05原核生物的基因表达调控.ppt

第五章第五章 原核生物的基因表达调控原核生物的基因表达调控Chapter 5 Regulation of gene expression in prokaryote基因表达基因表达基因表达基因表达(gene expression)(gene expression)：指基因转录、翻译，产：指基因转录、翻译，产：指基因转录、翻译，产：指基因转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程基因表达表现为严格的规律性：基因表达表现为严格的规律性：即时间、空间特异性即时间、空间特异性时间、空间特异性由特异基因的启动子和时间、空间特异性由特异基因的启动子和( (或或) )增强子增强子与调节蛋白相互作用决定与调节蛋白相互作用决定Ø 基因表达基因表达按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性时间特异性（（temporal specificity）多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶阶段特异性段特异性（（stage specificity））。

时间特异性时间特异性:在个体发育、生长的全过程，一种基因产物在个体的在个体发育、生长的全过程，一种基因产物在个体的在个体发育、生长的全过程，一种基因产物在个体的在个体发育、生长的全过程，一种基因产物在个体的不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，称不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，称不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，称不同组织或器官表达，即在个体的不同空间出现，称之为基因表达的之为基因表达的之为基因表达的之为基因表达的空间特异性（空间特异性（空间特异性（空间特异性（spatial specificityspatial specificity）基因表达的这种空间分布差异是由细胞在器官的分布基因表达的这种空间分布差异是由细胞在器官的分布基因表达的这种空间分布差异是由细胞在器官的分布基因表达的这种空间分布差异是由细胞在器官的分布决定的，因此又称决定的，因此又称决定的，因此又称决定的，因此又称细胞特异性细胞特异性细胞特异性细胞特异性（（（（cell specificitycell specificity）或）或）或）或组组组组织特异性织特异性织特异性织特异性(tissue specificity)(tissue specificity)。

空间特异性空间特异性: Rice Genome Expression Profiles 水稻基因时空动态水稻基因时空动态Human Genome Expression人基因组时空动态人基因组时空动态一、原核生物基因操纵子的概念一、原核生物基因操纵子的概念操纵子（操纵子（operon））：原核生物基因表达和调控的一：原核生物基因表达和调控的一个完整单元，包括调节基因、启动子、结构基因和个完整单元，包括调节基因、启动子、结构基因和操纵基因操纵基因原核生物基因表达在原核生物基因表达在DNA、转录和翻译三个不同层次、转录和翻译三个不同层次进行调控，但进行调控，但转录转录水平的调控是最主要的方式操纵水平的调控是最主要的方式操纵子是原核转录调控的主要形式子是原核转录调控的主要形式IPOZYA调节基因调节基因调节基因调节基因 控制位点控制位点控制位点控制位点 结构基因结构基因结构基因结构基因Ø 结构基因、调控基因结构基因、调控基因   结构基因结构基因：编码细胞结构和基本代谢活动所必要的：编码细胞结构和基本代谢活动所必要的RNA和蛋白质和蛋白质。

  调控基因调控基因：调节其它基因表达的基因调节其它基因表达的基因  顺式作用因子顺式作用因子（（cis-acting elements））:调节基因表调节基因表达的达的DNA序列  反式作用因子反式作用因子（（trans-acting factors）：调节基因）：调节基因表达的蛋白质因子表达的蛋白质因子Ø 诱导、阻遏诱导、阻遏    开启开启基因的转录活性，这种作用及过程称为基因的转录活性，这种作用及过程称为诱导诱导（（induction））    关闭关闭基因的转录活性，这种作用及过程称为基因的转录活性，这种作用及过程称为阻遏阻遏（（repression））Ø 诱导物、辅阻遏物诱导物、辅阻遏物（（Corepressor））     辅阻遏物：产生阻遏作用的小分子辅阻遏物：产生阻遏作用的小分子 Ø 正调控正调控（（positive regulation））与缺乏调控因子时比较，若调控因子使靶基因的表达与缺乏调控因子时比较，若调控因子使靶基因的表达水平上升调控因子称水平上升调控因子称激活蛋白（激活蛋白（activator））分为：分为：可诱导的正调控系统可诱导的正调控系统 调节因子在诱导物的作用下，能与启动子结合开启调节因子在诱导物的作用下，能与启动子结合开启结构基因的转录结构基因的转录可阻遏的正调控系统可阻遏的正调控系统 调节因子可与启动子结合，促进结构基因的转录。

调节因子可与启动子结合，促进结构基因的转录但当其与辅阻遏物结合后，不能启动结构基因的转录但当其与辅阻遏物结合后，不能启动结构基因的转录Ø 负调控（负调控（negative regulation））与缺乏调控因子时比较，若调控因子使基因的表达水与缺乏调控因子时比较，若调控因子使基因的表达水平下降，甚至关闭调控因子称平下降，甚至关闭调控因子称阻遏蛋白阻遏蛋白（（repressor））分为：分为：可诱导的负调控系统可诱导的负调控系统阻遏蛋白与操纵基因结合，可阻止结构基因的转录，但有诱阻遏蛋白与操纵基因结合，可阻止结构基因的转录，但有诱导物时，它与阻遏蛋白结合从而解除对结构基因转录的抑制导物时，它与阻遏蛋白结合从而解除对结构基因转录的抑制可阻遏的负调控系统可阻遏的负调控系统阻遏蛋白不影响结构基因的转录，但它与辅阻遏物结合后，阻遏蛋白不影响结构基因的转录，但它与辅阻遏物结合后，抑制结构基因的转录抑制结构基因的转录二、乳糖操纵子二、乳糖操纵子（（lactose operon，，lac））1、、 Discovery of Operon       •1940年，年， Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。

即产生在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿即产生“二次生二次生长曲线长曲线”Jacques Monod 1951年，年，Monod与与Jacob合作，发现两基因：合作，发现两基因：    Z基因基因：与合成：与合成β-半乳糖苷酶有关；半乳糖苷酶有关；    I基因基因：决定细胞对诱导物的反应决定细胞对诱导物的反应提出乳糖操纵子学说提出乳糖操纵子学说 , 此后不断完善获此后不断完善获1965年诺年诺贝尔生理学和医学奖贝尔生理学和医学奖Francis Jacob Jacques Monod IPOZYA调控基因调控基因调控基因调控基因 控制位点控制位点控制位点控制位点 结构基因结构基因结构基因结构基因DNADNA阻阻阻阻遏遏遏遏蛋蛋蛋蛋白白白白启启启启动动动动序序序序列列列列cAMP-CAPcAMP-CAPcAMP-CAPcAMP-CAP结合位点结合位点结合位点结合位点操操操操纵纵纵纵基基基基因因因因β β半半半半乳乳乳乳糖糖糖糖苷苷苷苷酶酶酶酶通通通通透透透透酶酶酶酶乙乙乙乙酰酰酰酰基基基基转转转转移移移移酶酶酶酶2 2、、lac的的结构结构RNARNARNARNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶结合位点结合位点结合位点结合位点（－（－67~－－59））（－（－7~＋＋28））（（1））Lac阻遏物的作用阻遏物的作用---负调控负调控3、、lac的调控的调控mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻遏基因阻遏基因（（1））Lac阻遏物的作用阻遏物的作用---负调控负调控mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖异乳糖异乳糖乳糖操纵子为一个可诱导的负控制系统乳糖操纵子为一个可诱导的负控制系统突变分析突变分析Ø 结构基因：结构基因：    lacZ－－, lacY－－IZYAOP不能分解乳糖的原因？不能分解乳糖的原因？IC mut. (IC O+P+) constitutive mut. (组成型组成型)IC gene产物产物repressor丧失与丧失与O位点结合的能力位点结合的能力IS mut. (IS O+P+) super-repression mut. (超阻型超阻型)IS gene 产物产物repessor 不能与不能与inducer结合结合Ø 调控基因调控基因I：：OC失去与失去与repressor特异结合的能力特异结合的能力OC mut. (I+ OC P+) constitutive mut. （组成型）（组成型）Ø 操纵基因操纵基因O：：O gene (operator) O gene (operator) cis-action factorcis-action factorSymmetrical seq. of 26 bp & G/C as axisMethylation enhanced by repressorProtected by repressor against methylation（（2））CAP-cAMP复合物的作用复合物的作用---Lac的正调控的正调控同二聚体同二聚体: DNA结合区结合区 cAMP(cyclic AMP)结合位点结合位点CAP (Catabolite activator protein)—分解代谢基因分解代谢基因激活蛋白激活蛋白　　 葡萄糖葡萄糖 cAMP Lac操纵子被抑制操纵子被抑制 + + + ++ + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPmRNA无无乳糖时乳糖时有有乳糖时乳糖时无葡萄糖无葡萄糖 cAMPcAMP浓度浓度高高有葡萄糖有葡萄糖cAMP浓度浓度低低RNA-polOOOOlaclac操纵子基因表达既需要乳糖又需缺乏葡萄糖操纵子基因表达既需要乳糖又需缺乏葡萄糖Lac 阻遏蛋白阻遏蛋白不不封闭转录时封闭转录时,没有没有CAP存在存在,也也无高效无高效转录活性。

转录活性Lac 阻遏蛋白阻遏蛋白封闭封闭转录时转录时,CAP对该系统对该系统不不发挥作用发挥作用Lac 阻遏蛋白阻遏蛋白不不封闭转录封闭转录, CAP+ cAMP 加强转录加强转录协调调节协调调节•负性调节与正性调节协调合作负性调节与正性调节协调合作–阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用不发挥作用–如没有如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍上解聚仍无转录活性无转录活性•葡萄糖葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖–葡萄糖可降低葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与浓度，阻碍其与CAP结合从而结合从而抑制转录抑制转录•结论：结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖萄糖三、色氨酸操纵子三、色氨酸操纵子(tryptohane operon，，trp) trp trp操纵子操纵子——属属阻遏型操纵子阻遏型操纵子，主要调控一系，主要调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶的转录合成列用于色氨酸合成代谢的酶的转录合成 色氨酸操纵子通常处于开放状态，其阻遏蛋白不能色氨酸操纵子通常处于开放状态，其阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。

而当色氨酸合成过多与操纵基因结合而阻遏转录而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合，从而使时，色氨酸作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合，从而使基因转录关闭基因转录关闭 辅阻遏蛋白的负调控辅阻遏蛋白的负调控调控基因：调控基因：trp R调调 控控 区：区：trpP, trpO, trpL结构基因：结构基因：trpE, trpD, trpC, trpB, trpA1、色氨酸操纵子的结构、色氨酸操纵子的结构The trp operon encodes five structural genes required for tryptophane synthesis.It encodes a signal transcription (7kb ) downstream of Otrp.These genes are co-ordinately expressed when tryptophan is in short supply in the cell. Trp 有有Trp 无无TrpmRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNARNA聚合酶聚合酶 RNARNA聚合酶聚合酶 2 2、阻遏物对色氨酸操纵子的负调控、阻遏物对色氨酸操纵子的负调控色氨酸操纵子色氨酸操纵子前导区前导区（（Leader）：结构基因起始密码子前有）：结构基因起始密码子前有162 bp的的DNA序列。

序列3、色氨酸操纵子的弱化系统、色氨酸操纵子的弱化系统前导肽前导肽（（Leader peptide）：推测前导区）：推测前导区mRNA可可编码编码14个氨基酸组成的多肽，其中第个氨基酸组成的多肽，其中第10和第和第11位均位均为色氨酸为色氨酸前导肽前导肽14aa14aaPOE4321LDNARNAATGTGA2 trp1432◆◆弱化子（弱化子（ attenuator ）：）：一段位于结构基因上游前一段位于结构基因上游前 导区具有终止子结构的短序列，通过前导序列转录导区具有终止子结构的短序列，通过前导序列转录 产生的产生的 mRNA 形成类似于终止子的二级结构，达到形成类似于终止子的二级结构，达到转录终止的目的转录终止的目的 Trp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 转录衰减转录衰减色氨酸操纵子色氨酸操纵子UUUU……UUUU……调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU……前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区: 包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/2>1/2>序列序列2/3>2/3>序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUU……UUUU……34UUUU 3’34核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1. 1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 125’ trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3’ RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止UUUU……342423UUUU……核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15’ trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA RNA RNA聚合酶聚合酶 2. 2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、、4 4不能形成衰减子结构不能形成衰减子结构 •高高高高TrpTrpTrpTrp时时时时：：：： Trp-tRNATrp-tRNATrp-tRNATrp-tRNATrp Trp Trp Trp 存在存在存在存在 核糖体通过片段核糖体通过片段核糖体通过片段核糖体通过片段1(1(1(1(2 2 2 2个个个个TrpTrpTrpTrp密码子密码子密码子密码子) ) ) ) 封闭片段封闭片段封闭片段封闭片段2 2 2 2 片段片段片段片段3 3 3 3，，，，4 4 4 4形成形成形成形成发夹结构发夹结构发夹结构发夹结构 类似于不依赖类似于不依赖类似于不依赖类似于不依赖ρρρρ因子的转录终止序列因子的转录终止序列因子的转录终止序列因子的转录终止序列 RNARNARNARNA聚合酶停止转录聚合酶停止转录聚合酶停止转录聚合酶停止转录, , , ,产生衰减子转录产物产生衰减子转录产物产生衰减子转录产物产生衰减子转录产物转录、翻译偶联转录、翻译偶联转录、翻译偶联转录、翻译偶联, , , ,产生前导肽产生前导肽产生前导肽产生前导肽•低低低低TrpTrpTrpTrp时：时：时：时： Trp-tRNATrp-tRNATrp-tRNATrp-tRNATrp Trp Trp Trp 没有供应没有供应没有供应没有供应 核糖体翻译停止在片段核糖体翻译停止在片段核糖体翻译停止在片段核糖体翻译停止在片段1 1 1 1 （（（（2 2 2 2个个个个TrpTrpTrpTrp密码子）密码子）密码子）密码子） 片段片段片段片段2 2 2 2，，，，3 3 3 3 形成形成形成形成发夹结构发夹结构发夹结构发夹结构 转录不终止转录不终止转录不终止转录不终止 RNARNARNARNA聚合酶继续转录聚合酶继续转录聚合酶继续转录聚合酶继续转录协调协调◆◆阻遏作用：粗调开关阻遏作用：粗调开关 阻遏物的作用是当有大量外源色氨酸存在时，阻止阻遏物的作用是当有大量外源色氨酸存在时，阻止非必需的先导非必需的先导mRNAmRNA的合成，它使这个合成系统更加经的合成，它使这个合成系统更加经济。

主要调节转录的启动与否主要调节转录的启动与否 阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少◆◆弱化作用：细调开关弱化作用：细调开关 弱化作用的信号是弱化作用的信号是Trp-tRNATrp-tRNAtrptrp的多少，通过控制前的多少，通过控制前导肽的翻译来控制转录的进行导肽的翻译来控制转录的进行原核生物衰减作用的普遍性原核生物衰减作用的普遍性• 原核生物在氨基酸饥饿状态下，自动停止或降低原核生物在氨基酸饥饿状态下，自动停止或降低(10-20倍倍)rRNA, tRNA转录，从而调节蛋白质合成速转录，从而调节蛋白质合成速率的率的严谨现象严谨现象4、严谨反应（、严谨反应（ stringent response ））• stringent response 是对任何氨基酸饥饿时表现的是对任何氨基酸饥饿时表现的一种广泛的调节机制一种广泛的调节机制空载空载tRNA发出应急信号，进而引起发出应急信号，进而引起ppGpp和和pppGpp的大量增加的大量增加ppGpp（魔斑（魔斑ⅠⅠ，，magic spot ⅠⅠ））魔斑魔斑ⅠⅠ魔斑魔斑ⅡⅡpppGpp（魔斑（魔斑ⅡⅡ，，magic spot ⅡⅡ））PP-CH2MS1PPG四磷酸鸟苷PPP-CH2 GMS2PP五磷酸鸟苷 在正常条件下仅有氨基酰在正常条件下仅有氨基酰-tRNA在在EE-Tu的作用下位于的作用下位于A位点。

位点但在应急情况下，由于缺乏相应的氨基酰但在应急情况下，由于缺乏相应的氨基酰-tRNA，空载，空载tRNA便便占据占据A位，就阻断了核糖体的进程，而触发了一个位，就阻断了核糖体的进程，而触发了一个空转反应空转反应（（idiling reaction））四、阿拉伯糖操纵子（四、阿拉伯糖操纵子（arabinose operon））是利用同一调控蛋白的不同结构形式，活是利用同一调控蛋白的不同结构形式，活化和抑制操纵基因的调控单位化和抑制操纵基因的调控单位•结构基因结构基因：：araB、、araA和和araD，，形成一个基因簇形成一个基因簇（简写为（简写为araBAD ）），分别编码异构酶、激酶、表，分别编码异构酶、激酶、表位酶（参与阿拉伯糖的降解）位酶（参与阿拉伯糖的降解）•调节基因调节基因：：araC基因，编码调控蛋白基因，编码调控蛋白araC蛋白蛋白•araBAD 和和araC的转录方向的转录方向相反相反•ara操操纵子的子的调控有三个特点：控有三个特点：•第一，第一，araC表达受到表达受到AraC的自的自动调控•第二，第二，AraC既既可充当阻遏物可充当阻遏物(Pr)，也可作，也可作为激激活活剂(Pi)。

•第三，第三，AraC与与CAP结合可充分合可充分诱导ara操操纵子araI Pi binding site transcription for araBADO1,O2 Pr binding site repression for PBAD & PCCAP binding site for CAP-cAMP 看家基因看家基因:某些基因在一个生物体的几乎所有细胞中持某些基因在一个生物体的几乎所有细胞中持续表达，这类基因称续表达，这类基因称看家基因（看家基因（housekeeping gene））.看家基因的表达方式称看家基因的表达方式称基本基本(或组成性或组成性) 表达表达，这类基，这类基因表达只受启动序列或启动子与因表达只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的聚合酶相互作用的影响，不受其它机制调节影响，不受其它机制调节Ø 基因表达的方式基因表达的方式按对内、外环境信号刺激的反应性，基因表达的方式按对内、外环境信号刺激的反应性，基因表达的方式分为：分为：（一）基本表达（一）基本表达   开启开启基因的转录活性，这种作用及过程称为基因的转录活性，这种作用及过程称为诱导诱导（（induction）。

诱导物（诱导物（Inducer））  关闭关闭基因的转录活性，这种作用及过程称为基因的转录活性，这种作用及过程称为阻遏阻遏（（repression） 辅阻遏物辅阻遏物（（Corepressor））加入对基因表达有调节作用的小分子后加入对基因表达有调节作用的小分子后（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达诱导和阻遏在生物界普遍存在，也是生物体适应环境诱导和阻遏在生物界普遍存在，也是生物体适应环境的基本途径的基本途径　　在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为达，即为协调表达协调表达（coordinate expression）重要性重要性生物个体正常生长、发育和适应环境的基础生物个体正常生长、发育和适应环境的基础细胞分化是的结果细胞分化是的结果。