第十章基因表達的調(diào)控

1、 第十章第十章 基因表達的調(diào)控基因表達的調(diào)控 一一 、 細胞質(zhì)在遺傳中的作用細胞質(zhì)在遺傳中的作用 1、細胞質(zhì)的不均一性與細胞分化、細胞質(zhì)的不均一性與細胞分化 海鞘海鞘 果蠅果蠅2、細胞質(zhì)對染色體行為的影響、細胞質(zhì)對染色體行為的影響 小麥癭蚊小麥癭蚊 The unfertilized egg of Xenopus.The surface of the animal half(top)is pigmented and the paler, vegetal half of the egg is heavy with yolk.Scale bar=1mm. Photograph courtesy of

2、 J.Smith.4、細胞分化的可逆性、細胞分化的可逆性 植物細胞全能性：植物細胞全能性： 動物細胞：動物細胞：3、細胞質(zhì)對性染色體的影響、細胞質(zhì)對性染色體的影響 Lyon hypothesis （一）原核類基因表達的調(diào)控（一）原核類基因表達的調(diào)控-轉錄水平：轉錄水平： 1961，Jocob ，Monod 操縱子學說（操縱子學說（operon theroy）二二 、 基因表達的調(diào)控基因表達的調(diào)控1. 正調(diào)控和負調(diào)控正調(diào)控和負調(diào)控 正調(diào)控正調(diào)控 負調(diào)控負調(diào)控 誘導誘導(induction) 阻遏阻遏(repression) 誘導物誘導物(inductor) 阻遏物阻遏物(repressor)2.

3、 乳糖操縱子的結構乳糖操縱子的結構操縱子（操縱子（operon)啟動子啟動子(promoter)操縱基因（操縱基因（operator gene）結構基因（結構基因（ structural gene）調(diào)節(jié)基因（調(diào)節(jié)基因（regulator gene）。）。誘導物（誘導物（inducer）誘導（誘導（induction）乳糖操縱子乳糖操縱子調(diào)控位點：調(diào)控位點： (1) Operator (1) Operator 操縱基因操縱基因 (2) CAP(2) CAP(catabolite(catabolite gene activation protein) gene activation protein

4、) or CRP(cAMP or CRP(cAMP受體蛋白受體蛋白) )結合位點結合位點 (3) Promotor(3) Promotor 別乳糖別乳糖為誘導物為誘導物 組成型組成型(constitutive gene)(constitutive gene) 即即看家基因看家基因（HouskeepingHouskeeping gene) gene) H OH HO H OH H H CH2OH H O OH HO O H O CH2 CH2OH H OH OH H HO O H 別乳糖 H O OH H H H OH OH H H H2O H H H O OH CH2OH CH2OH H OH

5、 CH2OH H O OH HO O OH H H OH H OH H HO H H H H OH H OH 葡萄糖 半乳糖 圖 16- 乳糖分解的不同產(chǎn)物1）負調(diào)控）負調(diào)控 轉錄起始點 DNA 解鏈區(qū) 50 40 30 20 10 1 10 20 30 RNA 聚合酶結合的起動子區(qū) 阻遏物結 合的操縱基因區(qū) 圖 16-4 在 lac 操縱子上阻遏物結合區(qū)和 RNA 聚合酶結合區(qū)的重疊 誘導物的加誘導物的加入和去除對入和去除對lac mRNA的的影響影響幾個名詞：幾個名詞： 誘導誘導（induction） 誘導物誘導物（inducers） 異丙基-D-硫代半乳糖苷（isopropylthiog

6、alactoside,IPTG） 安慰誘導物安慰誘導物（gratuitous inducer） 多順反子多順反子mRNA CH2OH CH3 HO O SCCH3 H CH3 OH HH H H OH圖 16-6 異丙基-硫代半乳糖苷的分子結構 未誘導：結構基因被阻遏 阻遏物 四聚體 LacI P O lacZ lacY lacA 圖 16- 當無誘導物時阻遏物結合在操縱基因上 誘導：基因被打開 -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉移酶 圖 16-7 誘導物和阻遏物成為調(diào)節(jié)操縱子的開關 Active repressor cannot bind to O c mutant operantor Opero

7、n is transcribed and translated lacI O c operantor -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉移酶 圖 16-7 操縱基因發(fā)生組成型突變，操縱子組成型表達 Inactive repressor lacIgene sythesizes defective repressor that does not bind to DNA Operon is transcribed and translated lacI Operantor -半乳糖苷酶 透性酶 乙酰轉移酶 圖 16- lac I 發(fā)生突變，操縱子組成型表達 阻遏蛋白和操縱基因的結合與解離阻遏蛋白和操縱基因

8、的結合與解離 阻遏蛋白的結構：阻遏蛋白的結構： N端端159aa頭部片段：為頭部片段：為HTH，與操，與操縱基因縱基因DNA的大溝結合；的大溝結合； 核心區(qū)：有核心區(qū)：有6個個 折疊，誘導物就結合在折疊，誘導物就結合在兩個核心區(qū)之間的裂縫中；兩個核心區(qū)之間的裂縫中； C端為兩組亮氨酸拉鏈，形成四聚體。端為兩組亮氨酸拉鏈，形成四聚體。 StartpointgalaroHtrptrpRlac Promoter Operator location 圖 16-13 操縱基因可位于啟動子不同的相對位點 操縱位點的回文序列操縱位點的回文序列 阻遏蛋白單體的結構阻遏蛋白單體的結構 Helix-turn-he

9、lix Core domain1 Core domain2 1 51 80 360 DNA binding Hinge Inducer binding Oligomerization 圖 16- 阻遏蛋白單體的結構和功能阻遏蛋白單體的三級結構誘導物的結誘導物的結合解離模型合解離模型(a) (b)圖1610 誘導物作用模型。(a)平衡模型，誘導物與游離的阻遏物結合，打破了其游離與結合之間的平衡；(b)解離模型，誘導物直接與結合在操縱位點上的阻遏物結合，使其釋放(仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.13)誘導物和阻遏蛋誘導物和阻遏蛋白結合的模型白結合的模型 維持阻遏 過量的

10、阻遏物可結 合在 DNA 阻遏物結合在 的其它位點 操縱基因上 aaaa aaa a a 誘導物 a 誘導 所有的阻遏物都結合 a a 在 DNA 的隨機位點上 a a a aa 誘導物解離 a 建立阻遏 阻遏物恢復 活性狀態(tài) a a a 阻遏蛋白通過直接取代 a 從隨機位點移向 a 操縱基因 a a a a a a 圖 16-14 在細胞中所有的阻遏蛋白都結合在 DNA 上 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.18) 2）正調(diào)控）正調(diào)控 CAP結合位點結合位點 cAMP是由腺苷環(huán)化酶（是由腺苷環(huán)化酶（adenylate cyclase） 催化合成催化合成 CAP（c

11、atabolite activator protein） CAP以以兩種方法來激活轉錄：兩種方法來激活轉錄： （1）它可能直接和）它可能直接和RNA Pol相互作用；相互作用； （2） 作用于作用于DNA，改變其結構，從而幫，改變其結構，從而幫 助助RNA Pol結合。結合。 葡萄糖 ATP 減少 cAMP ATP 活化的 CAP 失活的 CAP ATP 轉錄 不轉錄 圖16-17 圖16-17 通過減少 cAMP 的水平葡萄糖導致了分解代謝的阻遏 轉錄 A A N T G T G A N N T N N N T C A N A T T N N T T N A C A C T N N A N

12、N N A G T N T A A N N 高度保守 低度保守 5 聚體 5 聚體 圖 16-19 CAP 結合位點的保守順序 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.24) lac C A A T T A A T G T G A G T T A A C T C A C T C A T T A gal A A A T T C T T G T G T A A A C G A T T C C A C T A A T T T 圖 16-22 lac 操縱子和 gal 操縱子上 cAMP-CAP 位點的比較 (仿 D.Freifeilder:Molecular Biology19

13、83,Fig.14.15) 轉錄起點 gal lac ara 啟動子 CAP 結合位點 操縱基因 圖 16-20 CAP 蛋白可結合于相對于啟動子的不同位點 (仿 B.Lewin:GENES,1997, Fig .12.25) 3、色氨酸操縱子、色氨酸操縱子 分支酸 鄰氨基苯甲酸 磷酸核糖基 CDRP 吲哚甘油-磷酸 色氨酸 鄰氨基苯甲酸 鄰氨基苯甲酸合成酶 吲哚甘油 色氨酸合成酶 硼酸合成酶 鏈 鏈 60，000 60，000 4 5，000 50，000 29，000 P O l a trpE trpD P trpC trpB trpA t t 1560 1620 1353 1191 80

14、4 36P：起動子；O：操縱子； l：前導序列； a：衰減子； t,t ：終止子 圖 16-15 E.coli trpO 的結構及其產(chǎn)物所催化的色氨酸合成反應trp 操縱子的結構操縱子的結構 1）.結構結構 2）.特點特點: (1) trpR(89)和和trpABCDE(25)不緊密連不緊密連鎖；鎖； (2) 操縱基因在啟動子內(nèi)操縱基因在啟動子內(nèi) (3) 有衰減子有衰減子(attenuator) (4) 啟動子和結構基因不直接相連，二者啟動子和結構基因不直接相連，二者被前導順序被前導順序(Leader)所所隔開隔開 trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA 蛋白 TrpR(無活性) 活化的 阻遏蛋白 輔阻遏物 (Trp) 圖 16-27 TrpR 被 Trp 激活后可阻遏trp 操縱子的轉錄 (仿 B.Lewi