基因表达调控(2)

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:Prokaryotic cell 原核 Eukaryotic cell真核 第三张，PPT共三十一页，

2、创作于2022年6月第一节 转录水平的调控一、操纵子模型 由法国科学家Jacob和Monod于1960年提出的一个有关原核基因表达调控的模型。获得1965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）基本概念 顺式作用元件（cis-acting element）：DNA元件是指DNA上的一段序列，它只能作用于同一条DNA，故称为顺式作用元件。 结构基因（str

3、uctural gene）：编码细胞必需的蛋白，如酶和结构蛋白的基因，叫结构基因。 调节基因（regulatory gene）：编码的产物能够调节其他基因的表达，这样的基因叫调节基因。 调节蛋白（regulatory protein）：调节基因的表达产物，叫调节蛋白。由于调节蛋白能够自由地与其相应的结合位点结合，故又称为反式作用因子（trans-acting element）。 包括正调节蛋白（又叫激活蛋白activator）；负调节蛋白，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（inducible gene）：当培养基中加入诱导物时，可以

4、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（constitutive gene）：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。 组成蛋白（constitutive proteins）：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，靠它以制造mRNA；（2）核糖体阅读信使的速度；（3）其信使被核酸酶降解的敏感性。 正调控（positive control）：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。这样的调控叫正调控。 负调控（n

5、egative control）：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。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

6、 first 26 bp of the long lacZ gene, followed 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), whose active form is a tetramer of 500kDa. The enzyme breaks a -galactoside into its component sugars. For example, lactose is cleaved in

7、to glucose and galactose. lacY codes for the -galactoside permease（ -半乳糖苷透过酶）, a 30kDa membrane-bound protein constituent of the transport system. This transports -galactosides into the cell. lacA codes for -galactoside transacetylase（ -半乳糖苷乙酰转移酶）, an enzyme that transfers an acetyl group from acety

8、l-CoA to -galactosides.第八张，PPT共三十一页，创作于2022年6月（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。 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，解除对-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DNA结合，将-半乳糖苷酶基因关闭。但这种关闭或开启并不是100%。第九张，PPT共三十一页，创作于2022年

9、6月Figure 10.7 Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to the operator; addition of inducer releases the 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 正调控（positive control）： 在操纵子中，结构基因本来不表达，可当加入调节蛋白（无辅基诱导蛋白）时，使该结构

10、基因进行表达。这样的调控叫正调控。 负调控（negative control）：在操纵子中，结构基因本来是表达的，当加入调节蛋白（阻遏蛋白）时，使该结构基因不表达。这样的调控叫负调控。 1. 可诱导的调控：在可诱导的操纵子中，加入 对基因表达有调节作用的小分子物质（诱导物），则开启基因的转录活性。 2. 可阻遏的调控：在可阻遏的操纵子中，加入 对基因表达有调节作用的小分子物质（辅阻遏物），则关闭基因的转录活性。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 ci

11、s-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 control, a trans-acting repressor binds to the cis-acting operator to turn off transcription. In

12、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.第十四张，PPT共三十一页，创作于2022年6月（五）操纵基因的结构Figure 10.11 The lac operator has a symmetrical sequence

13、. 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 various positions relative to the promoter.（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 polyme

14、rase 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 general elongation complex. 第十七张，PPT共三十一页，创作于2022年6月第二节 操纵子的其他调控形式阿拉伯糖操纵子半乳糖操纵子氨基酸操纵子（色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨 酸、亮氨

15、酸、异亮氨酸等十几种）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（Trp）操纵子: 目前，有多种氨基酸操纵子的结构已研究清楚，如色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等十余种。我们仅讨论Trp操纵子的基因表达调控。 Trp操纵子是合成代谢途径中最具代表性的例子。它控制着5个结构基因（编码3种酶）的表达，分别为trpE，D（邻氨基苯甲酸合成酶），C（吲哚甘油硼酸合成酶），B、A （色氨酸合成酶 B链和A链）。当色氨酸少或缺乏时，这5个邻近的基因才开始转录成mRNA。 由于Trp操纵子是一个合成体系，与糖的分解代谢无关，所以，与Glu的存在与否没有关系。第十九张

16、，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. 结构与功能第二十张，PPT共三十一页，创作于2022年6月结构特点： （1）阻遏物基因trpR 和结构基因trpEDCBA 不紧密连锁； （2）操纵基因在启动子区域内； （3）启动子，操

17、纵基因不直接和结构基因毗邻，而和前导序列直接相连； （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用，进行转录调控，故称为衰减子（attenuator）。第二十一张，PPT共三十一页，创作于2022年6月2. 调控方式trpRmRNAA:B:无活性mRNAsTrptrpRmRNARNA pol第二十二张，PPT共三十一页，创作于2022年6月 经测序后发现，在第一个结构基因（trpE）的5-端有一个长160bp的前导序列（leader sequence）。当此序列缺失130160bp时，mRNA总是最高水平的。而当trp存在时，mR

18、NA的表达水平降低。因此，此序列称为衰减子（attenuator）。3.衰减作用第二十三张，PPT共三十一页，创作于2022年6月表. 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操纵子 前导肽的氨基酸序列色氨酸 MetLysAlaIlePheValLysGlyTrpTrpArgThrSer(14肽)苏氨酸 MetLysArgIleSerThrThrIleThrThrThrIleThrIleThrThrGlyAsnGlyAlaGly组氨酸 MetThrArgValGlnPheLysHisHisHisHisHisHisHisProAsp异亮氨酸 MetThrAlaLeuLeuArgValI

19、leSerLeuValValIleSerValValVaLIle缬氨酸GEDA IleIleProProCysGlyAlaAlaLeuGlyArgGlyLysAla亮氨酸 MetSerHisIleValArgPheThrGlyLeuLeuLeuLeuAsnAlaPheIleVei ArgGlyArgProValGlyGlyIleGlnHis苯丙氨酸 MetLysHisIleProPhePhePheAlaPhePhePheThrPhePro异亮氨酸-缬氨酸B MetThrThrSerMetLeuAsnAlaLysLeuLeuProThrAlaProSerAla AlaValValValValAr

20、gValValValVaLValGlyAsnAlaPro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, the RNA pol. conti

21、nues 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 pair. Regio

22、n 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 regions 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