第七章基因的表达与调控——原核基因表达调控模式.ppt

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1、第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论随着生物个体的发育，随着生物个体的发育，DNA分子能有序地将其分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统转变反密码子系统转变成蛋白质，执行各种生理生化功能。成蛋白质，执行各种生理生化功能。科学家把从科学家把从DNA到蛋白质的过程称为到蛋白质的过程称为基因表达基因表达（gene expression），对这个过程的调节就称为，对这个过程的调节就称为基基因表达调控因表达调控（gene regulation，gene control）。基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。基因调控是现阶段分子生物学

2、研究的中心课题。1第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2v基因表达调控主要表现在以下二方面：基因表达调控主要表现在以下二方面：n转录水平上的调控转录水平上的调控n转录后水平上的调控：转录后水平上的调控：nmRNA加工成熟水平调控加工成熟水平调控n翻译水平调控翻译水平调控v不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。n原核生物中，原核生物中，营养状况营养状况和和环境因素环境因素对基因表达起着举足对基因表达起着举足轻重的影响。轻重的影响。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阶发育阶段段是基因

3、表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。响力大为下降。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2023-11-133v在转录水平上对基因表达的调控决定于在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结的结构、构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用配基的相互作用。v转录与翻译的特点：转录与翻译的特点：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。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基

4、因表达调控总论2023-11-1341.原核基因调控分类原核基因调控分类v 原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为制的不同可分为负转录调控负转录调控和和正转录调控正转录调控。n在负转录调控系统中，调节基因的产物是在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)。根据其作用特征又可分为。根据其作用特征又可分为负控诱导系统负控诱导系统和和负控阻遏系统负控阻遏系统二大类。二大类。n在正转录调控系统中，调节基因的产物是在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白激活蛋白(activator)。也可根据

5、激活蛋白的作用性质分为。也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱正控诱导系统导系统和和正控阻遏系统正控阻遏系统。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2023-11-135第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2023-11-1361.原核基因调控分类原核基因调控分类v 大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是因子，基因子，基因组序列分析后发现存在因组序列分析后发现存在6种种因子，并根据其相对分子质因子，并根据其相对分子质量的大小或编码基因进行命名，

6、其中量的大小或编码基因进行命名，其中70是调控最基本的生是调控最基本的生理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2023-11-1372.原核基因调控的主要特点：原核基因调控的主要特点：v 原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可诱导原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可诱导和可阻遏两大类和可阻遏两大类:n可诱导调节可诱导调节。是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的。是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，即在某些作用下，由原来关闭的状态转变

7、为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。这类基因中最突出的例子是物质的诱导下使基因活化。这类基因中最突出的例子是大肠杆菌的乳糖操纵子。大肠杆菌的乳糖操纵子。n可阻遏调节可阻遏调节。这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白。这类基因平时都是开启的，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。比如大肠杆菌中积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌中的色氨酸操纵子。的色氨酸操纵子。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2023-11-1383.弱化子对基因活性的影响弱化子对基因活性

8、的影响v 在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰-tRNA的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度的浓度。当操纵子被阻遏，。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段作用的那一段DNA序列被称为序列被称为弱化子弱化子。v 属于这种调节方式的有：大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯属于这种调节方式的有：大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操

9、纵子和亮氨酸操纵子、嘧操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等等。啶合成操纵子等等。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2023-11-1394.降解物对基因活性的调节降解物对基因活性的调节v 有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为称为葡萄糖效应葡萄糖效应或称为或称为降解物抑制作用降解物抑制

10、作用。v 降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，是一种积极的调节方式。是一种积极的调节方式。第一节第一节 原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论2023-11-13105.细菌的应急反应细菌的应急反应v 细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿氨基酸的氨基酸的全面匮乏。细菌会产生一个全面匮乏。细菌会产生一个应急反应应急反应停止包括生产各停止包括生产各种种RNA、糖、和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。、糖、和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。v 实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸实施这一应急反应

11、的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五和鸟苷五磷酸磷酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载。产生这两种物质的诱导物是空载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。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2023-11-1311v 1961年，年，Jacob和和Monod提出了提出了操纵子操纵子

12、模型，这是与特殊模型，这是与特殊代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。v 操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括:n结构基因结构基因（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调控元件调控元件，如操纵序列，是调节结构基因转录的一段DNA序列。n调节基因调节基因，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。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2023-11-1312v 大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳源的酶大肠杆菌能利用乳

13、糖作为碳源，而利用乳糖作为碳源的酶只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。v 大肠杆菌乳糖操纵子（大肠杆菌乳糖操纵子（lactose operon）包括）包括3个结构基个结构基因：因：Z、Y和和A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录的，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。调控是在启动区和操纵区进行的。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2023-11-1313v P为启动子，为启动子，O为操纵区，为操纵区，lacI编码阻遏子编码阻遏子v 3个结构基因各决定一种酶：个结构基因各决定一种酶：Z编码编码-半乳糖苷酶；半乳糖苷酶；Y编码编

14、码-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；A编码编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。半乳糖苷乙酰基转移酶。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。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2023-11-13141.酶的诱导酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证据v 一般情况下，一般情况下，lac+基因型大肠杆菌细胞内基因型大肠杆菌细胞内-半乳糖苷酶和半乳糖苷

15、酶和透过酶的浓度很低，每个细胞只有透过酶的浓度很低，每个细胞只有12个酶分子。但是，个酶分子。但是，在乳糖培养基上酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的在乳糖培养基上酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或或7%，超过，超过105个酶分子个酶分子lac mRNA/细胞。细胞。v 在无葡萄糖有乳糖的培养基中，在无葡萄糖有乳糖的培养基中，lac+细菌中将同时合成细菌中将同时合成-半乳糖苷酶和透过酶。半乳糖苷酶和透过酶。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2023-11-13151.酶的诱导酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证据v 用用32P标记的标记的mRNA与模板与模板DNA进行定量分子杂交，表明进行

16、定量分子杂交，表明培养基中加入乳糖培养基中加入乳糖12分钟后，编码分钟后，编码-半乳糖苷酶和透过半乳糖苷酶和透过酶的酶的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。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2023-11-13161.酶的诱导酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证据v 实验室常用两种乳糖类似物实验室常用两种乳糖类似物异丙基巯基半乳糖苷（异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）和巯甲基半乳糖苷（）和巯甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常用），在酶活性分析中常用发色底物发色底物O-硝基半乳糖苷（硝基半乳糖苷（ONPG）。因为它们都不是半）。因为它们都不是半乳糖苷酶的底物，所以又称为安慰性诱导物。乳糖苷酶的底物，所以又称为安慰性诱导物。第二节第二节 乳糖操纵子乳糖操纵子2023-11-13172.操纵子模型及其影响因子操纵子模型及其影响因子v Jacob和和Monod通过大量实验及分析，建立了现在已经被人通过大量实验及分析，建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子的控制模型。内容如下：们广泛接受的乳糖操纵子的控制模型。内容如下：nZ、Y