原核細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控.ppt

第八章 原核細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控,第一節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控概述 生物體內(nèi)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制機(jī)制，使細(xì)胞中基因表達(dá) 的過(guò)程在時(shí)間和空間上處于有序狀態(tài)，并對(duì)環(huán)境條件的變 化做出適當(dāng)反應(yīng)的復(fù)雜過(guò)程，并且也是生物體內(nèi)細(xì)胞分 化、形態(tài)發(fā)生和個(gè)體發(fā)育的分子基礎(chǔ)。,一原核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn) 由于原核生物大都為單細(xì)胞生物，缺乏核膜，因此極易 受外界環(huán)境的影響，需要不斷地調(diào)控基因的表達(dá)，以適應(yīng) 外界環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)條件和克服不利因素，提高生物的應(yīng)變與 適應(yīng)能力以完成生長(zhǎng)發(fā)育與繁殖的過(guò)程。這種調(diào)控大多以 操縱子為單位進(jìn)行。,二.操縱子調(diào)控模型 是1961年由Jacob和Monod提案并確立，即編碼某特定區(qū) 域的基因與只在DNA分子上發(fā)揮作用的區(qū)域是各不相同 的。基因的表達(dá)調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上。 (一)概念 原核生物細(xì)胞內(nèi)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成一排基因簇， 由此而形成的轉(zhuǎn)錄單位，即為操縱子。,(二)主要組成,結(jié)構(gòu)基因（structural gene）: 生物酶與細(xì)胞結(jié)構(gòu)所必需 的蛋白質(zhì)的編碼基因，該基因又稱(chēng)為cis作用因子 （cis acting）。相關(guān)結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)產(chǎn)物協(xié)同完成一個(gè) 生理生化過(guò)程，這些結(jié)構(gòu)基因在一套調(diào)控系統(tǒng)作用下 統(tǒng)一開(kāi)放與關(guān)閉，維持合適而精確的基因產(chǎn)物分子比。 結(jié)構(gòu)基因編碼各類(lèi)具有不同結(jié)構(gòu)與功能的蛋白質(zhì)，包括 結(jié)構(gòu)蛋白、酶和調(diào)控蛋白,2. 調(diào)控基因（regulator gene）:基因表達(dá)調(diào)控蛋白的編碼基 因，又稱(chēng)為反式作用因子（trans acting）。主要是通過(guò)編碼 蛋白或者RNA來(lái)調(diào)節(jié)其他基因的表達(dá)。,三.原核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本模式,引起目的基因表達(dá)的正調(diào)控或者負(fù)調(diào)控模式,反式作用: 編碼產(chǎn)物將從合成地點(diǎn)擴(kuò)散到其作用靶位的 過(guò)程。 順式作用: 不轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌魏涡问蕉灰訢NA形式在原來(lái) 位置起作用的DNA序列。,Operator/ promotor,RNA,幾個(gè)相應(yīng)的蛋白質(zhì),Repressor binding with operator,RNA polymerase,功能,啟動(dòng)子: 一個(gè)操縱子一般只含有一個(gè)啟動(dòng)子,操作子: 由一個(gè)或多個(gè)DNA順式調(diào)控元件組成， 是基因反式調(diào)控因子的結(jié)合區(qū)，這種蛋白-DNA 的二元復(fù)合物通過(guò)與啟動(dòng)子-RNA聚合酶復(fù)合物 的相互作用，對(duì)操縱子的開(kāi)發(fā)或關(guān)閉進(jìn)行調(diào)控,結(jié)構(gòu)基因: 若干個(gè)生物功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因以相 同極性密集排列,終止子: 使轉(zhuǎn)錄不同程度地終止,第二節(jié) 乳糖操縱子,（一） 結(jié)構(gòu)及其性質(zhì),(二) 調(diào)控機(jī)理,阻遏蛋白 單聚體,阻遏蛋白 四聚體,轉(zhuǎn)錄,翻譯,無(wú)誘導(dǎo)物,結(jié)構(gòu)基因 被阻遏,誘導(dǎo)物,無(wú)活阻遏蛋白,有誘導(dǎo)物,RNA聚合酶,轉(zhuǎn)錄,mRNA,翻譯,(三) 操縱基因的鑒定,不可誘導(dǎo)型突變(uninducible mutation): 使操縱子在 任何情況下都不能表達(dá)的突變。 組成型突變體(consititutive mutant): 不受調(diào)控物影 響的持續(xù)表達(dá)稱(chēng)為組成型基因表達(dá)，其突變體即為組 成型突變體。 組成型突變鑒定出的操縱基因OC 表明調(diào)控元件能 夠以不可擴(kuò)散的產(chǎn)物形式行使其功能，操縱基因是一 個(gè)典型的順式作用位點(diǎn)，其功能依賴于一些反式作用 因子對(duì)其DNA序列的識(shí)別。操縱基因?qū)︵徑虻目?制與細(xì)胞內(nèi)是否存在其他等位基因并無(wú)關(guān)系，這種位點(diǎn) 的突變稱(chēng)為順式顯性突變(cis-dominant),(四) 調(diào)控基因的鑒定,lacI基因的突變是反式作用的，它可以影響細(xì)菌內(nèi)所 有結(jié)構(gòu)基因簇的表達(dá) 使lacI基因失活得突變是隱性的，它可以導(dǎo)致組成型表達(dá) 因?yàn)樽瓒粑锊荒芘c操縱基因結(jié)合，所以阻遏物的DNA結(jié)合 位點(diǎn)的突變是組成型的 阻遏物上誘導(dǎo)物結(jié)合位點(diǎn)的突變使它不會(huì)失活，因此這 會(huì)引起操縱子的非誘導(dǎo)性 啟動(dòng)子突變是順式作用和非誘導(dǎo)性的,(五)阻遏蛋白與操縱基因的相互作用,mRNA,(六)阻遏蛋白結(jié)合誘導(dǎo)物后從操縱基因上脫離,(七) 阻遏蛋白的其他特性,阻遏蛋白單體有多個(gè)結(jié)構(gòu)域,阻遏蛋白單體結(jié)構(gòu):N端DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域、鉸鏈區(qū)與核心區(qū) DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域有兩個(gè)短 螺旋用以與DNA大溝結(jié)合 負(fù)責(zé)多聚化的區(qū)域和誘導(dǎo)物 結(jié)合位點(diǎn)都位于核心區(qū),阻遏蛋白由兩個(gè)二聚體組成四聚體,兩個(gè)單體通過(guò)核心結(jié)構(gòu)域2和 寡聚化螺旋之間的結(jié)合形成 二聚體，二聚體的一端是DNA 結(jié)構(gòu)域，另一端是寡聚化螺旋， 兩個(gè)二聚體通過(guò)寡聚化界面之 間的相互作用形成四聚體,阻遏蛋白單體的DNA結(jié)合 結(jié)構(gòu)域插入到DNA的大溝 活性阻遏蛋白中，二聚體 的兩個(gè)DNA結(jié)合區(qū)域可以插入 連續(xù)的雙螺旋轉(zhuǎn)角 誘導(dǎo)物的結(jié)合使阻遏蛋白的 構(gòu)象改變，從而造成DNA結(jié)合 位點(diǎn)不能形成正確的幾何構(gòu)象 以維持與DNA的接觸,第三節(jié) 操縱子的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模式,一. 概述 1. 細(xì)菌基因調(diào)控: 基因表達(dá)受到調(diào)控因子的控制，該調(diào)控因子在受調(diào)控的蛋白質(zhì)合成之前，可能與一段特定序列作用或者結(jié)構(gòu)相互作用。 表達(dá)水平上的調(diào)控:以DNA為target的轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控與以RNA為target的翻譯水平上的調(diào)控 2. 調(diào)控因子的類(lèi)型 a. 蛋白質(zhì)類(lèi)調(diào)控因子:通過(guò)變構(gòu)效應(yīng)(allostery)發(fā)揮作用 b. RNA調(diào)控因子:通過(guò)改變二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用。調(diào)控因子通常是二級(jí)結(jié)構(gòu)豐富的小RNA分子，但存在一段單鏈區(qū)域能與target互補(bǔ)，調(diào)控因子與之相互作用，形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控基因表達(dá)。,二. 分類(lèi),四. 大腸桿菌的碳源利用機(jī)制 1. 葡萄糖阻遏作用調(diào)控碳源利用 誘導(dǎo)物排除法: 葡萄糖阻止從培養(yǎng)基中吸收其他可替代碳源的能力。 由CRP激活很多操縱子,2.乳糖操縱子的正調(diào)控作用, 正調(diào)控因子: 輔助RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合而起始轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)。, CRP的激活途徑,a. 直接與RNA聚合酶作用，RNA聚合酶的亞基是CRP 的結(jié)合區(qū)。 b. 作用于DNA，改變其結(jié)構(gòu)以協(xié)助RNA聚合酶定位于 啟動(dòng)子上。,CRP與RNA聚合酶之間的相互作用的精確效應(yīng)依賴于 CRP相對(duì)啟動(dòng)子區(qū)域的定位，對(duì)乳糖操縱子而言，CRP的 優(yōu)勢(shì)效應(yīng)是提高RNA聚合酶與啟動(dòng)子形成復(fù)合物的啟動(dòng) 效率。,第四節(jié) 各種操縱子調(diào)控系統(tǒng),gal K,gal T,gal E,P,O,gal R,mRNA,UDP-Glc,異構(gòu)酶,特征: 有兩套調(diào)控元件,一. 半乳糖操縱子 (一)結(jié)構(gòu)及其性質(zhì),(二)調(diào)控機(jī)制,二. 阿拉伯糖操縱子,(一)結(jié)構(gòu)與性質(zhì),三. 色氨酸操縱子,第五節(jié) 緊急應(yīng)答系統(tǒng),一. 概念 stringent response: 當(dāng)維持細(xì)菌的蛋白合成所需的氨基 酸的供給發(fā)生問(wèn)題時(shí)，其生長(zhǎng)條件也發(fā)生了變化，從而 使其各項(xiàng)生理活動(dòng)的現(xiàn)象。 二. 產(chǎn)生現(xiàn)象,rRNA與tRNA的合成極度減少 全部RNA的合成是正常的5%-10% 全mRNA的合成減少為正常的1/3 蛋白質(zhì)的分解速度上升 核苷、碳水化合物