原核基因表達調(diào)控.ppt

1、a,1,第六章 基因的表達與調(diào)控（上,原核基因表達調(diào)控模式,a,2,目的與要求,掌握基因表達的概念。 掌握原核基因表達調(diào)控的基本原則及乳糖操縱子。 掌握Trp操縱子的工作原理。 熟悉轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的種類及原理。 了解半乳糖操縱子的作用機制、了解阿拉伯糖操縱子的作用機制,a,3,第一節(jié) 基因表達調(diào)控概述,a,4,基因表達（gene expression,概念：通過轉(zhuǎn)錄和翻譯，使遺傳信息轉(zhuǎn)變成各種功能性蛋白質(zhì)的過程,DNA,a,5,基因表達的時間性及空間性,一）時間特異性,按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporal specificity,多細

2、胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stage specificity,a,6,二）空間特異性,基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cell or tissue specificity,在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性(spatial specificity,a,7,在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基因表達(constitutive gene expression,基因表達的方式,按對刺

3、激的反應(yīng)性，基因表達的方式分為,一）組成性表達,a,8,管家基因(housekeeping gene)。 某些在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因,管家基因,a,9,二）誘導(dǎo)和阻遏表達,在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因,可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導(dǎo)(induction,DNA損傷 修復(fù)酶基因激活,1.可誘導(dǎo)基因與誘導(dǎo),a,10,2.可阻遏基因與阻遏,如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因。 可阻遏基因表達產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏(repression,a,11,在一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為

4、何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達，即為協(xié)調(diào)表達(coordinate expression),基因的協(xié)調(diào)表達,a,12,基因表達的調(diào)控,概念： （gene regulation or gene control） 對基因表達過程的調(diào)節(jié)。 一般規(guī)律,機體需要,基因表達開始,on,機體不需要,基因表達停止,off,可能有本底水平的基因表達：每個細胞只合成 1或2 個mRNA分子和極少量的蛋白質(zhì)分子,a,13,基因表達調(diào)控的分類,1）轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控 （2）轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 mRNA加工成熟水平上的調(diào)控 翻譯水平上的調(diào)控,a,14,原核與真核生物轉(zhuǎn)錄及翻譯的總特點,掃描圖片,a,15,二、原核基

5、因表達調(diào)控機制的類型與特點,原核基因表達調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上,負轉(zhuǎn)錄調(diào)控,正轉(zhuǎn)錄調(diào)控,調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白,調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白,a,16,編碼序列,調(diào)節(jié)序列,激活蛋白,阻遏蛋白,阻遏蛋白與激活蛋白,阻遏蛋白,a,17,負轉(zhuǎn)錄 調(diào)控,正轉(zhuǎn)錄 調(diào)控,正控阻遏,正控誘導(dǎo),負控阻遏,負控誘導(dǎo),阻遏蛋白,誘導(dǎo),無活阻遏蛋白,阻遏,無活激活蛋白,誘導(dǎo),激活蛋白,效應(yīng)物,效應(yīng)物,效應(yīng)物,效應(yīng)物,誘導(dǎo)因子,誘導(dǎo)因子,共阻遏物,共阻遏物,阻遏,a,18,負轉(zhuǎn)錄 調(diào)控,正轉(zhuǎn)錄 調(diào)控,正控阻遏,正控誘導(dǎo),負控阻遏,負控誘導(dǎo),阻遏蛋白,誘導(dǎo),無活阻遏蛋白,阻遏,無活激活蛋白,誘導(dǎo),激活蛋白,效應(yīng)物,效應(yīng)

6、物,效應(yīng)物,效應(yīng)物,誘導(dǎo)因子,誘導(dǎo)因子,共阻遏物,共阻遏物,阻遏,a,19,Lac O,I,阻遏物,誘導(dǎo),負控誘導(dǎo),a,20,Trp O,無活的阻遏蛋白,輔,阻遏物,負控阻遏,a,21,正 控 誘 導(dǎo),活化的激活蛋白,失活的活性蛋白,a,22,活化的激活蛋白,輔,阻遏物,基因表達,阻遏,正控阻遏,a,23,第二節(jié) 乳糖操縱子與負控誘導(dǎo)系統(tǒng),a,24,一、原核基因表達的操縱子模型,操縱子（operon）的概念： 功能相關(guān)的基因成簇地串連、密集于染色體上，共同組成的轉(zhuǎn)錄單位。 操縱子的組成： 編碼序列 調(diào)控區(qū) 1個啟動序列（promoter，P,a,25,二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制,一）乳糖操縱子的結(jié)

7、構(gòu)(lac operon,a,26,沒有乳糖存在時,二）阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié),a,27,只有乳糖存在時,a,28,a,29,無葡萄糖，cAMP濃度高時,有葡萄糖，cAMP濃度低時,三）CAP（catabolite gene activation protein） 的正性調(diào)節(jié),CAP,CAP,CAP,CAP,CAP結(jié)合位點,葡萄糖對 lac 操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏,a,30,一）操縱子（operon,概念：功能相關(guān)的基因成簇地串連、密集于染色體上，共同組成的轉(zhuǎn)錄單位,a,31,二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制,一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)(lac operon,阻遏蛋白,a,32,二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機制,阻

8、遏蛋白,1.阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié),沒有乳糖存在時,有乳糖存在時,半乳糖苷酶,異構(gòu)乳糖,a,33,無葡萄糖，cAMP濃度高時,有葡萄糖，cAMP濃度低時,三）CAP（catabolite gene activation protein） 的正性調(diào)節(jié),CAP,CAP,CAP,CAP,CAP結(jié)合位點,a,34,內(nèi)容回顧,操縱子的概念： 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu) 乳糖操縱子的表達調(diào)控,阻遏蛋白的負性調(diào)控,CAP的負性調(diào)控,a,35,CAP,P,O,TTTACA,35區(qū),TATGTT,10區(qū),CAP結(jié)合位點,5-ATTAAT,GTGAGTTAGCTCAC,TCATTAGG-3,CAP中央對稱序列,a,36,CAP

9、 Binding Bends DNA,a,37,四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié),當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用,如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性,單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖,a,38,低半乳糖時,高半乳糖時,葡萄糖低,葡萄糖高,A,D,A,B,C,D,C,B,a,39,1.A基因及其生理功能 2.lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較 3.操縱子的融合與基因工程,lac操縱子中的其他問題,a,40,1.A基因及其生理功能,半乳糖苷,- 半乳糖苷 衍生物,生長抑制,乙酰-半乳糖苷,半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶,乙酰C

10、oA,CoA,半乳糖苷酶,A基因,a,41,2.lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較,1： 0.5： 0.2,1) Lac mRNA 與翻譯過程中的核糖體脫離,2) Lac mRNA A基因更容易受到內(nèi)切酶的作用發(fā)生降解,a,42,第三節(jié) 色氨酸操縱子與負阻遏系統(tǒng),a,43,色氨酸操縱子（tryptophan operon）的 代謝特點,1.參與 trp 的生物合成而不是降解,2.環(huán)境中有充足的 trp 時，不（低）表達,3.環(huán)境中缺乏 trp 時，高表達,4.它不受葡萄糖 c-AMPCRP調(diào)控,5.（輔）阻遏蛋白的負調(diào)控調(diào)控,6.弱化子的負調(diào)控調(diào)控,a,44,鄰氨基苯甲酸合酶,鄰氨基苯甲酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移

11、酶,磷酸核糖鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶,吲哚甘油磷酸合酶,色氨酸合酶,a,45,a,46,Trp A,a,47,a,48,a,49,A,B,C,D,E,o,p,L,a,E. coli 色氨酸操縱子模型,Trp合成途徑還存在色氨酸操縱子中衰減子所引起的衰減調(diào)節(jié),a,50,前導(dǎo)區(qū)mRNA,前導(dǎo)肽（14AA,a,51,衰減子,1,2,3,4,4,2,3,1,mRNA,Trp codons,終止密碼,UUUUU,UUUUU,a,52,a,53,a,54,弱化子調(diào)控的意義,在大量外源色氨酸存在時，及時快速阻止先導(dǎo)mRNA的鏈的合成，使避免物質(zhì)與能量的浪費,a,55,a,56,備用,a,57,四、半乳糖操縱子(g

12、alactose operon,大腸桿菌半乳糖操縱子(galactose operon)包括3個結(jié)構(gòu)基因 異構(gòu)酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galactose transferase, galT)，半乳糖激酶(galactose kinase, galk)。 這3個酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖-1-磷酸?？梢宰鳛槲ㄒ惶荚垂┘毎L,a,58,GalR與galE、T、K及操縱區(qū)O等離得很遠，而galR產(chǎn)物對galO的作用與lacI-lacO的作用相同,a,59,細胞壁合成的前體,a,60,GalR與galE、T、K及操縱區(qū)O等離得

13、很遠，而galR產(chǎn)物對galO的作用與lacI-lacO的作用相同。 它有兩個啟動子，其mRNA可從兩個不同的起始點開始轉(zhuǎn)錄； 它有兩個O區(qū)，一個在P區(qū)上游-67-53，另一個在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部,a,61,A2 mRNA：組成型表達,cAMP-CAP抑制RNA聚合酶與S2的結(jié)合,A1 mRNA生成：半乳糖、CAP和較高濃度的cAMP,差向異構(gòu)酶,葡萄糖,UDP- 葡萄糖,UDP- 半乳糖,細胞壁,a,62,阿拉伯糖操縱子（arabinose operon,araD,araA,AraC 具有正、負調(diào)節(jié)因子雙重功能,a,63,有葡糖，有或無阿拉伯糖,無葡糖，阿拉伯糖,a,64,1、翻譯起始的調(diào)

14、控 2、稀有密碼子對翻譯的影響 3、重疊基因?qū)Ψg的影響 4、翻譯的阻遏 5、魔斑核苷酸水平對翻譯的影響,轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控,a,65,1.翻譯起始的調(diào)控,含義： 通過SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼AUG之間的距離調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)翻譯的水平,a,66,mRNA,410為佳， 9個最佳,AGG GAGG GGAGG AGGAG,a,67,2.稀有密碼子對翻譯的影響,稀有密碼子：是在一般的編碼中利用頻率很低的密碼子,a,68,稀有密碼子對翻譯的影響,稀有密碼,AUA,UAU,UAG,UAA,a,69,O,rpsU,dnaG,rpoD,核糖體小亞基S21蛋白,引物酶,RNA聚合酶因子,rpsU 操縱子中3個基因產(chǎn)物的拷貝數(shù)的差異,4萬/細胞,50/細胞,2，800/細胞,1,0,32,1,AUA,a,70,重疊基因?qū)Ψg的影響,a,71,5、翻譯的阻遏,例：大腸桿菌RNA噬菌體Q（+RNA） 的蛋白質(zhì)合成,大腸桿菌RNA噬菌體Q基因圖,含義：蛋白質(zhì)抑制翻譯的現(xiàn)象,a,72,成熟蛋白SD,外殼蛋白SD,RNA復(fù)制酶SD,5,3,）RNA,a,73,RNA復(fù)制酶,3,5,5,RNA,成熟蛋白,a,74,魔斑核苷酸水平對翻譯的影響,魔斑： 當(dāng)細菌演技