第七章原核基因表达调控张铁军

第七章原核基因表达调控张铁军第1页，课件共84页，创作于2023年2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2页，课件共84页，创作于2023年2月概述第3页，课件共84页，创作于2023年2月概述基因表达(geneexpression)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4页，课件共84页，创作于2023年2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5页，课件共84页，创作于2023年2月孕三天桑椹胚孕五周第6页，课件共84页，创作于2023年2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7页，课件共84页，创作于2023年2月组织特异性转基因爪蛙品系第8页，课件共84页，创作于2023年2月

基因表达调控（regulationofgeneexpression）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9页，课件共84页，创作于2023年2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10页，课件共84页，创作于2023年2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-keepinggene)。第11页，课件共84页，创作于2023年2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(constitutivegeneexpression)。第12页，课件共84页，创作于2023年2月bcl-2β-actin12琼脂糖凝胶电泳图1.对照组2.实验组第13页，课件共84页，创作于2023年2月常用的管家基因中文名称英文缩写

beta－肌动蛋白β-actin甘油醛3-磷酸脱氢酶GAPDHTATABox结合蛋白 TBP18s核糖体核糖核酸 18srRNA微管蛋白α

α-tubulin第14页，课件共84页，创作于2023年2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15页，课件共84页，创作于2023年2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(coordinateexpression)。3、协同表达第16页，课件共84页，创作于2023年2月

基因表达调控的生物学意义

1.适应环境、维持生长和增殖；

2.维持个体发育和分化。第17页，课件共84页，创作于2023年2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-actingelement）2、调节蛋白第18页，课件共84页，创作于2023年2月第一节原核基因表达调控总论第19页，课件共84页，创作于2023年2月

基因组

转录

转录后

翻译

翻译后基因表达的调控水平第20页，课件共84页，创作于2023年2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21页，课件共84页，创作于2023年2月一、原核基因调控机制的类型与特点（一）原核基因调控机制的类型负调控正调控geneON→OFF阻遏蛋白geneOFF→ON激活蛋白基因表达量特别低第22页，课件共84页，创作于2023年2月1、负调控negativeregulation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23页，课件共84页，创作于2023年2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24页，课件共84页，创作于2023年2月2、正调控positiveregulation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25页，课件共84页，创作于2023年2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26页，课件共84页，创作于2023年2月失活的激活蛋白失活的阻遏蛋白阻遏蛋白第27页，课件共84页，创作于2023年2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σ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28页，课件共84页，创作于2023年2月1、原核基因转录调节特点

(一)σ因子决定RNA聚合酶识别特异性核心酶全酶第29页，课件共84页，创作于2023年2月

σ因子第30页，课件共84页，创作于2023年2月大肠杆菌中的各种σ因子比较σ因子编码基因主要功能σ70rpoD识别一般启动子σ54rpoN参与多数氮源利用基因的调控σ38rpoH分裂间期特异基因的表达调控σ32rpoS热休克基因的表达调控σ28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控σ24rpoE过度热休克基因的表达调控第31页，课件共84页，创作于2023年2月

第二节乳糖操纵子与负控诱导系统第32页，课件共84页，创作于2023年2月乳糖操纵子模型的建立(JacobandMonod,1961)FrancoisJacobJacqucesMonod获1965年诺贝尔奖第33页，课件共84页，创作于2023年2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34页，课件共84页，创作于2023年2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35页，课件共84页，创作于2023年2月一、乳糖操纵子(lacoperon)的结构与组成

调控区阻遏基因启动子操纵基因

结构基因lacZ：β-半乳糖苷酶lacY：β-半乳糖苷透过酶lacA：β-半乳糖苷乙酰基转移酶ZYAOPDNAI第36页，课件共84页，创作于2023年2月蓝白显色筛选法第37页，课件共84页，创作于2023年2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。1、实验证据第38页，课件共84页，创作于2023年2月第39页，课件共84页，创作于2023年2月2、实验用诱导物乳糖IPTG(异丙基巯基半乳糖苷)TMG(巯甲基半乳糖苷)ONPG(O-硝基半乳糖苷)第40页，课件共84页，创作于2023年2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41页，课件共84页，创作于2023年2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β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY：编码β-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β-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42页，课件共84页，创作于2023年2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43页，课件共84页，创作于2023年2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44页，课件共84页，创作于2023年2月mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录lacmRNA乳糖异构乳糖β-半乳糖苷酶lac操纵子与阻遏蛋白的负性调节第45页，课件共84页，创作于2023年2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（cataboliteactivatorprotein，CAP）又称为环腺苷酸受体（cAMPreceptorprotein，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ɑ亚基可以和结合有cAMP的CAP结合，从而起始转录。第46页，课件共84页，创作于2023年2月第47页，课件共84页，创作于2023年2月

第48页，课件共84页，创作于2023年2月4、协同调节当阻遏蛋白封闭转录时，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49页，课件共84页，创作于2023年2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50页，课件共84页，创作于2023年2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51页，课件共84页，创作于2023年2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）lacmRNA合成--本底水平组成型合成。

lac操纵子的本底水平表达第52页，课件共84页，创作于2023年2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53页，课件共84页，创作于2023年2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抑制lacmRNA的合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应.第54页，课件共84页，创作于2023年2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55页，课件共84页，创作于2023年2月1、lacmRNA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56页，课件共84页，创作于2023年2月2、lacmRNA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57页，课件共84页，创作于2023年2月CAP、阻遏蛋白、cAMP和诱导剂对lac操纵子的调节第58页，课件共84页，创作于2023年2月

色氨酸操纵子与负控阻遏系统第59页，课件共84页，创作于2023年2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60页，课件共84页，创作于2023年2月第61页，课件共84页，创作于2023年2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—JacobandMonod的工作

第62页，课件共84页，创作于2023年2月（二）trp操纵子的结构阻遏型操纵子trpAtrpBtrpCtrpEtrpDPtrpOtrp前导序列aTrp阻抑物色氨酸激活RNAtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA色氨酸合成所需的酶trpR第63页，课件共84页，创作于2023年2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64页，课件共84页，创作于2023年2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65页，课件共84页，创作于2023年2月TrpTrp浓度高时Trp浓度低时mRNAOPtrpR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66页，课件共84页，创作于2023年2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.调节区结构基因trpROP前导序列弱化子区域UUUU……前导mRNA1234第67页，课件共84页，创作于2023年2月UUUU……RNA聚合酶起调节作用的是某种氨酰-tRNA的浓度第68页，课件共84页，创作于2023年2月第69页，课件共84页，创作于2023年2月UUUU……34UUUU3’34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DNAUUUU3’RNA聚合酶终止第70页，课件共84页，创作于2023年2月（二）前导肽UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子

结构基因前导DNARNA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71页，课件共84页，创作于2023年2月第72页，课件共84页，创作于2023年2月5’trpmRNAtrpL1234寡聚U区trpE(a)正常(b)高[Trp]12转录终止34(C)低[Trp]1234转录延伸第73页，课件共84页，创作于2023年2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.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74页，课件共84页，创作于2023年2月第四节其他操纵子（自学）第五节固氮基因调控（自学）第75页，课