4.8 微生物代谢的调节

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制禹
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1 5.1 原核微生物基因表达调控概述一基因表达 ( gene expression) Translation

2 二基因表达的时间性和空间性 1. 时间特异性按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生, 如病毒感染 2. 空间特异性指在个体生长全过程, 某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异又称细胞或组织特异性

3 三基因表达的方式 1. 基本表达 ( 组成型表达 ) 基因较少受环境因素影响, 而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达, 或变化很小, 如管家基因即基因表达不受时期部位环境的影响中文名称 Beta- 肌动蛋白常见的管家基因甘油醛 3- 磷酸脱氢酶 TATA Box 结合蛋白英文缩写 β-actin GAPDH TBP 18s 核糖体核糖核酸 18s rrna 微管蛋白 α α-tubulin

4 三基因表达的方式 2. 诱导和阻遏型表达或称调节型蛋白 / 适应型蛋白 : 基因表达受时期部位环境影响非组成型表达 (1) 诱导表达 (induction expression) (2) 阻遏表达 (repression expression)

5 四基因表达调控机体各种细胞中含有的相同遗传信息 ( 相同的结构基因 ), 根据机体的不同发育阶段不同的组织细胞及不同的功能状态, 选择性程序性地表达特定数量的特定基因的过程对基因表达这个过程的调节即为基因表达调控, 包括转录水平和翻译水平两个方面

6 五基因表达调控水平复制转录 DNA RNA 蛋白质逆转录 RNA 复制翻译基因水平转录水平翻译水平

7 5.1.2 原核生物基因的转录和翻译一原核微生物基因表达的特点 1. 原核生物的基因组和染色体结构都比真核简单, 原核生物的细胞核实质上是呈闭合环状的 DNA ( 单个裸露的 DNA, 不编码占 5%), 因此基因调控相对简单 2. 转录和翻译偶联进行 : 原核生物裸露的环形 DNA, 在拟核内转录成 mrna 后, 直接在胞浆中与核糖体结合翻译为蛋白质

8 3. 只有一种 RNA 聚合酶 RNA 聚合酶用来识别原核细胞的启动子, 催化所有 RNA 的合成 mrna 翻译起始部位有特殊的碱基序列 ----SD 序列 (5 - AGGAGG-3 ) 4. 原核生物基因表达的调控主要在转录水平, 即对 RNA 合成的调控通常有两种方式 : (1) 起始调控, 即启动子调控 ; (2) 终止调控, 即衰减子调控

9 5. 基因表达以操纵子为基本单位原核基因一般不含内含子, 基因是连续的原核基因转录单位多为多顺反子 6. 原核细胞常与质粒共存, 并同步各自复制 ; 也可被插入序列和转座子插入, 引起遗传突变和基因重排

10 单顺反子 (monocistron) : 编码一个多肽链的 DNA 的序列区域, 相当于真核细胞的一个基因多顺反子 (polycistron): 原核基因中多个功能相关的结构基因串联在一起构成一个转录单位通常依赖同一调控序列对其转录进行调节, 使这些相关基因实现协同表达操纵子 (operon): 一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子

11 promoter p o operator 启动子 promoter 终止子 terminator 操纵元件 operator z y 操纵子结构示意图 terminator a Structural gene t

12 启动子就是连接在基因 3 端上游的 DNA 序列, 其长度从 100 bp 到 200 bp 不等, 是转录起始时 RNA 聚合酶识别结合的特定部位, 但其本身并不被转录

13 在启动子与终止子之间是一个转录单位, 通常将 mrna 开始的一个核苷酸定为 0 点 ( 即 +1). 由此向右常称为下游 (downstream), 其核苷酸依次编为正序号 ; 起始点左例称为上游 (upstream), 其核苷酸则依次以负号表示 ; 紧接起始点左侧的核苷酸为 -1

14 CAP-cAMP 结合位点 RNA 聚合酶的进入位点

15 二原核微生物基因表达的调控机制 1. 转录起始调控 2. 转录终止调控 3. 转录衰减调控 4. 翻译水平调控

16 二原核微生物基因表达的调控机制 1. 转录起始调控 1)б 因子及 RNA 聚合酶与转录起始的调控 б 因子调控 RNA 聚合酶与 DNA 结合, 确保 RNA 聚合酶与特异启动区稳定结合, 而不是与其它位点结合例如 : 大肠杆菌 RNA 聚合酶由 5 个亚基 (α 2 ββˊб) 构成, 核心酶 (α 2 ββˊ) 能以 DNA 为模板合成 RNA, 但必须依靠 б 因子协助才能在正确位置起始转录

17 离体实验表明 : 全酶所转录的 RNA 和细胞内所转录出的 RNA, 其起始点相同, 序列相同, 若仅用核心酶进行转录, 则模板链和起始点的选择都有很大的随意性, 而且往往同一段 DNA 的两条链都被转录由此可见 :σ 亚基对识别 DNA 链上的转录信号是不可缺少的, 它是核心酶和启动子之间的桥梁 σ 因子的取代在细胞发育和对环境应答的反应中起主导作用, 如在枯草杆菌中就有不同相对分子质量的 σ 因子

18 б 因子作用机理 : a. б 因子独立存在时,N 端部分抑制了 C 端的 DNA 结合活性, 与 DNA 不能结合 b. 当 б 因子与核心酶组成全酶时, 空间构象改变,N 端对 C 端抑制作用消失, 可与 DNA 发生特异结合 c. 转录起始完成后 б 因子脱落, 核心酶不再停留在启动区部位, 向下游滑动完成转录

19 β 亚基作用 : 对 RNA 聚合酶的功能至关重要, 参与 RNA 合成终止信号的识别由于 β 亚基与 RNA 的前体核苷三磷酸具有很高亲和力, 推测它可能参与底物的结合, 以及催化磷酸二酯键的形成 β 亚基作用 : 可使聚合酶结合到模板 DNA 上 α 亚基作用 : 游离状态, 常以二聚体的形式存在, 参与全酶同启动子的牢固结合

20 2) RNA 聚合酶与启动区序列的相互作用启动序列 :RNA 聚合酶结合并启动转录的特异 DNA 序列 -35 区 -10 区 RNA 转录起始 trp trna Tyr lac reca Ara BAD TTGACA TTTACA TTTACA TTGATA CTGACG N17 N16 N17 N16 N16 TTAACT TATGAT TATGTT TATAAT TACTGT N7 N7 N6 N7 N6 TTGACA TATAAT 共有序列 A A A A A

21 -35 区 -10 区 TTGACA N1 TATAAT TTGACA 6 TATAAT N6 细菌启动区特异序列有 4 个保守特征 : 1 起始点 :+1 90% 以上为嘌呤核苷酸 2-10 序列 :-10 区一致序列为 TATAAT 3-35 序列 :-35 区一致序列为 TTGACA 4-35 和 -10 序列的间距 : 对 RNA 聚合酶结合具有重要影响 A

22 二原核微生物基因表达的调控机制 3) 正调控和负调控调节基因 RNA 调节蛋白正调节蛋白 + 操纵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 )

23 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

24 操纵子调控系统的基本类型

25 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 ; 降解代谢途径中既有正调控又有负调控 ; 合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成

26 乳糖操纵子 (lactose operon, lac) 是原核生物基因转录负调控的最典型模式调控区 P 结构基因 DNA Z: β- 半乳糖苷酶阻遏基因 I 操纵元件 Y: 透酶 CAP 结合位点启动子 O Z Y A A: 乙酰基转移酶

27 仅有葡萄糖葡萄糖耗完, 有乳糖存在

28 二原核微生物基因表达的调控机制 1. 转录起始调控 2. 转录终止调控 3. 转录衰减调控 4. 翻译水平调控

29 二原核微生物基因表达的调控机制 2. 转录终止调控原核生物的转录终止调控方式分两大类 : (1) 依赖 ρ 因子的终止调控 ;(2) 不依赖 ρ 因子的终止调控此外, 核糖体也参与转录终止终止子 :DNA 上提供转录停止信号的一段序列称为终止子 (terminator), 是一个基因的末端或是一个操纵子的末端的一段特定序列强终止子 : 不依赖于 Rho 蛋白质辅助因子而能实现终止作用 ; 弱终止子 : 依赖于 Rho 蛋白辅助因子才能实现终止作用

30 所有原核生物的终止子共同的序列特征 : 即在转录终止点之前有一段回文结构, 因而所产生的 mrna 可形成茎环状的发夹结构, 它可使 RNA 聚合酶的移动停止或减缓回文结构中富含 GC 对, 在回文序列的下游常有 6-8 个 AU 对, 因此这段终止子转录后形成的 RNA 具有与 A 相对应的寡聚 U, 是使 RNA 聚合酶脱离模板的信号

31 依赖 ρ 因子的弱终止子 : 其回文序列中 GC 对含量较少, 回文序列下方没有固定结构, 其 AU 对含量也较低, 因而是弱终止子, 必需有 ρ 因子存在时才发生终止作用这也就是说依赖于 ρ 因子的终止子由于其茎环结构常较短, 在没有 ρ 因子时这种茎环结构不稳定即如果没有 ρ 因子存在.RNA 聚合酶会继续转录下去, 这就称为通读 (read through), 当 ρ 因子存在时, 转录才能终止

32 不依赖 ρ 因子的强终止子 : 其 DNA 模板上富含 GC 而使转录出的 RNA 上富含 C 和 G, 于是 RNA 与模板之间可以形成较强的氢键, 成为 DNA RNA 杂合分子, 从而阻碍 DNA 聚合酶的前进而有利于终止

33 二原核微生物基因表达的调控机制 1. 转录起始调控 2. 转录终止调控 3. 转录衰减调控 4. 翻译水平调控

34 二原核微生物基因表达的调控机制 3. 转录衰减调控一些调控系统不一调节蛋白与 DNA 结合的方式来进行调控, 比如衰减作用 (attenuation) 在衰减作用中, 调控发生在转录起始之后终止前衰减作用并不影响转录的起始, 只是减少了操纵子完整转录产物的数量大肠肝菌色氨酸操纵子是衰减作用最好的例子

35 trpr Trp 调节区 P RNA 聚合酶 RNA 聚合酶 O Trp 低时 Trp 高时 140 个核苷酸结构基因 mrna 6700 个核苷酸色氨酸操纵子

36 trpr 调节区 P O 前导序列结构基因衰减子区域前导 mrna trp 密码子终止密码子 14aa 前导肽编码区 UUUU 包含序列衰减子结构 : 第密码子为 trp 1 密码子 UUUU 形成发夹结构能力 : 序列 1/2> 序列 2/3> 序列 3/4 UUUU UUUU

38 前导 DNA 前导 mrna 5 前导肽转录衰减机制核糖体 1 2 trp 密码子 RNA 聚合酶 UUUU 3 衰减子结构就是终止子可使转录 UUUU UUUU 3 1. 当色氨酸浓度高时终止

39 前导 DNA 前导 mrna 5 前导肽核糖体 1 trp 密码子 Trp 合成酶系相关结构基因被转录 RNA 聚合酶结构基因 UUUU UUUU 序列 3 4 不能形成衰减子结构 2. 当色氨酸浓度低时

40 衰减调控的生物学意义 : 就像在色氨酸操纵子中, 阻遏作用与衰减机制一起协同控制其基因表达, 显然比单一的阻遏负调控系统更为有效一方面, 当有活性的阻遏物向无活性阻遏物的转变速度极低时. 衰减系统能更迅速地作出反应, 使色氨酸从较高浓度快速下降到中等浓度另一方面, 若外源色氨酸浓度实在太低, 细菌本身又没有其他的内源性色氨酸合成体系, 以致细菌难以支持自身的生长时, 就需要有衰减体系加以调节通过不终止 mrna 的合成来增加 Trp 酶的合成从而提高内源色氨酸的浓度

41 二原核微生物基因表达的调控机制 1. 转录起始调控 2. 转录终止调控 3. 转录衰减调控 4. 翻译水平调控

42 二原核微生物基因表达的调控机制 4. 翻译水平调控翻译一般在起始和终止阶段受到调节调节分子 :RNA 蛋白质调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋白体所利用

43 1)RNA 干扰 (RNA interference, RNAi) 将与 mrna 编码区某段序列相对应的正义 RNA 和反义 RNA 组成的双链 RNA (double-stranded RNA, dsrna) 导入细胞, 使 mrna 发生特异性的降解, 导致其相应的基因沉默 ( 表达受抑制 ) 这种转录后基因沉默 (post-transcriptional gene silencing, PTGS) 被称为 RNAi

44 2) 反义 RNA 的调控作用反义 RNA (anti-sense RNA): 能与特定 mrna 互补结合的 RNA 片段, 由反义基因转录而来天然的具有功能的反义 RNA 分子一般在 200 个碱基以下反义 RNA 与特定的 mrna 结合的位点通常是 SD 序列起始密码子 AUG 和部分 N 端的密码子, 从而抑制 mrna 的翻译所以又称这类 RNA 为干扰 mrna 的互补 RNA (mrna-interfering complementary RNA, micrna)

45 3)RNA 的稳定性与调控的关系 mrna 的降解速度是翻译调控的另一个重要机制蛋白质合成速率的快速改变, 与许多细菌 mrna 降解速度很快有很大关系例 :E.coli 的许多 mrna 在 37 时的平均寿命大约为 2min, 细菌可以对环境变化作出快速反应

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