原核生物的基因表达与调控.pptx
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1、Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控第1页/共119页第一节第一节 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 regulationgene 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第2页/共119页 组成性表
2、达(constitutive expression)适应性表达(adaptive expression)二、基因表达的方式二、基因表达的方式第3页/共119页 1 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几乎所有细胞中持续表达,通常被称为管家基因(housekeepinggene)。第4页/共119页 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。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction),这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene);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(repressio
3、n),相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。第5页/共119页三、基因表达的规律三、基因表达的规律 时间性和空间性时间性和空间性1、时间特异性(temporal specificitytemporal 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(stage specificity)。第6页/共119页第7页/共119页2、空间特异性(
4、spatialspecificity)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。第8页/共119页四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖(原核、真核)维
5、持个体发育与分化(真核)第9页/共119页Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控第10页/共119页第二节第二节 原核基因调控机制原核基因调控机制内容提要: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 第11页/共119页一、原核基因表达调控环节一、原核基因表达调控环节1 1、转录水平上的调控、转录水平上的调控(transc
6、riptional regulationtranscriptional regulation)2 2、转录后水平上的调控、转录后水平上的调控(post-transcriptional regulationpost-transcriptional regulation)mRNAmRNA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第12页/共119页第13页/共119页二、操纵子学说二、操纵子学说1 1、操纵子模型的提出、操纵子模型的提出19611961年,年,MonodMonod和和JacobJacob提出提出获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学
7、和医学奖第14页/共119页Jacob and Monod第15页/共119页2、操纵子的定义、操纵子的定义操纵子: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。操纵基因受调节基因产物的控制。第16页/共119页第17页/共119页1 1、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:正转录调控 负转录调控 三、三、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第18页/共119页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负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
8、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。第19页/共119页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。第20页/共119页可诱导调节(P196):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。例:大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因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:第21页/共119页调节基因调节基因操纵
9、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。第22页/共119页可阻遏调节(P197):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,阻遏了基因的表达。例:色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因第23页/共119页酶合成的阻遏操纵子模型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因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏
10、物辐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,这种物质就是辅阻遏物。第24页/共119页3、在负转录调控系统中,调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor),起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏:在负控诱导系统中,阻遏蛋白与效应物(诱导物)结合时,结构基因转录;在负控阻遏系统中,阻遏蛋白与效应物(辅阻遏物)结合时,结构基因不转录。第25页/共119页第26页/共119页4 4、在正转录调控系统中,调节基因的产物是激活蛋白(activator)。根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏在正控诱导系统中,效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状
11、态;在正控阻遏系统中,效应物分子(辅阻遏物)的存在使激活蛋白处于非活性状态。第27页/共119页第28页/共119页四、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,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时,需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。第29页/共119页大肠杆菌中的各种大肠杆菌中的各种因子比较因子比较因子编码基因主要功能70rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控54rpoN参与多数氮源利用基因的调控38rpoH分裂间期特异基因的表达调控32rpoS热休克基因的表达调控28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控24rpoE
12、过度热休克基因的表达调控第30页/共119页温度较高,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第31页/共119页2、降解物对基因活性的调节3、弱化子对基因活性的影响第32页/共119页Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控第33页/共119页第三节第三节 乳糖操
13、纵子乳糖操纵子(lac operon)(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laclac体系受调控的证体系受调控的证据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LacLac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题第34页/共119页一、乳糖操纵子的结构一、乳糖操纵子的结构第35页/共119页Z编码-半乳糖苷酶:将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y编码-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。第36页/共119页二
14、、酶的诱导二、酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据第37页/共119页安慰诱导物: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)。第38页/共119页第39页/共119页第40页/共119页三、乳糖操纵子调控模型三、乳糖操纵子调控模型主要内容:Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码 第41页/共119页第42页/共119页 这个mRNA分子的启动子紧接着O区,而位于I与O之间的启动子区(P),不能单独起动合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。第43页/共119页第44页/共119页 操纵基因是DN
15、A上的一小段序列(仅为26bp),是阻遏物的结合位点。第45页/共119页RNA聚合酶结合部位阻遏物结合部位第46页/共119页 操纵位点的回文序列第47页/共119页 当阻遏物与操纵基因结合时,lac mRNAlac mRNA的转录起始受到抑制。第48页/共119页第49页/共119页诱导物通过与阻遏物结合,改变它的三维构象,使之不能与操纵基因结合,从而激发lac mRNA的合成。当有诱导物存在时,操纵基因区没有被阻遏物占据,所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。第50页/共119页第51页/共119页组成型突变:lacOc 第52页/共119页组成型突变:lacI-第53页/共119页不可
16、诱导突变(超阻遏):第54页/共119页四、影响因子四、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: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,后者的合成有需要诱导。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?第55页/共119页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:本底水平的组成型合成:非诱导状态下有少量的lac mRNA合成。第56页/共119页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 按照lac操纵
17、子本底水平的表达,每个细胞内有几个分子的-半乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶;培养基:加入乳糖少量乳糖透过酶进入细胞-半乳糖苷酶异构乳糖诱导物诱导lacmRNA的生物合成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)异构乳糖第57页/共119页乳糖第58页/共119页诱导物的加入和去诱导物的加入和去除对除对laclac mRNA mRNA的影的影响响第59页/共119页3 3、阻遏物、阻遏物lac Ilac I基因产物及功能基因产物及功能 Lac Lac 操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的,每个细胞中有5-10个阻遏物分子。当I基因由弱启动子突变成强启动子,细胞内就不可能产
18、生足够的诱导物来克服阻遏状态,整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。第60页/共119页4 4、葡萄糖对、葡萄糖对laclac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,laclac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laclac操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。代谢物阻遏效应第61页/共119页5 5、cAMPcAMP与代谢物激活蛋白与代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白(CAP)/环腺甘酸受体蛋白(CRP)第62页/共119页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Y:透酶A:
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- 生物 基因 表达 调控
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