基因的表達和調控

基因的表達和調控基因的表達和調控第1頁概述基因表示調控DNARNA蛋白質復制轉錄翻譯逆轉錄RNA復制基因表示——基因轉錄及翻譯過程。rRNA、tRNA編碼基因轉錄合成RNA過程也屬于基因表示基因的表達和調控第2頁對基因表示過程調整稱為基因表示調控（gene

regulation或genecontrol）?；虮硎痉绞?/p>

組成性表示(constitutiveexpression)

適應性表示(adaptiveexpression）基因的表達和調控第3頁組成性表示：

一些基因在一個個體幾乎全部細胞中連續(xù)表示，通常被稱為看家基因(housekeepinggene)。

組成性基因表示不是一成不變，其表示強弱也受一定機制調控。指不大受環(huán)境變動而改變一類基因表示?；虻谋磉_和調控第4頁

適應性表示

指環(huán)境改變輕易使表示水平變動一類基因表示。適應環(huán)境條件改變基因表示水平增高現(xiàn)象稱為誘導，這類基因被稱為可誘導基因(induciblegene)；隨環(huán)境條件改變而基因表示水平降低現(xiàn)象稱為阻遏，對應基因被稱為可阻遏基因(repressiblegene)。

基因的表達和調控第5頁基因表示規(guī)律——時間性及空間性時間特異性(temporalspecificity)一些基因表示嚴格按特定時間次序生，稱之為基因表示時間特異性。

多細胞生物基因表示時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。

基因的表達和調控第6頁ζ(zeta),ψ(psai)基因的表達和調控第7頁骨髓卵黃囊脾肝臟骨髓基因的表達和調控第8頁空間特異性(spatialspecificity)在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不一樣組織空間次序出現(xiàn)空間特異性又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。同形異位現(xiàn)象:果蠅頭部長觸角部位長出腳來同形異位盒基因(homeobox):高度保守一段核苷酸序列（180bp），控制胚胎發(fā)育基因的表達和調控第9頁基因的表達和調控第10頁基因表示普通規(guī)律：在需要時表示——開(turnon)，不需要時不表示——關(turnoff)。“關”：基因表示量尤其低生物基因表示受著嚴密和準確調控，基因表示調控是生命本質所在，是生物適應環(huán)境生存必定結果?；虻谋磉_和調控第11頁基因表示調控生物學意義適應環(huán)境、維持生長和增殖維持個體發(fā)育與分化基因表示調控步驟：基因活化、轉錄、轉錄后加工、翻譯、翻譯后加工基因的表達和調控第12頁基因的表達和調控第13頁一、原核基因表示調控總論(1)轉錄水平上調控;(2)轉錄后水平上調控;①

mRNA加工成熟水平上調控②

翻譯水平上調控基因的表達和調控第14頁原核生物中，營養(yǎng)情況（nutritionalstatus）和環(huán)境原因（environmentalfactor）對基因表示起著舉足輕重影響。在轉錄水平上對基因表示調控決定于DNA結構、RNA聚合酶功效、蛋白因子及其它小分子配基相互作用。基因的表達和調控第15頁1961年，Monod和Jacob提出操縱子學說FrancisJacob

JacquesMonod

轉錄水平上調控機制：獲1965年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎基因的表達和調控第16頁操縱子：是基因表示調整單位，由開啟子（開啟基因）、操縱區(qū)（操縱基因）及其所控制一組功效上相關結構基因所組成。操縱區(qū)受調整基因產(chǎn)物控制。多個結構基因操縱區(qū)基因的表達和調控第17頁乙?；D移酶半乳糖苷透性酶?-半乳糖苷酶操縱位點乳糖操縱子結構調整基因基因的表達和調控第18頁（1）依據(jù)操縱子對調整蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）應答機制不一樣，可分為：正轉錄調控負轉錄調控

1、原核基因調控分類基因的表達和調控第19頁調整基因操縱基因結構基因激活蛋白正轉錄調控正轉錄調控：調整蛋白是激活蛋白在沒有調整蛋白存在時結構基因是關閉，加入調整蛋白質后基因轉錄被開啟，稱為正轉錄調控?；虻谋磉_和調控第20頁調整基因操縱基因結構基因阻遏蛋白負轉錄調控負轉錄調控：調整蛋白是阻遏蛋白在沒有調整蛋白存在時結構基因是表示，加入調整蛋白質后基因表示被關閉，稱為負轉錄調控?；虻谋磉_和調控第21頁可誘導調整：結構基因在特殊代謝物或化合物作用下，由原來關閉狀態(tài)轉變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)。比如：大腸桿菌乳糖操縱子

結構基因表示還受一些小分子物質（效應物）調控。（2）依據(jù)操縱子對效應物應答機制不一樣，分為可誘導調整和可阻遏調整兩大類：基因的表達和調控第22頁調整基因操縱基因結構基因阻遏蛋白調整基因操縱基因結構基因阻遏蛋白誘導物mRNA酶蛋白可誘導調整某種物質能夠促使細菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質就是誘導物。基因的表達和調控第23頁可阻遏調整：基因平時是開啟，處于產(chǎn)生蛋白質或酶工作過程中，因為一些特殊代謝物或化合物積累而將其關閉，阻遏了基因表示。例：色氨酸操縱子基因的表達和調控第24頁調整基因操縱基因結構基因阻遏蛋白輔阻遏物mRNA酶蛋白可阻遏調整調整基因操縱基因結構基因無活性阻遏蛋白基因的表達和調控第25頁

（3）在負轉錄調控系統(tǒng)中，調整基因產(chǎn)物是阻遏蛋白，起著阻止結構基因轉錄作用。依據(jù)其作用特征又可分為負控誘導和負控阻遏：在負控誘導系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應物（誘導物）結合時，結構基因轉錄；在負控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應物（輔阻遏物）結合時，結構基因不轉錄?；虻谋磉_和調控第26頁基因的表達和調控第27頁

(4)σ因子參加大腸桿菌基因表示調控

存在6種σ因子，其中σ70是調控最基礎生理功效如碳代謝、生物合成等基因轉錄所必須。

除參加氮代謝σ54外，其它5種σ因子在結構上含有同源性，所以統(tǒng)稱σ70家族?；虻谋磉_和調控第28頁大腸桿菌中各種σ因子比較σ因子編碼基因主要功效σ70rpoD參加對數(shù)生長久和大多數(shù)碳代謝過程基因調控σ54rpoN參加多數(shù)氮源利用基因調控σ38rpoH分裂間期特異基因表示調控σ32rpoS熱休克基因表示調控σ28rpoF鞭毛趨化相關基因表示調控σ24rpoE過分熱休克基因表示調控基因的表達和調控第29頁全部σ因子都含有4個保守區(qū)，其中第2個和第4個保守區(qū)參加結合開啟區(qū)DNA，第2個保守區(qū)另一個別還參加雙鏈DNA解開成單鏈過程。不一樣σ因子結合DNA序列及結合次序不完全相同?；虻谋磉_和調控第30頁2、原核基因調控主要特點經(jīng)過特殊代謝物調整基因活性主要有可誘導和可阻遏兩大類（1）可誘導調整：（2）可阻遏調整：規(guī)律：可誘導基因總是一些編碼糖和氨基酸分解代謝蛋白基因。而可阻遏基因是一些合成各種細胞代謝過程中所必須小分子物質（如氨基酸、嘌呤和嘧啶等）基因?；虻谋磉_和調控第31頁3、弱化子對基因活性影響

屬于這種調整方式有大腸桿菌色氨酸操縱子、苯丙氨酸操縱子、蘇氨酸操縱子、異亮氨酸操縱子等。起信號作用是有特殊負載氨基酰-tRNA濃度，在色氨酸操縱子中就是色氨酰-tRNA濃度。當操縱子被阻遏，RNA合成被終止時，起終止轉錄信號作用一段核苷酸被稱為弱化子。基因的表達和調控第32頁基因的表達和調控第33頁

4、降解物對基因活性調整有葡萄糖存在情況下，即使在細菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麥芽糖等誘導物，與其相對應操縱子也不會開啟，產(chǎn)生出代謝這些糖酶來，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應或稱為降解物抑制作用?；虻谋磉_和調控第34頁基因的表達和調控第35頁5、細菌應急反應

細菌在緊急情況，如氨基酸全方面匱乏時。會產(chǎn)生應急反應，包含生產(chǎn)各種RNA、糖、脂肪和蛋白質在內(nèi)幾乎全部生物化學反應過程均被停頓。實施這一應急反應信號是鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp）。產(chǎn)生這兩種物質誘導物是空載tRNA?；虻谋磉_和調控第36頁氨基酸饑餓時，細胞中存在大量不帶氨基酸t(yī)RNA，這種空載tRNA會激活焦磷酸轉移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp會關閉許多基因，同時也會打開一些合成氨基酸基因，以應付緊急情況。ppGpp與pppGpp作用范圍十分廣泛，不只影響一個或幾個操縱子，影響一大批操縱子，是超級調控因子?；虻谋磉_和調控第37頁二、乳糖操縱子(lacoperon)乳糖操縱子結構酶誘導——lac體系受調控證據(jù)乳糖操縱子調控模型影響因子Lac操縱子中其它問題基因的表達和調控第38頁乳糖操縱子結構基因的表達和調控第39頁Z編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y編碼β-半乳糖苷透過酶：使外界β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細胞壁和原生質膜進入細胞內(nèi)。A編碼β-半乳糖苷乙酰基轉移酶：將乙酰輔酶A上乙?；D到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。基因的表達和調控第40頁1、酶誘導——lac體系受調控證據(jù)基因的表達和調控第41頁乳糖誘導作用中酶是由前體轉化而來，還是新合成？培養(yǎng)基（35S-aa,無乳糖）→E.coli繁殖→培養(yǎng)基（無35S-aa,加入乳糖）→β-gal(無35S)分解底物酶只有在底物存在時才出現(xiàn)！基因的表達和調控第42頁撫慰誘導物：假如某種物質能夠誘導細菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質被稱為撫慰誘導物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）；TMG（巰甲基半乳糖苷）；ONPG（O-硝基半乳糖苷）。基因的表達和調控第43頁2、乳糖操縱子模型及其影響因子基因的表達和調控第44頁乳糖操縱子模型（1）（2）（3）（4）當阻遏物與操縱基因結合時，lacmRNA轉錄起始受到抑制。基因的表達和調控第45頁

（5）誘導物經(jīng)過與阻遏物結合，改變它三維構象，使之不能與操縱基因結合，從而激發(fā)lacmRNA合成?；虻谋磉_和調控第46頁（1）lac操縱子本底水平表示誘導物+阻遏物乳糖異構乳糖半乳糖苷酶+

透過酶？阻遏物LacmRNA本底水平組成型合成。其它問題：基因的表達和調控第47頁

培養(yǎng)基：甘油按照lac操縱子本底水平表示，每個細胞內(nèi)有幾個分子β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透過酶；基因的表達和調控第48頁透過酶進入細胞β-半乳糖苷酶異構乳糖誘導物誘導lacmRNA合成大量乳糖進入細胞多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）異構乳糖少許乳糖培養(yǎng)基：加入乳糖乳糖消耗完后，lacmRNA合成被抑制（2）大腸桿菌對乳糖反應基因的表達和調控第49頁（3）阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功效

Lac操縱子阻遏物mRNA是由弱開啟子控制下組成型合成，每個細胞中有5-10個阻遏物分子。當I基因由弱開啟子突變成強開啟子，細胞內(nèi)不可能產(chǎn)生足夠誘導物克服阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導?；虻谋磉_和調控第50頁組成型突變：lacI-

基因的表達和調控第51頁阻遏蛋白結構38KD，4聚體，一個亞基結合一個IPTG分子LacI組成型轉錄含有二重性阻止轉錄（與lacO結合）開始轉錄（與誘導物結合）基因的表達和調控第52頁（4）葡萄糖對lac操縱子影響假如將葡萄糖和乳糖同時加入培養(yǎng)基中，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會誘導lac操縱子表示分解乳糖所需三種酶?；虻谋磉_和調控第53頁葡萄糖對lac操縱子表示抑制是間接。比如，有一個大腸桿菌突變體，它在糖酵解路徑中不能將葡萄糖-6-磷酸轉化為下一步代謝中間物，這些細菌lac基因能在葡萄糖存在時被誘導合成，說明不是葡萄糖而是它一些降解產(chǎn)物抑制lacmRNA合成，葡萄糖這種效應成為代謝物阻遏效應?；虻谋磉_和調控第54頁（5）cAMP與代謝物激活蛋白葡萄糖抑制lacmRNA轉錄：可阻止誘導物引發(fā)阻遏物失活效應；僅去掉阻遏物并不能開啟lac基因表示,有其它原因參加。

cAMP:環(huán)化腺苷酸

CAP,cataboliteactivatorprotein由crp編碼。CRP:環(huán)腺苷酸受體蛋白(cAMPreceptorprotein)基因的表達和調控第55頁ATP腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺甘酸）

大腸桿菌中：無葡萄糖，cAMP濃度高；有葡萄糖，cAMP濃度低。推測糖酵解路徑中位于葡萄糖－6－磷酸與甘油之間一些代謝產(chǎn)物是腺苷酸環(huán)化酶抑制劑?；虻谋磉_和調控第56頁CRP結合位點CRP為二聚體，45KD，被cAMP激活結合位點～22bpI-70~-50

II-50~-40基因的表達和調控第57頁基因的表達和調控第58頁ZYAOPDNA調控區(qū)CRP結合位點開啟序列操縱序列結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透過酶A：乙酰基轉移酶cAMP—CRP復合物基因的表達和調控第59頁基因的表達和調控第60頁

CRP結合對DNA構型影響DNA彎曲；彎曲點位于CAP結合位點二重對稱中心；彎曲有利于形成穩(wěn)定開放型開啟子－RNApol結構。基因的表達和調控第61頁基因的表達和調控第62頁基因轉錄對cAMP—CRP系統(tǒng)依賴性，與開啟子本身效率相關。cAMP-CRP復合物結合，使富含GC區(qū)域雙螺旋結構穩(wěn)定性降低，因而-10區(qū)熔解溫度降低，促進開放型開啟子復合物形成?；虻谋磉_和調控第63頁CRP激活轉錄方式CAP直接作用于RNApola亞基：缺失RNApola亞基—C末端時，失去受CAP激活能力。基因的表達和調控第64頁

當阻遏蛋白封閉轉錄時，CRP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。如無CRP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。cAMP—CRP復合物與開啟子區(qū)結合是轉錄起始所必需。協(xié)調調整葡萄糖對lac操縱子阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

基因的表達和調控第65頁TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP基因的表達和調控第66頁TheLacOperon:

WhenGlucoseAndLactoseArePresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great,Icantranscribe!Sometranscriptionoccurs,butataslowrateThislactosehasbentmeoutofshape基因的表達和調控第67頁TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!基因的表達和調控第68頁TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMP