基因的表達調(diào)控原核精簡詳解演示文稿

基因的表達調(diào)控原核精簡版詳解演示文稿本文檔共125頁；當前第1頁；編輯于星期六\2點28分優(yōu)選基因的表達調(diào)控原核精簡版本文檔共125頁；當前第2頁；編輯于星期六\2點28分第一節(jié)基因表達調(diào)控概述1.1基因表達調(diào)控的概念1.2基因表達調(diào)控的元件和作用方式1.3基因表達調(diào)控的策略概述本文檔共125頁；當前第3頁；編輯于星期六\2點28分1.1基因表達調(diào)控的概念基因表達(geneexpression)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。本文檔共125頁；當前第4頁；編輯于星期六\2點28分真核細胞基因表達本文檔共125頁；當前第5頁；編輯于星期六\2點28分基因表達調(diào)控的必要性細菌基因組一般編碼約4,000個基因，人的基因組中含有30,000多個基因。設(shè)想一下如果這么多的基因同時表達會出現(xiàn)什么樣的情況?本文檔共125頁；當前第6頁；編輯于星期六\2點28分細菌中蛋白質(zhì)合成的延伸因子是細菌中最豐富的蛋白血紅蛋白只在紅細胞中存在DNA修復系統(tǒng)的酶需要量很少有些基因(如決定細胞性質(zhì)的基因)只在某一些或幾個細胞中表達本文檔共125頁；當前第7頁；編輯于星期六\2點28分發(fā)育調(diào)節(jié)基因bithorax表達模式的改變結(jié)果果蠅發(fā)育中基因的正常表達改變的結(jié)果本文檔共125頁；當前第8頁；編輯于星期六\2點28分Hutchinson-Gilfordsyndrome本文檔共125頁；當前第9頁；編輯于星期六\2點28分本文檔共125頁；當前第10頁；編輯于星期六\2點28分本文檔共125頁；當前第11頁；編輯于星期六\2點28分agWildtype本文檔共125頁；當前第12頁；編輯于星期六\2點28分1.2基因表達調(diào)控的元件和作用方式持家基因，看家基因，組成型表達基因，常備基因。理論上在所有的細胞中都能進行正常表達，并為所有類型細胞的生命活動提供基本功能的基因，其產(chǎn)物在不同細胞中的濃度大體保持一致，不易受環(huán)境條件的影響。有其機密的調(diào)控機制以保持基因的表達水平保持在恒定狀態(tài)。本文檔共125頁；當前第13頁；編輯于星期六\2點28分奢侈基因(luxurygene)又叫可調(diào)節(jié)基因，是在特殊的細胞類型中為特化功能蛋白質(zhì)編碼的基因，其表達和調(diào)控機制都受到環(huán)境條件的影響。本文檔共125頁；當前第14頁；編輯于星期六\2點28分奢侈基因(luxurygene)在不同時期和不同條件下基因表達的開啟或關(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的調(diào)控。本文檔共125頁；當前第15頁；編輯于星期六\2點28分基因的阻遏---與誘導相反，某種信號使得基因的表達水平降低(或叫下降、下調(diào))，基因的產(chǎn)物減少。這個過程叫做“阻遏”(repression)?；虻恼T導－指某種信號使得基因的表達水平提高(或叫上升、上調(diào))，基因的產(chǎn)物增多。這個過程叫做“誘導(induction)。本文檔共125頁；當前第16頁；編輯于星期六\2點28分結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)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、細胞骨架結(jié)構(gòu)以及調(diào)節(jié)蛋白等。本文檔共125頁；當前第17頁；編輯于星期六\2點28分調(diào)節(jié)基因(regulatorgene)是參與其他基因表達調(diào)控的基因，編碼的產(chǎn)物是RNA或蛋白質(zhì)。本文檔共125頁；當前第18頁；編輯于星期六\2點28分調(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?？梢允够虻谋磉_上升(正調(diào)控，positiveregulation)或下降(負調(diào)控，negativeregulation)。本文檔共125頁；當前第19頁；編輯于星期六\2點28分激活蛋白(activator)，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。本文檔共125頁；當前第20頁；編輯于星期六\2點28分阻遏蛋白(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。本文檔共125頁；當前第21頁；編輯于星期六\2點28分激活蛋白與阻遏蛋白對結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控本文檔共125頁；當前第22頁；編輯于星期六\2點28分調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的蛋白結(jié)合的DNA序列種類很多，如啟動子、終止子、增強子、衰減子、沉默子和各種應(yīng)答元件等。本文檔共125頁；當前第23頁；編輯于星期六\2點28分正調(diào)控系統(tǒng)在一個基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的體系中，調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白是激活蛋白，這樣的基因表達調(diào)節(jié)體系叫正調(diào)控系統(tǒng)。本文檔共125頁；當前第24頁；編輯于星期六\2點28分在正調(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，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。本文檔共125頁；當前第25頁；編輯于星期六\2點28分負調(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)叫負調(diào)節(jié)系統(tǒng)。但當有誘導物與阻遏蛋白結(jié)合后，阻遏蛋白就會失去活性使結(jié)構(gòu)基因得以轉(zhuǎn)錄。本文檔共125頁；當前第26頁；編輯于星期六\2點28分在負調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，基因一般是不轉(zhuǎn)錄的，因為轉(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。本文檔共125頁；當前第27頁；編輯于星期六\2點28分1.3基因表達調(diào)控的策略概述原核生物的基因表達主要取決于環(huán)境因素的誘導及細胞對環(huán)境條件的適應(yīng)。原核生物是單細胞生物，直接生活在復雜多變的環(huán)境中，食物供應(yīng)毫無保障。本文檔共125頁；當前第28頁；編輯于星期六\2點28分為了維持自身的生存和繁衍，必須不斷地通過對自身基因的表達調(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。本文檔共125頁；當前第29頁；編輯于星期六\2點28分真核生物的基因表達則十分復雜，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較穩(wěn)定的，但它們的絕大多數(shù)都是多細胞的復雜有機體。本文檔共125頁；當前第30頁；編輯于星期六\2點28分真核生物在個體發(fā)育過程中出現(xiàn)細胞分化，形成組織和器官。真核生物中基因表達調(diào)控的明顯特征是能在特定時間和特定細胞中激活特定基因的表達，實現(xiàn)分化和發(fā)育，并使組織和器官保持正常功能。本文檔共125頁；當前第31頁；編輯于星期六\2點28分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。本文檔共125頁；當前第32頁；編輯于星期六\2點28分原核生物的基因表達調(diào)控可以在DNA、轉(zhuǎn)錄和翻譯三個不同的層次上進行，但轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控是最主要的，尤其是轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控，這是最經(jīng)濟最有效的調(diào)節(jié)方式。原核生物的基因表達調(diào)控的主要策略本文檔共125頁；當前第33頁；編輯于星期六\2點28分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)成一個操縱子，一個操縱子中的每個基因都受單一啟動子的調(diào)控。本文檔共125頁；當前第34頁；編輯于星期六\2點28分本文檔共125頁；當前第35頁；編輯于星期六\2點28分1937年，Monod發(fā)現(xiàn)細菌二次生長曲線1951年開始與Jacob合作研究1961年在法國的《分子生物學》發(fā)表《蛋白質(zhì)合成過程中的調(diào)節(jié)機制》，提出操縱子學說。1965年獲得諾貝爾獎本文檔共125頁；當前第36頁；編輯于星期六\2點28分原核細胞的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)。本文檔共125頁；當前第37頁；編輯于星期六\2點28分原核生物中轉(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。本文檔共125頁；當前第38頁；編輯于星期六\2點28分在翻譯水平上的調(diào)控包括通過重疊基因、mRNA二級結(jié)構(gòu)和反義RNA對翻譯起始的調(diào)控，通過稀有密碼子對翻譯延伸的調(diào)控，通過嚴緊反應(yīng)和mRNA的穩(wěn)定性對翻譯終止的調(diào)控等。本文檔共125頁；當前第39頁；編輯于星期六\2點28分真核生物的基因表達調(diào)控的主要策略真核生物的基因表達和調(diào)控要比原核生物復雜得多，產(chǎn)生差異的根本原因在于真核細胞的結(jié)構(gòu)特征。本文檔共125頁；當前第40頁；編輯于星期六\2點28分真核細胞的基因表達調(diào)控有更多的調(diào)控位點本文檔共125頁；當前第41頁；編輯于星期六\2點28分第二節(jié)原核細胞的基因表達調(diào)控原核生物基因表達調(diào)控的幾個重要特點√多組成操縱子進行調(diào)控√以負調(diào)控為主√基因表達調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平本文檔共125頁；當前第42頁；編輯于星期六\2點28分本節(jié)主要內(nèi)容2.1操縱子2.2基因表達的時序調(diào)節(jié)2.3生長速度的調(diào)節(jié)2.4細菌的SOS反應(yīng)2.5翻譯水平的調(diào)控本文檔共125頁；當前第43頁；編輯于星期六\2點28分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的元件組成的一個完整的連續(xù)的功能單位。本文檔共125頁；當前第44頁；編輯于星期六\2點28分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。本文檔共125頁；當前第45頁；編輯于星期六\2點28分調(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聚合酶與啟動子的結(jié)合，從而關(guān)閉結(jié)構(gòu)基因的表達。激活蛋白一般與啟動子上游處的DNA序列結(jié)合，促進RNA聚合酶對結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，本文檔共125頁；當前第46頁；編輯于星期六\2點28分乳糖操縱子（lactoseoperon）調(diào)節(jié)基因LacI，有自己的啟動子和終止子。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個結(jié)構(gòu)基因ZYA本文檔共125頁；當前第47頁；編輯于星期六\2點28分阻遏蛋白與操縱基因的結(jié)合本文檔共125頁；當前第48頁；編輯于星期六\2點28分細菌的二次生長曲線當細菌在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時，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菌的生長有個暫時的停頓。乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn)是從研究細菌的二次生長曲線開始的后來發(fā)現(xiàn)，細菌利用葡萄糖的酶是組成型表達的，而利用乳糖的酶是誘導型的。本文檔共125頁；當前第49頁；編輯于星期六\2點28分細菌分解乳糖的酶是如何被誘導表達的呢沒有乳糖時本文檔共125頁；當前第50頁；編輯于星期六\2點28分細菌分解乳糖的酶是如何被誘導表達的呢？沒有乳糖時有乳糖時*Animation本文檔共125頁；當前第51頁；編輯于星期六\2點28分開啟結(jié)構(gòu)基因的表達，是一個誘導物，但是真正直接起誘導作用的是異乳糖(allolactose)。誘導物（inducer）在乳糖操縱子中，乳糖可以與阻遏蛋白結(jié)合使之失活，本文檔共125頁；當前第52頁；編輯于星期六\2點28分異乳糖的來源：是細菌細胞內(nèi)的β-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。本文檔共125頁；當前第53頁；編輯于星期六\2點28分問題：乳糖操縱子的酶是誘導酶，基因的表達要受到乳糖的誘導才能開始；那么，這一切該如何解釋呢？可是乳糖在細胞外，操縱子在細胞內(nèi)，乳糖要進入細胞內(nèi)才能開始誘導；而乳糖進入細胞內(nèi)需要β-半乳糖苷透性酶的作用，但是β-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的。本文檔共125頁；當前第54頁；編輯于星期六\2點28分當培養(yǎng)基中沒有乳糖時，Lac操縱子也是在表達的，只是水平比較低，其中的β-半乳糖苷每個細胞不多于5個分子。此謂“本底表達”（為誘導水平的1/1000）。這表明，阻遏蛋白對操縱子的阻遏是不完全的，有“滲漏”。乳糖操縱子的本底表達本文檔共125頁；當前第55頁；編輯于星期六\2點28分本底表達的少數(shù)結(jié)構(gòu)基因產(chǎn)物的分子在細胞內(nèi)起著“監(jiān)測”的作用，當細菌遇到誘導物乳糖時，即刻將其運輸?shù)郊毎麅?nèi)，在2-3分鐘內(nèi)細胞內(nèi)的β-半乳糖苷酶就可以達到5000分子/細胞，濃度可以達到細胞內(nèi)蛋白的5-10%，以便細菌迅速利用乳糖。本文檔共125頁；當前第56頁；編輯于星期六\2點28分但是lacmRNA極不穩(wěn)定，半衰期僅有約3分鐘，所以這種誘導能很快逆轉(zhuǎn)。只要誘導物乳糖消失，基因轉(zhuǎn)錄就停止。mRNA在很短的時間內(nèi)被降解，mRNA含量又回落到誘導前的基礎(chǔ)水平。本文檔共125頁；當前第57頁；編輯于星期六\2點28分基因工程中，利用乳糖操縱子來表達外源基因時，一般不是使用乳糖來誘導基因的表達，而是利用一種合成的小分子叫IPTG，不被β-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。本文檔共125頁；當前第58頁；編輯于星期六\2點28分如何解釋葡萄糖效應(yīng)(降解物阻遏)當細菌的培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時，細菌首先利用葡萄糖，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（cataboliterepression）”。如何解釋這種現(xiàn)象呢？本文檔共125頁；當前第59頁；編輯于星期六\2點28分如何解釋“葡萄糖效應(yīng)（降解物阻遏）”？Lac的啟動子比較弱，即使操縱子的阻遏蛋白被去除，Lac操縱子的結(jié)構(gòu)基因也不能進行強烈的表達。結(jié)構(gòu)基因的強烈表達除了要求阻遏蛋白被解除外，還要求有一個促進基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)蛋白CRP。CRP結(jié)合在啟動子的上游，可以使基因的轉(zhuǎn)錄增強50倍。本文檔共125頁；當前第60頁；編輯于星期六\2點28分CRP是cAMPreceptorprotein的縮寫，又叫做CAP（catabolitegeneactivatorprotein）,代謝物基因激活蛋白。CRP的活性由cAMP調(diào)節(jié)。當CRP結(jié)合了cAMP之后具有活性，結(jié)合在操縱子的啟動子上游附近，對下游結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄有增強作用。本文檔共125頁；當前第61頁；編輯于星期六\2點28分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)合部位本文檔共125頁；當前第62頁；編輯于星期六\2點28分CRP(CAP)的二聚體與DNA的相互作用本文檔共125頁；當前第63頁；編輯于星期六\2點28分當細胞利用葡萄糖時，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，細胞內(nèi)的cAMP水平下降，CRP沒有活性，Lac操縱子不能啟動轉(zhuǎn)錄，當葡萄糖水平下降，細菌利用乳糖時，cAMP水平提高，CRP有活性，引起操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。本文檔共125頁；當前第64頁；編輯于星期六\2點28分CRP(CAP)對Lac操縱子的作用本文檔共125頁；當前第65頁；編輯于星期六\2點28分結(jié)論：乳糖操縱子是一個雙因子調(diào)節(jié)系統(tǒng)乳糖操縱子的表達需要2個調(diào)節(jié)蛋白的共同參與，一個是正調(diào)節(jié)蛋白CRP（CAP），一個是負調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白）。當阻遏蛋白解除后,沒有CRP,基因也幾乎不轉(zhuǎn)錄當只有CRP而阻遏蛋白沒有解除時,基因不轉(zhuǎn)錄只有當阻遏解除且CRP存在時，基因才開始轉(zhuǎn)錄本文檔共125頁；當前第66頁；編輯于星期六\2點28分遺傳和生化實驗已證實乳糖操縱子的正確如操縱基因突變，導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”阻遏蛋白基因LacI突變，導致阻遏蛋白失活或缺乏，操縱子的結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄也處于組成型表達狀態(tài)。本文檔共125頁；當前第67頁；編輯于星期六\2點28分還有一種突變，使得阻遏蛋白結(jié)構(gòu)變化，失去與誘導物乳糖的結(jié)合位點，結(jié)果使操縱子處于“不可誘導狀態(tài)”。本文檔共125頁；當前第68頁；編輯于星期六\2點28分受一種調(diào)節(jié)蛋白控制的幾個操縱子構(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)的基因表達控制調(diào)節(jié)手段。本文檔共125頁；當前第69頁；編輯于星期六\2點28分受到降解物阻遏

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“調(diào)節(jié)子”。這樣保證在細胞遇到葡萄糖時，所有分解其他糖的酶都不表達，以免造成浪費。本文檔共125頁；當前第70頁；編輯于星期六\2點28分另外，細菌遇到危機情況下有許多基因表達，以便渡過危機時刻。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。本文檔共125頁；當前第71頁；編輯于星期六\2點28分色氨酸操縱子（Trpoperon）組成和結(jié)構(gòu)：全長約7kb調(diào)節(jié)基因trpR：與結(jié)構(gòu)基因相距較遠，編碼阻遏蛋白

操縱基因：位于結(jié)構(gòu)基因的啟動子內(nèi)部，長21bp

前導序列（leadersequence），162bp，位于結(jié)構(gòu)基因啟動子之后與結(jié)構(gòu)基因之間，對結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄起調(diào)節(jié)作用。

結(jié)構(gòu)基因：5個，負責編碼色氨酸合成途徑中的3個酶。本文檔共125頁；當前第72頁；編輯于星期六\2點28分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“輔阻遏物（co-repressor）”當細菌內(nèi)含有足夠多的色氨酸后，2個分子的色氨酸與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。當細胞內(nèi)的色氨酸缺乏時，阻遏蛋白沒有活性，結(jié)構(gòu)基因開始轉(zhuǎn)錄，細菌開始合成色氨酸。本文檔共125頁；當前第73頁；編輯于星期六\2點28分似乎這個色氨酸操縱子的控制就是這么簡單，但是其實不是。本文檔共125頁；當前第74頁；編輯于星期六\2點28分a當阻遏蛋白沒有活性,結(jié)構(gòu)基因開始轉(zhuǎn)錄時,大部分常常只能轉(zhuǎn)錄出大約140bp的mRNA就停止了后來的實驗發(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。本文檔共125頁；當前第75頁；編輯于星期六\2點28分Trp操縱子的衰減調(diào)控機制前導序列（leadersequence）分為4個部分（1-4）：1為前導區(qū)，編碼一個14肽，其中有2個連續(xù)的trp，前導序列中2和3互補，3和4互補，通過互補，可以形成類似終止序列的結(jié)構(gòu)。本文檔共125頁；當前第76頁；編輯于星期六\2點28分典型的轉(zhuǎn)錄終止信號結(jié)構(gòu)本文檔共125頁；當前第77頁；編輯于星期六\2點28分細胞內(nèi)色氨酸含量高導致結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄終止本文檔共125頁；當前第78頁；編輯于星期六\2點28分細胞內(nèi)色氨酸含量低導致結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄開始Animation*本文檔共125頁；當前第79頁；編輯于星期六\2點28分需要注意的幾個問題1、前導肽的翻譯只有調(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、對結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的控制實際上是通過核糖體在mRNA上停留的位置來實現(xiàn)的。本文檔共125頁；當前第80頁；編輯于星期六\2點28分4、真核細胞中沒有這種衰減調(diào)節(jié)機制，為什么？3、阻遏蛋白的調(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)（細調(diào)），可以使結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的頻率在0－700倍的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，具體大小與細胞內(nèi)色氨酸含量的高低以及與之偶聯(lián)的翻譯過程有關(guān)。本文檔共125頁；當前第81頁；編輯于星期六\2點28分細菌內(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15肽,含有7個phe。Leu操縱子導肽中含有4個連續(xù)的leu。His操縱子含有7個連續(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

本文檔共125頁；當前第82頁；編輯于星期六\2點28分操縱子系統(tǒng)在基因工程中的應(yīng)用由于乳糖操縱子中的結(jié)構(gòu)基因的表達可以通過誘導物對其調(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)基中添加誘導物，外源基因就可以得到表達。本文檔共125頁；當前第83頁；編輯于星期六\2點28分1983年，科學家將細菌乳糖操縱子的啟動子的-10區(qū)和色氨酸操縱子啟動子的-35區(qū)組合起來形成一個“雜合”的啟動子，叫做“tac”，這個雜合的啟動子啟動基因轉(zhuǎn)錄的效率比乳糖啟動子高10倍，比色氨酸啟動子的效率高5倍。同樣受IPTG誘導，被乳糖抑制子所阻遏。操縱子系統(tǒng)在基因工程中的應(yīng)用本文檔共125頁；當前第84頁；編輯于星期六\2點28分科學家們發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的乳糖操縱子一個突變體UV5，不需要激活蛋白CRP，只需要添加誘導物乳糖，結(jié)構(gòu)基因就可以高效大量表達。操縱子系統(tǒng)在基因工程中的應(yīng)用本文檔共125頁；當前第85頁；編輯于星期六\2點28分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有什么不同？)思考題本文檔共125頁；當前第86頁；編輯于星期六\2點28分StructureofEcoliRNApolymerase2.2、基因表達的時序調(diào)節(jié)本文檔共125頁；當前第87頁；編輯于星期六\2點28分回憶：細菌RNA聚合酶中σ因子的作用是什么?E.coli細胞中主要的σ因子稱為σ70，但E.coli中還有另外一些σ因子能夠識別其順序與E.coli的主要啟動子不同的另一些基因的啟動子，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。本文檔共125頁；當前第88頁；編輯于星期六\2點28分因子基因功用-35順序間隔距離-10順序σ70rpoD正常狀態(tài)TTGACA10-18bpTATAATσ32rpoH熱休克CNCTTGAA13-15bpCCCCATNTσErpoE熱休克未知未知未知σ60rpoN氮的利用CTGGNA6bpTTCGAσFfliA鞭毛CTAAA15bpGCCGATAAE.coli的不同σ因子本文檔共125頁；當前第89頁；編輯于星期六\2點28分E.coli的不同σ因子本文檔共125頁；當前第90頁；編輯于星期六\2點28分枯草桿菌的σ因子σ因子來源和用途-35順序-10順序σ43營養(yǎng)生長期TTGACATATAATσ37芽孢形成期應(yīng)用AGGNTTTGGNATTGNTσ32芽孢形成期應(yīng)用AAATCTANTGTTNTAσ29芽孢形成期合成TTNAAACATATTσ28不應(yīng)用于芽孢形成期CTNAAACCGATATgp28SP01中期基因表達AGGAGATTTNTTTgp33-34SP01晚期基因表達CGTTAGAGATATT本文檔共125頁；當前第91頁；編輯于星期六\2點28分噬菌體也使用不同的σ因子來調(diào)節(jié)基因的表達噬菌體侵入細菌后，首先利用自己攜帶的σ28取代細菌的σ因子，合成噬菌體的早期基因；其中就含有另外的一個σ因子，用來開啟中期基因的轉(zhuǎn)錄。本文檔共125頁；當前第92頁；編輯于星期六\2點28分表達的中期基因中含有一個開啟晚期基因表達的σ因子，同時負責開啟中期基因表達的σ因子則被降解。通過這種方式，使得噬菌體的各種基因嚴格按照一定的時間順序表達出來，執(zhí)行生理功能，完成噬菌體的一生。本文檔共125頁；當前第93頁；編輯于星期六\2點28分在以上這些例子中，生物各發(fā)育階段的不同基因的表達啟動是由不同的調(diào)節(jié)蛋白作用于啟動子和終止子來調(diào)節(jié)的早期表達的基因中含有開啟后期基因表達的調(diào)節(jié)蛋白，后期基因的表達又同時關(guān)閉早期基因的表達，從而實現(xiàn)基因的“順序表達”。本文檔共125頁；當前第94頁；編輯于星期六\2點28分2.3生長速度的調(diào)節(jié)細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現(xiàn)的。而蛋白質(zhì)的合成速度決定于細胞中核糖體的數(shù)量。本文檔共125頁；當前第95頁；編輯于星期六\2點28分不同生長速度下大腸桿菌中的某些特征倍增時間/minDNA分子數(shù)/細胞核糖體數(shù)/細胞254.515500502.468001001.742003001.41450本文檔共125頁；當前第96頁；編輯于星期六\2點28分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多個操縱子，他們協(xié)調(diào)表達，使復制、轉(zhuǎn)錄和翻譯過程緊密協(xié)調(diào)，適應(yīng)細胞生長速度的需要。本文檔共125頁；當前第97頁；編輯于星期六\2點28分(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?shù)鞍踪|(zhì)過剩時，它會與自身的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，細胞通過控制rRNA的水平來調(diào)節(jié)生長速度。本文檔共125頁；當前第98頁；編輯于星期六\2點28分(2)嚴謹控制（stringentcontrol）當細菌處于營養(yǎng)缺乏的環(huán)境中時，蛋白質(zhì)合成的原料氨基酸缺乏，這時細胞會關(guān)閉大部分的代謝活動，借以渡過艱難時期，等待環(huán)境營養(yǎng)條件的改善。這種現(xiàn)象叫做“嚴謹控制”。本文檔共125頁；當前第99頁；編輯于星期六\2點28分嚴謹控制的結(jié)果是tRNA和rRNA的合成下降很多（降低10－20倍），但mRNA合成的降低程度較?。s3倍），大大降低細胞的生長速度。本文檔共125頁；當前第100頁；編輯于星期六\2點28分引起嚴謹控制的因素當氨基酸缺乏或氨?；?tRNA合成酶失活，都會引起嚴謹控制生長代謝的反應(yīng)。這時細胞內(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”（magicspots）。又叫“報警素”。本文檔共125頁；當前第101頁；編輯于星期六\2點28分鳥苷四磷酸（ppGpp）本文檔共125頁；當前第102頁；編輯于星期六\2點28分合成這種分子的基因被是relA,產(chǎn)物蛋白質(zhì)叫做“嚴謹控制因子”(stringentfactor,SF)，細胞內(nèi)位于核糖體上。在蛋白質(zhì)合成過程中，空載的tRNA進入核糖體的A位點會激活SF的活性，SF將ATP上的焦磷酸基團轉(zhuǎn)移給GDP形成ppGpp,或轉(zhuǎn)移給GTP形成pppGpp。本文檔共125頁；當前第103頁；編輯于星期六\2點28分嚴謹控制因子SF位于核糖體上，空載的tRNA進入核糖體的A位會激活SF的活性。本文檔共125頁；當前第104頁；編輯于星期六\2點28分報警素ppGpp在細胞內(nèi)的功能報警素是細胞內(nèi)的第二信使，是細胞內(nèi)氨基酸饑餓的信號。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。本文檔共125頁；當前第105頁；編輯于星期六\2點28分細胞內(nèi)還有一種蛋白質(zhì)分子叫做SpoT蛋白，可催化ppGpp的降解。細胞氨基酸饑餓時，SpoT活性被抑制；促進ppGpp的積累；條件恢復正常后，SpoT迅速降解ppGpp，細胞的“氨基酸饑餓警報”解除，細胞恢復正常狀態(tài)。本文檔共125頁；當前第106頁；編輯于星期六\2點28分報警素和cAMP相同，在細胞內(nèi)屬于一種多效的基因表達的超級調(diào)控因子。他們影響調(diào)控的基因數(shù)目是非常多的，不是一個幾個而是一大批，且從不同的水平上進行調(diào)控。本文檔共125頁；當前第107頁；編輯于星期六\2點28分2.4、細菌的SOS反應(yīng)當細菌染色體受到較多的損傷而復制受阻,或核酸合成時缺乏核苷酸等時會引發(fā)細胞的一系列反應(yīng)，叫做SOS反應(yīng)。本文檔共125頁；當前第108頁；編輯于星期六\2點28分這些反應(yīng)包括DNA修復能力增強，誘變率提高、細胞分裂停止等。這時細菌會協(xié)調(diào)體內(nèi)的許多基因活性來應(yīng)付危機,從而渡過難關(guān)。這些眾多基因分布在不同的位置，但屬于同一個調(diào)節(jié)子。因為它們的激活轉(zhuǎn)錄受到調(diào)節(jié)蛋白RecA和LexA的共同調(diào)節(jié)。本文檔共125頁；當前第109頁；編輯于星期六\2點28分細胞中正常狀態(tài)下參與SOS反應(yīng)的基因是不表達的，他們被阻遏蛋白LexA所阻遏本文檔共125頁；當前第110頁；編輯于星期六\2點28分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。recA受到LexA的不完全抑制，細胞內(nèi)有少量的RecA分子。當DNA受到損傷出現(xiàn)的單鏈DNA分子時就可以與之結(jié)合。本文檔共125頁；當前第111頁；編輯于星期六\2點28分這些基因包括紫外線損傷修復基因、單鏈結(jié)合蛋白基因、DNA聚合酶V和VI基因等，這些基因的表達使得細菌對損傷的DNA進行修復（雖然錯誤率較高）、減少代謝、抑制細胞分裂而渡過艱難時候。SOS反應(yīng)屬于細菌大范圍基因調(diào)節(jié)控制的例子。本文檔共125頁；當前第112頁；編輯于星期六\2點28分5翻譯水平的調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄形成mRNA后并不一定會翻譯形成相應(yīng)的蛋白質(zhì)，基因的表達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行調(diào)節(jié)的。如乳糖操縱子中3個基因ZYA的表達水平為1：0.2：0.5。本文檔共125頁；當前第113頁；編輯于星期六\2點2