[医学]基因的表达与调控课件.ppt

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1、基因的表达与调控(上)原核基因表达调控模式第一节第一节 基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念一、基因表达的概念一、基因表达的概念gene expressiongene expression：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为gene regulation。rRNArRNA、tRNAtRNA编码基因转录合成编码基因转录合成RNARNA的过程也属于基因表达的过程也属于基因表达 组成性表达(constitutive expression)适应性表达(adaptive expression）二、基因表达的方式 1、组成性表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因在一个个体的

2、几乎所有细胞中持续表达，通常被某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为称为管家基因管家基因(housekeeping gene)。DNA polymeraseRNA polymerase 2、适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为，这类基因被称为可诱导的基因可诱导的基因(inducible gene)；Regular E.Coli:含15 个分子-半乳糖苷酶,在乳酸培养基中,可增至数万个分

3、子 相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为，相应的基因被称为可阻遏的基因可阻遏的基因(repressible gene)。三、基因表达的规律 时间性和空间性1、时间特异性（、时间特异性（temporal specificity）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。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(sta

4、ge specificity)。2、空间特异性、空间特异性(spatial specificity)基基因因表表达达伴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。四、基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖

5、（原核、真核）维持个体发育与分化（真核）10-The heart of the frontier biological disciplines 第二节第二节 原核基因调控机制原核基因调控机制内容提要：内容提要：原核基因表达调控环节原核基因表达调控环节操纵子学说操纵子学说原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点转录水平上调控的其他形式转录水平上调控的其他形式 一、原核基因表达调控环节一、原核基因表达调控环节1、转录水平上的调控、转录水平上的调控（transcriptional regulation）2、转录后水平上的调控、转录后水平上的调控（post-transcriptiona

6、l regulation）mRNA加工成熟水平上的调控加工成熟水平上的调控翻译水平上的调控翻译水平上的调控二、操纵子学说二、操纵子学说1、操纵子模型的提出、操纵子模型的提出1961年，年，Monod和和Jacob提出提出获获1965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖2、操纵子的定义、操纵子的定义操纵子操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。受调节基因产物的控制。1 1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）、

7、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答，可分为：的应答，可分为：正转录调控正转录调控 (positive transcription regulation)激活蛋白激活蛋白 负转录调控负转录调控 (negative transcription regulation)阻遏蛋白阻遏蛋白 三、原核基因调控机制的类型与特点三、原核基因调控机制的类型与特点调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控负转录调控负转录调控正转录调控正转录调控:如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。

8、负转录调控负转录调控:在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。Fig.1可诱导调节：可诱导调节：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。例：大肠杆菌的乳糖操纵子大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因可阻遏调节可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻

9、遏了基因的表达。由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。例：例：色氨酸操纵子色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：Fig.2调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物诱导物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的负控诱导操纵子模型酶合成的负控诱导操纵子模型诱导物如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。Fig.3调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调节基因调节基

10、因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物共阻遏物如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是共阻遏物。酶合成的负控阻遏操纵子模型酶合成的负控阻遏操纵子模型非活性阻遏蛋白非活性阻遏蛋白Fig.43、在在负负转转录录调调控控系系统统中中，调调节节基基因因的的产产物物是是阻阻遏遏蛋蛋白白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。），起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为根据其作用特征又可分为负控诱导负控诱导和和负控阻遏负控阻遏：在在负负控控诱诱导导系系统统中中，阻阻遏遏蛋蛋白白与与效效应应物物（诱诱导导物物）结结合合时时，结构基因转录；结构基因转录；在在

11、负负控控阻阻遏遏系系统统中中，阻阻遏遏蛋蛋白白与与效效应应物物（共共阻阻遏遏物物）结结合合时，结构基因不转录。时，结构基因不转录。Fig.54 4、在、在正转录调控正转录调控系统中，调节基因的产物是系统中，调节基因的产物是激活蛋激活蛋白白（activator）。）。根据激活蛋白的作用性质分为根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导正控诱导和和正控阻遏正控阻遏在在正控诱导正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；活蛋白处于活性状态；在在正控阻遏正控阻遏系统中，效应物分子（系统中，效应物分子（共阻遏物）共阻遏物）的存在使的存在使激活蛋白处于非

12、活性状态激活蛋白处于非活性状态。Fig.6四、转录水平上调控的其他形式四、转录水平上调控的其他形式1、因子的更换 在E.coli中,当细胞从基本转录机制转入特定基因表达时，需要不同因子指导RNA聚合酶与启动子结合。因子因子编码基因编码基因主要功能主要功能7070rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控5454rpoN参与多数氮源利用基因的调控3838rpoH分裂间期特异基因的表达调控3232rpoS热休克基因的表达调控2828rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控2424rpoE过度热休克基因的表达调控大肠杆菌中的各种因子比较温度较高,诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA聚合酶

13、与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达2、降解物对基因活性的调节葡萄糖存在的情况上，即使加入乳糖、半乳糖等诱导物，相对应操纵子也不启动。抑制细菌的腺苷酸环化酶，使得分解代谢物激活蛋白(CAP)因找不到配体而不能形成复合物3、弱化子对基因活性的影响大肠杆菌的色氨酸操纵子，苯丙氨酸操纵子，苏氨酸操纵子，异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子和沙门菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子。当操纵子被阻遏，RNA合成终止时，起终止转录信号作用的那段核苷酸3、细菌的应急反应细菌

14、氨基酸的全面匮乏。空载tRNA激活焦磷酸转移酶，使得鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp）大量合成，关闭许多基因。第三节第三节 乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)内容提要：内容提要：乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构酶的诱导酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证据乳糖操纵子调控模型乳糖操纵子调控模型影响因子影响因子Lac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题一、乳糖操纵子的结构一、乳糖操纵子的结构阻遏子（阻遏子（lac I）基因，启动子区（）基因，启动子区（P），操纵区（），操纵区（O）3个结构基因：个结构基因：Z编码-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖；Y编码-

15、半乳糖苷透过酶：使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。二、酶的诱导二、酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证据安慰诱导物：如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基-D-硫代半乳糖苷）。同位素示踪实验：三、乳糖操纵子调控模型三、乳糖操纵子调控模型主要内容：主要内容：Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码分子所编码 这个这个mRNA分子的启动子紧接着分子的启动子紧接着O区，而位于区

16、，而位于I与与O之之间的启动子区（间的启动子区（P），不能单独起动合成），不能单独起动合成-半乳糖苷酶半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。和透过酶的生理过程。操纵基因（操纵基因（O）是）是DNA上的一小段序列（仅为上的一小段序列（仅为26bp），是），是阻遏物的结合位点。阻遏物的结合位点。操纵位点的回文序列操纵位点的回文序列 当阻遏物与操纵基因结合时，当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起的转录起始受到抑制。始受到抑制。诱导物通过与阻遏物结诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结使之不能与操纵基因结合，操纵基因区没有被合，操纵基因区没有被阻遏物

17、占据，所以启动阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始子能够顺利起始mRNA的合成。的合成。四、影响因子1、lac操纵子的本底水平表达有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成又需要诱导。真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有-半乳糖甘酶的预先存在。解释：解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lac mRNA合成。这一模型解释了这一模型解释了lac体系及其它负控诱

18、导系统，但并不完善，同样存在着正调控体系及其它负控诱导系统，但并不完善，同样存在着正调控本底水平的永久型合成本底水平的永久型合成(background level constitutive synthesis)非诱导状态下有少量的lac mRNA全成（大约每世代1-5个mRNA分子）由于阻遏物的结合并不是紧密的，即合它与操纵基因紧密结合时，也会偶尔掉下来，这时启动子的障碍被解除，RNA聚合酶开始转录。1-2次/细胞周期2 2、大肠杆菌对乳糖的反应、大肠杆菌对乳糖的反应 培养基：甘油培养基：甘油 按照按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子

19、的-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；培养基：加入乳糖培养基：加入乳糖少量乳糖少量乳糖透过酶透过酶进入细胞进入细胞-半乳糖苷酶半乳糖苷酶异构乳糖异构乳糖诱导物诱导物诱导诱导lac mRNA的生物合成的生物合成大量乳糖进入细胞大量乳糖进入细胞多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）异构乳糖异构乳糖诱导物的加入和去除对诱导物的加入和去除对lac mRNA的影响的影响3、阻遏物、阻遏物lac I基因产物及功能基因产物及功能Lac 操纵子阻遏物操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成型合成是由弱启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有的，

20、每个细胞中有5-10个阻遏物分子。个阻遏物分子。当当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变操纵子在这些突变体中就不可诱导。体中就不可诱导。4、葡萄糖对、葡萄糖对lac操纵子的影响操纵子的影响如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，laclac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导laclac操纵操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。子表达

21、分解乳糖所需的三种酶。代谢物阻遏效应代谢物阻遏效应5、cAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白（代谢物激活蛋白（CAP）/环腺苷酸受体蛋白（环腺苷酸受体蛋白（CRP）ATP腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶cAMP（环腺苷酸）（环腺苷酸）大肠杆菌中：无葡萄糖，大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；浓度高；有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低浓度低？位于葡糖-6-磷酸与甘油之间的某些代谢产物是腺苷酸环化酶活性的抑制剂ZYAOPDNA 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶cAMPC

22、AP复合物复合物+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时促进转录促进转录有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时不促进转录不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正调控的正调控当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。仍无转录活性。cAMPCAP复合物与启动子区的结合是转复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。录起始所必需的。协调调节协调调节（cAMP-CRPcAMP-CRP与阻遏体系相互独立）与阻遏体系相互独立）葡萄

23、糖对葡萄糖对 lac 操纵子的操纵子的阻遏作用称分解代谢阻阻遏作用称分解代谢阻遏遏(catabolic repression)单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCome on,let me throughNo way

24、Jose!CAPCAPThe Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!The Lac Operon:When Ne

25、ither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright,Im off to the races.Come on,let me through!五、五、Lac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题1、A基因及其生理功能半乳

26、糖苷分子（IPTG）-半乳糖苷酶分解产物（体内积累）-半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷分子-乙酰化-（IPTG）乙酰基2、lac基因产物数量上的比较-半乳糖苷酶：透过酶：乙酰基转移酶=1：0.5：0.2翻译水平上受到调节：（1）lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译；（2）在 lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。3、操纵子的融合与基因工程P OZYAtsxPOpur结构基因缺失lac operonpur operon第四节第四节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子（trp operon）内容提要：内容提要：色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的结构色

27、氨酸操纵子的色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的弱化机制一、色氨酸操纵子的结构一、色氨酸操纵子的结构二、二、trp trp 操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统低低TrpTrp时：时：阻遏物不结合阻遏物不结合操纵基因操纵基因;高高TrpTrp时：时：阻遏物阻遏物+Trp +Trp 结合操纵基因结合操纵基因 调控基因调控基因 结构基因结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸的酶催化分枝酸转变为色氨酸的酶trpRtrp负控阻遏系统负控阻遏系统参与生物合成，不受葡萄糖或参与生物合成，不受葡萄糖或cAMP-CRP的调控的调控特点:(1)trpR和trpABCDE不连锁；(2)操纵基因在启动子内(3)有衰减子(at

28、tenuator)/弱化子(4)启动子和结构基因不直接相连，二者被 前导序列(Leader)所隔开 三、三、trp trp 操纵子的弱化机制操纵子的弱化机制衰减子（attenuator）/弱化子前导序列（leader sequence）色氨酸浓度高低，操纵子的表达水平相差600倍，然而阻遏作用仅使转录水平降低70倍。弱化作用弱化作用(attenuation)阻遏操纵机制：粗调开关，控制转录的启动。弱化机制：细调控，决定已启动的转录是否继续转录到达第一个结构基因之前的过早终止，取决于色氨酸的浓度1 1、弱化子：、弱化子：DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150区）。123150

29、 研究引起终止的研究引起终止的mRNA碱基序列碱基序列，发现该区发现该区mRNA通过自我通过自我配对可以形成配对可以形成茎茎-环环结构，有典型的结构，有典型的终止子终止子特点。特点。2、前导序列：在、前导序列：在trp mRNA5端端trpE基因的起始密码基因的起始密码前一个长前一个长162bp的的mRNA片段。片段。转录弱化机制：组氨酸操纵子7个组氨酸苯丙氨酸操纵子7个苯丙氨酸3、弱化机制、弱化机制前导肽前导肽转录终止结构转录终止结构 细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使能使转录不起始转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过

30、弱化作，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。用使之中途停下来。阻遏作用的信号是阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的细胞内载有色氨酸的tRNA的多少的多少。它通过它通过前导肽的翻译前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。大量色氨酸存在下，阻止大量色氨酸存在下，阻止mRNA的合成，更为经济的合成，更为经济组氨酸操纵子组氨酸操纵子？仅有弱化机制？仅有弱化机制第五节第五节 其他操纵子

31、其他操纵子一、半乳糖操纵子(galactose operon)异构酶异构酶(galE)乳糖乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)半乳糖激酶半乳糖激酶(galk)。半乳糖半乳糖葡糖葡糖-1-磷酸磷酸gal操纵子的特点：操纵子的特点：它有两个启动子，其它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；可从两个不同的起始点开始转录；它有两个它有两个O区，一个在区，一个在P区上游，另一个在结构基因区上游，另一个在结构基因galE内部。内部。同时，受葡萄糖及cAMP-CRP的调控满足高水平的本底表达的需要三、阻遏蛋白三、阻遏蛋白LexALexA的降解与细菌中的的降解与细菌中的SOSSOS应答应答LexA阻遏物：是SOS DNA修复系统所有基因的阻遏物RecA蛋白：是SOS反应的最初的发动因子。SOS反应的机理：由 RecA 蛋白和 LexA 阻遏物相互作用引起的。在单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解LexA阻遏物。当RecA水解LexA阻遏物后，导致SOS体系（包括recA基因）高效表达，DNA得到修复DNA遭到破坏时，启动SOS诱导型DNA修复系统多启动子调控的操纵子多启动子调控的操纵子ppGpprRNA操纵子核糖体蛋白SI操纵子RNA聚合酶聚合酶DnaQ 蛋白操纵子氨基酸饥饿时 空载tRNA 应急反应 ppGppP1 P2