原核生物基因表达调控

null 原核生物基因表达调控 -激活与抑制、开启与关闭 原核生物基因表达调控 -激活与抑制、开启与关闭 詹晓慧null前言前言 基因表达是指基因通过转录和翻译而产生蛋白质或各种RNA分子的过程。对这一过程的调控就是基因表达调控。 在原核生物中，基因及其相关功能是由操纵子来调控的，每个操纵子有一套紧密相邻的结构基因，启动基因、操纵基因和调节基因组成。但当阻遏物结合在操纵子基因上时，RNA聚合酶不能转录操纵子中的结构基因。 null根据调控的不同可分为 负转录调控 阻遏蛋白 正转录调控 激活蛋白 根据对能起调节作用的小分子的应答作用分 可诱导调控 诱导物 可阻遏调控 辅助阻遏 教学教学内容转录起始阶段的调控 转录起始后的调控 翻译水平调控 1.转录起始阶段的的调控1.转录起始阶段的的调控操纵子模型的提出 乳糖操纵子的结构组成 乳糖操纵子的调控机理 阻遏蛋白与操纵子的相互作用 乳糖操纵子的正调控 2.转录起始后的调控2.转录起始后的调控色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子结构模型 弱化子与前导肽 阻遏作用于弱化作用的协调 3.翻译水平调控3.翻译水平调控翻译差别调控 翻译起始调控 稀有密码子对翻译的调控 重叠基因对翻译的影响 nullPoly(A)对翻译的调控 蛋白质阻遏调控 RNA的调控 翻译的严谨控制3.1翻译差别调控3.1翻译差别调控乳糖操纵子的基因顺序为P-O-Z-Y-A，三个结构基因Z、Y、A紧密相连，从理论上讲，三个结构基因蛋白质翻译量应该相同，但实际上他们的翻译量是10:5:2。也就是说在一条多顺反子mRNA中，某基因离翻译起始点越远，合成蛋白质的量越少。null“核糖体结合脱离”假说 在一条多顺反子mRNA上翻译时，核糖体沿着mRNA向前移动，翻译完第一个基因后，遇到终止信号UAA、UAG、UGA，核糖体的大小亚基发生解离。遇到第二个基因的起始密码子，此时核糖体的大小亚基才会结合上去。而且在一条多顺反子mRNA上，前端的基因与核糖体小亚基结合更牢固，脱落的机会更少，随后的基因小亚基脱落的机会大，翻译量就不如前面的基因。 3.2翻译起始调控3.2翻译起始调控遗传信息的翻译起始于mRNA上的核糖体结合位点（RBS）——起始密子AUG上游的一段非翻译区。在RBS中有SD序列，与核糖体16S rRNA的3’端互补配对，促使核糖体与mRNA相结合。 RBS的结合强度取决于SD序列的结构及与AUG的距离。SD与AUG相距一般以4～10核苷酸为佳，9核苷酸最佳。 SD序列的微小变化，往往会导致表达效率成百上千倍的差异，这是由于核苷酸的变化改变了形成mRNA 5’端二级结构的自由能，影响了30S亚基与mRNA的结合，从而造成了蛋白质合成效率上的差异。 mRNA的二级结构- Qβ噬菌体mRNA的二级结构- Qβ噬菌体E.coli的RNA噬菌体MS2，R17，f2和Qβ都非常小（直径约为250），是最简单的病毒。基因组长3600～4200nt，只含4个基因：A、cp、Rep和Lys。 CP(coat protein) 编码外壳蛋白 多 A（atachment）编码附着蛋白 少 Rep（replicase）编码复制酶 中 lys（lysis） 编码裂解蛋白null红霉素甲基化酶mRNA的翻译调控红霉素甲基化酶mRNA的翻译调控3.3稀有密码子对翻译的调控3.3稀有密码子对翻译的调控 dnaG、rpoD及rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子，而这3个基因产物在数量上却大不相同，每个细胞内50个拷贝的dnaG蛋白，2800个拷贝的rpoD蛋白；40000个拷贝的rpsU蛋白。基因转录出来的三个蛋白相应的mRNA拷贝数大体相同，由于翻译的调控使得蛋白的拷贝数发生了很大的变化。(图） 研究dnaG序列发现其中含有不少稀有密码子。分别计算大肠杆菌中25种结构蛋白和dnaC、rpoD序列中64种密码子的利用频率，可以看出dnaG与其他两类有明显不同。 nullnull很明显，稀有密码子AUA在高效表达的结构蛋白及σ因子中均极少使用，而在表达要求较低的dnaG蛋白中使用频率就相当高。 许多与dnaG一样含量少的蛋白，由于细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，不易获得，这样就延长了核糖体在mRNA上行经的时间，从而降低了翻译的速度。高频率使用这些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。 3.4重叠基因对翻译的影响 3.4重叠基因对翻译的影响 正常情况下，色氨酸操纵子5个基因产物是等量的，但trpE突变后，其邻近的trp D的产量比下游的trpBA产量要低得多。为什么？ 研究trpE和trpD以及trpB和trpA两对基因中核苷酸序列与翻译偶联的关系，发现trpE基因的终止密码子和trpD基因的起始密码子共用一个核苷酸 nullnull TrpE-Thr-----Phe----终止 ACU—UUC—UGA—UGG--CU AUG---GCU Met----Ala---TrpD TrpB -Glu----- Ile------终止 GAA –AUC---- UGA----UGG---AA AUG----GAA Met------Glu---TrpAnull当TrpE翻译终止时，核糖体尚未来得及解离，已处于TrpD的起始密码子上，使翻译偶联起来，这两个基因的彼此协调，而于下游邻近的C基因就不存在这种翻译偶联的关系。 TrpB和TrpA也同样以这种偶联的关系来协调一致。 翻译偶联可能是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段 大肠杆菌gal操纵子中也存在基因重叠现象。 3.5 Poly(A)对翻译的调控3.5 Poly(A)对翻译的调控Poly(A)的长短对翻译效率有很大影响。 在营养细胞中，90%以上的mRNA以多聚核苷酸的形式存在，平均每条mRNA上有10～12个核苷酸，每条新合成的mRNA分子的Poly(A)有110 ～115个腺苷酸。当细胞生长到一段时间后， Poly(A)只剩下60 ～65个腺苷酸。 在发育早期的细胞中，仅有30%的mRNA以多聚核苷酸的形式存在，每条mRNA链上有6～8个核糖体， Poly(A)有30多个腺苷酸。因而，当细胞中蛋白质合成旺盛时， mRNA链上的核糖体数量就多，mRNA链上的Poly(A)也较长，当某些mRNA不再被翻译时，核糖体被释放出来，Poly(A)也相应缩短。3.6蛋白质阻遏调控3.6蛋白质阻遏调控Qβ噬菌体感染细菌，RNA进入细胞后，这条称为（+）链的RNA立即作为模板指导合成复制酶，并与宿主中已有的亚基结合行使复制功能。 但是， Qβ （+） RNA链上此时已有不少核糖体，它们从5‘-3’方向进行翻译，这无疑影响了复制酶催化的从3‘-5’方向进行的（-）链的合成。 nullnull 克服这个矛盾的办法就是由Qβ复制酶作为翻译的阻遏物进行调节 纯化的复制酶可以和外壳蛋白的翻译起始区结合，这样核糖体便不能与起始区结合，但已经起始的翻译仍能继续下去，直到翻译完毕。核糖体脱落，与（+）RNA3’端结合的复制酶便开始了RNA的复制。 3.7RNA的调控3.7RNA的调控 调节物RNA的靶顺序是单链核苷酸顺序，调节物 RNA的功能是和靶顺序互补，形成一个双链区。 小RNA可能有两种： ①与靶核苷酸顺序形成双链区，直接阻碍其 功能，如翻译的起始； ②在靶分子的部分区域形成双链区，改变其 他区域的构象，这样直接影响其功能。null 1983年，Mizuno等人发现了反义RNA对于基因表达的调控作用，从而揭示了一种新的基因表达调控的机制。 此前，基因的调控只有通过蛋白质与核酸的相互作用而实现 而反义RNA的调控是核酸与核酸的相互作用。 null 调控RNA与阻遏操纵子的蛋白质的不同点是RNA没有变构的性质，它不受其它小分子影响而改变识别靶分子的能力。因此它的调控作用随着其产生而形成，随着酶将其降解而消失。 null 反义RNA（antisense RNA)通过互补的碱基与特定的mRNA结合，结合位点通常是mRNA上的SD序列，起始密码子AUG和部分N端的密码子，从而抑制mRNA的翻译。人们称这类RNA为干扰mRNA的互补RNA，间称micRNA(mRNA-interfering complementary RNA) null例子： 大肠杆菌外膜蛋白有两种，一种为ompC，一种为 ompF，OmpC和OmpF两个基因编码了OmpC和OmpF两种外膜蛋白，这两个基因并不连锁，但却受到培养基的渗透压的控制。它们的表达和渗透压改变有关。 在高渗透压时， ompC合成增多，ompF的合成受到抑制。 在低渗透压时，ompF合成增多，ompC的合成受到抑制。 它们如何对渗透压的改变作出反应呢？ EnvZ基因编码一种作为渗透压感受器的一种受体蛋白。当渗透压增加时，EnvZ激活OmpR的产物（一种正调节蛋白）。它可以激活OmpC和调节蛋白mic F两个基因转录。这两个基因相互连锁，但反向转录，调控区位于两个基因之间。 EnvZ基因编码一种作为渗透压感受器的一种受体蛋白。当渗透压增加时，EnvZ激活OmpR的产物（一种正调节蛋白）。它可以激活OmpC和调节蛋白mic F两个基因转录。这两个基因相互连锁，但反向转录，调控区位于两个基因之间。nullmicF 的产物是一条长174nt的RNA，称为micRNA（mRNA-interfering-complementary mRNA ）,即干扰mRNA的互补RNA。一般都称之为反义RNA( antisense RNA )。 MicF RNA可以和OmpF mRNA上包含核糖体结合位点的翻译起始区互补结合，形成双链区。 MicF RNA 通过和OmpF mRNA的结合来作为一种调节物并阻止其翻译。 当渗透压增加时会导致micRNA的合成，而关闭了OmpF mRNA的翻译。 null micF RNA能够与ompF mRNA的前导序列中的44个核苷酸（包括SD序列）以及编码区域（包括起始密码子AUG）形成杂合双链，从而抑制ompF mRNA的翻译。3.8翻译的严谨控制3.8翻译的严谨控制 在每个活细胞蛋白质合成中，核糖体直接或间接地控制着一系列酶的合成，因此核糖体在细胞代谢中处于中心地位。当细胞饥饿时，蛋白质合成会骤然下降，细胞中的核糖体数目随之减少，rRNA和tRNA的合成大幅下降（可达10～20倍）。这种rRNA合成受控于氨基酸饥饿的现象就成为严谨控制（stringent control)。null严谨反应导致两种特殊核苷酸积聚： ⑴ppGpp(魔斑Ⅰ) ⑵pppGpp（魔斑Ⅱ） GTP+ATP→pppGpp+AMP →ppGpp null null