第十三章基因表达调控ppt课件
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第十三章基因表达调控ppt课件
第十三章 基因表达调控
• 通常情况下，真核生物细胞只有2-15% 的基因处于有转录活性的状态。
• 表达调控是研究不同的环境和条件以及 各种因素如何令基因表达或不表达，而 且按一定的时间、空间有次序高效地运 作。
• 调控水平： 转录、转录后、翻译、翻译后
2021/3/3
• 有阻遏物时酶就不能通过
2021/3/3
二、操纵子的结构与功能
• 阻遏物基因 ： 产生阻遏物，位于离操纵 子较远的上游区。
• 负调控：起调控作用的蛋白质分子抑制 转录
关闭的基因由代谢底物开放（诱导）-----阻遏物失活 开放的基因由代谢底物关闭（阻遏）-----阻遏物激活
2021/3/3
二、操纵子的结构与功能
2021/3/3
成由 增底Βιβλιοθήκη Baidu加物 。导
致 利 用 该 底 物 的 酶 的 合
2021/3/3
一、诱导现象
酶
蛋 白
inducer
合 成
added
量
inducer removed
细胞孵育时间
一、诱导现象
葡萄糖
乳糖
2021/3/3
无
半乳糖苷酶
乳糖
葡萄糖+半乳糖
一、诱导现象
• 酶的诱导是生物进化中的一种合理、经 济地利用有限资源的本能。
第十三章 基因表达调控
• 调控： 细胞代谢的调控（细胞生存、适应内环境 ）基因表达的调控（生命延续、适应大环 境）
• 多水平的调控、多途径的调控 • 调控特点：复杂、多变、灵敏、准确
2021/3/3
第一节、原核生物的操纵子调控模式
• 操纵子： 几个相关基因排列在一起，转录出一个 mRNA，翻译出多种具相关功能的蛋白 质，完成一个功能 。
gene
操纵基因 一组结构基
O
S
operator
2021/3/3
二、操纵子的结构与功能
• 启动子是结合RNA聚合酶的DNA序列 • 强：-35TTGACA、-10TATAAT • 弱：-35区共有序列 不一致
-10Pribnow 一般：基因工程选用强启动子，或杂交融 合生成新启动子
2021/3/3
• 酶的诱导是低等生物的普遍现象。 • 1961年，Jacob and Monod提出了操纵
子学说。 • 酶诱导的本质：代谢物对催化本身代谢
的酶的合成量调节。
2021/3/3
二、操纵子的结构与功能
操纵子
阻遏物基因 因
R (i)
inhibitor structural gene
上游启动子
P promotor
乳糖操纵子
R基子因
阻遏物
色氨酸操纵
阻遏物
R基因
代谢物
阻遏物
阻遏物
2021/3/3
基因开放
基因关闭
四、cAMP对转录的调控
• 在乳糖和葡萄糖都存在时 ，哪种糖被优先利用？
2021/3/3
四、cAMP对转录的调控
• 乳糖操纵子的启动子属于弱启动子
• 正调控方式
• CAP：catabolite gene activator
二、操纵子的结构与功能
Lac operon的启 动子 Plac的-10
Trp operon的启 动子Ptrp的-35
Ptac
2021/3/3
Ptac-17
二、操纵子的结构与功能
• 操纵基因是结合阻遏物的部位，位于启 动子和结构基因之间，可与启动子部分 重叠。是RNA聚合酶是否能通过的开关 。
• 无阻遏物时，O区开放让酶通过并转录 下游的结构基因
protein
分解代谢基因活化蛋白，
受cAMP激活
• cAMP-CAP复合物：结合于DNA上游的 CAP位点，促进分解代谢基因表达
• CAP位点：位于PO上游，属正调控位点
2021/3/3
四、cAMP对转录的调控
• 培养基中有葡萄糖时：葡萄糖代谢引起 细胞内cAMP水平下降，乳糖操纵子基 因关闭。
2021/3/3
DDRP
(1kb)
(155000)
DDRP
2021/3/3
色氨酸操纵子
• 色氨酸操纵子有5个结构基因 D、E基因：共产生邻氨基苯甲酸合成酶 C基因：产物是吲哚甘油磷酸合成酶 B、A基因：共同产物是色氨酸合成酶
• 这些基因一起转录翻译后可进行色氨酸 的合成。
• 色氨酸合成仅限细菌。
• 培养基中葡萄糖不足时： cAMP水平升 高， cAMP-CAP复合物生成， cAMP使 CAP变构，而与CAP位点结合，促进乳 糖操纵子基因的转录，以便细胞利用乳 糖。
2021/3/3
四、cAMP对转录的调控
1
2021/3/3
阿拉伯糖操纵子
• B、A、D：编码三种酶，共催化阿拉伯 糖的代谢。
2021/3/3
色氨酸操纵子调控方式
（-）
2021/3/3
（+）
乳糖和色氨酸操纵子的共同点
• 以负调控方式为主：蛋白质分子（阻遏 物）对受调控的区域起抑制作用。
• 由低分子物质（底物或产物）影响蛋白 质对DNA的结合。
• 结果： 既满足细胞生长需求，又不无谓浪费。
2021/3/3
乳糖和色氨酸操纵子的不同点
• C：R1（阻遏蛋白），变构后成R2。 • 起始区：initiator（I） • R1 和R2在变构前后，分别执行负和正
调控功能。 • 诱导物可以使抑制蛋白在R1和R2两种构
象之间转变。
2021/3/3
阿拉伯糖操纵子
2021/3/3
五、原核生物转录的整体调控模式
• 操纵子：结构基因、上游启动子(P)和操纵基 因(O)组成。
P和O合称调控区
2021/3/3
可诱导和可阻遏的操纵子
类型
可诱导 Lac 可阻遏 Trp
结合 O 方式
O 的开放方 结构基因产
式
物功能
i 基因产物
由 代 谢 底 物 分解代谢 开放
i 基 因 产 物 加 通常开放 合成代谢 上代谢终产物 由 代 谢 终 产
物关闭
2021/3/3
三、乳糖操纵子和色氨酸操纵子
2021/3/3
乳糖操纵子
• 操纵子的三个结构基因为-半乳糖苷酶 、-半乳糖苷通透酶和-半乳糖苷乙酰转 移酶。
• 在无乳糖时，阻遏蛋白与O区结合，阻 止RNA聚合酶的转录
• 在有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合后， 改变了阻遏蛋白的结构，使其不能与O 区结合。
• 有一个调控成分。 • 是原核生物的转录单位。
2021/3/3
第一节、原核生物的操纵子调控模式
一、酶的诱导（enzyme induction） 二、操纵子（operon）的结构与功能 三、乳糖操纵子（Lac operon）与色氨
酸操纵子（Trp operon） 四、 cAMP对转录的调控 五、原核生物转录的整体调控模式
第十三章 基因表达调控
• 通常情况下，真核生物细胞只有2-15% 的基因处于有转录活性的状态。
• 表达调控是研究不同的环境和条件以及 各种因素如何令基因表达或不表达，而 且按一定的时间、空间有次序高效地运 作。
• 调控水平： 转录、转录后、翻译、翻译后
2021/3/3
• 有阻遏物时酶就不能通过
2021/3/3
二、操纵子的结构与功能
• 阻遏物基因 ： 产生阻遏物，位于离操纵 子较远的上游区。
• 负调控：起调控作用的蛋白质分子抑制 转录
关闭的基因由代谢底物开放（诱导）-----阻遏物失活 开放的基因由代谢底物关闭（阻遏）-----阻遏物激活
2021/3/3
二、操纵子的结构与功能
2021/3/3
成由 增底Βιβλιοθήκη Baidu加物 。导
致 利 用 该 底 物 的 酶 的 合
2021/3/3
一、诱导现象
酶
蛋 白
inducer
合 成
added
量
inducer removed
细胞孵育时间
一、诱导现象
葡萄糖
乳糖
2021/3/3
无
半乳糖苷酶
乳糖
葡萄糖+半乳糖
一、诱导现象
• 酶的诱导是生物进化中的一种合理、经 济地利用有限资源的本能。
第十三章 基因表达调控
• 调控： 细胞代谢的调控（细胞生存、适应内环境 ）基因表达的调控（生命延续、适应大环 境）
• 多水平的调控、多途径的调控 • 调控特点：复杂、多变、灵敏、准确
2021/3/3
第一节、原核生物的操纵子调控模式
• 操纵子： 几个相关基因排列在一起，转录出一个 mRNA，翻译出多种具相关功能的蛋白 质，完成一个功能 。
gene
操纵基因 一组结构基
O
S
operator
2021/3/3
二、操纵子的结构与功能
• 启动子是结合RNA聚合酶的DNA序列 • 强：-35TTGACA、-10TATAAT • 弱：-35区共有序列 不一致
-10Pribnow 一般：基因工程选用强启动子，或杂交融 合生成新启动子
2021/3/3
• 酶的诱导是低等生物的普遍现象。 • 1961年，Jacob and Monod提出了操纵
子学说。 • 酶诱导的本质：代谢物对催化本身代谢
的酶的合成量调节。
2021/3/3
二、操纵子的结构与功能
操纵子
阻遏物基因 因
R (i)
inhibitor structural gene
上游启动子
P promotor
乳糖操纵子
R基子因
阻遏物
色氨酸操纵
阻遏物
R基因
代谢物
阻遏物
阻遏物
2021/3/3
基因开放
基因关闭
四、cAMP对转录的调控
• 在乳糖和葡萄糖都存在时 ，哪种糖被优先利用？
2021/3/3
四、cAMP对转录的调控
• 乳糖操纵子的启动子属于弱启动子
• 正调控方式
• CAP：catabolite gene activator
二、操纵子的结构与功能
Lac operon的启 动子 Plac的-10
Trp operon的启 动子Ptrp的-35
Ptac
2021/3/3
Ptac-17
二、操纵子的结构与功能
• 操纵基因是结合阻遏物的部位，位于启 动子和结构基因之间，可与启动子部分 重叠。是RNA聚合酶是否能通过的开关 。
• 无阻遏物时，O区开放让酶通过并转录 下游的结构基因
protein
分解代谢基因活化蛋白，
受cAMP激活
• cAMP-CAP复合物：结合于DNA上游的 CAP位点，促进分解代谢基因表达
• CAP位点：位于PO上游，属正调控位点
2021/3/3
四、cAMP对转录的调控
• 培养基中有葡萄糖时：葡萄糖代谢引起 细胞内cAMP水平下降，乳糖操纵子基 因关闭。
2021/3/3
DDRP
(1kb)
(155000)
DDRP
2021/3/3
色氨酸操纵子
• 色氨酸操纵子有5个结构基因 D、E基因：共产生邻氨基苯甲酸合成酶 C基因：产物是吲哚甘油磷酸合成酶 B、A基因：共同产物是色氨酸合成酶
• 这些基因一起转录翻译后可进行色氨酸 的合成。
• 色氨酸合成仅限细菌。
• 培养基中葡萄糖不足时： cAMP水平升 高， cAMP-CAP复合物生成， cAMP使 CAP变构，而与CAP位点结合，促进乳 糖操纵子基因的转录，以便细胞利用乳 糖。
2021/3/3
四、cAMP对转录的调控
1
2021/3/3
阿拉伯糖操纵子
• B、A、D：编码三种酶，共催化阿拉伯 糖的代谢。
2021/3/3
色氨酸操纵子调控方式
（-）
2021/3/3
（+）
乳糖和色氨酸操纵子的共同点
• 以负调控方式为主：蛋白质分子（阻遏 物）对受调控的区域起抑制作用。
• 由低分子物质（底物或产物）影响蛋白 质对DNA的结合。
• 结果： 既满足细胞生长需求，又不无谓浪费。
2021/3/3
乳糖和色氨酸操纵子的不同点
• C：R1（阻遏蛋白），变构后成R2。 • 起始区：initiator（I） • R1 和R2在变构前后，分别执行负和正
调控功能。 • 诱导物可以使抑制蛋白在R1和R2两种构
象之间转变。
2021/3/3
阿拉伯糖操纵子
2021/3/3
五、原核生物转录的整体调控模式
• 操纵子：结构基因、上游启动子(P)和操纵基 因(O)组成。
P和O合称调控区
2021/3/3
可诱导和可阻遏的操纵子
类型
可诱导 Lac 可阻遏 Trp
结合 O 方式
O 的开放方 结构基因产
式
物功能
i 基因产物
由 代 谢 底 物 分解代谢 开放
i 基 因 产 物 加 通常开放 合成代谢 上代谢终产物 由 代 谢 终 产
物关闭
2021/3/3
三、乳糖操纵子和色氨酸操纵子
2021/3/3
乳糖操纵子
• 操纵子的三个结构基因为-半乳糖苷酶 、-半乳糖苷通透酶和-半乳糖苷乙酰转 移酶。
• 在无乳糖时，阻遏蛋白与O区结合，阻 止RNA聚合酶的转录
• 在有乳糖时，乳糖与阻遏蛋白结合后， 改变了阻遏蛋白的结构，使其不能与O 区结合。
• 有一个调控成分。 • 是原核生物的转录单位。
2021/3/3
第一节、原核生物的操纵子调控模式
一、酶的诱导（enzyme induction） 二、操纵子（operon）的结构与功能 三、乳糖操纵子（Lac operon）与色氨
酸操纵子（Trp operon） 四、 cAMP对转录的调控 五、原核生物转录的整体调控模式