《基因的表达调控上原核基因表达调控模式.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基因的表达调控上原核基因表达调控模式.pptx（98页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
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98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。rRNA rRNA、tRNAtRNA编码基因转录合成编码基因转录合成RNARNA的过程的过程也属于基因表达。也属于基因表达。第2页/共98页 组成性
2、表达(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98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)。如，编码核糖体蛋白、线粒体蛋白、糖酵解酶等的基因。第4页/共98页 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。诱导(induction):适应环境条件变化基因表达水平增高的现象。这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)。阻遏(r
3、epression)：随环境条件变化而基因表达水平降低的现象。相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。第5页/共98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)
4、。第6页/共98页第7页/共98页2、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(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98页四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生
5、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9页/共98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10页/共98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（transcriptional regulationtranscriptional regulation）2 2、转录后水平上的调控、转录后水平上的调控（post-transcri
6、ptional 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11页/共98页第12页/共98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和医学奖第13页/共98页Jacob and Monod第14页/共98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
7、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15页/共98页第16页/共98页1 1、根据操纵子对调节蛋白（激活蛋白或阻遏蛋白）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17页/共98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18页/共98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
8、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19页/共98页可诱导调节（P235）：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20页/共98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
9、促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。第21页/共98页可阻遏调节（P235）：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22页/共98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物辅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23页/共98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
10、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24页/共98页第25页/共98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26页/共98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
11、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27页/共98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过度热休克基因的表达调控第28页/共98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,RN
12、A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29页/共98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30页/共98页第三节第三节 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31页/共98页一、乳糖操纵子的结构一、乳糖操纵子的结构第32页/共98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
13、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33页/共98页二、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34页/共98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35页/共98页第36页/共98页第37页/共98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38页/共98页第39页/共98页 这个mRNA分子的启动子
14、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40页/共98页第41页/共98页 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。第42页/共98页RNA聚合酶结合部位阻遏物结合部位第43页/共98页 操纵位点的回文序列第44页/共98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45页/共98页第46页/共98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
15、合成。第47页/共98页第48页/共98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，后者的合成又需要诱导。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49页/共98页真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有-半乳糖苷酶的预先存在。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50页/共98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操纵子
16、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51页/共98页乳糖第52页/共98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53页/共98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，细胞内就不可能产生足够的
17、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54页/共98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55页/共98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）/环腺苷酸受体蛋白（CRP）第56页/共98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：乙酰基转移酶c
18、AMPCAP复合物第57页/共98页第58页/共98页ATPATP腺苷酸环化酶cAMP（环腺苷酸）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，cAMP浓度低第59页/共98页+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的正调控的正调控第60页/共98页当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用如无CAP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。cAMPCAP复合物与启动子区的结合是转录起
19、始所必需的。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(catabolic repression)。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。第61页/共98页第62页/共98页The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.Repress
20、orRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCome on,let me throughNo wayJose!CAPCAP第63页/共98页The Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out
21、 of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!第64页/共98页The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolym
22、eraseAlright,Im off to the races.Come on,let me through!第65页/共98页五、五、LacLac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题1、A基因及其生理功能半乳糖苷分子（IPTG）-半乳糖苷酶分解产物（体内积累）-半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷分子（IPTG）乙酰基第66页/共98页2、lac基因产物数量上的比较-半乳糖苷酶：透过酶：乙酰基转移酶=1：0.5：0.2翻译水平上受到调节：（1）lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译；（2）在 lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。第67
23、页/共98页第四节第四节 色氨酸操纵子色氨酸操纵子（trp operontrp operon）内容提要：色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子的阻遏系统色氨酸操纵子的弱化机制第68页/共98页一、色氨酸操纵子的结构一、色氨酸操纵子的结构 调控基因调控基因 结构基因结构基因 催化分枝酸转变为色氨催化分枝酸转变为色氨酸酸 的酶的酶trpRtrp第69页/共98页第70页/共98页特点:(1)trpR和trpABCDE不连锁；(2)操纵基因在启动子内(3)有衰减子(attenuator)/弱化子(4)启动子和结构基因不直接相连，二者被 前导序列(Leader)所隔开 第71页/共98页二、trp 操纵子的阻
24、遏系统低低TrpTrp时：时：阻遏物不结合操纵阻遏物不结合操纵基因基因;高高TrpTrp时：时：阻遏物阻遏物+Trp +Trp 结结合操纵基因合操纵基因第72页/共98页三、三、trp trp 操纵子的弱化机制操纵子的弱化机制衰减子（attenuator）/弱化子前导序列（leader sequence）第73页/共98页1、弱化子：DNA中可导致转录过早终止的一段核苷酸序列（123-150区）。123150第74页/共98页 研究引起终止的mRNAmRNA碱基序列，发现该区mRNAmRNA通过自我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。第75页/共98页2 2、前导序列：在、前导序列：在
25、trp mRNA5trp mRNA5端端trpEtrpE基因的起始基因的起始密码前一个长密码前一个长162bp162bp的的mRNAmRNA片段。片段。第76页/共98页第77页/共98页3、弱化机制第78页/共98页第79页/共98页前导肽前导肽转录终止结构转录终止结构第80页/共98页 细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。第8
26、1页/共98页什么是操纵子（operon)?试说明色氨酸操纵子（Trp operon)在原核基因表达调控中的调控机制和重要作用。2003年武汉大学分子生物学试题第82页/共98页一、翻译起始的调控 RBS（核糖体结合位点）：mRNA链上起始密码子AUG上游的一段非翻译区。RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码子AUG之间的距离。SD-4-10（9）-AUG第五节第五节 转录后水平上的调控转录后水平上的调控第83页/共98页二、反义RNA的调节作用 原核生物基因转录后，会产生一些非编码的小RNA分子，能与mRNA中的特定序列配对并改变所配对mRNA分子的构象，从而导致翻译过程被开启或
27、关闭，也可能导致目标mRNA分子的快速降解第84页/共98页1、关于管家基因叙述错误的是(A)在生物个体的几乎各生长阶段持续表达(B)在生物个体的几乎所有细胞中持续表达(C)在生物个体全生命过程的几乎所有细胞中表达(D)在生物个体的某一生长阶段持续表达(E)在一个物种的几乎所有个体中持续表达 D第85页/共98页2、一个操纵子（元）通常含有(A)数个启动序列和一个编码基因(B)一个启动序列和数个编码基因(C)一个启动序列和一个编码基因(D)两个启动序列和数个编码基因(E)数个启动序列和数个编码基因 B第86页/共98页3、下列情况不属于基因表达阶段特异性的是，一个基因在 (A)分化的骨骼肌细胞
28、表达，在未分化的心肌细胞不表达 (B)胚胎发育过程不表达，出生后表达 (C)胚胎发育过程表达，在出生后不表达 (D)分化的骨骼肌细胞表达，在未分化的骨骼肌细胞不表达 (E)分化的骨骼肌细胞不表达，在未分化的骨骼肌细胞表达 A第87页/共98页4 4、乳糖操纵子（元）的直接诱导剂是 (A A)葡萄糖 (B B)乳糖 (C C)一半乳糖苷酶 (D D)透酶(E E)异构乳糖 E第88页/共98页5 5、L La ac c阻遏蛋白结合乳糖操纵子（元）的 (A A)C CA AP P结合位点 (B B)O O序列 (C C)P P序列 (D D)Z Z基因 (E E)I I基因B第89页/共98页6
29、6、cAMPcAMP与CAPCAP结合、CAPCAP介导正性调节发生在 (A)(A)葡萄糖及cAMPcAMP浓度极高时 (B)(B)没有葡萄糖及cAMPcAMP较低时 (C)(C)没有葡萄糖及cAMPcAMP较高时 (D)(D)有葡萄糖及cAMPcAMP较低时 (E)(E)有葡萄糖及CAMPCAMP较高时 C第90页/共98页7、Lac阻遏蛋白由(A)Z基因编码(B)Y基因编码(C)A基因编码(D)I基因编码(E)以上都不是 D第91页/共98页8、色氨酸操纵子（元）调节过程涉及 (A)转录水平调节 (B)转录延长调节 (C)转录激活调节 (D)翻译水平调节 (E)转录翻译调节 E第92页/共
30、98页 (A)Lac阻遏蛋白 (B)RNA聚合酶 (C)环一磷酸腺苷 (D)CAP-cAMP (E)异构乳糖 9、与O序列结合 10、与P序列结合 11、与CAP结合 12、与CAP位点结合 ABCD第93页/共98页13、乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物质在基因表达调控中作用的共同特点是A与启动子结合B与DNA结合影响模板活性C与RNA聚合酶结合影响其活性D与蛋白质结合影响该蛋白质结合DNA E与操纵基因结合D第94页/共98页14、DNA损伤修复的SOS系统A是一种保真性很高的复制过程BLexA蛋白是一系列操纵子的阻遏物CRecA蛋白是一系列操纵子的阻遏物D它只能修复嘧啶二聚体B第95页/共98页15、以下关于cAMP对原核基因转录的调控作用的叙述错误的是AcAMP可与分解代谢基因活化蛋白(CAP)结合成复合物BcAMP-CAP复合物结合在启动子前方C葡萄糖充足时，cAMP水平不高D葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用乳糖E葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用葡萄糖D第96页/共98页21、Lac 阻遏蛋白由 _ 基因编码，结合 _ 序列对 Lac 操纵子（元）起阻遏作用。22、Trp 操纵子的精细调节包括 _ 及 _ 两种机制。二、问答（作业）P278：2、3题IO阻遏机制弱化机制第97页/共98页感谢您的观看。第98页/共98页