基因表达调控 (6)讲稿

1、关于基因表达调控 (6)第一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第十二章 基因表达调控第二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月教学目的与要求：了解：真核生物和原核生物基因表达调控的特点。理解：真核生物基因表达调控方式。掌握：原核生物基因表达调控的规律。教学重点：原核生物操纵子的正负调控及突变。第三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Jacquces MonodFrancois Jacob第一节 原核生物基因表达调控1. 大肠杆菌乳糖操纵子第五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月1） 乳糖操纵子的结构(lactose oper

2、on, lac) lacZ 编码-半乳糖苷酶结构基因 lacY 编码乳糖透性酶 lacA 编码乙酰基转移酶 lacO 操纵基因调控元件 lacP 启动子 CAP 结合位点 lacI第六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2） 乳糖操纵子的表达机制第七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月有乳糖没有葡萄糖操纵子被诱导，基因表达第八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月乳糖操纵的负调控负调控系统(negative regulation system)：没有调节蛋白存在时基因表达，加入某种调节蛋白后基因活性就关闭的控制系统。第九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月既有葡萄糖又有乳

3、糖培养基中有葡萄糖存在时-半乳糖苷酶-半乳糖苷透性酶乙酰基转移酶 含量很低 第十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月为什么葡萄糖不能诱导三种酶的产生？?第十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月分解物基因激活蛋白第十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 腺苷环化酶 ATP cAMP葡萄糖抑制腺苷环化酶活性第十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月mRNAcAMP浓度高第十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月葡萄糖通过抑制腺苷环化酶活性而抑制 乳糖操纵子的表达有葡萄糖时cAMP浓度低第十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月乳糖操纵的正调控正调控系统(ne

4、gative regulation system)：没有调节蛋白存在时基因关闭，加入某种调节蛋白后基因活性就被开启的控制系统。第十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月乳糖操纵子的正负调控的比较 条件 调节蛋白 基因活性 无乳糖 阻遏蛋白基因关闭有乳糖无基因表达负调控有葡萄有乳糖cAMP受体蛋白基因关闭基因表达正调控无cAMP-CAPcAMP-CAP第十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3） 乳糖操纵子的基因突变 lacI基因的突变 lacI第十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 lacI基因的突变 LacI+ LacI

5、 ： 阻遏物不能结合在lacO 上，lac操纵子活动失控，有无乳糖，均有酶的产生，组成型突变LacI+ LacIs ：阻遏物不能和乳糖结合，操纵子活动被抑制，有无乳糖均不产生酶超阻遏突变第二十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 4）乳糖操纵子的基因突变 lacO基因的突变 lacI第二十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第二十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 LacO 基因的突变 LacO LacOc阻遏物不能和操纵基因结合，操纵子处于开放状态第二十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 LacP 基因的突变 阻碍RNA聚合酶与自身的结合，使操纵子不能转录第

6、二十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月LacZ LacZ 不能合成-半乳糖苷酶结构基因突变：LacY LacY 丧失浓缩乳糖的能力LacA LacA 合成乙酰化酶的能力丢失第二十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月思考 操纵子的突变类型中，那些突变在有无乳糖存在的情况下均能表达三种酶？LacI+ LacILacO LacOc lacI第二十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月XGal是半乳糖苷酶的底物，水解后呈蓝色。 应用第二十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月用于鉴定目的基因是否插入载体。第二十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月应用用于特异性表达

7、目的基因。第二十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. 色氨酸操纵子1） 色氨酸操纵子的结构结构基因调控元件邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油酸合成酶色氨酸合成酶链 链P O L E D C B A trpR无活性的阻遏物第三十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月1） 色氨酸操纵子模型结构：5种结构基因：trpE、D、C、B、A；调控结构：启动子、操纵子、前导序列阻遏物trpR基因：与trp操纵子相距较远,编码没有活性的阻遏物。第三十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月Trp Trp 浓度高时 Trp浓度低时 mRNA OPtrpR调节区 结构基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶

8、2） trp操纵子的调节机制第三十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第三十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月trpAtrpBtrpCtrpEtrpDPtrp Otrp前导序列 aTrp 阻抑物 色氨酸激活RNAtrpE trpD trpC trpB trpA色氨酸合成所需的酶trpR第三十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月色氨酸操纵子调控机制培养基中有足够色氨酸 操纵子关闭 色氨酸合成停止缺乏色氨酸 操纵子被打开 色氨酸合成开始第三十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3） 应用对色氨酸生物合成途径中的关键基因trpR进行改造。敲除trpR基因解除基因组上

9、色氨酸合成和转运关键酶受到的反馈阻遏调控，获得高产菌株. 第三十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月调节基因结构基因调控元件P O L E D C B A trpR操纵子：包含结构基因和控制区的整个核 苷酸序列。小 结第三十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白.辅阻遏蛋白操纵子模型的内容：在调节基因产物的作用下，通过操纵基因控制结构基因的转录，从而发生酶的诱导或阻遏。 第三十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月思考如何利用乳糖操纵子的突变类型，进行转基因动物的培育？请查阅相关资料列举操纵子的研究进展。第三十九张，PPT共九十九页，创

10、作于2022年6月第二节 真核基因表达调控第四十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月原核生物真核生物操纵子调控。多样化调控，更为复杂。 基因组小，大肠杆菌：总长4.6106bp, 编码4288个基因, 每个基因约1100bp。 基因组大，人类基因组全长3109 bp，编码10万个基因，其余为重复序列。基因分布在同一染色体上，操纵子控制。 DNA与组蛋白结合成染色质，染色质的变化调控基因表达；基因分布在不同的染色体上，存在不同染色体间基因的调控问题。 适应外界环境，操纵子调控表达。 基因差别表达是细胞分化和功能的核心。转录和翻译同时进行，大部分为转录水平调控。 转录和翻译在时间和空间上均不

11、同，从DNA到蛋白质的各层次上都有调控，但多数为转录水平调控真核生物与原核生物的调控差异第四十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月真核基因表达调控的特点 与原核生物比较它具有一些明显的特点： 真核基因表达调控的环节更多真核基因的转录与染色质的结构变化相关 。真核基因表达以正调控为主 第四十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月真核基因表达调控的特点 与原核生物比较它具有一些明显的特点： 真核基因表达调控的环节更多真核基因的转录与染色质的结构变化相关 。真核基因表达以正调控为主 第四十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第四十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月1.

12、 DNA水平调控DNA水平调控是通过改变基因组中有关基因的数量、结构顺序和活性而控制基因的表达调控机制包括： 基因丢失 基因的扩增 重排 化学修饰第四十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月1）基因丢失 ：在个体发育过程中，某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物的一些体细胞常常丢失整条或部分染色体，而分化产生生殖细胞的那一部分细胞却保留着完整染色体的现象。 马蛔虫受精卵的早期分裂第四十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2）基因扩增 ：在真核细胞中，某些特定基因的拷贝数有选择性地大量增加的现象如蟾蜍卵母细胞基因扩增 癌细胞基因扩增 第四十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月

13、3） 基因重排：DNA分子中核苷酸序列的重新排列 酵母菌不同类型的转换第四十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第四十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月4）DNA甲基化：真核DNA中的胞嘧啶约有5%被甲基化为5-甲基胞嘧啶(5 methylation,m5C)， 甲基化可能阻碍转录因子与DNA特定部位的结合从而影响转录。如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶，小鼠的胚胎就不能正常发育而死亡，可见DNA的甲基化对基因表达调控是重要的。 第五十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. 基因转录水平的调控1) 顺式作用元件(cisacting elements) 真核基

14、因的顺式作用元件：是指DNA上对基因表达有调节活性的特定的调控序列，其活性仅影响与其自身处于同一DNA分子上的基因。 真核基因的顺式作用元件按功能分为： 启动子(promoter) 增强子(enhancer)； 静止子(silencer)或称沉默基因 。 第五十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 启动子:是指RNA聚合酶结合并启动转录的DNA序列。第五十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月元件名称共同序列结合的蛋白因子 名称分子量结合DNA长度TATAboxTATAAAATBP30,00010bpGC boxGGGCGGSP-1105,00020bpCAAT boxGGCCA

15、ATCTCTF/NF160,00022bpOctamerATTTGCATOct-176,00010bpOct-253,00020bpkBGGGACTTTCCNFkB44,00010bpATFGTGACGTAFT?20bp哺乳类RNA聚合酶启动子中的元件序列第五十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月启动子中的元件可以分为：TATA框：RNA聚合酶的识别和结合位点CAAT框：决定启动子的起始频率GC框：增强转录活性第五十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第五十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月增强子：是一种能够提高转录效率的顺式调控元件增强子通常占100200bp长度增

16、强子的作用有以下特点： 第五十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月增强子提高同一条DNA链上基因转录效率，可以远距离作用，通常可距离14kb、个别情况下离开所调控的基因30kb仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。 增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用。而将启动子倒就不能起作用，可见增强子与启动子是很不相同的。 第五十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性。第五十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月增强子一般具有组织或细胞特异性，许多增强子只在某些细胞或组织中表现活性，是由

17、这些细胞或组织中具有的特异性蛋白质因子所决定的。 第五十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月沉默子：参与基因表达负调控的一种元件 第六十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2）反式作用因子(transacting factors)反式作用因子： (transacting factor)。由不同染色体上基因座位编码的、能直接或间接地识别或结合在各顺式作用元件核心序列上并参与调控靶基因转录效率的结合蛋白 第六十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月反式作用因子的结构特征1、 DNA识别或结合结构域2、激活基因转录的功能结构域3、结合其他因子或调控蛋白的调节结构域第六十二张，PP

18、T共九十九页，创作于2022年6月第六十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月序列特异性DNA结合蛋白的几种结构域的模式 螺旋转角螺旋第六十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第六十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月锌指结构第六十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月锌指结构第六十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月锌指结构第六十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第六十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第七十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月螺旋环螺旋第七十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3. 基因转录后水平的调控R

19、NA前体的加工过程：加帽、加尾、去掉内含子真核生物中的RNA加工包括：t RNA 前体的加工：产生的t RNA 前体经过核苷酸裂解和修饰作用，最后产生成熟t RNA 。r RNA 前体的加工：真核生物核糖体有四种RNA 分子，即5S、5.8S、18S、28S r RNA 。 RNA聚合酶先转录出一个约45S的rRNA 前体，再经多次酶切降解，切除5和3端及中间不需要的序列，分别形成成熟的5.8S、18S、28S rRNA 。 5S rRNA 不需加工。第七十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月1）选择性mRNA切割mRNA 前体的加工：结构基因转录出的mRNA 前体，在3端加polyA

20、尾，5端m7-Gppp的帽结构，内切酶切去不表达序列，再进行甲基化修饰等。第七十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 mRNA前体第七十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月mRNA多腺苷酸化第七十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月成熟RNA的获得第七十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2）RNA编辑的分子机制RNA编辑（RNA editing）：对转录后的mRNA编码区进行碱基插入、删除或替换而改变遗传信息的过程。 第七十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月RNA编辑的分子机制.第七十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月意义：纠正某些移码突变

21、；构建或删除起始密码子、 终止密码子；增减核苷酸扩充遗传信息。RNA编辑的类型 按编辑方式可分为： 碱基的插入与删除 碱基的插入 核苷酸的替换 第七十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3）反义RNA(antisense RNA ):反义RNA：与mRNA互补的RNA分子，它能与mRNA分子特异性的互补结合，抑制mRNA的加工和翻译是指构建互补于靶基因mRNA反义核酸分子(反义cDNA真核表达载体),利用转染技术,将此反义cDNA表达载体转入细胞,阻断或减少蛋白的表达原理：把与mRNA序列互补的或与模板连互补的寡核苷酸转入细胞，是mRNA不能翻译蛋白质，或使模板连不能产生mRNA，从而

22、降低基因的蛋白产物。第八十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第八十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月4. 基因翻译水平的调控第八十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月5. 翻译后水平的调控1）蛋白质折叠2）蛋白酶切割3）蛋白质的化学修饰4）切除多肽链中间的内含子序列第八十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月帽子结合蛋白第八十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月翻译后调控机制第八十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. 蛋白质加工过程的调控：. 蛋白质的折叠：. 蛋白酶的切割： . 末端切割：有些分泌蛋白对细胞有毒害作用，常以无活性的前体蛋白形

23、式贮存在于细胞内，需要这种蛋白时，由蛋白酶切割加工成有功能的蛋白。如，蜜蜂在叮咬动物时注入蜜毒素，引起细胞溶解，蜜毒素也能使蜜蜂自身的细胞溶解。翻译后以前体形式储存于细胞内，能被细胞间隙的一种蛋白酶识别和切割，释放出有活性的蜜毒素。第八十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月又如，脊椎动物的胰岛素加工过程：最初前胰岛素原有 105个氨基酸，加工中先将N端的24个氨基酸残基切除，形成前体胰岛素?然后切除中间一段氨基酸序列，留下21个氨基酸残基的链和30个氨基酸残基的B链?由二硫键连接两条肽链。 第八十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第八十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 多聚蛋白质切割：有些蛋白质