原核基因表达调控 (2)讲稿

1、关于原核基因表达调控 (2)第一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月内 容 提 要一、概 述二、原核生物基因表达的调控（一）原核生物基因表达的特点（二）原核生物基因表达的调控机制 (1)转录起始的调控(2) 转录终止的调控 (3) 翻译水平的调控 第二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月概述第三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月概 述基因表达(gene expression) 是基因转录及翻译的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的RNA序列，对于蛋白质编码基因，mRNA继而翻译成多肽链，并装配加工成最终的蛋白质产物。 第四张，PPT共八十八页

2、，创作于2022年6月 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。第五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月孕三天 桑椹胚孕五周第六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月 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。 基因表达的时间性及空间性第七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月组织特异性转基因爪蛙品系第八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月 基因表达调控（regulation of ge

3、ne expression） 就是指细胞或生物体在接受内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（或RNA），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。 基因表达的方式存在多样性第九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月基因表达的方式组成性基因表达适应性表达（诱导和阻遏表达）按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：第十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月1、组成性基因表达 某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因 (house-keeping gene)。第十一张，PPT共八十八

4、页，创作于2022年6月管家基因的表达水平受环境因素影响较小，是在生物体各个生长阶段的大多数、或几乎全部组织中持续表达。这类基因表达被视为组成性（或基本）基因表达(constitutive gene expression)。第十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月bcl-2-actin 1 2琼脂糖凝胶电泳图 1. 对照组 2. 实验组第十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月常用的管家基因 中文名称 英文缩写 beta肌动蛋白 -actin甘油醛3-磷酸脱氢酶 GAPDH TATA Box结合蛋白 TBP 18s 核糖体核糖核酸 18s rRNA 微管蛋白 -tubulin第十

5、四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月2、诱导和阻遏表达诱导表达（induction）指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。阻遏表达（repression）指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。第十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月 在一定机制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协同表达(coordinate expression)。3、协同表达第十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月 基因表达调控的生物学意义 1.适应环境、维持生长和

6、增殖； 2.维持个体发育和分化。第十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月基因转录调控的基本要素1、特异DNA序列原核生物的操纵子（operon）真核生物的顺式作用元件 （cis-acting element）2、调节蛋白第十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第一节 原核基因表达调控总论第十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月 基因组 转录 转录后 翻译 翻译后基因表达的调控水平第二十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月转录水平上的调控翻译水平上的调控（较少）原核基因表达调控第二十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月一、原核基因调控机制的类型与特点（一）原

7、核基因调控机制的类型负调控正调控gene ON OFF阻遏蛋白gene OFF ON激活蛋白基因表达量特别低第二十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月1、负调控 negative regulation在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被关闭，这样的控制系统就叫做负控系统。其调节蛋白质叫做阻遏蛋白 两种类型：负控诱导和负控阻遏第二十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月负控诱导系统负控阻遏系统失活的阻遏蛋白阻遏蛋白1. 阻遏蛋白；2. 加入某种调节蛋白质后基因活性就被关闭第二十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月2、正调控 positive

8、regulation在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控制系统就叫做正控系统。其调节蛋白质叫做激活蛋白两种类型:正控诱导和正控阻遏系统第二十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月正控诱导系统正控阻遏系统失活的激活蛋白1. 激活蛋白；2. 加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启第二十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月失活的激活蛋白失活的阻遏蛋白阻遏蛋白第二十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月（二）原核生物基因表达调控的特点调节的主要环节在转录水平上进行因子决定RNA聚合酶识别特异性主要通过操纵子模式进行调节第二十八张，PPT共

9、八十八页，创作于2022年6月1、原核基因转录调节特点(一)因子决定RNA聚合酶识别特异性核心酶全酶第二十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月 因子第三十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月大肠杆菌中的各种因子比较因子编码基因主要功能70rpoD识别一般启动子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三十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月 第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统第三十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月乳糖操纵子

10、模型的建立(Jacob and Monod, 1961)Francois JacobJacquces Monod获1965年诺贝尔奖第三十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月- 操纵子(operon)操纵子：是基因表达的调控单位，由调节基因、启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。第三十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月- 操纵子(operon) 结构基因 启动子 操纵基因 调节基因 (promoter) (operator)阻遏蛋白第三十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月一、乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成 调控区阻遏基因启动子操

11、纵基因 结构基因lacZ： -半乳糖苷酶lacY： -半乳糖苷透过酶lacA： -半乳糖苷乙酰基 转移酶ZYAOPDNAI第三十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月蓝白显色筛选法第三十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月二、酶的诱导-lac体系受调控的证据在不含乳糖的培养基中，lac+基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有12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。 1、实验证据第三十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第三十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月2、实验用诱导物乳糖IPTG(异丙基巯

12、基半乳糖苷)TMG(巯甲基半乳糖苷)ONPG(O-硝基半乳糖苷)第四十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月三、lac操纵子模型及其影响因子（一）Lac操纵子模型调控区结构基因第四十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月乳糖操纵子模型1、Z、Y、A基因的产物为一条多顺反子mRNAlacZ：编码-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY：编码-半乳糖苷透过酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；lacA：编码-半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。多顺反子：一个mRNA分子编码多个多肽链。这些多肽链对应的DNA片段则位于同一转录单位内，享用同一对起点和终点。第四十二张，PPT共八

13、十八页，创作于2022年6月2、P区位于I与O之间，O为阻遏蛋白结合位点 启动子（P） RNA聚合酶结合位点 调节基因 CAP结合位点 操 纵 基 因（O） 结构基因 I 阻遏蛋白结合位点 第四十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时3、乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节阻遏基因（1）阻遏蛋白的负性调节第四十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录lac mRNA乳糖异构乳糖-半乳糖苷酶lac 操纵子与阻遏蛋白的负性调节第四十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6

14、月3、乳糖操纵子受阻遏蛋白和CAP的双重调节（2）CAP的正性调节1. cAMP 由ATP合成。2. 代谢物激活蛋白（catabolite activator protein，CAP）又称为环腺苷酸受体（cAMP receptor protein，CRP）。3. 每个CAP可结合一个cAMP。4. 在含葡萄糖的培养基中，cAMP的浓度很低。5. RNA聚合酶亚基可以和结合有cAMP的CAP结合，从而起始转录。第四十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第四十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月 第四十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月4、 协同调节当阻遏蛋白封闭转录时，

15、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。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 作为阻遏蛋白的诱导物 操控负调节葡萄糖 降低cAMP-CAP 操控正调节第四十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月mRNA低乳糖时高乳糖时 葡萄糖低 cAMP浓度高 葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO阻遏蛋白cAMP-CAPcAMP-CAP阻遏蛋白第五十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月(二) 乳糖操纵子的影响因子1、lac操纵子的本底水平表达乳糖第五十一张，PPT共八十八页

16、，创作于2022年6月因为诱导物需要穿过细胞壁才能与阻遏蛋白结合，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）lac mRNA合成-本底水平组成型合成。 lac操纵子的本底水平表达第五十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月3、阻遏物lacI基因产物及功能mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因弱启动子控制的组成型合成第五十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月4、葡萄糖对lac操纵子的影响代谢物阻遏效应（葡萄糖效应） 是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖类的利用的现象。研究认为葡萄糖的某些代谢产物

17、抑制lac mRNA的合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应.第五十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月5、lac基因产物数量上的不同Z、Y、A三个基因产物的拷贝数比例为1：0.5：0.2第五十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月1、lac mRNA可能在翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译。原因：在翻译水平上的调节第五十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月2、lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更易受内切酶作用发生降解，故Z基因的完整拷贝数要比A基因多。原因：在翻译水平上的调节降解第五十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月CAP、阻遏蛋白、cAMP

18、和诱导剂对lac操纵子的调节 第五十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月 色氨酸操纵子与负控阻遏系统第五十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月可诱导调节：调节分解代谢的操纵子，同时受cAMP-CAP的活性调节可阻遏调节：调节合成代谢的操纵子（色氨酸）特殊代谢物调节基因活性的类型第六十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第六十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月一、 trp操纵子的阻遏系统（一） trp操纵子的研究背景酶合成阻遏的现象Jacob and Monod的工作 第六十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月（二） trp操纵子的结构阻遏型操纵子trpA

19、trpBtrpCtrpEtrpDPtrp Otrp前导序列 aTrp 阻抑物 色氨酸激活RNAtrpE trpD trpC trpB trpA色氨酸合成所需的酶trpR第六十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月酶阻遏的操纵子模型辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构基因表达.调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白.辅阻遏蛋白第六十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月（三） trp操纵子的阻遏调控机制色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。 色氨酸操纵子的调控机制与乳

20、糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。 第六十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月Trp Trp 浓度高时 Trp浓度低时 mRNA OPtrpR调节区 结构基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 色氨酸操纵子阻遏调节?第六十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月二、 弱化子与前导肽（一）弱化子在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.调节区 结构

21、基因 trpROP前导序列 弱化子区域 UUUU前导mRNA1234第六十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月UUUU RNA聚合酶 起调节作用的是某种氨酰-tRNA的浓度第六十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第六十九张，PPT共八十八页，创作于2022年6月UUUU34UUUU 334核糖体 前导肽 前导mRNA1.当色氨酸浓度高时 转录衰减机制 125 trp 密码子 弱化子结构就是终止子可使转录前导DNA UUUU 3 RNA聚合酶 终止第七十张，PPT共八十八页，创作于2022年6月（二）前导肽UUUU342423UUUU核糖体 前导肽 前导mRNA 15 trp

22、密码子 结构基因前导DNA RNA聚合酶 当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关结构基因被转录 序列3、4不能形成弱化子结构 第七十一张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第七十二张，PPT共八十八页，创作于2022年6月5 trp mRNA trpL1 23 4寡聚U区trpE (a) 正常 (b) 高 Trp12转录终止3 4 (C) 低Trp 12 34转录延伸第七十三张，PPT共八十八页，创作于2022年6月（三）弱化子的生物学意义活性阻遏物和非活性阻遏物的转变可能较慢，而tRNA荷载与否可能更为灵敏；氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而以tRNA荷载情况为标准来进行控制可能更为恰当.

23、当细胞内氨基酸高于某一水平时，可以实现完全的阻遏；而只有低于这一水平时，才需用弱化子这个调节系统来进行调节，阻遏蛋白和弱化子调节机制都是为了避免浪费，提高效率。第七十四张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第四节 其他操纵子（自学）第五节 固氮基因调控（自学）第七十五张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第六节 转录后调控第七十六张，PPT共八十八页，创作于2022年6月一、翻译起始的调控1、SD序列对翻译的影响SD序列：mRNA起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。(9-12bp) 5-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3SD序列的顺序及位置对翻译的影响SD与AUG之间相距一般以4-10个核苷酸为佳，9个核苷酸最佳。第七十七张，PPT共八十八页，创作于2022年6月实验证据RNA引物由dnaG基因编码的引物酶催化合成dnaG、rpoD及rpsU属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子基因转录出来的三个蛋白相应的mRNA拷贝数大体相同，由于翻译的调控使得蛋白的拷贝数发生了很大的变化。二、稀有密码子对翻译的影响第七十八张，PPT共八十八页，创作于2022年6月第七十九张，PPT共八十八页，创作