第十三章基因表达调控

第十三章 基因表达调控
Regulation of Gene Expression
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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。
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色氨酸操纵子调控方式
（-）
（+）
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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。
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乳糖和色氨酸操纵子的不同点
• 有阻遏物时酶就不能通过
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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
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二、操纵子的结构与功能
• 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
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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
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四、cAMP对转录的调控
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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。
• 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。
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
Ptac-17
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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
乳糖操纵子
R基因
阻遏物
色氨酸操纵子
阻遏物
R基因
代谢物
阻遏物
阻遏物
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基因开放
基因关闭
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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?
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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 protein 分解代谢基因活化蛋白,受cAMP激活
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一、诱导现象
成由 增底 加物 。导
致 利 用 该 底 物 的 酶 的 合
酶
蛋 白
inducer
合 成
added
量
inducer removed
细胞孵育时间
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一、诱导现象
葡萄糖
乳糖
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无
ຫໍສະໝຸດ Baidu半乳糖苷酶
乳糖
葡萄糖+半乳糖
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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。
• 有一个调控成分。 • 是原核生物的转录单位。
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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
• 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。
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二、操纵子的结构与功能
操纵子
阻遏物基因
R (i) inhibitor gene
上游启动子 P
promotor
操纵基因 O
operator
• 调控水平: 转录、转录后、翻译、翻译后
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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
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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 。
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DDRP
(1kb)
(155000)
DDRP
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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。
物关闭
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三、乳糖操纵子和色氨酸操纵子
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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。
一组结构基因
S structural
gene
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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
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• 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
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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。
• 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。