第十五级基因表达的调控.ppt

第十五级基因表达的调控现在学习的是第1页，共76页 基因表达（基因表达（gene expression）(自己看书自己看书20分钟分钟,因大多数我们都涉及到过因大多数我们都涉及到过)是指基因转录成是指基因转录成mRNA，然后进一步翻译成蛋，然后进一步翻译成蛋白质的过程。白质的过程。最早是法国巴斯德研究院的最早是法国巴斯德研究院的Jacob和和Monod于于1960年在研究大肠杆菌对乳糖代谢时发现的年在研究大肠杆菌对乳糖代谢时发现的:蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成(基因的表达基因的表达)是受到调节的，是受到调节的，于于是提出了是提出了操纵子学说（操纵子学说（theory of operon），使，使人们人们能够从分子水平认识基因表达的调节能够从分子水平认识基因表达的调节。现在学习的是第2页，共76页 机体能在基因表达过程的任何阶段进行调节，机体能在基因表达过程的任何阶段进行调节，即可即可在转录、转录后加工及翻译阶段进行调节。在转录、转录后加工及翻译阶段进行调节。原核生物原核生物的基因组和染色体结构比较简的基因组和染色体结构比较简单，单，转录和翻译可在同一时间和位置上发生，转录和翻译可在同一时间和位置上发生，基因表达的调节基因表达的调节主要在转录水平上进行。主要在转录水平上进行。现在学习的是第3页，共76页 真核生物真核生物由于存在细胞和结构的分化，由于存在细胞和结构的分化，转录和翻译过程在转录和翻译过程在时间和空间上时间和空间上被彼此被彼此分隔开，且在分隔开，且在转录和翻译后转录和翻译后还有复杂的加还有复杂的加工过程，工过程，因此基因表达在不同水平上都要因此基因表达在不同水平上都要进行调节。进行调节。现在学习的是第4页，共76页 第一节第一节 基因与基因组基因与基因组（课堂都涉及到过课堂都涉及到过,再介绍显得罗嗦）再介绍显得罗嗦）一、一、DNA与基因与基因 DNA是遗传的物质基础，位于染色体上，是遗传的物质基础，位于染色体上，由不同的核苷酸按一定的顺序排列而成，由不同的核苷酸按一定的顺序排列而成，基因基因（gene）是遗传的基本单位。是遗传的基本单位。一条染色体上有多个基因，它们在染色体一条染色体上有多个基因，它们在染色体上线性排列组成连锁群，确切的说，上线性排列组成连锁群，确切的说，基因是指基因是指具有特定生物遗传信息的具有特定生物遗传信息的DNA序列。序列。现在学习的是第5页，共76页 基因按其功能可分为基因按其功能可分为结构基因和调节基结构基因和调节基因。因。结构基因（结构基因（structural gene）是指可被是指可被转录为转录为mRNA，并被翻译成各种具有生物功，并被翻译成各种具有生物功能的蛋白质的能的蛋白质的DNA序列。序列。调节基因（调节基因（regulatory gene）是指某些是指某些可调节控制结构基因表达的可调节控制结构基因表达的DNA序列。序列。转录转录调控区、间隔序列，调控区、间隔序列，3端剪切信号和多聚腺端剪切信号和多聚腺苷酸以及与初始苷酸以及与初始RNA转录剪接有关的非编码转录剪接有关的非编码序列都包括在所指的基因中（图序列都包括在所指的基因中（图 16 1）。）。现在学习的是第6页，共76页 图图 16 1 DNA与基因的关系与基因的关系 现在学习的是第7页，共76页 结构基因结构基因 在在原核生物原核生物中占整个中占整个DNA分子的分子的大部分大部分，在在真核生物真核生物中只占中只占一小部分。一小部分。在结构基因间含有一些没有编码功能的在结构基因间含有一些没有编码功能的间隔区间隔区（spacer region），其中包括一些复制、转录、，其中包括一些复制、转录、翻译过程的翻译过程的控制区（控制区（control region），即可，即可被调节分子识别的序列。被调节分子识别的序列。一个基因是否表达受与一个基因是否表达受与调节区调节区DNA序列结合的调节分子的控制。序列结合的调节分子的控制。现在学习的是第8页，共76页 真核生物真核生物的结构基因包括的结构基因包括3个区域：个区域：编码区：编码区：包括外显子与内含子；包括外显子与内含子；前导区：前导区：位于编码区上游，相当位于编码区上游，相当 于于mRNA 5端非编码区；端非编码区；调节区：调节区：包括调节结构基因的侧翼序列，包括调节结构基因的侧翼序列，如启动子、增强子等（图如启动子、增强子等（图 16 2）。）。现在学习的是第9页，共76页 19771977年发现大多数真核生物编码蛋白质的基年发现大多数真核生物编码蛋白质的基因是因是不连续基因不连续基因（断裂基因）（断裂基因），即一个完整的基因被一个或多个插入的片段即一个完整的基因被一个或多个插入的片段所间隔，所间隔，这些插入不编码的的序列称为内含子，这些插入不编码的的序列称为内含子，被间隔的编码蛋白质的基因部分称为被间隔的编码蛋白质的基因部分称为外显子外显子。外显子被内含子隔列成若干片段，称为外显子被内含子隔列成若干片段，称为断裂断裂基因或隔裂基因。基因或隔裂基因。现在学习的是第10页，共76页图图 16 2 真核生物基因的结构图真核生物基因的结构图 现在学习的是第11页，共76页 基因大小基因大小 由于断裂基因的存在，基因比实际编码蛋白由于断裂基因的存在，基因比实际编码蛋白质的序列要大得多。与整个基因相比，质的序列要大得多。与整个基因相比，编码蛋白编码蛋白质的外显子较小，大多数外显子编码的氨基酸质的外显子较小，大多数外显子编码的氨基酸数少于数少于100。基因的大小主要取决于它所包含。基因的大小主要取决于它所包含的内含子的长度和数量，的内含子的长度和数量，与外显子的大小和与外显子的大小和数量关系不大，许多长基因并非其编码序列数量关系不大，许多长基因并非其编码序列较长，而是其含有较长的内含子。较长，而是其含有较长的内含子。现在学习的是第12页，共76页 重叠基因（重叠基因（overlapping gene）在一些原核生物基因中，两个邻近的基因在一些原核生物基因中，两个邻近的基因可发生重叠可发生重叠，并以不同的可读框被阅读，表达，并以不同的可读框被阅读，表达不同的蛋白质，这种基因称不同的蛋白质，这种基因称重叠基因。重叠基因。基因的重叠可以是部分重叠，也可以是基因的重叠可以是部分重叠，也可以是一个基因包含在另一个基因内，部分一个基因包含在另一个基因内，部分重叠使重叠使用不同的阅读框。用不同的阅读框。现在学习的是第13页，共76页 基因组（基因组（genome）是细胞或生物体的全是细胞或生物体的全套遗传物质。套遗传物质。原核生物原核生物的基因组是指单个染色体上所的基因组是指单个染色体上所含的全部基因。含的全部基因。真核生物真核生物的基因组是指维持配子或配子的基因组是指维持配子或配子体正常功能的最基本的一套染色体及其所携体正常功能的最基本的一套染色体及其所携带的全部基因。带的全部基因。不同种生物及同种生物不同种生物及同种生物的不同个体之间基因组的大小或基因数目的不同个体之间基因组的大小或基因数目不是固定不变的。不是固定不变的。现在学习的是第14页，共76页 第二节第二节 原核生物基因表达的调节原核生物基因表达的调节 一、操纵子模型一、操纵子模型 操纵子模型（操纵子模型（operon structural model）是原核生物基因表达调节的重要方式。是原核生物基因表达调节的重要方式。所谓所谓操纵子（操纵子（operon）是指原核生物基是指原核生物基因表达的因表达的调节序列或功能单位调节序列或功能单位，有共同的，有共同的控控制区（制区（control region）和和调节系统调节系统（regulation system）现在学习的是第15页，共76页基因表达调控可分为基因表达调控可分为四级四级：转录水平调控转录水平调控mRNA加工调控加工调控翻译水平调控翻译水平调控蛋白质活性调控等蛋白质活性调控等现在学习的是第16页，共76页 在细胞内进行的在细胞内进行的转录或翻译过程都转录或翻译过程都有特定的调节控制机制，有特定的调节控制机制，其中其中转录的调控转录的调控占主导地位。占主导地位。因此，基因表达的调控主要在因此，基因表达的调控主要在转录水平转录水平上进行。上进行。生物体的代谢调节尽管有不同的途径生物体的代谢调节尽管有不同的途径和水平，和水平，最根本还是基因的表达调控最根本还是基因的表达调控。基因表达即遗传信息的基因表达即遗传信息的转录和翻译转录和翻译水平。水平。现在学习的是第17页，共76页 如如原核生物基因表达的调节原核生物基因表达的调节（转录水平）（转录水平）本世纪三十年代，本世纪三十年代，H.KarstromH.Karstrom在对糖代谢在对糖代谢过程中的某些酶的合成进行研究时提出：过程中的某些酶的合成进行研究时提出：诱导诱导酶酶与与组成酶。组成酶。酶合成诱导现象酶合成诱导现象Jacob and MonodJacob and Monod的的工作：工作：已知分解利用乳糖的酶有：已知分解利用乳糖的酶有：-半乳糖苷酶；半乳糖苷酶；-半乳糖苷透过酶；硫代半乳糖苷转乙酰酶（了解）半乳糖苷透过酶；硫代半乳糖苷转乙酰酶（了解）。现在学习的是第18页，共76页 (一一)实验现象实验现象 (1)(1)大肠杆菌生长在只有大肠杆菌生长在只有葡萄糖培养基葡萄糖培养基上时，细胞内上时，细胞内无上述三种酶无上述三种酶合成，不能代合成，不能代谢乳糖。谢乳糖。(2)2)大肠杆菌生长在唯一碳源大肠杆菌生长在唯一碳源乳糖培养基乳糖培养基上时上时细胞内有上述细胞内有上述三种酶合成三种酶合成，能够代谢乳，能够代谢乳糖。糖。现在学习的是第19页，共76页()当当培养基中既有乳糖又有培养基中既有乳糖又有葡萄糖时，葡萄糖时，三种酶基本消失三种酶基本消失，只有葡萄糖耗尽时，只有葡萄糖耗尽时三三种酶又出现种酶又出现开始利用乳糖，此时葡萄糖开始利用乳糖，此时葡萄糖阻抑了乳糖的代谢。阻抑了乳糖的代谢。表明菌体生物合成的表明菌体生物合成的经济原则经济原则：需：需要时才合成要时才合成。现在学习的是第20页，共76页 某些某些代谢物或底物代谢物或底物可以诱导某些酶的合成，是可以诱导某些酶的合成，是通过促进为通过促进为该酶编码的基因的表达该酶编码的基因的表达而进行的，这种现而进行的，这种现象叫做象叫做酶合成的诱导酶合成的诱导。能诱导酶合成的物质叫能诱导酶合成的物质叫诱导物。诱导物。被诱导合成的酶叫被诱导合成的酶叫诱导酶。诱导酶。Jacob and Monod的工作：的工作：提出了提出了操纵子学说操纵子学说，这是一个划时代的发现这是一个划时代的发现，开，开创了创了从分子水平上认识基因表达受从分子水平上认识基因表达受营养物质调控营养物质调控的时的时代。代。这项重大贡献他们这项重大贡献他们获得获得1965年的诺贝尔奖。年的诺贝尔奖。现在学习的是第21页，共76页 (二二)操纵子操纵子 包括参与一个代谢途径的几个酶的基因编码在一包括参与一个代谢途径的几个酶的基因编码在一起形成的起形成的一个转录单位。一个转录单位。所谓所谓操纵子（操纵子（operon）是指原核生物基因表达是指原核生物基因表达的的调节序列或功能单位调节序列或功能单位，有共同的，有共同的控制区（控制区（control region）和和调节系统（调节系统（regulation system）。）。或者说是在或者说是在DNA上上控制控制蛋白质合成的一个功能单蛋白质合成的一个功能单位。位。现在学习的是第22页，共76页(三三)操纵子结构操纵子结构操纵子包括在功能上彼此相关的操纵子包括在功能上彼此相关的结构基因结构基因及在结构基因前面的控制部位及在结构基因前面的控制部位。一个操纵子的全部基因都排列在一起。一个操纵子的全部基因都排列在一起。其中调节基因其中调节基因可远离结构基因可远离结构基因，控制部位，控制部位可接受调解基因产物的调节。可接受调解基因产物的调节。结构基因、调节基因结构基因、调节基因、启动基因、操纵基因、启动基因、操纵基因现在学习的是第23页，共76页 结构基因结构基因 指导蛋白质生物合成的基因，在指导蛋白质生物合成的基因，在原核生物中，它包括参与原核生物中，它包括参与同一代谢途径的几个酶的同一代谢途径的几个酶的基因，基因，在功能上是相关的在功能上是相关的（多顺反子）（多顺反子）。操纵基因操纵基因 决定着决定着结构基因转录或不转录，结构基因转录或不转录，当当 “开放开放”时，结构基因转录，时，结构基因转录，“关闭关闭”时，不转时，不转录，操纵基因的录，操纵基因的“开关开关”由调节基因由调节基因决定。一般位于决定。一般位于结构基因上游。结构基因上游。现在学习的是第24页，共76页 调节基因调节基因 能编码一种蛋白质能编码一种蛋白质 阻抑蛋阻抑蛋白，白，它是一种它是一种变构蛋白变构蛋白。分子表面有分子表面有两个配基结合部位，两个配基结合部位，一个与一个与操操纵基因纵基因结合，一个与结合，一个与效应物效应物结合（阻抑蛋白或结合（阻抑蛋白或辅阻抑蛋白）。辅阻抑蛋白）。启动基因启动基因 位于操纵基因上游。与位于操纵基因上游。与RNA聚合酶结合的部位。聚合酶结合的部位。现在学习的是第25页，共76页 基因表达调控基因表达调控启动启动基因基因操纵操纵基因基因结构基因结构基因调节调节基因基因调节调节蛋白蛋白RNA聚合聚合酶结酶结合部合部位位调节蛋白调节蛋白结合部位，结合部位，决定转录决定转录与否与否操纵子操纵子mRNAmRNA（阻抑蛋白）（阻抑蛋白）现在学习的是第26页，共76页 大肠杆菌乳糖操纵子大肠杆菌乳糖操纵子是第一个被子发现是第一个被子发现的操纵子（的操纵子（Monod和和Jacob，1961）现在学习的是第27页，共76页 乳糖操纵子（乳糖操纵子（lac）诱导型操纵子诱导型操纵子 人们人们 在在20世纪初就发现以下现象：在大肠杆菌培养基中世纪初就发现以下现象：在大肠杆菌培养基中即加入即加入葡萄糖，又加入乳糖葡萄糖，又加入乳糖，大肠杆菌不利用乳糖。，大肠杆菌不利用乳糖。如果将大肠杆菌培养在以如果将大肠杆菌培养在以乳糖为唯一碳源乳糖为唯一碳源的培养基上时，的培养基上时，23min内内-半乳糖苷酶增加到原来的半乳糖苷酶增加到原来的1000倍。若从培养基上倍。若从培养基上除去乳糖，则该酶的合成在除去乳糖，则该酶的合成在2 3min 内停止。内停止。同时发现除同时发现除-半乳半乳糖苷酶外，糖苷酶外，-半乳糖苷透性酶、半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷乙酰基转移酶也一半乳糖苷乙酰基转移酶也一切被诱导合成。切被诱导合成。以上现象说明三种酶的基因平时是关闭的。以上现象说明三种酶的基因平时是关闭的。现在学习的是第28页，共76页 大肠杆菌培养过程中如果缺少乳糖，细胞中就不含有代谢乳糖的酶。大肠杆菌培养过程中如果缺少乳糖，细胞中就不含有代谢乳糖的酶。在在培培养养基基中中加加入入乳乳糖糖后后，大大肠肠杆杆菌菌就就能能在在几几分分钟钟内内合合成成出出与与乳乳糖糖水水解解有有关关的的酶酶，使使之之能能利利用用这种营养物质。这种营养物质。由由乳乳糖糖诱诱导导产产生生的的与与乳乳糖糖水水解解相相关关的的三三种种酶酶：-半乳糖苷酶，半乳糖苷酶，-半乳糖苷透性酶和半乳糖苷透性酶和-半乳糖苷转乙酰酶，半乳糖苷转乙酰酶，被称为诱导酶。被称为诱导酶。这这种种由由于于底底物物存存在在而而导导致致作作用用该该底底物物的的酶合成的现象称酶的酶合成的现象称酶的诱导诱导。以下介绍乳糖操纵子结构以下介绍乳糖操纵子结构:现在学习的是第29页，共76页乳糖操纵子的负调节乳糖操纵子的负调节（negative control）是指是指开放的乳糖操纵子开放的乳糖操纵子可被可被调节基因调节基因的编码产物阻抑蛋白所关闭的编码产物阻抑蛋白所关闭。当大肠杆菌培养基中当大肠杆菌培养基中只有葡萄糖而没有只有葡萄糖而没有乳糖乳糖时，阻抑蛋白可与操纵基因结合。时，阻抑蛋白可与操纵基因结合。现在学习的是第30页，共76页 Lac I 基因表达的产物是基因表达的产物是 阻抑蛋白阻抑蛋白 其功能：其功能：阻止结构基因的表达，阻止结构基因的表达，阻抑蛋白阻抑蛋白(活化活化状态状态)与操纵基因结合（位于启动子和结构基因之间）与操纵基因结合（位于启动子和结构基因之间），可阻止可阻止RNA聚合酶在启动子上转录，结构基因不聚合酶在启动子上转录，结构基因不转录，这种调节称为转录，这种调节称为阴性调节（负调节）。阴性调节（负调节）。因培养基中因培养基中无乳糖无乳糖不需要利用乳糖的酶。不需要利用乳糖的酶。现在学习的是第31页，共76页在没有乳糖时，乳糖操纵子在没有乳糖时，乳糖操纵子一直处一直处于关闭状态于关闭状态，这样可避免造成浪费。，这样可避免造成浪费。当葡萄糖耗尽当葡萄糖耗尽且有乳糖存在时且有乳糖存在时，乳，乳糖操纵子的糖操纵子的抑制将被解除抑制将被解除，使细菌能够，使细菌能够利用乳糖。利用乳糖。现在学习的是第32页，共76页当有诱导物存在时，当有诱导物存在时，阻抑蛋白可与诱阻抑蛋白可与诱导物结合，引起阻抑蛋白构象改变，使其导物结合，引起阻抑蛋白构象改变，使其与操纵基因的亲和力降低，与操纵基因的亲和力降低，不能与操纵基不能与操纵基因结合或从操纵基因上解离。因结合或从操纵基因上解离。乳糖操纵子乳糖操纵子开放，开放，RNA聚合酶结合于启动子，并顺利聚合酶结合于启动子，并顺利通过操纵基因，通过操纵基因，进行结构基因的转录，进行结构基因的转录，产产生大量分解乳糖的酶生大量分解乳糖的酶，以乳糖为能源进行，以乳糖为能源进行代谢。代谢。现在学习的是第33页，共76页启动基因操纵基因结构基因lacZlacAlacY 酶合成的诱导酶合成的诱导 乳糖操纵子乳糖操纵子调节基因阻抑蛋白mRNA基因关闭不转录基因打开基因打开转录转录mRNAb-半乳糖苷酶b-半乳糖苷透性酶b-半乳糖苷乙酰基转移酶阻抑蛋白mRNA无乳无乳糖糖(有乳糖）诱导物(乳糖 等)现在学习的是第34页，共76页 乳糖操纵子的正调节乳糖操纵子的正调节（positive control）大肠杆菌乳糖操纵子为什么还要选择选大肠杆菌乳糖操纵子为什么还要选择选择正调节作用？择正调节作用？因为因为负调节负调节只能只能对乳糖对乳糖的存在的存在作出应答，当只有乳糖存在时就足以激活操纵子。作出应答，当只有乳糖存在时就足以激活操纵子。现在学习的是第35页，共76页但当培养基中既有葡萄糖又有乳糖但当培养基中既有葡萄糖又有乳糖同时存在时，同时存在时，仅有负调节作用不能满足仅有负调节作用不能满足大肠杆菌对大肠杆菌对能量能量代谢的需要。代谢的需要。当有葡萄糖存在时当有葡萄糖存在时激活乳糖操纵子激活乳糖操纵子是一种浪费，因而此时乳糖操纵子是一种浪费，因而此时乳糖操纵子处于处于非活化状态非活化状态，有利于葡萄糖的代谢。，有利于葡萄糖的代谢。现在学习的是第36页，共76页当大肠杆菌当大肠杆菌利用完葡萄糖后再激利用完葡萄糖后再激活乳糖操纵子，活乳糖操纵子，从而利用乳糖继续生从而利用乳糖继续生长。这种现象称葡萄糖阻抑长。这种现象称葡萄糖阻抑（glucose repression）或分解代谢产物阻抑）或分解代谢产物阻抑（catabolite repression）。）。现在学习的是第37页，共76页 在培养基中加入葡萄糖，则乳糖代谢停止，大肠杆菌又转向利用葡萄糖而不利用乳糖，可见葡萄糖阻遏了乳糖代谢，只有当葡萄糖消耗在培养基中加入葡萄糖，则乳糖代谢停止，大肠杆菌又转向利用葡萄糖而不利用乳糖，可见葡萄糖阻遏了乳糖代谢，只有当葡萄糖消耗殆尽，阻遏解除，大肠杆菌又能利用乳糖。殆尽，阻遏解除，大肠杆菌又能利用乳糖。因为，在乳糖操纵子的调控中因为，在乳糖操纵子的调控中还有另一个蛋还有另一个蛋白质在起作用白质在起作用 降解物基因活化蛋白（降解物基因活化蛋白（CAP，cAMP受体蛋白）。受体蛋白）。CAP的功能：的功能：可特意结合在启动子；可特意结合在启动子；促进促进RNA聚合酶聚合酶与启动子结合，与启动子结合，促进转录促进转录（阳性调控）。（阳性调控）。现在学习的是第38页，共76页游离的游离的CAP是是不能不能与启动子结合，必须在细胞内与启动子结合，必须在细胞内有足够的有足够的cAMP时，时，CAP与与cAMP形成复合物（正形成复合物（正调节因子），调节因子），此复合物才能与启动子结合。此复合物才能与启动子结合。因此因此CAP也称做也称做cAMP受体蛋白。受体蛋白。葡萄糖降解产物能降低细胞内葡萄糖降解产物能降低细胞内cAMP的含量。的含量。当向当向乳糖培养基中加入葡萄糖乳糖培养基中加入葡萄糖时，造成时，造成cAMP浓度浓度降低降低，CAP便不能结合在启动子上。便不能结合在启动子上。现在学习的是第39页，共76页 葡萄糖的降解物对葡萄糖的降解物对腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶有抑有抑制作用，则制作用，则cAMP的浓度降低，的浓度降低，CAP-cAMP复合物减少，不能与启动子结合，故复合物减少，不能与启动子结合，故转录不得进行。转录不得进行。此时，即使有乳糖存在也不能进行转此时，即使有乳糖存在也不能进行转录，所以仍录，所以仍不能利用乳糖。不能利用乳糖。现在学习的是第40页，共76页 cAMP水平受大肠杆菌葡萄糖代谢状况水平受大肠杆菌葡萄糖代谢状况的影响。的影响。当葡萄糖水平低时，当葡萄糖水平低时，cAMP浓度升高，浓度升高，cAMP与与CRP结合，结合，使使CAP构象改变，构象改变，激活激活乳糖操纵子，促进结构基因的转录，使大乳糖操纵子，促进结构基因的转录，使大肠杆菌能够利用乳糖。肠杆菌能够利用乳糖。向含有乳糖的培养基中加入葡萄糖，由于葡萄糖浓度升高，向含有乳糖的培养基中加入葡萄糖，由于葡萄糖浓度升高，cAMP水平降低，水平降低，CAP与启动子的亲和力降低，与启动子的亲和力降低，乳糖操纵子被抑制，乳糖操纵子被抑制，此时，即使有乳糖存在大肠杆菌仍不能利用乳糖。此时，即使有乳糖存在大肠杆菌仍不能利用乳糖。现在学习的是第41页，共76页调节基因调节基因启动子启动子操纵操纵基因基因lacZlacYlacACAPcAMPCAP-cAMP复合物复合物mRNA +当葡萄糖水平低时，当葡萄糖水平低时，cAMP浓度升高，浓度升高，cAMP与与CAP结合，结合，激活乳糖操纵子，促进激活乳糖操纵子，促进结构基因的转录，使大肠杆菌能够利用乳糖。结构基因的转录，使大肠杆菌能够利用乳糖。现在学习的是第42页，共76页大肠杆菌乳糖操纵子受到两方面的调节：大肠杆菌乳糖操纵子受到两方面的调节：一是对操纵基因的负调节；一是对操纵基因的负调节；二是对二是对RNARNA聚合酶结合到启动子上的正调节；聚合酶结合到启动子上的正调节；两种调两种调节作用使大肠杆菌能够灵敏地应答环境中营养的变节作用使大肠杆菌能够灵敏地应答环境中营养的变化，有效地利用能量以利于生长。化，有效地利用能量以利于生长。现在学习的是第43页，共76页色氨酸操纵子色氨酸操纵子 色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（trptrp operon operon）含有大肠杆菌合成色氨酸所需酶的）含有大肠杆菌合成色氨酸所需酶的结构基因，结构基因，如如laclac操纵子一样，操纵子一样，trptrp操纵子也倾向于由阻抑蛋白产生的负操纵子也倾向于由阻抑蛋白产生的负调节，但两种操纵子的负调节有着本质的区别。调节，但两种操纵子的负调节有着本质的区别。laclac操纵子编码分解代谢的酶，分解乳糖，当该物质出现时操纵操纵子编码分解代谢的酶，分解乳糖，当该物质出现时操纵子被开放。子被开放。TrpTrp操纵子编码合成代谢的酶，合成色氨酸，操纵子通常被该物质操纵子编码合成代谢的酶，合成色氨酸，操纵子通常被该物质所关闭。同时，所关闭。同时，trptrp操纵子还存在一种弱化作用（操纵子还存在一种弱化作用（attenuationattenuation）的调节）的调节机制。机制。现在学习的是第44页，共76页色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子的负调节色氨酸操纵子的负调节色氨酸操纵子的弱化作用调节色氨酸操纵子的弱化作用调节现在学习的是第45页，共76页 色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子由调节基因（色氨酸操纵子由调节基因（trptrp R R）、启动子、操）、启动子、操纵基因和纵基因和5 5个相连的结构基因组成，结构基因分别编码催个相连的结构基因组成，结构基因分别编码催化分支酸合成色氨酸的化分支酸合成色氨酸的3 3种酶的多肽链。种酶的多肽链。前两个基因前两个基因trptrp E E和和trptrp D D编码色氨酸合成第一编码色氨酸合成第一步反应的酶，第步反应的酶，第3 3个基因个基因trptrp C C编码催化第二步反应的编码催化第二步反应的酶，后两个基因酶，后两个基因trptrp B B和和trptrp A A编码催化第三步和最后编码催化第三步和最后反应的酶。反应的酶。现在学习的是第46页，共76页 调节基因距结构基因较远，可控制合成调节基因距结构基因较远，可控制合成trp trp 操纵子阻抑蛋白。操纵子阻抑蛋白。启动子和操纵基因位于结构基因的前面，操纵基因完全位于启动子和操纵基因位于结构基因的前面，操纵基因完全位于启动子之内。在操纵基因与结构基因启动子之内。在操纵基因与结构基因trptrp E E之间有一段由之间有一段由162162个个核苷酸组成的前导序列（核苷酸组成的前导序列（trptrp L L），前导序列内有一段弱化子），前导序列内有一段弱化子（attenuatorattenuator，a a）序列）序列。现在学习的是第47页，共76页 色氨酸操纵子的负调节色氨酸操纵子的负调节 无色氨酸时，阻抑蛋白（无活性状态）以游离的形式无色氨酸时，阻抑蛋白（无活性状态）以游离的形式存在，不能结合操纵基因，所以结构基因得以转录和表达，存在，不能结合操纵基因，所以结构基因得以转录和表达，合成色氨酸。合成色氨酸。但当生成色氨酸过量时能与阻遏物形成复合物，此复但当生成色氨酸过量时能与阻遏物形成复合物，此复合物可与操纵基因结合，阻止结构基因转录，合物可与操纵基因结合，阻止结构基因转录，这种以终产这种以终产物阻止基因转录的机理称为反馈阻遏。此终产物（色物阻止基因转录的机理称为反馈阻遏。此终产物（色氨酸）成为辅阻抑物。氨酸）成为辅阻抑物。现在学习的是第48页，共76页 色氨酸操纵子色氨酸操纵子 阻抑型操纵子阻抑型操纵子 细菌的细菌的氨基酸氨基酸合成也是由操纵子调节，需要合成也是由操纵子调节，需要某种氨某种氨基酸时基酸时其操纵基因开放，不需要时关闭。其操纵基因开放，不需要时关闭。与与lac操纵子区别：操纵子区别：lac操纵子阻遏蛋白仅作用于操纵子阻遏蛋白仅作用于lacZYA基因簇的操纵基基因簇的操纵基因；色氨酸操纵子阻遏蛋白通过结合因；色氨酸操纵子阻遏蛋白通过结合多个操纵基因控制散多个操纵基因控制散在分布的结构基因，在分布的结构基因，它可控制三套不直接相连的基因它可控制三套不直接相连的基因。现在学习的是第49页，共76页 lac I 阻遏蛋白表达的产物是阻遏蛋白表达的产物是 阻抑蛋白，其功能：阻抑蛋白，其功能：阻止结构基因的表达，阻抑蛋白与阻止结构基因的表达，阻抑蛋白与操纵操纵基因结合，基因结合，可阻止可阻止RNA聚合酶在启动子上聚合酶在启动子上转录，结构基因不转录，这种调节转录，结构基因不转录，这种调节称为阴称为阴性调节性调节。因培养基中因培养基中无乳糖不需要利用乳糖的酶。无乳糖不需要利用乳糖的酶。现在学习的是第50页，共76页 无无色氨酸时，色氨酸时，阻抑蛋白（无活性状态）一阻抑蛋白（无活性状态）一游离的形式，不能结合操纵基因，游离的形式，不能结合操纵基因，所以结构基所以结构基因得以转录和表达，因得以转录和表达，合成合成色氨酸。色氨酸。但当生但当生成色氨酸过量时能与阻遏物形成复合物，成色氨酸过量时能与阻遏物形成复合物，此复合物可与操纵基因结合，阻止结构基因转录，此复合物可与操纵基因结合，阻止结构基因转录，这种这种以终产物阻止基因转录的机理称为反馈阻遏。以终产物阻止基因转录的机理称为反馈阻遏。此终产物（色氨酸）成为辅阻抑物。此终产物（色氨酸）成为辅阻抑物。现在学习的是第51页，共76页调节基因基因关闭不转录基因关闭不转录阻抑蛋白mRNA(无色无色AA)启动基因操纵基因结构基因阻抑蛋白mRNA辅阻抑物(有色氨有色氨酸酸)(有)mRNA磷酸核糖基转移酶邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸合成酶a 亚基色氨酸合成酶b 亚基 酶合成的阻遏酶合成的阻遏-色氨酸操纵子色氨酸操纵子基因开放转录基因开放转录阻抑蛋白不能与操纵基因结合，阻抑蛋白不能与操纵基因结合，结构基因表达结构基因表达代谢产物与阻抑蛋白结合，使之构象发生变代谢产物与阻抑蛋白结合，使之构象发生变化与操纵基因结合，结构基因不能表达化与操纵基因结合，结构基因不能表达现在学习的是第52页，共76页 调控方式的意义调控方式的意义 在在色氨酸充足色氨酸充足时，色氨酸时，色氨酸 阻遏物复合体结合阻遏物复合体结合操纵基因完全操纵基因完全阻断转录阻断转录；在在色氨酸水平下降色氨酸水平下降很低时，阻遏消除，很低时，阻遏消除，转录开转录开放放，合成色氨酸。，合成色氨酸。这样也不易保持细菌这样也不易保持细菌色氨酸水平色氨酸水平的恒定，后来又的恒定，后来又发现一个调控结构称为衰减子。发现一个调控结构称为衰减子。现在学习的是第53页，共76页 色氨酸操纵子的弱化作用调节色氨酸操纵子的弱化作用调节 上述调控方式，会造成在色氨酸充足时。色氨酸上述调控方式，会造成在色氨酸充足时。色氨酸-阻遏蛋白复阻遏蛋白复合体结合操纵基因完全阻断转录，在色氨酸水平很低时，阻遏消除，合体结合操纵基因完全阻断转录，在色氨酸水平很低时，阻遏消除，转录开放，合成色氨酸。转录开放，合成色氨酸。这样不易保持细菌色氨酸水平的恒定。这样不易保持细菌色氨酸水平的恒定。后来发现色氨酸操纵子中存在一个辅助调控结构，可用以后来发现色氨酸操纵子中存在一个辅助调控结构，可用以终止和减弱转录终止和减弱转录，这个调控结构称，这个调控结构称弱化子（衰减子，弱化子（衰减子，attenuator),),即前导序列。即前导序列。前导序列编码一小段前导序列编码一小段1414肽。在肽。在1414肽里有两个色氨酸（肽里有两个色氨酸（UGGUGG）密码子，在调节中起着重要作用。）密码子，在调节中起着重要作用。现在学习的是第54页，共76页 弱化子的作用：弱化子的作用：在色氨酸相对较多时减弱操纵子的转录，弱化子通过引起转录在色氨酸相对较多时减弱操纵子的转录，弱化子通过引起转录的的提前终止提前终止而发挥调节作用。而发挥调节作用。转录的提前终止是由于在弱化子序列内含有一个转录转录的提前终止是由于在弱化子序列内含有一个转录终止信号终止信号终止子，终止子，终止子的一个反向重复序列后紧接着终止子的一个反向重复序列后紧接着8 8个个A-TA-T碱基对碱基对。由于反向重复序列的存在，在此区域内的转录产物易形成后面由于反向重复序列的存在，在此区域内的转录产物易形成后面带有带有8 8个个U U的茎环结构的茎环结构，一，一旦形成茎环结构，旦形成茎环结构，RNARNA聚合酶即停止移聚合酶即停止移动，转录终止。动，转录终止。现在学习的是第55页，共76页 在最稳定的终止子结构中，在最稳定的终止子结构中，1 1区与区与2 2区配对，区配对，3 3区与区与4 4区配对，形成两个茎环结构，区配对，形成两个茎环结构，3-43-4区后紧接着区后紧接着8 8个个U U序列。序列。现在学习的是第56页，共76页 原核生物的原核生物的转录和翻译是同时进行的转录和翻译是同时进行的，当，当色氨色氨酸含量低酸含量低时，时，不能形成足够的色氨酰不能形成足够的色氨酰-tRNA-tRNA，翻译翻译进行至前导序列的进行至前导序列的2 2个色氨酸密码子时，核糖体个色氨酸密码子时，核糖体停止移动。停止移动。此时核糖体位于此时核糖体位于1 1区，因此区，因此1 1区和区和2 2区不能形成茎区不能形成茎环结构，而环结构，而2 2区和区和3 3区形成茎环结构，区形成茎环结构，3 3、4 4区的茎区的茎环结构不能形成，致使不能形成有效的转录终止环结构不能形成，致使不能形成有效的转录终止子结构，子结构，RNARNA聚合酶可通过弱化子序列继续转录，聚合酶可通过弱化子序列继续转录，结构基因得以表达，产生色氨酸。结构基因得以表达，产生色氨酸。现在学习的是第57页，共76页 当色氨酸含量高时，核糖体不停止移当色氨酸含量高时，核糖体不停止移动，动，3 3、4 4区形成茎环结构区形成茎环结构进而形成有效进而形成有效的转录终止子，的转录终止子，RNARNA聚合酶不能通过，转聚合酶不能通过，转录终止，结构基因不能表达，使色氨酸录终止，结构基因不能表达，使色氨酸含量降低。含量降低。现在学习的是第58页，共76页现在学习的是第59页，共76页可以与可以与mRNA碱基配对的小分子碱基配对的小分子RNA 功能：功能：可以通过与可以通过与mRNA碱基配对而阻止碱基配对而阻止mRNA的翻译，的翻译，从而调节基因的表达，从而调节基因的表达，是一种翻译水平的调控。是一种翻译水平的调控。mRNA反义RNA不可以翻译可以翻译 反义反义RNA以下不介绍以下不介绍现在学习的是第60页，共76页反义反义RNA的调节（的调节（本课程结束）本课程结束）反义反义RNA（antisense RNA）是指是指能与能与mRNA互补结合从而阻断互补结合从而阻断mRNA翻翻译的译的RNA分子，它是分子，它是反义基因反义基因（antisense gene）和和/或基因的或基因的反反义链（义链（antisense strand）转录的产物，转录的产物，它对基因表达的调节是一种它对基因表达的调节是一种翻译水平的翻译水平的调节。调节。现在学习的是第61页，共76页 接着介绍接着介绍PCR与核苷酸序列测定。与核苷酸序列测定。现在学习的是第62页，共76页 真核生物是否也有反义真核生物是否也有反义RNA，从反义，从反义RNA的定义看，真核细胞中不少的定义看，真核细胞中不少RNA表表现出反义现出反义RNA的功能。如的功能。如DNA复制需要复制需要RNA作引物；单链作引物；单链DNA或或RNA与互补与互补链的杂交；链的杂交；mRNA 5端端SD序列与核糖体序列与核糖体30s亚基中亚基中16s rRNA 3端的互补；端的互补；tRNA的反密码与的反密码与mRNA 密码的互补等。密码的互补等。现在学习的是第63页，共76页 根据这些核酸间相互识别与作用的事根据这些核酸间相互识别与作用的事实，有人提出在生物体内存在反义实，有人提出在生物体内存在反义RNA网网络的假说。认为络的假说。认为“反义反义”仅仅是对靶序列仅仅是对靶序列而言，体内而言，体内RNA似乎都可以看成反义似乎都可以看成反义RNA。它们不是这条。它们不是这条DNA链的反义链的反义RNA，就是另条，就是另条DNA链的反义链的反义RNA，从，从整体上构成一种反义整体上构成一种反义RNA的网络，发挥的网络，发挥着不同的功能。虽然这仅是一种假说，着不同的功能。虽然这仅是一种假说，但可以促进人们对但可以促进人们对RNA功能的认识。功能的认识。现在学习的是第64页，共76页 反义反义RNA调节的特点是高度的特异性，调节的特点是高度的特异性，一种反义一种反义RNA抑制一种抑制一种mRNA。根据这种原。根据这种原理设计人工反义理设计人工反义RNA，抑制靶基因表达，达，抑制靶基因表达，达到治疗疾病的目的，即为基因治疗。如乙肝病到治疗疾病的目的，即为基因治疗。如乙肝病毒、口蹄疫病毒、脊髓灰质炎病毒及人的爱滋毒、口蹄疫病毒、脊髓灰质炎病毒及人的爱滋病病毒等都是单链病病毒等都是单链RNA病毒，可利用反义病毒，可利用反义RNA抑制这些病毒在体内的复制，以及用反抑制这些病毒在体内的复制，以及用反义义RNA抑制癌基因的表达等，从而达到治疗病抑制癌基因的表达等，从而达到治疗病毒性疾病和癌症的目的。毒性疾病和癌症的目的。现在学习的是第65页，共76页16.1 真核生物基因表达的调节真核生物基因表达的调节 真核生物，真核生物基因当前分真核生物，真核生物基因当前分子生物学研究