基因的表达与调控-原核基因表达调控模式.ppt

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1、第一第一节节 原核基因表达原核基因表达调调控控总论总论随随着着生生物物个个体体的的发育育，DNA分分子子能能有有序序地地将将其其所所承承载的的遗传信信息息，通通过密密码子子-反反密密码子子系系统转变成成蛋白蛋白质，执行各种生理生化功能。行各种生理生化功能。科科学学家家把把从从DNA到到蛋蛋白白质的的过程程称称为基基因因表表达达（gene expression），对这个个过程程的的调节就就称称为基基因表达因表达调控控（gene regulation，gene control）。基因基因调控是控是现阶段分子生物学研究的中心段分子生物学研究的中心课题。1第一第一节节 原核基因表达原核基因表达调调控控

2、总论总论2v基因表达基因表达调控主要表控主要表现在以下二方面：在以下二方面：n转录水平上的水平上的调控控n转录后水平上的后水平上的调控：控：nmRNA加工成熟水平加工成熟水平调控控n翻翻译水平水平调控控v不同的生物使用不同的信号来指不同的生物使用不同的信号来指挥基因基因调控。控。n原核生物中，原核生物中，营养状况养状况和和环境因素境因素对基因表达起着基因表达起着举足足轻重的影响。重的影响。n在真核生物尤其是高等真核生物中，在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平激素水平和和发育育阶段段是基因表达是基因表达调控的最主要手段，控的最主要手段，营养和养和环境因素的影境因素的影响力大响力大为下降。下降

3、。第一第一节节 原核基因表达原核基因表达调调控控总论总论2023/4/223v在在转录水平上水平上对基因表达的基因表达的调控决定于控决定于DNA的的结构、构、RNA聚合聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用相互作用。v转录与翻与翻译的特点：的特点：n细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联。n真核生物中，转录产物只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。第一第一节节 原核基因表达原核基因表达调调控控总论总论2023/4/2241.原核基因原核基因调控分控分类v原原核核生生物物的的基基因因调控控主主要要发生生在在转录水水平平

4、上上，根根据据调控控机机制的不同可分制的不同可分为负转录调控控和和正正转录调控控。n在在负转录调控控系系统中中，调节基基因因的的产物物是是阻阻遏遏蛋蛋白白(repressor)。根根据据其其作作用用特特征征又又可可分分为负控控诱导系系统和和负控阻遏系控阻遏系统二大二大类。n在在正正转录调控控系系统中中，调节基基因因的的产物物是是激激活活蛋蛋白白(activator)。也也可可根根据据激激活活蛋蛋白白的的作作用用性性质分分为正正控控诱导系系统和和正控阻遏系正控阻遏系统。阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白转录激活转录激活负控诱导负控诱导正控诱导正控诱导转录抑制转录抑制负控阻遏负控阻遏正控阻遏正控阻遏

5、2023/4/225第一第一节节 原核基因表达原核基因表达调调控控总论总论2023/4/2261.原核基因原核基因调控分控分类v大大肠杆菌中基因表达杆菌中基因表达调控最常控最常见的蛋白的蛋白质可能是可能是因子，基因子，基因因组序列分析后序列分析后发现存在存在6种种因子，并根据其相因子，并根据其相对分子分子质量的大小或量的大小或编码基因基因进行命名，其中行命名，其中70是是调控最基本的生控最基本的生理功能如碳代理功能如碳代谢、生物合成等基因的、生物合成等基因的转录所必所必须的。的。第一第一节节 原核基因表达原核基因表达调调控控总论总论2023/4/2272.原核基因原核基因调控的主要特点：控的主

6、要特点：v原核生物通原核生物通过特殊代特殊代谢物物调节的基因活性主要分的基因活性主要分为可可诱导和可阻遏两大和可阻遏两大类:n可可诱导调节。是指一些基因在特殊的代。是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的物或化合物的作用下，由原来关作用下，由原来关闭的状的状态转变为工作状工作状态，即在某些，即在某些物物质的的诱导下使基因活化。下使基因活化。这类基因中最突出的例子是基因中最突出的例子是大大肠杆菌的乳糖操杆菌的乳糖操纵子。子。n可阻遏可阻遏调节。这类基因平基因平时都是开启的，都是开启的，处在在产生蛋白生蛋白质或或酶的工作的工作过程中，由于一些特殊代程中，由于一些特殊代谢物或化合物的物或化合物的积累而将

7、其关累而将其关闭，阻遏了基因的表达。比如大，阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌中杆菌中的色氨酸操的色氨酸操纵子。子。第一第一节节 原核基因表达原核基因表达调调控控总论总论2023/4/2283.弱化子弱化子对基因活性的影响基因活性的影响v在在这种种调节方方式式中中，起起信信号号作作用用的的是是有有特特殊殊负载的的氨氨酰-tRNA的的浓度度，在在色色氨氨酸酸操操纵子子中中就就是是色色氨氨酰-tRNA的的浓度度。当当操操纵子子被被阻阻遏遏，RNA合合成成被被终止止时，起起终止止转录信信号号作作用的那一段用的那一段DNA序列被称序列被称为弱化子弱化子。v属属于于这种种调节方方式式的的有有：大大肠杆杆菌菌

8、中中的的色色氨氨酸酸操操纵子子、苯苯丙丙氨氨酸酸操操纵子子、苏氨氨酸酸操操纵子子、异异亮亮氨氨酸酸操操纵子子和和缬氨氨酸酸操操纵子子以以及及沙沙门氏氏菌菌的的组氨氨酸酸操操纵子子和和亮亮氨氨酸酸操操纵子子、嘧啶合成操合成操纵子等等。子等等。第一第一节节 原核基因表达原核基因表达调调控控总论总论2023/4/2294.降解物降解物对基因活性的基因活性的调节v有葡萄糖存在的情况下，即使在有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相物，与其相对应的操的操纵子也不会启子也不会启动，不会，不会产生出代生出代谢这些

9、糖的些糖的酶来，来，这种种现象象称称为葡萄糖效葡萄糖效应或称或称为降解物抑制作用降解物抑制作用。v降解物抑制作用是通降解物抑制作用是通过提高提高转录强度来度来调节基因表达的，基因表达的，是一种是一种积极的极的调节方式。方式。第一第一节节 原核基因表达原核基因表达调调控控总论总论2023/4/22105.细菌的菌的应急反急反应v细菌菌有有时会会碰碰到到紧急急状状况况，比比如如氨氨基基酸酸饥饿氨氨基基酸酸的的全全面面匮乏乏。细菌菌会会产生生一一个个应急急反反应停停止止包包括括生生产各各种种RNA、糖、和蛋白、糖、和蛋白质的几乎全部生物化学反的几乎全部生物化学反应过程。程。v实施施这一一应急急反反应

10、的的信信号号是是鸟苷苷四四磷磷酸酸(ppGpp)和和鸟苷苷五五磷磷酸酸(pppGpp)。产生生这两种物两种物质的的诱导物是空物是空载tRNA。n当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。nppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧急状况。ppGpp 影响RNA聚合酶与这些基因转录起始位点的结合，使基因被关闭。nppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们影响一大批操纵子而被称为超级调控因子。第二第二节节 乳糖操乳糖操纵纵子子2023/4/2211v1961年年，Jacob和和Monod提提出出了了操操纵子子模模型型

11、，这是是与与特特殊殊代代谢途径有关的基因途径有关的基因转录的的协同同调控模型。控模型。v操操纵子是基因表达和子是基因表达和调控的控的单元，典型的操元，典型的操纵子包括子包括:n结构构基基因因（除调节基因以外的所有基因），编码那些在某一特定的生物合成途径中起作用的、其表达被协同调控的酶。n调控控元元件件，如操纵序列，是调节结构基因转录的一段DNA序列。n调节基基因因，其产物能够识别调控元件，例如阻抑物，可以结合并调控操纵基因序列。第二第二节节 乳糖操乳糖操纵纵子子2023/4/2212v大大肠杆杆菌菌能能利利用用乳乳糖糖作作为碳碳源源，而而利利用用乳乳糖糖作作为碳碳源源的的酶只有当乳糖成只有当乳

12、糖成为惟一的碳源惟一的碳源时才会被合成。才会被合成。v大大肠杆杆菌菌乳乳糖糖操操纵子子（lactose operon）包包括括3个个结构构基基因因：Z、Y和和A，以以及及启启动子子、控控制制子子和和阻阻遏遏子子等等。转录的的调控是在启控是在启动区和操区和操纵区区进行的。行的。第二第二节节 乳糖操乳糖操纵纵子子2023/4/2213vP为启启动子，子，O为操操纵区，区，lacI编码阻遏子阻遏子v3个个结构构基基因因各各决决定定一一种种酶：Z编码-半半乳乳糖糖苷苷酶；Y编码-半乳糖苷透半乳糖苷透过酶；A编码-半乳糖苷乙半乳糖苷乙酰基基转移移酶。n-半乳糖苷酶是一种-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖

13、水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。n-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的-半乳糖苷透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。n-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第二第二节节 乳糖操乳糖操纵纵子子2023/4/22141.酶的的诱导lac体系受体系受调控的控的证据据v一一般般情情况况下下，lac+基基因因型型大大肠杆杆菌菌细胞胞内内-半半乳乳糖糖苷苷酶和和透透过酶的的浓度度很很低低，每每个个细胞胞只只有有12个个酶分分子子。但但是是，在在乳乳糖糖培培养养基基上上酶的的浓度度很很快快达达到到细胞胞总蛋蛋白白量量的的6%

14、或或7%，超，超过105个个酶分子分子lac mRNA/细胞。胞。v在在无无葡葡萄萄糖糖有有乳乳糖糖的的培培养养基基中中，lac+细菌菌中中将将同同时合合成成-半乳糖苷半乳糖苷酶和透和透过酶。第二第二节节 乳糖操乳糖操纵纵子子2023/4/22151.酶的的诱导lac体系受体系受调控的控的证据据v用用32P标记的的mRNA与与模模板板DNA进行行定定量量分分子子杂交交，表表明明培培养养基基中中加加入入乳乳糖糖12分分钟后后，编码-半半乳乳糖糖苷苷酶和和透透过酶的的lac mRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。第二第二节节 乳糖操乳糖操纵纵子子202

15、3/4/22161.酶的的诱导lac体系受体系受调控的控的证据据v实验室室常常用用两两种种乳乳糖糖类似似物物异异丙丙基基巯基基半半乳乳糖糖苷苷（IPTG）和和巯甲甲基基半半乳乳糖糖苷苷（TMG），在在酶活活性性分分析析中中常常用用发色色底底物物O-硝硝基基半半乳乳糖糖苷苷（ONPG）。因因为它它们都都不不是是半乳糖苷半乳糖苷酶的底物，所以又称的底物，所以又称为安慰性安慰性诱导物。物。第二第二节节 乳糖操乳糖操纵纵子子2023/4/22172.操操纵子模型及其影响因子子模型及其影响因子vJacob和和Monod通通过大大量量实验及及分分析析，建建立立了了现在在已已经被被人人们广泛接受的乳糖操广泛

16、接受的乳糖操纵子的控制模型。内容如下：子的控制模型。内容如下：nZ、Y、A基因基因产物由同一条多物由同一条多顺反子反子mRNA分子所分子所编码n该mRNA分分子子的的启启动区区（P）位位于于阻阻遏遏基基因因（I）与与操操纵区区（O）之之间，不不能能单独独起起始始半半乳乳糖糖苷苷酶和和透透过酶基基因因的的高高效表达。效表达。n操操纵区区是是DNA上上的的一一小小段段序序列列（仅为26bp），是是阻阻遏遏物物的的结合位点。合位点。2023/4/2218n当当阻阻遏遏物物与与操操纵区区相相结合合时，lacmRNA的的转录起起始始受受到抑制。到抑制。n诱导物物通通过与与阻阻遏遏物物结合合，改改变其其三

17、三维构构象象，使使之之不不能能与操与操纵区相区相结合，合，诱发lac mRNA的合成。的合成。第二第二节节 乳糖操乳糖操纵纵子子2023/4/22192.1.lac操操纵子的本底水平表达子的本底水平表达v两个矛盾：两个矛盾：n诱导物物需需要要穿穿过细胞胞膜膜才才能能与与阻阻遏遏物物结合合，而而转运运诱导物物需要需要转运运酶，转运运酶的合成有需要的合成有需要诱导。n人人们发现乳乳糖糖并并不不与与阻阻遏遏物物相相结合合，真真正正的的诱导物物是是异异构构乳糖，而后者是在乳糖，而后者是在-半乳糖苷半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。的催化下由乳糖形成的。v解解释：在在没没有有诱导物物的的情情况况下下，转运

18、运酶和和-半半乳乳糖糖苷苷酶仍仍有有本本地地水水平平的的表表达达。阻阻遏遏物物的的结合合并并非非绝对紧密密，偶偶尔会会掉掉下下，使得使得转录可以可以进行。表达量足以使行。表达量足以使诱导过程得以启程得以启动。第二第二节节 乳糖操乳糖操纵纵子子2023/4/22202.2.大大肠杆菌杆菌对乳糖的反乳糖的反应v在以甘油在以甘油为碳源的培养基中碳源的培养基中v加加乳乳糖糖以以前前，lac操操纵子子本本底底水平表达水平表达v加加 乳乳 糖糖 后后，阻阻 遏遏 物物 失失 活活，mRNA大量表达大量表达v乳乳糖糖耗耗尽尽，阻阻遏遏物物浓度度逐逐渐大大于于异异构构乳乳糖糖，阻阻遏遏状状态重重新新形形成，成

19、，mRNA水平下降。水平下降。v-半半乳乳糖糖苷苷酶半半衰衰期期长，其其活活性下降滞后。性下降滞后。第二第二节节 乳糖操乳糖操纵纵子子2023/4/22212.3.阻遏物阻遏物lacI基因基因产物及功能物及功能vlac操操纵子子阻阻遏遏物物mRNA是是由由弱弱启启动子子控控制制下下永永久久型型合合成成的的，该阻阻遏遏蛋蛋白白有有4个个相相同同的的亚基基，每每个个亚基基均均含含有有347个个氨氨基基酸酸残基，并能与残基，并能与1分子分子IPTG 结合合,每每个个细胞胞中中有有510个阻遏物分子。个阻遏物分子。vlacI基基因因由由弱弱启启动子子变为强启启动子子，细胞胞内内将将不不可可能能产生生足

20、足够的的诱导物物来来克克服服阻阻遏遏状状态，整整个个lac操操纵子子在在这些些突突变体体中中将将不不可可诱导。第二第二节节 乳糖操乳糖操纵纵子子2023/4/22南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院222.4.葡萄糖葡萄糖对lac操操纵子影响子影响v-半乳糖苷半乳糖苷酶在乳糖代在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖同半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大加入培养基中，大肠杆菌杆菌在耗尽外源葡萄糖之前不会在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发lac操操纵子。子。第二第二节节 乳糖操乳糖操纵纵子子2023/4/22南京农业大学南京农业大学 生命科学学院生命科学学院232.4.葡萄糖葡萄糖对lac操操纵子影响子影响v某某大大肠杆杆菌菌突突变体体，它它不不能能将将葡葡萄萄糖糖-6-磷磷酸酸转化化为下下一一步步代代谢中中间物物，该细菌菌的的lac基基因因能能在在葡葡萄萄糖糖存存在在时被被诱导合合成成。所所以以，不不是是葡葡萄萄糖糖而而是是它它的的某某些些降降解解产物物抑抑制制lac mRNA的的合合成成，科科学学上上把把葡葡萄萄糖糖的的这种种效效应称称之之为代代谢物物阻遏效阻遏效应。