分子生物学课件第五章基因表达调控原核生物

第五章基因表达的调控

主讲教师:刘静

中南大学生物科学与技术学院分子生物学研究中心研究方向1：造血发育调控研究方向2：白血病治疗的分子机制研究当前1页，总共59页。概述基因组（genome）：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。在某一特定时期，基因组中只有一部分基因处于表达状态。在个体不同生长时期、不同生活环境下，某种功能的基因产物在细胞中的数量会随时间、环境而变化。当前2页，总共59页。Translation

生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的蛋白质的全过程。基因表达(geneexpression)注：并非所有基因表达过程都产生蛋白质。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。当前3页，总共59页。

基因表达的时间性及空间性1.时间特异性

按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生。如病毒感染；胚胎发育。基因表达的时间特异性又称阶段特异性。当前4页，总共59页。2.空间特异性

指在个体生长全过程，某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异。空间特异性又称细胞特异性或组织特异性。当前5页，总共59页。

按对刺激的反应性分为两大类：

1.基本（组成性）表达

(constitutivegeneexpression)

基因较少受环境因素影响，而是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。如管家基因。

基因表达的方式当前6页，总共59页。管家基因(housekeepinggene)某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达。bcl-2β-actin12琼脂糖凝胶电泳图1.对照组2.实验组当前7页，总共59页。常用的管家基因中文名称英文缩写Beta－肌动蛋白β-actin甘油醛3-磷酸脱氢酶GAPDHTATABox结合蛋白 TBP18s核糖体核糖核酸 18srRNA微管蛋白α

α-tubulin当前8页，总共59页。2.诱导和阻遏表达

在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为开放或增强。诱导表达(inductionexpression)

在特定环境信号刺激下，有些基因的表达表现为关闭或下降。阻遏表达(repressionexpression)当前9页，总共59页。

在一定机制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。协调表达(coordinanceexpression)当前10页，总共59页。

基因表达的调控

机体各种细胞内相同的结构基因，根据机体的生长、发育、繁殖及环境变化的需要，有规律的选择性、程序性、适度地表达，以适应环境，发挥其生理功能。

(geneexpressionandregulation)当前11页，总共59页。

基因表达调控的生物学意义

1.适应环境、维持生长和增殖；

2.维持个体发育和分化。当前12页，总共59页。

基因表达的调控因子

蛋白质（主要）

小分子RNA（某些环节）当前13页，总共59页。

基因表达的调控水平

基因组

转录后

翻译

翻译后中心法则(centraldogma)

转录当前14页，总共59页。

第一节

原核生物基因表达的调控

主要在转录水平，其次是翻译水平。本节主要以大肠杆菌为例介绍原核生物基因表达的调控。当前15页，总共59页。一、原核生物基因表达的特点

1.只有一种RNA聚合酶。RNA聚合酶用来识别原核细胞的启动子，催化所有RNA的合成。2.基因表达以操纵子为基本单位。原核基因一般不含内含子，基因是连续的。原核基因转录单位多为多顺反子。

当前16页，总共59页。操纵子学说开创了基因表达调控的研究F.JacobJ.L.Monod当前17页，总共59页。tayz

opStructural

genepromoteroperator（启动子）操纵子(operon)模型操纵子(operon)

:一个多顺反子转录单位与其调控序列即构成操纵子。terminator（操纵子）（结构基因）（终止子）当前18页，总共59页。PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNAtranscriptionmRNA3′1235′translationpolypeptidechain123原核生物的mRNA是多顺反子mRNA当前19页，总共59页。多顺反子(polycistron)

原核基因中多个功能相关的结构基因串联在一起构成一个转录单位。通常依赖同一调控序列对其转录进行调节，使这些相关基因实现协同表达。当前20页，总共59页。3.转录和翻译偶联进行：原核生物裸露的环形DNA，在拟核内转录成mRNA后，直接在胞浆中与核糖体结合翻译为蛋白质。

4.mRNA翻译起始部位有特殊的碱基序列---SD序列。

当前21页，总共59页。

SD

（Shine-Dalgarno）序列

在起始密码AUG上游4～13个碱基之前有一段富含嘌呤的序列，其一致序列为AGGAGG，能与核糖体30S亚基中16SrRNA3′端富含嘧啶的序列结合，与蛋白质合成过程中起始复合物生成有关。

当前22页，总共59页。5.原核生物基因表达的调控主要在转录水平，即对RNA合成的调控。

通常有两种方式：

(1)起始调控，即启动子调控；

(2)终止调控，即衰减子调控。当前23页，总共59页。二、原核生物基因表达的调控机制

(一)转录起始的调控

1.б因子及RNA聚合酶对转录起始的调控

2.转录起始的负调控

3.转录起始的正调控

4.转录起始的复合调控

当前24页，总共59页。调控RNA聚合酶与特异DNA区域结合：确保RNA聚合酶与特异启动子序列稳定结合，而不是与其它位点结合。(1)б因子1.б因子与转录起始的调控

当前25页，总共59页。核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

例如:大肠杆菌RNA聚合酶由5个亚基（α2ββˊб）构成，核心酶（α2ββˊ）能以DNA为模板合成RNA，但必须依靠б因子协助才能在正确位置起始转录。当前26页，总共59页。

不同的σ因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动子序列的特异性识别和结合能力。最早发现的σ因子：σ70新发现：σ32、σ54

、σ28当前27页，总共59页。机理：б因子含有识别启动区的结构域。a.б因子独立存在时，N端抑制了C端DNA结

合活性，与DNA不能结合。b.当б因子与核心酶组成全酶后，N端对C端

抑制作用消失，可与DNA特异结合。c.转录起始完成后б因子脱落，核心酶向下

游滑动完成转录。当前28页，总共59页。

（2）启动区序列启动区序列是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。(共有序列)RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列90%以上为嘌呤核苷酸当前29页，总共59页。

共有序列决定启动序列的转录活性强弱。某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。当前30页，总共59页。

2.转录起始的负调控

乳糖操纵子（lactoseoperon,lac）是原核生物基因转录负调控的最典型模式。当前31页，总共59页。

乳糖操纵子(lacoperon)的结构结构基因Y：透酶Z：β-半乳糖苷酶A：乙酰基转移酶

调控区CAP结合位点

启动子操纵元件ZYAOPDNA当前32页，总共59页。

mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOP有葡萄糖存在，没有乳糖存在阻遏蛋白的负性调节阻遏基因当前33页，总共59页。

mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol有葡萄糖存在，没有乳糖存在阻遏蛋白的负性调节阻遏基因当前34页，总共59页。

mRNA阻遏蛋白没有葡萄糖存在有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶当前35页，总共59页。

mRNA阻遏蛋白没有葡萄糖存在有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖β-半乳糖苷酶半乳糖当前36页，总共59页。

仅有葡萄糖葡萄糖耗完有乳糖存在当前37页，总共59页。

阻遏蛋白与操纵基因结合分子机制：

操纵基因区域具有反向重复序列（能与蛋白质特异结合的DNA特征性结构）。

-10+1+10+20+305′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA3′3′TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT5′

当前38页，总共59页。

RNA聚合酶与阻遏蛋白互斥分子机制：操纵基因在操纵子的位置是从-7至+28，RNA聚合酶所占区域是从-35至+20，两者有部分重叠。当前39页，总共59页。3.转录起始的正调控

阿拉伯糖操纵子是正调控的典型例子。

阿拉伯糖操纵子的基因结构图

操纵子由结构基因B、A、D以及调控元件I1、I2、O1、O2和启动子构成。araC基因编码调节蛋白AraC。当前40页，总共59页。

AraC对阿拉伯糖操纵子的调节图不存在阿拉伯糖时，AraC二聚体与O1、O2及I1结合，DNA弯曲成环结构。由于I2不被占据，B、A、D基因不发生转录。当前41页，总共59页。

当有阿拉伯糖时，AraC二聚体与阿拉伯糖形成复合物，使AraC形状改变，I1和I2由一个AraC二聚体占据，从而激发B、A、D基因转录。

AraC对阿拉伯糖操纵子的调节图当前42页，总共59页。

4．转录起始的复合调控

在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行复合调控。典型例子：糖代谢有关的操纵子，如lac

操纵子。当前43页，总共59页。cAMP与葡萄糖相关性：葡萄糖↑，cAMP↓

葡萄糖↓，cAMP↑cAMP:环一磷酸腺苷CAP：分解代谢基因激活蛋白(catabolitegeneactivatorprotein，CAP)

CAP的活性依赖cAMP，形成cAMP-CAP复合物，促进多种操纵子的转录起始。当前44页，总共59页。++++

转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP当前45页，总共59页。mRNA没有乳糖有乳糖

葡萄糖低cAMP浓度高

葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO当前46页，总共59页。※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；※如无CAP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。当前47页，总共59页。

（二）转录终止的调控

原核生物的转录终止调控方式分两大类：A.依赖ρ因子的终止调控；B.不依赖ρ因子的终止调控。此外，核糖体也参与转录终止。例:色氨酸操纵子表达的调控有两种方式:a.通过阻遏蛋白的负调控b.通过衰减子作用当前48页，总共59页。色氨酸操纵子的结构及其调控

1.阻遏蛋白对色氨酸操纵子的负调控当前49页，总共59页。TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

?2.衰减子对转录的调控色氨酸操纵子6700个核苷酸140个核苷酸当前50页，总共59页。

色氨酸操纵子mRNA引导序列不同区域互补所形成的不同二级结构

1-2和3-4茎环形成当前51页，总共59页。色氨酸丰富时，核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGA，合成完整的引导肽。RNA聚合酶停止在衰减子部位。当前52页，总共59页。色氨酸缺乏时，核蛋白体终止在1区Trp密码子部位，