分子生物學(xué)課件第五章基因表達(dá)調(diào)控原核生物2

分子生物學(xué)課件第五章基因表達(dá)調(diào)控原核生物演示文稿1目前一頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)分子生物學(xué)課件第五章基因表達(dá)調(diào)控原核生物目前二頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)概述基因組（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。在某一特定時(shí)期，基因組中只有一部分基因處于表達(dá)狀態(tài)。在個(gè)體不同生長(zhǎng)時(shí)期、不同生活環(huán)境下，某種功能的基因產(chǎn)物在細(xì)胞中的數(shù)量會(huì)隨時(shí)間、環(huán)境而變化。目前三頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)Translation

生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過(guò)程，合成具有特定的生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)的蛋白質(zhì)的全過(guò)程。基因表達(dá)(geneexpression)注：并非所有基因表達(dá)過(guò)程都產(chǎn)生蛋白質(zhì)。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過(guò)程也屬于基因表達(dá)。目前四頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性1.時(shí)間特異性

按功能需要某一特定基因表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生。如病毒感染；胚胎發(fā)育?；虮磉_(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性。目前五頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)2.空間特異性

指在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體不同組織器官表達(dá)存在差異。空間特異性又稱細(xì)胞特異性或組織特異性。目前六頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

按對(duì)刺激的反應(yīng)性分為兩大類：

1.基本（組成性）表達(dá)

(constitutivegeneexpression)

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。如管家基因。

基因表達(dá)的方式目前七頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)管家基因(housekeepinggene)某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)。bcl-2β-actin12瓊脂糖凝膠電泳圖1.對(duì)照組2.實(shí)驗(yàn)組目前八頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)常用的管家基因中文名稱英文縮寫(xiě)B(tài)eta－肌動(dòng)蛋白β-actin甘油醛3-磷酸脫氫酶GAPDHTATABox結(jié)合蛋白 TBP18s核糖體核糖核酸 18srRNA微管蛋白α

α-tubulin目前九頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)2.誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)

在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，有些基因的表達(dá)表現(xiàn)為開(kāi)放或增強(qiáng)。誘導(dǎo)表達(dá)(inductionexpression)

在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，有些基因的表達(dá)表現(xiàn)為關(guān)閉或下降。阻遏表達(dá)(repressionexpression)目前十頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

在一定機(jī)制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)。協(xié)調(diào)表達(dá)(coordinanceexpression)目前十一頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

基因表達(dá)的調(diào)控

機(jī)體各種細(xì)胞內(nèi)相同的結(jié)構(gòu)基因，根據(jù)機(jī)體的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖及環(huán)境變化的需要，有規(guī)律的選擇性、程序性、適度地表達(dá)，以適應(yīng)環(huán)境，發(fā)揮其生理功能。

(geneexpressionandregulation)目前十二頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義

1.適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖；

2.維持個(gè)體發(fā)育和分化。目前十三頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

基因表達(dá)的調(diào)控因子

蛋白質(zhì)（主要）

小分子RNA（某些環(huán)節(jié)）目前十四頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

基因表達(dá)的調(diào)控水平

基因組

轉(zhuǎn)錄后

翻譯

翻譯后中心法則(centraldogma)

轉(zhuǎn)錄目前十五頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

第一節(jié)

原核生物基因表達(dá)的調(diào)控

主要在轉(zhuǎn)錄水平，其次是翻譯水平。本節(jié)主要以大腸桿菌為例介紹原核生物基因表達(dá)的調(diào)控。目前十六頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)一、原核生物基因表達(dá)的特點(diǎn)

1.只有一種RNA聚合酶。RNA聚合酶用來(lái)識(shí)別原核細(xì)胞的啟動(dòng)子，催化所有RNA的合成。2.基因表達(dá)以操縱子為基本單位。原核基因一般不含內(nèi)含子，基因是連續(xù)的。原核基因轉(zhuǎn)錄單位多為多順?lè)醋印?/p>

目前十七頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)操縱子學(xué)說(shuō)開(kāi)創(chuàng)了基因表達(dá)調(diào)控的研究F.JacobJ.L.Monod目前十八頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)tayz

opStructural

genepromoteroperator（啟動(dòng)子）操縱子(operon)模型操縱子(operon)

:一個(gè)多順?lè)醋愚D(zhuǎn)錄單位與其調(diào)控序列即構(gòu)成操縱子。terminator（操縱子）（結(jié)構(gòu)基因）（終止子）目前十九頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNAtranscriptionmRNA3′1235′translationpolypeptidechain123原核生物的mRNA是多順?lè)醋觤RNA目前二十頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)多順?lè)醋?polycistron)

原核基因中多個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位。通常依賴同一調(diào)控序列對(duì)其轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)節(jié)，使這些相關(guān)基因?qū)崿F(xiàn)協(xié)同表達(dá)。目前二十一頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)3.轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)進(jìn)行：原核生物裸露的環(huán)形DNA，在擬核內(nèi)轉(zhuǎn)錄成mRNA后，直接在胞漿中與核糖體結(jié)合翻譯為蛋白質(zhì)。

4.mRNA翻譯起始部位有特殊的堿基序列---SD序列。

目前二十二頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

SD

（Shine-Dalgarno）序列

在起始密碼AUG上游4～13個(gè)堿基之前有一段富含嘌呤的序列，其一致序列為AGGAGG，能與核糖體30S亞基中16SrRNA3′端富含嘧啶的序列結(jié)合，與蛋白質(zhì)合成過(guò)程中起始復(fù)合物生成有關(guān)。

目前二十三頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)5.原核生物基因表達(dá)的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，即對(duì)RNA合成的調(diào)控。

通常有兩種方式：

(1)起始調(diào)控，即啟動(dòng)子調(diào)控；

(2)終止調(diào)控，即衰減子調(diào)控。目前二十四頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)二、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制

(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

1.б因子及RNA聚合酶對(duì)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

2.轉(zhuǎn)錄起始的負(fù)調(diào)控

3.轉(zhuǎn)錄起始的正調(diào)控

4.轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控

目前二十五頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)調(diào)控RNA聚合酶與特異DNA區(qū)域結(jié)合：確保RNA聚合酶與特異啟動(dòng)子序列穩(wěn)定結(jié)合，而不是與其它位點(diǎn)結(jié)合。(1)б因子1.б因子與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

目前二十六頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

例如:大腸桿菌RNA聚合酶由5個(gè)亞基（α2ββˊб）構(gòu)成，核心酶（α2ββˊ）能以DNA為模板合成RNA，但必須依靠б因子協(xié)助才能在正確位置起始轉(zhuǎn)錄。目前二十七頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

不同的σ因子決定RNA聚合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)子序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力。最早發(fā)現(xiàn)的σ因子：σ70新發(fā)現(xiàn)：σ32、σ54

、σ28目前二十八頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)機(jī)理：б因子含有識(shí)別啟動(dòng)區(qū)的結(jié)構(gòu)域。a.б因子獨(dú)立存在時(shí)，N端抑制了C端DNA結(jié)

合活性，與DNA不能結(jié)合。b.當(dāng)б因子與核心酶組成全酶后，N端對(duì)C端

抑制作用消失，可與DNA特異結(jié)合。c.轉(zhuǎn)錄起始完成后б因子脫落，核心酶向下

游滑動(dòng)完成轉(zhuǎn)錄。目前二十九頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

（2）啟動(dòng)區(qū)序列啟動(dòng)區(qū)序列是RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。(共有序列)RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列90%以上為嘌呤核苷酸目前三十頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

共有序列決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性強(qiáng)弱。某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定RNA聚合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力。目前三十一頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

2.轉(zhuǎn)錄起始的負(fù)調(diào)控

乳糖操縱子（lactoseoperon,lac）是原核生物基因轉(zhuǎn)錄負(fù)調(diào)控的最典型模式。目前三十二頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基因Y：透酶Z：β-半乳糖苷酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)

啟動(dòng)子操縱元件ZYAOPDNA目前三十三頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOP有葡萄糖存在，沒(méi)有乳糖存在阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因目前三十四頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol有葡萄糖存在，沒(méi)有乳糖存在阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因目前三十五頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

mRNA阻遏蛋白沒(méi)有葡萄糖存在有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶目前三十六頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

mRNA阻遏蛋白沒(méi)有葡萄糖存在有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖β-半乳糖苷酶半乳糖目前三十七頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

僅有葡萄糖葡萄糖耗完有乳糖存在目前三十八頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合分子機(jī)制：

操縱基因區(qū)域具有反向重復(fù)序列（能與蛋白質(zhì)特異結(jié)合的DNA特征性結(jié)構(gòu)）。

-10+1+10+20+305′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA3′3′TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT5′

目前三十九頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

RNA聚合酶與阻遏蛋白互斥分子機(jī)制：操縱基因在操縱子的位置是從-7至+28，RNA聚合酶所占區(qū)域是從-35至+20，兩者有部分重疊。目前四十頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)3.轉(zhuǎn)錄起始的正調(diào)控

阿拉伯糖操縱子是正調(diào)控的典型例子。

阿拉伯糖操縱子的基因結(jié)構(gòu)圖

操縱子由結(jié)構(gòu)基因B、A、D以及調(diào)控元件I1、I2、O1、O2和啟動(dòng)子構(gòu)成。araC基因編碼調(diào)節(jié)蛋白AraC。目前四十一頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

AraC對(duì)阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)圖不存在阿拉伯糖時(shí)，AraC二聚體與O1、O2及I1結(jié)合，DNA彎曲成環(huán)結(jié)構(gòu)。由于I2不被占據(jù)，B、A、D基因不發(fā)生轉(zhuǎn)錄。目前四十二頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

當(dāng)有阿拉伯糖時(shí)，AraC二聚體與阿拉伯糖形成復(fù)合物，使AraC形狀改變，I1和I2由一個(gè)AraC二聚體占據(jù)，從而激發(fā)B、A、D基因轉(zhuǎn)錄。

AraC對(duì)阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)圖目前四十三頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

4．轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控

在大腸桿菌的許多操縱子中，基因的轉(zhuǎn)錄不是由單一因子調(diào)控的，而是通過(guò)負(fù)調(diào)控因子和正調(diào)控因子進(jìn)行復(fù)合調(diào)控。典型例子：糖代謝有關(guān)的操縱子，如lac

操縱子。目前四十四頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)cAMP與葡萄糖相關(guān)性：葡萄糖↑，cAMP↓

葡萄糖↓，cAMP↑c(diǎn)AMP:環(huán)一磷酸腺苷CAP：分解代謝基因激活蛋白(catabolitegeneactivatorprotein，CAP)

CAP的活性依賴cAMP，形成cAMP-CAP復(fù)合物，促進(jìn)多種操縱子的轉(zhuǎn)錄起始。目前四十五頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)++++

轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP目前四十六頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)mRNA沒(méi)有乳糖有乳糖

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO目前四十七頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)※當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；※如無(wú)CAP存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。目前四十八頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

（二）轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控

原核生物的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)控方式分兩大類：A.依賴ρ因子的終止調(diào)控；B.不依賴ρ因子的終止調(diào)控。此外，核糖體也參與轉(zhuǎn)錄終止。例:色氨酸操縱子表達(dá)的調(diào)控有兩種方式:a.通過(guò)阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控b.通過(guò)衰減子作用目前四十九頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)及其調(diào)控

1.阻遏蛋白對(duì)色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控目前五十頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)TrpTrp高時(shí)Trp低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

?2.衰減子對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控色氨酸操縱子6700個(gè)核苷酸140個(gè)核苷酸目前五十一頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于三點(diǎn)

色氨酸操縱子mRNA引導(dǎo)序列不同區(qū)域互補(bǔ)所形成的不同二級(jí)結(jié)構(gòu)

1-2和3-4莖環(huán)形成目前五十二頁(yè)\總數(shù)五十八