第七章原核基因的表达调控.ppt

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1、第七章第七章 原核基因的表达与调控原核基因的表达与调控 l组成型、永久型（组成型、永久型（constitutive）蛋白质）蛋白质 蛋白质并不是以相同拷贝数存在于每个细胞中，蛋白质并不是以相同拷贝数存在于每个细胞中，有些蛋白质的数目相当固定，如糖酵解酶体系、有些蛋白质的数目相当固定，如糖酵解酶体系、DNA聚合酶、聚合酶、RNA聚合酶等。聚合酶等。l适应型、调节型（适应型、调节型（adaptive or regulated）蛋白质）蛋白质 合成速率明显受环境影响的蛋白质。合成速率明显受环境影响的蛋白质。7.1 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论 基因表达（基因表达（gene express

2、ion）是指）是指 从从DNA到到蛋白质或功能蛋白质或功能RNA的过程。对这个过程的调节就的过程。对这个过程的调节就称为基因表达调控（称为基因表达调控（gene regulation or gene control）基因表达调控水平基因表达调控水平 转录水平上的调控（转录水平上的调控（transcriptional regulation）转录后水平上的调控（转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation）mRNA加工成熟水平上的调控加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控翻译水平上的调控调控信号调控信号 原核生物原核生物 营养状况和环境因素营养状况和环境因素

3、真核生物真核生物 激素水平和发育阶段激素水平和发育阶段原核基因调控分类原核基因调控分类 负转录调控负转录调控负控诱导负控诱导阻遏蛋白与效应物（诱导物）结阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；合时，结构基因转录；负控阻遏负控阻遏阻遏蛋白与效应物结合时，结构阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。基因不转录。正转录调控正转录调控正控诱导正控诱导效应物分子（诱导物）的存在使激效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；活蛋白处于活性状态；正控阻遏正控阻遏效应物分子的存在使激活蛋白处于效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态。非活性状态。大肠杆菌中的大肠杆菌中的因子（以因子（以70为例

4、）为例）主要包括四个结构域主要包括四个结构域大肠杆大肠杆菌中最菌中最普遍的普遍的调控方调控方式是式是因因子介导子介导的的70（上）和（上）和54（下）因子识别并结合在所（下）因子识别并结合在所调控基因上游的不同区域调控基因上游的不同区域7.2.1 Discovery of Operon n1961年年,F.Jacob&J.Monod提出提出,此后不此后不断完善。断完善。获获1965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖n1940年，年，Monod发现：细菌在含葡萄糖和发现：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

5、；在糖源糖，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。即产生转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线二次生长曲线”。Francis Jacob Jacques Monod 7.2 乳糖操纵子乳糖操纵子n1951年，年，Monod与与Jacob合作，发现两对基因：合作，发现两对基因：Z基因基因：与合成：与合成-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。nSzilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才

6、能去掉该阻遏物。该阻遏物。n Jacob：结构基因旁有开关基因（：结构基因旁有开关基因（操纵基因操纵基因），），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。表达。乙酰基转移酶乙酰基转移酶半乳糖苷半乳糖苷透性酶透性酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶操作位点操作位点乳糖操纵子乳糖操纵子调节基因调节基因n操纵子操纵子是一种完整的具有特定功能的细菌基因表是一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调节的单位，包括调节基因，启动子，操纵达和调节的单位，包括调节基因，启动子，操纵位点，结构基因，组成一个控制单元位点，结构基因，组成一个控制单元n结构基因结构基因阻遏蛋白结合位

7、点阻遏蛋白结合位点n调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合Control elementStructural genes7.2.2-半乳糖苷酶半乳糖苷酶n无乳糖时，几个无乳糖时，几个-gal/cell 加入乳糖时，加入乳糖时，105个个 再去掉乳糖，再去掉乳糖，lac mRNA下降下降 乳糖能激发乳糖能激发lac mRNA的合成的合成 n乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶合成？合成？培养基（培养基（35S-aa,无乳糖）无乳糖）E.co

8、li繁殖繁殖 培养基（无培养基（无35S-aa,加入乳糖）加入乳糖）-gal(无无35S)gratuitous inducer 安慰诱导物安慰诱导物 义务诱导物义务诱导物n可诱导半乳糖苷酶产生，可诱导半乳糖苷酶产生，但不是其底物但不是其底物nIPTG，异丙基半乳糖苷，异丙基半乳糖苷nTMG，巯甲基半乳糖苷，巯甲基半乳糖苷nONPG,O-硝基半乳糖苷硝基半乳糖苷7.2.3 操纵子模型（负控诱导）操纵子模型（负控诱导）1 调控区结构调控区结构 nlacI,1040bp，独立，独立PinlacZYA诱导状态诱导状态2.两个矛盾两个矛盾生成生成lac诱导物诱导物乳糖代谢乳糖代谢Allolctose 异

9、构乳糖异构乳糖 别乳糖别乳糖细胞内细胞内-半乳糖苷酶来源半乳糖苷酶来源?细胞内透过酶来源细胞内透过酶来源?3 大肠杆菌对乳糖的反应大肠杆菌对乳糖的反应E.coli+E.coli+乳糖乳糖本底水平表本底水平表达的透过酶达的透过酶乳糖进入乳糖进入细胞细胞-半乳糖苷酶半乳糖苷酶异构乳糖异构乳糖与阻遏蛋与阻遏蛋白结合白结合 释放操纵区，释放操纵区，laclac基因转录基因转录-半乳糖苷半乳糖苷酶透过酶酶透过酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶更多乳糖分子更多乳糖分子进入细胞进入细胞葡萄糖葡萄糖+半乳糖半乳糖得到碳源得到碳源和能量和能量一部分一部分4 阻遏蛋白的作用机制阻遏蛋白的作用机制阻遏蛋白结构阻遏蛋白结构n3

10、8KD，4 聚体，聚体，一个亚基结合一个一个亚基结合一个IPTG分子分子nlacI 组成型转录组成型转录 Pi 弱启动子，弱启动子，510个个celln具有二重性具有二重性 阻止转录（与阻止转录（与结合）结合）开始转录（与开始转录（与结合）结合）阻遏蛋白的阻遏蛋白的结构域结构域v N N端端1 159aa59aa,头部片段头部片段HTHHTH，与操纵基因，与操纵基因DNADNA的的大沟结合；大沟结合；v 核心区：核心区：有有6 6个个 折叠，折叠，诱导物结合在两个核心诱导物结合在两个核心区之间的裂缝中；区之间的裂缝中；v C C端端为两组亮氨酸拉链，为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。形成四聚体。v

11、 诱导物的结合可导致阻诱导物的结合可导致阻遏蛋白产生重要的构象遏蛋白产生重要的构象改变，两个分子的诱导改变，两个分子的诱导物和四聚体阻遏蛋白相物和四聚体阻遏蛋白相结合就足以使诱导物释结合就足以使诱导物释放。放。n阻遏蛋白和阻遏蛋白和RNA pol可同时与可同时与DNA结合结合 RNA pol 与启动子结合的平衡常数与启动子结合的平衡常数 1.9X107 有阻遏蛋白时有阻遏蛋白时,2.5X109n结合着的结合着的RNA pol不能转录不能转录.但加入诱导物后但加入诱导物后,释释放出阻遏蛋白放出阻遏蛋白,变为开放型启动子复合物变为开放型启动子复合物.n阻遏蛋白实际上使阻遏蛋白实际上使RNA pol

12、贮存在启动子上。贮存在启动子上。+glucose-glucoseTime(hr)Units of-galactosidase+lactoseGlucose added7.2.4 lac operon的正调控的正调控1 葡萄糖对葡萄糖对lac操纵子的影响操纵子的影响实验，在实验，在lacGlu培养基上培养基上 E.coli只利用只利用G，只有，只有G 耗尽时，才会利用耗尽时，才会利用lac 可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应 仅去掉阻遏物并不能启动仅去掉阻遏物并不能启动lac基因表达基因表达,有其它有其它因素参与因素参与CAP,catabolite activato

13、r protein 由由crp编码，代谢物激活蛋白编码，代谢物激活蛋白CRP,catabolite receptor proteinGlu ，cAMP ；Glu ,cAMP cAMPcAMP的浓度受葡萄糖代谢的浓度受葡萄糖代谢的影响的影响糖酵解途径中位于葡萄糖糖酵解途径中位于葡萄糖-6-6-磷酸与甘油之间的某些代磷酸与甘油之间的某些代谢产物是腺苷酸环化酶活性谢产物是腺苷酸环化酶活性的抑制剂。的抑制剂。腺苷酸环化酶基因和腺苷酸环化酶基因和crp突变体不能合成突变体不能合成lac mRNAcAMP-CAP复合物复合物2 CRP结合位点结合位点nCRP为二聚体，为二聚体，45KD，被，被cAMP激活

14、激活n结合位点结合位点 I -70 -50 II-50 -40 3 CRP的结合对的结合对DNA构型的影响构型的影响nDNA弯曲弯曲n弯曲点位于弯曲点位于CRP结合位点二重对称的中心结合位点二重对称的中心n弯曲使弯曲使CRP能与启动子上的能与启动子上的RNA pol 接触接触（1）CRP结合位点与结合位点与转录起始点的位置转录起始点的位置与转录起始点的与转录起始点的距离，相距数个双螺距离，相距数个双螺旋，结合位点在启动旋，结合位点在启动子的上游子的上游.4 CRP对转录的影响对转录的影响（2）基因转录对）基因转录对cAMPCRP系统存在依赖性系统存在依赖性 cAMP-CRP复合物的结合复合物的

15、结合于启动子上游，能使于启动子上游，能使DNA双双螺旋发生弯曲，有利于形成螺旋发生弯曲，有利于形成开放型启动子开放型启动子-RNA聚合酶聚合酶复合物。复合物。CRP直接作用于直接作用于RNA pol 亚基亚基缺失缺失RNA pol 亚基的亚基的C末端时，失去受末端时，失去受CRP激活的能力激活的能力7.2.5 lac operon 的其它问题的其它问题1.lac operon的功能是在的功能是在两个调控体系的协调作用两个调控体系的协调作用下实现的。阻遏蛋白封闭转录时，下实现的。阻遏蛋白封闭转录时，CRP不发挥作用；如没有不发挥作用；如没有CRP加强转录，即使阻遏蛋加强转录，即使阻遏蛋白从白从0

16、上解聚仍无转录活性上解聚仍无转录活性nCRP组成型合成，所以组成型合成，所以cAMPCRP复合物取决于复合物取决于cAMP含量含量n腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，因此酶有关，因此cAMPCAP调控乳糖、半乳糖等糖类代调控乳糖、半乳糖等糖类代谢有关的酶谢有关的酶 2.A基因及其生理功能基因及其生理功能 编码编码-半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。该酶半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！不参与乳糖代谢！生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒.所以所以lacA虽不在乳虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累3.lac基因产物数量，基因产物数量，1：0.5：0.2 不同酶的数量差异，是由于在翻译水平上的调节。方式有不同酶的数量差异，是