基因表达调控原核精简版.ppt

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1、关于基因的表达调控原核精简版第一张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月第一节第一节 基因表达调控概述基因表达调控概述1.1 基因表达调控的概念1.2 基因表达调控的元件和作用方式1.3 基因表达调控的策略概述第二张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月1.1 基因表达调控的概念基因表达调控的概念基因表达(gene expression)是指基因通过转录转录和翻译翻译而产生其蛋蛋白质产物白质产物，或转录后直接产生其RNA产物产物(如tRNA，rRNA等)的过程。第三张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月真核细胞基因表达第四张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月基因表

2、达调控的必要性基因表达调控的必要性细菌基因组一般编码约4,000个基因，人的基因组中含有30,000多个基因。设想一下如果这么多的基因同时表达会出现什么样的情况?第五张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月细菌中蛋白质合成的延伸因延伸因子子是细菌中最丰富的蛋白血红蛋白只在红细胞中存在DNA修复系统的酶需要量很少有些基因(如决定细胞性质的基因)只在某一些或几个细胞中表达第六张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月发育调节基因bithorax表达模式的改变结果果蝇发育中基因的正常表达改变的结果果蝇发育中基因的正常表达改变的结果第七张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月Hutch

3、inson-Gilford syndrome第八张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月第九张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月第十张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月agWild type第十一张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月1.2 基因表达调控的元件和作用方式基因表达调控的元件和作用方式持家基因持家基因，看家基因看家基因，组成型表达组成型表达基因，常备基因，常备基因。基因。理论上在所有的细胞中都能进行正常表达，并为所有类型细胞的生命活动提供基本功能的基因，其产物在不同细胞中的浓度大体保持一致，不易受环境条件的影响。有其机密的调控机制以保持基因的表达水

4、平保持在恒定状态。第十二张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月奢侈基因(luxury gene)又叫可调节基因，是在特殊的细胞类型中为特化功能蛋白质编码的基因，其表达和调控机制都受到环境条件的影响。第十三张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月奢侈基因(luxury gene)在不同时期和不同条件下基因表达的开启或关闭以及基因活性的增加或减弱等，是受到调节控制的，这种控制被称为基因表达基因表达的调控的调控。第十四张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月基因的阻遏基因的阻遏-与诱导相反，某种信号使得基因的表达水平降低(或叫下降、下调)，基因的产物减少。这个过程叫做“阻遏阻遏”

5、(repression)。基因的诱导基因的诱导指某种信号使得基因的表达水平提高(或叫上升、上调)，基因的产物增多。这个过程叫做“诱诱导导(induction)。第十五张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月结构基因结构基因(structural gene)指编码蛋白质或RNA的任何基因。它们编码功能各异的蛋白质和RNA，作为酶、细胞骨架结构以及调节蛋白等。第十六张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月调节基因(regulator gene)是参与其他基因表达调控的基因，编码的产物是RNA或蛋白质。第十七张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月调节基因的产物(RNA或蛋白)通过

6、与特定的特定的DNA序列结合序列结合来调节其他基因的表达。可以使基因的表达上升上升(正调控，positive regulation)或下降(负调控，negative regulation)。第十八张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月激活蛋白激活蛋白(activator)，或叫做激活子，是由调节基因编码的调节蛋白，可以开启结构基因的转录。转录因子转录因子就是属于激活蛋激活蛋白。白。第十九张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)，由调节基因编码的调节蛋白，由本身或与辅阻遏物一起阻遏结构基因的转录。第二十张，PPT共一百二十九页，创作于2022年

7、6月激活蛋白与阻遏蛋白对结构基因转录激活蛋白与阻遏蛋白对结构基因转录的调控的调控第二十一张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月调节基因转录的蛋白结合的DNA序列种类很多，如启动子启动子、终止子终止子、增强子增强子、衰减子衰减子、沉默子沉默子和各种应答元件应答元件等。第二十二张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月正调控系统在一个基因转录调控的体系中，调节基因编码的调节蛋白是激调节蛋白是激活蛋白活蛋白，这样的基因表达调节体系叫正调控系统正调控系统。第二十三张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月在正调控系统中，基因开启转录的必要条件是要有调节蛋白的存在，否则基因就无法转录。如

8、真核基因转录时，仅有RNA聚合酶是不够的，还必须有转录因子等调节蛋白存在。第二十四张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月负调控系统在基因转录的调控中，调节基因编码的调节蛋白是阻遏蛋白，本身或与辅阻遏物一起阻止结构基因的转录，这样调节系统叫负调节系统负调节系统。但当有诱导物与阻遏蛋白结合后，阻遏蛋白就会失去活性使结构基因得以转录。第二十五张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月在负调节系统中，基因一般是不转录的，因为转录被阻遏蛋白抑制。基因开启转录的必要条件是除去阻基因开启转录的必要条件是除去阻遏蛋白遏蛋白。第二十六张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月1.3 基因表达调控

9、的策略概述基因表达调控的策略概述原核生物原核生物的基因表达主要取决于环境因素的诱导及细胞对环境条件的适应。原核生物是单细胞生物，直接生活在复杂多变的环境中，食物供应毫无保障。第二十七张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月为了维持自身的生存和繁衍，必须不断地通过对自身基因的表达调节以适应环境中的营养条件和应付各种不利的理化因素。第二十八张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月真核生物真核生物的基因表达则十分复杂，其调控系统也更为完善。真核生物的代谢途径和食物来源都是比较稳定的，但它们的绝大多数都是多细胞的复杂有机体。第二十九张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月真核生物真核

10、生物在个体发育过程中出现细胞分化，形成组织和器官。真核生物中基因表达调控的明显明显特征是特征是能在特定时间和特定细胞中激活特定基因的表达，实现分化和发育，并使组织和器官保持正常功能。第三十张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月尽管许多主要的基因调控方式是原核生物和真核生物共同具有的，但它们在调控策略上有明显的不同，在调控方式上也存在区别。第三十一张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月原核生物的基因表达调控可以在DNA、转录和翻译、转录和翻译三个不同的层次上进行，但转录水平上的调控转录水平上的调控是最主要的是最主要的，尤其是转录起始的调控，这是最经济最有效的调节方式。原核生物的基

11、因表达调控的主要策略第三十二张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月操纵子是原核生物转录调控的主要形式原核生物的基因一般成簇排列构成一个操纵子，一个操纵子中的每个基因都受单一启动子的调控。第三十三张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月第三十四张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月1937年，Monod发现细菌二次生长曲线1951年开始与Jacob合作研究1961年在法国的分子生物学发表蛋白质合成过程中的调节机制，提出操纵子学说。1965年 获得诺贝尔奖第三十五张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月原核细胞的DNA没有核膜包裹，因此转录和翻译是耦联转录和翻译是耦联的

12、。这是原核生物中衰减子负调控衰减子负调控的基础。很多调节氨基酸或核苷酸合成代谢的操纵子存在衰减子结构。第三十六张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月原核生物中转录水平的调控形式除了操纵子以外，还有其他其他形式形式，例如通过DNA重排重排、sigma因子的更换因子的更换和分解代谢分解代谢的阻遏来的阻遏来调节转录的起始，通过衰减子衰减子调控转录的终止等。第三十七张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月在翻译水平上的调控包括通过重叠基因、mRNA二级结构和反义RNA对翻译起始的调控，通过稀有密码子对翻译延伸的调控，通过严紧反应和mRNA的稳定性对翻译终止的调控等。第三十八张，PPT共一

13、百二十九页，创作于2022年6月真核生物的基因表达调控的主要策略真核生物的基因表达和调控要比原核生物复杂得多，产生差异的根本原因在于真核细胞的结构真核细胞的结构特征特征。第三十九张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月真核细胞的基因表达调控有更多的调控位点第四十张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月第二节第二节 原核细胞的基因表达调控原核细胞的基因表达调控原核生物基因表达调控的几个重要特点原核生物基因表达调控的几个重要特点 多组成操纵子操纵子进行调控 以负调控负调控为主 基因表达调控主要发生在转录转录水平第四十一张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月本节主要内容2.1 操

14、纵子2.2 基因表达的时序调节 2.3 生长速度的调节 2.4 细菌的SOS反应2.5 翻译水平的调控第四十二张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月2.1 操纵子（操纵子（operon）操纵子操纵子是原核生物基因转录调控的主要形式，是原核生物细胞DNA上的一段区域，由若干功能相关的结构结构基因基因和控制这些基因表达的元件组成的一个完整的连续的功能单位。第四十三张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月操纵子操纵子的活性受到的活性受到调节基因调节基因的控制，调解的控制，调解基因的产物通过与操纵子上的基因的产物通过与操纵子上的DNA序列相序列相互作用互作用而调节结构基因的表达。而调节结

15、构基因的表达。第四十四张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月调节基因的产物是阻遏蛋白或激活蛋白调节基因的产物是阻遏蛋白或激活蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白一般与操纵基因操纵基因结合，阻碍RNA聚合酶与启动子的结合，从而关闭结构基因的表达。激活蛋白激活蛋白一般与启动子上游启动子上游处的DNA序列结合，促进RNA聚合酶对结构基因的转录，第四十五张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月乳糖操纵子（乳糖操纵子（lactose operon）调节基因调节基因LacI，有自己的启动子和终止子。编码阻遏蛋白乳糖操纵子的组成乳糖操纵子的组成操纵基因操纵基因LacO，28bp的DNA序列，不编码任何产物，可

16、以与阻遏蛋白结合，调节结构基因的转录3个结构基个结构基因因ZYA第四十六张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月阻遏蛋白与操纵基因的结合阻遏蛋白与操纵基因的结合第四十七张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月细菌的二次生长曲线细菌的二次生长曲线当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，首先利用葡萄糖，待葡萄糖消耗完之后才开始利用乳糖。结果在葡萄糖消耗完之后细菌的生长有个暂时的停顿。乳糖操纵子的发现是从研究细菌的二次生长曲线开始的乳糖操纵子的发现是从研究细菌的二次生长曲线开始的后来发现，细菌利用葡萄糖的酶是组成型表达的，而利用乳糖的酶是诱导型的。第四十八张，PPT共一百二十九页，创作

17、于2022年6月细菌分解乳糖的酶是如何被诱导表达的呢细菌分解乳糖的酶是如何被诱导表达的呢没有乳糖时没有乳糖时第四十九张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月细菌分解乳糖的酶是如何被诱导表达的呢？细菌分解乳糖的酶是如何被诱导表达的呢？没有乳糖时没有乳糖时有乳糖时有乳糖时*Animation第五十张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月开启结构基因的表达，是一个诱导物诱导物，但是真正直接直接起诱导作用的是异乳异乳糖糖(allolactose)。诱导物（诱导物（inducer）在乳糖操纵子中，乳糖可以与阻遏蛋白结合使之失活，第五十一张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月异乳糖异乳

18、糖的来源：是细菌细胞内的细胞内的-半乳糖半乳糖苷酶苷酶催化乳糖乳糖形成的产物之一，另一种产物是半乳糖和葡萄糖。第五十二张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月问题：问题：乳糖操纵子的酶是诱导乳糖操纵子的酶是诱导酶，基因的表达要受到乳糖的诱酶，基因的表达要受到乳糖的诱导才能开始；导才能开始；那么，这一切该如何解释呢？那么，这一切该如何解释呢？可是乳糖在细胞外，操纵子在细胞可是乳糖在细胞外，操纵子在细胞内，乳糖要进入细胞内才能开始诱内，乳糖要进入细胞内才能开始诱导；导；而乳糖进入细胞内需要而乳糖进入细胞内需要-半乳糖苷透性半乳糖苷透性酶酶的作用，但是的作用，但是-半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶

19、却却是乳糖操纵子的结构基因，没有乳糖是乳糖操纵子的结构基因，没有乳糖是不能表达的。是不能表达的。第五十三张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月当培养基中没有乳糖时，Lac 操纵子也是在表达的，只是水平比较低，其中的-半乳糖苷半乳糖苷每个细胞每个细胞不多于5个分子。此谓“本底表达本底表达”（为诱导水平的1/1000）。这表明，阻遏蛋白对操纵子的阻遏是不完全的，有“渗漏”。乳糖操纵子的本底表达乳糖操纵子的本底表达第五十四张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月本底表达的少数结构基因产物的分子在细胞内起着“监测”的作用，当细菌遇到诱导物乳糖时，即刻将其运输到细胞内，在2-3分钟内细胞内

20、的-半乳糖苷酶就可以达到5000分子/细胞，浓度可以达到细胞内蛋白的5-10%，以便细菌迅速利用乳糖。第五十五张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月但是lac mRNA 极不稳定，半衰期仅有约3分钟，所以这种诱导能很快逆转。只要诱导物乳糖消失，基因转录就停止。mRNA 在很短的时间内被降解，mRNA含量又回落到诱导前的基础水平。第五十六张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月基因工程中，利用乳糖操纵子来表达外源基因时，一般不是使用乳糖来诱导基因的表达，而是利用一种合成的小分子叫IPTG，不被-半半乳糖苷酶乳糖苷酶水解，其浓度保持不变，可以促使外源基因一直表达。第五十七张，PPT共

21、一百二十九页，创作于2022年6月如何解释如何解释 葡萄糖效应葡萄糖效应(降解物阻遏降解物阻遏)当细菌的培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌首先利用葡萄糖，待葡萄糖消耗完毕后才开始利用乳糖。这种现象以前叫“葡萄糖效应葡萄糖效应”，现称“降解物阻遏降解物阻遏（catabolite repression）”。如何解释这种现象呢？如何解释这种现象呢？第五十八张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月如何解释如何解释“葡萄糖效应（降解物阻遏）葡萄糖效应（降解物阻遏）”？Lac的启动子比较弱，即使操纵子的阻遏蛋白被去除，Lac操纵子的结构基因也不能进行强烈的表达。结构基因的强烈表达除了要求阻遏蛋白被解除

22、外，还要求有一个促进基因转录的调节蛋白CRP。CRP结合在启动子的上游，可以使基因的转录增强50倍。第五十九张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月CRP是cAMP receptor protein的缩写，又叫做CAP（catabolite gene activator protein）,代谢物基因激活蛋白代谢物基因激活蛋白。CRP的活性由cAMP调节。当CRP结合了cAMP 之后具有活性，结合在操纵子的启动子上游附近，对下游结构基因的转录有增强作用。第六十张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月CRP(CAP)的二聚体与的二聚体与DNA的相互作用的相互作用弯曲的弯曲的DNA与与R

23、NA聚合酶聚合酶作用部位作用部位cAMP结合部位第六十一张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月CRP(CAP)的二聚体与的二聚体与DNA的相互作用的相互作用第六十二张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月当细胞利用葡萄糖时，分解产物抑制酰苷酰苷酸环化酶酸环化酶的活性并活化磷酸二酯酶磷酸二酯酶，细胞内的cAMP水平下降，CRP没有活性，Lac操纵子不能启动转录，当葡萄糖水平下降，细菌利用乳糖时，cAMP水平提高，CRP有活性，引起操纵子结构基因的转录。第六十三张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月CRP(CAP)对对Lac操纵子的作用操纵子的作用第六十四张，PPT共一百二十

24、九页，创作于2022年6月结论：乳糖操纵子是一个双因子调节系统结论：乳糖操纵子是一个双因子调节系统乳糖操纵子的表达需要2个调节蛋白的共同参与，一个是正调节蛋白CRP（CAP），一个是负调节蛋白（阻遏蛋白）。当阻遏蛋白解除后当阻遏蛋白解除后,没有没有CRP,基因也几乎不转录当只有当只有CRP而阻遏蛋白没有解除时而阻遏蛋白没有解除时,基因不转录只有当阻遏解除且只有当阻遏解除且CRP存在时存在时，基因才开始转录第六十五张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月遗传和生化实验已证实乳糖操纵子的正确遗传和生化实验已证实乳糖操纵子的正确如操纵基因突变，导致阻遏蛋白无法与之结合，操纵子处于无阻遏状态，成

25、“组成型表达组成型表达”阻遏蛋白基因LacI突变，导致阻遏蛋白失活或缺乏，操纵子的结构基因转录也处于组成型表达状态组成型表达状态。第六十六张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月还有一种突变，使得阻遏蛋白结构变化，失去与诱导物乳糖的结合位点，结果使操纵子处于“不可不可诱导状态诱导状态”。第六十七张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月受一种调节蛋白控制的几个操纵子构成的调节系统叫做调节子。调节子调节子(regulon)调节子是一种大范围内的基因表达控制调节手段。第六十八张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月受到降解物阻遏降解物阻遏 调节的的酶类除了代谢乳糖的酶类外，还有分解

26、半乳糖、阿拉伯糖、麦芽糖等的酶，这些操纵子都受到CRP的调节，属于一个“调节子”。这样保证在细胞遇到葡萄糖时，所有分解其他糖的酶都不表达，以免造成浪费。第六十九张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月另外，细菌遇到危机情况下有许多基因表达，以便渡过危机时刻。这些基因属于SOS调节子调节子，由基因LexA编码的阻遏蛋白控制。第七十张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（Trp operon）组成和结构：全长约7 kb 调节基因 trpR：与结构基因相距较远，编码阻遏蛋白 操纵基因：位于结构基因的启动子内部，长21 bp 前导序列（leader sequen

27、ce），162 bp，位于结构基因启动子之后 与结构基因之间，对结构基因的转录起调节作用。结构基因：5个，负责编码色氨酸合成途径中的3个酶。第七十一张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月Trp操纵子结构基因的转录调控操纵子结构基因的转录调控这里，操纵子结构基因的转录控制是由阻遏蛋白完成，但阻遏蛋白的活性是由色氨酸来激活的，我们把这里的色氨酸称为是一个“辅阻遏物辅阻遏物（co-repressor）”当细菌内含有足够多的色氨酸后，2个分子的色氨酸与2分子的阻遏蛋白结合，激活阻遏蛋白，阻遏蛋白与操纵基因序列结合，阻止转录。当细胞内的色氨酸缺乏时，阻遏蛋白没有活性，结构基因开始转录，细菌开始合

28、成色氨酸。第七十二张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月似乎这个色氨酸操纵子的控制就是这么简单，但是其实不是。第七十三张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月a 当阻遏蛋白没有活性当阻遏蛋白没有活性,结构基因开始转录时结构基因开始转录时,大部分大部分常常只能转录出大约常常只能转录出大约140bp的的mRNA就停止了就停止了后来的实验发现后来的实验发现b 把位于操纵基因后面和结构基因前面的把位于操纵基因后面和结构基因前面的162bp序列序列中的中的130-162碱基删除后，碱基删除后，trp操纵子的转录水平操纵子的转录水平处于无阻遏的最高水平。处于无阻遏的最高水平。这说明色氨酸这说

29、明色氨酸 操纵子的结构基因转录还受到操纵子的结构基因转录还受到其他其他因素因素的调控。的调控。第七十四张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月Trp 操纵子的衰减调控机制操纵子的衰减调控机制前导序列（前导序列（leader sequence）分为）分为4个部分（个部分（1-4）：）：1 为前为前导区，编码一个导区，编码一个14 肽，其中有肽，其中有2个连续的个连续的trp，前导序列中，前导序列中 2 和和3 互补，互补，3 和和4 互补，通过互补，可以形成类似终止序列互补，通过互补，可以形成类似终止序列的结构。的结构。第七十五张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月典型的转录终止信

30、号结构典型的转录终止信号结构第七十六张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月细胞内色氨酸含量细胞内色氨酸含量高高导致结构基因转录导致结构基因转录终止终止第七十七张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月细胞内色氨酸含量细胞内色氨酸含量低低导致结构基因转录导致结构基因转录开始开始Animation*第七十八张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月需要注意的几个问题需要注意的几个问题1、前导肽的翻译只有调节后面基因转录的功能,翻译出来的肽没有其他生理功能!2、对结构基因转录的控制实际上是通过核糖体在mRNA上停留的位置来实现的。第七十九张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月

31、4、真核细胞中没有这种衰减调节机制，为什么？3、阻遏蛋白的调节类似于开关式(on/off)的调节（粗调）;而衰减调节是一种音量开关式的调节（细调），可以使结构基因转录的频率在0700倍的范围内调节，具体大小与细胞内色氨酸含量的高低以及与之偶联的翻译过程有关。第八十张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月细菌内许多氨基酸合成的操纵子的调控都是通过衰减子来完成的。Phe合成的操纵子中有个15肽,含有7 个phe。Leu操纵子导肽中含有4个连续的leu。His操纵子含有7个连续his,在his操纵子中,只有衰减调控这一种途径,无阻遏蛋白。例如例如 第八十一张，PPT共一百二十九页，创作于202

32、2年6月操纵子系统在基因工程中的应用操纵子系统在基因工程中的应用由于乳糖操纵子中的结构基因的表达可以通过诱导物对其调控。所以乳糖操纵子的结构被用在基因工程中。将结构基因换成外源目的基因，通过往培养基中添加诱导物，外源基因就可以得到表达。第八十二张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月1983年，科学家将细菌乳糖操纵子的启乳糖操纵子的启动子的动子的-10区区和色氨酸操纵子启动子的色氨酸操纵子启动子的-35区区组合起来形成一个“杂合”的启动子，叫做“tac”，这个杂合的启动子杂合的启动子启动基因转录的效率比乳糖启动子高10倍，比色氨酸启动子的效率高5倍。同样受IPTG诱导，被乳糖抑制子所阻遏

33、。操纵子系统在基因工程中的应用操纵子系统在基因工程中的应用第八十三张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月科学家们发现大肠杆菌的乳糖操纵子一个突变体UV5，不需要激活蛋白CRP，只需要添加诱导物乳糖，结构基因就可以高效大量表达。操纵子系统在基因工程中的应用操纵子系统在基因工程中的应用第八十四张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月比较乳糖操纵子和色氨酸操纵子的相同和不同之处。(他们控制基因转录的方式策略上有什么不同？阻遏蛋白的作用特点有什么不同？)思考题思考题第八十五张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月Structure of E coli RNA polymerase2

34、.2、基因表达的时序调节、基因表达的时序调节 第八十六张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月回忆：回忆：细菌RNA聚合酶中因子的作用是什么?E.coli细胞中主要的因子称为70，但E.coli中还有另外一些因子能够识别其顺序与E.coli的主要启动子不同的另一些基因的启动子，并促使核心酶起始转录其他的基因，使得其他的基因得以表达。第八十七张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月因子基因功用-35顺序间隔距离-10顺序70rpoD正常状态TTGACA10-18bpTATAAT32rpoH热休克CNCTTGAA13-15bpCCCCATNT ErpoE热休克未知未知 未知60rpoN

35、氮的利用CTGGNA6bpTTCGAFfliA鞭毛 CTAAA 15bpGCCGATAAE.coli的不同的不同因子因子第八十八张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月E.coli的不同的不同因子因子第八十九张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月枯草杆菌的枯草杆菌的因子因子因子因子来源和用途来源和用途-35-35顺序顺序-10-10顺序顺序43营养生长期TTGACATATAAT37芽孢形成期应用AGGNTTTGGNATTGNT32芽孢形成期应用AAATCTANTGTTNTA29芽孢形成期合成TTNAAACATATT28不应用于芽孢形成期CTNAAACCGATATgp28SP01中

36、期基因表达AGGAGATTTNTTTgp33-34SP01晚期基因表达CGTTAGAGATATT第九十张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月噬菌体也使用不同的噬菌体也使用不同的因子来调节基因的表达因子来调节基因的表达噬菌体侵入细菌后，首先利用自己携带的28 取代细菌的因子，合成噬菌体的早期基因；其中就含有另外的一个因子，用来开启中期基因的转录。第九十一张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月表达的中期基因中含有一个开启晚期基因表达的因子，同时负责开启中期基因表达的因子则被降解。通过这种方式，使得噬菌体的各种基因严格按照一定的时间顺序表达出来，执行生理功能，完成噬菌体的一生。第九十

37、二张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月在以上这些例子中，生物各发育阶段的不同基因的表达启动是由不同的调调节蛋白节蛋白作用于启动子和终止子来调节的早期表达的基因中含有开启后期基因表达的调节蛋白，后期基因的表达又同时关闭早期基因的表达，从而实现基因的“顺序表达顺序表达”。第九十三张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月2.3 生长速度的调节生长速度的调节 细菌在不同的生长条件下的生长速度是不同的，大肠杆菌的倍增时间可以从500分钟到15分钟不等。不同的生长速度生长速度是通过调节蛋白质分子的合成速度来实现的。而蛋白质的合成速度决定于细胞中核糖体核糖体的数量的数量。第九十四张，PPT共

38、一百二十九页，创作于2022年6月不同生长速度下大肠杆菌中的某些特征不同生长速度下大肠杆菌中的某些特征倍增时间/minDNA分子数/细胞核糖体数/细胞254.515 500502.46 8001001.74 2003001.41 450第九十五张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月组成核糖体的蛋白质基因以及与合成这些蛋白质相关的基因，DNA引物合成酶基因、RNA聚合酶亚基基因等组成20多个操纵子，他们协调表达，使复制、转录和翻译过程紧密协调，适应细胞生长速度的需要。第九十六张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月(1)通过自体调控，控制组成核糖体的蛋白质的通过自体调控，控制组成核

39、糖体的蛋白质的量，从而适应细胞的生长速度。量，从而适应细胞的生长速度。组成核糖体的蛋白质一般总与相应的rRNA结合。当蛋白质过剩时，它会与自身的mRNA结合，抑制其活性，降低产量，以便与rRNA的量保持一致。这样，细胞通过控制rRNA的水平来调节生长速度。第九十七张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月(2)严谨控制（严谨控制（stringent control）当细菌处于营养缺乏的环境中时，蛋白质合成的原料氨基酸缺乏，这时细胞会关闭大部分的代谢活动，借以渡过艰难时期，等待环境营养条件的改善。这种现象叫做“严谨控制严谨控制”。第九十八张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月严谨控制

40、的结果严谨控制的结果是tRNA和rRNA的合成下降很多（降低1020倍），但mRNA合成的降低程度较小（约3倍），大大降低细胞的生长速度。第九十九张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月引起严谨控制的因素引起严谨控制的因素当氨基酸缺乏或氨酰基-tRNA合成酶失活，都会引起严谨控制生长代谢的反应。这时细胞内出现2种不常见的核苷酸：鸟苷四鸟苷四磷酸磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸鸟苷五磷酸（pppGpp），电泳可以检测出来，称为“魔斑”（magic spots）。又叫“报警素”。第一百张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月鸟苷四磷酸鸟苷四磷酸（ppGpp）第一百零一张，PPT共一百二十

41、九页，创作于2022年6月合成这种分子的基因被是relA,产物蛋白质叫做“严谨控制因子严谨控制因子”(stringent factor,SF)，细胞内位于核糖体上。在蛋白质合成过程中，空载的空载的tRNA进入进入核糖体的核糖体的A位点位点会激活SF的活性，SF将ATP上的焦磷酸基团转移给GDP形成ppGpp,或转移给GTP形成pppGpp。第一百零二张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月严谨控制因子SF位于核糖体上，空载的tRNA进入核糖体的A位会激活SF的活性。第一百零三张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月报警素报警素ppGpp在细胞内的功能在细胞内的功能报警素是细胞内的第

42、二信使第二信使，是细胞内氨氨基酸饥饿基酸饥饿的信号。最主要的作用最主要的作用是与RNA聚合酶结合，降低rRNA的合成，放慢生长速度。第一百零四张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月细胞内还有一种蛋白质分子叫做SpoT蛋白，可催化ppGpp的降解。细胞氨基酸饥饿时，SpoT活性被抑制；促进ppGpp的积累；条件恢复正常后，SpoT迅速降解ppGpp，细胞的“氨基酸饥饿警报”解除，细胞恢复正常状态。第一百零五张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月报警素报警素和cAMP相同，在细胞内属于一种多效的基因表达的超级调控因子超级调控因子。他们影响调控的基因数目是非常多的，不是一个几个而是一

43、大批，且从不同的水平上进行调控。第一百零六张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月2.4、细菌的、细菌的SOS反应反应当细菌染色体受到较多的损伤而复制受阻,或核酸合成时缺乏核苷酸等时会引发细胞的一系列反应，叫做SOS反应反应。第一百零七张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月这些反应包括DNA修复能力增强，诱变修复能力增强，诱变率提高、细胞分裂停止等率提高、细胞分裂停止等。这时细菌会协调体内的许多基因活性来应付危机,从而渡过难关。这些众多基因分布在不同的位置，但属于同一个调节子调节子。因为它们的激活转录受到调节蛋白RecA和和LexA的共同调节。第一百零八张，PPT共一百二十九页，

44、创作于2022年6月细胞中正常状态下参与细胞中正常状态下参与SOS反应的基因是不反应的基因是不表达的，他们被阻遏蛋白表达的，他们被阻遏蛋白LexA所阻遏所阻遏第一百零九张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月SOS反应的引发需要将阻遏蛋白反应的引发需要将阻遏蛋白LexA除去除去在单链DNA和ATP存在情况下，RecA蛋白被激活而促进阻遏蛋白LexA的自身裂解，从而解除抑制，一系列原来被抑制的基因表达。recA受到LexA的不完全抑制，细胞内有少量的RecA分子。当DNA受到损伤出现的单链DNA分子时就可以与之结合。第一百一十张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月这些基因包括这些基

45、因包括紫外线损伤修复基因、单链结合蛋白基因、DNA聚合酶V和VI基因等，这些基因的表达使得细菌对损伤的DNA进行修复（虽然错误率较高）、减少代谢、抑制细胞分裂而渡过艰难时候。SOS反应属于细菌大范围基因调节控制的例子。第一百一十一张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月5 翻译水平的调控翻译水平的调控基因转录形成mRNA后并不一定会翻译形成相应的蛋白质，基因的表达也可以在翻译的水平上受到调节。如如同一操纵子中的几个基因虽然是共同转录的，mRNA水平一致，但他们的产物的量是不同的，这就是依靠翻译水平进行调节的。如乳糖操纵子中3个基因ZYA的表达水平为1：0.2：0.5。第一百一十二张，PP

46、T共一百二十九页，创作于2022年6月目前已知的翻译水平上的调节有几个方面：不同mRNA翻译能力的差异、翻译阻遏的作用、反义RNA的作用等。第一百一十三张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月a）基因起始密码子前面的）基因起始密码子前面的SD序列不同，序列不同，mRNA与核糖体的结合程度不同，导致mRNA的翻译起始频率不同，最后的蛋白质的水平就不同。5.1 不同的不同的mRNA的翻译能力不同的翻译能力不同第一百一十四张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月SD序列在翻译过程中起重要作用，不同基因的SD序列虽然保守，但是不同基因的SD序列有所不同。第一百一十五张，PPT共一百二十九页

47、，创作于2022年6月b)常见密码子常见密码子与稀有密码子稀有密码子 含有稀有密码子的基因的翻译速度要比不含有稀有密码子的基因要慢，因为识别稀有密码子的tRNA较少。结果就是含有稀有密码子较多的基因的产物量较少。第一百一十六张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月c)mRNA的稳定性对翻译也有调节作用的稳定性对翻译也有调节作用不同基因mRNA的半衰期不同，对该mRNA的产物蛋白的量起到调节作用。mRNA的半衰期与其结构等有关，一些mRNA具有特殊的二级结构会阻止RNA酶的降解，延长其寿命。第一百一十七张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月但是细胞内决定mRNA寿命的因素很多，因此

48、这里有着复杂的调控机制。第一百一十八张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月细菌核糖体中52种蛋白的基因分别通过至少20个操纵子来进行转录，rRNA基因由7个操纵子来转录，每一种蛋白和RNA都是相互对应，蛋白质翻译出来之后应该与相应的rRNA结合，两者之间保持一定的平衡。5.2 翻译阻遏翻译阻遏第一百一十九张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月当蛋白产生过多时，蛋白就会与自己的mRNA结合而抑制蛋白的翻译，这叫做“自体调控自体调控”，借以维持蛋白和rRNA之间的平衡关系。第一百二十张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月核糖体蛋白基因的核糖体蛋白基因的转录要受到自身产转录要

49、受到自身产物的调控物的调控第一百二十一张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月mRNA的二级结构（发卡结构等）加上阻遏蛋白等的作用使得多顺反子在翻译过程中，只有前一个顺反子翻译后才能使后一个顺反子得到翻译。这样使得基因能够按一定的次序表达，不会发生时序上的混乱。5.3 mRNA的二级结构对翻译的调控作用的二级结构对翻译的调控作用第一百二十二张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月单链噬菌体进入细菌后号合成多钟蛋白，包括外壳蛋白、RNA聚合酶等。噬菌体R17只有4个基因，但是合成出的蛋白中，外壳蛋白的数量远远多于RNA聚合酶的数量。其中控制的关键就在于利用mRNA的二级结构，掩盖了某

50、些基因中与核糖体的结合位点，导致某些mRNA不被翻译。第一百二十三张，PPT共一百二十九页，创作于2022年6月1983年Mizuno等发现反义反义RNA的调节作用，从而揭示了一种新的基因表达调节机制。反义RNA可以通过互补序列通过互补序列与特定的mRNA相结合，结合位置包括mRNA结合核糖体的序列(SD序列)和起始密码子AUG，从而抑制mRNA的翻译。因此，他们称这类RNA为干扰mRNA的互补RNA(mRNA interfering complementary RNA，micRNA)。5.4 反义反义RNA对翻译的调节作用对翻译的调节作用第一百二十四张，PPT共一百二十九页，创作于2022年