第七章原核基因表達(dá)調(diào)控演示文稿

第七章原核基因表達(dá)調(diào)控演示文稿當(dāng)前1頁(yè)，總共70頁(yè)。（優(yōu)選）第七章原核基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)前2頁(yè)，總共70頁(yè)。3一、原核生物基因表達(dá)調(diào)控總論原核生物基因調(diào)控一般執(zhí)行如下規(guī)律一個(gè)體系需要時(shí)被打開，不需要時(shí)被關(guān)閉。基因的開與關(guān)是相對(duì)的。開-關(guān)的活性可以通過轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)前3頁(yè)，總共70頁(yè)。4當(dāng)前4頁(yè)，總共70頁(yè)。5轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)前5頁(yè)，總共70頁(yè)。6

基因表達(dá)的概念*基因組(genome)一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。——它也是指含有一個(gè)生物體生存、發(fā)育、活動(dòng)和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸。當(dāng)前6頁(yè)，總共70頁(yè)。7是指儲(chǔ)存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個(gè)過程。典型的基因表達(dá)是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程?；虮磉_(dá)(geneexpression)當(dāng)前7頁(yè)，總共70頁(yè)。8基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控當(dāng)前8頁(yè)，總共70頁(yè)。9轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控

轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控是真核基因表達(dá)調(diào)控的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)真核基因表達(dá)是否受環(huán)境影響可分為：發(fā)育調(diào)控和瞬時(shí)調(diào)控。其中發(fā)育調(diào)控是指真核生物為確保自身生長(zhǎng)、發(fā)育、分化等對(duì)基因表達(dá)按“預(yù)定”和“有序”的程序進(jìn)行的調(diào)控，是不可逆的過程；瞬時(shí)調(diào)控是指真核生物在內(nèi)、外環(huán)境的刺激下所做出的適應(yīng)性轉(zhuǎn)錄調(diào)控，是可逆過程。當(dāng)前9頁(yè)，總共70頁(yè)。10Britten和Davidson于1969年提出的真核生物單拷貝基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的模型——Britten—Davidson模型。該模型認(rèn)為在整合基因的5’端連接著一段具有高度專一性的DNA序列，稱之為傳感基因。在傳感基因上有該基因編碼的傳感蛋白。外來(lái)信號(hào)分子和傳感蛋白結(jié)合相互作用形成復(fù)合物。該復(fù)合物作用于和它相鄰的綜合基因組，亦稱受體基因，而轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA，后者翻譯成激活蛋白。這些激活蛋白能識(shí)別位于結(jié)構(gòu)基因（SG）前面的受體序列并作用于受體序列，從而使結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄翻譯。當(dāng)前10頁(yè)，總共70頁(yè)。11轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控包括：1.mRNA加工成熟水平上的調(diào)控2.翻譯水平上的調(diào)控當(dāng)前11頁(yè)，總共70頁(yè)。12轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控真核生物基因轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行，而翻譯則在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。在轉(zhuǎn)錄過程中真核基因有插入序列，結(jié)構(gòu)基因被分割成不同的片段，因此轉(zhuǎn)錄后的基因調(diào)控是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的一個(gè)重要方面，首要的是RNA的加工、成熟。各種基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA，無(wú)論rRNA、tRNA還是mRNA，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后的加工才能成為有活性的分子。當(dāng)前12頁(yè)，總共70頁(yè)。13翻譯水平上的調(diào)控蛋白質(zhì)合成翻譯階段的基因調(diào)控有三個(gè)方面：①蛋白質(zhì)合成起始速率的調(diào)控；②MRNA的識(shí)別；③激素等外界因素的影響蛋白質(zhì)合成起始反應(yīng)中要涉及到核糖體、mRNA蛋白質(zhì)合成起始因子可溶性蛋白及tRNA，這些結(jié)構(gòu)和諧統(tǒng)一才能完成蛋白質(zhì)的生物合成。mRNA則起著重要的調(diào)控功能。當(dāng)前13頁(yè)，總共70頁(yè)。14基因表達(dá)調(diào)控的指揮系統(tǒng)有很多種，不同生物使用不同的信號(hào)來(lái)指揮基因調(diào)控。原核生物和真核生物之間存在著相當(dāng)大差異。原核生物中，營(yíng)養(yǎng)狀況、環(huán)境因素對(duì)基因表達(dá)起著十分重要的作用；而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平、發(fā)育階段等是基因表達(dá)調(diào)控的主要手段，營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境因素的影響則為次要因素。當(dāng)前14頁(yè)，總共70頁(yè)。15原核與真核生物轉(zhuǎn)錄及翻譯調(diào)控的總體特征比較當(dāng)前15頁(yè)，總共70頁(yè)。16原核基因表達(dá)調(diào)控分類負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控阻遏蛋白分為：負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏根據(jù)調(diào)控機(jī)制的不同分為：當(dāng)前16頁(yè)，總共70頁(yè)。17負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)控誘導(dǎo)阻遏蛋白不與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)基因不轉(zhuǎn)錄。當(dāng)前17頁(yè)，總共70頁(yè)。18負(fù)控阻遏阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)，基因不轉(zhuǎn)錄。負(fù)轉(zhuǎn)錄阻遏如：周圍有充足的葡萄糖，細(xì)菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖類的酶類，如乳糖操縱子被阻遏、關(guān)閉。當(dāng)前18頁(yè)，總共70頁(yè)。19基因表達(dá)的方式組成性基因表達(dá)適應(yīng)性表達(dá)（誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)）當(dāng)前19頁(yè)，總共70頁(yè)。201、組成性基因表達(dá)

某些基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因

(house-keepinggene)。當(dāng)前20頁(yè)，總共70頁(yè)。21

無(wú)論表達(dá)水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長(zhǎng)階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達(dá)被視為組成性表達(dá)。當(dāng)前21頁(yè)，總共70頁(yè)。22在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無(wú)論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表達(dá).協(xié)調(diào)表達(dá)當(dāng)前22頁(yè)，總共70頁(yè)。232、誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo)表達(dá)指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。阻遏表達(dá)指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因。當(dāng)前23頁(yè)，總共70頁(yè)。24轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（

negativetrnscriptionregulation)

調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（positivetranscriptionregulation)

調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白當(dāng)前24頁(yè)，總共70頁(yè)。25正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正控誘導(dǎo)有效應(yīng)物時(shí)，激活蛋白處于活性狀態(tài)基因轉(zhuǎn)錄。當(dāng)前25頁(yè)，總共70頁(yè)。26正控阻遏有效應(yīng)物時(shí)，激活蛋白處于無(wú)活性狀態(tài)基因不轉(zhuǎn)錄。正轉(zhuǎn)錄阻遏當(dāng)前26頁(yè)，總共70頁(yè)。27負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏正控誘導(dǎo)正控阻遏當(dāng)前27頁(yè)，總共70頁(yè)。28

(一)σ因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性核心酶全酶當(dāng)前28頁(yè)，總共70頁(yè)。29

σ因子當(dāng)前29頁(yè)，總共70頁(yè)。30大腸桿菌至少有6種σ因子σ70負(fù)責(zé)識(shí)別一般的啟動(dòng)子σ54識(shí)別與氮代謝有關(guān)的基因啟動(dòng)子σ32識(shí)別熱激（heatshock）蛋白基因啟動(dòng)子當(dāng)前30頁(yè)，總共70頁(yè)。31大腸桿菌中的各種σ因子比較σ因子編碼基因主要功能σ70rpoD參與對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期和大多數(shù)碳代謝過程基因的調(diào)控σ54rpoN參與多數(shù)氮源利用基因的調(diào)控σ38rpoH分裂間期特異基因的表達(dá)調(diào)控σ32rpoS熱休克基因的表達(dá)調(diào)控σ28rpoF鞭毛趨化相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控σ24rpoE過度熱休克基因的表達(dá)調(diào)控當(dāng)前31頁(yè)，總共70頁(yè)。32（二）原核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)原核生物通過特殊代謝物調(diào)節(jié)基因活性主要分為：可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)關(guān)閉-----工作------基因活化可阻遏調(diào)節(jié)開啟-----關(guān)閉-------阻遏基因表達(dá)當(dāng)前32頁(yè)，總共70頁(yè)。33（二）原核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行σ因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性主要通過操縱子模式進(jìn)行調(diào)節(jié)阻遏蛋白對(duì)轉(zhuǎn)錄的抑制作用（阻遏機(jī)制）是普遍存在的負(fù)調(diào)控作用當(dāng)前33頁(yè)，總共70頁(yè)。34原核細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控當(dāng)前34頁(yè)，總共70頁(yè)。351、原核生物基因調(diào)控機(jī)制的類型a、弱化子對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)b、代謝產(chǎn)物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)c、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)d、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)當(dāng)前35頁(yè)，總共70頁(yè)。36弱化子當(dāng)操縱子被阻遏，RNA的合成被終止時(shí)，起終止轉(zhuǎn)錄作用的那一段核苷酸，稱為弱化子。

因?yàn)楹颂求w在基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上的不同位置，決定了RNA可以形成哪一種形式的二級(jí)結(jié)構(gòu)，并由此決定基因能否繼續(xù)轉(zhuǎn)錄1、弱化子對(duì)基因活性的影響當(dāng)前36頁(yè)，總共70頁(yè)。372、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)1、葡萄糖效應(yīng)是指當(dāng)葡萄糖和其它糖類一起作為細(xì)菌的碳源時(shí)葡萄糖總是優(yōu)先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖類的利用的現(xiàn)象。當(dāng)前37頁(yè)，總共70頁(yè)。382、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)葡萄糖通過降低cAMP的含量而抑制基因表達(dá)當(dāng)前38頁(yè)，總共70頁(yè)。393、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)

當(dāng)細(xì)菌發(fā)現(xiàn)它們處于很差的生長(zhǎng)環(huán)境，沒有足夠的氨基酸來(lái)維持蛋白質(zhì)合成時(shí)，它們就會(huì)停止大部分活動(dòng)。當(dāng)前39頁(yè)，總共70頁(yè)。40

產(chǎn)生這一應(yīng)急反應(yīng)的信號(hào)是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸（pppGpp）。PpGpp與pppGpp的作用不只是一個(gè)或幾個(gè)操縱子，而是影響一大批，所以稱之為超級(jí)調(diào)控子或稱為魔斑。超級(jí)調(diào)控因子或稱為魔斑當(dāng)前40頁(yè)，總共70頁(yè)。41細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)的機(jī)制產(chǎn)生應(yīng)急反應(yīng)的信號(hào)是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸（pppGpp）誘導(dǎo)物：空載tRNA當(dāng)前41頁(yè)，總共70頁(yè)。421961年由莫諾（Monod,J.法)和雅各布(Jacob,F.法)提出，用來(lái)闡述大腸桿菌乳糖代謝中基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)7.2、乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)當(dāng)前42頁(yè)，總共70頁(yè)。43F·雅各布（FrancoisJacob1920～）法國(guó)生物化學(xué)家、分子生物學(xué)家J·L·莫諾（JacquesL.Monod1910～1976）法國(guó)生物學(xué)家

操縱子(operon)

機(jī)制當(dāng)前43頁(yè)，總共70頁(yè)。44------操縱子(operon)操縱子：是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動(dòng)子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。操縱基因是順式控制元件，阻抑蛋白是反式作用因子。當(dāng)前44頁(yè)，總共70頁(yè)。45

------操縱子(operon)大腸桿菌乳糖操縱子包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：lacZ決定lacZ編碼β-半乳糖苷酶lacY 決定lacY編碼β-半乳糖苷透過酶lacA決定lacA編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶以及啟動(dòng)子、控制子、阻遏子等當(dāng)前45頁(yè)，總共70頁(yè)。46乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)與組成

調(diào)控區(qū)阻遏基因啟動(dòng)子控制基因

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透過酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAI當(dāng)前46頁(yè)，總共70頁(yè)。47------操縱子(operon)1、β-半乳糖苷酶能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，也能水解其他β-半乳糖苷2、β-半乳糖苷透過酶能使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)3、β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶把乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)移到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖當(dāng)前47頁(yè)，總共70頁(yè)。48

大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長(zhǎng)繁殖，當(dāng)培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先使用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長(zhǎng)，經(jīng)過短時(shí)間所以適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長(zhǎng)。當(dāng)前48頁(yè)，總共70頁(yè)。49、酶的誘導(dǎo)-lac體系受調(diào)控的證據(jù)在不含乳糖及β-半乳糖苷的培養(yǎng)基中，lac+基因型每個(gè)大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)大約只有1～2個(gè)酶分子。如果在培養(yǎng)基中加入乳糖，酶的濃度很快達(dá)到細(xì)胞總蛋白量的6%或7%，每個(gè)細(xì)胞中可有超過10^5個(gè)酶分子。1、實(shí)驗(yàn)證據(jù)當(dāng)前49頁(yè)，總共70頁(yè)。50當(dāng)前50頁(yè)，總共70頁(yè)。512、實(shí)驗(yàn)用誘導(dǎo)物乳糖IPTG(異丙基巰基半乳糖苷)TMG(巰甲基半乳糖苷)ONPG(O-硝基半乳糖苷)當(dāng)前51頁(yè)，總共70頁(yè)。52三、操縱子模型及其影響因子（一）Lac操縱子模型控制區(qū)信息區(qū)當(dāng)前52頁(yè)，總共70頁(yè)。53乳糖操縱子模型1.lacZ、lacY、lacA基因的產(chǎn)物由同一條mRNA分子所編碼2.該mRNA分子的啟動(dòng)區(qū)（P）位于阻遏基因（lacI）與操縱區(qū)（O）之間，不能單獨(dú)起始半乳糖苷酶和透過基因的高效表達(dá)3.操縱區(qū)時(shí)DNA上的一小段序列（僅26bp）,是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)4當(dāng)阻遏物與操縱區(qū)相結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制5誘導(dǎo)物與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成當(dāng)前53頁(yè)，總共70頁(yè)。54乳糖操縱子模型1、Z、Y、A基因的產(chǎn)物為一條多順反子mRNAlacZ：編碼β-半乳糖苷酶，它可以將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖；lacY：編碼半乳糖苷透性酶，它能將乳糖運(yùn)送透過細(xì)菌的細(xì)胞壁；lacA：編碼硫代半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶，進(jìn)行乳糖代謝。當(dāng)前54頁(yè)，總共70頁(yè)。55因?yàn)檎T導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而運(yùn)轉(zhuǎn)誘導(dǎo)物需要透過酶，后者合成需要誘導(dǎo)。在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量（1-5個(gè)mRNA分子）lacmRNA合成--本底水平組成型合成。

lac操縱子的本底水平表達(dá)當(dāng)前55頁(yè)，總共70頁(yè)。562、大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)碳源為甘油的培養(yǎng)基乳糖當(dāng)前56頁(yè)，總共70頁(yè)。大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)以甘油為碳源的培養(yǎng)基，按照l(shuí)ac操縱子本地水平表達(dá)，每個(gè)細(xì)胞可有幾個(gè)分子的β-半乳糖苷酶和乳糖透過酶加入乳糖----異構(gòu)乳糖----與操縱區(qū)上的阻遏物相結(jié)合使后者失活---離開操縱區(qū)---開始lacmRNA的生物合成-----編碼大量的β-半乳糖苷酶和乳糖透過酶。結(jié)果：乳糖大量涌入細(xì)胞，被降解為葡萄糖和半乳糖當(dāng)前57頁(yè)，總共70頁(yè)。3、阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能乳糖操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動(dòng)子控制下組成型合成的，每個(gè)細(xì)胞中有5-10個(gè)阻遏物分子。當(dāng)I基因由弱啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)lac操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。當(dāng)前58頁(yè)，總共70頁(yè)。593、阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因弱啟動(dòng)子控制的組成型合成當(dāng)前59頁(yè)，總共70頁(yè)。60當(dāng)前60頁(yè)，總共70頁(yè)。614、葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響研究認(rèn)為葡萄糖的某些降解產(chǎn)物抑制lacmRNA的合成，這種效應(yīng)稱之為代謝物阻遏效應(yīng).當(dāng)前61頁(yè)，總共70頁(yè)。622、P區(qū)位于I與O之間，O為阻遏物結(jié)合位點(diǎn)

啟動(dòng)子

RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)調(diào)節(jié)基因CAP結(jié)合位點(diǎn)