分子遗传学第六章讲稿.ppt

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1、分子遗传学第六章第一页，讲稿共三十八页哦第一节第一节 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控第二页，讲稿共三十八页哦1.1.基因表达基因表达基因表达基因表达(gene expression)(gene expression)：指基因转录、翻译，产生具有特异生：指基因转录、翻译，产生具有特异生：指基因转录、翻译，产生具有特异生：指基因转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。物学功能的蛋白质分子的过程。物学功能的蛋白质分子的过程。物学功能的蛋白质分子的过程。基因表达表现为严格的规律性：即时间、空间特异性。基因表达表现为严格的规律性：即时间、空间特异性。一、基因表达一、基因表达第三页

2、，讲稿共三十八页哦水稻基因时空动态水稻基因时空动态人基因组时空动态人基因组时空动态第四页，讲稿共三十八页哦2.基因的可调控性基因的可调控性组成型基因(constitutive genes)调控型基因(regulated genes)第五页，讲稿共三十八页哦组成型基因组成型基因:又称又称管家基因管家基因(housekeeping genes),是维持细胞生存是维持细胞生存必需的一类基因必需的一类基因,在各类细胞中都处于活性状态。在各类细胞中都处于活性状态。调控型基因调控型基因:又称又称奢侈基因奢侈基因(luxury genes),在不同组织细胞中选在不同组织细胞中选择表达的基因。择表达的基因。根

3、据细胞生长、发育的需要或环境因素的改变，其活性受到调控。根据细胞生长、发育的需要或环境因素的改变，其活性受到调控。第六页，讲稿共三十八页哦二、原核生物基因表达特点二、原核生物基因表达特点1、原核生物中、原核生物中mRNA的转录、翻译和降解偶联进行的转录、翻译和降解偶联进行（基因表达调控层次简单）（基因表达调控层次简单）第七页，讲稿共三十八页哦操操纵纵子子(operon)是是由由结结构构基基因因及及其其上上游游调调控控序序列列组组成成的的转转录单元，结构基因转录受调控序列控制。录单元，结构基因转录受调控序列控制。调调控控序序列列包包括括远远端端的的阻阻遏遏蛋蛋白白(repressor)基基因因I

4、，近近端端的的启启动子动子(promoter,P)和操纵序列和操纵序列(operator,O)。2、操纵子是原核生物的基因转录单元、操纵子是原核生物的基因转录单元结构基因结构基因 启动子启动子 操纵序列操纵序列阻遏蛋白基因阻遏蛋白基因(promoter)(operator)(repressor)第八页，讲稿共三十八页哦启动子是启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位聚合酶识别和结合的部位RNA转录起始转录起始-35区区-10区区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6A

5、AAAAtrp tRNATyrlacrecAAra BAD TTGACA TATAAT共有序列共有序列第九页，讲稿共三十八页哦 操纵序列是阻遏蛋白的结合位点操纵序列是阻遏蛋白的结合位点当当操操纵纵序序列列结结合合有有阻阻遏遏蛋蛋白白时时，会会阻阻碍碍RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，或或是是RNA聚聚合合酶酶不不能能沿沿DNA向前移动向前移动，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白第十页，讲稿共三十八页哦三、原核生物基因表达的转录水平调控三、原核生物基因表达的转录水平调控-乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型第十一页，讲稿共三十八

6、页哦ZYAOP结构基因结构基因半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷半乳糖苷透性酶透性酶半乳糖苷半乳糖苷乙酰转移酶乙酰转移酶阻遏阻遏蛋白蛋白催化催化-半乳糖苷半乳糖苷水解水解将将-半乳糖苷半乳糖苷转入转入细胞细胞启动子启动子(lac P)操纵基因操纵基因（lac O）（一（一）乳糖操纵子的结构和功能乳糖操纵子的结构和功能将乙酰将乙酰CoA的乙酰的乙酰基转移到基转移到-半乳糖半乳糖苷上苷上 调控区调控区Lac IP调控基因调控基因CAP结合位点结合位点Catabolite gene activation protein分解代谢物基因活化蛋白分解代谢物基因活化蛋白第十二页，讲稿共三十八页哦第十三页，讲稿共三

7、十八页哦ZYAOP结构基因结构基因操纵基因操纵基因（lac O）Lac IP调控基因调控基因阻遏阻遏蛋白蛋白RNA pol（二（二）lac操纵子的负调控操纵子的负调控可诱导的负调控可诱导的负调控阻遏蛋白阻遏蛋白存在时，存在时，Lac操纵子的基因关闭。操纵子的基因关闭。正常葡萄糖碳源第十四页，讲稿共三十八页哦ZYAOP结构基因结构基因操纵基因操纵基因（lac O）Lac IP调控基因调控基因阻遏阻遏蛋白蛋白诱导物诱导物诱导物诱导物-阻遏阻遏蛋白复合物蛋白复合物 诱导物诱导物(如乳糖、如乳糖、IPTG)存在时存在时，与阻遏蛋，与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋白的构象，使其不能与白结合，改变阻遏蛋白的构象

8、，使其不能与LacO结合，基因开始转录。结合，基因开始转录。mRNA无葡萄糖，有乳糖等诱导物存在时第十五页，讲稿共三十八页哦（三（三）lac操纵子的正调控操纵子的正调控启动子启动子ZYAlac OcAMP-CAP位点位点RNA聚合酶作聚合酶作用位点用位点cAMP-CAP:结合于启动子上游的激活区域，帮助结合于启动子上游的激活区域，帮助RNA聚合酶形成开放型起始复合物，聚合酶形成开放型起始复合物，促进转录起始。促进转录起始。CAP:转录的活化因子，直接作用于操纵子，激活基因转录。转录的活化因子，直接作用于操纵子，激活基因转录。CAP需要需要cAMP存在时才有活性。存在时才有活性。第十六页，讲稿共

9、三十八页哦1.CAP的作用机制的作用机制（1）cAMP-CAP通过与通过与RNA聚合酶聚合酶亚基相互作用，促进亚基相互作用，促进RNA聚聚合酶同启动子的结合。合酶同启动子的结合。（2）cAMP-CAP结合结合DNA后，使其弯曲。使后，使其弯曲。使RNA聚合酶结合更紧聚合酶结合更紧密，也促进了密，也促进了cAMP-CAP同同RNA聚合酶的结合，有利于形成开放型起聚合酶的结合，有利于形成开放型起始复合物，促进转录起始。始复合物，促进转录起始。第十七页，讲稿共三十八页哦CAP-cAMP激活作用的模型激活作用的模型第十八页，讲稿共三十八页哦n促进促进RNA聚合酶对聚合酶对-35和和-10序列的识别和结

10、合，序列的识别和结合，有利于形成开放型起始复合物有利于形成开放型起始复合物CAP第十九页，讲稿共三十八页哦CAP存在的原因存在的原因第二十页，讲稿共三十八页哦CAP是是二聚体二聚体，被单个被单个cAMP激活激活CAP需要需要cAMP存在时才有活性。存在时才有活性。第二十一页，讲稿共三十八页哦ATP cAMP腺腺苷苷酸环酸环化酶化酶(ACase)ACase)葡萄糖葡萄糖 分解代谢物分解代谢物 抑制作用抑制作用活化活化CAPlac操纵子转录操纵子转录 葡萄糖降低细胞内葡萄糖降低细胞内cAMP 水平水平,使使CAP失活，失活，lac操纵子不能表达操纵子不能表达,不能不能利用乳糖利用乳糖.葡萄糖和乳糖

11、共存时第二十二页，讲稿共三十八页哦Active CAPcAMPInactive CAP第二十三页，讲稿共三十八页哦n分解代谢阻遏作用分解代谢阻遏作用（catabolite repression）：）：在细胞中，优先利用葡萄糖作碳源，而不使用其他在细胞中，优先利用葡萄糖作碳源，而不使用其他糖类这种选择，糖类这种选择，是由葡萄糖的分解代谢物控制的是由葡萄糖的分解代谢物控制的。2.分解代谢阻遏作用分解代谢阻遏作用第二十四页，讲稿共三十八页哦（四）（四）lac操纵子正负调控的协调作用操纵子正负调控的协调作用负调控负调控：受：受乳糖乳糖和和阻遏蛋白阻遏蛋白调节调节正调控正调控：受：受cAMP和和CAP调

12、节调节 两种调控机制根据存在的两种调控机制根据存在的C源性质和水平源性质和水平协协调的调节调的调节lac操纵子的表达。操纵子的表达。第二十五页，讲稿共三十八页哦无乳糖无乳糖:阻遏蛋白结合于操纵基因，阻遏蛋白结合于操纵基因，转录不能起始转录不能起始。有乳糖有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起阻遏蛋白失活，转录起始。始。有葡萄糖有葡萄糖:cAMP，CAP失活，失活，不能激活基因转录，不能激活基因转录，lac操纵子操纵子本底水平转录本底水平转录。有乳糖有乳糖:阻遏蛋白失活，转录起始。阻遏蛋白失活，转录起始。无葡萄糖无葡萄糖:CAP活化，激活基因转活化，激活基因转录，录，lac操纵子操纵子高水平转录高水平转录

13、。第二十六页，讲稿共三十八页哦四、原核生物基因表达的翻译水平的调控四、原核生物基因表达的翻译水平的调控第二十七页，讲稿共三十八页哦翻译的调控主要发生在翻译的调控主要发生在起始阶段起始阶段（一（一）翻译的自我调控翻译的自我调控蛋白质作为调控因子蛋白质作为调控因子mRNA的二级结构起调控作用的二级结构起调控作用第二十八页，讲稿共三十八页哦1.mRNA翻译受自我蛋白质产物的调控翻译受自我蛋白质产物的调控 mRNA翻译产物作为一种阻遏蛋白发挥作用。通过翻译产物作为一种阻遏蛋白发挥作用。通过阻遏蛋白与阻遏蛋白与mRNA 的特定区域结合，的特定区域结合，抑制核糖体对翻译抑制核糖体对翻译起始区的识别起始区的

14、识别。第二十九页，讲稿共三十八页哦RepressorTargetSite of ActionR17外壳蛋白外壳蛋白R17复制酶复制酶核糖体结合位点的发核糖体结合位点的发夹结构夹结构T4 RegA早期早期T4 mRNA含含AUG的序列的序列T4 DNA polT4 DNA pol含含SD序列序列T4 p32基因基因325单链前导序列单链前导序列结合结合mRNA的自体蛋白可以阻遏翻译的自体蛋白可以阻遏翻译第三十页，讲稿共三十八页哦 存存在在游游离离rRNA时时，r-蛋蛋白白与与rRNA结结合合装装配配核核糖糖体体。没没有有游游离离的的r-蛋蛋白白与与mRNA结结合合，mRNA的翻译继续的翻译继续。

15、rRNA控制控制r-蛋白水平蛋白水平 rRNA合合成成减减慢慢或或停停止止，游游 离离r-蛋蛋 白白 富富 集集，就就 能能 与与mRNA 结合，阻止继续翻译。结合，阻止继续翻译。2.核糖体蛋白质（核糖体蛋白质（r-proteins）的自我调控的自我调控第三十一页，讲稿共三十八页哦3.mRNA的二级结构对翻译的控制的二级结构对翻译的控制 RNA 噬菌体噬菌体mRNA上有上有2个翻译起始位点。个翻译起始位点。但只有一个可利用的起但只有一个可利用的起始位点，另一个被包在茎环结构中，因而核糖体不能识别它。始位点，另一个被包在茎环结构中，因而核糖体不能识别它。当第一个顺反子被翻译时，当第一个顺反子被翻

16、译时，RNA的构象发生改变，使其它起始位点也的构象发生改变，使其它起始位点也能被利用。能被利用。第三十二页，讲稿共三十八页哦（二（二）稀有密码子对翻译的影响稀有密码子对翻译的影响dnaGrpoDrpsU核糖体核糖体小亚基小亚基S21引物酶引物酶RNA pol亚基亚基40000个个/cell2800个个/cell50个个/cell第三十三页，讲稿共三十八页哦Ile密码子密码子使用频率比较使用频率比较蛋白质蛋白质AUU/%AUC%AUA%结构蛋白结构蛋白37621亚基亚基26740DnaG蛋白蛋白363232细胞中细胞中对应于稀有密码子的对应于稀有密码子的tRNA较少较少，高频率使用稀有密，高频率

17、使用稀有密码子码子,翻译容易受阻翻译容易受阻，延长了核糖体在，延长了核糖体在mRNA上的移动时上的移动时间，降低翻译速度，影响合成总量。间，降低翻译速度，影响合成总量。第三十四页，讲稿共三十八页哦（三（三）反义反义RNA对翻译的调控对翻译的调控反义反义RNA（Antisense RNA)：指与靶指与靶RNA(或或DNA)具有互补序列的调控具有互补序列的调控RNA。反义反义RNA结合位点通常是结合位点通常是mRNA的的SD序列、起始密码子和序列、起始密码子和N端的部分密码子端的部分密码子第三十五页，讲稿共三十八页哦 反义反义RNA可与可与RNA 结合，结合，阻塞核糖体与之结合的位点，阻塞核糖体与之结合的位点，从而阻止蛋白质的合成从而阻止蛋白质的合成第三十六页，讲稿共三十八页哦 反义反义RNA也可与也可与mRMA 结合，结合，形成双螺旋结构，成形成双螺旋结构，成为内切酶的底物为内切酶的底物，使，使mRNA变得不稳定。变得不稳定。第三十七页，讲稿共三十八页哦 反义反义RNA也可与转录物结合，也可与转录物结合，形成类似于终止子的结构形成类似于终止子的结构，使转录提前结束。使转录提前结束。第三十八页，讲稿共三十八页哦