基因表达的调控 (2).ppt

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1、关于基因表达的调控 (2)现在学习的是第1页，共31页Introduction现在学习的是第2页，共31页Activation of gene structure(chromosome) Initiation and termination of transcription Processing the transcript Transport to cytoplasm Translation of mRNAStages of regulationStages of regulation调控位点调控位点: :Prokaryotic cell 原核原核 Eukaryotic cell真核真核 现

2、在学习的是第3页，共31页第一节第一节 转录水平的调控转录水平的调控一、操纵子模型一、操纵子模型 由法国科学家由法国科学家JacobJacob和和MonodMonod于于19601960年提出的一个有关原核年提出的一个有关原核基因表达调控的模型。获得基因表达调控的模型。获得19651965年诺贝尔生理学奖。年诺贝尔生理学奖。The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1965. for their discoveries concerning genetic control of enzyme 现在学习的是第4页，共31页（一）基本概念（一）基本概念 顺

3、式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element）：）：DNA元件是指元件是指DNA上的上的一段序列，它只能作用于同一条一段序列，它只能作用于同一条DNA，故称为顺式作用元件。，故称为顺式作用元件。 结构基因（结构基因（structural gene）：）：编码细胞必需的蛋白，如酶和结构编码细胞必需的蛋白，如酶和结构蛋白的基因，叫结构基因。蛋白的基因，叫结构基因。 调节基因（调节基因（regulatory gene）：）：编码的产物能够调节其他基编码的产物能够调节其他基因的表达，这样的基因叫调节基因。因的表达，这样的基因叫调节基因。 调节蛋白（调节蛋白（regulatory pr

4、otein）：）：调节基因的表达产物，叫调调节基因的表达产物，叫调节蛋白。由于调节蛋白能够自由地与其相应的结合位点结合，故又称节蛋白。由于调节蛋白能够自由地与其相应的结合位点结合，故又称为反式作用因子（为反式作用因子（trans-acting element）。）。 包括正调节蛋白（又叫激活蛋白包括正调节蛋白（又叫激活蛋白activator）；负调节蛋白，又叫阻）；负调节蛋白，又叫阻遏蛋白遏蛋白(repressor)。现在学习的是第5页，共31页 可诱导基因（可诱导基因（inducible gene）：）：当培养基中加入诱导物时，可以诱当培养基中加入诱导物时，可以诱导相应基因的表达，这些基因就

5、叫可诱导基因。导相应基因的表达，这些基因就叫可诱导基因。 组成型基因（组成型基因（constitutive gene）：）：为了维持细菌或细胞的基本生命为了维持细菌或细胞的基本生命需要，总是在不断表达的基因，叫组成型基因。需要，总是在不断表达的基因，叫组成型基因。 组成蛋白（组成蛋白（constitutive proteins）：）：在细胞内有许多蛋白质，在细胞内有许多蛋白质，其数量几乎不受外界环境的影响。这些蛋白质称为组成蛋白质。组成蛋其数量几乎不受外界环境的影响。这些蛋白质称为组成蛋白质。组成蛋白质合成的速度是遗传上规定的，由于（白质合成的速度是遗传上规定的，由于（1）启动子的天然效率，靠

6、它以）启动子的天然效率，靠它以制造制造mRNA；（；（2）核糖体阅读信使的速度；（）核糖体阅读信使的速度；（3）其信使被核酸酶降解）其信使被核酸酶降解的敏感性。的敏感性。 正调控（正调控（positive control）：）：在操纵子中，结构基因本来不表达，可当在操纵子中，结构基因本来不表达，可当加入调节蛋白时，使该结构基因进行表达。这样的调控叫正调控。加入调节蛋白时，使该结构基因进行表达。这样的调控叫正调控。 负调控（负调控（negative control）：）：在操纵子中，结构基因本来是表在操纵子中，结构基因本来是表达的，当加入调节蛋白时，使该结构基因不表达。这样的调控叫负达的，当加入

7、调节蛋白时，使该结构基因不表达。这样的调控叫负调控。调控。现在学习的是第6页，共31页（二）乳糖操纵子的结构（二）乳糖操纵子的结构Figure 10.4 The lac operon occupies 6000 bp of DNA. At the left the lacI gene has its own promoter and terminator. The end of the lacI region is adjacent to the promoter, P. The operator, O, occupies the first 26 bp of the long lacZ ge

8、ne, followed by the lacY and lacA genes and a terminator.现在学习的是第7页，共31页 lacZ codes for the enzyme -galactosidase(-半乳糖苷酶半乳糖苷酶), whose active form is a tetramer of 500kDa. The enzyme breaks a -galactoside into its component sugars. For example, lactose is cleaved into glucose and galactose. lacY codes

9、 for the -galactoside permease（ -半乳糖苷透过半乳糖苷透过酶酶）, a 30kDa membrane-bound protein constituent of the transport system. This transports -galactosides into the cell. lacA codes for -galactoside transacetylase（ -半乳糖苷乙酰半乳糖苷乙酰转移酶转移酶）, an enzyme that transfers an acetyl group from acetyl-CoA to -galactosid

10、es.现在学习的是第8页，共31页（三）乳糖操纵子学说（三）乳糖操纵子学说（Lac Operon Theory） 一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵基因组成一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵基因组成一个操纵子。调节基因编码调节蛋白，调节蛋白与操纵基因结一个操纵子。调节基因编码调节蛋白，调节蛋白与操纵基因结合，从而调控结构基因的表达。合，从而调控结构基因的表达。 乳糖为诱导物。当有乳糖存在时，乳糖与有活性的调节蛋乳糖为诱导物。当有乳糖存在时，乳糖与有活性的调节蛋白（阻遏物）结合时，阻遏物失活，则不能与操纵基因结合，白（阻遏物）结合时，阻遏物失活，则不能与操纵基因结合，解除对解除对

11、-半乳糖苷酶基因（结构基因）的抑制，开始表达。半乳糖苷酶基因（结构基因）的抑制，开始表达。 如果去掉乳糖时，阻遏物又恢复其活力，与操纵基因如果去掉乳糖时，阻遏物又恢复其活力，与操纵基因DNA结合，将结合，将-半乳糖苷酶基因关闭。但这种关闭或开启并不是半乳糖苷酶基因关闭。但这种关闭或开启并不是100%100%。现在学习的是第9页，共31页Figure 10.7 Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to the operator; addition of inducer releases t

12、he repressor, and thereby allows RNA polymerase to initiate transcription.现在学习的是第10页，共31页（四）调控类型（四）调控类型 正调控（正调控（positive control）：）： 在操纵子中，结构基因本来在操纵子中，结构基因本来不表达，可当加入调节蛋白（不表达，可当加入调节蛋白（无辅基诱导蛋白无辅基诱导蛋白）时，使该结构）时，使该结构基因进行表达。这样的调控叫正调控。基因进行表达。这样的调控叫正调控。 负调控（负调控（negative control）：）：在操纵子中，结构基因本来在操纵子中，结构基因本来是表

13、达的，当加入调节蛋白（是表达的，当加入调节蛋白（阻遏蛋白阻遏蛋白）时，使该结构基因不）时，使该结构基因不表达。这样的调控叫负调控。表达。这样的调控叫负调控。 1.1. 可诱导的调控：可诱导的调控：在可诱导的操纵子中，加入在可诱导的操纵子中，加入 对基因表对基因表达有调节作用的小分子物质（达有调节作用的小分子物质（诱导物诱导物），则开启基因的转录活），则开启基因的转录活性。性。 2.2. 可阻遏的调控：可阻遏的调控：在可阻遏的操纵子中，加入在可阻遏的操纵子中，加入 对基因表对基因表达有调节作用的小分子物质（达有调节作用的小分子物质（辅阻遏物辅阻遏物），则关闭基因的转录），则关闭基因的转录活性。活

14、性。现在学习的是第11页，共31页Figure 10.3 In positive control, trans-acting factors must bind to cis-acting sites in order for RNA polymerase to initiate transcription at the promoter. In a eukaryotic system, a structural gene is controlled individually.现在学习的是第12页，共31页Figure 10.2 In negative control, a trans-act

15、ing repressor binds to the cis-acting operator to turn off transcription. In prokaryotes, multiple genes are controlled coordinately. 现在学习的是第13页，共31页Figure 10.21 Control circuits are versatile and can be designed to allow positive or negative control of induction or repression.现在学习的是第14页，共31页（五）操纵基因

16、的结构（五）操纵基因的结构Figure 10.11 The lac operator has a symmetrical sequence. The sequence is numbered relative to the startpoint for transcription at +1. The regions of dyad symmetry are indicated by the shaded blocks.现在学习的是第15页，共31页Figure 10.20 Operators may lie at various positions relative to the promo

17、ter.（六）操纵基因的位置（六）操纵基因的位置现在学习的是第16页，共31页Figure 9.10 RNA polymerase initially contacts the region from -55 to +20. When sigma dissociates,the core enzyme contracts to -30; when the enzyme moves a few base pairs, it becomes more compactly organized into the general elongation complex. 现在学习的是第17页，共31页第二

18、节第二节 操纵子的其他调控形式操纵子的其他调控形式阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子半乳糖操纵子半乳糖操纵子氨基酸操纵子（氨基酸操纵子（色氨酸色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨 酸、亮氨酸、异亮氨酸等十几种）酸、亮氨酸、异亮氨酸等十几种）核苷酸操纵子核苷酸操纵子现在学习的是第18页，共31页色氨酸（色氨酸（Trp）操纵子）操纵子: 目前，有多种氨基酸操纵子的结构已研究清楚，如色氨酸、苏氨酸目前，有多种氨基酸操纵子的结构已研究清楚，如色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等十余种十余种。我们仅讨论。我们仅讨论Trp操纵操纵子的基因表

19、达调控。子的基因表达调控。 Trp操纵子是合成代谢途径中最具代表性的例子。它控制着操纵子是合成代谢途径中最具代表性的例子。它控制着5个结构基个结构基因（编码因（编码3种酶）的表达，分别为种酶）的表达，分别为trpE，D（邻氨基苯甲酸合成酶）（邻氨基苯甲酸合成酶），C（吲哚甘油硼酸合成酶）吲哚甘油硼酸合成酶），B、A （色氨酸合成酶（色氨酸合成酶 B链和链和A链）链）。当色氨。当色氨酸少或缺乏时，这酸少或缺乏时，这5个邻近的基因才开始转录成个邻近的基因才开始转录成mRNA。 由于由于Trp操纵子是一个合成体系，与糖的分解代谢无关，所以，与操纵子是一个合成体系，与糖的分解代谢无关，所以，与Glu的

20、存在与否没有关系。的存在与否没有关系。现在学习的是第19页，共31页Figure 10.41 The trp operon consists of five contiguous structural genes preceded by a control region that includes a promoter, operator, leader peptide coding region, and attenuator. 1. 结构与功能结构与功能现在学习的是第20页，共31页结构特点：结构特点： （1）阻遏物基因）阻遏物基因trpR 和结构基因和结构基因trpEDCBA 不紧密连锁

21、；不紧密连锁； （2）操纵基因在启动子区域内；）操纵基因在启动子区域内； （3）启动子，操纵基因不直接和结构基因毗邻，而和前导）启动子，操纵基因不直接和结构基因毗邻，而和前导序列直接相连；序列直接相连； （4）有衰减子结构。在合成代谢的操纵子的前导区内，存）有衰减子结构。在合成代谢的操纵子的前导区内，存在着类似终止子结构的一段在着类似终止子结构的一段DNA序列，该序列可以辅助阻遏作序列，该序列可以辅助阻遏作用，进行转录调控，故称为用，进行转录调控，故称为衰减子衰减子（attenuator）。）。现在学习的是第21页，共31页2. 调控方式调控方式trpRmRNAA:B:无活性无活性mRNAsT

22、rptrpRmRNARNA pol现在学习的是第22页，共31页 经测序后发现，在第一个结构基因（经测序后发现，在第一个结构基因（trpE）的）的5-端有一个长端有一个长160bp的前导序列（的前导序列（leader sequence）。当此序列缺失）。当此序列缺失130160bp时，时，mRNA总是最高水平的。而当总是最高水平的。而当trp存在时，存在时，mRNA的表达水平降低。的表达水平降低。因此，此序列称为因此，此序列称为衰减子（衰减子（attenuator）。）。3.3.衰减作用衰减作用现在学习的是第23页，共31页表表. 衰减子控制的氨基酸合成的操纵子中前导肽的氨基酸序列衰减子控制的

23、氨基酸合成的操纵子中前导肽的氨基酸序列操纵子操纵子 前导肽的氨基酸序列前导肽的氨基酸序列色氨酸色氨酸 MetLysAlaIlePheValLysGlyTrpTrpArgThrSer(14肽)苏氨酸苏氨酸 MetLysArgIleSerThrThrIleThrThrThrIleThrIleThrThrGlyAsnGlyAlaGly组氨酸组氨酸 MetThrArgValGlnPheLysHisHisHisHisHisHisHisProAsp异亮氨酸异亮氨酸 MetThrAlaLeuLeuArgValIleSerLeuValValIleSerValValVaLIle缬氨酸缬氨酸GEDA IleIle

24、ProProCysGlyAlaAlaLeuGlyArgGlyLysAla亮氨酸亮氨酸 MetSerHisIleValArgPheThrGlyLeuLeuLeuLeuAsnAlaPheIleVei ArgGlyArgProValGlyGlyIleGlnHis苯丙氨酸苯丙氨酸 MetLysHisIleProPhePhePheAlaPhePhePheThrPhePro异亮氨酸异亮氨酸-缬氨酸缬氨酸B MetThrThrSerMetLeuAsnAlaLysLeuLeuProThrAlaProSerAla AlaValValValValArgValValValVaLValGlyAsnAlaPro现在学习

25、的是第24页，共31页Figure 10.42 An attenuator controls the progression of RNA pol. into the trp genes. RNA pol. initiates at the P and then proceeds to position 90, where it pauses before proceeding to the attenuator at 140. In the absence of Trp, the RNA pol. continues into the trpE genes (starts at +163).

26、 In the presence of Trp, 90% probability of termination to release the 140b leader RNA.现在学习的是第25页，共31页Figure 10.43 The trp leader region can exist in alternative base-paired conformations. The center shows the four regions that can base pair. Region 1 is complementary to region 2, which is complemen

27、tary to region 3, which is complementary to region 4. On the left is the conformation produced when region 1 pairs with region 2, and region 3 pairs with region 4. On the right is the conformation when region 2 pairs with region 3, leaving regions 1 and 4 unpaired. Figure 9.26 Intrinsic terminators

28、include palindromic regions that form hairpins varying in length from 7-20 bp. The stem-loop structure includes a G-C-rich region and is followed by a run of U residues. 现在学习的是第26页，共31页Figure 11.29 The alternatives for RNA polymerase at the attenuator depend on the location of the ribosome, which de

29、termines whether regions 3 and 4 can pair to form the terminator hairpin. 现在学习的是第27页，共31页第第3 3节节 真核基因表达调控的要点真核基因表达调控的要点现在学习的是第28页，共31页真核生物与原核生物基因表达调控的特点比较：真核生物与原核生物基因表达调控的特点比较： 1. 真核生物的基因数目比原核生物的多，而且多数基因组基真核生物的基因数目比原核生物的多，而且多数基因组基因含有内含子以及功能不清的重复序列等；因含有内含子以及功能不清的重复序列等； 原核的染色质是裸露的原核的染色质是裸露的DNA，而真核的染色质

30、则是由，而真核的染色质则是由DNA与组蛋与组蛋白紧密结合形成为核小体；白紧密结合形成为核小体； 在原核细胞中，染色质的结构对基因的表达没有明显的调控作用，在原核细胞中，染色质的结构对基因的表达没有明显的调控作用，而在真核中，这种作用是明显的。而在真核中，这种作用是明显的。 现在学习的是第29页，共31页 2. 在原核基因转录的调控中，既有激活物的调控（在原核基因转录的调控中，既有激活物的调控（正调控正调控），也），也有阻遏物的调控（有阻遏物的调控（负调控负调控），二者同等重要。在真核中虽然也有正调），二者同等重要。在真核中虽然也有正调控成分和负调控成分，但迄今已知的主要是正调控。而且一个真核基

31、控成分和负调控成分，但迄今已知的主要是正调控。而且一个真核基因通常有多个调控序列，必须有多个激活物同时特异地结合上，才能因通常有多个调控序列，必须有多个激活物同时特异地结合上，才能启动基因的转录；启动基因的转录； 3. 原核基因的转录和翻译通常偶联在一起，而真核基因的转录是在细胞原核基因的转录和翻译通常偶联在一起，而真核基因的转录是在细胞核中进行，翻译在胞质中进行；核中进行，翻译在胞质中进行； 4. 生成的初级转录物需在核中进行转录后的加工和运输，所以生成的初级转录物需在核中进行转录后的加工和运输，所以，真核基因的表达有多种转录后的调控机制；，真核基因的表达有多种转录后的调控机制； 现在学习的是第30页，共31页感谢大家观看感谢大家观看现在学习的是第31页，共31页