分子生物学第五章基因表达调控原核生物优秀讲稿.ppt

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1、分子生物学课件第五章基因表达调控原核生物1第一页，讲稿共六十页哦 第五章第五章 基因表达的调控基因表达的调控 主讲教师主讲教师:刘刘 静静 中南大学生物科学与技术学院中南大学生物科学与技术学院 分子生物学研究中心分子生物学研究中心 研究方向研究方向1 1：造血发育调控：造血发育调控研究方向研究方向2 2：白血病治疗的分子机制研究：白血病治疗的分子机制研究 E-mail:第二页，讲稿共六十页哦概 述基因组（基因组（genomegenome）：一个细胞或病毒所携带的：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。全部遗传信息或整套基因。在某一特定时期，基因组中只有一部分基在某一特定时期，基因组中只

2、有一部分基因处于表达状态。在个体不同生长时期、不同因处于表达状态。在个体不同生长时期、不同生活环境下，某种功能的基因产物在细胞中的生活环境下，某种功能的基因产物在细胞中的数量会随时间、环境而变化。数量会随时间、环境而变化。第三页，讲稿共六十页哦Translation 生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的蛋白质的全过程。的生物学功能和生物学效应的蛋白质的全过程。基因表达基因表达(gene expression)(gene expression)注：并非

3、所有基因表达过程都产生蛋白质。注：并非所有基因表达过程都产生蛋白质。rRNA、tRNA编码基因转录合成编码基因转录合成RNA的过程也的过程也属于基因表达。属于基因表达。第四页，讲稿共六十页哦基因表达的时间性及空间性1.时间特异性按功能需要某一特定基因表达按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生。如病严格按特定的时间顺序发生。如病毒感染；胚胎发育。毒感染；胚胎发育。基因表达的时间特异性又称阶段特异性。基因表达的时间特异性又称阶段特异性。第五页，讲稿共六十页哦2.空间特异性 指指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体不同组织器官表达存在差异。个体不同组织器官表

4、达存在差异。空间特异性又称细胞特异性或组织特异性。空间特异性又称细胞特异性或组织特异性。第六页，讲稿共六十页哦按对刺激的反应性分为两大类按对刺激的反应性分为两大类：1.1.基本（组成性）表达基本（组成性）表达 (constitutivegeneexpression)基基因因较较少少受受环环境境因因素素影影响响，而而是是在在个个体体各各个个生生长长阶阶段段的的大大多多数数或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达，或变化很小。达，或变化很小。如管家基因如管家基因。基因表达的方式第七页，讲稿共六十页哦管家基因管家基因(housekeepinggene)某某些些基基因因在在一一个个个个体体的的几

5、几乎乎所所有有细细胞中持续表达。胞中持续表达。bcl-2bcl-2-actin-actin1212琼脂糖凝胶电泳图琼脂糖凝胶电泳图琼脂糖凝胶电泳图琼脂糖凝胶电泳图 1.1.对照组对照组对照组对照组2.2.实验组实验组实验组实验组第八页，讲稿共六十页哦常用的管家基因常用的管家基因中文名称中文名称中文名称中文名称英文缩写英文缩写英文缩写英文缩写BetaBeta肌动蛋白肌动蛋白肌动蛋白肌动蛋白-actin-actin甘油醛甘油醛甘油醛甘油醛3-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶GAPDHGAPDHTATABoxTATABox结合蛋白结合蛋白结合蛋白结合蛋白TBPTBP18s18s核糖体核糖

6、核酸核糖体核糖核酸核糖体核糖核酸核糖体核糖核酸18srRNA18srRNA 微管蛋白微管蛋白微管蛋白微管蛋白-tubulin-tubulin第九页，讲稿共六十页哦2.诱导和阻遏表达 在特定环境信号刺激下，有些基因在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为开放或增强。的表达表现为开放或增强。诱导表达(induction expression)在特定环境信号刺激下，有些基因在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为关闭或下降。的表达表现为关闭或下降。阻遏表达(repression expression)第十页，讲稿共六十页哦 在一定机制下，功能相关的一组在一定机制下，功能相关的一组基因，协调一致，

7、共同表达。基因，协调一致，共同表达。协调表达协调表达(coordinance expression)第十一页，讲稿共六十页哦基因表达的调控基因表达的调控机体各种细胞内相同的结构基因，根机体各种细胞内相同的结构基因，根据机体的生长、发育、繁殖及环境变化的据机体的生长、发育、繁殖及环境变化的需要，有规律的选择性、程序性、适度地需要，有规律的选择性、程序性、适度地表达，以适应环境，发挥其生理功能。表达，以适应环境，发挥其生理功能。(gene expression and regulation)第十二页，讲稿共六十页哦基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义1.适应环境、维持生长和增殖；适应环

8、境、维持生长和增殖；2.维持个体发育和分化。维持个体发育和分化。第十三页，讲稿共六十页哦基因表达的调控因子基因表达的调控因子蛋白质蛋白质 （主要）（主要）小分子小分子RNA（某些环节某些环节）第十四页，讲稿共六十页哦n基因表达的调控水平基因表达的调控水平基因组基因组转录后转录后翻译翻译翻译后翻译后中心法则(centraldogma)转录转录第十五页，讲稿共六十页哦第一节第一节原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控 主要在转录水平，主要在转录水平，其次是翻译水平。其次是翻译水平。本节主要以大肠杆本节主要以大肠杆菌为例介绍原核生物基菌为例介绍原核生物基因表达的调控。因表达的调控。第十六页，讲

9、稿共六十页哦一、原核生物基因表达的一、原核生物基因表达的特点特点1.只只有有一一种种RNA聚聚合合酶酶。RNA聚聚合合酶酶用用来来识识别别原原核核细细胞胞的的启启动动子子，催催化化所所有有RNA的合成。的合成。2.基因表达以操纵子为基本单位。基因表达以操纵子为基本单位。原核原核基因一般不含内含子，基因是连续的。基因一般不含内含子，基因是连续的。原核基因转录单位多为多顺反子。原核基因转录单位多为多顺反子。第十七页，讲稿共六十页哦操纵子学说开创了基因表达调控的研究操纵子学说开创了基因表达调控的研究 F.JacobJ.L.Monod第十八页，讲稿共六十页哦tayzopStructural genep

10、romoteroperator（启动子）（启动子）操纵子操纵子(operon)模型模型操纵子操纵子(operon):一个多顺反子转录单一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。位与其调控序列即构成操纵子。terminator（操纵子）（操纵子）（结构基因）（结构基因）（终止子）（终止子）第十九页，讲稿共六十页哦PromoterGene 1Gene 2Gene 3TerminatorDNAtranscriptionmRNA31235translationpolypeptidechain123原核生物的原核生物的mRNA是多顺反子是多顺反子mRNA第二十页，讲稿共六十页哦多顺反子多顺反子 (p

11、olycistron)原核基因中原核基因中多个多个功能相关的结构基因串功能相关的结构基因串联在一起构成一个转录单位。通常依赖同一联在一起构成一个转录单位。通常依赖同一调控序列对其转录进行调节，使这些相关基调控序列对其转录进行调节，使这些相关基因实现协同表达。因实现协同表达。第二十一页，讲稿共六十页哦3.转录和翻译偶联进行：转录和翻译偶联进行：原核生物裸露原核生物裸露的环形的环形DNA，在拟核内转录成，在拟核内转录成 mRNA 后，后，直接在胞浆中与核糖体结合翻译为蛋白质。直接在胞浆中与核糖体结合翻译为蛋白质。4.mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序翻译起始部位有特殊的碱基序列列-SD序列。序列。

12、第二十二页，讲稿共六十页哦SD（Shine-Dalgarno）序列序列在在起始密码起始密码AUG上游上游413个碱基个碱基之之前有一段富含前有一段富含嘌呤嘌呤的序列，其一致序列的序列，其一致序列为为AGGAGG，能与核糖体，能与核糖体30S亚基中亚基中16S rRNA 3端富含端富含嘧啶嘧啶的序列结合，与蛋白的序列结合，与蛋白质合成过程中起始复合物生成有关。质合成过程中起始复合物生成有关。第二十三页，讲稿共六十页哦5.原核生物基因表达的原核生物基因表达的调控主要在转录水调控主要在转录水平平，即对，即对RNA合成的调控。合成的调控。通常有两种方式：通常有两种方式：(1)起始调控，即启动子调控；起

13、始调控，即启动子调控；(2)终止调控，即衰减子调控。终止调控，即衰减子调控。第二十四页，讲稿共六十页哦二、原核生物基因表达的调控机制二、原核生物基因表达的调控机制(一一)转录起始的调控转录起始的调控 1.1.因子及因子及RNA RNA 聚合酶对转录起始的调控聚合酶对转录起始的调控2.2.转录起始的负调控转录起始的负调控3.3.转录起始的正调控转录起始的正调控4.4.转录起始的复合调控转录起始的复合调控 第二十五页，讲稿共六十页哦调控调控RNA聚合酶与特异聚合酶与特异DNA区域结合：区域结合：确保确保RNA聚合酶与特异启动子序列稳聚合酶与特异启动子序列稳定结合，而不是与其它位点结合。定结合，而不

14、是与其它位点结合。(1)因子因子1.因子与转录起始的调控因子与转录起始的调控 第二十六页，讲稿共六十页哦核心酶核心酶(coreenzyme)全酶全酶(holoenzyme)例如例如:大肠杆菌大肠杆菌RNA 聚合酶由聚合酶由5个亚基个亚基（2）构成，核心酶（）构成，核心酶（2）能以）能以DNA为为模板合成模板合成RNA，但必须依靠，但必须依靠因子协助才能在正确因子协助才能在正确位置起始转录。位置起始转录。第二十七页，讲稿共六十页哦不不同同的的因因子子决决定定RNA聚聚合合酶酶对对一一个个或或一一套套启启动动子子序序列列的的特特异异性性识识别别和结合能力。和结合能力。最早发现的最早发现的因子：因子

15、：70新发现：新发现：32、54、28第二十八页，讲稿共六十页哦机理：因子含有识别启动区的结构域。a.因子独立存在时，因子独立存在时，N端抑制了端抑制了C端端DNA结结 合活性，与合活性，与DNA不能结合。不能结合。b.当当因子与核心酶组成全酶后，因子与核心酶组成全酶后，N端对端对C端端 抑制作用消失，可与抑制作用消失，可与DNA特异结合。特异结合。c.转录起始完成后转录起始完成后因子脱落，核心酶向下因子脱落，核心酶向下 游滑动完成转录。游滑动完成转录。第二十九页，讲稿共六十页哦（2）启动区序列）启动区序列启启动动区区序序列列是是RNA聚聚合合酶酶结结合合并并启启动动转转录录的特异的特异DNA

16、序列。序列。(共有共有序列序列)RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAra BADTTGACATATAAT共有序列共有序列 90%以上为 嘌呤核苷酸第三十页，讲稿共六十页哦 共共有有序序列列决决定定启启动动序序列列的的转转录录活活性性强弱。强弱。某某些些特特异异因因子子（蛋蛋白白质质）决决定定RNARNA聚聚合合酶酶对对一一个个或或一一套套启启动动序序列列的的特特异性识别和结合能力。异性识

17、别和结合能力。第三十一页，讲稿共六十页哦2.2.转录起始的负调控转录起始的负调控乳糖操纵子乳糖操纵子（lactose operon,lac）是是原核生物基因转录负调控的最典型模原核生物基因转录负调控的最典型模式。式。第三十二页，讲稿共六十页哦乳糖操纵子乳糖操纵子(lacoperon)的结构的结构结构基因结构基因Y：透酶透酶Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶调控区调控区CAP结合位点结合位点启动子启动子操纵元件操纵元件ZYAOPDNA第三十三页，讲稿共六十页哦mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOP有葡萄糖存在，没有葡萄糖存在，没有乳糖存在有乳糖存在阻遏蛋白的负性调节阻遏

18、蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因第三十四页，讲稿共六十页哦mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol有葡萄糖存在，没有葡萄糖存在，没有乳糖存在有乳糖存在阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因第三十五页，讲稿共六十页哦mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白没有葡萄糖存在没有葡萄糖存在有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶第三十六页，讲稿共六十页哦mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白没有葡萄糖存在没有葡萄糖存在有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖半乳糖第三十七页，讲稿

19、共六十页哦仅有葡萄糖仅有葡萄糖葡萄糖耗完葡萄糖耗完有乳糖存在有乳糖存在第三十八页，讲稿共六十页哦阻遏蛋白与操纵基因结合分子机制：阻遏蛋白与操纵基因结合分子机制：操纵基因区域具有反向重复序列（能与蛋操纵基因区域具有反向重复序列（能与蛋白质特异结合的白质特异结合的DNA特征性结构）。特征性结构）。-10+1+10+20+305ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA33TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT5 第三十九页，讲稿共六十页哦 RNA RNA聚合酶与阻遏蛋白互斥分子机制：聚合酶与阻遏蛋白互斥分子

20、机制：操纵基因在操纵子的位置是从操纵基因在操纵子的位置是从-7-7至至+28+28，RNARNA聚合聚合酶所占区域是从酶所占区域是从-35-35至至+20+20，两者有部分重叠。，两者有部分重叠。第四十页，讲稿共六十页哦3.3.转录起始的正调控转录起始的正调控阿拉伯糖操纵子是正调控的典型例子。阿拉伯糖操纵子是正调控的典型例子。阿拉伯糖操纵子的基因结构图操操纵纵子子由由结结构构基基因因B、A、D以以及及调调控控元元件件I1、I2、O1、O2和和启启动动子子构构成成。araC基基因因编编码码调调节节蛋蛋白白AraC。第四十一页，讲稿共六十页哦AraC对阿拉伯糖操纵子的调节图不存在阿拉伯糖时，不存在

21、阿拉伯糖时，AraCAraC二聚体与二聚体与O O1 1、O O2 2及及I I1 1结合，结合，DNADNA弯曲成环结构。由于弯曲成环结构。由于I I2 2不被占据，不被占据，B B、A A、D D基因基因不发生转录。不发生转录。第四十二页，讲稿共六十页哦当有阿拉伯糖时，当有阿拉伯糖时，AraC二聚体与阿拉伯糖形成复合二聚体与阿拉伯糖形成复合物，使物，使AraC形状改变，形状改变，I1和和I2由一个由一个AraC二聚体二聚体占据，从而激发占据，从而激发B、A、D基因转录。基因转录。AraC对阿拉伯糖操纵子的调节图第四十三页，讲稿共六十页哦4 4转录起始的复合调控转录起始的复合调控在在大大肠肠

22、杆杆菌菌的的许许多多操操纵纵子子中中，基基因因的的转转录录不不是是由由单单一一因因子子调调控控的的，而而是是通通过过负负调调控控因因子子和和正正调调控控因因子子进进行行复复合合调调控控。典典型型例例子子：糖糖代代谢谢有有关关的的操操纵纵子子，如如lac 操纵子。操纵子。第四十四页，讲稿共六十页哦cAMP与葡萄糖相关性：与葡萄糖相关性：葡萄糖葡萄糖，cAMP 葡萄糖葡萄糖，cAMPcAMP:环一磷酸腺苷环一磷酸腺苷 CAP：分解代谢基因激活蛋白分解代谢基因激活蛋白(catabolitegeneactivatorprotein，CAP)CAP的活性依赖的活性依赖cAMP，形成形成cAMP-CAP复

23、合复合物，促进多种操纵子的转录起始物，促进多种操纵子的转录起始。第四十五页，讲稿共六十页哦+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第四十六页，讲稿共六十页哦mRNA没有乳糖有乳糖葡萄糖低cAMP浓度高葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO第四十七页，讲稿共六十页哦当当阻阻遏遏蛋蛋白白封封闭闭转转录录时时，CAP对对该该系系统统不不能发挥作用；能发挥作用；如如无无CAP存存在在，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序列结合，操纵子仍无转录活性。序列结合，操纵子仍无转录活性。

24、第四十八页，讲稿共六十页哦（二）转录终止的调控（二）转录终止的调控原核生物的转录终止调控方式分两大类：原核生物的转录终止调控方式分两大类：A.依依赖赖因子的终止调控；因子的终止调控；B.不依赖不依赖因子的终止调控。因子的终止调控。此外，此外，核糖体也参与转录终止。核糖体也参与转录终止。例例:色氨酸操纵子表达的调控有两种方式色氨酸操纵子表达的调控有两种方式:a.通过阻遏蛋白的负调控通过阻遏蛋白的负调控b.通过衰减子作用通过衰减子作用 第四十九页，讲稿共六十页哦色氨酸操纵子的结构及其调控色氨酸操纵子的结构及其调控1.阻遏蛋白对色氨酸操纵子的负调控阻遏蛋白对色氨酸操纵子的负调控第五十页，讲稿共六十页

25、哦TrpTrp高时高时Trp低时低时mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNARNA聚合酶聚合酶 RNARNA聚合酶聚合酶 2.2.衰减子对转录的调控衰减子对转录的调控色氨酸操纵子色氨酸操纵子67006700个核苷酸个核苷酸个核苷酸个核苷酸140140个核苷酸个核苷酸个核苷酸个核苷酸第五十一页，讲稿共六十页哦 色氨酸操纵子色氨酸操纵子mRNA引导序列不同区域互补所形成引导序列不同区域互补所形成的不同二级结构的不同二级结构 1-2和3-4茎环形成第五十二页，讲稿共六十页哦色氨酸丰富时，色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子直达最后一

26、个密码子UGA，合成完整的引导合成完整的引导肽。肽。RNA聚合酶停止在衰减子部位。聚合酶停止在衰减子部位。第五十三页，讲稿共六十页哦色氨酸缺乏时色氨酸缺乏时，核蛋白体终止在核蛋白体终止在1区区Trp密码密码子部位，子部位，RNA聚合酶通过衰减子区域而继续聚合酶通过衰减子区域而继续转录。转录。第五十四页，讲稿共六十页哦(三三)翻译水平的调控翻译水平的调控翻译一般在起始和终止阶段受到调节。翻译一般在起始和终止阶段受到调节。调节分子调节分子:RNA、蛋白质、蛋白质调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否为核蛋白体所利用。否为核蛋白体所利用。第五十五页，讲稿共六十

27、页哦1.反义反义RNA的调控作用的调控作用反义反义RNA能与特定能与特定mRNA互补结合的互补结合的RNA片段片段,反义反义RNA由反义基因转录而来。天由反义基因转录而来。天然的具有功能的反义然的具有功能的反义RNA分子一般在分子一般在200个碱基以下。又称干扰性互补个碱基以下。又称干扰性互补RNA（micRNA）。）。第五十六页，讲稿共六十页哦反义反义RNA有三种作用方式：有三种作用方式：与与mRNA5端非翻译区包括端非翻译区包括SD序列相结序列相结合，直接抑制翻译。合，直接抑制翻译。与与mRNA5端编码区起始密码子端编码区起始密码子AUG结合，结合，抑制抑制mRNA翻译起始。翻译起始。与与

28、mRNA的非编码区互补结合，使的非编码区互补结合，使mRNA构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制了构象改变，影响其与核糖体结合，间接抑制了mRNA的翻译。的翻译。第五十七页，讲稿共六十页哦反反义义RNA调节细调节细菌中菌中Tn10转转位位酶酶基因低表达基因低表达PIN控制转位酶，控制转位酶，Pout控制反义控制反义RNA反义反义RNA调控调控Tn10转位酶基因的表达示意图转位酶基因的表达示意图活性活性PoutPIN第五十八页，讲稿共六十页哦 2.2.RNA稳定性与调控的关系稳定性与调控的关系细菌细菌mRNA通常不稳定。通常不稳定。细菌的生理状态和环境影响细菌的生理状态和环境影响mRNA降解。降解。mRNA稳定性与其序列和结构有关。稳定性与其序列和结构有关。3.3.蛋白质合成的自身调控蛋白质合成的自身调控 如：核糖体蛋白如：核糖体蛋白第五十九页，讲稿共六十页哦谢谢！60第六十页，讲稿共六十页哦