分子生物学基因的表达与调控上.pptx
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1、 原核生物细胞:基因和蛋白质种类较少 如大肠杆菌基因组约为4.60 x106bp共有4288个可读框。据估计,一个细胞中总共含有107个蛋白质分子,如果每个基因等同翻译的话,任何一个多肽应有2500个拷贝。但是,这些蛋白质并不是以相同拷贝数存在于每个细胞中的,有些蛋白质的数目相当固定,另一些则变化很大。每个大肠杆菌细胞可以有约15000个核糖体,与其结合的约50种核糖体蛋白,数量也是十分稳定的。糖酵解体系的酶含量很大,其数目也极恒定。如DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代谢过程中十分必需的酶或蛋白质,其合成速率不受环境变化或代谢状态的影响,这一类蛋白质被称为组成型(constitutive)合成
2、蛋白质。另一种类型的蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变,被称为适应型或调节型(adaptive or regulated)蛋白质。一般情况下,一个大肠杆菌细胞中只有15个分子的-半乳糖苷酶,但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中,每细胞中这个酶的量可高达几万个分子。其他参与糖代谢的酶,氨基酸、核苷酸合成系统的酶类,其合成速度和总量都随培养条件的变化而改变。细菌中所利用的大多数基本调控机制一般执行如下规律:一个体系在需要时被打开,不需要时被关闭。是通过调节转录来建立的,也就是说在mRNA的合成水平上调节。实际上,当我们说一个系统处于关闭状态时,也可能有本底水平的基因表达,常常是每世代每个细胞只
3、合成1或2个mRNA分子和极少量的蛋白质分子。表示是基因表达量特别低,很难甚至无法检测。6 61 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:从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(gene expression)对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。rRNA rRNA、tRNAtRNA编码基因转录合成编码基因转录合成RNARNA的过程也属于的过程也属于基因表达。基因表达。基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。基因表达的方式基因表达的方式 组成性表达(constitutive expression)适应性表达(adaptiv
4、e expression)1 1、组成性表达:组成性表达:指不大受环境变动而变化的一类基因表达。指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达,通常被称为通常被称为管家基因管家基因(housekeeping gene)(housekeeping gene)。2 2、适应性表达、适应性表达 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction),这类基因被称为,这类基因
5、被称为可诱导的基因可诱导的基因(inducible gene);相反,随环境条件变化而基因表达水平降低的现象相反,随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏称为阻遏(repression),相应的基因被称为,相应的基因被称为可阻遏的基因可阻遏的基因(repressible gene)。基因表达的规律基因表达的规律 时间性和空间性时间性和空间性1、时间特异性(、时间特异性(temporal specificity)按功能需要,某一特定基因的表达严格按特定按功能需要,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。多细胞生物基因
6、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段特阶段特异性异性(stage specificity)。2、空间特异性、空间特异性(spatial specificity)基基因因表表达达伴伴随随时时间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种分分布布差差异异,实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的的,所所以以空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞或或组组织织特特异异性性(cell or tissue specificity)。在在个个体体生生长长全全过过程程,某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现,称称之之为为基基因因表表
7、达达的的空空间间特异性特异性。基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义 适应环境、维持生长和增殖(原核、真核)维持个体发育与分化(真核)基因表达调控主要表现:基因表达调控主要表现:(1)转录水平上的调控 (transcriptional regulation);(2)转录后水平上的调控 (post transcriptional regulation)转录后水平上的调控包括:mRNA加工成熟水平上的调控 (differential processing of RNA transcript);翻译水平上的调控 (differential translation of mRNA)。原核生物
8、中 营养状况(nutritional status)环境因素(environmental factor)对基因表达起着举足轻重的影响。真核生物尤其是高等真核生物中 激素水平(hormone level)发育阶段(developmental stage)是基因表达调控的最主要手段,营养和环境因素的影响力大为下降。原核:转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内,转录与翻译相偶联。真核生物:转录产物只有从核内运转到核外,才能被核糖体翻译成蛋白质。6.1.1 原核基因调控机制的类型与特点原核生物的基因调控主要发生在转录水平上。根据调控机制的不同可分为:负转录调控(negative transcripti
9、on regulation)正转录调控(positive transcription regulation)在负转录调控系统中,调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor),起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为:负控诱导 负控阻遏 二大类。在负控诱导系统中,阻遏蛋白不与效应物(诱导物)结合时,结构基因不转录;在负控阻遏系统中,阻遏蛋白与效应物结合时,结构基因不转录。阻遏蛋白作用的部位是操纵区。在正转录调控系统中,调节基因的产物是激活蛋白(activator)。根据激活蛋白的作用性质分为:正控诱导系统 正控阻遏系统。在正控诱导系统中,效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状
10、态;在正控阻遏系统中,效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态。转录水平上调控的其他形式转录水平上调控的其他形式1.因子的更换 在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时,需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。参与大肠杆菌基因表达调控最常见的蛋白质是因子。温度较高,诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要 枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达 除参与氮代谢的54以外,其它5种因子在结构上具有同源性,所以统称70家族。所有
11、因子都含有4个保守区,其中第2个和第4个保守区参与结合启动区DNA,第2个保守区的另一部分还参与双链DNA解开成单链的过程。大多数因子特异性结合DNA上的-35区和-10区,而54因子识别并与DNA上的-24和-12区相结合。在与启动子结合的顺序上:70类启动子在核心酶结合到DNA链上之后才能与启动子区相结合 54则类似于真核生物的TATA区结合蛋白(TBP),可以在无核心酶时独立结合到启动子上。通过特殊代谢物调节的基因活性主要有两大类:可诱导 可阻遏(1)可诱导调节:是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下,由原来关闭的状态转变为工作状态,即在某些物质的诱导下使基因活化。大肠杆菌在含有葡萄
12、糖的培养基中生长良好,在只含乳糖的培养基中开始时生长不好,直到合成了利用乳糖的一系列酶,具备了利用乳糖作为碳源的能力才开始生长。细菌在诱导物乳糖的诱导下开动了乳糖操纵子,表达它所编码的3个酶:-半乳糖苷酶(使乳糖水解为半乳糖和葡萄糖)-半乳糖苷透过酶(使乳糖进入细菌细胞内)-半乳糖苷乙酰基转移酶(使-半乳糖第六位碳原子乙酰化)。在葡萄糖培养基中生长时,每个细胞只有几个-半乳糖苷酶分子,但若转移到乳糖培养基中,几分钟后,每个细菌细胞内可产生3000个酶分子。因此,这类基因被称为可诱导基因 这类酶被称为诱导酶 这个生化过程被称为酶的诱导合成。(2)可阻遏调节:这类基因平时都是开启的,处在产生蛋白质
13、或酶的工作过程中,由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭,阻遏了基因的表达。大肠杆菌生活中必须有色氨酸,一般情况下,色氨酸操纵子是开启的。如果在细菌培养基中加入色氨酸,使之能利用培养基中的色氨酸来维持生活而不需要再费力去合成,细菌往往能在2-3 min内完全关闭该操纵子。某一代谢途径最终产物合成酶的基因可以被这个产物本身所关闭。这种基因被称为可阻遏基因 这些酶被称为可阻遏酶 这个现象被称为可阻遏现象 这些起阻遏作用的小分子被称为阻遏物。一般规律:可诱导的操纵子总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因,这些糖和氨基酸平时含量很少,细菌总是利用更一般的能源物质葡萄糖的水解来提供能源,因此,这些
14、操纵子常常是关闭的。一旦生存条件发生变化,如葡萄糖缺乏而必须利用乳糖作为能源时,就要打开这些基因。可阻遏基因是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质(如氨基酸、嘌呤和嘧啶等)的基因,由于这类物质在生命过程中的重要地位,这些基因总是打开着的。只有当细菌生活环境中有充分供应时,才关闭这些基因,停止其合成。6 61 12 2 弱化子对基因活性的影响弱化子对基因活性的影响 大肠杆菌中色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子等的调节方式是通过弱化子调节的。在这种调节方式中,起信号作用的是有特殊负载的氨酰-tRNA的浓度,在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。当操纵子被阻遏,RNA合成被终止时。起终止转录
15、信号作用的那一段核苷酸起终止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。因为核糖体在基因转录产物上的不同位置,决定了RNA可以形成哪一种形式的二级结构、并由此决定基因能否继续转录。起调节作用的信号分子是细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度浓度,因此是转录调节中的微调整,只要稍加变动就可影响整个体系的功能。属于这种调节方式的有:大肠杆菌中的色氨酸操纵子 苯丙氨酸操纵子 苏氨酸操纵子 异亮氨酸操纵子 缬氨酸操纵子 沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等。6 61 13 3 降解物对基因活性的调节降解物对基因活性的调节 操纵子学说的核心是使基因从表达抑制状态中解脱出来进行转录,是从负调节的角度来
16、考虑基因表达调控的。如何通过正调节以提高基因的转录水平,使它由原来的低水平表达变成高水平表达,这就是降解物抑制作用的调节。有葡萄糖存在的情况下,即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物,与其相对应的操纵子也不会启动,不会产生出代谢这些糖的酶来,这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。因为添加葡萄糖后,细菌所需要的能量便可从葡萄糖得到满足,细菌无需开动一些不常用的基因去利用那些稀有的糖类。葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性,减少cAMP的合成 与它相结合的蛋白质环腺苷酸受体蛋白CRP(又称分解代谢物激活蛋白CAP)因找不到配体而不能形成复合物。降解物抑制作用是通过提
17、高转录强度来调节基因表达的,是一种积极的调节方式。6 61 14 4 细菌的应急反应细菌的应急反应 在所谓“正常”,也包括生活环境中缺少某一种或两种能源,细菌能找到其他代用物,进行正常生活条件下的基因表达调节。可是,细菌有时会碰到紧急状况,比如氨基酸饥饿时,就不是缺少一二种氨基酸,而是氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支,渡过难关,细菌将会产生一个应急反应,包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。当氨基酸饥饿时,细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA
18、,这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶,使ppGpp大量合成,其浓度可增加10倍以上。ppGpp的出现会关闭许多基因,当然也会打开一些合成氨基酸的基因,以应付这种紧急状况。关于ppGpp的作用原理还不大清楚。一般认为RNA聚合酶有不同的构象,这些构象可以识别不同的启动子区,ppGpp与RNA聚合酶结合会使它的某些构象稳定下来,从而改变了基因转录的效率。也有人认为基因转录起始位点附近有一些保守序列,它们可能是ppGpp或有关调节蛋白的结合位点。当这些序列与ppGpp结合后,就不能与RNA聚合酶相结合,使基因被关闭。ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛,它们不是只影响一个或几个操纵子,而是影
19、响一大批,所以它们是超级调控因子。1 1、操纵子模型的提出、操纵子模型的提出 1961 1961年,年,MonodMonod和和JacobJacob提出提出 获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖6 62 2 乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统Jacob and Monod2、操纵子的定义、操纵子的定义操纵子操纵子:是基因表达的协调单位,由是基因表达的协调单位,由启动子启动子、操纵基操纵基因因及其所控制的一组功能上相关的及其所控制的一组功能上相关的结构基因结构基因所组所组成。成。操纵基因受调节基因产物的控制。操纵基因受调节基因产物的控制。大肠杆菌乳糖操纵
20、子包括3个结构基因:Z、Y和A,以及启动子、控制子(基因)和阻遏子等。转录时,RNA聚合酶首先与启动区(promoter,P)结合,通过操纵区(operator,O)向右转录。转录从O区中间开始,按Z-Y-A方向进行,每次转录出来的一条mRNA上都带有这3个基因。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。3 3个结构基因各决定一种酶:个结构基因各决定一种酶:Z 编码-半乳糖苷酶:Y 编码-半乳糖苷透过酶:A 编码-半乳糖苷乙酰基转移酶:-半乳糖苷酶是一种-半乳糖苷键的专一性酶,除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外,还能水解其他-半乳糖苷。-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的-半乳糖苷(如乳糖)透过大肠杆菌细
21、胞壁和原生质膜进入细胞内,所以,如果用乳糖为大肠杆菌生长的惟一碳源和能源,这两种酶是必需的。-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷上,形成乙酰半乳糖,它在乳糖的利用中并非必需。6 62 21 1 酶的诱导酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据 在不含乳糖及-半乳糖苷的培养基中,lac+基因型大肠杆菌细胞内-半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低,每个细胞内大约只有1-2个酶分子。但是,如果在培养基中加入乳糖,酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6或7,每个细胞中可有超过105个酶分子。v当有乳糖供应时,在无葡萄糖培养基中生长的lac+细菌中将同时合成-半乳糖苷酶和透
22、过酶。v 培养基中加入乳糖1-2min后,编码-半乳糖苷酶和透过酶的lac mRNA量就迅速增加。v 去掉乳糖后,lac mRNA量立即下降到几乎无法检测到,表明乳糖确实能激发lac mRNA的合成。研究诱导作用时很少使用乳糖,因为培养基中的乳糖会被诱导合成的-半乳糖苷酶所催化降解,从而使其浓度不断发生变化。实验室里常常使用两种含硫的乳糖类似物:异丙基巯基半乳糖苷(IPTG)巯甲基半乳糖苷(TMG)。另外,在酶活性分析中常用,发色底物O-硝基半乳糖苷(ONPG),它们都是高效诱导物。因为它们都不是半乳糖苷酶的底物,所以又称为安慰性诱导物(gratuitous inducer)。如果某种物质能够
23、促使细菌产生酶而本身又不被分解,这种物质被称为安慰诱导物.同位素实验证明,酶的合成不是由前体转化而来的,而是加入诱导物后新合成的。已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况下都能产生lac mRNA的突变体,这种失去调节能力的突变体称为永久型突变体,为分两类:I型和O型。I型:野生型为I+,突变型为I-O型:野生型为O+,突变型为Oc。I+I-或O+Oc后,Z、Y、A结构基因均表现为永久表达,所以I基因被称为调节基因(regulatory gene)。I基因是一个产生阻遏物的调节基因,其产物使体系关闭。I-突变体由于不能产生阻遏物,使细胞成为lac永久表达型。I-/I+局部二倍体由于带有一个正常阻遏
24、物,使细胞中的lac仍然被抑制。遗传学图谱分析指出,Oc突变位于I与Z之间,所以,lac体系的4个基因的序列为IOZY。通过这些观察,Jacob和Monod推断Oc突变代表DNA链上的一个位点或一个非编码区域,而不是一个基因,因为可编码的基因具有互补性,而Oc没有这一特性。O决定相邻Z基因的产物是诱导型合成还是永久型合成,O区域称为操纵基因。6 62 22 2 操纵子模型及其影响因子操纵子模型及其影响因子 1961年Jacob和Monod发表lac操纵子负控诱导模式,建立了乳糖操纵子的控制模型,其主要内容如下:(1)Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码;(2)该mRNA分子
25、的启动区(P)位于阻遏基因(I)与操纵区(O)之间,不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达;(3)操纵区是DNA上的一小段序列(长26bp?,35bp),是阻遏物的结合位点;(4)当阻遏物与操纵区相结合时,lac mRNA的转录起始受到抑制;(5)诱导物通过与阻遏物结合,改变它的三维构象,使之不能与操纵区相结合,从而激发lac mRNA的合成。这就是说,有诱导物存在时,操纵区没有被阻遏物占据,所以启动子能够顺利起始mRNA的转录。首先,诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合 而转运诱导物需要透过酶 透过酶的合成又需要诱导。第一个诱导物是如何达到细胞内的?1lac操纵子的本底水平表达影响因子
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- 分子生物学 基因 表达 调控
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