基因表达调控(上).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节 原核生物基因调控总论,基因表达的概念,gene expression：,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)。,典型的基因表达是基因经过,转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程,。,rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表达。,基因表达调控几个重要概念,图(7-1)基因表达的第一步是由RNA聚合酶拷贝DNA,双链中的模板链，生成与该序列完全互补的RNA链,结构基因(structural gene),编码各类具有不同结构和功能的蛋白质的基因(,或rRNA基因、tRNA基因,)。,调控基因(regulator gene),编码蛋白或RNA来调节其他基因表达的基因。,操纵基因(operator),DNA上的一个位点，阻抑物能与之结合抑制相邻启动子起始转录。,基因表达的规律 时间性和空间性,1、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的时间顺序发生，称之为基因表达的,时间特异性,。,多细胞生物基因表达的时间特异性又称,阶段特异性(stage specificity)。,2.空间特异性,(spatial specificity),基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称,细胞或组织特异性,(cell or tissue specificity),。,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，,称之为基因表达的,空间特异性,。,转录水平上的调控,(transcriptional regulation),;,转录后水平上的调控,(,post-,trnscriptional,regulation),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),。,一、基因表达调控的分类,原核基因调控主要发生在转录水平上,负调控(negative control),阻抑物与操纵基因结合来阻止有关基因表达。,正调控(positive control),调控因子与启动子元件结合来激活基因表达。,原核基因调控机制的类型,原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制不同分为：,负转录调控,负控诱导,阻遏蛋白不与效应,物结合时，结构基因不转录。,负控阻遏,阻遏蛋白与效应物,结合时，结构基因不转录。,正转录调控,正控诱导,效应物分子的存在,使激活蛋白处于活性状态。,正控阻遏,效应物分子的存在,使激活蛋白处于非活性状态。,图(6-2)细菌中的转录调控体系,调节方式,1.反式调节:,由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。,这种调节作用称为,反式作用。,2.顺式调节,某一基因编码的产物作用于自己基因的调控元件。,c,DNA,a,DNA,反式调节,C,顺式调节,mRNA,C,蛋白质C,B,A,m,RNA,蛋白质A,A,可诱导调节:,二.原核基因调控机制的类型和特点,可阻遏调节:,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,。,这类基因平时都是开启的，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,。,作为一般规律，可诱导的操纵子常常是关闭的，一旦某些物质，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。可阻遏基因是一些虎城各种细胞代谢过程中所必需的小分子物质的基因，由于这类物质在生命过程中的重要地位，这些基因总是开着的。,起中止转录信号作用的那一段核苷酸被称为,弱化子。,其作用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的调节方式。其调节作用的信号分子是细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度。,三.,弱化子,对基因活性的影响,四.降解物对基因活性的调节,在葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖等诱导物，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，这种现象就是,葡萄糖效应,或,称为降解物抑制作用,。,原因：,葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，减少环腺苷酸合成，与它相结合的蛋白质，即环腺苷酸受体蛋白,CRP,又称为分解代谢物激活蛋白,CAP,，因找不到配体而不能形成复合物。,当细菌氨基酸全面匮乏，会产生一个应急反应。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)。产生这个两种物质的诱导物是,空载tRNA,。,ppGpp的出现会关闭许多基因，以对付这种紧急情况。它们都是超级调控因子。,五.细菌的应急反应,六原核生物基因的调控策略,(一)因子识别结合启动序列,(二)受环境因素影响较大,(三)普遍存在阻遏蛋白的负调控机制,(四)以操纵子模式普遍存在,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),基因表达调节的基本原理,1、基因表达的多级调控,基因激活,转录水平,转录后加工,mRNA降解,蛋白质降解,蛋白质的投递和运输,蛋白质翻译,翻译后加工修饰,基因表达可在多层次上受到调节,2、基因转录调节基本要素,基因表达的调节与,基因,的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外,环境,，以及细胞内所存在的转录,调节蛋白,有关。,三个基本要素：,特异的,DNA,调节序列,调节蛋白,RNA,聚合酶,基因转录激活调节基本要素,(一).特异DNA序列,原核,生物调控序列,是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。5,-10区,1,),启动序列,2,操纵序列,阻遏蛋白,(repressor),的结合位点,3)其他调节序列:,结合激活蛋白特异序列,原核生物,蛋白质因子,操纵子(operon),机制,特异DNA序列,编码序列,启动序列,操纵序列,其他调节序列,(,promoter,),(,operator,),(二).调节蛋白:与相应调控元件结合的蛋白质,2.真核生物:,转录因子,1.原核生物,RNA-pol,阻遏蛋白,激活蛋白,启动序列,操纵序列,激活蛋白结合序列,基本转录因子,(启动序列),特异转录因子,(其它调控序列),发现：,1940年Monod：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌才利用乳糖繁殖增长。,1961,年，,法国人,Jacob&Monod,提出,乳糖操纵子,学说,。,获,1965,年诺贝尔生理学和医学奖。,Francis Jacob,Jacques Monod,第二节 乳糖操纵子负控诱导系统,法国巴斯德研究所著名科学家Jacob和Monod在1961年首先提出原核生物基因结构及其表达调控的操纵子学说。,操纵子:,是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。,操纵基因受调节基因产物的控制。,操纵子的结构,启动基因,操纵基因,结构基因,调节基因,调节蛋白,RNA聚合酶结合部位,调节蛋白结合部位，决定转录与否,操纵子,mRNA,mRNA,(阻抑蛋白),一.酶的诱导,lac,体系受调控的证据,加入乳糖,去掉乳糖,时间/min,5,10,0.5,1.0,lac,mRNA,半乳糖,透过酶,lac mRNA 或,半乳糖苷酶,和透过酶量的变化/相对单位,图(6-3)lac 体系的“开,关”特性,无诱导物，结构基因不表达,lacI,基因转录产生阻遏物单体，结合形成同源四体。,lac,I,同源四体与O区DNA相结合，阻遏基因转录。,lacI,启动子区操纵子区lac,Z,lac,Y,lac,A,图(6-4-1)lac 操纵子的调控模型,二.操纵子模型及其影响因子,阻遏物四聚体,图(6-4-2)lac 操纵子的调控模型,诱导物使lac,I,变成不能与O区相结合的非活性形式,RNA聚合酶与lac启动子区相结合,起始基因转录,mRNA被转录成3个蛋白质,-半乳糖苷酶 透过酶,-半乳糖苷乙酰基转移酶,诱导物启动,lac,结构基因转录,lacZ,lacY,lacA,P,lacI,P,lac,O,lac,lacI,乳糖操纵子组成：,5,种元件,由1个调节基因,PlacI,，3个结构基,因lacZ、Y、A及,控制元件O,lac,、启动子P,lac,和终止子组成。,1、结构基因,（1）,lacZ,：,编码,b,半乳糖苷酶,（使乳糖水解）,（2）,lacY,：,编码,b,半乳糖苷透过酶,（使,b,半乳糖苷透过细胞壁、质膜进入细胞内）,（3）,lacA,：,编码,b,半乳糖苷乙酰转移酶,（将乙酰基转移到,b,半乳糖苷上）,2、启动子：,P,lac,：,控制,lacZ,lacY,lacA；,多顺反子的mRNA。,3、终止子,4、调节基因,lacI：,编码,阻遏蛋白,（,repressive protein,）亚基,四聚体存在时具有活性，与,O,lac,具有 很强的亲和力,lacZ,lacY,lacA,P,lacI,P,lac,O,lac,lacI,5、控制元件,O,lac,（1）28bp,的回文结构，可形成十字形结构,（2）,这种结构正好与由四个相同亚基组成的阻遏蛋白相匹配。,RNA聚合酶结合部位,阻遏蛋白结合部位,I,O,lacZ,lacY,lacA,P,调节基因,启动基因,操纵基因,结构基因,O,P,lacZ,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,大肠杆菌乳糖操纵子结构,Z,、,Y,、,A,基因的产物由同一条多顺反子的,mRNA,分子所编码。,该,mRNA,分子的启动区,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。,操纵区是,DNA,上的一小段序列，是阻遏物的结合位点。,当阻遏物与操纵区相结合时，,lac,mRNA,的转录起始受到抑制。,诱导物通过阻遏物结合，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,合成。,乳糖操纵子的控制模型主要内容,lac,操纵子的本底水平表达,因为诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而运转诱导物需要透过酶。,矛盾：,第一个诱导物是如何进入细胞内的？,乳糖操纵子的正调控现象,两种可能：,一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞,;,一些透过酶可以在没有诱导物的情况下下合成。,在非诱导状态,(off,状态,),下,也有少量,(1-5,个,mRNA,分子,),lac,mRNA,合成,这种合成被称为,本底水平的组成型合成,(background level constitutive synthesis),。,(,本底水平永久型合成,),图6-5 培养基中有无诱导物对,lac,mRNA及,-半乳糖苷酶活性的影响,lac,mRNA水平,0,2,4,6,8,10,12,本底水平,诱导后的水平,本底水平,时间/min,-半乳糖苷酶活性,滞后,滞后,本底水平,诱导后的水平,加诱导物,去掉诱导物,2.大肠杆菌对乳糖的反应,阻遏物,lac,基因产物及功能,lac,操纵子阻遏物,mRNA,是由,弱启动子控制下组成型合成的,，该阻遏蛋白有,4,个相同的亚基，每个亚基含有,347,个氨基酸残基，并能与,1,分子,IPTG,结合。,现象：,培养基中含,葡萄糖、乳糖,lacZ,等,低表达,无葡萄糖、有乳糖,lacZ,等,高表达,4.葡萄糖对乳糖操纵子的影响,lacZ,lacY,lacA,P,lacI,P,lac,O,lac,lacI,葡萄糖效应：,是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时,葡萄糖总是优先被利用,，葡萄糖的存在阻止了其它糖类的利用的现象。,4.葡萄糖对,lac,操纵子的影响,半乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。将葡萄糖和乳糖同时加入培养基，大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖之间不会诱发,lac,操纵子。,不是葡萄糖而是他的某些降解产物抑制lac mRNA的合成，我们把这种效应称之为,代谢物阻遏效应(catabolite repression)。,问题：是否有另外的调控途径？,cAMP的浓度受到葡萄糖代谢,的调节。在含葡萄糖的培养集中培养，,cAMP的浓度就低,。大肠杆菌中的,代谢物激活蛋白，由CRP基因编码,，CRP蛋白因子和cAMP都是合成,lac,mRNA所必需的。可通过与 cAMP 结合而激活，即CRP只有与cAMP结合才有活性。,转录必须有,cAMPCRP复合物结合在DNA的启动子区域上,。cAMPCRP是一个不同于阻遏物的正调控椅子，而,lac,操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下实现的。,cAMP,与代谢物激活蛋白,cAMP-CRP结合位点,（另一调控元件）,（1）位于启动子,P,lac,上游，与,P,lac,部分重叠,（2）能与cAMP-CRP特异结合,（3）cAMP-CRP与该位点的结合是,lac,mRNA合成起始所必须的,P,lac,/RNA polymerase,-50,-30,-10,10,1,30,-20,-40,20,-60,CRP,binding,O,lac,/repressor,CRP-binding site,AAN,TGTGA,NNTNNN,TCANA,TTNN,TTN,ACACT,NNANNN,AGTNA,AANN,Highly conserved,Less conserved,glucose,CRP-cAMP,CRP,cAMP,transcription,cAMP receptor protein,TTTACA,TATGTT,TTGACA,TATAAT,lac,启动子区,普通保守区,图(6-14)大肠杆菌lac操纵子启动区CRP-cAMP及-35区，-10区序列分析,CRP,弯曲度,对称序列中央,CRP的结合引起DNA链发生90的弯曲,CRP-cAMP与,cAMP-CRP结合位点,结合，增强了RNA聚合酶与启动子的结合力，使转录效率提高50倍。,三.,lac,操纵子DNA的调控区域,P,、,O,区,启动子区一半是从I基因结束到mRNA转录起始位点下游510bp，而O区位于-7+28位，,该区的碱基序列有对称性,。阻遏物与O区的结合影响了RNA聚合酶与启动区结合形成转录起始复合物的效率。,Z,Y,A,O,P,DNA,调控区,CAP结合位点,启动序列,操纵序列,结构基因,Z：,-,半乳糖苷酶,Y：透酶,A：乙酰基转移酶,cAMPCAP复合物,RNAP,mRNA,mRNA,C,C,I,O,lacZ,lacY,lacA,P,I,O,lacZ,lacY,lacA,P,乳糖操纵子的调控机制,乳糖,培养基中无乳糖时,培养基中有乳糖时,乳糖,失活,RNAP,The,Lac,Operon:,When Glucose Is Present But Not Lactose,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,RNA,Pol.,Repressor,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,Come on,let me through,No way,Jose!,CAP,The,Lac,Operon:,When Lactose Is Present But Not Glucose,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,CAP,cAMP,Lac,Repressor,Repressor,X,This lactose has,bent me,out of shape,CAP,cAMP,CAP,cAMP,Bind to me,Polymerase,RNA,Pol.,RNA,Pol.,Yipee!,The,Lac,Operon:,When Neither Lactose Nor Glucose Is Present,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,CAP,cAMP,CAP,cAMP,CAP,cAMP,Bind to me,Polymerase,RNA,Pol.,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,Repressor,STOP,Right there,Polymerase,Alright,Im off to,the races.,Come on,let,me through!,四、Lac操纵子中的其他问题,1、A基因及其生理功能,A基因编码了,-半乳糖苷乙酰基转移酶，能够把乙酰基从供体上转移到半乳糖苷分子上。,半乳糖甘分子(IPTG),-半乳糖甘酶,分解产物,(体内积累),-半乳糖甘乙酰基转移酶,半乳糖甘分子(IPTG),乙酰基,A基因在乳糖降解中起作用，但抑制了,-半乳糖甘酶产物的积累，有利于生物进化。,-半乳糖苷酶：透过酶：乙酰基转移酶=,1:0.5:0.2,翻译水平上受到调节：,(1)lac mRNA可能与翻译过程中的,核糖体相脱离,，从而终止蛋白质链的翻译；,(2)在lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。,2、lac基因产物数量上的比较,操纵子在自然条件下可发生融合，如操纵子与负责嘌呤合成的嘌呤操纵子的偶联。由于突变使pur操纵子被“嫁接”到lac启动子上，形成融合基因。,因为lac启动子是一个很强的启动子,，通过它可以使较弱启动子的转录增强，从而增加蛋白质的合成量。目前基因合成技术已经成为基因工程操作中应用最广泛的技术。,3.操纵子的融合与基因工程,P,O,Z,Y,A,tsx,P,O,pur结构基因,缺失,lac operon,pur operon,p,DNA,mRNA,lac,I,1040,PO,82,lac,Z,3510,lac,Y,780,lac,A,825,多肽,3.810,4,1.2510,5,3.010,4,3.010,4,蛋白质,四聚体,四聚体,膜蛋白,二聚体,功能,阻遏子,半乳糖苷酶,透过酶,乙酰基转移酶,图6-3 lac操纵子及各个组分详图,lac操纵子及各组分详图,第三节 3色氨酸操纵子与负控阻遏系统,色氨酸操纵子(tryptophane operon)负责,色氨酸的生物合成,，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，trp操纵子的结构基因表达，色氨酸或与其代谢有关的某种物质在,阻遏过程,(而不是诱导过程)中起作用。,由于trp体系参与生物合成而不是降解，它,不受葡萄糖或cAMP-CAP的调控。,由于trp体系参与生物合成分步完成，有个基因参与整个合成过程，pabA(pab双氨基苯甲酸),trpE,基因是第一个被翻译的基因，与trpE紧邻的是启动子区的操纵区，另外，前导区和弱化子区分别定名位trpa(不是trpA)。产生阻遏物的基因是,trp,R，该基因距,trp,基因簇很远。,trp操纵子的转录调控除了阻遏系统以外，还有弱化系统。,图(6-17)细菌中色氨酸生物合成途径,分支酸,邻氨基苯甲酸合酶,邻氨基苯甲酸,磷酸核糖邻氨基苯甲酸,GLN,GLU,丙酮酸,PRPP,PP,CO,2,SER,3-磷酸甘油醛,邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶,磷酸核糖邻氨基,苯甲酸异构酶,DRP,吲哆甘油磷酸,色氨酸,吲哆甘油磷酸合酶,色氨酸合酶,trpE,trpG,trpD,trpF,trpC,trpB,trpA,调控基因,结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸的酶,trpR,trp,碱基数：,Trp操纵子,60 162 1560 1593 1350 1196 804 40,间隔区,P O L E D C B A,间隔区,调节作用,基因结构,a,前导RNA,AUG,约7kb mRNA,高色氨酸时,低色氨酸时,图(,6-9,)大肠杆菌中的trp操纵子,140个核苷酸,(弱化子),The,Trp,Operon:,When Tryptophan Is Present,STOP,Right there,Polymerase,Trp,Trp,Repressor,Repressor,Repressor,Promo.,trpD,trpB,Lead.,Operator,trpA,trpC,trpE,Aten.,RNA,Pol.,Foiled,Again!,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,一.trp操纵子的阻遏系统,trpR基因产物称,为辅阻遏蛋白(？),此蛋白平常不与操纵区相结合。,当培养基中,有色氨酸,时，辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成,有活性的阻遏物,，与操纵区结合并关闭trp mRNA转录。,trpR,基因的产物被称为,辅阻遏蛋白,(aporepressor)。与色氨酸相结合后形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭trp mRNA转录。阻遏了色氨酸的合成，反之则去阻遏。,这个系统中的,效应物分子是色氨酸,，是有trp操纵子所编码的生物合成途径的末端终产物。,trp 操纵子的阻遏系统,低Trp时：,阻遏物不结合操纵基因;,高Trp时：,阻遏物+Trp 结合操纵基因,GCAAATATTCTGAAATGAGCTGTTGACAATTAATCATCGAACTAGTTAACTAGTACGCAAGTTCACGTAAAAA,CGTTTATAAGACTTTACTCGACAACTGTTAATTAGTAGCTTGATCAATTGATCATGCGTTCAAGTGCATTTTT,-50 -40 -30 -20 -10 +1 +10,RNA聚合酶结合位点,mRNA合成起始,操纵子区,启动子,图,(6-5),trp操纵区的碱基序列,R,P,O,L,a,E,D,C,B,A,mRNA,RNA pol.,R,(1)粗调节,阻遏,-,操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主管转录是否启动，相当于粗调开关。,trp,操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个系统进行细调控，指示已经启动的转录是否继续下去。,并通过转录达到第一个结构基因之前的终止转录来实现细调控。,R,P,O,L,a,E,D,C,B,A,mRNA,色氨酸,RNA pol.,R,R,粗调节,R,P,O,L,a,E,D,C,B,A,高色氨酸时,低色氨酸时,AUG,前导肽,邻氨基苯甲酸合酶,邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶,吲哚甘油磷酸合酶,色氨酸合酶,和亚基,mRNA,mRNA,(2),.,细微调控,这个细微调控也是由,色氨酸的浓度,来调节这种过早终止的频率。,当Trp浓度较低时，转录得到,7kb,的mRNA；当有高浓度Trp存在时，转录仅生成,140,核苷酸的前导RNA；,这种调控机制就是,弱化作用,二.弱化子与前导肽,1 弱化子,在trp mRNA5端trpE基因的起始密码前有一个长162bp的mRNA片段被称为前导区，在前导区中123150bp序列中，转录终止发生的区域，这种终止是可被调节的，被称为,弱化子,：可调节转录终止发生的区域。,衰减子(attenuator)：是位于结构基因上游前导区才123150序列，在转录水平颉颃调节基因表达的衰减作用，用以终止和减弱转录作用称衰减,2 前导肽,衰减作用需要负载tRNA,Trp,-参与，这意味着前导序列的某些部分被翻译了。翻译起始于AUG，产生一个含有14个氨基酸的多肽。这个多肽被称为,前导肽：翻译起始与AUG，产生一个含有14个氨基酸的多肽。这个多肽被称为前导肽。,前导序列结构具有一个非常有意义的特点，在其第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子，有弱化的作用。,3 mRNA前导区的序列分析,Trp前导区的碱基序列4个，分别以1、2、3和4表示的片段能以两种步同的方式进行碱基配对。,The mRNA Sequence Can Fold In Two Ways,4,1,2,3,Terminator,haripin,4,1,2,3,研究引起终止的mRNA碱基序列,，,发现该区mRNA通过自我配对可以形成,茎,-,环,结构，有典型的,终止子,特点。,当trp浓度较高时，trp操纵子转录产生一个140bp的RNA分子的前导序列，它编码的一个14个AA的短肽。,2:3,抗终止构型,4,AUG.,.UGA,成功通读,图(6-10-1)原核生物RNA中前导序列的变构引起转录的终止或弱化,图(6-3-2),原核生物RNA中前导序列的变构引起转录的终止或弱化,终止构型,1:2,3:4,终止转录发卡式构型,暂停构型,暂停发卡结构,UUUUUUU,AUG ,前导肽编码区,RNA,ATGTGA,转录起始位点,第一结构基因,启动子,DNA,UUUUUUU,暂停位点,弱化子,前导肽编码区,3,4,1 2 3 4,AGU.,4 转化弱化作用,转录的弱化理论认为mRNA转录的终止始通过前导肽基因的翻译来的因为在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子，所以这个前导肽的翻译必定对tRNA,Trp,的浓度敏感。培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的tRNA,Trp,也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区(或停留在两个相邻的Trp密码子处)，这时的前导区结构时2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，所以转录可继续进行，直到将trp操纵子种的结构基因全部转录反之，弱化子对RNA聚合酶的影响依赖与前导肽翻译种核糖体所处的位置。,图：trp操纵子前导序列的变构与转录的弱化,CGACAAUGAAAGCAAUUUUCGUACUGAAAGGUU=A AUCAGAUACCCA=UUUUUUUGGUGGCGCACUUCCUGAAACGCCUAA,(a)转录终止构象,(b)抗终止构象,AAGUUCAC,G,U,A,A,A,A,A,G,G,G,U,A,U,A,A A,G C,CG,CG,U C,U=A,CG,A=U,CG80,A=U,CG,G U,C A,G U,U,GC,U=A,GC,GC90,A,A U,U G,C A,CG,GC,CG130,CG,CG,GC,A,U A,G A,CG100,GC,U=A,A A,C U,C C,A A,CG,U=A,U,A=U,U=A110,GC,U C,G C,A A,GC,GC,GC,GC,2:3,120,80,90,3:4,1,:2,140,60,70,120,110,U=A,GC,CG100,G A,U A,A,暂停位点,50,Thr,Stop 70,20,10,30,40,Arg,Gly,Trp,ser,60,Trp,Ala,Ile,Phe,Lys,Met,Lys,Trp,Trp,Arg,Thr,Val,暂停发卡式构型,stop,ser,弱化机制,高色氨酸时,低色氨酸时,RNA聚合酶终止转录,核糖体,覆盖1-2区,5,2,1,4,3,1,2,4,3,5,RNA聚合酶继续转录,3-4茎-环,结构形成,核糖体停止于1区,2-3配对,图6-23 trp操纵子的转录与翻译调控,3,5,5,3,The Attenuator When Starved For Tryptophan,4,1,2,3,RNA,Pol.,Ribosome,Help,I need,Tryptophan,3,5,5,3,The Attenuator When Tryptophan Is Present,4,1,2,3,RNA,Pol.,Ribosome,RNA,Pol.,细菌中为什么要有弱化子系统呢？,细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使,转录不起始,，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是,细胞内色氨酸的多少,；弱化作用的信号则是,细胞内载有色氨酸的tRNA的多少,。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。,三.trp操纵子弱化机制的实验依据,细菌通过弱化作用弥补-作用的不足，因为-作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停顿下来。-作用的信号使细胞内色氨酸的多少，弱化作用的信号则是细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。,弱化子系统的作用：-物从有活性向无活性的转变速度较慢，需要有一个能够更快的作出反应的系统，以保持培养基中适当的色氨酸水平。,弱化子能较快的通过抗终止的方法来增加trp基因的表达，迅速提高内源色氨酸的浓度。,阻遏体系作用：阻遏物作用是在有大量外源色氨酸存在时，阻止非必要的先导mRNA的合成，它使这个合成系统更加经济。,自然界中存在着不同类型的合成体系。组氨酸操纵子拥有在功能上于trp操纵子完全相同的弱化子结构，但没有阻遏物，它的表达完全受弱化子调节。,碱基数,功能,组成,R,P O,L a,间隔序列,E,D,B,C,A,未知,60,162,1560,1593,1350,1196,804,辅阻遏蛋白,前导肽,邻氨基苯甲酸合酶,邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶,吲哚甘油磷酸合酶,色氨酸合酶,和亚基,小结：,色氨酸操纵子各组份详图,粗开关,微调控,第四节 其他操纵子,1 半乳糖操纵子,2 阿拉伯糖操纵子,3 阻遏蛋白LexA的降解与SOS应答,4,二组分调控系统和信号转导,5 多启动子调控的操纵子,第五节 转录后调控,基因表达的转录调控方式，翻译或翻译后水平进行“微调”，使对转录调控的补充，它使基因表达的调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化。,翻译起始的调控,稀有密码子对翻译的影响,重叠基因对翻译的影响,poly(A)对翻译的影响,1、,RBS(核糖体结合位点),：,mRNA链上起始密码子AUG上游的一段,非翻译区,。,信息翻译成多肽链起始于mRNA上的,核糖体结合位点,：始起始密码子AUG上游的一段非翻译区。有,SD序列,，长度一般位5个核苷酸，富含G、A，该序列于核糖体16S rRNA的3端互补配对，促使核糖体结合到mRNA上，有利于翻译的起始。,RBS的结合强度取决于SD与AUG之间相距,一般以4-10个核苷酸为佳。,2、mRNA的二级结构：,mRNA的二级结果也始翻译起始调控的重要因素。,AUG,UAG,AUG,AUG,RBS,SD,一 翻译起始的调控,二 稀有密码子对调控子的影响,细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，,高频率使用稀有密码子,可调节蛋白质的合成。,dna,G序列发现其中含有不少稀有密码子。稀有密码子AUA在高效表达的结构蛋白及因子中均及少使用，而在表达要求较低的dnaG蛋白中使用频率就相当高。,由于细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用和谐密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。,dnaG(引物酶)RNA引物,表6-11 几种蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较,蛋白质,AUU/%,AUC/%,AUA/%,结构蛋白,37,62,1,亚基,26,74,0,DnaG蛋白,36,32,32,高频率使用稀有密码子,的基因翻译过程极容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。,细胞中蛋白质合成旺盛时，mRNA链上核糖体数量就多，mRNA链上的poly(A)也较长，反之细胞中蛋白质合成不旺盛时，mRNA链上核糖体数量就少，mRNA链上的poly(A)也较短。,三 poly(A)对翻译的影响,四、重叠基因对翻译的影响,重叠基因通过翻译偶联来影响基因的表达,TrpB,谷氨酸-异亮氨酸-终止,GAA,-,AUC,-,UG,A,-,UGG,-,AA,A,UG,-,GAA,甲硫氨酸,谷氨酸,trpA,trpE苏氨酸苯丙氨酸终止,ACU -UUC -UG,A,-UGG -CU,AUG,A,UG GCU,甲硫氨酸,-,丙氨酸-trpD,翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码子保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。,大肠杆菌RNA噬菌体QB中大限了这种现象。从3向5方向进行的RNA(-)链的合成以利于大肠杆菌噬菌体QB即QB复制酶作为翻译-物进行调节。,在这里，复制酶既能与外壳蛋白的翻译其实区结合，又能与(+)链RNA的3端结合。序列分析表面，这两个为点上都有,CUUUU-AAA,序列，能形成稳定的茎-环结,构，具备翻译-特征。,五 翻译的阻遏,六.魔斑核苷酸水平对翻译的影响,把培养基中营养缺乏，,蛋白质合成停止后，RNA合成也趋于停止这种现象称为严紧控制,(rel,+,)；反之则称为松散控制(rel,-,)。研究发现，在氨基酸缺乏时，rel,+,菌株能合成,鸟苷四磷酸(ppGpp)和五磷酸(pppGpp)，,而rel,-,菌则不能。,GTP+ATPpppGpp+AMPppGpp ppGpp的主要作用可能是影响,RNA聚合酶与启动子结合的专一性,，从而成为细胞内严紧控制的关键。当细胞缺乏氨基酸时产生ppGpp，可在很大范围内做出应急反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。,六 魔斑核苷酸水平对翻译的影响,ppGpp,pppGpp,ppGpp,rRNA,R-protein,mRNA,R-protein,以,RNA,噬菌体,f2,的,RNA,作为模板，在大肠杆菌无细胞系统中进行蛋白质合成时，大部分合成外壳蛋白，,RNA,聚合酶只占外壳蛋白的,1/3,。用同位素标记分析,RNA,噬菌体几种蛋白质的起译过程，发现外壳蛋白起译频率比合成酶至少要高,3,倍。,研究发现,f2,外壳蛋白基因的琥珀突变也影响了,RNA,聚合酶合成的起始。但若该突变不是发生在外壳蛋白接近翻译起始区，而是较靠后的位点，对,RNA,聚合酶的起译就没有影响。现在一般认为，,聚合酶的翻译起始区被,RNA,的高级结构所掩盖，外,壳蛋白的起始翻译破坏,了,RNA,的立体构象，使核糖体有可能与翻译起始区结合，导致聚合酶的起译,。用甲醛处理,RNA,可以增加聚合酶的产量，这说明,RNA,的高级结构对基因表达调控的可能性。,七.RNA高级结构对翻译的影响,反义RNA调控的可能机制,1、和靶核苷酸序列形成双链区，直接阻碍其翻译的起始。,2、在靶分子的部分区域形成双链区，易,成为,内,切,酶,的,底,物,，,使与,其,结,合的,mRNA,变,得,不稳定,3、反义RNA也可与转录物结合并装扮成一个终止子，使转录提前结束,八、反义RNA的调控,机制：与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译,