【學(xué)習(xí)】第十一章原核基因表達(dá)調(diào)控

1、1 概概 述述2 乳糖操縱子乳糖操縱子3 色氨酸操縱子色氨酸操縱子4 應(yīng)急應(yīng)答應(yīng)急應(yīng)答5 RNARNA對基因表達(dá)的調(diào)控對基因表達(dá)的調(diào)控6 翻譯對基因表達(dá)的調(diào)控翻譯對基因表達(dá)的調(diào)控7 小小 結(jié)結(jié) 1.1 幾個基本概念幾個基本概念 1.2 基因或操縱子表達(dá)調(diào)控水平基因或操縱子表達(dá)調(diào)控水平 1.3 調(diào)控的類型與特點調(diào)控的類型與特點1 概概 述述1.1.1 順式作用元件與反式作用因子順式作用元件與反式作用因子1.1.2 結(jié)構(gòu)基因與調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因與調(diào)控基因1.1.3 阻抑物、操縱基因與操縱子阻抑物、操縱基因與操縱子1.1.4 正調(diào)控與負(fù)調(diào)控正調(diào)控與負(fù)調(diào)控1.1.5 誘導(dǎo)與阻遏誘導(dǎo)與阻遏1.1.1 順式

2、作用元件與反式作用因子順式作用元件與反式作用因子 結(jié)構(gòu)基因（結(jié)構(gòu)基因（structural gene） 編碼各類具有不同結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)和編碼各類具有不同結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)和RNA的的基因。基因。 調(diào)控基因（調(diào)控基因（regulator gene） 編碼蛋白質(zhì)或編碼蛋白質(zhì)或RNA來調(diào)節(jié)其他基因表達(dá)的基因。來調(diào)節(jié)其他基因表達(dá)的基因。1.1.2 結(jié)構(gòu)基因與調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因與調(diào)控基因阻抑物（阻抑物（repressor）: 阻止基因表達(dá)的蛋白質(zhì)，可與操縱基因結(jié)阻止基因表達(dá)的蛋白質(zhì)，可與操縱基因結(jié)合來阻止轉(zhuǎn)錄或結(jié)合合來阻止轉(zhuǎn)錄或結(jié)合RNA來阻止蛋白質(zhì)的翻譯。來阻止蛋白質(zhì)的翻譯。操縱基因（操縱基因（op

3、erator）: DNA上的一個位點，阻抑物能與之結(jié)合上的一個位點，阻抑物能與之結(jié)合抑制相鄰啟動子起始轉(zhuǎn)錄。抑制相鄰啟動子起始轉(zhuǎn)錄。操縱子（操縱子（operon）: 細(xì)菌基因表達(dá)和調(diào)控的單位，包括結(jié)構(gòu)基因細(xì)菌基因表達(dá)和調(diào)控的單位，包括結(jié)構(gòu)基因和能被調(diào)控基因產(chǎn)物識別的和能被調(diào)控基因產(chǎn)物識別的 DNA控制元件?？刂圃?.1.3 阻抑物、操縱基因與操縱子阻抑物、操縱基因與操縱子 正調(diào)控（正調(diào)控（positive control）: 調(diào)控因子通過與啟調(diào)控因子通過與啟動子元件結(jié)合來激活基因的表達(dá)。動子元件結(jié)合來激活基因的表達(dá)。負(fù)調(diào)控（負(fù)調(diào)控（negative control）: 阻抑物與操縱基因阻抑

4、物與操縱基因結(jié)合來阻止基因的表達(dá)。結(jié)合來阻止基因的表達(dá)。1.1.4 正調(diào)控與負(fù)調(diào)控正調(diào)控與負(fù)調(diào)控： 通過小分子誘導(dǎo)物參與通過小分子誘導(dǎo)物參與, 使阻抑物失活或活化使阻抑物失活或活化激活劑來實現(xiàn)對基因或操縱子表達(dá)的調(diào)控激活劑來實現(xiàn)對基因或操縱子表達(dá)的調(diào)控 。通過小分子輔阻遏物參與通過小分子輔阻遏物參與,使激活劑失活或活化使激活劑失活或活化阻抑物來實現(xiàn)基因或操縱子不表達(dá)的調(diào)控。阻抑物來實現(xiàn)基因或操縱子不表達(dá)的調(diào)控。1.1.5 誘導(dǎo)與阻遏誘導(dǎo)與阻遏1.2.1 轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄水平 (1) DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) (2) RNA聚合酶的功能聚合酶的功能 (3) 蛋白因子及其他小分子配基的相互作用蛋白因子及其他

5、小分子配基的相互作用1.2.2 轉(zhuǎn)錄后水平轉(zhuǎn)錄后水平 (1) 翻譯的起始、延伸及終止翻譯的起始、延伸及終止 (2) 蛋白質(zhì)產(chǎn)物的加工、修飾、折疊及轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)產(chǎn)物的加工、修飾、折疊及轉(zhuǎn)運負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)控阻遏系統(tǒng)負(fù)控阻遏系統(tǒng)正控阻遏系統(tǒng)正控阻遏系統(tǒng)2.1 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)組成乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)組成2.2 乳糖操縱子的調(diào)控模型乳糖操縱子的調(diào)控模型The lac operon includes cis-actihng regulator elements and protein-coding structural genes2.2.1 乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控乳糖操縱子的負(fù)

6、調(diào)控2.2.2 乳糖操縱子的正調(diào)控乳糖操縱子的正調(diào)控(1) 負(fù)調(diào)控位點負(fù)調(diào)控位點-操縱基因操縱基因 位置位置; 序列特征序列特征(2) 調(diào)節(jié)因子調(diào)節(jié)因子-阻抑物阻抑物 結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征; 活性控制活性控制(3) 阻抑物與操縱基因的作用分析阻抑物與操縱基因的作用分析(4) 乳糖操縱子的負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)乳糖操縱子的負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)2.2.1 乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控Repressor and RNA polymerase bind at sites that overlap around the transcription startpoint of the lac operon.-5+21L

7、ac 操縱基因的位置操縱基因的位置 The lac operator has a symmetrical sequence. The sequence is numbered relative to the startpoint for transcription at +1. Lac 操縱基因的序列特征操縱基因的序列特征Lac阻抑物的結(jié)構(gòu)特征阻抑物的結(jié)構(gòu)特征N endC endThe repressor tetramer consists of two dimers. Dimers are held together by contacts involving core domain 2 a

8、s well as by the oligomerization helix. The dimers are linked into the tetramer by the oligomerization interface.Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to the operator. The shape of the repressor is represented as a series of connected domains as revealed by its crys

9、tal structure Inducer changes the structure of the core so that the headpieces of a repressor dimer are no longer in an orientation that permits binding to DNA.Lac阻抑物的活性控制阻抑物的活性控制阻抑物與操縱基因的作用分析阻抑物與操縱基因的作用分析Lac repressor binds strongly and specifically to its operator, but is released by inducer. Virt

10、ually all the repressor in the cell is bound to DNA.Repression affects the sites at which repressor is bound on DNAThe three lac operators -83 +11 +410 O1 O3 O2 O1: AATTGTGAGCGGATAACAATTO2: AAATGTGAGCGAGTAACAACCO3: GGCAGTGAGCGCAACGCAATTCAPRNAPO3+O2+O1: 1300; O3+O1: 440; O1+O2:700; O3+O2:1.9; O3:1.0;

11、 O1:18; O2:1.0; If both dimers in a repressor tetramer bind to DNA, the DNA between the two binding sites is held in a loop. 可以對操縱子進(jìn)行誘導(dǎo)的小分子，其結(jié)構(gòu)可以對操縱子進(jìn)行誘導(dǎo)的小分子，其結(jié)構(gòu)通常與操縱子所表達(dá)的酶的底物的結(jié)構(gòu)相通常與操縱子所表達(dá)的酶的底物的結(jié)構(gòu)相同或類似。同或類似。 -半乳糖苷（含乳糖）是半乳糖苷（含乳糖）是lacZYA基因編碼基因編碼的酶可識別的底物。的酶可識別的底物。 -半乳糖苷不存在時，乳糖操縱子的表達(dá)水半乳糖苷不存在時，乳糖操縱子的表達(dá)水平

12、極低。加入平極低。加入-半乳糖苷可誘導(dǎo)乳糖操縱子半乳糖苷可誘導(dǎo)乳糖操縱子中三個結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。中三個結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。Glucose controls expression of lac operonAddition of inducer results in rapid induction of lac mRNA, and is followed after a short lag by synthesis of the enzymes; removal of inducer is followed by rapid cessation of synthesis. (1) 正調(diào)控位點正調(diào)控位點

13、- CRP結(jié)合位點結(jié)合位點 位置位置 序列特征序列特征(2) 調(diào)節(jié)因子調(diào)節(jié)因子- CRP 結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征 活性控制活性控制(3) CAP與靶位點的作用與靶位點的作用The CRP protein can bind at different sites relative to RNA polymerase. CRP結(jié)合位點的位置結(jié)合位點的位置CRP-binding sites are close to the promoter-41, one- 61, two- 92, oneThe consensus sequence for CRP contains the well conserved

14、pentamer TGTGA and (sometimes) an inversion of this sequence (TCANA). CRP結(jié)合位點序列特征結(jié)合位點序列特征CRP binds to a consensus sequence 一個由兩個相同亞基組成的二聚體，每個亞基一個由兩個相同亞基組成的二聚體，每個亞基為為22.5 kDa, 二聚體可被單個分子二聚體可被單個分子cAMP激活。激活。 CRP單體含一個單體含一個DNA結(jié)合區(qū)和一個轉(zhuǎn)錄激活區(qū)。結(jié)合區(qū)和一個轉(zhuǎn)錄激活區(qū)。CRPCRP的結(jié)構(gòu)特征的結(jié)構(gòu)特征Cyclic AMP has a single phosphate group

15、connected to both the 3 and 5 positions of the sugar ring. adenylate cyclaseATP cAMPBy reducing the level of cyclic AMP, glucose inhibits the transcription of operons that require CRP activity.The level of cyclic AMP is inversely related to the level of glucose. CRP的活性控制的活性控制cAMPCRP bends DNA 90 aro

16、und the center of symmetry. CRP與靶位點的作用與靶位點的作用3.1 色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)組成色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)組成3.2 色氨酸操縱子的調(diào)控模型色氨酸操縱子的調(diào)控模型 3.2.1 trp操縱子的阻遏系統(tǒng)操縱子的阻遏系統(tǒng) 3.2.2 衰減子對色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控衰減子對色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控 3.1 色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)組成色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)組成The Trp OperonNote:the order of the genes follows the order of the biosynthetic pathway (1) 輔阻遏蛋白對輔阻遏蛋白對trp操縱子表達(dá)的

17、調(diào)控操縱子表達(dá)的調(diào)控 輔阻遏蛋白（輔阻遏蛋白（trpR的產(chǎn)物）通過與操縱基因的結(jié)合與的產(chǎn)物）通過與操縱基因的結(jié)合與否來控制結(jié)構(gòu)基因是否被轉(zhuǎn)錄。否來控制結(jié)構(gòu)基因是否被轉(zhuǎn)錄。 (2) 輔阻遏蛋白的活性控制輔阻遏蛋白的活性控制 輔阻遏蛋白的活性受到色氨酸水平的控制，色氨酸與輔阻遏蛋白的活性受到色氨酸水平的控制，色氨酸與輔阻遏蛋白結(jié)合則激活了輔阻遏蛋白，這樣輔阻遏蛋白輔阻遏蛋白結(jié)合則激活了輔阻遏蛋白，這樣輔阻遏蛋白就可與操縱區(qū)就可與操縱區(qū)DNA結(jié)合，關(guān)閉結(jié)合，關(guān)閉trp操縱子的表達(dá)。操縱子的表達(dá)。3.2.1 trp操縱子的阻遏系統(tǒng)操縱子的阻遏系統(tǒng)(1) 前導(dǎo)序列和衰減子前導(dǎo)序列和衰減子(內(nèi)源性終止子內(nèi)

18、源性終止子)的序列特征的序列特征(2) 色氨酸水平調(diào)控前導(dǎo)區(qū)和衰減子對應(yīng)色氨酸水平調(diào)控前導(dǎo)區(qū)和衰減子對應(yīng)RNA二級二級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) (3) RNA的可變性二級結(jié)構(gòu)調(diào)控衰減作用的可變性二級結(jié)構(gòu)調(diào)控衰減作用3.2.2 衰減子對色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控衰減子對色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控(1)前導(dǎo)序列和衰減子前導(dǎo)序列和衰減子(內(nèi)源性終止子內(nèi)源性終止子)的序列特的序列特征征(2) 色氨酸水色氨酸水平調(diào)控前導(dǎo)區(qū)平調(diào)控前導(dǎo)區(qū)和衰減子對應(yīng)和衰減子對應(yīng)RNA二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)143212344.1 定定 義義4.2 產(chǎn)生的核酸堆積物產(chǎn)生的核酸堆積物- (p)ppGpp4.3 (p)ppGpp的產(chǎn)生機(jī)制的產(chǎn)生機(jī)制4.4 (p

19、)ppGpp的作用的作用 應(yīng)急應(yīng)答（應(yīng)急應(yīng)答（stringent response）：）： 當(dāng)細(xì)菌發(fā)現(xiàn)它們處于很差的生長環(huán)境，當(dāng)細(xì)菌發(fā)現(xiàn)它們處于很差的生長環(huán)境，沒有足夠的氨基酸來維持蛋白質(zhì)合成時，沒有足夠的氨基酸來維持蛋白質(zhì)合成時，它們就會停止大部分活動，這種現(xiàn)象稱為它們就會停止大部分活動，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)急應(yīng)答應(yīng)急應(yīng)答。 應(yīng)急應(yīng)答產(chǎn)生兩種非正常的核酸堆積物應(yīng)急應(yīng)答產(chǎn)生兩種非正常的核酸堆積物有時又稱預(yù)警子有時又稱預(yù)警子(alarmone)，即，即ppGpp和和pppGpp，統(tǒng)稱，統(tǒng)稱(P)PPGPP。 應(yīng)急因子應(yīng)急因子RelA是一種是一種(p)ppGpp合成酶，約合成酶，約與與5%的核糖體結(jié)合在

20、一起。的核糖體結(jié)合在一起。 當(dāng)當(dāng)A位被空載位被空載tRNA占據(jù)時，占據(jù)時， RelA被激活。被激活。 一個空載一個空載tRNA進(jìn)入進(jìn)入A位就生成一個位就生成一個(p)ppGppStringent factor catalyzes the synthesis of pppGpp and ppGpp; ribosomal proteins can dephosphorylate pppGpp to ppGpp. 應(yīng)急應(yīng)答使得應(yīng)急應(yīng)答使得rRNA和和tRNA的合成量的合成量大幅減少（大幅減少（10-20%），一些），一些mRNA的合成的合成也減少（也減少（1/3）。蛋白質(zhì)的降解速率增加，）。蛋白質(zhì)的

21、降解速率增加，許多代謝調(diào)節(jié)作用開始發(fā)生。許多代謝調(diào)節(jié)作用開始發(fā)生。Nucleotide levels control initiation of rRNA transcription. 5.1 反義反義RNA抑制基因表達(dá)抑制基因表達(dá)5.2 小小RNA分子調(diào)節(jié)翻譯分子調(diào)節(jié)翻譯5.3 RNA干擾與基因沉默干擾與基因沉默5.1.1 反義基因和反義反義基因和反義RNA的定義的定義5.1.2 反義反義RNA技術(shù)及作用原理技術(shù)及作用原理 反義基因反義基因 (Antisense gene): 是指相對于啟動子的方向，將基因反向，從而轉(zhuǎn)錄出是指相對于啟動子的方向，將基因反向，從而轉(zhuǎn)錄出“反義反義RNA”鏈（給

22、與正義鏈（給與正義RNA互補），此時的基因稱互補），此時的基因稱反義基因。反義基因。反義反義RNA (Antisense RNA): 能與特異能與特異mRNA分子互補結(jié)合的一段分子互補結(jié)合的一段RNA分子。分子。反義反義RNARNA技術(shù)：技術(shù)： 利用基因重組技術(shù)，構(gòu)建人工表達(dá)載體，使其離體或體內(nèi)表達(dá)利用基因重組技術(shù)，構(gòu)建人工表達(dá)載體，使其離體或體內(nèi)表達(dá)反義反義RNARNA，從而抑制靶基因的表達(dá)，從而抑制靶基因的表達(dá) 。作用原理作用原理: :（1 1）復(fù)制水平：）復(fù)制水平：與引物與引物RNARNA互補結(jié)合，抑制互補結(jié)合，抑制DNADNA復(fù)制。復(fù)制。（2 2）轉(zhuǎn)錄水平：）轉(zhuǎn)錄水平：與與mRNA 5

23、mRNA 5末端互補結(jié)合，阻止帽子結(jié)構(gòu)形成；末端互補結(jié)合，阻止帽子結(jié)構(gòu)形成；作用于外顯子和內(nèi)含子連接區(qū)，阻止前作用于外顯子和內(nèi)含子連接區(qū)，阻止前mRNAmRNA的剪接；的剪接； 作用于作用于poly Apoly A形成位點，阻止形成位點，阻止mRNAmRNA的成熟及其向胞漿中的轉(zhuǎn)運的成熟及其向胞漿中的轉(zhuǎn)運. .（3 3）翻譯水平：）翻譯水平：可能是最主要方面，可能是最主要方面，互補于起始位點阻止核糖互補于起始位點阻止核糖體結(jié)合；體結(jié)合；互補于編碼區(qū)阻止核糖體在互補于編碼區(qū)阻止核糖體在mRNAmRNA上移動；上移動；降解靶降解靶mRNAmRNA 5.2.1 小小RNA分子調(diào)節(jié)翻譯機(jī)制分子調(diào)節(jié)翻譯

24、機(jī)制5.2.2 細(xì)菌內(nèi)含有調(diào)節(jié)因子細(xì)菌內(nèi)含有調(diào)節(jié)因子RNA5.2.3 真核生物中含有的微小調(diào)節(jié)因子真核生物中含有的微小調(diào)節(jié)因子RNA 調(diào)節(jié)因子調(diào)節(jié)因子RNA通過與靶通過與靶RNA形成雙鏈區(qū)域來形成雙鏈區(qū)域來行使功能，雙鏈體可以：行使功能，雙鏈體可以： 阻遏翻譯起始；阻遏翻譯起始；產(chǎn)生一個核酸內(nèi)切酶作用靶點；產(chǎn)生一個核酸內(nèi)切酶作用靶點；引起轉(zhuǎn)錄終止。引起轉(zhuǎn)錄終止。By binding to a target RNA to form a duplex region, a regulator RNA may create a site that is attacked by a nuclease. 細(xì)菌中的調(diào)節(jié)因子細(xì)菌中的調(diào)節(jié)因子RNA是短的分子，是短的分子，統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為sRNA。 E.coli 至少包含至少包含17種不同種不同sRNA，有，有一些一些sRNA是普遍的調(diào)節(jié)因子，可以影是普遍的調(diào)節(jié)因子，可以影響許多靶基因。響許多靶基因。Oxy R（可被（可被H2O2刺激表達(dá)的基因）刺激表達(dá)的基因）Oxy S （靶基因之一）（靶基因之一） Oxy S RNA （109 堿基）堿基）（超過超過10個靶基因個靶基因轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄氧化應(yīng)急反應(yīng)展示了氧化應(yīng)急反應(yīng)展示了RN