分子生物学课件第十章 原核生物基因表达的调控

3′
启动子有三个功能区：启始部位（+1区）、结合部位 启动子有三个功能区：启始部位（+1区）、结合部位 10区）、识别部位 35区 识别部位（ （-10区）、识别部位（-35区） 第十章 原核生物基因表达的调控
2.1.1 影响因素 ⑵ σ因子 识别基因的启动子，控制转录时序。 识别基因的启动子，控制转录时序。 σ70： σ70：识别大多数基因的启动子 σ32：识别热休克诱导基因的启动子，控制热休克蛋 σ32：识别热休克诱导基因的启动子，控制热休克蛋 基因表达。 protein,Hsp)基因表达 白 (heat shock protein,Hsp)基因表达 阻遏蛋白与激活蛋白： ⑶ 阻遏蛋白与激活蛋白：调控转录 阻遏蛋白(repressive protein)： 阻遏蛋白(repressive protein)：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 阻遏蛋白, 阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白,其介导的 调控方式称为负调控 负调控(negative regulation),抑制转录 抑制转录； 调控方式称为负调控(negative regulation),抑制转录； 激活蛋白(activating protein)： 激活蛋白(activating protein)：与操纵子结合后能增强或起 动调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白 激活蛋白， 动调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白，所介导的调控 方式称为正调控 正调控(positive 促进转录。 方式称为正调控(positive regulation) ,促进转录。 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 概述 1.2 基因表达的方式 组成型表达（ expression） ⑴ 组成型表达（constitutive gene expression） 基因表达只受启动子序列或启动子与RNA聚合酶相 基因表达只受启动子序列或启动子与RNA聚合酶相 RNA 互作用的影响，不受其他机制的调节。 互作用的影响，不受其他机制的调节。 管家基因（housekeeping gene）： gene）： 管家基因（ 在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。 在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。 奢侈基因（ gene）： 奢侈基因（luxury gene）： 只在特定的细胞类型中表达的基因。 只在特定的细胞类型中表达的基因。 组成蛋白质 正调节蛋白 细胞中的蛋白质 调节蛋白质 负调节蛋白 第十章 原核生物基因表达的调控
1.1 基因表达的时空特异性 空间特异性(spatial 空间特异性(spatial specificity) 在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组 在个体生长全过程， 织空间顺序出现 同形异位盒基因(homeobox) 同形异位盒基因(homeobox) : 高度保守的一段核苷酸 序列（180bp）,控制胚胎发育的基因 序列（180bp） 同形异位现象(homeosis): 同形异位现象(homeosis): 果蝇头部长触角部位长出脚来
第十章 原核生物基因表达的调控
1 概述 1.1 基因表达的时空特异性 时间特异性(temporal specificity)： 时间特异性(temporal specificity)： 某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生。 某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生。 ☆ Hb (hemoglobin) α珠蛋白基因簇：ζ（胚胎型）、α 珠蛋白基因簇： 胚胎型）、α ）、 β珠蛋白基因簇：ε（胚胎型）、γ（胎儿型）、 珠蛋白基因簇： 胚胎型）、γ 胎儿型）、 ）、 β、δ（成人型） 成人型） 血红蛋白： 胚胎型） 胎儿型） 血红蛋白：ζ2ε2 （胚胎型）→α2γ2（胎儿型） 成人型） →α2β2 （成人型） 第十章 原核生物基因表达的调控
启动子
-35 5′ 3′ -10 +1
TAGTGTA TTGACA TGATAGAAGCACTCTAC TATATT CTCAAT AGGTCCACG ATCACATAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC 转录 mRNA
5′ AGGUCCACG
3′ 5′
第十章 原核生物基因表达的调控
1 概述 中心法则(the central dogma) 中心法则(the RNA复制 RNA复制 复制 转录 DNA 逆转录 RNA 翻译 蛋白质
基因表达(gene expression)：基因转录及翻译的过程。 基因表达(gene expression)：基因转录及翻译的过程。
2 原核生物基因表达调控 转录水平的调控(control ☆ 转录水平的调控(control of transcription) 操纵子(operon) 由调控区（启动子和操纵基因） (operon)： 操纵子(operon)：由调控区（启动子和操纵基因） 与结构基因组成。 与结构基因组成。 翻译水平的调控(control ☆ 翻译水平的调控(control of translation) 2.1 转录水平的调控 2.1.1 影响因素 启动子(promoter) ⑴ 启动子(promoter) ☆ 启动子决定转录方向及模板链 ☆ 启动子决定转录效率 第十章 原核生物基因表达的调控
1 概述 1.4 基因表达调控的生物学意义 ☆ 适应环境、维持生长和增殖 适应环境、 ☆ 维持个体发育与分化 1.5 基因表达调控的环节 基因表达调控可见于从基因 基因表达调控可见于从基因 激活到蛋白质生物合成的各个 激活到蛋白质生物合成的各个 阶段， 阶段，因此基因表达的调控可 转录水平（ 分为转录水平 分为转录水平（基因激活及转 录起始），转录后水平（ ），转录后水平 录起始），转录后水平（加工 及转运），翻译水平及 ），翻译水平 及转运），翻译水平及翻译后 转录水平的基因表 水平，但以转录水平 水平，但以转录水平的基因表 达调控最重要。 达调控最重要。 第十章 原核生物基因表达的调控
I
P
O
Z
Y 聚结基基
A
阻阻有基基 产产阻阻阻 阻
wk.baidu.com
启启启 RNA聚聚聚 聚
操操基 基 聚聚阻阻有
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。 结构基因的功能：负责乳糖的降解。 编码β 半乳糖苷酶； Z 编码β-半乳糖苷酶； 编码β 半乳糖苷透过酶； Y 编码β-半乳糖苷透过酶； 编码β 半乳糖苷乙酰基转移酶。 A 编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶。 半乳糖苷酶：是一种β 半乳糖苷键的专一性酶， ☆ 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 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）。 乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。 半乳糖苷透过酶：使外界的β 半乳糖苷（如乳糖） ☆ 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。 能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 半乳糖苷乙酰基转移酶：把乙酰辅酶A ☆ β-半乳糖苷乙酰基转移酶：把乙酰辅酶A上的乙酰基转 到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。 半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
1 概述 1.6 原核基因表达调控的几个基本概念 顺式作用元件 (cis-acting element ) :真核生物结构基因 (cis:真核生物结构基因 上游的调控区存在的相似或一致性的DNA序列， DNA序列 上游的调控区存在的相似或一致性的DNA序列，如 动子、增强子等。 动子、增强子等。 反式作用因子（trs-acting factor）:直接或间接辨认、结合 反式作用因子（trsfactor） 直接或间接辨认、
1 概述 影响基因表达的因素： 1.3 影响基因表达的因素： ⑴ 遗传因素 个体差异，终生不变。 个体差异，终生不变。 ⑵ 环境因素 激素、药物，细胞因子、机械刺激、 激素、药物，细胞因子、机械刺激、 病原体感染、电刺激、细胞转化….. 病原体感染、电刺激、细胞转化 原核生物中， 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。 足轻重的影响。 在真核生物尤其是高等真核生物中， 在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和发育 是基因表达调控的最主要手段， 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。 影响力大为下降。 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
2.1 转录水平的调控 2.1.2 转录水平调控机制 操纵子学说：操纵子是原核生物在分子水平上基因表 操纵子学说： 达调控的单位，由调节基因、启动子、 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。 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， 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。 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 莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)提出 (Monod)和雅各布(Jacob) 获1965年诺贝尔生理学和医学奖。 1965年诺贝尔生理学和医学奖。 年诺贝尔生理学和医学奖 ☆ 乳糖操纵子 ☆ 色氨酸操纵子 第十章 原核生物基因表达的调控
乳糖操纵子
⑴ 乳糖操纵子的结构与功能 操纵子(operon): 结构基因(structural gene)、 操纵子(operon): 结构基因(structural gene)、启动子 (promoter,P 和操纵子(operator, (operator,O (promoter,P)和操纵子(operator,O)。阻遏物基因 (inhibitor,I),产生阻遏物(repressor)。 产生阻遏物(repressor) (inhibitor,I),产生阻遏物(repressor)。
件并影响其功能的蛋白质，如转录因子等。 顺式 作用元 件并影响其功能的蛋白质，如转录因子等。
结构基因（structural gene）:编码蛋白质或RNA的基因。 gene） 编码蛋白质或RNA的基因。 RNA的基因 结构基因（ 调节基因（ gene） 调节基因（regulator gene）:编码合成那些参与基因表 达调控的RNA或蛋白质的特异DNA序列。 RNA或蛋白质的特异DNA序列 达调控的RNA或蛋白质的特异DNA序列。 操纵基因（ gene）：操纵子中的控制基因， ）：操纵子中的控制基因 操纵基因（operator gene）：操纵子中的控制基因，与 启动子相邻。 启动子相邻。 阻遏蛋白（ ）：负调控系统中由调节 阻遏蛋白（ repressive protein ）：负调控系统中由调节 调节蛋白。 基因编码的 调节蛋白。 第十章 原核生物基因表达的调控
1.2 基因表达的方式 诱导和阻遏表达(适应型或调节型) ⑵ 诱导和阻遏表达(适应型或调节型) 诱导（induction）： 诱导（induction）： 是指在特定环境因素刺激下，基因被激活， 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。这类基因称为可诱导基因。 使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。 ☆ DNA损伤 →修复酶基因激活 DNA损伤 ☆ 乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达 阻遏（repression） 阻遏（repression） 是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制， 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。这类基因称为可阻遏基因。 使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。 色氨酸： ☆ 色氨酸：色氨酸合成酶系 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
乳糖操纵子
⑵ 乳糖操纵子调控方式 阻遏蛋白的负调节 ① 阻遏蛋白的负调节 ☆ 无乳糖：lac操纵子处于阻遏状态。 无乳糖：lac操纵子处于阻遏状态。 操纵子处于阻遏状态