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1、原核基因的表达调控1 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一节第一节 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 组成性表达(constitutive
2、 expression)适应性表达(adaptive expression）二、基因表达的方式二、基因表达的方式 1 1、组成性表达：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，某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为通常被称为管家基因管家基因(housekeepinggene)。2、适应性表达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应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导导(induction)，这类基因被称为，这类基
3、因被称为可诱导的基因可诱导的基因(induciblegene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现相反，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可阻遏的基因基因(repressiblegene)。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（、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
4、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(stagespecificity)。2、空间特异性、空间特异性(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(cellortissuespecificity)。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
5、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）维持个体发育与分化（真核）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：原核基因表达的特点与调控环节原核基因表达的特点与调控环节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的调控转录水平上的调控翻译水平上的调控翻译水平上的调控一、原核基因表达的特点与调控环节一、原核基因表达的特点与调控环节表达特点表达特点:多以操纵子为转录单位多以操纵子为转录单位 以负性调控为主以负性调控为主 仅仅 含含 一一 种种 RN
6、ARNA聚聚 合合 酶酶，且且 因因 子子 决决 定定 RNARNA聚聚 合合 酶酶 识识 别别 特异性特异性 转录与翻译偶联转录与翻译偶联调控环节调控环节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-transcriptional 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1 1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）、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 负转录调控负转
7、录调控二、原核基因调控机制的类型二、原核基因调控机制的类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。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。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，由原来关闭的状态转变为工作状
8、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：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诱导操纵子模型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。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或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物
9、或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。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酶合成的酶合成的阻遏阻遏操纵子模型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。Jacob and Monod三、转录水平的调控三、转录水平的调控 -操纵子模型操纵子模型1961年，年，Monod和和Jacob提出，提出，1965年获诺贝尔生理学和医学奖年获诺贝尔生理学和医学奖（一）（一
10、）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（启动是基因表达的协调单位，由启动子（启动序列）、操纵基因（操纵序列）及其所控制的一组序列）、操纵基因（操纵序列）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。因产物的控制。启动子：启动子：RNA聚合酶特异性识别和结合的DNA序列，其本身并不转录，但决定转录的方向。操纵基因：操纵基因：阻遏蛋白识别和结合的DNA序列，是结构基因转录的开关。（二）（二）乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)(lac operon)内容提要：内容提要：乳糖操纵子的结构乳
11、糖操纵子的结构阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节CAPCAP的正性调节的正性调节协调调节协调调节1.乳糖操纵子乳糖操纵子(lacoperon)的结构的结构调控区调控区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ZYAOPDNAZ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。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
12、条多顺反子的mRNA分分子所编码子所编码这个这个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，而位于I与与O之间的启动子区（之间的启动子区（P，从，从I基因结束到转录起始位点下基因结束到转录起始位点下游游510，与，与RNA聚合酶结合），不能单独起动合成聚合酶结合），不能单独起动合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。操纵基因是操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为上的一小段序列（仅为26bp，-7+28，具有对称性），是阻遏物的结合位点。，具有对称性），是阻遏物的结合位点。RNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位阻遏物结合部位阻遏物结合部位 LacI 基因正好
13、与结构基因相邻，但它不与结构基基因正好与结构基因相邻，但它不与结构基因属同一转录单位因属同一转录单位(Transcriptionunit)，它有自己它有自己独立的转录单位，含自己的启动子和终止子。独立的转录单位，含自己的启动子和终止子。LacI编码可扩散的产物，理论上它不必位于结构编码可扩散的产物，理论上它不必位于结构基因的附近，它移到其它任何地方或作为一个基因的附近，它移到其它任何地方或作为一个DNA分子片段都能很好地发挥作用分子片段都能很好地发挥作用lacI基因转录是组成型的，不受任何阻遏蛋白的基因转录是组成型的，不受任何阻遏蛋白的控制，而只受启动子强度的控制。实际上，它是由控制，而只受启
14、动子强度的控制。实际上，它是由弱启动子控制的。弱启动子控制的。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 mRNAlac mRNA的转的转录起始受到抑制。录起始受到抑制。2.2.阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节*实际上，在非诱导状态下，仍有少量少实际上，在非诱导状态下，仍有少量少量量lacmRNA合成，这种合成被称为合成，这种合成被称为本底本底水平的组成性合成水平的组成性合成（backgroundlevelconstinutivesynthesis）。）。矛盾：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。诱导物通过与阻遏物结合，改变它
15、的三维构象，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，从而激发使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被的合成。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阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的的合成。合成。真正的诱导物是真正的诱导物是异乳糖异乳糖而非乳糖，前者是而非乳糖，前者是在在-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的。半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的。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）。大肠杆菌对乳糖的反应培养
16、基：甘油培养基：甘油按照按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的分子的-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lacmRNA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3.CAP3.CAP的正性调节的正性调节分解代谢物激活蛋白（分解代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白环腺甘酸受体蛋白
17、（CRP）：）：分解代谢物基因激活蛋白（CAP）为同二聚体，分子内含DNA结合区和cAMP结合位点。cAMP由ATP在腺苷酸环化酶作用下转换而来，其浓度受葡萄糖代谢浓度的调节。ATPATP腺甘酸环化酶腺甘酸环化酶cAMP（环腺甘酸）（环腺甘酸）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+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
18、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，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。操纵子仍无转录活性。cAMPCAP复合物与启动子复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。区的结合是转录起始所必需的。4.4.协调调节协调调节葡葡萄萄糖糖对对lac操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用用称称分分解解代代谢阻遏谢阻遏(catabolicrepression)。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。用葡萄糖。葡萄糖的分解物抑制腺苷酸环化酶
19、活性，引起细胞内cAMP合成量降低，启动子释放cAMP-CAP蛋白，RNA聚合酶不能与乳糖的启动序列结合，以至转录不能发生The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,ImconstitutiveComeon,letmethroughNo wayJose!CAPCAPThe Lac Operon:When Lactose Is Present But
20、Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,ImconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZO
21、peratorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,ImconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,Imofftotheraces.Comeon,letmethrough!有葡萄糖存在时，细菌优先选择葡萄糖供应能量，阻遏蛋白封闭乳糖操纵子转录。此外，若还有乳糖存在，葡萄糖通过降低 cAMP浓度，阻碍cAMP与CAP结合而抑制乳糖操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。在没有葡萄糖而只有乳糖的条件下，阻遏蛋白与
22、 O序列解聚，CAP结合cAMP后与乳糖操纵子的CAP位点，激活转录，使得细菌利用乳糖作为能量来源。对乳糖操纵子来说 CAP是正性调节因素，乳糖阻遏蛋白是负性调节因素。两种调节机制根据存在的碳源性质及水平协调调节乳糖操纵子的表达。可诱导的操纵子的一般规律：可诱导的操纵子的一般规律：1.1.这类操纵子的基因所编码的蛋白质总是分解糖和这类操纵子的基因所编码的蛋白质总是分解糖和氨基酸的；氨基酸的；2.2.这些操纵子常常是关闭的，必要时才打开。这些操纵子常常是关闭的，必要时才打开。为什么？为什么？细菌总是利用更一般的能源物质细菌总是利用更一般的能源物质-葡萄糖的水解来葡萄糖的水解来提供能量，因此这些操纵子常常是关闭的。一旦提供能量，因此这些操纵子常常是关闭的。一旦生存条件发生变化，如葡萄糖发生缺乏而必须利生存条件发生变化，如葡萄糖发生缺乏而必须利用乳糖作为能源时，就能打开这些基因。用乳糖作为能源时，就能打开这些基因。