原核基因表达调控16青波

1、第六章第六章 基因的表达与调控（上）基因的表达与调控（上）原核基因表达调控模式原核基因表达调控模式目的与要求目的与要求掌握基因表达的概念。掌握基因表达的概念。掌握原核基因表达调控的基本原则及乳糖操纵子。掌握原核基因表达调控的基本原则及乳糖操纵子。掌握掌握trp操纵子的工作原理。操纵子的工作原理。熟悉转录后调控的种类及原理。熟悉转录后调控的种类及原理。了解半乳糖操纵子的作用机制、了解阿拉伯糖操纵了解半乳糖操纵子的作用机制、了解阿拉伯糖操纵子的作用机制。子的作用机制。第一节第一节 基因表达调控概述基因表达调控概述基因表达（基因表达（gene expression） 概念：通过转录和翻译，使遗传信息

2、转变成各种概念：通过转录和翻译，使遗传信息转变成各种功能性蛋白质的过程。功能性蛋白质的过程。 dna蛋白质蛋白质翻译翻译rna 转录转录基因表达的时间性及空间性基因表达的时间性及空间性（一）时间特异性（一）时间特异性按功能需要，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(temporal specificity)。 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)。（二）空间特异性（二）空间特异性基因表达伴随

3、时间顺序所表现出的这种分基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的称之为基因表达的空间特异性空间特异性(spatial specificity)。在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基组

4、织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为因，这类基因表达被视为组成性基因表达组成性基因表达(constitutive gene expression)(constitutive gene expression)。基因表达的方式基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一）组成性表达（一）组成性表达管家基因管家基因(housekeeping gene)。某些在一个个体的几乎所有细胞中持续表某些在一个个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。达的基因。管家基因管家基因（二）诱导和阻遏表达（二）诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的

5、基因被激在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导可诱导基因基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为称为诱导诱导(induction)。dnadna损伤损伤 修复酶基因激活修复酶基因激活1.1.可诱导基因与诱导可诱导基因与诱导2.可阻遏基因与阻遏可阻遏基因与阻遏如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏阻遏(repression)。在一定机制控

6、制下，功能上相关的一组基在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共 同 表 达 ， 即 为共 同 表 达 ， 即 为 协 调 表 达协 调 表 达 ( c o o r d i n a t e expression) 。基因的协调表达基因的协调表达基因表达的调控基因表达的调控 概念：概念： （gene regulation or gene control） 对基因表达过程的调节。对基因表达过程的调节。一般规律：一般规律： 机体需要机体需要基因表达开始基因表达开始（on）机体不需要机体不需要基因表达停止基因表达停止 （of

7、f）可能有本底水平的基因表达：每个细胞只合成可能有本底水平的基因表达：每个细胞只合成1或或2 个个mrna分子和极少量的蛋白质分子。分子和极少量的蛋白质分子。基因表达调控的分类基因表达调控的分类（1）转录水平上的调控）转录水平上的调控（2）转录后水平上的调控）转录后水平上的调控 mrna加工成熟水平上的加工成熟水平上的调控调控 翻译水平上的调控翻译水平上的调控原核与真核生物转录及翻译的总特点原核与真核生物转录及翻译的总特点 扫描图片扫描图片二、原核基因表达调控机制的二、原核基因表达调控机制的类型与特点类型与特点 原核基因表达调控主要发生在转录水平上。原核基因表达调控主要发生在转录水平上。负转录

8、调控负转录调控正转录调控正转录调控调节基因的产物是阻遏蛋白调节基因的产物是阻遏蛋白调节基因的产物是激活蛋白调节基因的产物是激活蛋白 调节物结合到调节物结合到dnadna上上正调节正调节负调节负调节是是开启开启关闭关闭否否关闭关闭开启开启编码序列编码序列 调节序列调节序列 启动序列启动序列(promoter) 操纵序列操纵序列(operator)激活蛋白激活蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白与激活蛋白阻遏蛋白与激活蛋白负转录负转录调控调控正转录正转录 调控调控正控阻遏正控阻遏正控诱导正控诱导负控阻遏负控阻遏负控诱导负控诱导阻遏蛋白阻遏蛋白+诱导诱导无活无活阻遏蛋白阻遏蛋白+阻遏阻遏无活无活激活蛋白激活

9、蛋白+诱导诱导激活蛋白激活蛋白+效应物效应物效应物效应物效应物效应物效应物效应物诱导因子诱导因子诱导因子诱导因子共阻遏物共阻遏物共阻遏物共阻遏物阻遏阻遏负转录负转录调控调控正转录正转录 调控调控正控阻遏正控阻遏正控诱导正控诱导负控阻遏负控阻遏负控诱导负控诱导阻遏蛋白阻遏蛋白+诱导诱导无活无活阻遏蛋白阻遏蛋白+阻遏阻遏无活无活激活蛋白激活蛋白+诱导诱导激活蛋白激活蛋白+效应物效应物效应物效应物效应物效应物效应物效应物诱导因子诱导因子诱导因子诱导因子共阻遏物共阻遏物共阻遏物共阻遏物阻遏阻遏 lac o i 阻遏物阻遏物 阻遏阻遏 诱导诱导 失活的阻遏物负控诱导负控诱导mrna trp o 无活的阻

10、遏蛋白无活的阻遏蛋白辅辅-阻遏物阻遏物 阻遏阻遏基因表达基因表达 负控阻遏负控阻遏正正 控控 诱诱 导导活化的激活蛋白失活的活性蛋白 诱导物基因不表达基因不表达基因表达基因表达 活化的激活蛋白活化的激活蛋白 辅辅-阻遏物阻遏物 基因表达基因表达 阻遏阻遏正控阻遏正控阻遏第二节第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统一、原核基因表达的操纵子模型一、原核基因表达的操纵子模型 操纵子（操纵子（operon）的概念：）的概念： 功能相关的基因成簇地串连、密集于染色体上，共功能相关的基因成簇地串连、密集于染色体上，共同组成的转录单位。同组成的转录单位。 操纵子的组成：操纵子的组成： 编码

11、序列编码序列 调控区调控区 1个启动序列（个启动序列（promoter，p） 二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子的结构（一）乳糖操纵子的结构(lac operon) 调控区调控区capcap结合位点结合位点 启动序列启动序列（promotorpromotor） 操纵序列操纵序列（operatoroperator） 结构基因结构基因z z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶y y： 透酶透酶a a：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶z zy ya ao op pdnadnamrnamrna阻遏蛋白阻遏蛋白i idnadnaz zy ya ao op ppopol l没有乳糖存在时没有乳糖

12、存在时（二）阻遏蛋白的负性调节（二）阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因mrnamrna阻遏蛋白阻遏蛋白只有乳糖存在时只有乳糖存在时i idnadnaz zy ya ao op ppolpol启动转录启动转录mrnamrna乳糖乳糖异构乳糖异构乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶无葡萄糖，无葡萄糖，campcamp浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，campcamp浓度低时浓度低时（三）（三）capcap（catabolitecatabolite gene activation protein gene activation protein） 的正性调节的正性调节z zy ya ao op pdnadna

13、capcapcapcap+ + + + + + + + 转录转录capcapcapcapcapcapcap结合位点结合位点campcapcap葡萄糖对葡萄糖对 laclac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏分解代谢阻遏（一）操纵子（一）操纵子（operon） 概念：功能相关的基因成簇地串连、密集于染概念：功能相关的基因成簇地串连、密集于染色体上，共同组成的转录单位。色体上，共同组成的转录单位。 二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子的结构（一）乳糖操纵子的结构(lac operon) 调控区调控区capcap结合位点结合位点 启动序列启动序列（promot

14、orpromotor） 操纵序列操纵序列（operatoroperator） 结构基因结构基因z z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶y y： 透酶透酶a a：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶z zy ya ao op pdnadnai阻遏蛋白阻遏蛋白二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制z zy ya ao op pdnadnaimrnamrna阻遏蛋白阻遏蛋白1.1.阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节rna-pol 没有乳糖存在时没有乳糖存在时有有乳糖存在时乳糖存在时- -半乳糖苷酶半乳糖苷酶异构异构乳糖乳糖转录转录z zy ya ao op pdnadna无葡萄糖，无葡萄糖，campcamp浓

15、度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，campcamp浓度低时浓度低时（三）（三）capcap（catabolitecatabolite gene activation protein gene activation protein） 的正性调节的正性调节capcapcapcapcapcapcapcapcapcapcap结合位点结合位点capcaprna-pol 转录转录内容回顾内容回顾 操纵子的概念：操纵子的概念： 乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构 乳糖操纵子的表达调控乳糖操纵子的表达调控 阻遏蛋白的负性调控阻遏蛋白的负性调控 cap的负性调控的负性调控cappotttaca -35区区tatg

16、tt -10区区cap结合位点5-attaatgtgagttagctcac tcattagg-3cap中央对称序列中央对称序列cap binding bends dnapromotorcap binding site（四）协调调节（四）协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，capcap对该系统不能对该系统不能发挥作用；发挥作用；如无如无capcap存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；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若有葡萄糖或葡萄糖/ /乳糖共

17、同存在时，乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。细菌首先利用葡萄糖。低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 葡萄糖高葡萄糖高ooadabcdmrnarna-polocob1.a1.a基因及其生理功能基因及其生理功能2.lac2.lac基因产物数量上的比较基因产物数量上的比较3.3.操纵子的融合与基因工程操纵子的融合与基因工程lac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题1.a基因及其生理功能基因及其生理功能-半乳糖苷半乳糖苷 - 半乳糖苷半乳糖苷衍生物衍生物生长抑制生长抑制乙酰乙酰-半乳糖苷半乳糖苷-半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷乙酰基转移酶乙酰乙酰coacoa-半乳糖苷酶半乳糖苷

18、酶a基因基因2.lac基因产物数量上的比较基因产物数量上的比较z zy ya ao op pdnadna1： 0.5： 0.2(1) lac mrna 与翻译过程中的核糖体脱离与翻译过程中的核糖体脱离(2) lac mrna a基因更容易受到内切酶的作用基因更容易受到内切酶的作用发发生降解生降解第三节第三节 色氨酸操纵子与负阻遏系统色氨酸操纵子与负阻遏系统色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（tryptophan operon）的）的代谢特点：代谢特点：1.参与参与 trp 的生物合成而不是降解。的生物合成而不是降解。2.环境中有充足的环境中有充足的 trp 时，不（低）表达。时，不（低）表达。3.环境

19、中缺乏环境中缺乏 trp 时，高表达。时，高表达。4.它不受葡萄糖它不受葡萄糖 c-ampcrp调控。调控。5.（辅）阻遏蛋白的负调控调控。（辅）阻遏蛋白的负调控调控。6.弱化子的负调控调控。弱化子的负调控调控。邻氨基苯甲酸合酶邻氨基苯甲酸合酶邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶磷酸核糖邻氨基苯甲酸异构酶磷酸核糖邻氨基苯甲酸异构酶吲哚甘油磷酸合酶吲哚甘油磷酸合酶色氨酸合酶色氨酸合酶trp etrp dtrpctrp atrp btrprabcdeoplatrprtrpptrpo trpe trpd trpc trpb trpae. coli 色氨酸操纵子模型trp合成途径还存在

20、色氨酸操纵子中衰减子衰减子所引起的衰减调节。前导区前导区mrna前导肽前导肽（14aa）衰减子衰减子 12344231mrnatrp codons终止密码uuuuuuuuuu弱化子调控的意义弱化子调控的意义 在大量外源色氨酸存在时，及时快速阻止先导在大量外源色氨酸存在时，及时快速阻止先导mrna的链的合成，使避免物质与能量的浪费。的链的合成，使避免物质与能量的浪费。备用备用四、半乳糖操纵子四、半乳糖操纵子(galactose operon) 大肠杆菌半乳糖操纵子大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)包括包括3个结构基因个结构基因 异构酶异构酶(udp-galactose-4e

21、pimerase,gale)，半乳糖半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose transferase, galt)，半乳糖激酶半乳糖激酶(galactose kinase, galk)。 这这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。可以作为唯一碳磷酸。可以作为唯一碳源供细胞生长。源供细胞生长。 galr与与gale、t、k及操纵区及操纵区o等离得很远，等离得很远，而而galr产物对产物对galo的作用与的作用与laci-laco的作的作用相同。用相同。lac z 操纵子操纵子细胞壁合细胞壁合成的前体成的前体 galr与与gale、t

22、、k及操纵区及操纵区o等离得很远，等离得很远，而而galr产物对产物对galo的作用与的作用与laci-laco的作用的作用相同。相同。 它有两个启动子，其它有两个启动子，其mrna可从两个不同的起可从两个不同的起始点开始转录；始点开始转录； 它有两个它有两个o区，一个在区，一个在p区上游区上游-67-53，另一，另一个在结构基因个在结构基因gale内部。内部。 a2 mrna：组成型表达。：组成型表达。camp-cap抑制抑制rna聚合酶与聚合酶与s2的结合。的结合。 a1 mrna生成：半乳糖、生成：半乳糖、cap和较高浓度的和较高浓度的camp。差向异构酶差向异构酶葡萄糖葡萄糖udp-

23、葡萄糖葡萄糖udp- 半乳糖半乳糖细胞壁细胞壁-76-47gal ro2cappo1gal egal tgal ka1a2阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子（arabinose operon）arad araaarac 具有正、负调节因子双重功能。具有正、负调节因子双重功能。有葡糖，有或无阿拉伯糖有葡糖，有或无阿拉伯糖无葡糖，阿拉伯糖无葡糖，阿拉伯糖1 1、翻译起始的调控、翻译起始的调控2 2、稀有密码子对翻译的影响、稀有密码子对翻译的影响3 3、重叠基因对翻译的影响、重叠基因对翻译的影响4 4、翻译的阻遏、翻译的阻遏5 5、魔斑核苷酸水平对翻译的影响、魔斑核苷酸水平对翻译的影响转录后水平上的调控转录后水平上的调控翻译水平上的调控翻译水平上的调控1.翻译起始的调控翻译起始的调控 含义： 通过sd序列的结构及其与起始密码aug之间的距离调节蛋白质翻译的水平。aug53mrna410为佳，为佳，9个最佳个最佳sd序列序列agg gagg ggagg aggaguccucca16s rrna53uagauc2.稀有密码子对翻译的影响稀有密码子对翻译的