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1、基因表达基因表达(真核真核)基因的活化基因的活化转录转录转录后加工转录后加工RNA转运至细胞质转运至细胞质翻译翻译翻译后加工翻译后加工基因表达的调控基因表达的调控适应环境、维持生长和发育需要适应环境、维持生长和发育需要主要是主要是转录转录水平的调控水平的调控一、基因表达调控的基本概念及其生物学意义1第1页/共27页2第2页/共27页适应外界条件的变化适应外界条件的变化方式：方式：诱导合成诱导合成(正调控正调控)或或阻遏合成阻遏合成(负调负调控控)一些相应的蛋白质一些相应的蛋白质特点：特点：转录与翻译偶联转录与翻译偶联，快速，快速二、原核生物基因表达的调控(一)原核生物基因表达调控的特点3第3页
2、/共27页调控机制调控机制操纵子操纵子(operon)结构基因启动子(promoter)操纵基因(operator)其他调控基因原核生物中一些成簇排列、相互协同的基因所组成的单位。一个操纵子结构基因(26)启动基因(启动子)操纵基因(其他调控基因)4第4页/共27页IPOZYa控制位点 结构基因DNA阻遏物启动子操纵基因-半乳糖苷酶通透酶转乙酰基酶1.乳糖操纵子乳糖操纵子的结构和诱导剂RNA聚合酶结合位点调控基因Lac操纵子(二)乳糖操纵子的结构和诱导剂5第5页/共27页-半乳糖苷酶 对乳糖的作用6第6页/共27页乳糖操纵子的发现：细菌可以以葡萄糖、乳乳糖操纵子的发现：细菌可以以葡萄糖、乳 糖
3、作为碳源糖作为碳源葡萄糖充分时：葡萄糖充分时：与葡萄糖代谢有关的酶与葡萄糖代谢有关的酶大量表达大量表达 与其他糖代谢有关的酶与其他糖代谢有关的酶少量少量葡萄糖耗尽、乳糖存在时葡萄糖耗尽、乳糖存在时(培养基培养基)：与乳糖代谢有关的酶与乳糖代谢有关的酶大量表达大量表达 与葡萄糖代谢有关的酶与葡萄糖代谢有关的酶少量少量7第7页/共27页Lac阻遏物由基因阻遏物由基因I编码编码结构特点：结构特点：具有具有4个相同亚基，每个亚基中都有个相同亚基，每个亚基中都有 一个与诱导剂结合的位点一个与诱导剂结合的位点调控机制：调控机制：无诱导剂时：无诱导剂时：Lac阻遏物与阻遏物与O基因结合，结构基因基因结合，结
4、构基因 关闭关闭有诱导剂时：有诱导剂时：Lac阻遏物与诱导剂结合，阻遏物构阻遏物与诱导剂结合，阻遏物构 象改变，不能与象改变，不能与O基因结合，结构基基因结合，结构基 因开放，因开放，RNA聚合酶结合、延伸，转聚合酶结合、延伸，转 录开始录开始2.Lac阻遏物的作用8第8页/共27页IDNAZYaOPmRNA阻遏物RNA pol没有诱导剂存在时调控基因9第9页/共27页IDNAZYaOPmRNA阻遏物RNA pol启动转录mRNA有诱导剂(别位乳糖或IPTG)存在时别位乳糖或IPTGprotein10第10页/共27页葡萄糖存在时：葡萄糖存在时：优先利用葡萄糖作为能源优先利用葡萄糖作为能源分解
5、物阻遏作用分解物阻遏作用(catabolite repression)葡萄糖的分解产物对其他酶的抑制效应，与葡萄糖的分解产物对其他酶的抑制效应，与cAMP有关有关葡萄糖葡萄糖cAMP乳糖操纵子乳糖操纵子加入外源加入外源cAMP乳糖操纵子乳糖操纵子3.CAP与cAMP复合物在乳糖操纵子表达 中的作用(-)(+)11第11页/共27页CAP-cAMP复合物的激活作用复合物的激活作用CAP(catabolite gene activator protein)：有两个相同亚基的蛋白质，都有两个相同亚基的蛋白质，都具有与具有与DNA结合的结构域和与结合的结构域和与cAMP结合的结构域结合的结构域cAMP
6、CAPCAP-cAMP复合物复合物乳糖操纵子乳糖操纵子(+)12第12页/共27页 CAP位+转录无葡萄糖时，cAMP浓度高有葡萄糖时，cAMP浓度低ZYaOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的调控机制13第13页/共27页mRNA低乳糖高乳糖低葡萄糖高cAMP高葡萄糖低cAMPRNA-polOPOPOPOP葡萄糖和乳糖在乳糖操纵子基因表达中的 联系效应14第14页/共27页环境条件的变化是相关基因表达的外界信号环境条件的变化是相关基因表达的外界信号 葡萄糖、乳糖浓度的变化葡萄糖、乳糖浓度的变化基因表达的基因表达的负调控负调控(negative regulation)Lac阻遏
7、物与操纵基因阻遏物与操纵基因O结合后抑制了结构基因的表达结合后抑制了结构基因的表达基因表达的基因表达的正调控正调控(positive regulation)CAP-cAMP复合物与相应的复合物与相应的DNA序列序列(CAP位位)结合后促进基因的表达结合后促进基因的表达原核生物基因(乳糖操纵子)表达调控的一般情况15第15页/共27页转录的激活与被转录区域的染色质结构变化有关：环境信号转导转录的激活与被转录区域的染色质结构变化有关：环境信号转导染色质活化染色质活化转转录的激活录的激活基因表达以正调控为主基因表达以正调控为主(活化蛋白激活靶基因活化蛋白激活靶基因)转录与翻译在不同的亚细胞区域进行转
8、录与翻译在不同的亚细胞区域进行三、真核生物基因表达的调控(一)真核生物基因表达调控的特点16第16页/共27页cDNAaDNA反式调节C顺式调节 mRNA C蛋白质CbAmRNA蛋白质AA17第17页/共27页1.顺式作用元件真核生物中，和被转录的结构基因在距离上比较接近的DNA序列，包括启动子和启动子上游近侧序列、及增强子等，和转录调控有关。(二)参与基因调控的顺式作用元件和 反式作用因子18第18页/共27页一类在真核细胞核中发挥作用的蛋白质因子一类在真核细胞核中发挥作用的蛋白质因子作用特点作用特点 识别和结合顺式作用元件中的特异靶序列，启动转识别和结合顺式作用元件中的特异靶序列，启动转录
9、例：转录因子录例：转录因子TFD 识别和结合识别和结合 TATA box 转录因子转录因子Sp1 识别和结合识别和结合 GC box 转录因子转录因子CTF1 识别和结合识别和结合 CAAT box反式作用因子与相应的顺式作用元件结合后才能启反式作用因子与相应的顺式作用元件结合后才能启动或有效启动转录动或有效启动转录2.反式作用因子(trans acting factors)19第19页/共27页反式因子有两个必需的结构域反式因子有两个必需的结构域DNA结合结构域：结合结构域：与顺式元件识别、结合与顺式元件识别、结合转录激活结构域：转录激活结构域：与其他反式因子或与其他反式因子或RNA聚合酶结
10、聚合酶结合合蛋白质20第20页/共27页两个短两个短-螺旋，之间螺旋，之间-转角结构联系；转角结构联系；其中一个其中一个-螺旋识别、进入螺旋识别、进入DNA双螺双螺旋结构的大沟旋结构的大沟最常见最常见DNA结合域之一，例：结合域之一，例：CAP(1)螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix)3.反式作用因子结构的模式21第21页/共27页约约30个氨基酸残基，其中个氨基酸残基，其中4个氨基酸残基个氨基酸残基(2个个Cys，2个个His或或4个个Cys)以配位键与以配位键与Zn2+相互作用相互作用 具有多个相同的锌指结构，与具有多个相同的锌指结构，与DNA双螺旋双螺旋大沟结合大沟结合
11、(2)锌指(zinc fingers)22第22页/共27页123456789蛋白质23第23页/共27页一段肽链中每隔一段肽链中每隔7个氨基酸残基就有一个亮氨酸残基出个氨基酸残基就有一个亮氨酸残基出现，形成现，形成-螺旋的两面螺旋的两面亲水面：亲水面：亲水性氨基酸残基构成亲水性氨基酸残基构成疏水面：疏水面：亮氨酸残基构成亮氨酸残基构成(亮氨酸拉链条亮氨酸拉链条)借疏水作用形成借疏水作用形成二聚体二聚体(同同二聚体二聚体/异异二聚体二聚体)发挥作用发挥作用DNA的结合域：拉链区以外的结构的结合域：拉链区以外的结构(3)亮氨酸拉链(leucine zippers)24第24页/共27页25第25页/共27页(4)螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix)26第26页/共27页27感谢您的观看！第27页/共27页