原核基因表达调控2011课件

基因表达的调控基因表达的调控1l基因表达基因表达是指贮存在 DNA序列中的遗传信息经过一系列步骤表现出其生物学功能的过程永久型和调节型表达2l基因表达基因表达 =基因转录基因转录 +翻译翻译3基因表达调控（ regulation of gene expression）：对基因表达过程各层次的调节转录水平（ transcriptional level）转录后水平（ post-transcriptional level ）翻译水平（ translation level）翻译后水平（ post-translation level）4主要是主要是 转录水平的调控转录水平的调控1.DNA序列序列2.调控蛋白调控蛋白3.DNA-蛋白质相互作用蛋白质相互作用RNA聚合酶活性聚合酶活性5l基因表达的调控方式基因表达的调控方式 :阻遏阻遏负调控负调控 :调控蛋白调控蛋白 +DNA序列序列 基因的表达基因的表达 (相应蛋白质相应蛋白质 降低降低 )促进促进正调控正调控 :调控蛋白调控蛋白 +DNA序列序列 基因的表达基因的表达(相应蛋白质相应蛋白质 增加增加 )6第一节 原核生物基因表达的调控78一、乳糖操纵子 (lactose operon)l操纵子（操纵子（ operon） ： 原核生物原核生物 中几个功能相关的结构基因成簇中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位串联排列组成的一个基因表达的协同单位（ DNA序列）序列） .一个操纵子一个操纵子=编码序列（编码序列（ 2-6）+启动序列启动序列 +操纵序列操纵序列 +(其他调节序列其他调节序列 )9l乳糖操纵子的发现：乳糖操纵子的发现：细菌以细菌以 葡萄糖葡萄糖 为能量来源为能量来源葡萄糖充分时：葡萄糖充分时：与与 葡萄糖代谢葡萄糖代谢 有关的酶基因有关的酶基因 -表达表达与与 其他糖代谢其他糖代谢 有关的酶基因有关的酶基因 -关闭关闭葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）：葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）：与与 乳糖代谢乳糖代谢 有关的酶基因有关的酶基因 -表达表达与与 葡萄糖代谢葡萄糖代谢 有关的酶基因有关的酶基因 -关闭关闭10l细菌对乳糖的利用及其相关的细菌对乳糖的利用及其相关的 酶酶 :乳糖乳糖 (在透过酶作用下进入细菌）在透过酶作用下进入细菌）半乳糖苷酶半乳糖苷酶（细菌中少量存在）（细菌中少量存在）异构乳糖异构乳糖半乳糖苷酶半乳糖苷酶（细菌中少量存在）（细菌中少量存在） 葡萄糖葡萄糖 +半乳糖半乳糖半乳糖苷酶半乳糖苷酶（细菌中少量存在）（细菌中少量存在）转转 乙酰基酶乙酰基酶11I P O Z Y a控制位点控制位点 结构基因结构基因DNA阻遏蛋白阻遏蛋白 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 半乳糖苷酶半乳糖苷酶 半乳糖苷透过酶半乳糖苷透过酶 乙酰基转移酶乙酰基转移酶（一）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子（ lactose opron） 结构结构RNA聚合酶聚合酶结合位点结合位点调控基因调控基因12（二） Lac阻遏物的作用 -负调控l Lac阻遏物阻遏物l 结构特点结构特点l 调控机制调控机制（负调控）（负调控）l 由由 基因基因 I编码生成的编码生成的 蛋白质蛋白质l 具有四级结构的蛋白质具有四级结构的蛋白质l 具有具有 4个相同亚基个相同亚基l 每个亚基中都有一与诱导剂结合的每个亚基中都有一与诱导剂结合的位点位点l Lac阻遏物与阻遏物与 O基因结合基因结合 ：结构基因结构基因 关闭关闭l Lac阻遏物与阻遏物与 诱导剂诱导剂 结合：结合：不与不与 O基因结合，结构基因基因结合，结构基因 开放开放RNA聚合酶结合，转录开始聚合酶结合，转录开始13l 生理性诱导剂生理性诱导剂l 实验常用诱导剂实验常用诱导剂l 别位乳糖别位乳糖l 异丙基硫代半乳糖（异丙基硫代半乳糖（IPTG）lLac操纵子诱导剂操纵子诱导剂14I OO诱导剂乳糖操纵子的负调控图 15-415可诱导调节l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16（ 三） CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用 -乳糖操纵子的 正调控低葡萄糖、高乳糖、高 cAMP时： v Lac 阻遏蛋白 不 封闭转录 ,v CAP+ cAMP 加强转录。17l 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。 与与 阻遏蛋白阻遏蛋白 的存在有关的存在有关-乳糖操纵子的负调控乳糖操纵子的负调控 与与 cAMP有关：有关：葡萄糖葡萄糖 cAMP Lac操纵子（操纵子（ -）l 只有乳糖存在时：只有乳糖存在时： 只能利用乳糖只能利用乳糖 解除解除 阻遏蛋白阻遏蛋白 的作用的作用 CAP-cAMP复合物的激活作用复合物的激活作用CAP+cAMP乳糖操纵子乳糖操纵子导致结构基因转录导致结构基因转录 (正调控正调控 )v cAMP 在在 原核生物中的作用原核生物中的作用（饥饿信号）（饥饿信号）v CAP(分解物基因激活物蛋白分解物基因激活物蛋白 ): 有二个相同亚基的蛋白质有二个相同亚基的蛋白质 一个与一个与 DNA结合的结合的 domain一个与一个与 cAMP结合的结合的 domain 18I P O Z Y a调控基因调控基因 控制位点控制位点 结构基因结构基因DNA阻遏蛋白阻遏蛋白 启动序列启动序列cAMP-CAP结合位点结合位点操纵序列操纵序列 半乳糖苷酶半乳糖苷酶 通透酶通透酶 乙酰基转移酶乙酰基转移酶乳糖操纵子（乳糖操纵子（ lactose opron） 结构结构RNA聚合酶聚合酶结合位点结合位点19 CAP- cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用 -正调控条件 2:低乳糖条件 3:低乳糖条件 4:高葡萄糖低 cAMP高乳糖Lac 阻遏蛋白封闭转录时 ,CAP对该系统不发挥作用条件 1:低葡萄糖高 cAMP高乳糖Lac 阻遏蛋白 不 封闭转录时 ,没有 CAP存在 ,也 无高效转录活性。Lac 阻遏蛋白 不 封闭转录 ,CAP+ cAMP 加强转录。OO O图 15-520m原核生物基因表达的一般情况（乳糖操纵子）l 环境条件的变化是相关环境条件的变化是相关基因表达的外界信号基因表达的外界信号l 基因表达基因表达 的的 负调控负调控l 基因表达基因表达 的的 正调控正调控l 正、负调控协同表达正、负调控协同表达 葡萄糖、乳糖浓度的葡萄糖、乳糖浓度的变化变化 Lac阻遏物阻遏物 与操纵基因与操纵基因 cAMP+CAP与相应的与相应的 DNA序列序列21二、色氨酸操纵子1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控调控基因 结构基因催化分支酸转变为色氨酸的酶trpRtrp22l阻遏物对色氨酸操纵子的负调控阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 阻遏物阻遏物 + Trp 结合操纵基因结合操纵基因相同二个相同二个 共阻遏物共阻遏物亚基组成亚基组成 的蛋白质的蛋白质高高 Trp时：阻遏物时：阻遏物 +Trp 结合操纵基因结合操纵基因低低 Trp时：阻遏物时：阻遏物 不结合操纵基因不结合操纵基因232.衰减作用对色氨酸操纵子的调控衰减作用对色氨酸操纵子的调控衰减子衰减子 （ attenuator） -DNAv位于位于 L基因中基因中 ,离离 E基因基因 5 端约端约 30-60bp。v通过通过 衰减子（转录终止结构）衰减子（转录终止结构） 使转录终止。使转录终止。v高高 Trp 时：衰减子起作用，终止转录。时：衰减子起作用，终止转录。产生产生 “ 衰减子转录产物衰减子转录产物 ” （ mRNA) ，转录、翻译偶联，同时产生转录、翻译偶联，同时产生 “ 前导肽前导肽 ” 。24前导肽转录终止结构图 15-625The leader RNA and leader peptide of the trp operon 26Low TrpHigh TrpComplementary 2:3 Elongation of transcription Complementary 3:4 termination of transcription27l 高高 Trp时：时： Trp-tRNATrp 存在存在核糖体通过片段核糖体通过片段 1(2个个 Trp密码子密码子 ) 封闭片段封闭片段 2片段片段 3， 4形成形成 发夹结构发夹结构类似于不依赖类似于不依赖 因子的转录终止序列因子的转录终止序列RNA聚合酶停止转录聚合酶停止转录 ,产生衰减子转录产物产生衰减子转录产物转录、翻译偶联转录、翻译偶联 ,产生前导肽产生前导肽28l 低低 Trp时：时： Trp-tRNATrp 没有供应没有供应核糖体翻译停止在片段核糖体翻译停止在片段 1（ 2个个 Trp密码子）密码子）片段片段 2， 3形成形成 发夹结构发夹结构转录不终止转录不终止RNA聚合酶继续转录聚合酶继续转录29三、 其他操纵子的调控机制1 半乳糖操纵子l 大肠杆菌半乳糖操纵子 (galactose operon)包括 3个结构基因：异构酶 (U