基因表達(dá)調(diào)控課件

1、第二十二章基因表達(dá)調(diào)控 概 述一、基因（gene)(一)概念 基因 是核酸分子中貯存遺傳信息的遺傳單位，是指貯存有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA序列信息及表達(dá)這些信息所必需的全部核苷酸序列.（二）分類 基因可以分為結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因。結(jié)構(gòu)基因（structural gene） 指能轉(zhuǎn)錄成為mRNA、rRNA或tRNA的DNA順序。二、基因表達(dá)（gene expression）（里外）（一）概念 基因產(chǎn)生功能的過(guò)程，稱基因表達(dá)，也稱編碼（code）。 DNA RNA protein基因表達(dá)的過(guò)程是信息分子（DNA或RNA）轉(zhuǎn)變成功能分子（protein）的過(guò)程。這一過(guò)程在體內(nèi)受到精密的調(diào)控，以保證功

2、能的有序性。這一調(diào)控稱為基因表達(dá)的調(diào)控，簡(jiǎn)稱基因調(diào)控。mRNAtRNArRNAtranscriptiontranslationreplicationreverse transcription三、基因表達(dá)調(diào)控的要點(diǎn)（了解）原核生物真核生物無(wú)真核結(jié)構(gòu)的單細(xì)胞生物。包括細(xì)菌、藍(lán)綠藻等。其DNA、protein、組成1個(gè)相當(dāng)致密的類核，但無(wú)核膜與胞質(zhì)分開(kāi)。因?yàn)闊o(wú)核膜，基因受環(huán)境影響大。單或多細(xì)胞生物，有核膜將染色體等有關(guān)物質(zhì)包圍在內(nèi)與胞質(zhì)分開(kāi)，細(xì)胞有有絲分裂和減數(shù)分裂2種形式，具有這些特征的生物稱真核生物。其細(xì)胞稱為真核細(xì)胞。(一)調(diào)控的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)（二）調(diào)控最大特點(diǎn) 調(diào)控直接受環(huán)境及營(yíng)養(yǎng)狀況的影響。調(diào)

3、控是為了適應(yīng)環(huán)境獲取營(yíng)養(yǎng)達(dá)到生存即分裂繁殖的最優(yōu)化（原核既無(wú)充足的能源貯備，又無(wú)高等植物制造有機(jī)物的本領(lǐng)）。所以調(diào)控體現(xiàn)1個(gè)“快”字，快速適應(yīng)環(huán)境，獲取營(yíng)養(yǎng)，合成必需蛋白質(zhì)、降解不必要成分。這是長(zhǎng)期進(jìn)化，獲得的適應(yīng)應(yīng)變能力。激素水平和發(fā)育階段是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段。遺傳程序調(diào)控、按“既定方針辦”如動(dòng)物1個(gè)受精卵，按遺傳程序開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)基因，發(fā)育成成熟個(gè)體，該遺傳程序是構(gòu)成胚胎發(fā)育和組織分化的基礎(chǔ)。僅極少基因間接或直接受環(huán)境因素的影響。這一特點(diǎn)使真核在千變?nèi)f化的環(huán)境下，主要組織或器官仍能維持正常功能。（三）調(diào)控主要水平 真原核調(diào)控的主要水平（主調(diào)）都在轉(zhuǎn)錄水平。因?yàn)椋?.任何連鎖反應(yīng)控制第一步是

4、最經(jīng)濟(jì)和最有效的（既不需要，何必轉(zhuǎn)錄）。2.RNA pol 沒(méi)有糾錯(cuò)功能（DNA pol 有）微調(diào) DNA水平 轉(zhuǎn)錄后水平 原核調(diào)控余步不大，因其轉(zhuǎn)錄翻譯同一個(gè)compt進(jìn)行。 翻譯水平 是原核次要調(diào)控水平。 翻譯后水平（四）調(diào)控的基本方式 真原核調(diào)控的基本方式都是通過(guò)調(diào)控因子：1.蛋白質(zhì)（主）2.核酸 和 3.小分子化合物之間的識(shí)別和相互作用對(duì)基因表達(dá)實(shí)現(xiàn)正控制或負(fù)控制（也稱正調(diào)控和負(fù)調(diào)控）。 （五）調(diào)控物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì) 蛋白質(zhì)、核酸、小分子化合物。（六）調(diào)控模式 原核有操縱子調(diào)控模型，已發(fā)現(xiàn)100多種。真核有Britten-Davidsen（法）模型尚未為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 病毒基因表達(dá)調(diào)控 各種

5、病毒、噬菌體等除部分帶有RNA pol或逆轉(zhuǎn)錄酶外主要是利用宿主的基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)。原核病毒適應(yīng)原核生物遺傳策略，真核病毒適應(yīng)真核生物遺傳策略。（七）基因表達(dá)的時(shí)間性和空間性 （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。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性。 （2）空間特異性：在個(gè)體生過(guò)程中，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，這實(shí)際是由細(xì)胞在器官的分布決定的，因此又稱細(xì)胞特異性或組織特異性。（八）基因表達(dá)的方式 （1）組成性的基因表達(dá)：細(xì)胞對(duì)不同蛋白質(zhì)的需要是不一樣的，一些基因產(chǎn)物對(duì)生命全過(guò)程都是必需的，這類基因的表達(dá)水平在所有細(xì)胞或組織中幾乎是不變

6、的，如三羧酸循環(huán)這個(gè)中心代謝途徑的酶類，它們的基因表達(dá)就屬于這一類，這類基因稱為管家基因（house keeping gene）。這類穩(wěn)定的幾乎不用調(diào)節(jié)的表達(dá)方式稱為組成性的基因表達(dá)或基本性的表達(dá)（constitute expression）。 （2）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)：某些基因表達(dá)產(chǎn)物數(shù)量隨著外界環(huán)境信號(hào)變化而變化，這類基因稱為調(diào)節(jié)基因。有些基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被激活，基因表達(dá)增加的過(guò)程稱為誘導(dǎo)（indution），被誘導(dǎo)才表達(dá)的基因稱為可誘導(dǎo)基因（inducible genes），反過(guò)來(lái)有些基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答時(shí)被抑制，基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低，這種基因表達(dá)方式稱為阻遏，這類基因稱作可阻遏基因。例如

7、，當(dāng)色氨酸供給豐富的情況下，細(xì)菌中有關(guān)色氨酸合成酶的基因表達(dá)就會(huì)受到阻遏。 原核生物基因表達(dá)的調(diào)控 從調(diào)控方式來(lái)看，原核生物調(diào)控最重要的特點(diǎn)是操縱子模式。 從調(diào)控水平來(lái)看，主調(diào)在轉(zhuǎn)錄水平，翻譯水平次之。如果每個(gè)基因等同翻譯，每一個(gè)多肽應(yīng)有相同的拷貝數(shù)。結(jié)論是否定的，基因的表達(dá)是被控制的。有些蛋白質(zhì)的數(shù)目相當(dāng)固定，另一些則變化很大。一種是組成性、固定的：50種核糖體蛋白數(shù)量十分穩(wěn)定。糖酵解體系的酶數(shù)目也極恒定。DNA聚合酶、RNA聚合酶等代謝過(guò)程中十分必需的酶或蛋白質(zhì)（組成型合成蛋白）的合成速率不受環(huán)境變化或代謝狀態(tài)的影響。而另一種類型則被稱為適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型(adaptive or regula

8、ted)，這類蛋白質(zhì)的合成速率明顯地受環(huán)境的影響而改變。例如，一般情況下，一個(gè)大腸桿菌細(xì)胞中只有15個(gè)分子的-半乳糖苷酶，但若將細(xì)胞培養(yǎng)在只含乳糖的培養(yǎng)基中，每個(gè)細(xì)胞中這個(gè)酶的量可高達(dá)幾萬(wàn)個(gè)分子。其他參與糖代謝的酶，氨基酸、核苷酸合成系統(tǒng)的酶類，其合成速度和總量都隨培養(yǎng)條件的變化而改變。一、 原核基因表達(dá)調(diào)控總論細(xì)菌中的基本調(diào)控機(jī)制有如下規(guī)律:一個(gè)體系在需要時(shí)被打開(kāi)，不需要時(shí)被關(guān)閉。這種“開(kāi)-關(guān)”(on-off)活性是通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄來(lái)建立的，即通過(guò)調(diào)節(jié)mRNA的合成來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)系統(tǒng)處于“off”狀態(tài)時(shí)可能是本底水平的基因表達(dá)，常常是每世代每個(gè)細(xì)胞合成12個(gè)mRNA分子和極少量的蛋白質(zhì)分子。必須

9、明白所謂“關(guān)”實(shí)際的意思是基因表達(dá)量特別低，或者無(wú)法檢測(cè)。原核基因表達(dá)調(diào)控的基本類型： 1、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 起始階段-主要 延伸階段-通常不受調(diào)控 終止階段-可能受到調(diào)控2、翻譯水平的調(diào)控 主要發(fā)生在起始和終止階段二、操縱子(operon) 1961年 Jacob and Monod -乳糖操縱子模型 細(xì)菌轉(zhuǎn)錄調(diào)控的最初概念（一） 概念： 在原核生物中，若干結(jié)構(gòu)基因可串聯(lián)在一起，其表達(dá)受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控，這種基因的組織形式稱為操縱子。lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI（二）類型與結(jié)構(gòu) 不同的操縱子結(jié)構(gòu)區(qū)（結(jié)構(gòu)基因串）不同，調(diào)控區(qū)（P-O）也不一樣，因而調(diào)控的方式也不

10、完全相同，據(jù)操縱子對(duì)于能調(diào)節(jié)它們表達(dá)的小分子應(yīng)答的性質(zhì)可將操縱子分為二大類。（1）可誘導(dǎo)的操縱子(inciduble operon)加入調(diào)節(jié)小分子開(kāi)啟基因轉(zhuǎn)錄活性，這種作用及其過(guò)程稱誘導(dǎo)(induction)產(chǎn)生誘導(dǎo)作用的小分子稱誘導(dǎo)物(inducer)。誘導(dǎo)物一般為操縱子編碼的酶蛋白分解的底物。如：乳糖操縱子（乳糖）。（2）可阻遇的操縱子(repressible operon)加入調(diào)節(jié)小分子，關(guān)閉基因轉(zhuǎn)錄活性這種作用及過(guò)程稱阻遏(repression)，產(chǎn)生阻遏的小分子物質(zhì)稱輔阻遏物(corepressor)。輔阻遏物一般為操縱子編碼的酶合成的物質(zhì)（產(chǎn)物）如：色氨酸操縱子（色氨酸）。（三）操

11、縱子(operon)的基本組成結(jié)構(gòu)基因、調(diào)節(jié)基因、操縱元件（操縱基因）、啟動(dòng)子、終止子lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacIlacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI三、乳糖操縱子（一）組成：5種元件由1個(gè)調(diào)節(jié)基因，3個(gè)結(jié)構(gòu)基因、操縱基因（控制元件）、啟動(dòng)子和終止子組成。1、結(jié)構(gòu)基因（1）lacZ：編碼b 半乳糖苷酶 （使乳糖水解）（2）lacY：編碼b 半乳糖苷透過(guò)酶 （使b 半乳糖苷透過(guò)細(xì)胞壁、質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)）（3）lacA：編碼b 半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶 （將乙?；D(zhuǎn)移到b 半乳糖苷上）2、啟動(dòng)子： Plac：控制 lacZ, lacY, lacA；多順?lè)?/p>

12、子的mRNA3、終止子4、調(diào)節(jié)基因lacI：編碼阻遏蛋白（repressive protein）亞基 四聚體存在時(shí)具有活性，與 Olac具有 很強(qiáng)的親和力lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI5、控制元件 操縱基因Olac （1）28bp的回文結(jié)構(gòu)，可形成十字形結(jié)構(gòu) （2）這種結(jié)構(gòu)正好與由四個(gè)相同亞基組成的阻遏 蛋白相匹配。lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacIPlac / RNA polymeraseOlac / repressor-50-30-1010130-20-4020mRNAstartpoint（二）乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控培養(yǎng)基不含乳糖 lacZ、

13、 lacY 、 lacA低表達(dá)（二）乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控1、阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合2、阻礙了RNA聚合酶與啟動(dòng)子Plac的結(jié)合 3、轉(zhuǎn)錄不能進(jìn)行4、lacZ， lacY 、lacA低表達(dá)lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacImRNA Inducer（異構(gòu)乳糖）lactose分解lactose（三）乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)培養(yǎng)基含乳糖 -lacZ 等高表達(dá)（三）乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)1、阻遏蛋白與異構(gòu)乳糖結(jié)合2、阻遏蛋白構(gòu)象變化，不能與操縱子序列結(jié)合3、RNA聚合酶與lac啟動(dòng)子結(jié)合4、lacZ， lacY ， lacA的轉(zhuǎn)錄可順利進(jìn)行本底水平的組成性表達(dá)無(wú)誘導(dǎo)物存在時(shí)仍有少

14、量lac mRNA合成五、色氨酸操縱子（了解）調(diào)節(jié)基因（一）組成1、結(jié)構(gòu)基因（1）基因E、D、C、B、A（2）編碼色氨酸合成所需要酶類 （3）頭尾相接串連排列組成結(jié)構(gòu)基因群（4）組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元（5）多順?lè)醋觤RNA2、調(diào)節(jié)基因trpR（1）位置:遠(yuǎn)離P-結(jié)構(gòu)基因群（2）編碼調(diào)控蛋白R(shí)（3）R沒(méi)有與操縱元件結(jié)合的活性（4）當(dāng)環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時(shí)，R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化（5）R與特異性結(jié)合，抑制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄3、操縱元件（1）18bp的回文結(jié)構(gòu)（2）與色氨酸啟動(dòng)子Ptrp序列在21 and +3 堿基之間重疊（3）與Trp-R特異性結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象：培養(yǎng)基中Trp 濃

15、度較低時(shí)- 基因E、D、C、B、A高表達(dá) Trp 濃度較高時(shí)- 基因E、D、C、B、A低表達(dá)（二）色氨酸操縱子與轉(zhuǎn)錄調(diào)控Trp操縱元與負(fù)控阻遏系統(tǒng)1、Trp操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)（一）（1）培養(yǎng)基中Trp 濃度較低（2）調(diào)控蛋白R(shí)不能被活化（3）未活化的調(diào)控蛋白R(shí)不能與操縱元件結(jié)合（4）基因E、D、C、B、A高表達(dá)Trp操縱元與負(fù)控阻遏系統(tǒng)Trp2、Trp操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)（二）（1）培養(yǎng)基中Trp 濃度較高（2）調(diào)控蛋白R(shí)與Trp結(jié)合（3）Trp-R復(fù)合物與操縱子結(jié)合（4）基因E、D、C、B、A低表達(dá)（三）色氨酸操縱元總結(jié)1、通常是開(kāi)放轉(zhuǎn)錄的，有效應(yīng)物（色氨酸為阻遏物）作用時(shí)則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。

16、2、負(fù)性調(diào)控的、可阻遏的操縱子3、色氨酸可以作為共阻抑物起作用，并通過(guò)終產(chǎn)物抑制自身的合成（負(fù)反饋調(diào)節(jié)）。4、細(xì)菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都屬于這種類型，其調(diào)控可使細(xì)菌處在生存繁殖最經(jīng)濟(jì)最節(jié)省的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)觀察表明： 當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度、但還沒(méi)有高到能夠活化R使其起阻遏作用的程度時(shí)，產(chǎn)生色氨酸合成酶類的量已經(jīng)明顯降低，而且產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)。這種調(diào)控現(xiàn)象與色氨酸操縱子特殊的結(jié)構(gòu)-衰減子有關(guān)。一、特點(diǎn) 1、多層次 2、無(wú)操縱子和衰減子 3、個(gè)體發(fā)育復(fù)雜 4、受環(huán)境影響較小激素水平和發(fā)育階段是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段， 其調(diào)控最大特點(diǎn)是遺傳程序調(diào)控。 真核生物基因表達(dá)的調(diào)控二、真核生物

17、基因表達(dá)調(diào)控的層次：1、DNA水平調(diào)節(jié)2、 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)3、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)4、翻譯水平調(diào)節(jié)5、翻譯后加工的調(diào)節(jié)DNA轉(zhuǎn)錄初產(chǎn)物RNAmRNA蛋白質(zhì)前體mRNA降解物活性蛋白質(zhì)DNA水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)翻譯調(diào)節(jié)mRNA降解的調(diào)節(jié)翻譯后加工的調(diào)節(jié)核細(xì)胞質(zhì)調(diào)控主要水平是轉(zhuǎn)錄水平。其次為轉(zhuǎn)錄后水平、DNA水平、翻譯及翻譯后水平等。第二十三章重組DNA技術(shù) 一、重組DNA（ 基因克隆、分子克?。?通過(guò)體外重組技術(shù),將一段目的DNA經(jīng)切割、連接插入適當(dāng)載體，并導(dǎo)入受體細(xì)胞，擴(kuò)增形成大量子代分子的過(guò)程?；蚩寺〉暮诵?體外重組(Recombination) 人工將一段目的DNA插入一個(gè)載體的過(guò)程。載體DNA（vector）目的DNA（target fragment）重組DNA（recombinant DNA ）宿主（host）篩選、擴(kuò)增克?。╟lone）二、DNA克隆的路線DNA 重組轉(zhuǎn)化重組DNA操作一般步驟：（1）獲得目的基因；（2）與克隆載體連接，形成新的重組DNA分子；（3）用重組DNA分子轉(zhuǎn)化受體細(xì)胞，并能在受體細(xì)胞中復(fù)制和遺傳；（4）對(duì)轉(zhuǎn)化子篩選和鑒定；（5）對(duì)獲得外源基因的細(xì)胞或生物體通過(guò)培養(yǎng)，獲得所需的遺