基因表達(dá)調(diào)控原核精簡版

1、關(guān)于基因的表達(dá)調(diào)控原核精簡版第一張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控概述1.1 基因表達(dá)調(diào)控的概念1.2 基因表達(dá)調(diào)控的元件和作用方式1.3 基因表達(dá)調(diào)控的策略概述第二張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1.1 基因表達(dá)調(diào)控的概念基因表達(dá)(gene expression)是指基因通過轉(zhuǎn)錄和翻譯而產(chǎn)生其蛋白質(zhì)產(chǎn)物，或轉(zhuǎn)錄后直接產(chǎn)生其RNA產(chǎn)物(如tRNA，rRNA等)的過程。第三張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月真核細(xì)胞基因表達(dá)第四張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月基因表達(dá)調(diào)控的必要性細(xì)菌基因組一般編碼約4,000個(gè)基因，人的基因組

2、中含有30,000多個(gè)基因。設(shè)想一下如果這么多的基因同時(shí)表達(dá)會(huì)出現(xiàn)什么樣的情況?第五張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)菌中蛋白質(zhì)合成的延伸因子是細(xì)菌中最豐富的蛋白血紅蛋白只在紅細(xì)胞中存在DNA修復(fù)系統(tǒng)的酶需要量很少有些基因(如決定細(xì)胞性質(zhì)的基因)只在某一些或幾個(gè)細(xì)胞中表達(dá)第六張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月發(fā)育調(diào)節(jié)基因bithorax表達(dá)模式的改變結(jié)果果蠅發(fā)育中基因的正常表達(dá)改變的結(jié)果第七張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Hutchinson-Gilford syndrome第八張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第九張，PPT共一百二十九頁，

3、創(chuàng)作于2022年6月第十張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月agWild type第十一張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2 基因表達(dá)調(diào)控的元件和作用方式持家基因，看家基因，組成型表達(dá)基因，常備基因。理論上在所有的細(xì)胞中都能進(jìn)行正常表達(dá)，并為所有類型細(xì)胞的生命活動(dòng)提供基本功能的基因，其產(chǎn)物在不同細(xì)胞中的濃度大體保持一致，不易受環(huán)境條件的影響。有其機(jī)密的調(diào)控機(jī)制以保持基因的表達(dá)水平保持在恒定狀態(tài)。第十二張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月奢侈基因(luxury gene)又叫可調(diào)節(jié)基因，是在特殊的細(xì)胞類型中為特化功能蛋白質(zhì)編碼的基因，其表達(dá)和調(diào)控機(jī)制都受到環(huán)境

4、條件的影響。第十三張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月奢侈基因(luxury gene)在不同時(shí)期和不同條件下基因表達(dá)的開啟或關(guān)閉以及基因活性的增加或減弱等，是受到調(diào)節(jié)控制的，這種控制被稱為基因表達(dá)的調(diào)控。第十四張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月基因的阻遏-與誘導(dǎo)相反，某種信號(hào)使得基因的表達(dá)水平降低(或叫下降、下調(diào))，基因的產(chǎn)物減少。這個(gè)過程叫做“阻遏”(repression)?；虻恼T導(dǎo)指某種信號(hào)使得基因的表達(dá)水平提高(或叫上升、上調(diào))，基因的產(chǎn)物增多。這個(gè)過程叫做“誘導(dǎo)(induction)。第十五張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月結(jié)構(gòu)基因(structu

5、ral gene)指編碼蛋白質(zhì)或RNA的任何基因。它們編碼功能各異的蛋白質(zhì)和RNA，作為酶、細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)以及調(diào)節(jié)蛋白等。第十六張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月調(diào)節(jié)基因(regulator gene)是參與其他基因表達(dá)調(diào)控的基因，編碼的產(chǎn)物是RNA或蛋白質(zhì)。第十七張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物(RNA或蛋白)通過與特定的DNA序列結(jié)合來調(diào)節(jié)其他基因的表達(dá)。可以使基因的表達(dá)上升(正調(diào)控，positive regulation)或下降(負(fù)調(diào)控，negative regulation)。第十八張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月激活蛋白(activ

6、ator)，或叫做激活子，是由調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白，可以開啟結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄因子就是屬于激活蛋白。第十九張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月阻遏蛋白(repressor)，由調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白，由本身或與輔阻遏物一起阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。第二十張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月激活蛋白與阻遏蛋白對(duì)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控第二十一張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的蛋白結(jié)合的DNA序列種類很多，如啟動(dòng)子、終止子、增強(qiáng)子、衰減子、沉默子和各種應(yīng)答元件等。第二十二張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月正調(diào)控系統(tǒng)在一個(gè)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的體系中，調(diào)節(jié)基

7、因編碼的調(diào)節(jié)蛋白是激活蛋白，這樣的基因表達(dá)調(diào)節(jié)體系叫正調(diào)控系統(tǒng)。第二十三張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月在正調(diào)控系統(tǒng)中，基因開啟轉(zhuǎn)錄的必要條件是要有調(diào)節(jié)蛋白的存在，否則基因就無法轉(zhuǎn)錄。如真核基因轉(zhuǎn)錄時(shí)，僅有RNA聚合酶是不夠的，還必須有轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)節(jié)蛋白存在。第二十四張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月負(fù)調(diào)控系統(tǒng)在基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控中，調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白是阻遏蛋白，本身或與輔阻遏物一起阻止結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，這樣調(diào)節(jié)系統(tǒng)叫負(fù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。但當(dāng)有誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合后，阻遏蛋白就會(huì)失去活性使結(jié)構(gòu)基因得以轉(zhuǎn)錄。第二十五張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月在負(fù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，基

8、因一般是不轉(zhuǎn)錄的，因?yàn)檗D(zhuǎn)錄被阻遏蛋白抑制。基因開啟轉(zhuǎn)錄的必要條件是除去阻遏蛋白。第二十六張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3 基因表達(dá)調(diào)控的策略概述原核生物的基因表達(dá)主要取決于環(huán)境因素的誘導(dǎo)及細(xì)胞對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)。原核生物是單細(xì)胞生物，直接生活在復(fù)雜多變的環(huán)境中，食物供應(yīng)毫無保障。第二十七張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月為了維持自身的生存和繁衍，必須不斷地通過對(duì)自身基因的表達(dá)調(diào)節(jié)以適應(yīng)環(huán)境中的營養(yǎng)條件和應(yīng)付各種不利的理化因素。第二十八張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月真核生物的基因表達(dá)則十分復(fù)雜，其調(diào)控系統(tǒng)也更為完善。真核生物的代謝途徑和食物來源都是比

9、較穩(wěn)定的，但它們的絕大多數(shù)都是多細(xì)胞的復(fù)雜有機(jī)體。第二十九張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月真核生物在個(gè)體發(fā)育過程中出現(xiàn)細(xì)胞分化，形成組織和器官。真核生物中基因表達(dá)調(diào)控的明顯特征是能在特定時(shí)間和特定細(xì)胞中激活特定基因的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)分化和發(fā)育，并使組織和器官保持正常功能。第三十張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月盡管許多主要的基因調(diào)控方式是原核生物和真核生物共同具有的，但它們在調(diào)控策略上有明顯的不同，在調(diào)控方式上也存在區(qū)別。第三十一張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月原核生物的基因表達(dá)調(diào)控可以在DNA、轉(zhuǎn)錄和翻譯三個(gè)不同的層次上進(jìn)行，但轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控是最主要的，尤

10、其是轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控，這是最經(jīng)濟(jì)最有效的調(diào)節(jié)方式。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控的主要策略第三十二張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月操縱子是原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要形式原核生物的基因一般成簇排列構(gòu)成一個(gè)操縱子，一個(gè)操縱子中的每個(gè)基因都受單一啟動(dòng)子的調(diào)控。第三十三張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十四張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1937年， Monod發(fā)現(xiàn)細(xì)菌二次生長曲線1951年開始與Jacob合作研究1961年在法國的分子生物學(xué)發(fā)表蛋白質(zhì)合成過程中的調(diào)節(jié)機(jī)制，提出操縱子學(xué)說。1965年 獲得諾貝爾獎(jiǎng)第三十五張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月原核細(xì)

11、胞的DNA沒有核膜包裹，因此轉(zhuǎn)錄和翻譯是耦聯(lián)的。這是原核生物中衰減子負(fù)調(diào)控的基礎(chǔ)。很多調(diào)節(jié)氨基酸或核苷酸合成代謝的操縱子存在衰減子結(jié)構(gòu)。第三十六張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月原核生物中轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控形式除了操縱子以外，還有其他形式，例如通過DNA重排、sigma因子的更換和分解代謝的阻遏來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的起始，通過衰減子調(diào)控轉(zhuǎn)錄的終止等。第三十七張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月在翻譯水平上的調(diào)控包括通過重疊基因、mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)和反義RNA對(duì)翻譯起始的調(diào)控，通過稀有密碼子對(duì)翻譯延伸的調(diào)控，通過嚴(yán)緊反應(yīng)和mRNA的穩(wěn)定性對(duì)翻譯終止的調(diào)控等。第三十八張，PPT共一百二十九頁

12、，創(chuàng)作于2022年6月真核生物的基因表達(dá)調(diào)控的主要策略真核生物的基因表達(dá)和調(diào)控要比原核生物復(fù)雜得多，產(chǎn)生差異的根本原因在于真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特征。第三十九張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月真核細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控有更多的調(diào)控位點(diǎn)第四十張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 原核細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控原核生物基因表達(dá)調(diào)控的幾個(gè)重要特點(diǎn) 多組成操縱子進(jìn)行調(diào)控 以負(fù)調(diào)控為主 基因表達(dá)調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平第四十一張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月本節(jié)主要內(nèi)容2.1 操縱子2.2 基因表達(dá)的時(shí)序調(diào)節(jié) 2.3 生長速度的調(diào)節(jié) 2.4 細(xì)菌的SOS反應(yīng)2.5 翻譯水平的調(diào)控第四

13、十二張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2.1 操縱子（operon）操縱子是原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要形式，是原核生物細(xì)胞DNA上的一段區(qū)域，由若干功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因和控制這些基因表達(dá)的元件組成的一個(gè)完整的連續(xù)的功能單位。第四十三張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月操縱子的活性受到調(diào)節(jié)基因的控制，調(diào)解基因的產(chǎn)物通過與操縱子上的DNA序列相互作用而調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。第四十四張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白或激活蛋白阻遏蛋白一般與操縱基因結(jié)合，阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合，從而關(guān)閉結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。激活蛋白一般與啟動(dòng)子上游處的DNA序列

14、結(jié)合，促進(jìn)RNA聚合酶對(duì)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，第四十五張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月乳糖操縱子（lactose operon）調(diào)節(jié)基因LacI，有自己的啟動(dòng)子和終止子。編碼阻遏蛋白乳糖操縱子的組成操縱基因LacO，28bp的DNA序列，不編碼任何產(chǎn)物，可以與阻遏蛋白結(jié)合，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄3個(gè)結(jié)構(gòu)基因ZYA第四十六張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月阻遏蛋白與操縱基因的結(jié)合第四十七張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)菌的二次生長曲線當(dāng)細(xì)菌在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時(shí)，首先利用葡萄糖，待葡萄糖消耗完之后才開始利用乳糖。結(jié)果在葡萄糖消耗完之后細(xì)菌的生長有個(gè)暫時(shí)

15、的停頓。乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn)是從研究細(xì)菌的二次生長曲線開始的后來發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌利用葡萄糖的酶是組成型表達(dá)的，而利用乳糖的酶是誘導(dǎo)型的。第四十八張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)菌分解乳糖的酶是如何被誘導(dǎo)表達(dá)的呢沒有乳糖時(shí)第四十九張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)菌分解乳糖的酶是如何被誘導(dǎo)表達(dá)的呢？沒有乳糖時(shí)有乳糖時(shí)*Animation第五十張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月開啟結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，是一個(gè)誘導(dǎo)物 ，但是真正直接起誘導(dǎo)作用的是異乳糖(allolactose)。誘導(dǎo)物（inducer）在乳糖操縱子中，乳糖可以與阻遏蛋白結(jié)合使之失活，第五十一張，PPT共一百

16、二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月異乳糖的來源：是細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的-半乳糖苷酶催化乳糖形成的產(chǎn)物之一，另一種產(chǎn)物是半乳糖和葡萄糖。第五十二張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月問題：乳糖操縱子的酶是誘導(dǎo)酶，基因的表達(dá)要受到乳糖的誘導(dǎo)才能開始；那么，這一切該如何解釋呢？可是乳糖在細(xì)胞外，操縱子在細(xì)胞內(nèi)，乳糖要進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)才能開始誘導(dǎo)；而乳糖進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)需要-半乳糖苷透性酶的作用，但是-半乳糖苷透性酶卻是乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)基因，沒有乳糖是不能表達(dá)的。第五十三張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)培養(yǎng)基中沒有乳糖時(shí)，Lac 操縱子也是在表達(dá)的，只是水平比較低，其中的-半乳糖苷每個(gè)細(xì)胞不多于5個(gè)分

17、子。此謂“本底表達(dá)”（為誘導(dǎo)水平的1/1000）。這表明，阻遏蛋白對(duì)操縱子的阻遏是不完全的，有“滲漏”。乳糖操縱子的本底表達(dá)第五十四張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月本底表達(dá)的少數(shù)結(jié)構(gòu)基因產(chǎn)物的分子在細(xì)胞內(nèi)起著“監(jiān)測”的作用，當(dāng)細(xì)菌遇到誘導(dǎo)物乳糖時(shí)，即刻將其運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)，在2-3分鐘內(nèi)細(xì)胞內(nèi)的-半乳糖苷酶就可以達(dá)到5000分子/細(xì)胞，濃度可以達(dá)到細(xì)胞內(nèi)蛋白的5-10%，以便細(xì)菌迅速利用乳糖。第五十五張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月但是lac mRNA 極不穩(wěn)定，半衰期僅有約3分鐘，所以這種誘導(dǎo)能很快逆轉(zhuǎn)。只要誘導(dǎo)物乳糖消失，基因轉(zhuǎn)錄就停止。mRNA 在很短的時(shí)間內(nèi)被降

18、解，mRNA含量又回落到誘導(dǎo)前的基礎(chǔ)水平。第五十六張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月基因工程中，利用乳糖操縱子來表達(dá)外源基因時(shí)，一般不是使用乳糖來誘導(dǎo)基因的表達(dá)，而是利用一種合成的小分子叫IPTG，不被-半乳糖苷酶水解，其濃度保持不變，可以促使外源基因一直表達(dá)。第五十七張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月如何解釋 葡萄糖效應(yīng)(降解物阻遏)當(dāng)細(xì)菌的培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖，待葡萄糖消耗完畢后才開始利用乳糖。這種現(xiàn)象以前叫“葡萄糖效應(yīng)”，現(xiàn)稱“降解物阻遏（catabolite repression）”。如何解釋這種現(xiàn)象呢？第五十八張，PPT共一百二十九頁

19、，創(chuàng)作于2022年6月如何解釋“葡萄糖效應(yīng)（降解物阻遏）”？Lac的啟動(dòng)子比較弱，即使操縱子的阻遏蛋白被去除，Lac操縱子的結(jié)構(gòu)基因也不能進(jìn)行強(qiáng)烈的表達(dá)。結(jié)構(gòu)基因的強(qiáng)烈表達(dá)除了要求阻遏蛋白被解除外，還要求有一個(gè)促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)蛋白CRP。CRP結(jié)合在啟動(dòng)子的上游，可以使基因的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)50倍。第五十九張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月CRP是cAMP receptor protein的縮寫，又叫做CAP（catabolite gene activator protein）,代謝物基因激活蛋白。CRP的活性由cAMP調(diào)節(jié)。當(dāng)CRP結(jié)合了cAMP 之后具有活性，結(jié)合在操縱子的啟動(dòng)子上游

20、附近，對(duì)下游結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄有增強(qiáng)作用。第六十張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月CRP(CAP)的二聚體與DNA的相互作用彎曲的DNA與RNA聚合酶作用部位cAMP結(jié)合部位第六十一張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月CRP(CAP) 的二聚體與DNA的相互作用第六十二張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)細(xì)胞利用葡萄糖時(shí)，分解產(chǎn)物抑制酰苷酸環(huán)化酶的活性并活化磷酸二酯酶，細(xì)胞內(nèi)的cAMP水平下降，CRP沒有活性，Lac操縱子不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，當(dāng)葡萄糖水平下降，細(xì)菌利用乳糖時(shí)，cAMP水平提高，CRP有活性，引起操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。第六十三張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作

21、于2022年6月CRP(CAP)對(duì)Lac操縱子的作用第六十四張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月結(jié)論：乳糖操縱子是一個(gè)雙因子調(diào)節(jié)系統(tǒng)乳糖操縱子的表達(dá)需要2個(gè)調(diào)節(jié)蛋白的共同參與，一個(gè)是正調(diào)節(jié)蛋白CRP（CAP），一個(gè)是負(fù)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白）。當(dāng)阻遏蛋白解除后,沒有CRP,基因也幾乎不轉(zhuǎn)錄當(dāng)只有CRP而阻遏蛋白沒有解除時(shí),基因不轉(zhuǎn)錄只有當(dāng)阻遏解除且CRP存在時(shí)，基因才開始轉(zhuǎn)錄第六十五張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月遺傳和生化實(shí)驗(yàn)已證實(shí)乳糖操縱子的正確如操縱基因突變，導(dǎo)致阻遏蛋白無法與之結(jié)合，操縱子處于無阻遏狀態(tài)，成“組成型表達(dá)”阻遏蛋白基因LacI突變，導(dǎo)致阻遏蛋白失活或缺

22、乏，操縱子的結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄也處于組成型表達(dá)狀態(tài)。第六十六張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月還有一種突變，使得阻遏蛋白結(jié)構(gòu)變化，失去與誘導(dǎo)物乳糖的結(jié)合位點(diǎn)，結(jié)果使操縱子處于“不可誘導(dǎo)狀態(tài)”。第六十七張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月受一種調(diào)節(jié)蛋白控制的幾個(gè)操縱子構(gòu)成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)叫做調(diào)節(jié)子。調(diào)節(jié)子(regulon)調(diào)節(jié)子是一種大范圍內(nèi)的基因表達(dá)控制調(diào)節(jié)手段。第六十八張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月受到降解物阻遏 調(diào)節(jié)的的酶類除了代謝乳糖的酶類外，還有分解半乳糖、阿拉伯糖、麥芽糖等的酶，這些操縱子都受到CRP的調(diào)節(jié)，屬于一個(gè)“調(diào)節(jié)子”。這樣保證在細(xì)胞遇到葡萄糖時(shí)，所

23、有分解其他糖的酶都不表達(dá)，以免造成浪費(fèi)。第六十九張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月另外，細(xì)菌遇到危機(jī)情況下有許多基因表達(dá)，以便渡過危機(jī)時(shí)刻。這些基因?qū)儆赟OS調(diào)節(jié)子，由基因LexA編碼的阻遏蛋白控制。第七十張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月色氨酸操縱子（Trp operon）組成和結(jié)構(gòu)：全長約7 kb 調(diào)節(jié)基因 trpR：與結(jié)構(gòu)基因相距較遠(yuǎn)，編碼阻遏蛋白 操縱基因：位于結(jié)構(gòu)基因的啟動(dòng)子內(nèi)部，長21 bp 前導(dǎo)序列（leader sequence），162 bp，位于結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子之后 與結(jié)構(gòu)基因之間，對(duì)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄起調(diào)節(jié)作用。 結(jié)構(gòu)基因：5個(gè)，負(fù)責(zé)編碼色氨酸合成途徑中

24、的3個(gè)酶。第七十一張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Trp操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控這里，操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄控制是由阻遏蛋白完成，但阻遏蛋白的活性是由色氨酸來激活的，我們把這里的色氨酸稱為是一個(gè)“輔阻遏物（co-repressor）”當(dāng)細(xì)菌內(nèi)含有足夠多的色氨酸后，2個(gè)分子的色氨酸與2分子的阻遏蛋白結(jié)合，激活阻遏蛋白，阻遏蛋白與操縱基因序列結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的色氨酸缺乏時(shí)，阻遏蛋白沒有活性，結(jié)構(gòu)基因開始轉(zhuǎn)錄，細(xì)菌開始合成色氨酸。第七十二張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月似乎這個(gè)色氨酸操縱子的控制就是這么簡單，但是其實(shí)不是。第七十三張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于20

25、22年6月a 當(dāng)阻遏蛋白沒有活性, 結(jié)構(gòu)基因開始轉(zhuǎn)錄時(shí),大部分常常只能轉(zhuǎn)錄出大約140bp的mRNA就停止了后來的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)b 把位于操縱基因后面和結(jié)構(gòu)基因前面的162bp序列中的130-162堿基刪除后，trp操縱子的轉(zhuǎn)錄水平處于無阻遏的最高水平。 這說明色氨酸 操縱子的結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄還受到其他因素的調(diào)控。第七十四張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Trp 操縱子的衰減調(diào)控機(jī)制前導(dǎo)序列（leader sequence）分為4個(gè)部分（1-4）：1 為前導(dǎo)區(qū)，編碼一個(gè)14 肽，其中有2個(gè)連續(xù)的trp，前導(dǎo)序列中 2 和3 互補(bǔ)，3 和4 互補(bǔ)，通過互補(bǔ)，可以形成類似終止序列的結(jié)構(gòu)。第七十五

26、張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月典型的轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)結(jié)構(gòu)第七十六張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)胞內(nèi)色氨酸含量高導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄終止第七十七張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)胞內(nèi)色氨酸含量低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄開始Animation*第七十八張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月需要注意的幾個(gè)問題1、前導(dǎo)肽的翻譯只有調(diào)節(jié)后面基因轉(zhuǎn)錄的功能,翻譯出來的肽沒有其他生理功能!2、對(duì)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的控制實(shí)際上是通過核糖體在mRNA上停留的位置來實(shí)現(xiàn)的。第七十九張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月4、真核細(xì)胞中沒有這種衰減調(diào)節(jié)機(jī)制，為什么？3、阻遏蛋

27、白的調(diào)節(jié)類似于開關(guān)式(on/off)的調(diào)節(jié)（粗調(diào)）;而衰減調(diào)節(jié)是一種音量開關(guān)式的調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)），可以使結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的頻率在0700倍的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，具體大小與細(xì)胞內(nèi)色氨酸含量的高低以及與之偶聯(lián)的翻譯過程有關(guān)。第八十張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)菌內(nèi)許多氨基酸合成的操縱子的調(diào)控都是通過衰減子來完成的。Phe合成的操縱子中有個(gè)15肽, 含有7 個(gè)phe。Leu操縱子導(dǎo)肽中含有4個(gè)連續(xù)的leu。His操縱子含有7個(gè)連續(xù)his, 在his操縱子中, 只有衰減調(diào)控這一種途徑,無阻遏蛋白。例如 第八十一張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月操縱子系統(tǒng)在基因工程中的應(yīng)用由于乳糖操縱子中

28、的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)可以通過誘導(dǎo)物對(duì)其調(diào)控。所以乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)被用在基因工程中。將結(jié)構(gòu)基因換成外源目的基因，通過往培養(yǎng)基中添加誘導(dǎo)物，外源基因就可以得到表達(dá)。第八十二張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1983年，科學(xué)家將細(xì)菌乳糖操縱子的啟動(dòng)子的-10區(qū)和色氨酸操縱子啟動(dòng)子的-35區(qū)組合起來形成一個(gè)“雜合” 的啟動(dòng)子，叫做“tac”，這個(gè)雜合的啟動(dòng)子啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的效率比乳糖啟動(dòng)子高10倍，比色氨酸啟動(dòng)子的效率高5倍。同樣受IPTG誘導(dǎo)，被乳糖抑制子所阻遏。操縱子系統(tǒng)在基因工程中的應(yīng)用第八十三張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的乳糖操縱子一個(gè)突變體UV5，

29、不需要激活蛋白CRP，只需要添加誘導(dǎo)物乳糖，結(jié)構(gòu)基因就可以高效大量表達(dá)。操縱子系統(tǒng)在基因工程中的應(yīng)用第八十四張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月比較乳糖操縱子和色氨酸操縱子的相同和不同之處。(他們控制基因轉(zhuǎn)錄的方式策略上有什么不同？阻遏蛋白的作用特點(diǎn)有什么不同？)思考題第八十五張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Structure of E coli RNA polymerase2.2、基因表達(dá)的時(shí)序調(diào)節(jié) 第八十六張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月回憶：細(xì)菌RNA聚合酶中因子的作用是什么?E.coli細(xì)胞中主要的因子稱為70，但E.coli中還有另外一些因子能夠

30、識(shí)別其順序與E.coli的主要啟動(dòng)子不同的另一些基因的啟動(dòng)子，并促使核心酶起始轉(zhuǎn)錄其他的基因，使得其他的基因得以表達(dá)。 第八十七張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月因子基因功用-35順序間隔距離-10順序70rpoD正常狀態(tài)TTGACA10-18bpTATAAT32rpoH熱休克CNCTTGAA13-15bpCCCCATNT ErpoE熱休克未知未知 未知60rpoN氮的利用CTGGNA6bpTTCGAFfliA鞭毛 CTAAA 15bpGCCGATAAE.coli的不同因子第八十八張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月E.coli的不同因子第八十九張，PPT共一百二十九頁，

31、創(chuàng)作于2022年6月枯草桿菌的因子因子來源和用途-35順序-10順序43營養(yǎng)生長期TTGACATATAAT37芽孢形成期應(yīng)用AGGNTTTGGNATTGNT32芽孢形成期應(yīng)用AAATCTANTGTTNTA29芽孢形成期合成TTNAAACATATT28不應(yīng)用于芽孢形成期CTNAAACCGATATgp28SP01中期基因表達(dá)AGGAGATTTNTTTgp33-34SP01晚期基因表達(dá)CGTTAGAGATATT第九十張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月噬菌體也使用不同的因子來調(diào)節(jié)基因的表達(dá)噬菌體侵入細(xì)菌后，首先利用自己攜帶的28 取代細(xì)菌的因子，合成噬菌體的早期基因；其中就含有另外的一個(gè)因

32、子，用來開啟中期基因的轉(zhuǎn)錄。第九十一張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月表達(dá)的中期基因中含有一個(gè)開啟晚期基因表達(dá)的因子，同時(shí)負(fù)責(zé)開啟中期基因表達(dá)的因子則被降解。通過這種方式，使得噬菌體的各種基因嚴(yán)格按照一定的時(shí)間順序表達(dá)出來，執(zhí)行生理功能，完成噬菌體的一生。第九十二張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月在以上這些例子中，生物各發(fā)育階段的不同基因的表達(dá)啟動(dòng)是由不同的調(diào)節(jié)蛋白作用于啟動(dòng)子和終止子來調(diào)節(jié)的早期表達(dá)的基因中含有開啟后期基因表達(dá)的調(diào)節(jié)蛋白，后期基因的表達(dá)又同時(shí)關(guān)閉早期基因的表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)基因的“順序表達(dá)”。第九十三張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2.3 生

33、長速度的調(diào)節(jié) 細(xì)菌在不同的生長條件下的生長速度是不同的，大腸桿菌的倍增時(shí)間可以從500分鐘到15分鐘不等。不同的生長速度是通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)分子的合成速度來實(shí)現(xiàn)的。而蛋白質(zhì)的合成速度決定于細(xì)胞中核糖體的數(shù)量。第九十四張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月不同生長速度下大腸桿菌中的某些特征倍增時(shí)間/minDNA分子數(shù)/細(xì)胞核糖體數(shù)/細(xì)胞254.515 500502.46 8001001.74 2003001.41 450第九十五張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月組成核糖體的蛋白質(zhì)基因以及與合成這些蛋白質(zhì)相關(guān)的基因，DNA引物合成酶基因、RNA聚合酶亞基基因等組成20多個(gè)操縱子，他

34、們協(xié)調(diào)表達(dá)，使復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯過程緊密協(xié)調(diào)，適應(yīng)細(xì)胞生長速度的需要。第九十六張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月(1) 通過自體調(diào)控，控制組成核糖體的蛋白質(zhì)的量，從而適應(yīng)細(xì)胞的生長速度。組成核糖體的蛋白質(zhì)一般總與相應(yīng)的rRNA結(jié)合。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)過剩時(shí)，它會(huì)與自身的mRNA結(jié)合，抑制其活性，降低產(chǎn)量，以便與rRNA的量保持一致。 這樣，細(xì)胞通過控制rRNA的水平來調(diào)節(jié)生長速度。第九十七張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) 嚴(yán)謹(jǐn)控制（stringent control）當(dāng)細(xì)菌處于營養(yǎng)缺乏的環(huán)境中時(shí)，蛋白質(zhì)合成的原料氨基酸缺乏，這時(shí)細(xì)胞會(huì)關(guān)閉大部分的代謝活動(dòng)，借以渡過艱難時(shí)期，

35、等待環(huán)境營養(yǎng)條件的改善。這種現(xiàn)象叫做“嚴(yán)謹(jǐn)控制”。第九十八張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月嚴(yán)謹(jǐn)控制的結(jié)果是tRNA和rRNA的合成下降很多（降低1020倍），但mRNA合成的降低程度較?。s3倍），大大降低細(xì)胞的生長速度。第九十九張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月引起嚴(yán)謹(jǐn)控制的因素當(dāng)氨基酸缺乏或氨?；?tRNA合成酶失活，都會(huì)引起嚴(yán)謹(jǐn)控制生長代謝的反應(yīng)。這時(shí)細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)2種不常見的核苷酸：鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp），電泳可以檢測出來，稱為“魔斑”（magic spots）。又叫“報(bào)警素”。第一百張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月鳥苷

36、四磷酸（ppGpp）第一百零一張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月合成這種分子的基因被是relA, 產(chǎn)物蛋白質(zhì)叫做“嚴(yán)謹(jǐn)控制因子”(stringent factor, SF)，細(xì)胞內(nèi)位于核糖體上。在蛋白質(zhì)合成過程中，空載的tRNA進(jìn)入核糖體的A位點(diǎn)會(huì)激活SF的活性，SF將ATP上的焦磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給GDP形成ppGpp, 或轉(zhuǎn)移給GTP形成pppGpp。第一百零二張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月嚴(yán)謹(jǐn)控制因子SF位于核糖體上，空載的tRNA進(jìn)入核糖體的A位會(huì)激活SF的活性。第一百零三張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月報(bào)警素ppGpp在細(xì)胞內(nèi)的功能報(bào)警素是細(xì)胞內(nèi)的

37、第二信使，是細(xì)胞內(nèi)氨基酸饑餓的信號(hào)。最主要的作用是與RNA聚合酶結(jié)合，降低rRNA的合成，放慢生長速度。第一百零四張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)胞內(nèi)還有一種蛋白質(zhì)分子叫做SpoT蛋白，可催化ppGpp的降解。細(xì)胞氨基酸饑餓時(shí)，SpoT活性被抑制；促進(jìn)ppGpp的積累；條件恢復(fù)正常后，SpoT迅速降解ppGpp，細(xì)胞的“氨基酸饑餓警報(bào)”解除，細(xì)胞恢復(fù)正常狀態(tài)。第一百零五張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月報(bào)警素和cAMP相同，在細(xì)胞內(nèi)屬于一種多效的基因表達(dá)的超級(jí)調(diào)控因子。他們影響調(diào)控的基因數(shù)目是非常多的，不是一個(gè)幾個(gè)而是一大批，且從不同的水平上進(jìn)行調(diào)控。第一百零六張，

38、PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2.4、細(xì)菌的SOS反應(yīng)當(dāng)細(xì)菌染色體受到較多的損傷而復(fù)制受阻,或核酸合成時(shí)缺乏核苷酸等時(shí)會(huì)引發(fā)細(xì)胞的一系列反應(yīng)，叫做SOS反應(yīng)。第一百零七張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月這些反應(yīng)包括DNA修復(fù)能力增強(qiáng)，誘變率提高、細(xì)胞分裂停止等。這時(shí)細(xì)菌會(huì)協(xié)調(diào)體內(nèi)的許多基因活性來應(yīng)付危機(jī), 從而渡過難關(guān)。這些眾多基因分布在不同的位置，但屬于同一個(gè)調(diào)節(jié)子。因?yàn)樗鼈兊募せ钷D(zhuǎn)錄受到調(diào)節(jié)蛋白R(shí)ecA和LexA的共同調(diào)節(jié)。第一百零八張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)胞中正常狀態(tài)下參與SOS反應(yīng)的基因是不表達(dá)的，他們被阻遏蛋白LexA所阻遏第一百零九張

39、，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月SOS反應(yīng)的引發(fā)需要將阻遏蛋白LexA除去在單鏈DNA和ATP存在情況下，RecA蛋白被激活而促進(jìn)阻遏蛋白LexA的自身裂解，從而解除抑制，一系列原來被抑制的基因表達(dá)。recA受到LexA的不完全抑制，細(xì)胞內(nèi)有少量的RecA分子。當(dāng)DNA受到損傷出現(xiàn)的單鏈DNA分子時(shí)就可以與之結(jié)合。第一百一十張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月這些基因包括紫外線損傷修復(fù)基因、單鏈結(jié)合蛋白基因、DNA聚合酶V和VI基因等，這些基因的表達(dá)使得細(xì)菌對(duì)損傷的DNA進(jìn)行修復(fù)（雖然錯(cuò)誤率較高）、減少代謝、抑制細(xì)胞分裂而渡過艱難時(shí)候。SOS反應(yīng)屬于細(xì)菌大范圍基因調(diào)節(jié)控制

40、的例子。第一百一十一張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月5 翻譯水平的調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄形成mRNA后并不一定會(huì)翻譯形成相應(yīng)的蛋白質(zhì)，基因的表達(dá)也可以在翻譯的水平上受到調(diào)節(jié)。如同一操縱子中的幾個(gè)基因雖然是共同轉(zhuǎn)錄的，mRNA水平一致，但他們的產(chǎn)物的量是不同的，這就是依靠翻譯水平進(jìn)行調(diào)節(jié)的。如乳糖操縱子中3個(gè)基因ZYA的表達(dá)水平為1：0.2：0.5。第一百一十二張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月目前已知的翻譯水平上的調(diào)節(jié)有幾個(gè)方面：不同mRNA翻譯能力的差異、翻譯阻遏的作用、反義RNA的作用等。第一百一十三張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月a）基因起始密碼子前面的SD

41、序列不同，mRNA與核糖體的結(jié)合程度不同，導(dǎo)致mRNA的翻譯起始頻率不同，最后的蛋白質(zhì)的水平就不同。 5.1 不同的mRNA的翻譯能力不同第一百一十四張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月SD序列在翻譯過程中起重要作用，不同基因的SD序列雖然保守，但是不同基因的SD序列有所不同。第一百一十五張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月b) 常見密碼子與稀有密碼子 含有稀有密碼子的基因的翻譯速度要比不含有稀有密碼子的基因要慢，因?yàn)樽R(shí)別稀有密碼子的tRNA較少。結(jié)果就是含有稀有密碼子較多的基因的產(chǎn)物量較少。第一百一十六張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月c) mRNA的穩(wěn)定性對(duì)翻譯也有調(diào)節(jié)作用不同基因mRNA的半衰期不同，對(duì)該mRNA的產(chǎn)物蛋白的量起到調(diào)節(jié)作用。mRNA的半衰期與其結(jié)構(gòu)等有關(guān)，一些mRNA具有特殊的二級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)阻止RNA酶的降解，延長其壽命。第一百一十七張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月但是細(xì)胞內(nèi)決定mRNA壽命的因素很多，因此這里有著復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制。第一百一十八張，PPT共一百二十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)菌核糖體中52種蛋