原核生物基因表达调控

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分子生物学第七章原核生物基因表达调控

分子生物学第七章原核生物基因表达调控
基因表达调控对于生物体的正常生长、发育、代谢和应激反应等 过程至关重要,是生物体适应环境变化和维持内环境稳态的重要 机制。
原核生物基因表达调控的特点
01
原核生物基因表达调控通常由特 定的转录因子、RNA聚合酶以及 其他调控蛋白介导,通过与DNA 的结合或解离来调节基因转录。
02
原核生物基因表达调控具有快速 响应环境变化的特点,能够在短 时间内调整基因表达模式,以适 应外界刺激和压力。
翻译后加工的调控
翻译后加工的调控
在翻译后加工阶段,新合成的蛋白质经过一系列修饰和加工,最终成为具有生物学活性的蛋白质。原 核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性来调控翻译后加工过程。此外,原核生物还可以通过控制 蛋白质的稳定性来影响其功能和表达水平。
总结
翻译后加工是基因表达调控的重要环节,原核生物通过控制翻译后加工酶的合成和活性,以及蛋白质 的稳定性来精细调控基因表达。
翻译延伸的调控
翻译延伸的调控
在翻译延伸阶段,核糖体沿着mRNA移动,将氨基酸组装成蛋白质。原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活 性,以及核糖体的合成和组装来调控翻译延伸。此外,原核生物还可以通过控制mRNA的结构和稳定性来影响翻 译延伸。
总结
翻译延伸是基因表达调控的重要环节,原核生物通过控制翻译延伸因子的合成和活性,以及核糖体的合成和组装, 以及mRNA的结构和稳定性来精细调控基因表达。
翻译起始的调控
原核生物通过控制翻译起始来调控基因表达。在翻译起始阶段, mRNA与核糖体结合,招募翻译所需的起始因子和其他成分。原 核生物通过控制起始因子的合成和活性,以及mRNA与核糖体的 结合来调控翻译起始。
总结
翻译起始是基因表达调控的重要环节,原核生物通过控制翻译起 始因子的合成和活性,以及mRNA与核糖体的结合来精细调控基 因表达。

原核生物基因表达调控分析

原核生物基因表达调控分析

Co-repressor
(共阻遏物)
原核生物基因表达调控方式:
负控诱导调节
负控转录调 控系统
调节基因的产物是 阻遏蛋白 (repressor), 阻止了结构基因的 转录。
阻遏蛋白与效应物(诱 导物)结合,使阻遏蛋 白失活,结构基因转录; 阻遏蛋白与效应物(辅阻 遏物)结合,使阻遏蛋白 产生活性,结构基因不转 录。
operon on operon off operon off operon on
Neg.
i- or 不加入I基因产物 I+ or 加入I基因产物
(激活蛋白)
Pos.

Repressor binding on O site 阻遏蛋白 阻止转录启动
Expressor binding front p site
安慰诱导物:
如果某种物质能够诱导细菌产生某种酶而本身又不
被分解,这种物质被称为安慰诱导物,如IPTG(异
丙基- β –D-硫代半乳糖苷)。 相反,随环境条件变化而基因表达水平降低的现象 称为阻遏(repression),相应的基因被称为可阻遏的基 因(repressible gene)。 如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶, 这种物质就是辅阻遏物。(合成代谢)
第一讲 原核生物基因表达 调控
主要内容
一、基因表达调控的基本概念: 二、 基因表达调控的理论与模式;
一、基因表达调控的基本概念:
1、基因表达调控的意义: 原核生物对环境的适应、对营养条件改变适应的 相关应答,都是基因表达的结果;
真核生物的细胞分化, 组织特化 , 个体发育以及 环境对个体表型的影响都是通过基因表达实现的。
组成型突变: lacOc
iC mut. (iC O+P+) constitutive mut. (组成型)

第十章原核生物基因表达的调控

第十章原核生物基因表达的调控
1. 在E.coli,不同类型的启动子需要不同类型的σ 因子
表 16-4 E.coliσ 因子识别不同保守序列的启动子 基因 分子量 70KD 32KD 24KD 54KD 28KD 功能 普遍 热休克 热休克 氮饥饿 产生鞭毛 -35 序列 TTGACA CCCTTGAA ? CTGGNA CTAAA 间隔(bp) 16~18 13~15 ? 6 15 -10 序列 TATAAT CCCGATNT ? TTGCA GCCGATAA

基本概念
1.操纵子(operon)
很多功能上相关的结构基因在染色体上串连排列,由 一个共同的控制区来操纵这些基因的转录。包含这些结构 基因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子(operon)。
一个完整的操纵子主要包括启动子、操纵基因、结构 基因和终止子。
2. 阻遏物和激活物(reperssor and activator)
2. 基因表达的极性效应
•在正常情况下原核基因表达时,其转录出来的mRNA随 即进行翻译,这时整个mRNA都覆盖着核糖体, ρ因子 无法接近mRNA,而RNA聚合酶早已越过前面的基因的 依赖ρ因子的终止子,所以转录实际上并不停止,而是继 续转录后续基因。如果在某一基因的依赖于ρ的终止子之 前发生无义突变,核糖体便从无义密码子上解离下来,翻 译停止,于是ρ就可以自由进入RNA并移动,直到赶上停 留在终止子上的RNA聚合酶,结果使RNA聚合酶释放, 不能再转录下游基因。
第十章 原核生物基因 表达的调控

生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细 胞内的DNA(或RNA)分子中的。随着个体 的发育,DNA有序地将遗传信息,通过转 录和翻译的过程转变成蛋白质,执行各种 生理生化功能,完成生命的全过程。从 DNA到蛋白质的过程,叫做基因表达 (gene expression),对这个过程的调节 就称为基因表达调控(gene regulation或 gene control)。

《原核生物基因表达调控》练习题及答案

《原核生物基因表达调控》练习题及答案

《原核生物基因表达调控》练习题及答案一、名词解释1.基因表达调控答案:所有生物的信息,都是以基因的形式储存在细胞内的DNA(或RNA)分子中,随着个体的发育,DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息,通过密码子-反密码子系统,转变成蛋白质或功能RNA分子,执行各种生理生物化学功能。

这个从DNA到蛋白质或功能RNA的过程被称之为基因表达,对这个过程的调节称之为基因表达调控。

2.组成性基因表达答案:是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。

其基因表达产物通常是对生命过程必须的或必不可少的,一般只受启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响,且较少受环境因素的影响及其他机制调节,也称为基本的基因表达。

3.管家基因答案:某些基因产物对生命全过程都是必须的获必不可少的。

这类基因在一个生物个体的几乎所有细胞中均表达,被称为管家基因。

4.诱导表达答案:是指在特定环境因素刺激下,基因被激活,从而使基因的表达产物增加。

5.阻遏表达答案:是指在特定环境因素刺激下,基因被抑制,从而使基因的表达产物减少。

6.反式作用因子答案:又称为分子间作用因子,指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。

它们由某一基因表达后通过与特异的顺式作用元件相互作用,反式激活另一基因的转录。

7.操纵子答案:是指原核生物中由一个或多个相关基因以及转录翻译调控元件组成的基因表达单元。

8.SD序列答案:存在于原核生物起始密码子AUG上游7~12个核苷酸处的一种4~7个核苷酸的保守片段,它与16S rRNA 3’端反向互补,所以可将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用。

根据首次识别其功能意义的科学家命名。

9.阻遏蛋白答案:是一类在转录水平对基因表达产生负控作用的蛋白质,在一定条件下与DNA结合,一般具有诱导和阻遏两种类型。

在诱导类型中,信号分子(诱导物)使阻遏蛋白从DNA释放下来;在阻遏类型中,信号分子使阻遏蛋白结合DNA,不管是哪一种情况,只要阻遏蛋白与DNA结合,基因的转录均将被抑制。

第14章 原核生物基因表达调控

第14章  原核生物基因表达调控

第14章原核生物基因的表达调控重点:操纵子的结构特点和功能;乳糖操纵子的正负调控;色氨酸操纵子的衰减作用。

难点:色氨酸操纵子的衰减作用。

第一节基因调控的基本定律一、基因调控水平二、基因和调控元件三、DNA结合蛋白一、基因调控水平基因表达的调控可以发生在DNA到蛋白质的任意节点上,如基因结构、转录、mRNA 加工、RNA的稳定性、翻译和翻译后修饰。

二、基因和调控元件基因:是指能转录成RNA的DNA序列。

结构基因:编码代谢、生物合成和细胞结构的蛋白质。

调节基因:产物是RNA或蛋白质,控制结构基因的表达。

其产物通常是DNA结合蛋白。

调控元件:不能转录但是能够调控基因表达的DNA序列。

三、DNA结合蛋白调控蛋白通常含有与DNA结合的结构域,一般由60-90个氨基酸组成。

在一个结构域中,只有少数氨基酸与DNA接触。

这些氨基酸(包括天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、赖氨酸和精氨酸)常与碱基形成氢键,或者与磷酸核糖骨架结合。

根据DNA结合结构域内的模体,可以将DNA结合分成几种类型(图16.2)。

第二节大肠杆菌的乳糖操纵子一、操纵子结构二、正负调控三、乳糖操纵子四、lac突变五、正控制一、操纵子结构原核和真核生物基因调控的主要差异在于功能相关的基因的组成。

细菌的功能相关的基因常常排列在一起,并且由同一启动子控制。

一群一起转录的细菌的结构基因(包括其启动子和控制转录的额外序列)称为操纵子。

二、正负调控转录水平上的调控主要有两种类型:负调控:gene ON 阻遏蛋白 OFF正调控:gene OFF 激活蛋白 ON诱导:活性阻遏蛋白 失活诱导因子+非活性激活蛋白 活性阻遏:失活阻遏蛋白 活性共阻遏蛋白+活性激活蛋白 失活三、乳糖操纵子乳糖操纵子是诱导型操纵子,当诱导物不存在时,阻遏蛋白结合到操纵序列上并阻止转录;当诱导物存在时,阻遏蛋白与诱导物结合后失去活性,转录才得以进行。

四、lac突变为了鉴定乳糖操纵子各个成分的功能,Jacob和Monod做了细菌的接合实验,其中供体菌的F’因子上也带有乳糖操纵子。

生物学原核生物基因表达的调控

生物学原核生物基因表达的调控
目录
第二节
原核生物基因表达的 转录水平调控
Regulation of Prokaryotic Gene Expression at Transcription Level
目录
一、转录调控是以特定的DNA序列和蛋 白质结构为基础
(一)特定的DNA序列是转录起始调控的结构基础
在基因内和基因外都有一些特定的DNA序列,与结 构基因表达调控相关、能够被基因调控蛋白特异性识别 和结合,这些特定的DNA序列称为顺式作用元件(cisacting elements),亦称为顺式调控元件。在原核生物 中主要是启动子、阻遏蛋白结合位点、正调控蛋白结合 位点、增强子等。
transcription
RNA 5'-AGGUCCACG········-3'
启动子及其与转录的关系 ···
目录
(二)阻遏蛋白结合操纵元件对转录起 始进行负调控
阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负 调控作用的蛋白质。阻遏蛋白主要通过抑制开放启 动子复合物的形成而抑制基因的转录。阻遏蛋白与 DNA结合后,RNA聚合酶仍有可能与启动子结合, 但不能形成开放起始复合物,不能启动转录;这种 作用称为阻遏(repression),特定的信号分子与阻 遏蛋白结合,使阻遏蛋白失活,从DNA 上脱落下来, 称为去阻遏,或脱阻遏(derepression)。
usually binds to CAAT box
目录
二、特定蛋白质与DNA结合后控制 转录起始
(一)σ因子和启动子决定转录是否能够起始
-35
-10
+1
5'-TAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG············-·3·'

原核生物基因表达调控概述

原核生物基因表达调控概述

原核生物基因表达调控概述基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制,使细胞中基因表达的过程在时间,空间上处于有序状态,并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。

1.基因表达调控意义在生命活动中并不是所有的基因都同时表达,代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因,正常情况下是经常表达的,而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达,还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。

2.原核基因表达调控特点原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。

这种调控多以操纵子为单位进行,将功能相关的基因组织在一起,同时开启或关闭基因表达即经济又有效,保证其生命活动的需要。

调控主要发生在转录水平,有正、负调控两种机制在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构,RNA 聚合酶的功能、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。

细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。

细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平,有两条途径:(1)细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度,这是一条经济的途径,可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗,这是生物长期进化过程中自然选择的结果,这种控制称为转录水平调控。

(2)在mRNA合成后,控制从mRNA翻译肽链速度,包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。

这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。

二.原核生物表达调控的概念(1)细菌细胞对营养的适应细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。

这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度,pH等。

而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径,为细胞生长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。

(2)顺式作用元件和反式作用元件基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。

反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。

RNA聚合酶是典型的反式作用因子。

原核生物基因表达的调控

原核生物基因表达的调控

原核生物基因表达的调控一、名词解释1、Operon操纵子:一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵基因,加上启动子构成一个操纵单元,这个单元称为操纵子。

在操纵子中,结构基因产生mRNA并作为模板合成蛋白质;而调节基因则产生一种阻遏蛋白与操纵基因相互作用;阻遏蛋白与操纵基因结合从而阻碍了结构基因转录成为mRNA;在诱导过程中,诱导物通过与阻遏蛋白相结合而阻止阻遏蛋白与操纵基因结合。

2. CAP:环腺苷酸(cAMP)受体蛋白CRP(cAMP receptor protein ),cAMP与CRP结合后所形成的复合物称激活蛋白CAP(cAMP activated protein )3.Attenuator弱化子:在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列。

4. 魔斑:当细菌生长过程中,遇到氨基酸全面缺乏时,细菌将会产生一个应急反应,停止全部基因的表达。

产生这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)。

PpGpp与pppGpp的作用不只是一个或几个操纵子,而是影响一大批,所以称他们是超级调控子或称为魔斑。

5. 上游启动子元件:是指对启动子的活性起到一种调节作用的DNA序列,-10区的TA TA、-35区的TGACA及增强子,弱化子等。

二、填空题1.启动子中的元件通常可以分为两种:()和()。

2. 因表达正调控系统中,加入调节蛋白后,基因表达活性被,这种调节蛋白被称为。

在负调控系统中,加入调节蛋白后,基因表达活性被,这种调节蛋白被称为。

3. 糖对细菌有双重作用;一方面();另一方面()。

所以需要一个不依赖于cAMP—CRP的启动子S2进行本底水平的永久型合成;同时需要一个依赖于cAMP—CRP的启动子S1对高水平合成进行调节。

有G时转录从()开始,无G时转录从()开始。

三、选择题1、如果在没有----- -----存在时基因是表达的,加入这种----- ----后,基因的活性被关闭,这种控制系统叫做负调控系统。

第7章原核生物基因表达的调控

第7章原核生物基因表达的调控
④ 当阻遏物与操纵基因结合时,lac mRNA转录起始受到抑制。
Z编码β-半乳糖苷酶:将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。
Y编码β-半乳糖苷透过酶:使外界的β-半乳糖苷(如乳糖)能透过大肠杆
菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。
A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶:乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷
上,形成乙酰半乳糖。
gene
正调控
调控蛋白
负调控
结构基因表达
▪ 负调控:抑制基因表达的调控方式 ▪ 正调控:促进基因表达的调控方式
B、特殊代谢物的调控
诱导(induction)
阻遏(repression)
inducer
gene
repressor
gene
特殊代谢物
诱导 阻遏
结构基因表达
诱导物、可诱导基因 阻遏物、可阻遏基因
无葡萄糖、 有乳糖-----cAMP水平高 (2)cAMP与CRP结合形成有活性的
CRP- cAMP 复合物 (3)CRP-cAMP 与Plac结合 (4)增强了RNA聚合酶与启动子的结合
(5)lacZ, lacY 、 lacA高表达
105
40
105
41
乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、 基因开放与关闭情况如下:
CRP
Binding
RNA
Promoter
Operator
CRP
Pol. Repressor
cAMP
LacZ
LacY
LacA
Repressor mRNA
STOP
Right there
CRP
Polymerase
cAMP
Repressor
cAMP
CRP

第六章 原核生物基因表达调控

第六章 原核生物基因表达调控

图6-7 乳糖操纵子结构模式图
第二节 原核基因表达的调控
乳糖操纵子的上游有一个独立转录的基因lacI,其编码产物LacI 可以结合在乳糖操纵子的操纵基因(lacO)上,即转录控制区,阻抑 下游结构基因的表达。因此,乳糖操纵子是一个负调控系统(图68)。其中,LacI是具有负调控作用的反式作用因子,LacI作用的靶 DNA序列lacO是顺式作用元件。
trpB(UGA处翻译终止) -UGA -GAA-AUC- UGA-UGG-AA A UG-G AAtrpA(AUG处翻译起始)
第二节 原核基因表达的调控
3.稀有密码子对翻译的影响 DNA复制时,引物酶催化一段RNA引物的合成,引物酶 由dnaG编码。rpsU-dnaG-rpoD组成一个转录单位,产生多 顺反子转录物。细胞内三个基因的终产物的浓度相差却很 大,rpsU产物浓度为4×104个/细胞,dnaG产物50个/细胞, rpoD产物2800个/细胞。菌体通过使用稀有密码子,使转 录为一条mRNA链的三个基因的表达产物量可以有很大差异。
第二节 原核基因表达的调控
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图6-10 色氨酸操纵子的负调控
第二节 原核基因表达的调控
4.阿拉伯糖操纵子 阿拉伯糖与乳糖一样,可替代葡萄糖作为碳源物质被 菌体利用。大肠杆菌中,阿拉伯糖(Ara)代谢所需酶的 三个基因分别是:核酮糖激酶基因( araB)、L-Ara异构 酶 基 因 ( araA)、L- 核 酮 糖 - 5 - 磷 酸 差 向 异 构 酶 基 因 ( araD),组成一个基因簇,有共同的启动子 PBAD。与其 它操纵子不同的是,操纵序列位于 PBAD 上游,操纵序列左 端有另一方向转录的启动子 PC,负责调节基因araC的转录, 其产物AraC蛋白有两种活性形式,Pr 对 PBAD 的表达起阻遏 作用,Pi对PBAD的表达起激活作用(图6-11)。

第11章 原核生物基因表达的调控

第11章 原核生物基因表达的调控

Ø 葡萄糖代谢导致cAMP浓度下降; Ø cAMP可以活化乳糖操纵子的激活蛋白:
CRP: cAMP receptor protein(cAMP受体蛋白) CAP: catabolite gene activator protein
(代谢降解物活化蛋白)
Ø cAMP-CRP/CAP
乳糖操纵子的正调控
Ø 每个阻遏蛋白四聚体与两个 operator 结合; Ø 阻遏蛋白与Operator结合导 致DNA弯折,干扰mRNA的 合成。
p.286 图11-7
乳糖操纵子的正调控
当细菌在含有葡萄糖和乳 糖的培养基中生长时,通常 总是优先利用葡萄糖,而不 利用乳糖;只有当葡萄糖耗 尽后,细菌经过一段停滞期, 才能在乳糖的诱导下,合成 β-半乳糖苷酶等分解利用 乳糖的酶类,细菌才能利用 乳糖。
ttrrppRR
OOPPtrptrEpE trptDrpDtrpCtrpCtrpBtrpBtrpAtrpA
ttrrppRR
OOPPtrptrEpE trptDrpDtrpCtrpCtrpBtrpBtrpAtrpA
色氨酸操纵子的衰减作用
trpR
OP trpL trpE trpD trpC trpB trpA
5’
(1) 新合成的正链 RNA可以翻译A蛋白;
3’ (-) A
5’(+)
5’
但是很快形成二级结构,阻止A蛋白 的继续合成;
所以 A蛋白与C蛋白的量为1:180
Ø Rep的合成依赖于C蛋白的表达, 证据:C基因的codon6发生无义突 变:核糖体停留在该处,导致rep基 因RBS附近的二级结构无法打开, 则rep基因无法表达。
AraC既是阻遏蛋白, 又是激活蛋白;

原核生物基因表达调控

原核生物基因表达调控

20
同位素示踪实验
把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸,但没 有半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代然后再将这些带有 放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培养基中 随着培养基中诱导物的加入, β-半乳糖苷酶便开始合成。 分离β-半乳糖苷酶, 发现这种酶无35S标记说明酶的合 成不是由前体转化而来的, 而是加入诱导物后新合成的。
• Jacob和Monod认为诱导酶(他们当时称为适应酶)
现象是个基因调控问题, 可以用实验方法进行研究, 因此
选为突破口, 终于通过大量实验及分析, 于1961年建立
了该操纵子的控制模型。
-
21
酶的诱导
-
22
• 酶的诱导现象是生物进化过程中出现的一种合理、 经济地利用有限资源的本能。
• 酶诱导已证明是低等生物的普遍现象。
倒位片段
鼠伤寒沙门菌鞭毛素基- 因的调节
H1鞭毛素
10
鼠伤寒沙门氏菌(S.typhimrium)的相转变(phase variation)
-
11
2.σ 因子对原核生物转录起始的调控
σ因子:原核生物RNA聚合酶的一个亚基,是转录起 始所必需的因子,主要影响RNA聚合酶对转录起始 位点的正确识别,这种σ因子称σ70,此外还有分子量 不同,功能不同的其他σ因子 。
PO
操纵子可视为原核生物的转录单位,它可以逐个
地从原核生物基因组中分离出来,对其结构功
能加以研究。
-
15
3.乳糖操纵子
1) 乳糖操纵子的结构
启动子 操纵基因
调节蛋白
(阻遏蛋白)
-
结构基因
16
3个编码的结构基因
• Z编码β-半乳糖苷酶: 将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖,还能 将乳糖转变为异构乳糖

原核生物基因表达调控的方式

原核生物基因表达调控的方式

原核生物基因表达调控的方式
1.DNA、染色体水平调控:基因丢失、基因修饰、基因重排、基因扩增、染色体结构变化。

2.转录水平调控(主要调控方式):转录起始、延伸、终止均有影响。

原核生物借助于操纵子,真核生物通过顺式作用元件和反式作用因子相互作用进行调控。

3.转录后水平调控:主要指真核生物原初转录产物经过加工成为成熟的mRNA,包括加帽、加尾、甲基化修饰等。

4.翻译水平调控:对mRNA稳定性的调控、反义RNA对翻译水平的调控等。

5.翻译后水平调控:蛋白质的剪切、化学修饰(磷酸化、乙酰化、糖基化等)、转运等。

6.mRNA降解的调控。

分子生物学第七章原核生物基因表达调控

分子生物学第七章原核生物基因表达调控
31
(三)、阻遏物 lac I 基因产物及功能
Lac 操纵子阻遏物 mRNA 是由弱启动子控制下组 成型合成的,该阻遏蛋白具有4个相同的亚基,每个亚 基均含347个氨基酸残基。
lacI 基因为组成型,通过启动子的上升突变体可获 得较多的阻遏蛋白;
阻遏物 2022/10/18
β-半乳糖苷酶 透过酶 转乙酰3酶2
2022/10/18
16
调节机理:
细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度发生改变
氨酰 – tRNA的浓度变化
核糖体在转录产物RNA上的结合位置不 同,使得RNA形成特定的二级结构 由RNA的二级结构判断基因能否继续转录
2022/10/18
17
3、降解物对基因活性的调节P252
葡萄糖效应或降解物抑制作用:细菌培养基中在 葡萄糖存在的情况下,即使加入乳糖、半乳糖等 诱导物,与其对应的操纵子也不会启动,这种现 象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。
这是通过阻止乳糖操纵子表达来完成的,这种 效应称为降解物抑制(catabolite repression)。
2022/10/18
35
(五)、cAMP与代谢物激活蛋白
葡萄糖
葡萄糖-6-磷酸
甘油 某些代谢产物抑制活性
腺苷酸环化酶
ATP
cAMP
编码
cAMP-CAP
Crp基因
代谢物激活蛋白 CAP
葡萄糖对其它糖的代谢抑制,是通过对 cAMP的抑制完成的。
2022/10/18
22
一、酶的诱导 ——
lac 体系受调控的证据
两种含硫的乳糖类似物:
异丙基巯基半乳糖苷
(IPTG)
巯甲基半乳糖苷(TMG)
E. coli 在不含乳糖的培养基生 长时,β-半乳糖苷酶含量极低;

分子生物学课件第十章-原核生物基因表达的调控

分子生物学课件第十章-原核生物基因表达的调控
Trp作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合从而激活其活性!
第十章 原核生物基因表达的调控
色氨酸操纵子的阻遏系统
trpR
trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA
TrpR(无 活 性 )
活化的 阻遏蛋白
阻遏物
(Trp)
图 16-27 TrpR 被 Trp 激 活 后 可 阻 遏 trp 操 纵 子 的 转 录 (仿 B .L ew in:《 G E N E S 》 Ⅳ , 1 9 9 0 , F ig .1 3 .1 6 )
操纵子学说:操纵子是原核生物在分子水平上基因表 达调控的单位,由调节基因、启动子、操纵基因和结 构基因等序列组成。通过调节基因编码的调节蛋白或 与诱导物、辅阻遏物协同作用,开启或关闭操纵基因, 对操纵子结构基因的表达进行正、负调控。
莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖。
I
PO
Z YA
结构基因
阻 遏 物 基 因启 动 子操 纵 基 因 产 生 阻 遏 蛋 RN白 A酶 结 结 合 合 阻 遏 物
第十章 原核生物基因表达的调控
乳糖操纵子
结构基因的功能:负责乳糖的降解。 Z 编码β-半乳糖苷酶; Y 编码β-半乳糖苷透过酶; A 编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶。
☆ β-半乳糖苷酶:是一种β-半乳糖苷键的专一性酶,除 能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外,还能水解其他β-半 乳糖苷(如苯基半乳糖苷)。
激活到蛋白质生物合成的各个 阶段,因此基因表达的调控可 分为转录水平(基因激活及转 录起始),转录后水平(加工 及转运),翻译水平及翻译后 水平,但以转录水平的基因表 达调控最重要。
第十章 原核生物基因表达的调控

第七章、原核生物基因表达调控

第七章、原核生物基因表达调控
第七章、原核生物的基因表达调控
本章重点:操纵子的结构与功能、负转录调 控、正转录调控、诱导与阻遏。 本章难点:弱化子的作用机理、葡萄糖效应。
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第一节、原核生物基因表达调控总论
原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻 莫测的环境中,食物供应毫无保障,只有根据 环境条件的改变合成各种不同的蛋白质,使代 谢过程适应环境的变化,才能维持自身的生存 和繁衍。原核生物中,营养状况和环境因素对 基因表达起着举足轻重的影响。在真核生物尤 其是高等真核生物中,激素水平和发育阶段是 基因表达调控的最主要手段,营养和环境因素 的影响力大为下降。
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3.调节基因(阻遏基因I)和操纵基因(操纵区O)的发现 (1)已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况下都能产生lacmRNA的突变体,这种失去调节能力的突变体称为永久(组成) 型突变体,为分两类:I型和O型。 I型:野生型为I+,突变型为IO型:野生型为O+,突变型为Oc。 (2)I+→ I-或O+→Oc后,Z、Y、A结构基因均表现为永久表 达,所以I基因(阻遏基因I)被称为调节基因(regulatory gene)。 研究发现,I基因是一个产生阻遏物的调节基因,其产物使体系关 闭。 I-突变体由于不能产生阻遏物,使lac永久表达。 I-/I+局部二 倍体由于带有一个正常阻遏物,使细胞中的lac被抑制。 (3)遗传学图谱分析指出,Oc突变位于I与Z之间,所以,lac 体系的4个基因的序列为IOZY。通过这些观察,Jacob和Monod推 断Oc突变代表DNA链上的一个位点或一个非编码区域,而不是一 个基因,因为可编码的基因具有互补性,而Oc没有这一特性。O 决定相邻Z基因的产物是诱导型合成还是永久型合成,O区域称为 操纵基因。
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Repressor
cAMP
CAP
葡萄糖不存在,乳糖存在,阻遏蛋白失活,cAMP+CAP与CAP位点结合结合,促进基因转录
The Lac Operon: III. 葡萄糖和乳糖都存在
Repressor
RNA Pol.
CAP Bindin
g
Promoter
Operator X
LacZ
Repressor负调节与正调节协调合作
• 阻遏蛋白封闭转录时,CAP不发挥作用 • 如没有CAP加强转录,即使阻遏蛋白从操作基因上解聚仍无转录活性
3)正调控和负调控
正调控(positive control)
在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的,加入某种调节蛋白后基因活性就被开启,这样的调控为正转录 调控。
调节基因
操纵基因
结构基因
调节蛋白
mRNA 酶蛋白
负调控(negative control)
在没有调节蛋白质存在时基因是表达的,加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭,这样的调 控负转录调控。
2)结构基因和调节基因
➢ 组成基因/管家基因(constitutive gene, housekeeping gene)是指不大受环境变动而持 续表达的一类基因。如DNA聚合酶,RNA聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的基因 。 ➢调节基因(regulated gene)指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因。如:不同生 长发育时期表达的一些基因。
• 别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物 • 异丙基硫代半乳糖苷(isopropyl thiogalactoside:IPTG)结构上类似于别乳糖,是乳糖操纵
子非常有效的诱导物。可诱导lac操纵子表达,但不能被β-半乳糖苷酶水解。 • 这种能诱导酶合成,但不能被酶分解的分子称为安慰诱导物(gratuitous inducer)。安慰诱导
• Jacob和Monod认为诱导酶(他们当时称为适应酶)现象是个基因调控问题,可以用实验方法 进行研究,因此选为突破口,终于通过大量实验及分析,于1961年建立了该操纵子的控制模型。
酶的诱导
• 酶的诱导现象是生物进化过程中出现的一种合理、经济地利用有限资源的本能。 • 酶诱导已证明是低等生物的普遍现象。
3)乳糖操纵子可诱导的负调节机制
• 无乳糖: lac操纵子处于阻遏状态(repression) • 有乳糖: lac操纵子即可被诱导
诱导剂(inducer): 别乳糖、半乳糖、IPTG (异丙基硫代半乳糖苷)
当阻遏物与操纵基因结合时,lac mRNA的转录起始受到抑制。
• 经诱导后,RNA聚合酶首先与启动区(P)结合,通过操纵区(O)向右转录。 转录从O区的中间开始, 按Z→Y→A方向进行,每次转录出来的一条mRNA上都带有这3个基因。
• 顺式作用元件(cis-acting factor):指对基因表达有调节活性的DNA序列,其活性只 影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因。顺式作用元件通常不编码蛋白质,多位于 基因旁侧或内含子中。如:位于转录单位开始和结束位置上的启动子和终止子,都是典 型的顺式作用元件。
• 基因活性的调控主要通过反式作用因子和顺式作用元件相互作用而实现。
X CAP
The Lac Operon: II. 乳糖存在,葡萄糖不存在
Repressor
CAP Bindin
CAgP
cAMP
PRroNmAoter Pol.
Operator X
Repressor mRNA
LacZ Repressor
Repressor
LacY
LacARPNolA.
CAP cAMP


• 乳糖操纵子的控制模型,其主要内容如下:

① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。
② 这个mRNA分子的启动子紧接着操纵基因(O区),而位于I与O之间的启动子区(P),不能单独
启动下游mRNA分子的转录。
③ 操纵基因(O区)是DNA上的一小段序列(仅为26bp),是阻遏物的结合位点。
Repressor
Repressor
LacY
LacA
X CAP
Repressor 葡萄糖存在,乳糖存在,阻遏蛋白失活, cAMP缺乏,不与CAP结合,基因不转录
The Lac Operon: IV. 乳糖不存在,葡萄糖也不存在
Repressor
Repressor mRNA
CAP Bindin
CAgP
• CAP是cAMP受体蛋白( cAMP receptor protein, CRP),其分子内有DNA结合区及cAMP结合位 点,是一个正调控因子,生化和遗传学实验证明,CAP可以结合到启动子的某个部位而激活操纵子 的转录。
• 在依赖CAP的启动子上起始转录必须有CAP参与。cAMP下降,CAP无活性不能与控制区结合, RNA聚合酶就不能启动转录。
物由于能在细胞内保持原型不变,因此很有用处。 IPTG常用于诱导含有使用了lac启动子的质粒 载体的细菌中的重组蛋白的表达。
4)乳糖操纵子的正调控
➢ 当大肠杆菌以乳糖为唯一碳原时,lac操纵子可被乳糖诱导而表达,可是在培养基中同时加入葡萄糖时, 细菌优先利用葡萄糖,只有葡萄糖耗尽时,乳糖才能诱导基因的表达,这种现象称为分解物阻遏/代谢 物阻遏(catabolite repression);
在lac操纵元的启动子Plac上游端有一段序列与Plac部分重叠的序列,能与CAP特异结合,称为CAP结合 位点(CAP binding site)。CAP与这段序列结合时,可增强RNA聚合酶的转录活性,使转录提高 50倍。相反,当有葡萄糖可供分解利用时,cAMP浓度降低,CRP不能被活化,lac操纵元的结构基因 表达下降。
The Lac Operon: I. 葡萄糖存在,乳糖不存在
Repressor
CAP Bindin
PrRomNoAter
Operator
g
Pol. Repressor
LacZ
Repressor mRNA
LacY
LacA
Repressor 葡萄糖存在,乳糖不存在,阻遏蛋白与操纵基因结合,基因不转录
cAMP
PrRoPmNoloA.ter
Operator Repressor
LacZ
LacY
LacA
CAP cAMP
Repressor
cAMP
CAP
葡萄糖不存在,乳糖不存在,阻遏蛋白与操纵基因结合, cAMP+CAP与CAP位点结合,基因不转 录
cAMP参与的正调节作用机制
➢ Plac是弱启动子,仅由乳糖的存在发生去阻遏使lac操纵子转录开放,还不能使细菌很好利用乳糖, 必需同时有CAP来加强转录活性,细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
不转录,基因封闭
4)激活蛋白和阻遏蛋白
激活蛋白(activator),在正调控系统中,调节蛋白称诱导蛋白或激活蛋白。和操纵基因 结合后引起基因表达开放。
阻遏蛋白(repressor), 是负调控系统中由调节基因编码的调节蛋白。和操纵基因结合后引 起基因表达关闭。
二、DNA水平调控 1. 细菌DNA重排对基因表达的影响
3.原核基因表达调控的几个概念
1)顺式作用元件和反式作用因子
➢基因表达的产物(蛋白质或RNA)从合成的场所扩散到目标场所而发挥作用的过程称为反式作 用(trans-acting),此基因表达产物被称为反式作用因子(trans-acting factor) 。反式 作用因子通常为的蛋白质或RNA。 ➢顺式作用(cis-acting):任一不转变为任何其他形式的DNA序列在原位发挥作用,影响与其 相连的其它DNA序列的活性。
➢ 细胞内cAMP与CRP/CAP(环腺苷酸受体蛋白/代谢物激活蛋白,由Crp基因编码)形成的复合物 是启动lac转录的必要条件。
➢葡萄糖的存在降低了细胞内cAMP的含量,所以葡萄糖存在时,不能形成复合物,从而抑制乳糖代 谢操纵子的表达。
➢lac操纵子的强诱导既需要有乳糖的存在又需要没有葡萄糖可供利用。通过这机制,细菌是优先利 用环境中的葡萄糖,只有无葡萄糖而又有乳糖时,细菌才去充分利用乳糖。 结论:lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖
σ因子:原核生物RNA聚合酶的一个亚基,是转录起始所必需的因子,主要影响RNA聚合酶 对转录起始位点的正确识别,这种σ因子称σ70,此外还有分子量不同,功能不同的其他σ因 子。
在转录起始阶段,σ因子识别特异启动序列;不同的σ因子决定特异编码基因的转录激活, 也决定不同RNA(mRNA、rRNA和tRNA)基因的转录。σ亚基在转录延长时脱落。
• 在E.coli,不同类型的启动子需要不同类型的σ因子
σ32 调控热休克基因 (heat shock genes) σ54/60 调控氮代谢基因 σF 调控鞭毛基因 σ43 调控噬菌体基因枯草杆菌 (B.subtilis)
三.操纵子对基因表达的调控
1.操纵子学说 (theory of operon) 1961年,法国巴斯德研究院的 Francois Jacob(雅各布) 与Jacques Monod(莫洛)提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
• ④当阻遏物与操纵基因结合时,lac mRNA的转录起始受到抑制。 ⑤诱导物通过与阻遏物结合,改变它的三维构象,使之不能与操纵基因结合,从而激发lacmRNA 的合成。当有诱导物存在时,操纵基因区没有被阻遏物占据,所以启动子能够顺利起始mRNA的合 成。
• 2)lac体系受调控的证据
• 在不含乳糖的培养基中,每个大肠杆菌细胞内大约只有1-2个利用乳糖的酶分子。如果在培养基中加入 乳糖,利用乳糖的酶浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%,每个细胞中可有超过105个酶分子。
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