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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,第六章 基因表示与调控,(,上,),原核基因表示调控模式,第1页,Contents,基因表示调控基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其它操纵子,转录后水平上调控,第2页,第一节 基因表示调控基本概念,一、基因表示概念,gene expression,：,基因转录及翻译过程。对这个过程调整就称为,gene regulation,。,rRNA,、,tRNA,编码基因转录合成,RNA,过程也属于基因表示,第3页,组成性表示,(constitutive expression),适应性表示,(adaptive expression,）,二、基因表示方式,第4页,1,、,组成性表示：,指不大受环境变动而改变一类基因表示。,一些基因在一个个体几乎全部细胞中连续表示，通常被称为,管家基因,(housekeeping gene),。,第5页,2,、,适应性表示,指环境改变轻易使其表示水平变动一类基因表示。,应环境条件改变基因表示水平增高现象称为诱导,(induction),，这类基因被称为,可诱导基因,(inducible gene),；,相反，随环境条件改变而基因表示水平降低现象称为阻遏,(repression),，对应基因被称为,可阻遏基因,(repressible gene),。,第6页,三、基因表示规律,时间性和空间性,1,、时间特异性（,temporal specificity,）,按功效需要，某一特定基因表示严格按特定时间次序发生，称之为基因表示,时间特异性,。,多细胞生物基因表示时间特异性又称,阶段特异性,(stage specificity),。,第7页,第8页,2,、空间特异性,(spatial specificity),基因表示伴随时间次序所表现出这种分布差异，实际上是由细胞在器官分布决定，所以空间特异性又称,细胞或组织特异性,(cell or tissue specificity),。,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不一样组织空间次序出现，,称之为基因表示,空间特异性,。,第9页,四、基因表示调控生物学意义,适应环境、维持生长和增殖,（原核、真核）,维持个体发育与分化,（真核）,第10页,Contents,基因表示调控基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其它操纵子,转录后水平上调控,第11页,第二节 原核基因调控机制,内容提要：,原核基因表示调控步骤,操纵子学说,原核基因调控机制类型与特点,转录水平上调控其它形式,第12页,一、原核基因表示调控步骤,1,、转录水平上调控,（,transcriptional regulation,）,2,、转录后水平上调控,（,post-transcriptional regulation,）,mRNA,加工成熟水平上调控,翻译水平上调控,第13页,第14页,二、操纵子学说,1,、操纵子模型提出,1961,年，,Monod,和,Jacob,提出,获,1965,年诺贝尔生理学和医学奖,第15页,Jacob and Monod,第16页,2,、操纵子定义,操纵子,：,是基因表示协调单位，由开启子、操纵基因及其所控制一组功效上相关结构基因所组成。操纵基因受调整基因产物控制。,第17页,第18页,1,、依据操纵子对调整蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）应答，可分为：,正转录调控,负转录调控,三、,原核基因调控机制类型与特点,第19页,调整基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,激活蛋白,正转录调控,负转录调控,正转录调控,假如在没有调整蛋白质存在时基因是关闭，加入这种调整蛋白质后基因活性就被开启，这么调控正转录调控。,第20页,调整基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,激活蛋白,正转录调控,负转录调控,负转录调控,在没有调整蛋白质存在时基因是表示，加入这种调整蛋白质后基因表示活性便被关闭，这么调控负转录调控。,第21页,可诱导调整（,P196,）,：指一些基因在特殊代谢物或化合物作用下，由原来关闭状态转变为工作状态，即在一些物质诱导下使基因活化。,例：,大肠杆菌乳糖操纵子,分解代谢蛋白基因,2,、依据操纵子对一些能调整它们小分子应答，可分为,可诱导调整,和,可阻遏调整,两大类：,第22页,调整基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,调整基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,诱导物,mRNA,酶蛋白,酶合成诱导操纵子模型,诱导物,假如某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。,第23页,可阻遏调整（,P197,）：,基因平时是开启，处于产生蛋白质或酶工作过程中，因为一些特殊代谢物或化合物积累而将其关闭，阻遏了基因表示。,例：,色氨酸操纵子,合成代谢蛋白基因,第24页,酶合成阻遏操纵子模型,调整基因,操纵基因,结构基因,mRNA,酶蛋白,调整基因,操纵基因,结构基因,辅阻遏物,辐阻遏物,假如某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质酶，这种物质就是辅阻遏物。,第25页,3,、在,负转录调控系统,中，调整基因产物是,阻遏蛋白,（,repressor,），起着阻止结构基因转录作用。,依据其作用特征又可分为,负控诱导,和,负控阻遏,：,在,负控诱导,系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；,在,负控阻遏,系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。,第26页,第27页,4,、在,正转录调控,系统中，调整基因产物是,激活蛋白,（,activator,）。,依据激活蛋白作用性质分为,正控诱导,和,正控阻遏,在,正控诱导,系统中，效应物分子（诱导物）存在使激活蛋白处于活性状态；,在,正控阻遏,系统中，效应物分子（,辅阻遏物）,存在使激活蛋白处于非活性状态,。,第28页,第29页,四、转录水平上调控其它形式,1,、,因子更换,在,E.coli,中,当细胞从基本转录机制转入各种特定基因表示时，需要不一样因子指导,RNA,聚合酶与各种开启子结合。,第30页,大肠杆菌中各种,因子比较,因子,编码基因,主要功效,70,rpo,D,参加对数生长久和大多数碳代谢过程基因调控,54,rpoN,参加多数氮源利用基因调控,38,rpoH,分裂间期特异基因表示调控,32,rpoS,热休克基因表示调控,28,rpoF,鞭毛趋化相关基因表示调控,24,rpoE,过分热休克基因表示调控,第31页,温度较高,诱导产生各种热休克蛋白,由,32,参加组成,RNA,聚合酶与热休克应答基因开启子结合,诱导产生大量热休克蛋白,适应环境需要,枯草芽孢杆菌芽孢形成,有序,因子替换,RNA,聚合酶识别不一样基因开启子,使芽孢形成相关基因有序地表示,第32页,2,、降解物对基因活性调整,3,、弱化子对基因活性影响,第33页,Contents,基因表示调控基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其它操纵子,转录后水平上调控,第34页,第三节 乳糖操纵子,(lac operon),内容提要：,乳糖操纵子结构,酶诱导,lac,体系受调控证据,乳糖操纵子调控模型,影响因子,Lac,操纵子中其它问题,第35页,一、乳糖操纵子结构,第36页,Z,编码,-,半乳糖苷酶：,将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖,Y,编码,-,半乳糖苷透过酶：,使外界,-,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,-,半乳糖苷乙酰基转移酶：,乙酰辅酶,A,上乙酰基转到,-,半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,第37页,二、酶诱导,lac,体系受调控证据,第38页,抚慰诱导物：,假如某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为抚慰诱导物，如,IPTG（,异丙基-,D-,硫代半乳糖苷）。,第39页,第40页,第41页,三、乳糖操纵子调控模型,主要内容：,Z,、,Y,、,A,基因产物由同一条多顺反子,mRNA,分子所编码,第42页,第43页,这个,mRNA,分子开启子紧接着,O,区，而位于,I,与,O,之间开启子区（,P,），不能单独起动合成,-,半乳糖苷酶和透过酶生理过程。,第44页,第45页,操纵基因是,DNA,上一小段序列（仅为,26bp,），是阻遏物结合位点。,第46页,RNA,聚合酶结合部位,阻遏物结合部位,第47页,操纵位点回文序列,第48页,当阻遏物与操纵基因结合时，,lac mRNA,转录起始受到抑制。,第49页,第50页,诱导物经过与阻遏物结合，改变它三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发,lac mRNA,合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以开启子能够顺利起始,mRNA,合成。,第51页,第52页,组成型突变：,lacO,c,第53页,组成型突变：,lacI,-,第54页,不可诱导突变（超阻遏）：,第55页,四、影响因子,1,、,lac,操纵子本底水平表示,有两个矛盾是操纵子理论所不能解释：,诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者合成有需要诱导。,解释：,一些诱导物能够在透过酶不存在时进入细胞？,一些透过酶能够在没有诱导物情况下合成？,第56页,真正诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在,-,半乳糖甘酶催化下由乳糖形成，所以，需要有,-,半乳糖甘酶预先存在。,解释：,本底水平组成型合成：非诱导状态下有少许,lac mRNA,合成。,第57页,2,、大肠杆菌对乳糖反应,培养基：甘油,按照,lac,操纵子本底水平表示，每个细胞内有几个分子,-,半乳糖苷酶和,-,半乳糖苷透过酶；,培养基：加入乳糖,少许乳糖,透过酶,进入细胞,-,半乳糖苷酶,异构乳糖,诱导物,诱导,lac mRNA,生物合成,大量乳糖进入细胞,多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）,异构乳糖,第58页,乳糖,第59页,诱导物加入和去除对,lac,mRNA,影响,第60页,3,、阻遏物,lac I,基因产物及功效,Lac,操纵子阻遏物,mRNA,是由弱开启子控制下组成型合成，每个细胞中有,5-10,个阻遏物分子。,当,I,基因由弱开启子突变成强开启子，细胞内就不可能产生足够诱导物来克服阻遏状态，整个,lac,操纵子在这些突变体中就不可诱导。,第61页,4,、葡萄糖对,lac,操纵子影响,假如将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中,，,lac,操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导,lac,操纵子表示分解乳糖所需三种酶。,代谢物阻遏效应,第62页,5,、,cAMP,与代谢物激活蛋白,代谢物激活蛋白（,CAP,）,/,环腺甘酸受体蛋白（,CRP,）,第63页,Z,Y,A,O,P,DNA,调控区,CAP,结合位点,开启序列,操纵序列,结构基因,Z,：,-,半乳糖苷酶,Y,：透酶,A,：乙酰基转移酶,cAMPCAP,复合物,第64页,第65页,ATP,腺甘酸环化酶,cAMP,（环腺甘酸）,大肠杆菌中：无葡萄糖，,cAMP,浓度高；,有葡萄糖，,cAMP,浓度低,第66页,+,转录,无葡萄糖，,cAMP,浓度高时,促进转录,有葡萄糖，,cAMP,浓度低时,不促进转录,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,正调控,第67页,当阻遏蛋白封闭转录时，,CAP,对该系统不能发挥作用,如无,CAP,存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。,cAMPCAP,复合物与开启子区结合是转录起始所必需。,协调调整,葡萄糖对,lac,操纵子阻遏作用称,分解代谢阻遏,(catabolic repression),。,单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖,/,乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。,第68页,第69页,The,Lac,Operon:,When Glucose Is Present But Not Lactose,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,RNA,Pol.,Repressor,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,Come on,let me through,No way,Jose!,CAP,第70页,The,Lac,Operon:,When Lactose Is Present But Not Glucose,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,CAP,cAMP,Lac,Repressor,Repressor,X,This lactose has,bent me,out of shape,CAP,cAMP,CAP,cAMP,Bind to me,Polymerase,RNA,Pol.,RNA,Pol.,Yipee!,第71页,The,Lac,Operon:,When Neither Lactose Nor Glucose Is Present,Repressor,Promoter,LacY,LacA,LacZ,Operator,CAP,Binding,CAP,cAMP,CAP,cAMP,CAP,cAMP,Bind to me,Polymerase,RNA,Pol.,Repressor,Repressor,mRNA,Hey man,Im,constitutive,Repressor,STOP,Right there,Polymerase,Alright,Im off to,the races.,Come on,let,me through!,第72页,五、,Lac,操纵子中其它问题,1,、,A,基因及其生理功效,半乳糖甘分子（,IPTG,）,-,半乳糖甘酶,分解产物（体内积累）,-,半乳糖甘乙酰基转移酶,半乳糖甘分子（,IPTG,）,乙酰基,第73页,2,、,lac,基因产物数量上比较,-,半乳糖苷酶：透过酶：乙酰基转移酶,=1,：,0.5,：,0.2,翻译水平上受到调整：,（,1,）,lac mRNA,可能与翻译过程中核糖体相脱离，从而终止蛋白质链翻译；,（,2,）在,lac mRNA,分子内部，,A,基因比,Z,基因更轻易受内切酶作用发生降解。,第74页,3,、操纵子融合与基因工程,P,O,Z,Y,A,tsx,P,O,pur,结构基因,缺失,lac operon,pur operon,第75页,Contents,基因表示调控基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其它操纵子,转录后水平上调控,第76页,第四节 色氨酸操纵子,（,trp operon,）,内容提要：,色氨酸操纵子结构,色氨酸操纵子,阻遏系统,色氨酸操纵子弱化机制,第77页,一、色氨酸操纵子结构,调控基因,结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸 酶,trpR,trp,第78页,第79页,特点,:,(1),trpR,和,trpABCDE,不连锁；,(2),操纵基因在开启子内,(3),有衰减子,(attenuator)/,弱化子,(4),开启子和结构基因不直接相连，二者被,前导序列,(Leader),所,隔开,第80页,二、,trp,操纵子阻遏系统,低,Trp,时：,阻遏物不结合操纵基因,;,高,Trp,时：,阻遏物,+Trp,结合操纵基因,第81页,三、,trp,操纵子弱化机制,衰减子（,attenuator,）,/,弱化子,前导序列（,leader sequence,）,第82页,1,、弱化子：,DNA,中可造成转录过早终止一段核甘酸序列（,123-150,区）。,123150,第83页,研究引发终止,mRNA,碱基序列,，,发觉该区,mRNA,经过自我配对能够形成,茎,-,环,结构，有经典,终止子,特点。,第84页,2,、前导序列：在,trp mRNA5,端,trpE,基因起始密码前一个长,162bp,mRNA,片段。,第85页,第86页,3,、弱化机制,第87页,第88页,前导肽,转录终止结构,第89页,细菌经过弱化作用填补阻遏作用不足，因为阻遏作用只能使,转录不起始,，对于已经起始转录，只能经过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用信号是,细胞内色氨酸多少,；弱化作用信号则是,细胞内载有色氨酸,tRNA,多少,。它经过前导肽翻译来控制转录进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，表达着生物体内周密调控作用。,第90页,什么是操纵子（,operon)?,试说明色氨酸操纵子（,Trp operon),在原核基因表示调控中调控机制和主要作用。,年武汉大学分子生物学试题,第91页,Contents,基因表示调控基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其它操纵子,转录后水平上调控,第92页,第五节 其它操纵子,一、半乳糖操纵子,(galactose operon),异构酶,(galE),乳糖,-,磷酸尿嘧啶核苷转移酶,(galT),半乳糖激酶,(galk),。,第93页,gal,操纵子特点：,它有两个开启子，其,mRNA,可从两个不一样起始点开始转录；,它有两个,O,区，一个在,P,区上游，另一个在结构基因,galE,内部。,第94页,二、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,三个基因表示受到,ara,操纵子中,araC,基因产物,AraC,蛋白调控。,第95页,ara,操纵子调控有两个特点：,第一，,araC,表示受到,AraC,本身调控。,第二，,AraC,既是,ara,操纵子正调整蛋白（需,cAMP-CRP,共同参加，起始转录），又是其负调整蛋白。这种双重功效是经过,AraC,蛋白两种异构体来实现（,Pi,和,Pr),。,第96页,第97页,第98页,第99页,三、阻遏蛋白,LexA,降解与细菌中,SOS,应答,SOS,反应机理,：,由,RecA,蛋白和,LexA,阻遏物相互作用引发。,LexA,阻遏物,：是,SOS DNA,修复系统全部基因阻遏物,RecA,蛋白：,是,SOS,反应最初发动因子。在单链,DNA,和,ATP,存在时，,RecA,蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解,LexA,阻遏物。,当,RecA,水解,LexA,阻遏物后，造成,SOS,体系（包含,recA,基因）高效表示，,DNA,得到修复,第100页,Contents,基因表示调控基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其它操纵子,转录后水平上调控,第101页,一、翻译起始调控,RBS,（核糖体结合位点）,：,mRNA,链上起始密码子,AUG,上游一段非翻译区。,RBS,结合强度取决于,SD,序列结构及其与起始密码子,AUG,之间距离。,SD-,4-10,（,9,）,-,AUG,第六节 转录后水平上调控,第102页,二、稀有密码子对翻译影响,dnaG(,引物酶,)RNA,引物,dnaG,、,rpoD,和,rpsU,属于大肠杆菌基因组上同一个操纵子,50,个拷贝,dnaG,蛋白、,2800,个拷贝,rpoD,和,40000,个拷贝,rpsU,第103页,几个蛋白质中异亮氨酸密码子使用频率比较,蛋白质,AUU/%,AUC%,AUA%,结构蛋白,37,62,1,亚基,26,74,0,DnaG,蛋白,36,32,32,细胞内对应于稀有密码子,tRNA,较少，高频率使用这些密码子基因翻译过程轻易受阻，影响了蛋白质合成总量。,第104页,三、重合基因对翻译影响,第105页,TrpB,谷氨酸,-,异亮氨酸,-,终止,GAA,-,AUC,-,UG,A,-,UGG,-,AA,A,UG,-,GAA,甲硫氨酸,谷氨酸,trpA,trpE,苏氨酸苯丙氨酸终止,ACU -UUC -UG,A,-UGG -CU,AUG,A,UG GCU,甲硫氨酸,-,丙氨酸-,trpD,翻译终止时核糖体马上处于起始环境中，这种重合密码子确保了同一核糖体对两个连续基因进行翻译机制。,第106页,1,、关于管家基因叙述错误是,(A),在生物个体几乎各生长阶段连续表示,(B),在生物个体几乎全部细胞中连续表示,(C),在生物个体全生命过程几乎全部细胞中表示,(D),在生物个体某一生长阶段连续表示,(E),在一个物种几乎全部个体中连续表示,D,第107页,2,、一个操纵子（元）通常含有,(A),数个开启序列和一个编码基因,(B),一个开启序列和数个编码基因,(C),一个开启序列和一个编码基因,(D),两个开启序列和数个编码基因,(E),数个开启序列和数个编码基因,B,第108页,3,、以下情况不属于基因表示阶段特异性是，一个基因在,(A),分化骨骼肌细胞表示，在未分化心肌细胞不表示,(B),胚胎发育过程不表示，出生后表示,(C),胚胎发育过程表示，在出生后不表示,(D),分化骨骼肌细胞表示，在未分化骨骼肌细胞不表示,(E),分化骨骼肌细胞不表示，在未分化骨骼肌细胞表示,A,第109页,4,、乳糖操纵子（元）直接诱导剂是,(A),葡萄糖,(B),乳糖,(C),二分之一乳糖苷酶,(D),透酶,(E),异构乳糖,E,第110页,5,、,Lac,阻遏蛋白结合乳糖操纵子（元）,(A)CAP,结合位点,(B)O,序列,(C)P,序列,(D)Z,基因,(E)I,基因,B,第111页,6,、,cAMP,与,CAP,结合、,CAP,介导正性调整发生在,(A),葡萄糖及,cAMP,浓度极高时,(B),没有葡萄糖及,cAMP,较低时,(C),没有葡萄糖及,cAMP,较高时,(D),有葡萄糖及,cAMP,较低时,(E),有葡萄糖及,CAMP,较高时,C,第112页,7,、,Lac,阻遏蛋白由,(A)Z,基因编码,(B)Y,基因编码,(C)A,基因编码,(D)I,基因编码,(E),以上都不是,D,第113页,8,、色氨酸操纵子（元）调整过程包括,(A),转录水平调整,(B),转录延长调整,(C),转录激活调整,(D),翻译水平调整,(E),转录翻译调整,E,第114页,(A)Lac,阻遏蛋白,(B)RNA,聚合酶,(C),环一磷酸腺苷,(D)CAP-cAMP(E),异构,乳糖,9,、与,O,序列结合,10,、与,P,序列结合,11,、与,CAP,结合,12,、与,CAP,位点结合,A,B,C,D,第115页,13,、乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物质在基因表示调控中作用共同特点是,A,与开启子结合,B,与,DNA,结合影响模板活性,C,与,RNA,聚合酶结合影响其活性,D,与蛋白质结合影响该蛋白质结合,DNA,E,与操纵基因结合,D,第116页,14,、,DNA,损伤修复,SOS,系统,A,是一个保真性很高复制过程,BLexA,蛋白是一系列操纵子阻遏物,CRecA,蛋白是一系列操纵子阻遏物,D,它只能修复嘧啶二聚体,B,第117页,15,、以下关于,cAMP,对原核基因转录调控作用叙述错误是,AcAMP,可与分解代谢基因活化蛋白,(CAP),结合成复合物,BcAMP-CAP,复合物结合在开启子前方,C,葡萄糖充分时，,cAMP,水平不高,D,葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用乳糖,E,葡萄糖和乳糖并存时，细菌优先利用葡萄糖,D,第118页,21,、,Lac,阻遏蛋白由,_,基因编码，结合,_,序列对,Lac,操纵子（元）起阻遏作用。,22,、,Trp,操纵子精细调整包含,_,及,_,两种机制。,I,O,阻遏机制,弱化机制,第119页,
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