生物基因表達(dá)調(diào)市公開(kāi)課一等獎(jiǎng)百校聯(lián)賽優(yōu)質(zhì)課金獎(jiǎng)名師賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第五章：生物基因表示調(diào)控1/70主要內(nèi)容一、基因表示調(diào)控基本概念：二、基因表示調(diào)控理論與模式；三、真核生物基因調(diào)控表示特異性；2/70一、基因表示調(diào)控基本概念：1、基因表示調(diào)控意義：原核生物對(duì)環(huán)境適應(yīng)、對(duì)營(yíng)養(yǎng)條件改變適應(yīng)相關(guān)應(yīng)答，都是基因表示結(jié)果；真核生物細(xì)胞分化,組織特化,個(gè)體發(fā)育以及環(huán)境對(duì)個(gè)體表型影響都是經(jīng)過(guò)基因表示實(shí)現(xiàn)。2、基因表示調(diào)控方式：transcriptionallevel；post—transcriptionallevel；translationallevel；post—translationallevel。3/703、遺傳信息表示方式

組成型表示（constitutiveexpression）Housekeepinggene適應(yīng)性表示(adaptiveexpression）Luxurygene4/70

指其表示幾乎不隨環(huán)境變動(dòng)而改變一類(lèi)基因表示。該類(lèi)型基因通常被稱(chēng)為管家基因(housekeepinggene)。2）、適應(yīng)性表示：指環(huán)境改變輕易使其表示水平變動(dòng)一類(lèi)基因表示。應(yīng)環(huán)境條件改變，基因表示水平增高現(xiàn)象稱(chēng)為誘導(dǎo)(induction)，這類(lèi)基因被稱(chēng)為可誘導(dǎo)基因(induciblegene)。假如某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生某種酶來(lái)分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物。（分解代謝）1）、組成性表示：

5/70隨環(huán)境條件改變而基因表示水平降低現(xiàn)象稱(chēng)為阻遏(repression)，對(duì)應(yīng)基因被稱(chēng)為可阻遏基因(repressiblegene)。假如某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生與該物質(zhì)合成相關(guān)酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。（合成代謝）撫慰誘導(dǎo)物：假如某種物質(zhì)能夠誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生某種酶而本身又不被分解，這種物質(zhì)被稱(chēng)為撫慰誘導(dǎo)物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。6/704、順式作用(cis-acting)元件：指在原位發(fā)揮調(diào)控作用，僅影響與其相連基因表示一段DNA序列。經(jīng)常與開(kāi)啟子相鄰一個(gè)順式作用元件稱(chēng)為操縱基因(Operator)，它是調(diào)控蛋白：阻遏蛋白或激活蛋白結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)阻遏蛋白（或激活蛋白）和操縱基因結(jié)合時(shí)，就會(huì)阻止（或激活）RNA聚合酶開(kāi)啟轉(zhuǎn)錄，操縱基因下游結(jié)構(gòu)基因表示會(huì)所以被關(guān)閉（或開(kāi)放）。7/705、結(jié)構(gòu)基因(Structuralgene)和調(diào)控基因(Regulatorgene)概念。結(jié)構(gòu)基因：編碼蛋白質(zhì)或RNA任何基因。包含結(jié)構(gòu)蛋白、含有催化活性酶等。調(diào)控基因：是編碼調(diào)控蛋白基因，該蛋白能夠調(diào)控其它基因表示。8/706、調(diào)控關(guān)鍵是調(diào)控蛋白質(zhì)與順式作用元件結(jié)合來(lái)調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄。這種相互作用能夠經(jīng)過(guò)兩種方式進(jìn)行：正(Positive)轉(zhuǎn)錄調(diào)控：假如在沒(méi)有調(diào)整蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是關(guān)閉，加入這種調(diào)整蛋白質(zhì)后基因被轉(zhuǎn)錄表示，這么調(diào)控是正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。該調(diào)整蛋白稱(chēng)為激活蛋白。負(fù)(Negative)轉(zhuǎn)錄調(diào)控：在沒(méi)有調(diào)整蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表示，加入這種調(diào)整蛋白質(zhì)后基因表示活性便被關(guān)閉，這么調(diào)控稱(chēng)為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。該調(diào)整蛋白稱(chēng)為阻遏蛋白。9/70一）、transcriptionallevelcontrol

Prok.operonstringentresponse應(yīng)急反應(yīng)attenuator衰減子1、Operoncontrol

(1961Jacob.&Monod.)二、基因表示調(diào)控理論與模式10/70●各結(jié)構(gòu)基因按一定百分比協(xié)調(diào)翻譯(Z:Y:A=5:2:1)●

P&O基因(cis)緊密連鎖或彼此重合●I基因(trans)位點(diǎn)不固定，編碼一個(gè)反式作用因子，能夠調(diào)控Z、Y、A結(jié)構(gòu)基因表示。含自己開(kāi)啟子和終止子。1）、operonconcept●定義：是基因表示協(xié)調(diào)單位，由開(kāi)啟子、操縱基因及其所控制一組功效上相關(guān)結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)整基因產(chǎn)物控制。LacoperonIpoZYA比如：特點(diǎn)：11/702）、operoncontroltype

Negative&Positive

IgeneNeg.Pos.不加入I基因產(chǎn)物operonon加入I基因產(chǎn)物operonoff不加入I基因產(chǎn)物operonoff加入I基因產(chǎn)物operonon

repressor

NegativePositiveexpressor(apoinducer)無(wú)輔基誘導(dǎo)物（激活蛋白）（阻遏蛋白）（阻遏蛋白）（激活蛋白）12/70●

Negativecontrol普通是原核生物利用調(diào)控方式，使原核生物更加好適應(yīng)外界營(yíng)養(yǎng)條件改變?！?/p>

Positivecontrol普通是真核生物喜歡利用調(diào)控方式。是一個(gè)靈活，嚴(yán)格，經(jīng)濟(jì)調(diào)控機(jī)制●

RepressorbindingonOsiteExpressorbindingfrontpsite阻止轉(zhuǎn)錄開(kāi)啟激活轉(zhuǎn)錄開(kāi)啟阻遏蛋白激活蛋白13/703）、Model●

SignalmolecularbeneededforbothtypesAddsignalmol.

OperononAddsignalmol.

OperonoffCo-repressorInducer(inducibleoperon)(repressibleoperon)（輔阻遏物）（誘導(dǎo)物）14/70負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)負(fù)控誘導(dǎo)調(diào)整負(fù)控阻遏調(diào)整調(diào)整基因產(chǎn)物是阻遏蛋白（repressor）阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合，使阻遏蛋白失活，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合，使阻遏蛋白產(chǎn)生活性，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)正控阻遏調(diào)整正控誘導(dǎo)調(diào)整調(diào)整基因產(chǎn)物是激活蛋白（activator）。效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）存在使失去活性激活蛋白處于活性狀態(tài)；效應(yīng)物分子（輔阻遏物）存在使有活性激活蛋白處于非活性狀態(tài)。原核生物基因表示調(diào)控方式：15/70Operoncontrolmodel16/70A、Negative—inducibleoperon例(分解酶類(lèi)lactoseoperon)

Igene

activerepressorIbindingonOperator38kd/monomertetramer152kd比如：在Lactoseoperon中17/70大腸桿菌乳糖操縱子結(jié)構(gòu)：18/70Z：編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖（β1，4糖苷鍵）水解成葡萄糖和半乳糖Y：編碼β-半乳糖苷透過(guò)酶：使外界β-半乳糖苷（如乳糖）能透過(guò)大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。A：編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶A上乙?；D(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。19/70Ogene(operator)cis-actionfactormRNAstartpointunwinding

RNApolymerasebindingRepressorbindingO&Poverlap

repressor&RNApolymerasebindatsitesthatoverlaparoundthestartpointofLacoperonrepressor&RNApolymerase對(duì)重合位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)20/70---調(diào)控機(jī)理Inducer(lactose)與repressor特異結(jié)合作用于O

位點(diǎn)上repressor

變構(gòu)

脫離O位作用于游離repressor無(wú)誘導(dǎo)劑時(shí)：repessortetramer與operator發(fā)生特異結(jié)合

operonoff

變構(gòu)

失去結(jié)合于O位能力當(dāng)培養(yǎng)基中有誘導(dǎo)劑時(shí)：21/70調(diào)控機(jī)理22/70調(diào)控機(jī)理23/70葡萄糖對(duì)lac操縱子影響假如將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導(dǎo)；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會(huì)誘導(dǎo)lac操縱子表示分解乳糖所需三種酶。該現(xiàn)象稱(chēng)為葡萄糖效應(yīng)其原因是代謝物阻遏效應(yīng)。24/70B、Negative—repressibleoperon(合成酶類(lèi))tryptophansyntheaseoperonRgene

inactiverepressorCo-repressor(tryptophan)色氨酸是一系列酶促反應(yīng)終產(chǎn)物輔阻遏物25/70trpRPOEDCBAtrpRPOEDCBAtryptophan調(diào)控機(jī)理Operatoroperonoffoperononrepressor+trpactiverepressorRepressor(inactive)cannotbindontheOsite(trpabsent)26/70InactiveexpressoractiveexpressorC、Positive—inducibleoperon(多為分解酶類(lèi))I

inactiveexpressoroperonoffinduceractiveexpressorbindingonfrontPsite激活RNApolymerase開(kāi)啟（失活激活蛋白）27/70e.g.cAMPcontrol

(universalcontrollingsystem)LacoperonopenbutnotranscriptsGlucoseWhy?LactoseE.coli當(dāng)大腸桿菌在培養(yǎng)基中發(fā)現(xiàn)葡萄糖和乳糖時(shí)，它分解利用葡萄糖，而抑制乳糖利用。這種選擇是經(jīng)過(guò)阻止包括乳糖操縱子、半乳糖操縱子和阿拉伯糖操縱子等表示來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種作用被稱(chēng)為代謝產(chǎn)物阻遏(Cataboliterepression)作用。28/70ATPpppcAcAMPpcA5’-AMPpcAI(capgene)(catabilitegeneactivatorprotein)+細(xì)胞中葡萄糖水平低，較低葡萄糖代謝中間產(chǎn)物L(fēng)ac.OperonIPO腺苷酸環(huán)化酶激活細(xì)胞中葡萄糖水平升高,較高葡萄糖代謝中間產(chǎn)物激活磷酸二酯酶二聚體激活聚合酶29/70

cAMP—CAP含有廣泛生理效應(yīng)正控制系統(tǒng)存在于各種基因表示調(diào)控體系中LacoperonexpressioncAMP(Positive-inducible)lactose(Negative-inducible)30/70activeexpressorcoexrepressorD、Positive—repressiblecontrolI

activeexpressor(apoinducer)

operononCo-repressorInactiveexpressoroperonoff（正控阻遏調(diào)整）31/702、stringentresponsecontrol1）、基本概念

應(yīng)急反應(yīng)(Stringentresponse)：細(xì)菌處于極差生長(zhǎng)條件下，因?yàn)槿狈ψ銐虬被幔鞍踪|(zhì)合成受到抑制，因而細(xì)菌會(huì)關(guān)閉大量代謝過(guò)程，這就是應(yīng)急反應(yīng)或應(yīng)急調(diào)控。

stringentresponse

是對(duì)任何氨基酸饑餓時(shí)表現(xiàn)一個(gè)廣泛調(diào)整機(jī)制。32/70

stringentresponsecontrol2）、相關(guān)因子

stringentfactor(Relgene）

pyrophosphatetransferase（焦磷酸轉(zhuǎn)移酶）Rel+stringentfactorunchargedtRNAinAsite(P)PPGATPAMPppGpppppGpp10

up

應(yīng)急反應(yīng)底觸發(fā)：細(xì)胞核糖體A位點(diǎn)上空載tRNA增多。33/70signalmolecularppGpp+RNApolRNApol.不易變構(gòu)聚合酶不能識(shí)別大部分開(kāi)啟子造成大部分基因轉(zhuǎn)錄停頓。34/70當(dāng)細(xì)菌生存條件恢復(fù)正常時(shí)，一種名為spoT基因編碼降解ppGpp酶。它能以約20秒半衰期快速將ppGpp（pppGpp）降解；

應(yīng)急反應(yīng)能隨著(p)ppGpp消失很快逆轉(zhuǎn)；應(yīng)急反應(yīng)消除：35/704、Attenuatorcontrol1)discovery●

E.colitrpsynthetaseoperon(

CharlesYanofskystanford.U)Negative—repressibleoperon

但還發(fā)覺(jué)了另外一個(gè)奇怪現(xiàn)象？？IPOleadingseq.EDCBAtrp+（弱化子）36/70●

leadingsequence中存在精細(xì)微調(diào)機(jī)制I+;operonoffE酶活低iC;operononE酶活高(~70倍)trpa+與trpa-

E酶活差異(~10倍)在于Leadingseq.IpoL.S.EDCBAgenotypeI+iCtrpa+0.1711.8trpa-1.82100Whenrichtrp測(cè)定E酶活Controlstheoperonovera700-foldrangefromfullinactivetofullactive37/70S.D.Seq14aminoacidleaderpeptidestopUGAtrpE2)trpoperonRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)分析162堿基withpoly(U)；27—68base

ORFof14aa;trphighfrequencywith1/7in14aa(2個(gè)）；1141211261341402768Trp1/7整個(gè)一級(jí)序列能夠分為四段（1、2、3、4區(qū)），其中1、2區(qū)，3、4區(qū)以及2、3區(qū)能夠形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)。38/701-2/3-42-339/70因?yàn)門(mén)rp缺乏，核糖體停留在1區(qū)，造成2、3區(qū)配對(duì)，RNA聚合酶能夠越過(guò)4區(qū)，進(jìn)入結(jié)構(gòu)基因翻譯。3)調(diào)控機(jī)制Trp較豐富，核糖體很快進(jìn)入2區(qū)，造成3、4區(qū)配對(duì)，形成終止子結(jié)構(gòu)，RNA聚合酶脫落下來(lái)，合成140堿基RNA40/704)Attenuatorcontrol生物學(xué)意義原核生物細(xì)致精細(xì)調(diào)控機(jī)制，增強(qiáng)原核生物對(duì)環(huán)境適應(yīng)性衰減作用約10倍作用于轉(zhuǎn)錄物。在缺乏色氨酸時(shí)，全部RNA聚合酶都經(jīng)過(guò)衰減子繼續(xù)參加轉(zhuǎn)錄。加上取消阻遏增加約70倍表示，缺乏色氨酸時(shí)，色氨酸操縱子表示量增強(qiáng)約700倍。41/705、σ因子更換

在E.coli中,當(dāng)細(xì)胞從基本轉(zhuǎn)錄機(jī)制轉(zhuǎn)入各種特定基因表示時(shí)，需要不一樣因子指導(dǎo)RNA聚合酶與各種開(kāi)啟子結(jié)合。42/70大腸桿菌中各種σ因子比較σ因子編碼基因主要功效σ70rpoD參加對(duì)數(shù)生長(zhǎng)久和大多數(shù)碳代謝過(guò)程基因調(diào)控σ54rpoN參加多數(shù)氮源利用基因調(diào)控σ38rpoH分裂間期特異基因表示調(diào)控σ32rpoS熱休克基因表示調(diào)控σ28rpoF鞭毛趨化相關(guān)基因表示調(diào)控σ24rpoE過(guò)分熱休克基因表示調(diào)控43/70溫度較高,誘導(dǎo)產(chǎn)生各種熱休克蛋白由σ32參加組成RNA聚合酶與熱休克應(yīng)答基因開(kāi)啟子結(jié)合,誘導(dǎo)產(chǎn)生大量熱休克蛋白,適應(yīng)環(huán)境需要44/70二）、Translationallevelcontrol1.重合基因?qū)peron內(nèi)各基因以一定百分比協(xié)調(diào)翻譯影響：

Trp操縱子五個(gè)基因在正常時(shí)，翻譯效率是相等；

因?yàn)镋和D基因有部分重合，能夠確保E和D基因翻譯量是相等。POIEDCBA

UGAAUG

UGAAUG45/703.InformasomemRNA+本身翻譯產(chǎn)物infomasome儲(chǔ)存信息綿羊受精卵第四次卵裂前核基因不轉(zhuǎn)錄，利用卵細(xì)胞質(zhì)中儲(chǔ)存mRNA完成細(xì)胞分裂2.利用稀有密碼子對(duì)操縱子中基因翻譯進(jìn)行調(diào)控

對(duì)蛋白質(zhì)翻譯速率調(diào)控------------N’NN’--------codonusage低tRNA少，停工待料，翻譯速率慢46/704.mRNA壽命對(duì)翻譯調(diào)整

●原核生物中mRNA半衰期較短，普通為2-3分鐘

（頻繁更新，適應(yīng)環(huán)境）

●真核生物中不一樣基因mRNA半衰期相差很大降解速率顯著不一樣

47/70三）、Geneexpressioncontrolinpost-translationlevel1）、蛋白質(zhì)合成方式---游離核糖體

InEuk.---核糖體附著在粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(roughendoplasmicreticulumRER)蛋白質(zhì)合成擴(kuò)散在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)進(jìn)入cis-Golgibodyinter-golgibody選擇，加工，分泌，擴(kuò)散tran-golgibody合成蛋白質(zhì)高爾基體中間高爾基體反面原核生物：48/702.proteindegradation1）、proteindegradation調(diào)控是生理代謝需要各類(lèi)蛋白半衰期幾乎恒定e.g.inlivercellofmouseOrnithinedecarboxylase0.2hrRNApolA0.33hrTrpoxygenase2.5hrsSerdehydrogenase4.0hrsRNApolB12hrs結(jié)構(gòu)蛋白，儲(chǔ)備蛋白半衰期長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定催化酶類(lèi)，代謝酶類(lèi)半衰期短，不停更新（鳥(niǎo)苷酸脫羧酶）加氧酶脫氫酶49/702)蛋白質(zhì)降解機(jī)制本身結(jié)構(gòu)，電荷情況泛素標(biāo)簽，降解標(biāo)志（Ubiquitination）---Ubiquitin8.5kd,76aa,acidicprotein；

---其功效是檢測(cè)、識(shí)別抵達(dá)壽命蛋白；---進(jìn)化高度保守

yeast----3aadifferent---human---E1,E2,E3enzymebeneededforubiquitination知之甚少，只知與蛋白質(zhì)以下情況相關(guān)：泛素特點(diǎn)：50/70OUbi.~Lys—C—OHE1-SH+ATPE2—SHOUbi.~Lys—C—S—E1OUbi.~Lys.—C—S--E2AMP+ppiE1—SHUbiquitination51/70OUbi.~Lys.—C—S--E2targetingprotein(E3對(duì)靶蛋白N-endaa識(shí)別)Degradation

Ubi.~Lys.—targetingproteinE2—S蛋白酶體52/70被E3識(shí)別N-endaamarkeroftargetingprotein

Met,Gly,Ala,Ser,Thr,Val>20hrs(穩(wěn)定因子)

Ile,Glu~30’(不穩(wěn)定因子)Gln~10’

Leu,Phe,Asn,Lys~3’(極不穩(wěn)定因子)Arg~2’Pro~7’N-endaaoftargetingproteinhalf—life-N端氨基酸種類(lèi)對(duì)蛋白質(zhì)壽命決定性，從原核到真核生物高度一致；－－N末端氨基酸種類(lèi)決定了細(xì)胞中蛋白質(zhì)壽命：原因：該氨基酸決定了被E3識(shí)讀結(jié)合難易程度；53/703.Polypeptidesfolding中心法則留下又一“發(fā)展領(lǐng)域”polypeptides?DNARNAprotein(怎樣完成修飾，折疊，去折疊，組裝)54/701）、insulinHowtoprocess&fold?30aa21aa55/70SHSHSHSHCCCCCOO_SHSH

NCCS.S.Pre-pro-insulinSSSSCCCCCOO_SSCCS-SPro-insulin

NSSSSCCCCCOO_CCSSS-SinsulinN信號(hào)序列56/70三、真核生物基因表示調(diào)控特殊類(lèi)型（一）genecopies改變a)基因丟失（DNAfragmentorchromosomelose）在細(xì)胞分化過(guò)程中，能夠經(jīng)過(guò)丟失掉一些基因而去除這些基因活性。一些原生動(dòng)物、昆蟲(chóng)和甲殼類(lèi)動(dòng)物在個(gè)體發(fā)育中，許多體細(xì)胞經(jīng)常丟失掉整條或部分染色體，只有未來(lái)分化產(chǎn)生生殖細(xì)胞那些細(xì)胞一直保留著整套染色體。當(dāng)前，在高等真核生物（包含動(dòng)物、植物）中還未發(fā)覺(jué)類(lèi)似基因丟失現(xiàn)象。57/70b)基因擴(kuò)增(特定基因在特定階段選擇性擴(kuò)增)基因擴(kuò)增是指一些基因拷貝數(shù)專(zhuān)一性增大現(xiàn)象，它使得細(xì)胞在短期內(nèi)產(chǎn)生大量基因產(chǎn)物以滿足生長(zhǎng)發(fā)育需要，是基因活性調(diào)控一個(gè)方式。如非洲爪蟾體細(xì)胞中rDNA基因擴(kuò)增是因發(fā)育需要而出現(xiàn)基因擴(kuò)增現(xiàn)象。58/70（二）、

轉(zhuǎn)錄區(qū)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)基因表示控制按功效狀態(tài)不一樣可將染色質(zhì)分為常染色質(zhì)和異染色質(zhì)；常染色質(zhì)是指含有轉(zhuǎn)錄活性染色質(zhì)；異染色質(zhì)是指沒(méi)有轉(zhuǎn)錄活性染色質(zhì)。常染色質(zhì)往往含有疏松染色質(zhì)結(jié)構(gòu)從而便于轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子與順式調(diào)控元件結(jié)合，同時(shí)，有利于RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄模板上滑動(dòng)。59/70常染色質(zhì)在結(jié)構(gòu)上特點(diǎn)：常染色質(zhì)上含有DNaseI超敏感位點(diǎn)；常性染色質(zhì)上含有基因座控制區(qū)；常性染色質(zhì)上含有核基質(zhì)結(jié)合區(qū)（MAR序列）。60/701、DNaseI超敏感位點(diǎn)：每個(gè)活躍表示基因都有一個(gè)或幾個(gè)超敏感位點(diǎn)，大部分位于基因開(kāi)啟子區(qū)域。2、核