原核基因表达调控上课件.ppt

1、概概 述述1 基本概念基本概念1.1顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件和反式作用因子反式作用因子反式作用因子（trans-acting factor）其基因产物将从合成的场所扩散）其基因产物将从合成的场所扩散到其发挥作用的其他场所，游离的基因产物扩散至目标场所的过程为到其发挥作用的其他场所，游离的基因产物扩散至目标场所的过程为反式作用反式作用(trans-acting）。调控转录的各种蛋白因子总称反式作用因子。调控转录的各种蛋白因子总称反式作用因子。其编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个其编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上。分子上。顺式作用元件顺式作用元件

2、(cis-acting element)是指对基因表达有调节活性的是指对基因表达有调节活性的DNA序列，它作为一种原位序列，它作为一种原位（in situ）顺序，其活性只影响与其自身处在同顺序，其活性只影响与其自身处在同一个一个DNA分子上的基因；同时，这种分子上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。简单的说，顺式作用元件是指影响自身基位于基因旁侧或内含子中。简单的说，顺式作用元件是指影响自身基因表达活性的因表达活性的DNA序列（如转录启动子和增强子）。序列（如转录启动子和增强子）。概概 述述1 基本概念基本概念1.2结构基因和调节基因

3、结构基因和调节基因结构基因结构基因(structrual gene)是编码蛋白质或是编码蛋白质或RNA的的任何基因。结构基因编码着大量功能各异的蛋白质，任何基因。结构基因编码着大量功能各异的蛋白质，所编码的蛋白质有结构蛋白和酶等。所编码的蛋白质有结构蛋白和酶等。调节基因调节基因(regulator gene)是参与其他基因表达调是参与其他基因表达调控的蛋白质编码基因，表达产物是调节蛋白，属于反控的蛋白质编码基因，表达产物是调节蛋白，属于反式作用因子。式作用因子。2.基因表达的时间性及空间性基因表达的时间性及空间性时间特异性：按功能需要，某一特定基因的表达严格按时间特异性：按功能需要，某一特定基

4、因的表达严格按特定的时间顺序发生，这是基因表达的时间特异性。多细特定的时间顺序发生，这是基因表达的时间特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。空间特异性：在个体生长全过程，某种基因产物在个体空间特异性：在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性，按不同组织空间顺序出现，这就是基因表达的空间特异性，又称细胞特异性或组织特异性。又称细胞特异性或组织特异性。概概 述述生物学意义：生物学意义：适应环境、维持生长和增殖；适应环境、维持生长和增殖；维持个体发育与分化。维持个体发育与分化。3.基因表达的方式基

5、因表达的方式组成性表达组成性表达(constitutive expression)某些基因产物对生命全过程是必需的或必不可少的。某些基因产物对生命全过程是必需的或必不可少的。这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为常被称为管家基因管家基因(house keeping gene，持家基因，持家基因)。管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。这类的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。这类基因表达视为基本的或基因表达视为

6、基本的或组成性基因表达组成性基因表达。概概 述述概概 述述3.基因表达的方式基因表达的方式适应型或调节型表达适应型或调节型表达(adaptive or regulatory expression)有一些基因表达极易受环境变化影响而改变，称为有一些基因表达极易受环境变化影响而改变，称为适适应型或调节型表达应型或调节型表达。在特定环境信号刺激下，相应的基因。在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因是可诱导的，称为被激活，基因表达产物增加，这种基因是可诱导的，称为诱导诱导。相反，如果基因对环境信号应答时被抑制，基因表。相反，如果基因对环境信号应答时被抑制，基因表达产物水平降

7、低的，称为达产物水平降低的，称为阻遏阻遏。概概 述述第一节第一节 原核基因表达调控的类型原核基因表达调控的类型1.操纵子操纵子原核转录调控的主要形式原核转录调控的主要形式 在细菌基因组中，编码一组在功能上相关的蛋白在细菌基因组中，编码一组在功能上相关的蛋白质的几个结构基因，与共同的控制位点组成一个基因质的几个结构基因，与共同的控制位点组成一个基因表达的协同单位，称为表达的协同单位，称为操纵子操纵子(operon)。RP O S1 S 2 Sn调节基因调节基因启动子启动子 操纵基因操纵基因 结构基因结构基因.结构基因结构基因转录转录翻译翻译阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白操纵子及其调节基因示意图

8、操纵子及其调节基因示意图调控基因的转录调控基因的转录2.阻遏物和激活物阻遏物和激活物 细菌的操纵子受调节基因产物的调控，该产物通常是一种蛋细菌的操纵子受调节基因产物的调控，该产物通常是一种蛋白，这种蛋白称为基因调控的阻遏物或激活物。白，这种蛋白称为基因调控的阻遏物或激活物。阻遏物阻遏物（repressor）：结合于操纵子的操纵基因上阻碍）：结合于操纵子的操纵基因上阻碍RNA聚聚合酶通过操纵基因而关闭操纵子的转录。合酶通过操纵基因而关闭操纵子的转录。激活物激活物（activator）：结合于启动子）：结合于启动子35区上游，它与结合在区上游，它与结合在启动子上的启动子上的RNA聚合酶作用，开启启

9、动子促进操纵子的转录。聚合酶作用，开启启动子促进操纵子的转录。3.正调控和负调控正调控和负调控基因在基因在负控制负控制的情况下可被阻遏蛋白关闭掉，当阻遏蛋白的情况下可被阻遏蛋白关闭掉，当阻遏蛋白缺乏或失活时基因才能打开。缺乏或失活时基因才能打开。基因在基因在正调控正调控的情况下只有在激活蛋白处于活化状态时才的情况下只有在激活蛋白处于活化状态时才能表达。能表达。4.基因的诱导调节与阻遏调节基因的诱导调节与阻遏调节 调节蛋白是否具有活性有时取决于一个小分子物质结合，调节蛋白是否具有活性有时取决于一个小分子物质结合，能够结合于蛋白质并改变其性质的小分子物质称作能够结合于蛋白质并改变其性质的小分子物质

10、称作效应物效应物（effectors）。）。4.基因的诱导调节与阻遏调节基因的诱导调节与阻遏调节 根据操纵子对调节基因表达的小分子所作出反应的特点，根据操纵子对调节基因表达的小分子所作出反应的特点，分为分为可诱导可诱导（inducible）和）和可阻遏可阻遏（repressible）两类。可）两类。可诱导操纵子只有在小分子诱导操纵子只有在小分子诱导物诱导物（inducer）存在的情况下才有）存在的情况下才有功能；可阻遏的操纵子只有在小分子功能；可阻遏的操纵子只有在小分子辅阻遏物辅阻遏物（corepressor）缺乏的情况下才有功能。缺乏的情况下才有功能。术语：操纵子的活性状态称为去阻遏（去阻遏

11、（derepressed），与“被诱导”的意思相同。若操纵子发生突变而不能去阻遏的话有时被称为超阻遏（超阻遏（super-repressed），也就是“不可诱导不可诱导”的意思。4.基因的诱导调节与阻遏调节基因的诱导调节与阻遏调节 无论是正控制还是负控制都是通过利用无论是正控制还是负控制都是通过利用调节蛋白调节蛋白与小分与小分子子诱导物诱导物或或辅阻遏物辅阻遏物之间的相互作用来完成诱导和阻遏。以之间的相互作用来完成诱导和阻遏。以下下4种相似的控制类型，每一个诱导物使阻遏物失活或活化激种相似的控制类型，每一个诱导物使阻遏物失活或活化激活蛋白时产生诱导；当辅阻遏物活化阻碍蛋白或使激活蛋白活蛋白时产

12、生诱导；当辅阻遏物活化阻碍蛋白或使激活蛋白失活时产生阻遏。失活时产生阻遏。负控诱导系统负控诱导系统正控诱导系统正控诱导系统负控阻遏系统负控阻遏系统正控阻遏系统正控阻遏系统5.原核操纵子的主要形式原核操纵子的主要形式调节分解代谢的操纵子调节分解代谢的操纵子：都是属于诱导型，并同时受到：都是属于诱导型，并同时受到cAMP-CAP的调节。分解代谢的底物常为小分子诱导物，的调节。分解代谢的底物常为小分子诱导物，不具衰减作用。不具衰减作用。调节合成代谢的操纵子调节合成代谢的操纵子：都属于阻遏型，因是合成代谢，：都属于阻遏型，因是合成代谢，因此不受因此不受cAMP-CAP的影响。的影响。具有衰减子的操纵子

13、具有衰减子的操纵子：如：如trp,his,phe,leu,thr,和和ilv，最终产物为辅阻遏物。最终产物为辅阻遏物。安慰性诱导物安慰性诱导物(gratuitous inducer)乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCome on,let me throughNo wayJose!CAPCAPRNAPol.RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorC

14、APBindingRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.Yipee!RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man,Im con

15、stitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright,Im off to the races.Come on,let me through!转录起始点 DNA 解链区 50 40 30 20 10 1 10 20 30 RNA 聚合酶结合的起动子区 阻遏物结 合的操纵基因区 图 16-4 在 lac 操纵子上阻遏物结合区和 RNA 聚合酶结合区的重叠 H OH HO H OH H H CH2OH H O OH HO O H O CH2 CH2OH H OH OH H HO O H 别乳糖 H O OH H H H OH OH H H H2O H

16、H H O OH CH2OH CH2OH H OH CH2OH H O OH HO O OH H H OH H OH H HO H H H H OH H OH 葡萄糖 半乳糖 图 16-乳糖分解的不同产物-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 未诱导：结构基因被阻遏 阻遏物 四聚体 LacI P O lacZ lacY lacA 图 16-当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上 诱导：基因被打开诱导：基因被打开诱导物和阻遏物称为调节操纵子的开关诱导物和阻遏物称为调节操纵子的开关-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 透过酶透过酶 乙酰转移酶乙酰转移酶 葡萄糖 ATP 减少 cAMP ATP 活化的 CAP 失活的 CAP ATP

17、 转录 不转录 图16-17 图16-17 通过减少 cAMP 的水平葡萄糖导致了分解代谢的阻遏 cAMPcAMPcAMP 转录 A A N T G T G A N N T N N N T C A N A T T N N T T N A C A C T N N A N N N A G T N T A A N N 高度保守 低度保守 5 聚体 5 聚体 图 16-19 CAP 结合位点的保守顺序 (仿 B.Lewin:GENES,1997,Fig.12.24)转录起点 gal lac ara 启动子 CAP 结合位点 操纵基因 图 16-20 CAP 蛋白可结合于相对于启动子的不同位点 (仿 B.Lewin:GENES,1997,Fig.12.25)cAMPCAP复合物与复合物与DNADNA的结合的结合cAMPCAP复合物复合物 启动基因的转录启动基因的转录cAMPCAP与与DNA结合造成的模板结合造成的模板DNA弯曲弯曲cAMPCAP与与DNA结合造成的模板结合造成的模板DNA弯曲弯曲CAP Binding Bends DNAThis DNA bending results in more efficient RNA polymerase bindingDNACAPLacICrystal Structure of LacI and CAP Complexed to DNA