第6章-原核基因表达调控-上PPT幻灯片

概述1基本概念1.1顺式作用元件和反式作用因子反式作用因子（trans-actingfactor）其基因产物将从合成的场所扩散到其发挥作用的其他场所，游离的基因产物扩散至目标场所的过程为反式作用(trans-acting）。调控转录的各种蛋白因子总称反式作用因子。其编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上。顺式作用元件(cis-actingelement)是指对基因表达有调节活性的DNA序列，它作为一种原位（insitu）顺序，其活性只影响与其自身处在同一个DNA分子上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。简单的说，顺式作用元件是指影响自身基因表达活性的DNA序列（如转录启动子和增强子）。概述1基本概念1.2结构基因和调节基因结构基因(structrualgene)是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因编码着大量功能各异的蛋白质，所编码的蛋白质有结构蛋白和酶等。

调节基因(regulatorgene)是参与其他基因表达调控的蛋白质编码基因，表达产物是调节蛋白，属于反式作用因子。2.基因表达的时间性及空间性时间特异性：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，这是基因表达的时间特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。空间特异性：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，这就是基因表达的空间特异性，又称细胞特异性或组织特异性。概述生物学意义：适应环境、维持生长和增殖；维持个体发育与分化。4.基因的表达调控：转录水平上的调控(transcriptionalregulation)mRNA加工成熟水平上的调控(differentialprocessingofRNAtranscript)翻译水平上的调控(differentialtranslationofmRNA)概述第一节原核基因表达调控的类型1.操纵子——原核转录调控的主要形式在细菌基因组中，编码一组在功能上相关的蛋白质的几个结构基因，与共同的控制位点组成一个基因表达的协同单位，称为操纵子(operon)。RPOS1S2Sn调节基因启动子操纵基因结构基因…………..结构基因转录翻译阻遏蛋白激活蛋白操纵子及其调节基因示意图调控基因的转录2.阻遏物和激活物细菌的操纵子受调节基因产物的调控，该产物通常是一种蛋白，这种蛋白称为基因调控的阻遏物或激活物。阻遏物（repressor）：结合于操纵子的操纵基因上阻碍RNA聚合酶通过操纵基因而关闭操纵子的转录。激活物（activator）：结合于启动子－35区上游，它与结合在启动子上的RNA聚合酶作用，开启启动子促进操纵子的转录。

3.正调控和负调控基因在负控制的情况下可被阻遏蛋白关闭掉，当阻遏蛋白缺乏或失活时基因才能打开。基因在正调控的情况下只有在激活蛋白处于活化状态时才能表达。4.基因的诱导调节与阻遏调节

调节蛋白是否具有活性有时取决于一个小分子物质结合，能够结合于蛋白质并改变其性质的小分子物质称作效应物（effectors）。4.基因的诱导调节与阻遏调节

根据操纵子对调节基因表达的小分子所作出反应的特点，分为可诱导（inducible）和可阻遏（repressible）两类。可诱导操纵子只有在小分子诱导物（inducer）存在的情况下才有功能；可阻遏的操纵子只有在小分子辅阻遏物（corepressor）缺乏的情况下才有功能。术语：操纵子的活性状态称为去阻遏（derepressed），与“被诱导”的意思相同。若操纵子发生突变而不能去阻遏的话有时被称为超阻遏（super-repressed），也就是“不可诱导”的意思。4.基因的诱导调节与阻遏调节

无论是正控制还是负控制都是通过利用调节蛋白与小分子诱导物或辅阻遏物之间的相互作用来完成诱导和阻遏。以下4种相似的控制类型，每一个诱导物使阻遏物失活或活化激活蛋白时产生诱导；当辅阻遏物活化阻碍蛋白或使激活蛋白失活时产生阻遏。负控诱导系统正控诱导系统负控阻遏系统正控阻遏系统5.原核操纵子的主要形式调节分解代谢的操纵子：都是属于诱导型，并同时受到cAMP-CAP的调节。分解代谢的底物常为小分子诱导物，不具衰减作用。调节合成代谢的操纵子：都属于阻遏型，因是合成代谢，因此不受cAMP-CAP的影响。具有衰减子的操纵子：如trp,his,phe,leu,thr,和ilv，最终产物为辅阻遏物。第二节乳糖操纵子的调控模式

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。转录时，RNA聚合酶首先与启动区(promoter，P)结合，通过操纵区(operator，O)向右转录。转录从O区的中间开始，按Z→Y→A方向进行，每次转录出来的一条mRNA上都带有这3个基因。转录的调控是启动区和操纵区进行的。第二节乳糖操纵子的调控模式Z编码的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）。

Y编码β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。

A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第二节乳糖操纵子的调控模式1.酶的诱导-lac体系受调控的证据

在不含乳糖及β-半乳糖苷的培养基中，lac+基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有1-2个酶分子。如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个酶分子。第二节乳糖操纵子的调控模式第二节乳糖操纵子的调控模式第二节乳糖操纵子的调控模式安慰性诱导物(gratuitousinducer)第二节乳糖操纵子的调控模式分离到在有诱导物或没有诱导物的情况下都能产生lacmRNA的突变体，这种失去调节能力的突变体称为永久型突变体，为分两类：I型：野生型为I+，突变型为I-O型：野生型为O+，突变型为Oc。第二节乳糖操纵子的调控模式I+→I-或O+→Oc后，Z、Y、A结构基因均表现为永久表达，所以I基因被称为调节基因(regulatorygene)。研究发现，I基因是一个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系关闭。I-突变体由于不能产生阻遏物，使细胞成为lac永久表达型。I-/I+局部二倍体由于带有一个正常阻遏物，使细胞中的lac仍然被抑制。第二节乳糖操纵子的调控模式遗传学图谱分析指出，Oc突变位于I与Z之间。所以，lac体系的4个基因的序列为IOZY。通过这些观察，Jacob和Monod推断Oc突变代表DNA链上的一个位点或一个非编码区域，而不是一个基因，因为可编码的基因具有互补性，而Oc没有这一特性。O决定相邻Z基因的产物是诱导型合成还是永久型合成，O区域称为操纵基因。第二节乳糖操纵子的调控模式2.操纵子模型乳糖操纵子的结构第二节乳糖操纵子的调控模式第二节乳糖操纵子的调控模式TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAPRNAPol.TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.Yipee…!TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!3.Lac操纵子的本底水平表达

因为诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而运转诱导物需要透过酶。在非诱导状态下有少量（1-5个mRNA分子）lacmRNA合成——本底水平组成型合成。第一节乳糖操纵子的调控模式第二节乳糖操纵子的调控模式β-半乳糖苷酶诱导物的加入和去除对lacmRNA的影响诱导：基因被打开诱导物和阻遏物称为调节操纵子的开关β-半乳糖苷酶透过酶乙酰转移酶4.葡萄糖对lac操纵子的影响--代谢物阻遏效应

葡萄糖对lac操纵子表达的抑制作用是间接的。一种大肠杆菌突变株，它正常的糖酵解过程受阻，葡萄糖-6-磷酸不能转化为下一步代谢中间物，该菌株能在有葡萄糖存在的情况下被诱导合成lacmRNA。第一节乳糖操纵子的调控模式5.cAMP与代谢物激活蛋白第二节乳糖操纵子的调控模式研究证实，葡萄糖所引起的代谢物抑制现象的实质是该代谢物降低了细胞中cAMP的含量。第二节乳糖操纵子的调控模式cAMP是由腺苷酸环化酶催化合成，其活性受到代谢物激活蛋白的影响。大肠杆菌中代谢物激活蛋白CRP，由Crp基因编码，能与cAMP形成复合物。CRP又称降解物基因活化蛋白（cataboliteactivatorprotein，CAP）。第二节乳糖操纵子的调控模式第二节乳糖操纵子的调控模式cAMPcAMPcAMP第二节乳糖操纵子的调控模式第二节乳糖操纵子的调控模式第二节乳糖操纵子的调控模式cAMP－CAP复合物与DNA的结合第二节乳糖操纵子的调控模式cAMP－CAP复合物启动基因的转录第二节乳糖操纵子的调控模式

cAMP－CAP与上游DNA位点结合后造成模板DNA沿对称序列中央发生大于90。的弯曲。第二节乳糖操纵子的调控模式cAMP－CAP与DNA结合造成的模板DNA弯曲第二节乳糖操纵子的调控模式cAMP－CAP与DNA结合造成的模板DNA弯曲CAPBindingBendsDNAThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebindingDNACAPLacICrystalStructureofLacIandCAPComplexedtoDNA6.lac操纵子DNA的调控区域--P.O.区

lacP(启动子区)从I基因结束到mRNA转录起始位点止，共长82bp(-82～+1)。O区就是阻遏物结合区，位于P区后半部分和转录起始区(-7～+28)，