工学原核生物基因表达的调控学习教案

1、会计学1工学原核生物基因表达的调控工学原核生物基因表达的调控第一页，编辑于星期二：点 二十一分。第1页/共112页第二页，编辑于星期二：点 二十一分。物大分子，而同时又能迅速地停止合成和降解那些不再需要的成分。原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着举足轻重的影响。第2页/共112页第三页，编辑于星期二：点 二十一分。第3页/共112页第四页，编辑于星期二：点 二十一分。 ：从DNA到蛋白质或功能RNA分子的过程。即基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为gene regulation 。编码基因转录合成过程也属于基因表达第4页/共112页第五页，编辑于星期二：点 二十一分。的一类基因

2、表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。第5页/共112页第六页，编辑于星期二：点 二十一分。表达水平降低的现象称为阻遏表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称，相应的基因被称为为可阻遏的基因(repressible gene)。第6页/共112页第七页，编辑于星期二：点 二十一分。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，称之为基因表达的按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称第7页/共

3、112页第八页，编辑于星期二：点 二十一分。第8页/共112页第九页，编辑于星期二：点 二十一分。基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。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，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，称之为基因表达的称之为基因表达的空间特异性空间特异性。第9页/共112页第十页，编辑于星期二：点 二

4、十一分。第10页/共112页第十一页，编辑于星期二：点 二十一分。第11页/共112页第十二页，编辑于星期二：点 二十一分。第12页/共112页第十三页，编辑于星期二：点 二十一分。1961年，年，Monod和和Jacob提出提出获获1965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖Jacob and Monod第13页/共112页第十四页，编辑于星期二：点 二十一分。第14页/共112页第十五页，编辑于星期二：点 二十一分。第15页/共112页第十六页，编辑于星期二：点 二十一分。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白正转录调控如果在没有调节蛋白质

5、存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控称正转录调控。第16页/共112页第十七页，编辑于星期二：点 二十一分。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白负转录调控在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控称负转录调控。第17页/共112页第十八页，编辑于星期二：点 二十一分。分解代谢蛋白的基因2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为和两大类：第18页/共112页第十九页，编辑于星期二：点 二十一分。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白调节基因

6、调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物诱导物mRNA酶蛋白酶蛋白诱导物如果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。第19页/共112页第二十页，编辑于星期二：点 二十一分。第20页/共112页第二十一页，编辑于星期二：点 二十一分。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。第21页/共112页第二十二页，编辑于星期二：点 二十一分。基因转录；基因转录；在在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与系

7、统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。构基因不转录。第22页/共112页第二十三页，编辑于星期二：点 二十一分。第23页/共112页第二十四页，编辑于星期二：点 二十一分。在在正控阻遏系统中，效应物分子系统中，效应物分子（辅阻遏物）辅阻遏物）的存在使激活蛋白的存在使激活蛋白处于非活性状态处于非活性状态。第24页/共112页第二十五页，编辑于星期二：点 二十一分。第25页/共112页第二十六页，编辑于星期二：点 二十一分。第26页/共112页第二十七页，编辑于星期二：点 二十一分。因子编码基因主要功能70rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因

8、的调控54rpoN参与多数氮源利用基因的调控38rpoH分裂间期特异基因的表达调控32rpoS热休克基因的表达调控28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控24rpoE过度热休克基因的表达调控第27页/共112页第二十八页，编辑于星期二：点 二十一分。 有序的因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达。第28页/共112页第二十九页，编辑于星期二：点 二十一分。第29页/共112页第三十页，编辑于星期二：点 二十一分。乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第30页/共112页第三十一页，编辑于星期二：点 二十一分。第31页/共112页第三十二页，编辑于星期二：点 二十一分。第

9、32页/共112页第三十三页，编辑于星期二：点 二十一分。第33页/共112页第三十四页，编辑于星期二：点 二十一分。 操纵基因是操纵基因是DNADNA上的一小段序上的一小段序列（仅为列（仅为26bp26bp），是阻遏物的），是阻遏物的结合位点。结合位点。第34页/共112页第三十五页，编辑于星期二：点 二十一分。第35页/共112页第三十六页，编辑于星期二：点 二十一分。第36页/共112页第三十七页，编辑于星期二：点 二十一分。RNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位阻遏物结合部位阻遏物结合部位第37页/共112页第三十八页，编辑于星期二：点 二十一分。 第38页/共112页第三十九页，编辑于星

10、期二：点 二十一分。第39页/共112页第四十页，编辑于星期二：点 二十一分。第40页/共112页第四十一页，编辑于星期二：点 二十一分。 第41页/共112页第四十二页，编辑于星期二：点 二十一分。第42页/共112页第四十三页，编辑于星期二：点 二十一分。第43页/共112页第四十四页，编辑于星期二：点 二十一分。存在时进入细胞？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？第44页/共112页第四十五页，编辑于星期二：点 二十一分。状态下有少量的状态下有少量的laclac mRNA mRNA合成。合成。第45页/共112页第四十六页，编辑于星期二：点 二十一分。透过酶透过酶进入细胞进入细胞-半

11、乳糖苷酶半乳糖苷酶异构乳糖异构乳糖诱导物诱导物诱导诱导lac mRNA的生物合成的生物合成大量乳糖进入细胞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）多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）异构乳糖异构乳糖第46页/共112页第四十七页，编辑于星期二：点 二十一分。乳糖第47页/共112页第四十八页，编辑于星期二：点 二十一分。第48页/共112页第四十九页，编辑于星期二：点 二十一分。lac可诱导。可诱导。第49页/共112页第五十页，编辑于星期二：点 二十一分。代谢物阻遏效应代谢物阻遏效应第50页/共112页第五十一页，编辑于星期二：点 二十一分。代谢物激活蛋白（代谢物激活蛋白

12、（CAP）/环腺苷酸受体蛋白（环腺苷酸受体蛋白（CRP）由由Crp基因编码，能与基因编码，能与cAMP形成复合物。形成复合物。 cAMPCAP复合物是激活复合物是激活lac的重要组成部分。的重要组成部分。第51页/共112页第五十二页，编辑于星期二：点 二十一分。ZYAOPDNA 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透过酶透过酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶cAMPCAP复合物第52页/共112页第五十三页，编辑于星期二：点 二十一分。第53页/共112页第五十四页，编辑于星期二：点 二十一分。ATP腺苷酸环化酶

13、腺苷酸环化酶cAMP（环腺苷酸）（环腺苷酸） 大肠杆菌中：无葡萄糖，大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；浓度高； 有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低浓度低第54页/共112页第五十五页，编辑于星期二：点 二十一分。+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时促进转录促进转录有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时不促进转录不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第55页/共112页第五十六页，编辑于星期二：点 二十一分。如无如无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。存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合

14、，操纵子仍无转录活性。 cAMPCAP复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏(catabolic repression)。 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。第56页/共112页第五十七页，编辑于星期二：点 二十一分。第57页/共112页第五十八页，编辑于星期二：点 二十一分。RepressorPromoterLa

15、cYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CAPCAP第58页/共112页第五十九页，编辑于星期二：点 二十一分。RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has

16、 bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!第59页/共112页第六十页，编辑于星期二：点 二十一分。RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to t

17、he races . . .Come on, let me through!第60页/共112页第六十一页，编辑于星期二：点 二十一分。半乳糖苷分子-半乳糖苷酶分解产物（体内积累）-半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷分子乙酰基第61页/共112页第六十二页，编辑于星期二：点 二十一分。因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。第62页/共112页第六十三页，编辑于星期二：点 二十一分。POZYAtsxPOpur结构基因缺失lac operonpur operon第63页/共112页第六十四页，编辑于星期二：点 二十一分。trpRtrp第64页/共112页第六十五页，编辑于星期二：点 二十一分。第65页/

18、共112页第六十六页，编辑于星期二：点 二十一分。第66页/共112页第六十七页，编辑于星期二：点 二十一分。 trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA 蛋白 TrpR(无活性) 活化的 阻遏蛋白 阻遏物 (Trp) 图 16-27 TrpR 被 Trp 激活后可阻遏trp 操纵子的转录 (仿 B.Lewin:GENES，1990, Fig .13.16) 第67页/共112页第六十八页，编辑于星期二：点 二十一分。衰减子（attenuator）/弱化子前导序列（leader sequence）第68页/共112页第六十九页，编辑于星期二：点 二十一分。1

19、23150第69页/共112页第七十页，编辑于星期二：点 二十一分。第70页/共112页第七十一页，编辑于星期二：点 二十一分。第71页/共112页第七十二页，编辑于星期二：点 二十一分。第72页/共112页第七十三页，编辑于星期二：点 二十一分。第73页/共112页第七十四页，编辑于星期二：点 二十一分。第74页/共112页第七十五页，编辑于星期二：点 二十一分。前导肽前导肽转录终止结构转录终止结构第75页/共112页第七十六页，编辑于星期二：点 二十一分。转录的进行，在细菌细胞内这两转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。内周密

20、的调控作用。第76页/共112页第七十七页，编辑于星期二：点 二十一分。异构酶异构酶(galE)乳糖乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)半乳糖激酶半乳糖激酶(galk)。第77页/共112页第七十八页，编辑于星期二：点 二十一分。gal操纵子的特点：操纵子的特点： 它有两个启动子，其它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；可从两个不同的起始点开始转录； 它有两个它有两个O区，一个在区，一个在P区上游，另一个在结构基因区上游，另一个在结构基因galE内部。内部。第78页/共112页第七十九页，编辑于星期二：点 二十一分。三个基因的表达受到ara操纵子中ara

21、C基因产物AraC蛋白的调控。第79页/共112页第八十页，编辑于星期二：点 二十一分。AraC蛋白的两种异构体来实现的蛋白的两种异构体来实现的（Pi和和Pr)。第80页/共112页第八十一页，编辑于星期二：点 二十一分。第81页/共112页第八十二页，编辑于星期二：点 二十一分。第82页/共112页第八十三页，编辑于星期二：点 二十一分。第83页/共112页第八十四页，编辑于星期二：点 二十一分。SOS反应的机理：由 RecA 蛋白和 LexA 阻遏物的相互作用引起的。LexA阻遏物：是SOS DNA修复系统所有基因的阻遏物RecA蛋白：是SOS反应的最初的发动因子。在单链DNA和ATP存在

22、时，RecA蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解LexA阻遏物。当RecA水解LexA阻遏物后，导致SOS体系（包括recA基因）高效表达，DNA得到修复第84页/共112页第八十五页，编辑于星期二：点 二十一分。第85页/共112页第八十六页，编辑于星期二：点 二十一分。第86页/共112页第八十七页，编辑于星期二：点 二十一分。第87页/共112页第八十八页，编辑于星期二：点 二十一分。第88页/共112页第八十九页，编辑于星期二：点 二十一分。第89页/共112页第九十页，编辑于星期二：点 二十一分。细菌中存在一些非特异性的DNA结合蛋白，用来维持DNA的高级结构，被称为组蛋白类似蛋白（h

23、istone-like proteins，H-NS）。细菌中的H-NS蛋白包含两个结构域，一个DNA结合结构域和一个蛋白-蛋白相互作用结构域。H-NS先结合到DNA上，然后通过蛋白-蛋白相互作用形成四聚体或者多聚体，帮助维持DNA的高级结构。当H-NS结合到一些基因的调控区时，会抑制这些基因的转录。第90页/共112页第九十一页，编辑于星期二：点 二十一分。 能够与基因的启动子区相结合，对基因的转录起激活或抑制作用的DNA结合蛋白称为转录调控因子。有些转录调控因子受发育阶段变化而产生，有些受环境因子影响而产生，从而调节相应基因的表达。 有的转录调控因子只影响一个基因的表达，有些转录调控因子可影

24、响多个基因的表达。有的转录调控因子抑制这个基因转录，同时又激活另一个基因转录。第91页/共112页第九十二页，编辑于星期二：点 二十一分。第92页/共112页第九十三页，编辑于星期二：点 二十一分。细菌中参与mRNA降解的内切酶主要是RNase，它的切割位点需要一定的二级结构，而不是随机的内切酶，具有这些二级结构的mRNA容易被降解。第93页/共112页第九十四页，编辑于星期二：点 二十一分。大肠杆菌大肠杆菌CsrAB调节系统调节系统在CsrAB系统中，CsrA是一个RNA结合蛋白，CsrB是非编码的RNA分子，CsrB有一个家族。CsrA可以结合到受其调控的mRNA上，促进该mRNA的降解，

25、也可以结合到CsrB上。CsrB过多会抑制CsrA的作用。 在糖原合成途径中，如果CsrA结合到glg基因（编码UDPG焦磷酸化酶）的mRNA分子上，该mRNA分子就易于受核酸酶攻击，其降解过程很快。第94页/共112页第九十五页，编辑于星期二：点 二十一分。第95页/共112页第九十六页，编辑于星期二：点 二十一分。细菌中有些mRNA结合蛋白可以激活翻译，也有些可以抑制翻译。大肠杆菌BipA蛋白能激活转录调控蛋白fis mRNA的翻译，是fis蛋白合成所必需的。相反，当核糖体蛋白表达量过多时，能结合到自身mRNA的核糖体结合位点（RBS），抑制翻译。第96页/共112页第九十七页，编辑于星期

26、二：点 二十一分。反义RNA是与mRNA中某一段序列互补的小分子RNA，反义RNA与mRNA的前体互补可阻碍剪接，与成熟mRNA的翻译起始区互补可抑制翻译。但有些反义RNA也能促进翻译。 细菌铁蛋白用来贮存细胞中过剩的铁离子，铁蛋白基因是bfr。无论铁离子浓度高低，bfr基因都正常转录出mRNA，而编码其反义RNA的基因anti-bfr的转录却受能够感应到铁离子浓度变化的Fur蛋白的调控。细胞中铁离子浓度高时，Fur蛋白关闭anti-bfr基因的转录，使得bfr的mRNA能够翻译出铁蛋白。第97页/共112页第九十八页，编辑于星期二：点 二十一分。Anti-bfr基因转录产生的反义RNA对bf

27、r基因mRNA翻译的的调节作用第98页/共112页第九十九页，编辑于星期二：点 二十一分。噬菌体Q的单链RNA基因组是正链RNA，包括三个基因：成熟蛋白基因A，外壳蛋白及RNA复制酶。 当噬菌体Q的RNA进入细胞后，立即作为模板翻译出这三种蛋白质。正在翻译的核糖体影响了复制酶对此RNA的复制，但复制酶可以结合到外壳蛋白的翻译起始区，阻止核糖体的结合。当已经结合的核糖体完成翻译脱落后，复制酶就可以从RNA的3端开始复制。在外壳蛋白的翻译起始区和RNA的3端都有CUUUUAAA序列，能形成茎环结构，具备翻译阻遏特征。第99页/共112页第一百页，编辑于星期二：点 二十一分。dnaG(引物酶) RNA引物dnaG、rpoD和rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子50个拷贝的dnaG蛋白、2800个拷贝的rpoD和40000个拷贝的rpsU第100页/共112页第一百零一页，编辑于星期二：点 二十一分。蛋白质AUU/%AUC%AUA%结构蛋白37621亚基26740DnaG蛋白363232细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。第101页/共112页第一百零二页，编辑于星期二：点 二十一分。第102页/共112页第一百零三页，编辑于星期二