原核生物基因表达调控省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

第六章原核生物基因表示调控1/165序言2/165一、基因表示(geneexpression)在一定调整机制控制下，基因经过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等过程。大多数基因表示产物是蛋白质,部分基因如tRNA和rRNA基因表示产物是RNA。3/1654/165一个经典原核生物基因结构5/1656/1657/165二、基因表示调控围绕基因表示过程中发生各种各样调整方式都通称为基因表示调控.转录水平调控转录后调控翻译水平调控8/165DNA水平

基因丢失；基因扩增基因重排；甲基化修饰；染色质结构状态RNA水平转录水平调控；RNA转录后加工；mRNA从核内向胞浆转运；mRNA稳定性蛋白质水平翻译过程；翻译后加工；蛋白质稳定性9/16510/165三、基因表示特征：1）时间特异性或阶段特异性2）空间特异性或组织细胞特异性11/1651、时间特异性按功效需要，某一特定基因表示严格按特定时间次序发生，称之为基因表示时间特异性(temporalspecificity)。多细胞生物基因表示时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。12/1652、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，称之为基因表示空间特异性(spatialspecificity)。基因表示伴随时间次序所表现出这种分布差异，实际上是由细胞在器官分布决定，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。13/165四、基因表示方式组成性基因表示适应性表示（诱导和阻遏表示）14/1651、组成性基因表示

一些基因在一个生物个体几乎全部细胞中连续表示，通常被称为管家基因(house-keepinggene)。15/165

不论表示水平高低，管家基因较少受环境原因影响，而是在个体各个生长阶段大多数或几乎全部组织中连续表示，或改变很小。区分于其它基因，这类基因表示被视为组成性表示。16/1652、诱导和阻遏表示诱导表示（induction）指在特定环境原因刺激下，基因被激活，从而使基因表示产物增加。这类基因称为可诱导基因。阻遏表示（repression）指在特定环境原因刺激下，基因被抑制，从而使基因表示产物降低。这类基因称为可阻遏基因。17/165在一定机制控制下，功效上相关一组基因，不论其为何种表示方式，均需协调一致、共同表示，即为协调表示(coordinateexpression)，这种调整称为协调调整(coordinateregulation)。协调表示18/165五、基因表示调控基本原理：1.基因表示调控多层次和复杂性2.基因转录激活调整基本要素19/1651.基因表示调控多层次和复杂性四个基本调控点（1）基因结构活化（2）转录起始：最有效调整步骤（3）转录后加工及转运（4）翻译及翻译后加工20/165DNA水平

基因丢失；基因扩增基因重排；甲基化修饰；染色质结构状态RNA水平转录水平调控；RNA转录后加工；mRNA从核内向胞浆转运；mRNA稳定性蛋白质水平翻译过程；翻译后加工；蛋白质稳定性21/1652.基因转录激活调整基本要素基因表示调整与基因结构、性质，生物个体或细胞所处内、外环境，以及细胞内所存在转录调整蛋白相关。三个基本要素：1）特异DNA调整序列2）调整蛋白3）RNA聚合酶22/16523/165基因转录激活调整基本要素1、特异DNA序列原核生物操纵子真核生物顺式作用元件

（cis-actingelement）2、调整蛋白24/165

------操纵子(operon)结构基因开启子操纵基因调整基因(promoter)(operator)阻抑蛋白25/165------操纵子(operon)26/165------操纵子(operon)由操纵基因以及相邻若干结构基因所组成功效单位，其中结构基因转录受操纵基因所控制。操纵基因是顺式控制元件，阻抑蛋白是反式作用因子27/165是指可影响本身基因表示活性特异DNA序列。通常是非编码序列。包含开启子、增强子及缄默子等。真核生物顺式作用元件BADNA编码序列转录起始点28/16529/1652、调整蛋白是调整基因转录蛋白因子，如原核生物阻遏蛋白和CAP蛋白（降解物基因活化蛋白）、真核生物基本转录因子和特异转录因子等。30/1653、RNA聚合酶开启序列影响其与RNA聚合酶亲和力，而亲和力大小则直接影响转录起动频率。

原核开启序列或真核开启子是由转录起始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录调整组件组成。31/16532/165真核生物RNA聚合酶33/16534/165六、基因表示调控生物学意义1、适应环境、维持生长和增殖2、维持个体发育与分化35/16536/165第一节原核基因表示调控总论37/1655′3′3′3′5′5′DNARNA转录方向反义链模板链、（－）链正义链、编码链、（+）链基因表示38/165转录水平上调控转录后水平上调控基因表示调控39/165原核生物主要是在转录水平上调控基因表示。当需要某种基因产物时，就大量合成这种mRNA，当不需要这种基因产物时就抑制这种mRNA转录，就是让对应基因不表示。40/165通常所说基因不表示，并不是说这个基因就完全不转录为mRNA，而是转录水平很低，维持在一个基础水平（本底水平）。基因表示完全关闭情况使极为少见。41/165真核生物基因表示调控可发生在不一样水平上42/165一、原核基因调控机制类型与特点（一）原核基因调控机制类型负调控正调控geneON→OFF阻遏蛋白geneOFF→ON激活蛋白基因表示量尤其低43/1651、负调控negativeregulation在没有调整蛋白质存在时基因是表示，加入某种调整蛋白质后基因活性就被关闭，这么控制系统就叫做负控系统。其调整蛋白质叫做阻遏蛋白两种类型：负控诱导和负控阻遏44/165负控诱导系统负控阻遏系统45/1652、正调控positiveregulation在没有调整蛋白质存在时基因是关闭，加入某种调整蛋白质后基因活性就被开启，这么控制系统就叫做正控系统。其调整蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白)两种类型:正控诱导和正控阻遏系统46/16547/165（二）特殊代谢物调整基因表示类型可诱导调整可阻遏调整48/1651、可诱导调整一些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，即在一些物质诱导下使基因活化.调整分解代谢操纵子，同时受cAMP-CAP活性调整49/165可诱导调整－无诱导物时geneOFF50/165可诱导调整－有诱导物时geneON51/165++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时CAP正性调整ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP52/1652、可阻遏调整一些基因在特殊代谢物或化合物作用下，由原来开启状态转变为关闭状态，基因表示被阻遏.调整合成代谢操纵子53/165（三）原核生物基因表示调控特点调整主要步骤在转录水平上进行σ因子决定RNA聚合酶识别特异性主要经过操纵子模式进行调整阻遏蛋白对转录抑制作用（阻遏机制）是普遍存在负调控作用54/165原核生物中基因组织形式几个作用相关基因在染色体上串连排列在一起，由同一个调控系统来控制。这么一个整体称为一个操纵元(operon)。

55/165原核在转录水平上调控56/165

σ因子57/165大肠杆菌最少有6种σ因子σ70负责识别普通开启子σ54识别与氮代谢相关基因开启子σ32识别热激（heatshock）蛋白质基因开启子58/165二、弱化子对基因活性影响1、弱化子在操纵区与结构基因之间一段能够终止转录作用核苷酸序列，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.UUUU……RNA聚合酶起调整作用是某种氨酰-tRNA浓度59/165RNA分子在分子内采取不一样碱基配对方式，形成不一样二级结构而参加调控。当不一样结构对是否允许终止存在差异时，改变二级结构可对转录终止进行调控2、弱化子作用机制60/165UUUU……UUUU……调整区结构基因trpROP前导序列弱化子区域UUUU……前导mRNA1234弱化子结构

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……61/1655’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62/16563/165UUUU……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密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止64/165UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子

结构基因前导DNARNA聚合酶2.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不能形成衰减子结构65/165三、降解物对基因活性调整1、葡萄糖效应（降解物抑制作用）是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌碳源时葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖存在阻止了其它糖类利用现象。66/1652、降解物对基因活性调整葡萄糖经过降低cAMP含量而抑制基因表示67/165四、细菌应急反应指细菌在恶劣生长环境中关闭tRNA和核糖体形成能力。1、细菌应急反应68/1652、细菌应急反应机制应急信号：鸟苷四磷酸（ppGpp）、鸟苷五磷酸（pppGpp）诱导物：空载tRNA焦磷酸转移酶69/165第二节乳糖操纵子与负控诱导系统70/165一、乳糖操纵子(lacoperon)结构与组成调控区阻遏基因开启子操纵基因结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAI71/16572/16573/165

启动子RNA聚合酶结合位点调整基因CAP结合位点操纵基因Z基阻遏蛋白结合位点

mRNA

Lac操纵子调控区域74/165乳糖操纵子结构基因及其表示产物75/165二、酶诱导-lac体系受调控证据在不含乳糖及β-半乳糖苷培养基中，lac+基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有1～2个酶分子。假如在培养基中加入乳糖，酶浓度很快到达细胞总蛋白量6%或7%，每个细胞中可有超出105个酶分子。1、试验证据76/16577/1652、试验用诱导物乳糖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)78/16579/16580/165pUC18AprlacZ'oriAp+X-gal重组子（Apr+lacZ-）

基因工程蓝白斑筛选81/165蓝白显色筛选法82/165三、lac操纵子模型及其影响因子（一）Lac操纵子模型控制区信息区83/1651961年由莫诺（Monod,J.法)和雅各布(Jacob,F.法)提出，用来阐述大肠杆菌乳糖代谢中基因表示调控机制。获1965年诺贝尔生理学和医学奖84/165乳糖操纵子模型建立(JacobandMonod,1961)FrancoisJacobJacqucesMonod获1965年诺贝尔奖85/165乳糖操纵子模型1、Z、Y、A基因产物为一条多顺反子mRNAlacZ：编码β-半乳糖苷酶，它能够将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运输透过细菌细胞壁；lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。86/1652、P区位于I与O之间，O为阻遏物结合位点

启动子RNA聚合酶结合位点调整基因CAP结合位点操纵基因Z基因阻遏蛋白结合位点

87/165乳糖操纵元负调控88/165Lac操纵子P、O区重合阻遏物与O区结合影响了RNA聚合酶与开启子区结合形成转录起始复合物效率。89/16590/1654、CAP正性调整91/165CyclicAMPATP在腺苷酸环化酶作用下转变成环式AMP(cyclicadenosinemonophosphate,cAMP)。

92/165Theadenylcyclase-catalyzedsynthesisofcyclicAMP(cAMP)fromATP©JohnWileyandSonsPublishers93/165cAmp-CAPCataboliteactivatingprotein,CAP代谢激活蛋白，是cAmp受体蛋白(cyclicAmpreceptorprotein,CRP)cAmp-CAP复合物，是lac操纵元正调控因子94/165乳糖操纵元正调控

95/16596/165

97/1655、协调调整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。98/165mRNA低半乳糖时高半乳糖时葡萄糖低cAMP浓度高葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO99/165(二)乳糖操纵子影响因子1、lac操纵子本底水平表示乳糖100/165101/165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许（1-5个mRNA分子）lacmRNA合成--本底水平组成型合成。

lac操纵子本底水平表示102/1653、阻遏物lacI基因产物及功效mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因弱开启子控制组成型合成103/165104/165105/165106/165107/165108/165109/1654、葡萄糖对lac操纵子影响葡萄糖腺苷酸环化酶活性降低ATP无法转变成cAMP不能形成CAP-cAMP复合蛋白RNA酶无法结合在DNA上结构基因不表示。

代谢物阻遏效应研究认为葡萄糖一些降解产物抑制lacmRNA合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应.110/165葡萄糖效应111/1655、cAMP与代谢物激活蛋白112/165113/165114/165115/165Catabolitegeneactivationproteinsite-10site-35siteCACCCCAGGCTTTACACTTTATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTGAGCGGATAACAATTTCACACCTCATTAGGACTCGATTGAGTGTAATTA5’3’Operonregion20bpRNApolymerasebindingregionorpromoterregionPrimarystructureoflacoperonregulationregion5’TATAAT3’Pribnowbox116/165CRP结合位点cAMP-CRP复合物与开启子区结合lacmRNA合成起始所必需，有利于形成稳定开放型开启子-RNA聚合酶结构。117/165118/165四、lac操纵子DNA调控区域－P、O区控制区信息区-82～+1-7～+28119/165五、lac操纵子中其它问题（一）A基因及其生理功效β-半乳糖苷酶透过酶乙酰基转移酶乙酰化半乳糖苷降低对细胞危害120/165（二）lac基因产物数量上比较Z、Y、A三个基因产物拷贝数百分比为1：0.5：0.2121/1651、LacmRNA可能在翻译过程中核糖体相脱离，从而终止蛋白质链翻译。原因：在翻译水平上调整122/1652、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基因完整拷贝数要比A基因多。原因：在翻译水平上调整降解123/165（三）操纵子融合与基因工程操纵子融合：由较弱开启子和强开启子基因形成融合基因，能够经过强开启子使弱开启子转录增强，增加蛋白表示量。124/165第三节色氨酸操纵子与负控阻遏系统125/165可诱导调整：调整分解代谢操纵子，同时受cAMP-CAP活性调整可阻遏调整：调整合成代谢操纵子特殊代谢物调整基因活性类型126/165127/165128/165129/165一、trp操纵子阻遏系统（一）trp操纵子研究背景酶合成阻遏现象—JacobandMonod工作

130/165（二）trp操纵子结构阻遏型操纵子trpAtrpBtrpCtrpEtrpDPtrpOtrp前导序列aTrp阻抑物色氨酸激活RNAtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA色氨酸合成所需酶trpR131/165酶阻遏操纵子模型辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构基因表示.调整基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白.........辅阻遏蛋白132/165（三）trp操纵子阻遏调控机制色氨酸操纵子主要参加调控一系列用于色氨酸合成代谢酶蛋白转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成色氨酸过多时，此操纵子被关闭。色氨酸操纵子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。133/165TrpTrp浓度高时Trp浓度低时mRNAOPtrpR调整区结构基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操纵子－阻遏调整?134/165二、弱化子与前导肽（一）弱化子在操纵区与结构基因之间一段能够终止转录作用核苷酸序列，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.调整区结构基因trpROP前导序列弱化子区域UUUU……前导mRNA1234135/165UUUU……RNA聚合酶起调整作用是某种氨酰-tRNA浓度136/165（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不能形成衰减子结构137/165138/165（三）mRNA前导区序列分析前导区mRNA上有两个连续色氨酸密码子；前导序列上有4个分别以1、2、3、4表示片断能以两种不一样方式进行碱基配对，有时以1－2和3－4配对，有时只以2－3方式互补配对.UUUU……前导mRNA1234139/165（四）转录弱化作用mRNA转录终止是经过前导肽基因翻译来调整。在前导肽基因中有两个相邻色氨酸密码子，故这个前导肽翻译必定对tRNATrp浓度敏感。140/165141/165（五）衰减子生物学意义活性阻遏物和非活性阻遏物转变可能较慢，而tRNA负载是否可能更为灵敏；氨基酸主要用途是合成蛋白质，因而以tRNA负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，能够实现完全阻遏；而只有低于这一水平时，才需用衰减子这个调整系统来进行调整，阻遏蛋白和衰减子调整机制都是为了防止浪费，提升效率。142/165第四节其它操纵子（自学）第五节固氮基因调控（自学）143/165第六节转录后调控144/165一、翻译起始调控1、SD序列对翻译影响SD序列：mRNA起始密码前一段富含嘌呤核苷酸序列。(9-12bp)5′-A