第七原核基因的表达与调控演示文稿

第七原核基因的表达与调控演示文稿目前一页\总数六十九页\编于五点（优选）第七原核基因的表达与调控目前二页\总数六十九页\编于五点随着生物个体的发育，DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统转变成蛋白质，执行各种生理生化功能。科学家把从DNA到蛋白质的过程称为基因表达（geneexpression），对这个过程的调节就称为基因表达调控（generegulation或genecontrol）。目前三页\总数六十九页\编于五点原核生物与真核生物基因表达调控机制具有惊人的相似性共同的起源与共同的分子基础调控机理上调控层次上核酸分子间的互作核酸与蛋白质分子间的互作蛋白质分子间的互作transcriptionallevelpost—transcriptionalleveltranslationallevelpost—translationallevel目前四页\总数六十九页\编于五点转录水平上的调控是最为经济,

灵活，又是最为重要，复杂的调控●在复杂的基因组内，确定需要基因转录的起始位点●精细调节基因表达的水平,以保证生物体对环境的适应●cisfactor&transfactor间严格而又灵活的互作●保证RNApolymerase的进行式转录（不中断，准确终止）目前五页\总数六十九页\编于五点图6-1基因表达的第一步是由RNA聚合酶拷贝DNA双链中的模板链，生成与该序列完全互补的RNA链。目前六页\总数六十九页\编于五点基因表达调控主要表现在以下二方面：转录水平上的调控（transcriptionalregulation）；转录后水平上的调控（post-transcriptionalregulation），包括（1）mRNA加工成熟水平调控（differentialprocessingofRNAtranscrpt）；（2）翻译水平调控（differentialtranslationofmRNA）。目前七页\总数六十九页\编于五点目前八页\总数六十九页\编于五点基本概念：操纵子：指原核生物中由一个或多个相关基因以及转录翻译调控元件组成的基因表达单元。（如：乳糖操纵子，包括启动子操纵基因和结构基因三部分，调控的最小单位）顺式作用元件：调节下游基因的表达，如启动子，增强子等，位于染色体上的一段DNA序列反式作用因子：可溶性蛋白，可作用于不同染色体上的顺式作用元件，如阻遏蛋白等目前九页\总数六十九页\编于五点诱导物：也称效应物，指小分子物质，诱导反应进行的物质，如乳糖。诱导和阻遏：诱导即有利于反应的顺利进行；阻遏即阻止反应的进行。正调控和负调控：正调控即促进反应的进行；负调控即不利于反应的顺利进行组成型基因和诱导型基因目前十页\总数六十九页\编于五点

原核生物的基因调控主要是转录调控，包括负转录调控和正转录调控。负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor）阻遏蛋白作用于操纵区。负控诱导：阻遏蛋白不与诱导物结合时，结构基因不转录负控阻遏：阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。正转录调控：调节基因的产物是激活蛋白（activator）正控诱导：诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态正控阻遏：诱导物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态目前十一页\总数六十九页\编于五点OperoncontrolmodelnegativepositiveInd.Rep.activeactiveinactiveinactive目前十二页\总数六十九页\编于五点6.2乳糖操纵子与负控诱导系统

大肠杆菌乳糖操纵子（lactoseoperon）包括3个结构基因：Z、Y和A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。LacoperonIpoZYA目前十三页\总数六十九页\编于五点目前十四页\总数六十九页\编于五点3个结构基因各决定一种酶：Z编码-半乳糖苷酶；Y编码-半乳糖苷透过酶；A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。目前十五页\总数六十九页\编于五点β-半乳糖苷酶是一种β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他β-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。目前十六页\总数六十九页\编于五点6.2.1酶的诱导—lac体系受调控的证据 一般情况下，lac+基因型大肠杆菌细胞内β-半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低，每个细胞只有1～2个酶分子。但是，在乳糖培养基上酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，超过105个酶分子/细胞。目前十七页\总数六十九页\编于五点

在无葡萄糖有乳糖的培养基中，lac+细菌中将同时合成β-半乳糖苷酶和透过酶。

用32P标记的mRNA与模板DNA进行定量分子杂交，表明培养基中加入乳糖1～2分钟后，编码β-半乳糖苷酶和透过酶的lacmRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，lacmRNA量立即下降。目前十八页\总数六十九页\编于五点目前十九页\总数六十九页\编于五点

实验室常用两种乳糖类似物—异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）和巯甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常用发色底物O-硝基半乳糖苷（ONPG）。因为它们都不是半乳糖苷酶的底物，所以又称为安慰性诱导物（gratuitousinducer）。目前二十页\总数六十九页\编于五点目前二十一页\总数六十九页\编于五点用35S标记大肠杆菌细胞（培养基中没有半乳糖），将这些带有放射性的细菌转移到不含35S的培养基中，加入诱导物后β-半乳糖苷酶便开始合成。分离纯化β-半乳糖苷酶，发现这种酶无35S标记，说明这种酶是加入诱导物后新合成的。目前二十二页\总数六十九页\编于五点6.2.2操纵子模型及其影响因子

Jacob和Monod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）现象是个基因调控问题，而且可以用实验方法进行研究，他们通过大量实验及分析，建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子的控制模型。目前二十三页\总数六十九页\编于五点图6-9Lac操纵子的调控模式。目前二十四页\总数六十九页\编于五点A.Z、Y、A基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码。B.该mRNA分子的启动区（P）位于阻遏基因（I） 与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶 和透过酶基因的高效表达。C.操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。D.当阻遏物与操纵区相结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。E.诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使 之不能与操纵区相结合，诱发lacmRNA的合成。目前二十五页\总数六十九页\编于五点阻遏物lacI基因产物及功能lac操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下永久型合成的，该阻遏蛋白有4个相同的亚基，每个亚基均含有347个氨基酸残基，并能与1分子IPTG结合,每个细胞中有5～10个阻遏物分子。目前二十六页\总数六十九页\编于五点

β-半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发lac操纵子（图6-11）。目前二十七页\总数六十九页\编于五点目前二十八页\总数六十九页\编于五点6.2.3lac操纵子的调控区域—P、O区

P区（即启动子区）一般是从I基因结束到mRNA转录起始位点下游5-10bp，而O区（即阻遏物结合区）位于-7～+28位，该区的碱基序列有对称性，其对称轴在+11位碱基对。目前二十九页\总数六十九页\编于五点图6-16不同操纵子启动区及O区相对位置的比较。目前三十页\总数六十九页\编于五点6.2.4lac操纵子中的其他问题

1、lac基因产物数量上的比较

在完全被诱导的细胞中，β-半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶的拷贝数比例为1：0.5：0.2，这个比例在一定程度上反映了以β-半乳糖苷作为唯一碳源时细胞的需要。不同的酶在数量上的差异是由于在翻译水平上受到调节所致。目前三十一页\总数六十九页\编于五点①lacmRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译。因此，存在着从mRNA的5'末端到3'末端的蛋白质合成梯度。目前三十二页\总数六十九页\编于五点②在lacmRNA分子内部，A基因比Z基因更易受内切酶作用发生降解，因此，在任何时候Z基因的完整拷贝数要比A基因多。目前三十三页\总数六十九页\编于五点2、操纵子的融合与基因工程

pur操纵子在染色体上位于lac操纵子沿转录方向的下游，中间只隔了一个控制细胞对T6噬菌体敏感性的tsx基因。pur操纵子被“嫁接”到lac启动子上，形成融合基因。因为lac启动子是一个很强的启动子，通过它可以使较弱启动子的转录增强。目前三十四页\总数六十九页\编于五点6.3色氨酸操纵子与负控阻遏系统trp体系参与生物合成，它不受葡萄糖或cAMP-CRP的调控。色氨酸的合成主要分5步完成，有7个基因参与整个合成过程（图6-17）。目前三十五页\总数六十九页\编于五点图6-17细菌中色氨酸生物合成途径。目前三十六页\总数六十九页\编于五点目前三十七页\总数六十九页\编于五点6.3.1trp操纵子的阻遏系统trpR基因突变常引起trpmRNA的永久型合成，该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白（aporepressor）。除非培养基中有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会与操纵区结合。辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭trpmRNA转录。目前三十八页\总数六十九页\编于五点

效应物分子色氨酸是trp操纵子所编码的生物合成途径的末端终产物。 当培养基中色氨酸含量较高时，它与游离的辅阻遏蛋白相结合，并使之与操纵区DNA紧密结合；当培养基中色氨酸供应不足时，辅阻遏物失去色氨酸并从操纵区上解离，trp操纵子去阻遏。目前三十九页\总数六十九页\编于五点目前四十页\总数六十九页\编于五点6.3.2弱化子与前导肽1、弱化子

在trpmRNA5’端有一个长162bp的mRNA片段被称为前导区，其中123～150位碱基序列如果缺失，trp基因表达可提高6-10倍。mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子，终止trp基因转录。这个区域被称为弱化子，该区mRNA可通过自我配对形成茎-环结构。目前四十一页\总数六十九页\编于五点目前四十二页\总数六十九页\编于五点2、前导肽分析前导序列发现，它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，能产生一个含有14个氨基酸的多肽，这个假设的多肽被称为前导肽。在前导序列的第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。组氨酸操纵子含有7个相邻的组氨酸密码子，苯丙氨酸操纵子也有7个苯丙氨酸密码子，这些密码子参与了操纵子中的转录弱化机制。目前四十三页\总数六十九页\编于五点3、mRNA前导区的序列分析

trp前导区的碱基序列已经全部测定，引人注目的是其中4个分别以1、2、3和4表示的片段能以两种不同的方式进行碱基配对，有时以1-2和3-4配对，有时只以2-3方式互补配对。目前四十四页\总数六十九页\编于五点目前四十五页\总数六十九页\编于五点

RNaseT1降解实验（此酶不能水解配对的RNA）表明，纯化的trp前导序列中确有1-2和3-4的配对方式，由此定位的3-4配对区正好位于终止密码子的识别区，当这个区域发生破坏自我配对的碱基突变时有利于转录的继续进行（图6-23）。目前四十六页\总数六十九页\编于五点目前四十七页\总数六十九页\编于五点4、转录弱化作用

培养基中色氨酸浓度低，负载有色氨酸的tRNATrp就少，翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区（或停留在两个相邻的trp密码子处），前导区2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，转录继续进行。目前四十八页\总数六十九页\编于五点

培养基中色氨酸浓度高，核糖体顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前就到达2区，3-4区自由配对形成茎-环状终止子结构，转录停止。所以，弱化子对RNA聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。目前四十九页\总数六十九页\编于五点图6-24trp操纵子前导序列的变构与转录的弱化。目前五十页\总数六十九页\编于五点

一般认为，阻遏物从有活性向无活性的转变速度较慢，需要有一个能更快地做出反应的系统，以保持培养基中适当的色氨酸水平。弱化子能较快地通过抗终止的方法来增加trp基因表达，迅速提高内源色氨酸浓度。目前五十一页\总数六十九页\编于五点那么，为什么还要有阻遏体系呢？阻遏物的作用是在有大量外源色氨酸存在时，阻止非必需的先导mRNA的合成，它使这个合成系统更加经济。目前五十二页\总数六十九页\编于五点6.4转录后调控6.4.1翻译起始的调控

遗传信息的翻译起始于mRNA上的核糖体结合位点（RBS）----起始密子AUG上游的一段非翻译区。在RBS中有SD序列，与核糖体16SrRNA的3’端互补配对，促使核糖体与mRNA相结合。

RBS的结合强度取决于SD序列的结构及与AUG之间的距离。SD与AUG之间相距一般以4～10核苷酸为佳，9核苷酸最佳。目前五十三页\总数六十九页\编于五点图7-2真核基因表达调控的主要步骤示意图目前五十四页\总数六十九页\编于五点7.1.1基因家族（genefamily）

真核细胞中许多相关的基因常按功能成套组合，被称为基因家族。 同一家族中的成员有时紧密地排列在一起，成为一个基因簇，也可能分散在同一染色体的不同部位，甚至位于不同的染色体上，具有各自不同的表达调控模式。目前五十五页\总数六十九页\编于五点1、简单多基因家族简单多基因家族中的基因一般以串联方式前后相连。细菌中所有rRNA和部分tRNA都来自这个分子量为30S（约6500个核苷酸）的前rRNA。

在真核生物中，前rRNA转录产物的分子量为45S，（约有14000个核苷酸），包括18S，28S和5.8S三个主要rRNA分子。目前五十六页\总数六十九页\编于五点2、复杂多基因家族复杂多基因家族一般由几个相关基因家族构成，基因家族之间由间隔序列隔开，并作为独立的转录单位。海胆组蛋白基因家族（图7-4）：编码不同组蛋白的基因处于一个约为6000bp的片段中，分别被间隔序列所隔开。这5个基因组成的串联单位在整个海胆基因组中可能重复多达1000次。目前五十七页\总数六十九页\编于五点7.1.2真核基因的断裂结构1、外显子与内含子

“intron”是指存在于原始转录物或基因组DNA中，但不存在于成熟mRNA、rRNA或tRNA中的那部分核苷酸序列。大多数真核基因都是由蛋白质编码序列和非蛋白质编码序列两部分组成的。目前五十八页\总数六十九页\编于五点7.1.3真核生物DNA水平上的基因表达调控DNA水平的调控是真核生物发育调控的一种形式，包括基因丢失、扩增、重排和移位等。目前五十九页\总数六十九页\编于五点7.3反式作用因子目前六十页\总数六十九页\编于五点转录因子的结构转录因子定义：指具有同真核启动子特定DNA序列结合活性的蛋白质分子，或者是指具有已知DNA结合域结构特征的蛋白质分子，其主要功能是激活或抑制基因的转录反应。转录因子可被分为两大类：通用转录因子和特异转录因子。通用转录因子是所有基因转录都需要的，特异转录因子是那些能提高或降低基因转录速率的蛋白质，它们为真核细胞提供了非常精确的转录调控。转录因子的结构：转录激活域DNA结合域N1281C88147222图：酵母转录因子GCN4结构域目前六十一页\总数六十九页\编于五点转录因子由四个功能区域组成：DNA结合域（DNA-bindingdomain）转录激活域(transcriptionalactivationdomain)核定位信号区(nuclearlocali