基因的表达和调控

基因的表达和调控基因的表达和调控第1页概述基因表示调控DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制基因表示——基因转录及翻译过程。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA过程也属于基因表示基因的表达和调控第2页对基因表示过程调整称为基因表示调控（gene

regulation或genecontrol）。基因表示方式

组成性表示(constitutiveexpression)

适应性表示(adaptiveexpression）基因的表达和调控第3页组成性表示：

一些基因在一个个体几乎全部细胞中连续表示，通常被称为看家基因(housekeepinggene)。

组成性基因表示不是一成不变，其表示强弱也受一定机制调控。指不大受环境变动而改变一类基因表示。基因的表达和调控第4页

适应性表示

指环境改变轻易使表示水平变动一类基因表示。适应环境条件改变基因表示水平增高现象称为诱导，这类基因被称为可诱导基因(induciblegene)；随环境条件改变而基因表示水平降低现象称为阻遏，对应基因被称为可阻遏基因(repressiblegene)。

基因的表达和调控第5页基因表示规律——时间性及空间性时间特异性(temporalspecificity)一些基因表示严格按特定时间次序生，称之为基因表示时间特异性。

多细胞生物基因表示时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。

基因的表达和调控第6页ζ(zeta),ψ(psai)基因的表达和调控第7页骨髓卵黄囊脾肝脏骨髓基因的表达和调控第8页空间特异性(spatialspecificity)在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不一样组织空间次序出现空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。同形异位现象:果蝇头部长触角部位长出脚来同形异位盒基因(homeobox):高度保守一段核苷酸序列（180bp），控制胚胎发育基因的表达和调控第9页基因的表达和调控第10页基因表示普通规律：在需要时表示——开(turnon)，不需要时不表示——关(turnoff)。“关”：基因表示量尤其低生物基因表示受着严密和准确调控，基因表示调控是生命本质所在，是生物适应环境生存必定结果。基因的表达和调控第11页基因表示调控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基因表示调控步骤：基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工基因的表达和调控第12页基因的表达和调控第13页一、原核基因表示调控总论(1)转录水平上调控;(2)转录后水平上调控;①

mRNA加工成熟水平上调控②

翻译水平上调控基因的表达和调控第14页原核生物中，营养情况（nutritionalstatus）和环境原因（environmentalfactor）对基因表示起着举足轻重影响。在转录水平上对基因表示调控决定于DNA结构、RNA聚合酶功效、蛋白因子及其它小分子配基相互作用。基因的表达和调控第15页1961年，Monod和Jacob提出操纵子学说FrancisJacob

JacquesMonod

转录水平上调控机制：获1965年诺贝尔生理学和医学奖基因的表达和调控第16页操纵子：是基因表示调整单位，由开启子（开启基因）、操纵区（操纵基因）及其所控制一组功效上相关结构基因所组成。操纵区受调整基因产物控制。多个结构基因操纵区基因的表达和调控第17页乙酰基转移酶半乳糖苷透性酶ß-半乳糖苷酶操纵位点乳糖操纵子结构调整基因基因的表达和调控第18页（1）依据操纵子对调整蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）应答机制不一样，可分为：正转录调控负转录调控

1、原核基因调控分类基因的表达和调控第19页调整基因操纵基因结构基因激活蛋白正转录调控正转录调控：调整蛋白是激活蛋白在没有调整蛋白存在时结构基因是关闭，加入调整蛋白质后基因转录被开启，称为正转录调控。基因的表达和调控第20页调整基因操纵基因结构基因阻遏蛋白负转录调控负转录调控：调整蛋白是阻遏蛋白在没有调整蛋白存在时结构基因是表示，加入调整蛋白质后基因表示被关闭，称为负转录调控。基因的表达和调控第21页可诱导调整：结构基因在特殊代谢物或化合物作用下，由原来关闭状态转变为工作状态。比如：大肠杆菌乳糖操纵子

结构基因表示还受一些小分子物质（效应物）调控。（2）依据操纵子对效应物应答机制不一样，分为可诱导调整和可阻遏调整两大类：基因的表达和调控第22页调整基因操纵基因结构基因阻遏蛋白调整基因操纵基因结构基因阻遏蛋白诱导物mRNA酶蛋白可诱导调整某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。基因的表达和调控第23页可阻遏调整：基因平时是开启，处于产生蛋白质或酶工作过程中，因为一些特殊代谢物或化合物积累而将其关闭，阻遏了基因表示。例：色氨酸操纵子基因的表达和调控第24页调整基因操纵基因结构基因阻遏蛋白辅阻遏物mRNA酶蛋白可阻遏调整调整基因操纵基因结构基因无活性阻遏蛋白基因的表达和调控第25页

（3）在负转录调控系统中，调整基因产物是阻遏蛋白，起着阻止结构基因转录作用。依据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。基因的表达和调控第26页基因的表达和调控第27页

(4)σ因子参加大肠杆菌基因表示调控

存在6种σ因子，其中σ70是调控最基础生理功效如碳代谢、生物合成等基因转录所必须。

除参加氮代谢σ54外，其它5种σ因子在结构上含有同源性，所以统称σ70家族。基因的表达和调控第28页大肠杆菌中各种σ因子比较σ因子编码基因主要功效σ70rpoD参加对数生长久和大多数碳代谢过程基因调控σ54rpoN参加多数氮源利用基因调控σ38rpoH分裂间期特异基因表示调控σ32rpoS热休克基因表示调控σ28rpoF鞭毛趋化相关基因表示调控σ24rpoE过分热休克基因表示调控基因的表达和调控第29页全部σ因子都含有4个保守区，其中第2个和第4个保守区参加结合开启区DNA，第2个保守区另一个别还参加双链DNA解开成单链过程。不一样σ因子结合DNA序列及结合次序不完全相同。基因的表达和调控第30页2、原核基因调控主要特点经过特殊代谢物调整基因活性主要有可诱导和可阻遏两大类（1）可诱导调整：（2）可阻遏调整：规律：可诱导基因总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白基因。而可阻遏基因是一些合成各种细胞代谢过程中所必须小分子物质（如氨基酸、嘌呤和嘧啶等）基因。基因的表达和调控第31页3、弱化子对基因活性影响

属于这种调整方式有大肠杆菌色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子等。起信号作用是有特殊负载氨基酰-tRNA浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA浓度。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用一段核苷酸被称为弱化子。基因的表达和调控第32页基因的表达和调控第33页

4、降解物对基因活性调整有葡萄糖存在情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应操纵子也不会开启，产生出代谢这些糖酶来，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。基因的表达和调控第34页基因的表达和调控第35页5、细菌应急反应

细菌在紧急情况，如氨基酸全方面匮乏时。会产生应急反应，包含生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内几乎全部生物化学反应过程均被停顿。实施这一应急反应信号是鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp）。产生这两种物质诱导物是空载tRNA。基因的表达和调控第36页氨基酸饥饿时，细胞中存在大量不带氨基酸tRNA，这种空载tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp会关闭许多基因，同时也会打开一些合成氨基酸基因，以应付紧急情况。ppGpp与pppGpp作用范围十分广泛，不只影响一个或几个操纵子，影响一大批操纵子，是超级调控因子。基因的表达和调控第37页二、乳糖操纵子(lacoperon)乳糖操纵子结构酶诱导——lac体系受调控证据乳糖操纵子调控模型影响因子Lac操纵子中其它问题基因的表达和调控第38页乳糖操纵子结构基因的表达和调控第39页Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界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：将乙酰辅酶A上乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。基因的表达和调控第40页1、酶诱导——lac体系受调控证据基因的表达和调控第41页乳糖诱导作用中酶是由前体转化而来，还是新合成？培养基（35S-aa,无乳糖）→E.coli繁殖→培养基（无35S-aa,加入乳糖）→β-gal(无35S)分解底物酶只有在底物存在时才出现！基因的表达和调控第42页抚慰诱导物：假如某种物质能够诱导细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为抚慰诱导物，如IPTG（异丙基-β–D-硫代半乳糖苷）；TMG（巯甲基半乳糖苷）；ONPG（O-硝基半乳糖苷）。基因的表达和调控第43页2、乳糖操纵子模型及其影响因子基因的表达和调控第44页乳糖操纵子模型（1）（2）（3）（4）当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA转录起始受到抑制。基因的表达和调控第45页

（5）诱导物经过与阻遏物结合，改变它三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNA合成。基因的表达和调控第46页（1）lac操纵子本底水平表示诱导物+阻遏物乳糖异构乳糖半乳糖苷酶+

透过酶？阻遏物LacmRNA本底水平组成型合成。其它问题：基因的表达和调控第47页

培养基：甘油按照lac操纵子本底水平表示，每个细胞内有几个分子β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶；基因的表达和调控第48页透过酶进入细胞β-半乳糖苷酶异构乳糖诱导物诱导lacmRNA合成大量乳糖进入细胞多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）异构乳糖少许乳糖培养基：加入乳糖乳糖消耗完后，lacmRNA合成被抑制（2）大肠杆菌对乳糖反应基因的表达和调控第49页（3）阻遏物lacI基因产物及功效

Lac操纵子阻遏物mRNA是由弱开启子控制下组成型合成，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。当I基因由弱开启子突变成强开启子，细胞内不可能产生足够诱导物克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。基因的表达和调控第50页组成型突变：lacI-

基因的表达和调控第51页阻遏蛋白结构38KD，4聚体，一个亚基结合一个IPTG分子LacI组成型转录含有二重性阻止转录（与lacO结合）开始转录（与诱导物结合）基因的表达和调控第52页（4）葡萄糖对lac操纵子影响假如将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，lac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表示分解乳糖所需三种酶。基因的表达和调控第53页葡萄糖对lac操纵子表示抑制是间接。比如，有一个大肠杆菌突变体，它在糖酵解路径中不能将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步代谢中间物，这些细菌lac基因能在葡萄糖存在时被诱导合成，说明不是葡萄糖而是它一些降解产物抑制lacmRNA合成，葡萄糖这种效应成为代谢物阻遏效应。基因的表达和调控第54页（5）cAMP与代谢物激活蛋白葡萄糖抑制lacmRNA转录：可阻止诱导物引发阻遏物失活效应；仅去掉阻遏物并不能开启lac基因表示,有其它原因参加。

cAMP:环化腺苷酸

CAP,cataboliteactivatorprotein由crp编码。CRP:环腺苷酸受体蛋白(cAMPreceptorprotein)基因的表达和调控第55页ATP腺甘酸环化酶cAMP（环腺甘酸）

大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；有葡萄糖，cAMP浓度低。推测糖酵解路径中位于葡萄糖－6－磷酸与甘油之间一些代谢产物是腺苷酸环化酶抑制剂。基因的表达和调控第56页CRP结合位点CRP为二聚体，45KD，被cAMP激活结合位点～22bpI-70~-50

II-50~-40基因的表达和调控第57页基因的表达和调控第58页ZYAOPDNA调控区CRP结合位点开启序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透过酶A：乙酰基转移酶cAMP—CRP复合物基因的表达和调控第59页基因的表达和调控第60页

CRP结合对DNA构型影响DNA弯曲；弯曲点位于CAP结合位点二重对称中心；弯曲有利于形成稳定开放型开启子－RNApol结构。基因的表达和调控第61页基因的表达和调控第62页基因转录对cAMP—CRP系统依赖性，与开启子本身效率相关。cAMP-CRP复合物结合，使富含GC区域双螺旋结构稳定性降低，因而-10区熔解温度降低，促进开放型开启子复合物形成。基因的表达和调控第63页CRP激活转录方式CAP直接作用于RNApola亚基：缺失RNApola亚基—C末端时，失去受CAP激活能力。基因的表达和调控第64页

当阻遏蛋白封闭转录时，CRP对该系统不能发挥作用。如无CRP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。cAMP—CRP复合物与开启子区结合是转录起始所必需。协调调整葡萄糖对lac操纵子阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolicrepression)。

基因的表达和调控第65页TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP基因的表达和调控第66页TheLacOperon:

WhenGlucoseAndLactoseArePresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great,Icantranscribe!Sometranscriptionoccurs,butataslowrateThislactosehasbentmeoutofshape基因的表达和调控第67页TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!基因的表达和调控第68页TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMP