7 原核基因表达调控

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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。

第七章原核生物的基因调控

第七章原核生物的基因调控

第七讲原核生物的基因调控科学家把这个从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(gene expression),对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。

要了解动、植物发展发育的规律、形态布局特征和生物学功能,就必需弄清楚基因表达调控的时间和空间概念,掌握了基因表达调控的奥秘,我们手中就有了一把揭示生物学微妙的金钥匙。

基因表达调控主要暗示在以下几个方面:①转录程度上的调控(transcriptional regulation);②mRNA加工成熟程度上的调控(differential processing of RNAtranscript);③翻译程度上的调控(differential translation of mRNA).原核生物中,营养状况(nutritionalstatus)和环境因素(environmental factor)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,激素程度(hormone level)和发育阶段(developmental stage)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。

二、基因表达调控的底子道理〔一〕基因表达的多级调控基因的布局活化、转录起始、转录后加工及转运、mRNA降解、翻译及翻译后加工及蛋白质降解等均为基因表达调控的控制点。

可见,基因表达调控是在多级程度长进行的复杂事件。

此中转录起始是基因表达的底子控制点。

四个底子的调控点:〔1〕基因布局的活化。

DNA表露碱基后RNA聚合酶才能有效结合。

活化状态的基因暗示为:1.对核酸酶敏感;2.结合有非组蛋白及修饰的组蛋白;3.低甲基化。

〔2〕转录起始。

最有效的调节环节,通过DNA元件与调控蛋白彼此作用来调控基因表达。

〔3〕转录后加工及转运。

RNA编纂、剪接、转运。

〔4〕翻译及翻译后加工。

翻译程度可通过特异的蛋白因子阻断mRNA 翻译翻译后对蛋白的加工、修饰也是底子调控环节。

分子生物学 ch7原核生物基因表达调控

分子生物学    ch7原核生物基因表达调控

调节蛋白
由调节基因lacI编码,单顺反子,有自身弱启 动子,能独立地组成型表达 阻遏蛋白一个结合位点是诱导物结合位点, 可被小分子诱导物结合,改变其构型,从而 影响与操纵基因结合的活性 阻遏蛋白一个结合位点是操纵基因结合位点, 分 调节蛋白以四聚体形式与操纵基因Olac结合, 子 阻遏结构基因的表达 生

物 学

CAP(降解物活化蛋白)或CRP(环腺苷酸受体 蛋白)是分子量为22.5kd的二聚体,CRP单体具有 DNA结合区和转录激活区,二聚体被单个cAMP活化, cAMP-CAP复合物与启动子结合,促进基因表达

葡萄糖分解代谢降低cAMP水平,使得其他分解代
谢受阻
CAP
RNA聚合酶结合
-35 cAMP

——阻遏蛋白(repressor)的结合操纵序列 当操纵序列结合有阻遏蛋白时,会阻碍
RNA聚合酶与启动序列的结合,或是RNA聚合酶
不能沿DNA向前移动 ,阻碍转录。
pol 启动序列 操纵序列 编码序列 阻遏蛋白
激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的
DNA序列,促进RNA聚合酶与启动序列的结合,增
无效应物(辅阻遏物)——基因表达
操纵子分类

四类: 可诱导的正调控型:(ara O): 可阻遏的正调控型 可诱导的负调控型(lac O)、 可阻遏的负调控型(trp O)
有 效 应 物 * 基 因 表 达 无 效 应 物 * 基 因 表 达
调节蛋白结合-阻遏基因表达 (阻遏蛋白)
负调控
调节蛋白结合-基因表达 (激活蛋白)
酶和转乙酰酶,结构基因由位于上游的一个lac启动子(lacP)起始
转录;lac操纵基因(lacO)位于lacP启和lacZ之间,并且和lacP有 部分重叠,其上可结合位于上游具有独立转录单位的lac调节基因

第七、八章 原核生物、真核生物基因的表达调控

第七、八章  原核生物、真核生物基因的表达调控

阿拉伯糖操纵子的基因结构图 注:操纵子由结构基因B、A、D以及调控元件I1、I2、O1、O2和 启动子构成。AraC基因编码调节蛋白AraC。
21
阿拉伯糖操纵子(The ara Operon)
• 结构基因为:B、A、D,分别编码异构酶、 激酶、表位酶 • 功能:催化阿拉伯糖转变为5-磷酸木酮 糖,进入磷酸戊糖途径。 • 特点:调节基因为C基因,编码调控蛋白 C蛋白。
色氨酸操纵子的转录衰减作用
色氨酸丰富时,核蛋白体顺利沿引导序列移动直达最后一个密码子UGA,合 成完整的引导肽。UGA位于1区和2区之间,核蛋白体占据2区,使3区不能与2区互 补而与4区互补,形成终止子发夹结构,RNA 聚合酶停止在衰减子部位。 色氨酸缺乏时,核蛋白体因原料缺乏终止在1区Trp密码子部位,2区无法与1 区配对且在4区被转录出来之前与3区互补,4区处于单链状态,不能形成终止发 夹,RNA 聚合酶通过衰减子而继续转录。
(1)阻遏蛋白的负性调节—酶合成的诱导: • 无乳糖(no lactose): lac操纵子处于阻遏状态 (repression),即这类基因平时都是处于关闭状 态; • 有乳糖(presence of lactose):lac操纵子即可 被诱导(derepression,induction),即这类基因 由平时的关闭状态转变为工作状态。
止结构,所以转录可继续进行,直到将trp操纵子
中的结构基因RNATrp很多, 这样翻译通过两个相邻的色氨酸密码子的速 度就会很快,在4区被转录之前,核糖体就达 到2区,这时的前导区结构2-3不能配对,3-4 可以自由配对形成茎环状的终止结构,所以 转录停止, RNA聚合酶脱落,转录终止,trp 操纵子中的结构基因被关闭而不再合成色氨 酸。 原核生物基因表达特点—转录与翻译偶联。

原核生物基因表达调控

原核生物基因表达调控

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

分子生物学复习7-9

分子生物学复习7-9

第七章基因的表达与调控(上)——原核基因表达调控模式(一)基本概念1.基因表达:细胞在生命过程中,把蕴藏在DNA中的遗传信息经过转录和翻译,转变成为蛋白质或功能RNA分子的过程称为基因表达。

2.基因表达调控:围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都统称为基因表达调控。

rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA 的基因表达,因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。

3.组成型表达:指不大受环境变动而变化的一类基因表达。

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表达。

管家基因:某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达,通常被称为管家基因。

管家基因无论表达水平高低,较少受到环境因素的影响。

在基因表达研究中,常作为对照基因适应型表达:指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。

应环境条件变化基因表达水平增高或从无到有的现象称为诱导,这类基因被称为可诱导的基因;相反,随环境条件变化而基因表达水平降低或变为不表达的现象称为阻遏,相应的基因被称为可阻遏的基因。

4.结构基因:编码蛋白质或功能性RNA的任何基因。

所编码的蛋白质主要是组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、具有催化活性的酶和调节蛋白等。

原核生物的结构基因一般成簇排列,真核生物独立存在。

结构基因簇由单一启动子共同调控。

调节基因:参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。

①调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。

②调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式(启动或增强基因表达活性调节靶基因,也能以负调控的方式(关闭或降低基因表达活性)调节靶基因。

操纵子:由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位,其中结构基因的转录受操纵基因的控制。

(二)原核基因调控的分类和主要特点一、原核生物的基因调控特点:(1)基因调控主要发生在转录水平上,形式主要是操纵子调控.(2)有时也从DNA水平对基因表达进行调控,实质是基因重排。

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。

第7章 基因表达调控-原核

第7章 基因表达调控-原核

7原核生物基因表达调控7.1基因表达的调控7.2转录水平的调控7.3翻译水平的调控7.1基因表达的调控基因表达包括:①基因经转录、翻译产生有生物活性的蛋白质的过程。

②rRNA 或tRNA 的基因经转录和加工产生成熟的rRNA 或tRNA 的过程。

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 到蛋白质或RNA 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的层次DNA水平的调控:通过DNA重排等机制来调节基因表达。

转录水平的调控:调控DNA模板上转录特异mRNA的速度,这是生物在进化过程中选择的最经济的调控方式。

翻译水平的调控:mRNA合成后,通过控制多肽链的形成速度调控。

原核中,操纵子是调控表达的基本单位,调控主要在转录水平。

7.1.1基因表达适应环境的变化生物只有适应环境才能生存,当环境条件变化时,生物体就要改变自身基因表达状况,以调整体内执行相应功能蛋白质的种类和数量,从而改变自身的代谢、活动等以适应环境。

细胞中有些蛋白质的数量几乎不受环境变化影响,称为组成性蛋白,如糖酵解中的酶。

随环境变化而变化的蛋白为适应性蛋白,这是由基因表达调控的。

①组成性表达(constitutive expression) 指不随环境变化而变化的基因表达。

组成性表达的产物为组成性蛋白,是细胞或生物体整个生命过程中必不可少的,这类基因可称为看家基因(housekeeping gene)。

基因表达几乎不受环境影响的原因可能是由于操纵子或调节基因突变造成的:即形成的有活性的阻遏蛋白不能与操纵子结合,或不能形成有活性的阻遏蛋白。

这类基因中大多数是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的,是细胞基本的基因表达,这是生物在进化过程中形成的遗传特性。

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

负转录调控
• 负控诱导 阻遏蛋白不与效应物
结合时基因不转录。
• 负控阻遏 阻遏蛋白与效应物 结合时,基因不转录。
正转录调控
• 正控诱导 有效应物时,激活蛋白 处于活性状态基因转录。
• 正控阻遏 有效应物时,激活蛋 白处于无活性状态基 因不转录。
负控诱导
正控诱导
负控阻遏
正控阻遏
1、原核生物基因调控机制的类型
6、色氨酸操纵子(元)调节过程涉及 D
(A) 转录水平调节 (B) 转录激活调节
(C) 翻译水平调节
(D) 转录/翻译调节
(A) Lac阻遏蛋白 (B) RNA聚合酶
(C) 环一磷酸腺苷
(D) CRP-cAMP 7、与O序列结合
A
8、与P序列结合 B 9、 与CRP结合 C 10、与CAP位点结合 D
境能提供足够浓度的色氨酸时,R与色氨酸结合后而活化,
能够与O结合,阻遏结构基因的转录,开 关。
(二) 弱化子及其作用
当色氨酸达到一定浓度,但还没有高到能够活化 R使其起阻遏作用的程度时,产生色氨酸合成酶 类的量已经明显降低,而且产生的酶量与色氨酸 浓度呈负相关。这种调控现象与色氨酸操纵子特
殊的结构有关。
乳糖存在诱导基因转录
乳糖(lac)操纵子的表达调控
1、阻遏蛋白的负性调控
没有乳糖时,1ac操纵子处于阻遏状态。i 基因在自身的 启动子Pi 控制下,产生阻遏蛋白R。R以四聚体形式与 操纵子o结合,阻碍RNA聚合酶与启动子P的结合。
当有乳糖存在时,乳糖与R结合,使R四聚体解聚成
单体,失去与o的亲和力,与o解离,基因转录开放。
(D) 在生物个体的某一生长阶段持续表达
2、一个操纵子(元)通常含有

分子生物学原核生物基因表达调控ppt课件

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14
一、原核基因表达调控环节
1、转录水平上的调控
(transcriptional regulation)
2、转录后水平上的调控
(post-transcriptional regulation)
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
15
二、操纵子学说
1、操纵子模型的提出 1961年,Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
54
55
③ 操纵基因是DNA上的一小段序列(仅为26bp), 是阻遏物的结合位点。
56
RNA聚合酶结合部位
阻遏物结合部位
57
操纵位点的回文序列
58
④当阻遏物与操纵基因结合时,lac mRNA的转 录起始受到抑制。
59
未诱导:结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
LacI P O
lacZ
lacY
lacA
32
酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
调节基因
操纵基因
结构基因
诱导物
如果某种物质能够促使
阻遏蛋白
mRNA
细菌产生酶来分解它,
这种物质就是诱导物。
诱导物
酶蛋白
33
• 可阻遏调节:基因平时是开启的,处在产生蛋白质 或酶的工作过程中,由于一些特殊代谢物或化合物 的积累而将其关闭,阻遏了基因的表达。 例:色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
1、根据操纵子对调节蛋白(阻遏蛋白或激活蛋白) 的应答,可分为: 正转录调控 负转录调控
29
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白 阻遏蛋白
正转录调控 负转录调控

最新7原核生物基因表达调控汇总

最新7原核生物基因表达调控汇总

2020/8/13
6
指挥基因调控的信号
– 原核生物:营养状况、环境因素 – 真核生物:激素水平、发育阶段
2020/8/13
7
基因表达调控的时间性和空间性
2020/8/13
8
7.1.1 原核基因调控分类
原核生物的基因调控主要是转录调控,包 括负转录调控和正转录调控。
• 正调控(positive control): 在操纵子中,结构基因本 来不表达,可当调节蛋白(无辅基诱导蛋白)出现时,使 该结构基因进行表达。这样的调控叫正调控。
• 调节蛋白(regulatory protein):调节基因的表达产物, 叫调节蛋白。包括正调节蛋白,又叫激活蛋白 (activator);负调节蛋白,又叫阻遏蛋白(repressor)。
• 由于调节蛋白(RNA)能够自由地与其相应的结合位点 结 合 , 故 又 称 为 反 式 作 用 因 子 ( trans-acting element)。
7原核生物基因表达调控
7.1 原核基因表达调控总论
• 基因表达(gene expression) :指基因经过转 录、翻译,产生具有特异生物学功能的蛋白质分 子或RNA产物的过程。
• 对 这 个 过 程 的 调 节 称 为 基 因 表 达 调 控 ( gene regulation 或 gene control)
2020/8/13
3
调控型基因(regulated genes)
• 又称奢侈基因(luxury genes) 在不同组织 细胞中选择表达的基因。根据细胞生长、 发育的需要或环境因素的改变,其活性受 到调控。
2020/8/13
4
2020/8/13
5
基因表达调控主要表现在以下两个方面: • 转 录 水 平 上 的 调 控 (transcriptional

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;

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。

分子生物学-13-4-第七章原核基因表达调控-Arb

分子生物学-13-4-第七章原核基因表达调控-Arb

因此只有在没有葡萄糖的时候,同时又有半乳糖的时候,启动子1才是开放的为什么gal 操纵子需要两个转录起始位点?(涉及半乳糖在细胞代谢中的双重功能)半乳糖两个作用: 可以作为唯一碳源供细胞生长; 与之相关的物质--尿苷二磷酸半乳糖(UDPgal )是大肠杆菌细胞壁合成的前体。

而启动子也有两个: galP1起始的转录——无内源葡萄糖、有外源半乳糖时进行,以保证碳源的供应。

galP2起始的转录——有内源葡萄糖、无外源半乳糖时进行,以保证细胞壁的合成需要。

生理功能(可以理解为生物学意义?)无论从必要性和经济性考虑,都要有一个不依赖于cAMP-CAP 的启动子(s2) 进行本底水平的组成型合成,以及一个依赖于cAMP-CAP 的启动子(s1),进行高水平的调节,这样既可以满足细胞最基本的需要(细胞壁),又可以满足在没有葡萄糖而有半乳糖时,细胞能够利用半乳糖进行生长。

进一步解释:gal P2是不依赖于cAMP-CRP 的,相反: cAMP-CRP 对gal P2还起到一种抑制作用,这是因为其与结合位点的结合,会影响到RNA 聚合酶对gal P2的利用。

因此教材上(page257)认为:只有S2活性完全被抑制时,(S1)的调控作用才是有效的。

7.4.2 阿拉伯糖操纵子(arabinose operon)araB 基因、araA 基因和araD, 形成一个基因簇,简写为araBAD三个基因的表达受到ara 操纵子中araC 基因产物AraC 蛋白的调控。

C 蛋白有三个结合位点O2、O1和 I 。

I BADCRPO2O1C结构基因调节基因P BADaraC 基因是araBAD 的调节基因L核酮糖激酶L阿拉伯糖异构酶L核酮糖-5-磷酸-4-差相异构酶结合到ara I 的时候,由于araBAD的启动子本身与ara I有部分重叠,另外还可以引起上游序列回折弯曲,使得AraC同时与O2结合,从而使CRP 聚合酶也不能结合到启动子上,araBAD基因不转录。

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第七章原核基因表达调控原核生物及单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的环境中,食物供应无保障,只能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。

高等真核生物代谢途径和食物来源都比较稳定,但由于它们是多细胞有机体,在个体发育过程中出现细胞分化,形成各种组织和器官,而不同类型的细胞所合成的蛋白质在质和量上都是不同的。

不论是真核还是原核细胞都有一套准确地调节基因表达和蛋白质合成的机制。

原核生物细胞的基因和蛋白质种类较少,但这些蛋白质并不是以相同拷贝数存在于每个细胞中,有些蛋白质的数量相当稳定,有些则变化很大。

合成速率不受环境变化或代谢状态的影响的叫组成型合成蛋白质,另一类是合成速率明显地受环境的影响而改变的蛋白质,叫适应型或调节型蛋白质1.组成型合成蛋白质(constitutive protein):在代谢过程中十分必需的酶或蛋白质,其合成速率不受环境变化或代谢状态的影响。

2. 适应型或调节型蛋白质(adaptive or regulated protein ):合成速率明显地受环境的影响而改变的蛋白质。

第一节原核基因表达调控总论一、原核基因表达调控总论基因表达(gene expression):储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。

实质上是指基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物,或转录后直接产生其RNA产物,如tRNA、rRNA等的过程。

1. 基因表达(gene expression):储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。

即以DNA为模板转录成mRNA,再以mRNA为模板翻译成蛋白质的过程,或以DNA为模板直接产生tRNA、rRNA等的过程。

2. 基因表达调控(gene regulation or control )对基因表达过程的调节。

3. 基因表达调控主要表现在以下两个方面:(1)转录水平上的调控(transcriptional regulation )(2)转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation )包括:①mRNA加工成熟水平上的调控②翻译水平上的调控4. 原核生物与真核生物转录及翻译调控的不同(1)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。

(2)在高等真核生物中,激素水平和发育阶段是基因表达调控的主要手段,营养状况和环境因素的影响不大。

(3)原核生物的转录与翻译几乎同时发生,即转录与翻译相偶联。

(4)真核生物中,转录产物只有从核内运到核外,才能被核糖体翻译成蛋白质。

二、基因表达调控模型——操纵子模型1、操纵子(operon):由几个相关的结构基因及其控制区组成,是基因表达的协同单位。

2、基本组成(1)调控基因或调节基因(regulatory gene,RG)是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。

与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白(repressive protein),其介导的调控方式称为负性调控(negative regulation);与操纵子结合后能增强或起动其调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白(activating protein),所介导的调控方式称为正性调控(positive regulation)。

(2) CAP位点( CAP site)大肠杆菌中的激活蛋白cAMP-CRP的结合位点。

(正调控位点)(3)启动子(promoter, P)是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。

一个操纵子至少有一个启动子,一般在第一个结构基因5′侧上游,控制整个结构基因群的转录。

(3)操纵基因(operator gene,O)是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列,常与启动子邻近或与启动子序列重叠,当调控蛋白结合在操纵基因序列上,会影响其下游基因转录的强弱。

(4)结构基因(structural gene, SG )操纵子中被调控的编码蛋白质的基因。

(5)终止子(terminator,T):是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。

在一个操纵子中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。

三、原核基因表达调控分类1、根据调控机制的不同可分为负转录调控和正转录调控。

(1)负转录调控:调节基因的产物是阻遏蛋白,起着阻止结构基因转录的作用。

分为负控诱导和负控组遏。

A、负控诱导:阻遏蛋白不与诱导物结合时,结构基因不转录。

正常情况下基因不表达或表达水平低,在环境改变或诱导物存在时,才开放转录。

(乳糖操纵子、半乳糖操纵子)B、负控阻遏:正常情况下开放,当诱导物出现时操纵子关闭。

(色氨酸操纵子、组氨酸操纵子)2、正转录调控:在正转录调控中,调节基因的产物是激活蛋白。

A、正控诱导:效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状态,诱导基因表达。

B、正控阻遏:效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于非活性状态,阻遏基因表达四、原核表达调控的主要特点1、可诱导调节:指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下,由原来关闭状态转变为工作状态,即在某些物质的诱导下使基因活化。

(乳糖操纵子、半乳糖操纵子)2、可阻遏调节:这类基因平时都是开启的,处在产生蛋白质或酶的工作过程中,由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭,阻遏了基因的表达。

(色氨酸操纵子)作为一般规律,可诱导的操纵子总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因,这些糖和氨基酸平时含量很少,细菌总是利用更一般的能源物质——葡萄糖的水解来提供能源,因此,这些操纵子常常是关闭的。

一旦生存条件发生变化,如葡萄糖缺乏而必须利用乳糖作为能源时,就要打开这些基因。

可阻遏基因的情况恰恰相反,它们是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质(如氨基酸、嘌呤、嘧啶等)的基因,由于这类物质在生命过程中的重要地位,这些基因总是打开的。

只有当细菌生活环境中有充分供应时,才关闭这些基因,停止其合成。

五、弱化子对基因活性的影响在这种调节方式中,起信号作用的是有特殊负载的氨基酰-tRNA的浓度,在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。

属于这种调节方式的有大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和颉氨酸操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操纵子、亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等。

在这种调节方式中,起信号作用的是有特殊负载的氨酰-tRNA的浓度。

在色氨酸操纵子中,就是色氨酰-tRNA的浓度。

六、降解物对基因活性的影响葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性。

操纵子学说的核心是使基因从表达抑制状态中解脱出来进行转录,是从负调节的角度来考虑基因表达调控的。

那么有没有从相反的角度进行正调节以提高基因的转录水平,使它由原来的低水平表达变成高水平表达呢?这就是降解物抑制作用的调节。

有葡萄糖存在的情况下,即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物,与其相对应的操纵子也不会启动,不会产生出代谢这些糖的酶来,这种现象称为葡萄糖效应或降解物抑制作用。

为什么会产生这种效应呢?因为添加葡萄糖后,细菌所需要的能量便可以从葡萄糖得到满足,葡萄糖是最方便的能源,细菌无需开启一些不常用的基因去利用这些稀有的糖类。

葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性,减少环腺苷酸(cANP)的合成,与它相结合的蛋白质即环腺苷酸受体蛋白CRP又称为分解代谢物激活蛋白CAP,因找不到配体而不能形成复合物。

降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的,是一种积极的调节方式。

七、细菌的应急反应信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp),产生这两种物质的诱导物是空载tRNA(激活焦磷酸转移酶的活性)。

该信号分子又称超级调控因子上述各点是细菌处于正常生活条件下的基因表达调节方式。

所谓“正常”,也包括生活环境中缺少某一种或两种能源,但能找到其他代用物。

可是,细菌有时会碰到紧急状况,比如氨基酸饥饿时,就不是缺少一二种氨基酸,而是氨基酸的全面匮乏,为了紧缩开支,度过难关,细菌将会产生一个应急反应,包括产生各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生化反应过程均被停止。

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

产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。

当氨基酸饥饿时,细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA,这种空载tRNA会激活焦磷酸转移酶,使ppGpp大量合成,其浓度可增加10倍以上。

ppGpp的出现会关闭许多基因,当然也会打开一些合成氨基酸的基因,以应付这种紧急状况。

鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)的作用范围十分广泛,它们不是只影响一个或几个操纵子,而是影响一大批,所以它们是超级调控因子。

第二节乳糖操纵子与负控诱导系统上次课我们学习了原核基因表达调控总论,那么,什么是基因表达?原核生物基因表达调控的模型是什么呢?它由哪几部分组成呢?原核生物的基因表达调控机制有哪些?在上中学的时候同学们学习过操纵子的有关内容吗?是哪一类型的操纵子?它是怎样调控?这次课我们学习乳糖操纵子与负控诱导系统,在学习的过程中,同学们注意与以前学习的知识相比较。

一、大肠杆菌乳糖操纵子(Lactose operon)的组成1、基本结构大肠杆菌乳糖操纵子主要包括调节基因I、CAP位点、启动子P、操纵基因O、结构基因Z、Y、A。

其中CAP位点是正调控蛋白cAMP-CRP的结合位点,O区和P区是RNA 聚合酶的结合部位。

O区是阻遏蛋白的结合部位。

转录时,RNA聚合酶首先与启动子区结合,通过操纵区向右转录。

转录从O区中间开始,按Z-Y-A方向进行,每次转录出来的mRNA 上都带有这3个基因,转录的调控是在启动区和操纵区进行。

2、主要组分由三个结构基因和一个调节基因和操纵基因(大小82个碱基对)、启动子构成:Z基因(大小3510个碱基对)——编码β-半乳糖苷酶,Y基因(大小780个碱基对)——编码β-半乳糖苷透过酶,A基因(大小825个碱基对)——编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶,调节基因I(大小1040个碱基对)——编码阻遏蛋白,操纵基因O,启动子P。

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)。

β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。

(乳糖利用中必需)。

β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作(乳糖利用中非必需)。

用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到β-半乳糖苷上,形成乙酰半乳糖。

二、酶的诱导----lac体系受调控的证据1、lac体系的“开--关”特性在不含乳糖及β-半乳糖苷的培养基中,lac+基因型大肠杆菌细胞内β-半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低,每个细胞内只有1-2个酶分子。

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