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原核生物的基因調控

原核生物的基因調控. 03 生物技術 楊帆 2003406024024 余若基 2003406024025 呂艷姿 2003406024026 林婷婷 2003406024028. 一、操纵子 (operon). 操纵元是原核基因表达调控的一种重要的组织形式 最基本的组成元件 : 1. 结构基因群 2. 启动子 3. 操纵子 4. 调控基因 5. 终止子. 1. 结构基因群. 操纵元中被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因。 一个操纵元中含有 2 个以上的结构基因。

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原核生物的基因調控

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Presentation Transcript

  1. 原核生物的基因調控 03生物技術 楊帆 2003406024024 余若基 2003406024025 呂艷姿 2003406024026 林婷婷 2003406024028

  2. 一、操纵子(operon) • 操纵元是原核基因表达调控的一种重要的组织形式 • 最基本的组成元件 : 1. 结构基因群 2.启动子 3.操纵子 4.调控基因 5.终止子

  3. 1. 结构基因群 • 操纵元中被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因。 • 一个操纵元中含有2个以上的结构基因。 • 每个结构基因是一个连续的开放读框，在5′端有翻译起始码，而3′端有翻译终止码 • 各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。在第一个结构基因5′侧具有核糖体结合位点。

  4. 当这段含多个结构基因的DNA被转录成多顺反子mRNA，能被核糖体所识别结合、并起始翻译。核糖体沿mRNA移动；在合成完第一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多肽。当这段含多个结构基因的DNA被转录成多顺反子mRNA，能被核糖体所识别结合、并起始翻译。核糖体沿mRNA移动；在合成完第一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多肽。

  5. 2.启动子 • 启动子是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。 • 操纵元至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5′侧上游，控制整个结构基因群的转录。

  6. 用RNA聚合酶与分离的一段DNA双链混合，再加入外切核酸酶去水解DNA，结果只有被RNA聚合酶识别结合而被保护的那段DNA不被水解，由此可以测出启动子的范围及其序列。用RNA聚合酶与分离的一段DNA双链混合，再加入外切核酸酶去水解DNA，结果只有被RNA聚合酶识别结合而被保护的那段DNA不被水解，由此可以测出启动子的范围及其序列。 • 虽然不同的启动子序列有所不同，但經比较不同原核生物的启动子的序列，发现有一些共同的规律，它们一般长40－60bp，含A的碱基对较多，某些段落是很相似的，这些相似的保守性段落称为共有性序列

  7. 如图所示启動子一般可分為三个区段： 识别、结合和起始  原核生物基因转录起始区

  8. 3.操纵子 • 操纵子(operator)是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列， • 常与启动子邻近或与启动子序列重叠 • 凡能与调控蛋白特异性结合、从而影响基因转录强弱的序列，不论其对基因转录的作用是减弱、阻止或增强、开放，都可称为操纵子。

  9. 4.调控基因 • 调控基因(regulatory gene)是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。 正调节蛋白+操作子 结构基因转录、表达基因失活，结构基因不表达 （正控制/正调节 ） 负调节蛋白+操作子 结构基因转录、表达基因失活，结构基因组成型表达 （负控制/负调节 ）

  10. 根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分根据调节蛋白基因突变失活所产生的后果，可分 隐性的组成型表达——负控制系统 结构基因处于不可诱导状态——正控制系统 根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分： 开启调控系统中结构基因的转录活性 ——诱导 关闭调控系统中结构基因的转录活性 ——阻遏

  11. 5.终止子 • 终止子是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。 • 在一个操纵元中至少在构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。 • 终止子按其作用是否需蛋白因子的协助分为两类： 不依赖ρ因子的终止子，是由RNA聚合酶转录生成的mRNA 的结构阻止RNA聚合酶继续沿DNA移动，并使聚合酶从 DNA链上脱落下来，终止转录。 依赖ρ因子的终止子，即其终止转录的作用需要ρ因子的 协同，或至少是受ρ因子的影响。

  12. 原核生物终止子的结构

  13. 顺式作用及顺式作用元件 • 這5种元件是每一个操纵元必定含有的。 • 而启动子、操纵子位于紧邻结构基因群的上游 • 终止子在结构基因群之后， • 它们都在结构基因的附近，只能对同一条DNA链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗传学实验上称为顺式作用 • 所以启动子、操纵子和终止子就属于顺式作用元件

  14. 反式作用及反式调控因子 • 调控基因可以在结构基因群附近、也可以远离结构基因 • 它是通过其基因产物的调控蛋白来发挥作用的 • 因而调控基因不仅能对同一条DNA链上的结构基因起表达调控作用，而且能对不在一条DNA链上的结构基因起作用，在遗传学实验上称为反式作用 • 调控基因就属于反式作用元件，其编码产生的调控蛋白称为反式调控因子

  15. 操纵子调控系统的基本类型： • 可诱导负控制系统 • 可诱导正控制系统 • 可阻遏负控制系统 • 可阻遏正控制系统 正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控； 原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；

  16. 二、乳糖操纵元的表达调控 • 乳糖操纵元的结构及调控示意图

  17. (一)乳糖操纵子的负调控 • 乳糖操纵子的组成：1个启动子、2个操作子、3个结构基因 • 诱导因子：异乳糖、ß-半乳糖苷、异丙基硫代半乳糖苷IPDG • 乳糖操纵子突变类型：无诱导因子，组成型表达，突变位点位于调节基因和操作子上。

  18. 乳糖操纵子组成部分: A：野生型基因型(I+O+Z+Y+A+), 　　无乳糖时，基因不表达；B. 野生型基因型(I+O+Z+Y+A+), 　　有乳糖时，基因表达；C. 调节基因突变(I-O+Z+Y+A+), 　　无乳糖时，基因组成型表达；D. 操纵基因突变型(I＋OcZ+Y+A+)

  19. 没有乳糖时，lac操纵元处于阻遏状态。 • i基因在其自身的启动子Pi控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白R。 • R以四聚体形式与操纵子o结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子P1ac的结合，阻止了基因的转录起动。

  20. (二)乳糖操纵子的正调控 • 细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖分解供给能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低； • 相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。细菌中有一种能与cAMP特异结合的cAMP受体蛋白CRP • 当CRP未与cAMP结合时它是没有活性的，当cAMP浓度升高时，CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，称为CAP

  21. 在lac操纵元的启动子Plac上游端有一段与Plac部分重叠的序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合位点。在lac操纵元的启动子Plac上游端有一段与Plac部分重叠的序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合位点。 • CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活性，使转录提高50倍。 • 相反，当有葡萄糖可供分解利用时，cAMP浓度降低，CRP不能被活化，lac操纵元的结构基因表达下降。 • lac操纵元的强诱导既需要有乳糖的存在，又需要没有葡萄糖可供利用。 • 通过这种机制，细菌优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。

  22. 葡萄糖利用对乳糖操纵元的影响

  23. 葡萄糖抑制操纵子的原理： 葡萄糖 腺苷酸环化酶活性降低 ATP无法转变成cAMP 不能形成CAP-cAMP复合蛋白 RNA酶无法结合在DNA上 结构基因不表达。 • 无葡萄糖时：ATP cAMP cAMP -CAP复合物 • 结合CAP • 乳糖操纵子：两个开关 • 第一：cAMP -CAP复合物 ——受葡萄糖影响 • 第二：异乳糖复合物——受乳糖影响

  24. CAP结合位点就是一种起正性调控作用的操纵子，CAP则是对转录起正性作用的調控蛋白的激活蛋白CAP结合位点就是一种起正性调控作用的操纵子，CAP则是对转录起正性作用的調控蛋白的激活蛋白 • 而编码CRP的基因也是一个调控基因，不过它并不在lac操纵元的附近，CAP可以对几个操纵元都起作用。 • 从上所述，乳糖操纵子属于可诱导操纵子，这类操纵子通常是关闭的，当受效应物作用后诱导开放转录。这类操纵子使细菌能适应环境的变化，最有效地利用环境能提供的能源底物。

  25. 三、色氨酸操纵子 1．色氨酸操纵子模型： • 操纵子：包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因； • 大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制； • 色氨酸不足时：这５种酶的基因开始转转录； 色氨酸作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。 • ∴　trp操纵子是一个典型的可阻遏操纵元模型

  26. 色氨酸操纵子模型结构： • 5种结构基因：trpE、D、C、B、A； • 调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子； • 阻遏物trpR基因：与trp操纵子相距较远；

  27. 2.色氨酸操纵子的负调控： ⑴. 阻遏调控： trpR基因编码无辅基阻遏物 与色氨酸结合 形成有活性的色氨酸阻遏物 与操作子结合 阻止转录； • 色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化 ，不能与操作子结合，操纵元开始转录； • 色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操作子结合，阻止转录。

  28. 色 氨 酸 操 纵 元 的 结 构 和 调 控 示 意 图

  29. 2. 衰减子及其作用 • 当有色氨酸存在而trp操纵子受抑制时，仍有一段前导序列发生转录，可能存在另一种的机制来抑制trp操纵元的转录。 • 色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列140bp长，其中有一28bp的弱化子区域；形成发夹结构，为内部终止子，RNA酶从DNA上脱落，不能转录； • 色氨酸低浓度或不存在时，RNA聚合酶能通过弱化子区域，转录完整的多顺反子mRNA序列；

  30. 在色氨酸操纵元Ptrp-o与第一个结构基因trpE之间有162bp的一段先导序列在色氨酸操纵元Ptrp-o与第一个结构基因trpE之间有162bp的一段先导序列 • 当色氨酸达一定浓度时，RNA聚合酶的转录会终止在这里。 • 该序列可分为四个区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。

  31. 原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种二级结构,从而决定弱化子是否可形成终止信号。原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种二级结构,从而决定弱化子是否可形成终止信号。 • ①. 当有色氨酸时，完整翻译短肽 核糖体停留在终止密码子处，邻近区段2位置 阻碍了2,3配对 使3, 4区段配对 形成发夹结构终止子 RNA酶在弱化子处终止，不能向前移动。 • ②.如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时 由于没有色氨酰tRNA的供应 停留在该密码子位置，位于区段1 使区段2与区段3配对 区段4无对应序列配对呈单链状态 RNA聚合酶通过弱化子，继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。

  32. 由此可见，先导序列起到随色氨酸浓度升高降低转录的作用，这段序列就称为衰减子。在trp操纵元中，对结构基因的转录阻遏蛋白的负调控起到粗调的作用，而衰减子起到细调的作用。

  33. ~~~~~The End~~~~~

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