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1、关于基因表达的调控(2)第一张，PPT共三十一页，创作于2022年6月Introduction第二张，PPT共三十一页，创作于2022年6月Activation of gene structure(chromosome)Initiation and termination of transcription Processing the transcript Transport to cytoplasm Translation of mRNAStages of regulation调控位点调控位点:Prokaryotic cell 原核原核 Eukaryotic cell真核真核 第三张，PPT
2、共三十一页，创作于2022年6月第一节第一节 转录水平的调控转录水平的调控一、操纵子模型一、操纵子模型 由法国科学家由法国科学家JacobJacob和和MonodMonod于于19601960年提出的一个有关原核年提出的一个有关原核基因表达调控的模型。获得基因表达调控的模型。获得19651965年诺贝尔生理学奖。年诺贝尔生理学奖。The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1965.for their discoveries concerning genetic control of enzyme 第四张，PPT共三十一页，创作于2022年6月（一）基本
3、概念（一）基本概念 顺顺式式作作用用元元件件（cis-acting element）：DNA元元件件是是指指DNA上上的的一段序列，它只能作用于同一条一段序列，它只能作用于同一条DNA，故称为顺式作用元件。，故称为顺式作用元件。结结构构基基因因（structural gene）：编编码码细细胞胞必必需需的的蛋蛋白白，如如酶酶和和结构蛋白的基因，叫结构基因。结构蛋白的基因，叫结构基因。调调节节基基因因（regulatory gene）：编编码码的的产产物物能能够够调调节节其其他他基因的表达，这样的基因叫调节基因。基因的表达，这样的基因叫调节基因。调调节节蛋蛋白白（regulatory prote
4、in）：调调节节基基因因的的表表达达产产物物，叫叫调调节节蛋蛋白白。由由于于调调节节蛋蛋白白能能够够自自由由地地与与其其相相应应的的结结合合位位点点结结合合，故故又又称称为反式作用因子（为反式作用因子（trans-acting element）。）。包包括括正正调调节节蛋蛋白白（又又叫叫激激活活蛋蛋白白activator）；负负调调节节蛋蛋白白，又叫阻遏蛋白又叫阻遏蛋白(repressor)。第五张，PPT共三十一页，创作于2022年6月 可诱导基因（可诱导基因（inducible gene）：）：当培养基中加入诱导物时，可以当培养基中加入诱导物时，可以诱导相应基因的表达，这些基因就叫可诱导基
5、因。诱导相应基因的表达，这些基因就叫可诱导基因。组成型基因（组成型基因（constitutive gene）：）：为了维持细菌或细胞的基本为了维持细菌或细胞的基本生命需要，总是在不断表达的基因，叫组成型基因。生命需要，总是在不断表达的基因，叫组成型基因。组成蛋白（组成蛋白（constitutive proteins）：）：在细胞内有许多蛋白质，在细胞内有许多蛋白质，其数量几乎不受外界环境的影响。这些蛋白质称为组成蛋白质。组成其数量几乎不受外界环境的影响。这些蛋白质称为组成蛋白质。组成蛋白质合成的速度是遗传上规定的，由于（蛋白质合成的速度是遗传上规定的，由于（1）启动子的天然效率，）启动子的天然
6、效率，靠它以制造靠它以制造mRNA；（；（2）核糖体阅读信使的速度；（）核糖体阅读信使的速度；（3）其信使被核）其信使被核酸酶降解的敏感性。酸酶降解的敏感性。正调控（正调控（positive control）：）：在操纵子中，结构基因本来不表在操纵子中，结构基因本来不表达，可当加入调节蛋白时，使该结构基因进行表达。这样的调控叫达，可当加入调节蛋白时，使该结构基因进行表达。这样的调控叫正调控。正调控。负调控（负调控（negative control）：）：在操纵子中，结构基因本来是表达在操纵子中，结构基因本来是表达的，当加入调节蛋白时，使该结构基因不表达。这样的调控叫负调控。的，当加入调节蛋白时
7、，使该结构基因不表达。这样的调控叫负调控。第六张，PPT共三十一页，创作于2022年6月（二）乳糖操纵子的结构（二）乳糖操纵子的结构Figure 10.4 The lac operon occupies 6000 bp of DNA.At the left the lacI gene has its own promoter and terminator.The end of the lacI region is adjacent to the promoter,P.The operator,O,occupies the first 26 bp of the long lacZ gene,fo
8、llowed by the lacY and lacA genes and a terminator.第七张，PPT共三十一页，创作于2022年6月 lacZ codes for the enzyme-galactosidase(-半乳糖苷酶半乳糖苷酶),whose active form is a tetramer of 500kDa.The enzyme breaks a-galactoside into its component sugars.For example,lactose is cleaved into glucose and galactose.lacY codes for
9、 the-galactoside permease（-半乳糖苷透半乳糖苷透过酶过酶）,a 30kDa membrane-bound protein constituent of the transport system.This transports-galactosides into the cell.lacA codes for-galactoside transacetylase（-半乳糖苷乙半乳糖苷乙酰转移酶酰转移酶）,an enzyme that transfers an acetyl group from acetyl-CoA to-galactosides.第八张，PPT共三十一
10、页，创作于2022年6月（三）乳糖操纵子学说（三）乳糖操纵子学说（Lac Operon Theory）一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵基因组成一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵基因组成一个操纵子。调节基因编码调节蛋白，调节蛋白与操纵基因结一个操纵子。调节基因编码调节蛋白，调节蛋白与操纵基因结合，从而调控结构基因的表达。合，从而调控结构基因的表达。乳糖为诱导物。当有乳糖存在时，乳糖与有活性的调节蛋乳糖为诱导物。当有乳糖存在时，乳糖与有活性的调节蛋白（阻遏物）结合时，阻遏物失活，则不能与操纵基因结合，白（阻遏物）结合时，阻遏物失活，则不能与操纵基因结合，解除对解除对-半乳糖苷酶基
11、因（结构基因）的抑制，开始表达。半乳糖苷酶基因（结构基因）的抑制，开始表达。如果去掉乳糖时，阻遏物又恢复其活力，与操纵基因如果去掉乳糖时，阻遏物又恢复其活力，与操纵基因DNA结合，将结合，将-半乳糖苷酶基因关闭。但这种关闭或开启并不是半乳糖苷酶基因关闭。但这种关闭或开启并不是100%100%。第九张，PPT共三十一页，创作于2022年6月Figure 10.7 Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to the operator;addition of inducer releases t
12、he repressor,and thereby allows RNA polymerase to initiate transcription.第十张，PPT共三十一页，创作于2022年6月（四）调控类型（四）调控类型 正调控（正调控（positive control）：）：在操纵子中，结构基因本来在操纵子中，结构基因本来不表达，可当加入调节蛋白（不表达，可当加入调节蛋白（无辅基诱导蛋白无辅基诱导蛋白）时，使该结构）时，使该结构基因进行表达。这样的调控叫正调控。基因进行表达。这样的调控叫正调控。负调控（负调控（negative control）：）：在操纵子中，结构基因本来在操纵子中，结构基
13、因本来是表达的，当加入调节蛋白（是表达的，当加入调节蛋白（阻遏蛋白阻遏蛋白）时，使该结构基因不）时，使该结构基因不表达。这样的调控叫负调控。表达。这样的调控叫负调控。1.1.可诱导的调控：可诱导的调控：在可诱导的操纵子中，加入在可诱导的操纵子中，加入 对基因表对基因表达有调节作用的小分子物质（达有调节作用的小分子物质（诱导物诱导物），则开启基因的转录活），则开启基因的转录活性。性。2.2.可阻遏的调控：可阻遏的调控：在可阻遏的操纵子中，加入在可阻遏的操纵子中，加入 对基因表对基因表达有调节作用的小分子物质（达有调节作用的小分子物质（辅阻遏物辅阻遏物），则关闭基因的转录），则关闭基因的转录活性。
14、活性。第十一张，PPT共三十一页，创作于2022年6月Figure 10.3 In positive control,trans-acting factors must bind to cis-acting sites in order for RNA polymerase to initiate transcription at the promoter.In a eukaryotic system,a structural gene is controlled individually.第十二张，PPT共三十一页，创作于2022年6月Figure 10.2 In negative cont
15、rol,a trans-acting repressor binds to the cis-acting operator to turn off transcription.In prokaryotes,multiple genes are controlled coordinately.第十三张，PPT共三十一页，创作于2022年6月Figure 10.21 Control circuits are versatile and can be designed to allow positive or negative control of induction or repression.第
16、十四张，PPT共三十一页，创作于2022年6月（五）操纵基因的结构（五）操纵基因的结构Figure 10.11 The lac operator has a symmetrical sequence.The sequence is numbered relative to the startpoint for transcription at+1.The regions of dyad symmetry are indicated by the shaded blocks.第十五张，PPT共三十一页，创作于2022年6月Figure 10.20 Operators may lie at var
17、ious positions relative to the promoter.（六）操纵基因的位置（六）操纵基因的位置第十六张，PPT共三十一页，创作于2022年6月Figure 9.10 RNA polymerase initially contacts the region from-55 to+20.When sigma dissociates,the core enzyme contracts to-30;when the enzyme moves a few base pairs,it becomes more compactly organized into the genera
18、l elongation complex.第十七张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第二节第二节 操纵子的其他调控形式操纵子的其他调控形式阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子半乳糖操纵子半乳糖操纵子氨基酸操纵子（氨基酸操纵子（色氨酸色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨 酸、亮氨酸、异亮氨酸等十几种）酸、亮氨酸、异亮氨酸等十几种）核苷酸操纵子核苷酸操纵子第十八张，PPT共三十一页，创作于2022年6月色氨酸（色氨酸（Trp）操纵子）操纵子:目目前前，有有多多种种氨氨基基酸酸操操纵纵子子的的结结构构已已研研究究清清楚楚，如如色色氨氨酸酸、苏苏氨氨酸酸、组组氨氨酸酸、苯苯丙丙氨氨酸酸
19、、亮亮氨氨酸酸、异异亮亮氨氨酸酸等等十十余余种种。我我们们仅仅讨讨论论Trp操纵子的基因表达调控。操纵子的基因表达调控。Trp操操纵纵子子是是合合成成代代谢谢途途径径中中最最具具代代表表性性的的例例子子。它它控控制制着着5个个结结构构基基因因（编编码码3种种酶酶）的的表表达达，分分别别为为trpE，D（邻邻氨氨基基苯苯甲甲酸酸合合成成酶酶），C（吲吲哚哚甘甘油油硼硼酸酸合合成成酶酶），B、A（色色氨氨酸酸合合成成酶酶 B链链和和A链链）。当当色色氨酸少或缺乏时，这氨酸少或缺乏时，这5个邻近的基因才开始转录成个邻近的基因才开始转录成mRNA。由由于于Trp操操纵纵子子是是一一个个合合成成体体系系
20、，与与糖糖的的分分解解代代谢谢无无关关，所所以以，与与Glu的存在与否没有关系。的存在与否没有关系。第十九张，PPT共三十一页，创作于2022年6月Figure 10.41 The trp operon consists of five contiguous structural genes preceded by a control region that includes a promoter,operator,leader peptide coding region,and attenuator.1.结构与功能结构与功能第二十张，PPT共三十一页，创作于2022年6月结构特点：结构特点：
21、（1）阻遏物基因）阻遏物基因trpR 和结构基因和结构基因trpEDCBA 不紧密连锁；不紧密连锁；（2）操纵基因在启动子区域内；）操纵基因在启动子区域内；（3）启动子，操纵基因不直接和结构基因毗邻，而和前导）启动子，操纵基因不直接和结构基因毗邻，而和前导序列直接相连；序列直接相连；（4）有衰减子结构。在合成代谢的操纵子的前导区内，存）有衰减子结构。在合成代谢的操纵子的前导区内，存在着类似终止子结构的一段在着类似终止子结构的一段DNA序列，该序列可以辅助阻遏作序列，该序列可以辅助阻遏作用，进行转录调控，故称为用，进行转录调控，故称为衰减子衰减子（attenuator）。）。第二十一张，PPT共
22、三十一页，创作于2022年6月2.调控方式调控方式trpRmRNAA:B:无活性无活性mRNAsTrptrpRmRNARNA pol第二十二张，PPT共三十一页，创作于2022年6月 经经测测序序后后发发现现，在在第第一一个个结结构构基基因因（trpE）的的5-端端有有一一个个长长160bp的的前前导导序序列列（leader sequence）。当当此此序序列列缺缺失失130160bp时时，mRNA总总是是最最高高水水平平的的。而而当当trp存存在在时时，mRNA的的表表达达水水平平降降低低。因因此此，此序列称为此序列称为衰减子（衰减子（attenuator）。）。3.3.衰减作用衰减作用第二
23、十三张，PPT共三十一页，创作于2022年6月表表.衰减子控制的氨基酸合成的操纵子中前导肽的氨基酸序列衰减子控制的氨基酸合成的操纵子中前导肽的氨基酸序列操纵子操纵子 前导肽的氨基酸序列前导肽的氨基酸序列色氨酸色氨酸 MetLysAlaIlePheValLysGlyTrpTrpArgThrSer(14肽)苏氨酸苏氨酸 MetLysArgIleSerThrThrIleThrThrThrIleThrIleThrThrGlyAsnGlyAlaGly组氨酸组氨酸 MetThrArgValGlnPheLysHisHisHisHisHisHisHisProAsp异亮氨酸异亮氨酸 MetThrAlaLeuLe
24、uArgValIleSerLeuValValIleSerValValVaLIle缬氨酸缬氨酸GEDA IleIleProProCysGlyAlaAlaLeuGlyArgGlyLysAla亮氨酸亮氨酸 MetSerHisIleValArgPheThrGlyLeuLeuLeuLeuAsnAlaPheIleVei ArgGlyArgProValGlyGlyIleGlnHis苯丙氨酸苯丙氨酸 MetLysHisIleProPhePhePheAlaPhePhePheThrPhePro异亮氨酸异亮氨酸-缬氨酸缬氨酸B MetThrThrSerMetLeuAsnAlaLysLeuLeuProThrAlaPr
25、oSerAla AlaValValValValArgValValValVaLValGlyAsnAlaPro第二十四张，PPT共三十一页，创作于2022年6月Figure 10.42 An attenuator controls the progression of RNA pol.into the trp genes.RNA pol.initiates at the P and then proceeds to position 90,where it pauses before proceeding to the attenuator at 140.In the absence of Trp
26、,the RNA pol.continues into the trpE genes(starts at+163).In the presence of Trp,90%probability of termination to release the 140b leader RNA.第二十五张，PPT共三十一页，创作于2022年6月Figure 10.43 The trp leader region can exist in alternative base-paired conformations.The center shows the four regions that can base
27、 pair.Region 1 is complementary to region 2,which is complementary to region 3,which is complementary to region 4.On the left is the conformation produced when region 1 pairs with region 2,and region 3 pairs with region 4.On the right is the conformation when region 2 pairs with region 3,leaving reg
28、ions 1 and 4 unpaired.Figure 9.26 Intrinsic terminators include palindromic regions that form hairpins varying in length from 7-20 bp.The stem-loop structure includes a G-C-rich region and is followed by a run of U residues.第二十六张，PPT共三十一页，创作于2022年6月Figure 11.29 The alternatives for RNA polymerase at
29、 the attenuator depend on the location of the ribosome,which determines whether regions 3 and 4 can pair to form the terminator hairpin.第二十七张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第第3 3节节 真核基因表达调控的要点真核基因表达调控的要点第二十八张，PPT共三十一页，创作于2022年6月真核生物与原核生物基因表达调控的特点比较：真核生物与原核生物基因表达调控的特点比较：1.真真核核生生物物的的基基因因数数目目比比原原核核生生物物的的多多，而而且且多多数
30、数基基因因组组基因含有内含子以及功能不清的重复序列等；基因含有内含子以及功能不清的重复序列等；原原核核的的染染色色质质是是裸裸露露的的DNA，而而真真核核的的染染色色质质则则是是由由DNA与与组组蛋蛋白白紧密结合形成为核小体；紧密结合形成为核小体；在在原原核核细细胞胞中中，染染色色质质的的结结构构对对基基因因的的表表达达没没有有明明显显的的调调控控作作用用，而而在真核中，这种作用是明显的。在真核中，这种作用是明显的。第二十九张，PPT共三十一页，创作于2022年6月 2.在原核基因转录的调控中，既有激活物的调控（在原核基因转录的调控中，既有激活物的调控（正调控正调控），），也有阻遏物的调控（也
31、有阻遏物的调控（负调控负调控），二者同等重要。在真核中虽然也有正调），二者同等重要。在真核中虽然也有正调控成分和负调控成分，但迄今已知的主要是正调控。而且一个真核基因控成分和负调控成分，但迄今已知的主要是正调控。而且一个真核基因通常有多个调控序列，必须有多个激活物同时特异地结合上，才能启动通常有多个调控序列，必须有多个激活物同时特异地结合上，才能启动基因的转录；基因的转录；3.原核基因的转录和翻译通常偶联在一起，而真核基因的转录是原核基因的转录和翻译通常偶联在一起，而真核基因的转录是在细胞核中进行，翻译在胞质中进行；在细胞核中进行，翻译在胞质中进行；4.生成的初级转录物需在核中进行转录后的加工和运输，所以，真生成的初级转录物需在核中进行转录后的加工和运输，所以，真核基因的表达有多种转录后的调控机制；核基因的表达有多种转录后的调控机制；第三十张，PPT共三十一页，创作于2022年6月感谢大家观看第三十一张，PPT共三十一页，创作于2022年6月