原核基因表达调控1-6-课件

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1、第六章第六章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）原核基因表达调控模式原核基因表达调控模式目的与要求目的与要求掌握基因表达的概念。掌握基因表达的概念。掌握原核基因表达调控的基本原则及乳糖操纵子。掌握原核基因表达调控的基本原则及乳糖操纵子。掌握掌握Trp操纵子的工作原理。操纵子的工作原理。熟悉转录后调控的种类及原理。熟悉转录后调控的种类及原理。了解半乳糖操纵子的作用机制、了解阿拉伯糖操纵了解半乳糖操纵子的作用机制、了解阿拉伯糖操纵子的作用机制。子的作用机制。第一节第一节 基因表达调控概述基因表达调控概述基因表达（基因表达（gene expression）概念：通过转录和翻译，使遗传信息转

2、变成各种概念：通过转录和翻译，使遗传信息转变成各种功能性蛋白质的过程。功能性蛋白质的过程。DNA蛋白质蛋白质翻译翻译RNA 转录转录基因表达的时间性及空间性基因表达的时间性及空间性（一）时间特异性（一）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity)。多细胞生物基因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阶段特异性段特异性(stage specificity)。（二）空间特异性（二）空间特异性基基因因表表达达伴

3、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达达的的空间特异性空间特异性(spatial specificity)。在在个个体体各各个个生生长长阶阶段段的的大大多多数数或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达达，或或变变化化很很小小。区区

4、别别于于其其他他基基因因，这这类类基基因因表表达达被被视视为为组组成成性性基基因因表表达达(constitutive gene expression)(constitutive gene expression)。基因表达的方式基因表达的方式按对按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一）组成性表达（一）组成性表达管家基因管家基因(housekeeping gene)。某某些些在在一一个个个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞胞中中持持续续表表达的基因。达的基因。管家基因管家基因（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，相相应

5、应的的基基因因被被激激活活，基基因因表表达达产产物物增增加加，这这种种基基因因称称为为可可诱诱导导基因基因。可可诱诱导导基基因因在在特特定定环环境境中中表表达达增增强强的的过过程程，称为称为诱导诱导(induction)。DNADNA损伤损伤 修复酶基因激活修复酶基因激活1.1.可诱导基因与诱导可诱导基因与诱导2.可阻遏基因与阻遏可阻遏基因与阻遏如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答是是被被抑抑制制，这这种种基基因因是是可阻遏基因可阻遏基因。可可阻阻遏遏基基因因表表达达产产物物水水平平降降低低的的过过程程称称为为阻阻遏遏(repression)。在在一一定定机机制制控控制制下下，功功能能

6、上上相相关关的的一一组组基基因因，无无论论其其为为何何种种表表达达方方式式，均均需需协协调调一一致致、共共 同同 表表 达达，即即 为为 协协 调调 表表 达达(coordinate expression)。基因的协调表达基因的协调表达基因表达的调控基因表达的调控概念：概念：（gene regulation or gene control）对基因表达过程的调节。对基因表达过程的调节。一般规律：一般规律：机体需要机体需要基因表达开始基因表达开始（on）机体不需要机体不需要基因表达停止基因表达停止（off）可能有本底水平的基因表达：每个细胞只合成可能有本底水平的基因表达：每个细胞只合成1或或2 个

7、个mRNA分子和极少量的蛋白质分子。分子和极少量的蛋白质分子。基因表达调控的分类基因表达调控的分类（1）转录水平上的调控）转录水平上的调控（2）转录后水平上的调控）转录后水平上的调控 mRNA加工成熟水平上的加工成熟水平上的调控调控 翻译水平上的调控翻译水平上的调控原核与真核生物转录及翻译的总特点原核与真核生物转录及翻译的总特点扫描图片扫描图片二、原核基因表达调控机制的二、原核基因表达调控机制的类型与特点类型与特点原核基因表达调控主要发生在转录水平上。原核基因表达调控主要发生在转录水平上。负转录调控负转录调控正转录调控正转录调控调节基因的产物是阻遏蛋白调节基因的产物是阻遏蛋白调节基因的产物是激

8、活蛋白调节基因的产物是激活蛋白 调节物结合到调节物结合到DNADNA上上正正调节调节负负调节调节是是开启开启关闭关闭否否关闭关闭开启开启编码序列编码序列 调节序列调节序列 启动序列启动序列(promoter)操纵序列操纵序列(operator)激活蛋白激活蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白与激活蛋白阻遏蛋白与激活蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白负转录负转录调控调控正转录正转录 调控调控正控阻遏正控阻遏正控诱导正控诱导负控阻遏负控阻遏负控诱导负控诱导阻遏蛋白阻遏蛋白+诱导诱导无活无活阻遏蛋白阻遏蛋白+阻遏阻遏无活无活激活蛋白激活蛋白+诱导诱导激活蛋白激活蛋白+效应物效应物效应物效应物效应物效应物效应物效应物诱导因

9、子诱导因子诱导因子诱导因子共阻遏物共阻遏物共阻遏物共阻遏物阻遏阻遏负转录负转录调控调控正转录正转录 调控调控正控阻遏正控阻遏正控诱导正控诱导负控阻遏负控阻遏负控诱导负控诱导阻遏蛋白阻遏蛋白+诱导诱导无活无活阻遏蛋白阻遏蛋白+阻遏阻遏无活无活激活蛋白激活蛋白+诱导诱导激活蛋白激活蛋白+效应物效应物效应物效应物效应物效应物效应物效应物诱导因子诱导因子诱导因子诱导因子共阻遏物共阻遏物共阻遏物共阻遏物阻遏阻遏 Lac O I 阻遏物阻遏物 阻遏阻遏 诱导诱导 失活的阻遏物负控诱导负控诱导mRNA Trp O 无活无活的阻遏蛋白的阻遏蛋白辅辅-阻遏物阻遏物 阻遏阻遏基因表达基因表达 负控阻遏负控阻遏正正

10、 控控 诱诱 导导活化的激活蛋白失活的活性蛋白 诱导物基因不表达基因不表达基因表达基因表达 活化的激活蛋白活化的激活蛋白 辅辅-阻遏物阻遏物 基因表达基因表达 阻遏阻遏正控阻遏正控阻遏第二节第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统一、原核基因表达的操纵子模型一、原核基因表达的操纵子模型操纵子（操纵子（operon）的概念：）的概念：功能相关的基因成簇地串连、密集于染色体上，共功能相关的基因成簇地串连、密集于染色体上，共同组成的转录单位。同组成的转录单位。操纵子的组成：操纵子的组成：编码序列编码序列 调控区调控区 1个启动序列（个启动序列（promoter，P）二、乳糖操纵子调节

11、机制二、乳糖操纵子调节机制（一一）乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构(lac operon)调控区调控区CAPCAP结合位点结合位点 启动序列启动序列（promotorpromotor）操纵序列操纵序列（operatoroperator）结构基因结构基因Z Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y：透酶透酶A A：乙酰基转移酶乙酰基转移酶Z ZY YA AO OP PDNADNAmRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白I IDNADNAZ ZY YA AO OP Ppopol l没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二二）阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因mRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白只有乳糖存在时

12、只有乳糖存在时I IDNADNAZ ZY YA AO OP Ppolpol启动转录启动转录mRNAmRNA乳糖乳糖异构乳异构乳糖糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶无葡萄糖，无葡萄糖，cAMPcAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMPcAMP浓度低时浓度低时（三三）CAPCAP（catabolitecatabolite gene activation protein gene activation protein）的正性调节的正性调节Z ZY YA AO OP PDNADNACAPCAPCAPCAP+转录转录CAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP结合位点结合位点cAMPCAPCAP葡萄糖对葡

13、萄糖对 laclac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏分解代谢阻遏（一）操纵子（一）操纵子（operon）概念：功能相关的基因成簇地串连、密集于染概念：功能相关的基因成簇地串连、密集于染色体上，共同组成的转录单位。色体上，共同组成的转录单位。二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制（一一）乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构(lac operon)调控区调控区CAPCAP结合位点结合位点 启动序列启动序列（promotorpromotor）操纵序列操纵序列（operatoroperator）结构基因结构基因Z Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y：透酶透酶A A：乙酰基转移酶乙酰基

14、转移酶Z ZY YA AO OP PDNADNAI阻遏蛋白阻遏蛋白二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制Z ZY YA AO OP PDNADNAImRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白1.1.阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节RNA-Pol 没有乳糖存在时没有乳糖存在时有有乳糖存在时乳糖存在时-半乳糖苷酶半乳糖苷酶异构异构乳糖乳糖转录转录Z ZY YA AO OP PDNADNA无葡萄糖，无葡萄糖，cAMPcAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMPcAMP浓度低时浓度低时（三三）CAPCAP（catabolitecatabolite gene activation protein

15、 gene activation protein）的正性调节的正性调节CAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP结合位点结合位点CAPCAPRNA-Pol 转录转录内容回顾内容回顾操纵子的概念：操纵子的概念：乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的表达调控乳糖操纵子的表达调控阻遏蛋白的负性调控阻遏蛋白的负性调控CAP的负性调控的负性调控CAPPOTTTACA -35区区TATGTT -10区区CAP结合位点5-ATTAATGTGAGTTAGCTCAC TCATTAGG-3CAP中央对称序列中央对称序列CAP Binding Bends DNApromotorCAP

16、Binding site（四四）协调调节协调调节当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，CAPCAP对对该该系系统统不不能能发挥作用；发挥作用；如如无无CAPCAP存存在在，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列结合，操纵子仍无转录活性。列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，细细菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 葡萄糖高葡萄糖高OOADABCDmRNARNA-polOCOB1.A1.A基因及

17、其生理功能基因及其生理功能2.lac2.lac基因产物数量上的比较基因产物数量上的比较3.3.操纵子的融合与基因工程操纵子的融合与基因工程lac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题1.A基因及其生理功能基因及其生理功能-半乳糖苷半乳糖苷-半乳糖苷半乳糖苷衍生物衍生物生长抑制生长抑制乙乙酰-半乳糖苷半乳糖苷-半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷乙酰基转移酶乙乙酰CoACoA-半乳糖苷酶半乳糖苷酶A基因基因2.lac基因产物数量上的比较基因产物数量上的比较Z ZY YA AO OP PDNADNA1：0.5：0.2(1)Lac mRNA 与翻译过程中的核糖体脱离与翻译过程中的核糖体脱离(2)Lac mRN

18、A A基因更容易受到内切酶的作用基因更容易受到内切酶的作用发发生降解生降解第三节第三节 色氨酸操纵子与负阻遏系统色氨酸操纵子与负阻遏系统色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（tryptophan operon）的）的代谢特点：代谢特点：1.参与参与 trp 的生物合成而不是降解。的生物合成而不是降解。2.环境中有充足的环境中有充足的 trp 时，不（低）表达。时，不（低）表达。3.环境中缺乏环境中缺乏 trp 时，高表达。时，高表达。4.它不受葡萄糖它不受葡萄糖 c-AMPCRP调控。调控。5.（辅）阻遏蛋白的负调控调控。（辅）阻遏蛋白的负调控调控。6.弱化子的负调控调控。弱化子的负调控调控。邻氨基苯甲

19、酸合酶邻氨基苯甲酸合酶邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶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磷酸核糖邻氨基苯甲酸异构酶吲哚甘油磷酸合酶吲哚甘油磷酸合酶色氨酸合酶色氨酸合酶Trp ETrp DTrpCTrp ATrp BtrpRABCDEopLatrpRtrpPtrpO trpE trpD trpC trpB trpAE.coli 色氨酸操纵子模型Trp合成途径还存在色氨酸操纵子中衰减子衰减子所引起的衰减调节。前导区前导区mRNA前导肽前导肽（14AA）衰减子衰减子 12344231mRNATrp codons终止密码UUUUUUUUUU弱化子调控的意义弱化子调控的意义在大量外源色氨酸存

20、在时，及时快速阻止先导在大量外源色氨酸存在时，及时快速阻止先导mRNA的链的合成，使避免物质与能量的浪费。的链的合成，使避免物质与能量的浪费。备用备用四、半乳糖操纵子四、半乳糖操纵子(galactose operon)大肠杆菌半乳糖操纵子大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)包括包括3个结构基因个结构基因异构酶异构酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，半乳糖半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose transferase,galT)，半乳糖激酶半乳糖激酶(galactose kinase,galk)。这这3个酶的作用是使

21、半乳糖变成葡萄糖个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。可以作为唯一碳磷酸。可以作为唯一碳源供细胞生长。源供细胞生长。GalR与与galE、T、K及操纵区及操纵区O等离得很远，等离得很远，而而galR产物对产物对galO的作用与的作用与lacI-lacO的作的作用相同。用相同。Lac Z 操纵子操纵子细胞壁合细胞壁合成的前体成的前体GalR与与galE、T、K及操纵区及操纵区O等离得很远，等离得很远，而而galR产物对产物对galO的作用与的作用与lacI-lacO的作用的作用相同。相同。它有两个启动子，其它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起可从两个不同的起始点开始转录；始点开始转录；

22、它有两个它有两个O区，一个在区，一个在P区上游区上游-67-53，另一，另一个在结构基因个在结构基因galE内部。内部。A2 mRNA：组成型表达。：组成型表达。cAMP-CAP抑制抑制RNA聚合酶与聚合酶与S2的结合。的结合。A1 mRNA生成：半生成：半乳糖、乳糖、CAP和较高浓度的和较高浓度的cAMP。差向异构酶差向异构酶葡萄糖葡萄糖UDP-葡萄糖葡萄糖UDP-半乳糖半乳糖细胞壁细胞壁-76-47gal RO2CAPPO1gal Egal Tgal KA1A2阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子（arabinose operon）araD araAAraC 具有正、负调节因子双重功能。具有正、负

23、调节因子双重功能。有葡糖，有或无阿拉伯糖有葡糖，有或无阿拉伯糖无葡糖，阿拉伯糖无葡糖，阿拉伯糖1 1、翻译起始的调控、翻译起始的调控2 2、稀有密码子对翻译的影响、稀有密码子对翻译的影响3 3、重叠基因对翻译的影响、重叠基因对翻译的影响4 4、翻译的阻遏、翻译的阻遏5 5、魔斑核苷酸水平对翻译的影响、魔斑核苷酸水平对翻译的影响转录后水平上的调控转录后水平上的调控翻译水平上的调控翻译水平上的调控1.翻译起始的调控翻译起始的调控含义：通过SD序列的结构及其与起始密码AUG之间的距离调节蛋白质翻译的水平。AUG53mRNA410为佳，为佳，9个最佳个最佳SD序列序列AGG GAGG GGAGG AG

24、GAGUCCUCCA16S rRNA53UAGAUC2.稀有密码子对翻译的影响稀有密码子对翻译的影响稀有密码子：是在一般的编码中利用频率很低的密稀有密码子：是在一般的编码中利用频率很低的密码子。码子。稀有密码子对翻译的影响稀有密码子对翻译的影响稀有密码稀有密码AUA UAU UAG UAA OrpsU dnaGrpoD核糖体小亚核糖体小亚基基S21蛋白蛋白引物酶引物酶RNA聚合酶聚合酶因子因子rpsU 操纵子中操纵子中3个基因产物的拷贝数的差异个基因产物的拷贝数的差异4万万/细胞细胞50/细胞细胞2，800/细胞细胞1%032%1%AUA重叠基因对翻译的影响重叠基因对翻译的影响5、翻译的阻遏、

25、翻译的阻遏例：大肠杆菌RNA噬菌体Q（+RNA）的蛋白质合成。大肠杆菌大肠杆菌RNA噬菌体噬菌体Q基因图基因图含义：蛋白质抑制翻译的现象。成熟蛋白（成熟蛋白（A）外壳外壳蛋白蛋白RNA复制酶复制酶1621322 1345174423534120422053成熟蛋白成熟蛋白SD外壳蛋白外壳蛋白SDRNA复制酶复制酶SD53（+）RNARNA复制酶复制酶RNA复制酶复制酶355（）RNA成熟蛋白成熟蛋白魔斑核苷酸水平对翻译的影响魔斑核苷酸水平对翻译的影响魔斑：当细菌演技生长过程中，遇到氨基酸全面缺乏时，细菌将会产生一个应急反应，停止全部基因的表达。这种现象称作严紧控制（rel+，编码RelA蛋白-严紧因子）。松散控制（rel-）:蛋白质合成下降，但RNA合成并不下降。产生这严紧控制反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸（pppGpp）。魔斑核苷酸的作用魔斑核苷酸的作用1.影响RNA聚合酶与启动子的结合，阻止转录开始。2.使转录中的RNA聚合酶停顿，转录终止。魔斑核苷酸的生成魔斑核苷酸的生成 L11无活无活RelA蛋白蛋白活性活性RelA蛋白蛋白ATP-GTP-3-焦磷酸转移酶焦磷酸转移酶 ATP+GTP pppGpp+AMPppGpp