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原核基因表达调控讲座-课件PPT.ppt

原核基因表达调控讲座-课件PPT

韩晶
2019-07-16 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《原核基因表达调控讲座-课件PPTppt》,可适用于医药卫生领域

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原核基因表达调控讲座第一节原核生物基因表达特点CharacteristicsofGeneExpressionofProkaryotes操纵子在研究基因表达的重要性具有普遍性真核生物研究的借鉴开拓了分子识别(molecularrecognition)的研究研究成果应用于实践具有指导意义。一、操纵子是原核生物的基因转录单元操纵子理论实验依据实验模型:细菌的乳糖代谢酶类诱导突破点:乳糖阻遏蛋白基因lacI的发现lacI是组成型表达基因其突变(lacI)引起管辖的基因族也发生组成型表达用噬菌体转导方法把野生型(lacI)转入突变株(lacI)逆转了组成型突变操纵子(operon)是由结构基因及其上游调控序列组成的转录单元结构基因转录受调控序列控制。调控序列包括远端的阻遏蛋白(repressor)基因I近端的启动子(promoter,P)和操纵序列(operator,O)。蛋白质因子特异DNA序列启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。操纵序列是阻遏蛋白的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动阻碍转录。二、原核生物中mRNA的转录、翻译和降解偶联进行三、mRNA所携带的信息差别很大细菌mRNA所编码的蛋白质数量有很大差异。有的mRNA只带有一个结构基因的信息(编码一个蛋白质)称为单顺反子mRNA(monocistronicmRNA)大部分mRNA都是从操纵子转录而成带有编码几个甚至十几个蛋白质的序列信息这种mRNA是从几个首尾相连的结构基因(存在于一个操纵子中)一次转录而成称为多顺反子mRNA(polycistronicmRNA)。第二节原核生物基因表达的转录水平调控RegulationofProkaryoticGeneExpressionatTranscriptionLevel一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋白质结构为基础(一)特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列与结构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别和结合这些特定的DNA序列称为顺式作用元件(cisactingelements)亦称为顺式调控元件。在原核生物中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合位点、增强子等。转录调控牵涉到DNA和蛋白质的作用基因的转录调控序列或称顺式作用元件(cisactingelement)指与结构基因表达调控相关能够被基因调控蛋白特异性识别和结合的DNA序列。能结合顺式作用元件而调节基因转录活性的蛋白质称为转录调节蛋白在真核生物中又称反式作用因子(transactingfactor)。顺式作用元件是DNA序列cis(在hellip之内)反式作用因子是蛋白质trans(来自hellip之外)Ecoli的启动子区(二)调控蛋白具有结合DNA所需的结构特征基因特异性转录因子(genespecifictranscriptionfactors):能够与顺式作用元件特异性结合、对基因表达的转录起始过程有调控作用的蛋白质激活蛋白或正调控蛋白:对基因表达有激活作用的蛋白质阻遏蛋白:对基因表达有抑制作用的蛋白质最常见的DNA结合域:锌指(zincfinger)CmdashmdashCysHmdashmdashHis常结合GC盒螺旋转角螺旋(helixturnhelix,HTH)同源异形结构域二、特定蛋白质与DNA结合后控制转录起始(一)sigma因子和启动子决定转录是否能够起始启动子及其与转录的关系(二)阻遏蛋白结合操纵元件对转录起始进行负调控阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与DNA结合后RNA聚合酶仍有可能与启动子结合但不能形成开放起始复合物不能启动转录这种作用称为阻遏(repression)特定的信号分子与阻遏蛋白结合使阻遏蛋白失活从DNA上脱落下来称为去阻遏或脱阻遏(derepression)。阻遏蛋白都可以与信号分子结合而发生变构在不同构象时阻遏蛋白或者与DNA结合或者与DNA解离。在可诱导型操纵子中信号分子使阻遏物从DNA释放下来解除对转录的抑制作用在可阻遏型操纵子中信号分子使阻遏物结合DNA抑制转录。在两种情况下阻遏蛋白结合于DNA后都是抑制转录这种类型的基因表达调控称为负调控。乳糖操纵子是可诱导型操纵子乳糖操纵子的结构没有乳糖存在时乳糖操纵子被阻遏蛋白封闭有乳糖存在时乳糖操纵子被诱导物开放色氨酸操纵子是可阻遏操纵子合成代谢操纵子由合成产物关闭合成代谢操纵子在基础状态下持续开放在产物达到满足需要量时才关闭。分解和合成代谢的操纵子操纵子基础状态调控方式分解代谢关闭由诱导物开放合成代谢开放由阻遏物关闭Trp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操纵子的作用原理操纵子关闭(三)激活蛋白结合正调控元件而对转录起始进行正调控.正调控蛋白可结合启动子邻近序列进行调控.激活蛋白结合增强子可远距离进行转录起始正调控ntrC蛋白对转录的正调控作用三、原核基因表达的转录过程可通过不同模式进行调控(一)去阻遏和正调控机制对转录起始进行双重调控.乳糖操纵子受阻遏蛋白(负性调节)和CAP(正性调节)的协调调节乳糖操纵子由cAMPCAP系统进行正调控TTTACATATGTTNNAlac乳糖操纵子是弱启动子被RNApol结合后还需cAMPCAP(分解代谢物基因活化蛋白)活化无葡萄糖cAMP浓度高时有葡萄糖cAMP浓度低时CAPCAP结合位点低乳糖时高乳糖时葡萄糖低cAMP浓度高葡萄糖高cAMP浓度低II无转录无转录低水平转录.AraC的别构调节使阿拉伯糖操纵子调控更精细阿拉伯糖操纵子的调控机制araBAD的表达调控必需条件:araC、阿拉伯糖、cAMPCAP当araC表达太多会出现自我负反馈调节当araBAD表达太多阿拉伯糖被快速代谢结合型的araC下降导致araBAD又关闭C蛋白在正常情况下结合于araBAD的operator上量很多时才起自我负反馈araBAD的调控总结(二)色氨酸操纵子的弱化机制实质是转录与翻译调控的偶联色氨酸操纵子(trpoperon)除了产物阻遏负调控外还有转录衰减(attenuation)调控方式。衰减是转录翻译的偶联调控。色氨酸操纵子色氨酸是构成蛋白质的组分细菌要经过许多步骤合成色氨酸。一旦环境能够提供色氨酸时细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸以减轻自己的负担。色氨酸操纵子负责调控色氨酸的生物合成。当培养基中有足够的色氨酸时该操纵子自动关闭缺乏色氨酸时操纵子被打开。通过色氨酸操纵子的调控可使基因的转录在两个顺式终止子结构的某处终止。色氨酸在这里不是起诱导作用而是阻遏能帮助阻遏蛋白发生作用──辅阻遏分子。色氨酸操纵子结构色氨酸的合成分步需种酶催化:trpE、trpD、trpC、trpB、trpA:邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油磷酶合成酶trp操纵子中产生阻遏物的基因是trpR该基因距trp基因簇很远以组成性方式低水平表达分子量为的调控蛋白R。R本身没有活性当环境提供足够浓度色氨酸时R与色氨酸结合活化阻遏结构基因的转录。阻遏-操纵机制:粗调开关trp操纵子中对应于色氨酸生物合成的细调开关控制已启动的转录是否继续。衰减子的调控现象:当色氨酸达到一定浓度但还不足以活化R时产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。Ptrpo与第一个结构基因trpE之间bp的一段前导序列(L)实验证明当色氨酸达一定浓度时RNA聚合酶的转录终止。L:含有编码由个aa的ORF个Trp相连ORF前有RBS。色氨酸浓度很低时Ptrp开放同时核糖体开始翻译。色氨酸浓度较低时生成的trptRNA量少核糖体沿mRNA翻译移动的速度慢赶不上RNA聚合酶沿DNA移动转录的速度区和区形成双链结构(区还未转录出来)前导序列中终止子结构不能形成转录继续进行。当色氨酸浓度较高时trp-tRNA浓度随之升高核糖体不在色氨酸密码子处停止区与区配对被破坏、区与区配对终止子结构形成转录减弱。原核生物基因表达的翻译水平调控RegulationofProkaryoticGeneExpressionatTranslationLevel第三节一、SD序列决定翻译起始效率(一)SD序列的碱基序列影响翻译起始的效率SD序列即核糖体结合位点(RBS)是位于AUG上游~个核苷酸处的一段富含嘌呤的序列rsquoAGGAPuPuUUUPuPuAUGrsquo能与SrRNA的rsquo端互补而促进mRNA翻译的起始。(二)SD序列的定位影响翻译起始的效率红霉素甲基化酶mRNA的翻译调控二、mRNA的稳定性是决定翻译产物量的重要因素原核生物mRNA分子某些片段例如发夹有RNase抗性。细胞内有结合RNA、使之免受RNase降解的保护蛋白。近年发现内源或外源的小分子RNA可特异互补结合细胞RNA使其失去功能。与减少表达量一样降低mRNA稳定性也是基因表达调控方式三、翻译产物可对翻译过程产生反馈调节效应核糖体蛋白控制多顺反子mRNA的翻译翻译终止因子RF调节自身的翻译核糖体蛋白与rRNA合成是互相协调的原核生物的SrRNA与种核糖体蛋白(ribosomalproteins)简称r蛋白组成核糖体小亚基S和SrRNA与种r蛋白组成大亚基。大、小亚基在翻译起始组合为S核糖体。蛋白质合成是生存的最基本需要细胞必然要严格控制rRNA和r蛋白的比例。核糖体蛋白基因与RNApol亚基基因的多顺反子r蛋白基因在各个操纵子上转录为多顺反子操纵子基因簇表达产物rif(rpoBC)rpLKAJLrpoBrpoCLRNApolbetabetarsquorpoArpsMKDrpoArpLQSRNApolOLspcrpLNXErpsNHrpLFRrpsErpLDOLSLSL这类操纵子有转录翻译偶联调控现象称为自我调节(autogenouscontrol)。四、小分子反义RNA参与调节蛋白质合成(一)小分子RNA参与基因表达产物类型转换的调控(二)小分子RNA参与维持极低水平的基因表达大肠杆菌渗透压调节中micRNA的调节作用第四节Lambda噬菌体的基因表达调控RegulationofgeneexpressioninLambdaphage一、Lambda噬菌体调控区段的表达产物与生活周期有关lambda噬菌体的生活史溶菌生长途径(lysispathway)溶原菌生长途径(lysogenicpathway)Lambda噬菌体的溶原和裂解生活周期*Lambda噬菌体的基因结构和调控区域二、cI基因表达的阻遏蛋白封闭大部分基因使lambda进入溶原周期lambda的转录按先后分即刻早期(immediateearly)晚早期(delayearly)和晚期(late)三期的表达依次连续相互制约。前两期转录是双向的。晚期转录单向在环状基因组从R沿环到AJ结构区和向左到达重组区的晚早期转录汇合完成一个转录周期。表达产物供溶菌周期装配感染型噬菌体。调控的主要关键在阻遏蛋白基因cIcI两侧启动子受宿主RNApol催化向左转录出SRNA翻译为抗终止蛋白N向右转录出SRNA翻译为Cro蛋白。Cro蛋白有封闭阻遏蛋白基因的作用。N蛋白在nut位点帮助RNApol越过左、右终止点tR和tL进行晚早转录并继续完成晚期转录。晚期转录之前还受另一抗终止蛋白Q的活化。mdashmdash这些都是完成溶菌作用的必须条件首先是cⅡ的表达CⅡ开启cI。cI表达的阻遏蛋白结合左、右操纵序列OL和OR。Ecoli的RNApol结合PR后不能向右转录无法完成晚早和晚期表达没有结构蛋白的生成。PL的启动活性比PR强可使重组区表达产物分别有附加(att)、整合(int)和切割(xis)作用。完成整合后CIII维持cII活性CⅡ开启cI。cI单独表达产生的阻遏蛋白封闭启动子进入溶原状态。溶原状态的建立:Lambda溶菌和溶原建立的调控溶菌溶原*

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