列TGTGTG和AATTGT。组成型突变的碱基序列8个碱基的任一个碱基突变引起组成型突变。四、阻抑蛋白作用机制1.阻抑蛋白与特异DNA结合DNA序列的对称性表明蛋白质序列也应具有对称性阻抑蛋白结构确实具有对称性，由同样亚基组成四聚体，每个亚基都有同样的DNA结合位点。操纵基因并不完全对称，左侧较右侧结合阻抑蛋白的能力更强操纵基因有细菌调节蛋白许多识别位点的共有特点就是具有对称性以+11为对称轴，每边为两段各6bp的对称序列TGTGTG和AATTGT。组成型突变的碱基序列8个碱基的任一个碱基突变引起组成型突变。四、阻抑蛋白作用机制1.阻抑蛋白与特异DNA结合2.诱导物与阻抑蛋白结合操纵基因的影响四、阻抑蛋白作用机制1.阻抑蛋白与特异DNA结合2.诱导物与阻抑蛋白结合操纵基因的影响3.阻抑蛋白结构与功能的关系阻抑蛋白按结构域分为头段(headpiece)和核心段(core)头段是DNA结合结构域，由159位氨基残基形成。用胰蛋白酶从阻抑蛋白的亚基中切下头段后剩下的部分是核心端。头段结构(1)N端螺旋-转角-螺旋DNA结合基序；两个-螺旋正好插到DNA的宽沟中，与特异DNA碱基接触。(2)HTH经绞链区与蛋白质主体相连。HTH和绞链区构成头段。核心段结构核心段由结构相似的两个区组成，每一区都有两个-螺旋还将有着一个六链平行的片层。诱导物结合在两区间的裂隙中。单亚基的C端有一-螺旋，其中有含二个亮氨酸七聚体重复单位。此螺旋参与亚基聚合。四、阻抑蛋白作用机制1.阻抑蛋白与特异DNA结合2.诱导物与阻抑蛋白结合操纵基因的影响3.阻抑蛋白结构与功能的关系诱导物对阻抑蛋白结构的影响阻抑蛋白与诱导物结合，使头段与核心段的相对定位改变，结果二聚体的两个头段不再同时与DNA结合。四、阻抑蛋白作用机制1.阻抑蛋白与特异DNA结合2.诱导物与阻抑蛋白结合操纵基因的影响3.阻抑蛋白结构与功能的关系4.操纵基因O1、O2和O3对阻抑蛋白阻抑能力的影响形成完整阻抑需要阻抑蛋白形成四聚体的原因在四聚体阻抑蛋白中，每个二聚体都有两个头段，两个头段在一起能结合一个操纵基因序列，这使整个阻抑蛋白能同时结合两个操纵基因位点。在乳糖操纵子起始区中还有另外两个操纵基因位点。因此，乳糖操纵子中存在O1、O2、O3三个操纵基因。三个操纵基因O1、O2、O3的结构和位置基本操纵基因O1正好位于lacZ基因的开始区，它与阻抑蛋白亲和力最强。两个弱的操纵基因(有时称为假操纵基因)位于基本操纵基因的两侧，O2位于开始点下游410bp处，O3位于开始点上游83bp处。当Lac阻抑蛋白与O1结合时，会同时与另一个弱操纵基因结合，这使结合点之间的DNA形成一个环。O1、O2、O3的功能与额外操纵基因的结合可影响阻抑效率