原核基因表達(dá)調(diào)控1-6-課件

1、第六章 基因的表達(dá)與調(diào)控（上）原核基因表達(dá)調(diào)控模式目的與要求掌握基因表達(dá)的概念。掌握原核基因表達(dá)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(lèi)及原理。了解半乳糖操縱子的作用機(jī)制、了解阿拉伯糖操縱子的作用機(jī)制。第一節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控概述基因表達(dá)（gene expression）概念：通過(guò)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(guò)程。 DNA蛋白質(zhì)翻譯RNA 轉(zhuǎn)錄基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性（一）時(shí)間特異性按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱(chēng)之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性(temporal specificity)。 多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱(chēng)

2、階段特異性(stage specificity)。（二）空間特異性基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱(chēng)細(xì)胞或組織特異性(cell or tissue specificity)。在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱(chēng)之為基因表達(dá)的空間特異性(spatial specificity)。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(lèi)基因表達(dá)被視為組成性基因表達(dá)(constitutive gene expression)?；虮磉_(dá)的方式按對(duì)刺激的反應(yīng)性，基因表達(dá)的方式分為：（一）組

3、成性表達(dá)管家基因(housekeeping gene)。某些在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因。管家基因（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱(chēng)為可誘導(dǎo)基因?？烧T導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程，稱(chēng)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)2.可阻遏基因與阻遏如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因。可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程稱(chēng)為阻遏(repression)。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)(coordinate expre

4、ssion) ?；虻膮f(xié)調(diào)表達(dá)基因表達(dá)的調(diào)控概念： （gene regulation or gene control） 對(duì)基因表達(dá)過(guò)程的調(diào)節(jié)。一般規(guī)律： 機(jī)體需要基因表達(dá)開(kāi)始（on）機(jī)體不需要基因表達(dá)停止（off）可能有本底水平的基因表達(dá)：每個(gè)細(xì)胞只合成1或2 個(gè)mRNA分子和極少量的蛋白質(zhì)分子。基因表達(dá)調(diào)控的分類(lèi)（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)控原核與真核生物轉(zhuǎn)錄及翻譯的總特點(diǎn)掃描圖片二、原核基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的類(lèi)型與特點(diǎn)原核基因表達(dá)調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上。負(fù)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 調(diào)節(jié)物

5、結(jié)合到DNA上正調(diào)節(jié)負(fù)調(diào)節(jié)是開(kāi)啟關(guān)閉否關(guān)閉開(kāi)啟編碼序列 調(diào)節(jié)序列 啟動(dòng)序列(promoter) 操縱序列(operator)激活蛋白阻遏蛋白阻遏蛋白與激活蛋白阻遏蛋白負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄 調(diào)控正控阻遏正控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏負(fù)控誘導(dǎo)阻遏蛋白+誘導(dǎo)無(wú)活阻遏蛋白+阻遏無(wú)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負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄 調(diào)控正控阻遏正控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏負(fù)控誘導(dǎo)阻遏蛋白+誘導(dǎo)無(wú)活阻遏蛋白+阻遏無(wú)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 Lac O I 阻遏物 阻遏 誘導(dǎo) 失活的阻遏物負(fù)控誘導(dǎo)mRNA Trp O 無(wú)活的

6、阻遏蛋白輔-阻遏物 阻遏基因表達(dá) 負(fù)控阻遏正 控 誘 導(dǎo)活化的激活蛋白失活的活性蛋白 誘導(dǎo)物基因不表達(dá)基因表達(dá) 活化的激活蛋白 輔-阻遏物 基因表達(dá) 阻遏正控阻遏第二節(jié) 乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)一、原核基因表達(dá)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(gè)啟動(dòng)序列（promoter，P） 二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制（一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)(lac operon) 調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn) 啟動(dòng)序列（promotor） 操縱序列（operator） 結(jié)構(gòu)基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAO

7、PDNAmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒(méi)有乳糖存在時(shí)（二）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因mRNA阻遏蛋白只有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖異構(gòu)乳糖-半乳糖苷酶無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)（三）CAP（catabolite gene activation protein） 的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAP+ + + + 轉(zhuǎn)錄CAPCAPCAPCAP結(jié)合位點(diǎn)cAMPCAP葡萄糖對(duì) lac 操縱子的阻遏作用稱(chēng)分解代謝阻遏（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。 二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制（

8、一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)(lac operon) 調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn) 啟動(dòng)序列（promotor） 操縱序列（operator） 結(jié)構(gòu)基因Z： -半乳糖苷酶Y： 透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAI阻遏蛋白二、乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制ZYAOPDNAImRNA阻遏蛋白1.阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)RNA-Pol 沒(méi)有乳糖存在時(shí)有乳糖存在時(shí)-半乳糖苷酶異構(gòu)乳糖轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNA無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)（三）CAP（catabolite gene activation protein） 的正性調(diào)節(jié)CAPCAPCAPCAPCAPCAP結(jié)合位點(diǎn)CAPRNA-Pol 轉(zhuǎn)錄內(nèi)容回顧操縱子的

9、概念：乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)乳糖操縱子的表達(dá)調(diào)控阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控CAP的負(fù)性調(diào)控CAPPOTTTACA -35區(qū)TATGTT -10區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)5-ATTAATGTGAGTTAGCTCACTCATTAGG-3CAP中央對(duì)稱(chēng)序列CAP Binding Bends DNApromotorCAP Binding site（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)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。單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。低半乳糖時(shí)高半乳糖時(shí) 葡萄糖低 葡萄糖高OOADABCDmR

10、NARNA-polOCOB1.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(wèn)題1.A基因及其生理功能-半乳糖苷 - 半乳糖苷衍生物生長(zhǎng)抑制乙酰-半乳糖苷-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶乙酰CoACoA-半乳糖苷酶A基因2.lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較ZYAOPDNA1： 0.5： 0.2(1) Lac mRNA 與翻譯過(guò)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)生降解第三節(jié) 色氨酸操縱子與負(fù)阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子（tryptophan operon）的代謝特點(diǎn)：1.參與 trp 的生物合成而不是降解。2.環(huán)境中有充足的 trp

11、時(shí)，不（低）表達(dá)。3.環(huán)境中缺乏 trp 時(shí)，高表達(dá)。4.它不受葡萄糖 c-AMPCRP調(diào)控。5.（輔）阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控調(diào)控。6.弱化子的負(fù)調(diào)控調(diào)控。鄰氨基苯甲酸合酶鄰氨基苯甲酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移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Trp ETrp DTrpCTrp ATrp BtrpRABCDEopLatrpRtrpPtrpOtrpEtrpDtrpCtrpBtrpAE. 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)。前導(dǎo)區(qū)mRNA前導(dǎo)肽（14AA）衰減子 12344231mRNATrp codons終止密碼UUUUUUUUUU弱化子調(diào)控的意義

12、在大量外源色氨酸存在時(shí)，及時(shí)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(fèi)。備用四、半乳糖操縱子(galactose operon)大腸桿菌半乳糖操縱子(galactose operon)包括3個(gè)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(gè)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┘?xì)胞生長(zhǎng)。GalR與galE、T、K及操縱區(qū)O等離得很遠(yuǎn)，而galR產(chǎn)物對(duì)galO的作用與lacI-lac

13、O的作用相同。Lac Z 操縱子細(xì)胞壁合成的前體GalR與galE、T、K及操縱區(qū)O等離得很遠(yuǎn)，而galR產(chǎn)物對(duì)galO的作用與lacI-lacO的作用相同。它有兩個(gè)啟動(dòng)子，其mRNA可從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)錄；它有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游-67-53，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。 A2 mRNA：組成型表達(dá)。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(xì)胞壁-76-47gal RO2CAPPO1gal Egal Tgal KA1A2阿拉伯糖操縱子（arabinose operon）

14、araD araAAraC 具有正、負(fù)調(diào)節(jié)因子雙重功能。有葡糖，有或無(wú)阿拉伯糖無(wú)葡糖，阿拉伯糖1、翻譯起始的調(diào)控2、稀有密碼子對(duì)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(duì)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1.翻譯起始的調(diào)控含義： 通過(guò)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。AUG53mRNA410為佳，9個(gè)最佳SD序列AGG GAGG GGAGG AGGAGUCCUCCA16S rRNA53UAGAUC2.稀有密碼子對(duì)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。 稀有密碼子對(duì)翻譯的影響稀有密碼AUA UAU UAG

15、UAA OrpsU dnaGrpoD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(gè)基因產(chǎn)物的拷貝數(shù)的差異4萬(wàn)/細(xì)胞50/細(xì)胞2，800/細(xì)胞1%032% 1%AUA重疊基因?qū)Ψg的影響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。成熟蛋白（A）外殼蛋白R(shí)NA復(fù)制酶16213221345174423534120422053成熟蛋白SD外殼蛋白SDRNA復(fù)制酶SD53（+）RNARNA復(fù)制酶RNA復(fù)制酶355（）RNA成熟蛋白魔斑核苷酸水平對(duì)翻譯的影響魔斑： 當(dāng)細(xì)菌演技生長(zhǎng)過(guò)程中，遇到氨基酸全面缺乏時(shí)，細(xì)菌將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)急