基因的表达和调控1.ppt

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,*,Contents,基因表达调控的基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其他操纵子,第一节 基因表达调控的基本概念,一、基因表达的概念,gene expression,：,基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为,gene regulation,。,组成性表达,(constitutive expression),适应性表达,(adaptive expression,）,二、基因表达的方式,三、基因表达的规律,时间性和空间性,1,、时间特异性（,temporal specificity,）,按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的,时间特异性,。,多细胞生物基因表达的时间特异性又称,阶段特异性,(stage specificity),。,2,、空间特异性,(spatial specificity),基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，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同组织空间顺序出现，,称之为基因表达的,空间特异性,。,四、基因表达调控的生物学意义,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）,Contents,基因表达调控的基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其他操纵子,第二节 原核基因调控机制,内容提要：,原核基因表达调控环节,原核基因调控机制的类型,原核基因调控机制的特点,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,）,mRNA,加工成熟水平上的调控,翻译水平上的调控,几个基本概念,顺式作用元件：一段调节基因表达的,DNA,序列，只影响与其自身同处在一个,DNA,分子上的基因，,不编码蛋白质,，多与特定的功能基因连锁在一起。（真核生物的启动子和增强子）,反式作用因子：能直接或间接的识别或者结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的蛋白质。,几个基本概念,结构基因：,产生,mRNA,合成蛋白质,调节基因：产生调节蛋白,（与操纵位点结合）,结构基因不转录,诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合,结构基因转录,几个基本概念,操纵基因（operator）：操纵子中的控制基因，在操纵子中一般和启动子相连，通常处于开放状态，使得RNA聚合酶能够通过并作用于启动子启动转录。,阻遏蛋白（aporepressor）：调节蛋白，它与辅阻遏物一起结合于操纵基因，阻遏操纵子结构基因的转录。,结构基因：,产生,mRNA,合成蛋白质,操纵位点,promotor,operator,：启动子结合位点,调节基因：产生调节蛋白,（与操纵位点结合）,结构基因不转录,诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合,结构基因转录,Control element,Structural genes,几个基本概念,操纵子,是一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调节的单位，包括,调节基因,，,操纵位点,，,结构基因,，组成一个控制单元,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：正控诱导调控和正控阻遏调控,负转录调控：负控诱导调控和负控阻遏调控,二、,原核基因调控机制的类型,基因表达的调控方式,:,阻遏,负调控,:,调控蛋白,+DNA,序列 基因的表达,(,相应蛋白质,降低,),诱导,正调控,:,调控蛋白,+DNA,序列 基因的表达,(,相应蛋白质,增加,),调节基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,负转录调控,负转录调控,（调节基因的产物是,阻遏,蛋白）,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，这样的调控为,负转录调控,。,调节基因,操纵基因,结构基因,阻遏蛋白,激活蛋白,正转录调控,正转录调控（调节基因的产物是激活蛋白）,如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控为,正转录调控,。,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，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。,例：,大肠杆菌的乳糖操纵子,分解代谢蛋白的基因,根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为,可诱导调节,和,可阻遏调节,两大类：,三、,原核基因调控机制的特点,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,阻遏蛋白,诱导物,mRNA,酶蛋白,酶合成的诱导操纵子模型,诱导物,如果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。,2,，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,酶合成的阻遏操纵子模型,调节基因,操纵基因,结构基因,mRNA,酶蛋白,调节基因,操纵基因,结构基因,阻遏物,阻遏物,如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是阻遏物。,Contents,基因表达调控的基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其他操纵子,转录后水平上的调控,第三节 乳糖操纵子,The,lac,operon,内容提要：,一、乳糖操纵子的结构,二、酶的诱导,lac,体系受调控的证据,三、,The lac operon mode,（乳糖操纵子模型）,四、影响因子,五、,Lac,操纵子中的其他问题,1,、操纵子模型的提出,1961,年，,Monod,和,Jacob,，获,1965,年诺贝尔生理学和医学奖,操纵子是原核转录调控的主要形式，相关的基因排列成簇，由一个调节蛋白所控制，一开俱开，一闭俱闭，对环境条件的改变作出相应的反应。,操纵子主要可分为三大类型，一种是调节分解代谢的操纵子，它们都是属于诱导型，并同时受到,cAMP-CAP,的调节。分解代谢的底物常为小分子诱导物，不具弱化作用。另一种是调节合成代谢的操纵子，它们都属于阻遏型，因是合成代谢，因此不受,cAMP-CAP,的影响。第三种类型具有弱化子（如,trp,his,phe,leu,thr,和,ilv,弱化子），最终产物为辅阻遏物。,原核生物的基因表达调控,原核生物的基因表达调控虽比真核生物简单，但也存在着复杂的调控系统，主要表现在转录调控阶段，现已搞清楚了细菌的几个操纵子模型，法国巴斯德研究所著名的科学家,Jacob,和,Monod,在实验的基础上于,1961,年建立了,乳糖操纵子学说,，现已成为经典模型。,Louis Pasteur in his laboratory,Jacob and Monod,半个操纵子获得诺贝尔奖！,操纵子,operon,的定义,操纵子,：,是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。,Jacob and Monod,were the first scientists to elucidate a transcriptionally regulated system when they worked on the lactose metabolism system in,E.Coli,.,When the bacterium is in an environment that contains lactose.,These three enzymes,LacZ,LacY and LacA appear adjacent to each other on the,E.Coli,genome.They are preceded by a region which is responsible for the regulation of the lactose metabolic genes.This assortment of genes and their regulatory regions is called the Lac operon.,Three components of the,lac,Operon,One Promoter,One Operator,Structural Genes,-Metabolic pathway genes,lacZ,lacY,and,lacA,with code for three enzymes(,-galactosidase,permease,transacetylase)to digest lacotse.,These three enzymes appear adjacent to each other on the,E.coli,genome.They are preceded by a region which is responsible for the regulation of the lactose metabolic genes.,一、,乳糖操纵子的结构,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,：使外界的,-,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,上的乙酰基转到,-,半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,Operon composition,The three structural genes,，,P,lac,控制,Z,-galactosidase,Y,galactoside permease(a transport protein),A,thiogalactoside transacetylase(an enzyme,unknown function),A regulatorry gene:,lacI,coding a repressor.,The lac operon mode,（,乳糖操纵子模型,）,1,、,半乳糖苷酶的诱导和基因表达,Bacteria respond rapidly to changes in their environment.,Genes for lactose utilization are activated once,E.coli,cells sense the presence of lactose or a similar compound.,The enzymes required for the use of lactose as a carbon source only synthesized when lactose as the sole carbon source.,2,、,Regulation in the,lac operon,乳糖操纵子的负控诱导系统,A mutation in a structural gene(z,for example)can inactivate its product(galactosidase,半乳糖苷酶,)without affecting control of the other two genes.However,mutations in the regulatory regions of DNA sequences mapping outside genes z,y,and can affect expression of all three structural genes.,This mode of regulation is negative,because the active regulatory element,(the repressor),is an inhibitor of transcription.The introduction of lactose or a similar inducer activates synthesis of the gene products involved in its catabolism by removing a barrier,（障碍物）,to their transcription.,3.summary,乳糖操纵子的主要特点：,Z,、,Y,、,A,基因的产物由同一条多顺反子的,mRNA,分子所编码,这个,mRNA,分子的启动子紧接着,O,区，而位于,I,与,O,之间的启动子区（,P,），不能单独起动合成,-,半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。,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。,RNA,聚合酶结合部位,阻遏物结合部位,当阻遏物与操纵基因结合时，,lac mRNA,的转录起始受到抑制。,诱导物通过与阻遏物结合，改变了阻遏物与,DNA,亲和力从而改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发,lac mRNA,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。,Inducer(,诱导物,),Lactose itself leads to induction of the lactose operon(also called the lac operon),The true intracellular inducer is allolactose(,异构乳糖,),a minor product of galactosidase action.,In the laboratory one usually uses a synthetic inducer such as isopropylthiogalactoside(IPTG),which induces the lactose operon but is not cleaved by galactosidase.Hence,its concentration does not change during an experiment.,义务诱导物：,P370,如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如,IPTG（,异丙基-,D-,硫代半乳糖苷）。,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,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!,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!,Lac操纵子的正调控系统,大肠杆菌细胞在有葡萄糖存在时，实际上是将lac操纵子保持在不活动的状态。,分解物阻遏作用：由葡萄糖的分解代谢无控制的调控方式,Why？葡萄糖的分解降低了cAMP浓度，使得其他的分解代谢受阻！,如果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,操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。,代谢物阻遏效应,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,）,+,转录,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,的正调控,The CRP positive control,High Glucose,cAMP level low,CRP only cannot bind to DNA,nor regulate transcription,；,Glucose reduces,cAMP level increase and CRP binds to cAMP,the cAMP-CRP complex binds to P,lac,enhancing,RNA polymerase binding to the promoter.,Contents,基因表达调控的基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其他操纵子,第四节,The,trp,operon,一、色氨酸操纵子负控阻遏系统,P373,色氨酸的生物合成途径：,分支酸,-,邻氨基苯甲酸,-,吲哚甘油磷酸,-,色氨酸,由多种酶完成色氨酸的合成,色氨酸操纵子的结构,调控基因,结构基因 催化分枝酸转变为色氨酸 的酶,trpR,trp,The Tryptophan(Trp)and other regulated anabolic pathways are usually repressible because the system can be repressed by an overabundance of the end product.The end product,Trp,in this case,decreases or stops the transcription of the enzymes necessary for its production.,The genes for the five enzymes in the Trp synthesis pathway are clustered on the same chromosome.in what is called the,Trp operon,including one promoter,one operator and five structure genes in the Trp synthesis pathway.In the Trp operon,Trp is as a corepressor that is a small molecule triggering repression of transcription by binding to a regulator protein.,1,、转录起始的调节,色氨酸供应短缺时，基因活化，,色氨酸过剩时，与组遏因子结合，抑制基因转录,特点,:,(1),trpR,和,trpABCDE,不连锁；,(2),操纵基因在启动子内,(3),有衰减子,(attenuator)/,弱化子,(4),启动子和结构基因不直接相连，二者被,前导序列,(Leader),所,隔开,trp,操纵子的阻遏系统,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,二级开关,Attenuation:10-fold repression,一级开关,trp,co,repressor:70-fold repression,Total regulatory effect:700-fold repression,Attenuation occurs in at least 6 operons related amino acid biosynthesis,1,、弱化子：,DNA,中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（,123-150,区）。,123150,研究引起终止的,mRNA,碱基序列,，,发现该区,mRNA,通过自我配对可以形成,茎,-,环,结构，有典型的,终止子,特点。,trp,操纵子的弱化机制,弱化子,（,attenuator,）,前导序列（,leader sequence,）,弱化作用要具备,4,个重要的条件,：属于合成代谢操纵子；前导顺序中要有相应氨基酸的密码子；要具有,4,组配对区；转录和翻译必须偶联。,真核生物的转录和翻译是分别在核和胞质中进行，不能偶联，所以也不存在这种形式的调节。,The trp operon:Attenuation,The control of the trp operon is included in two levels:1.Tryptophan acts as a corepressor;2.Fine turning off the operon occurs by,attenuation.,Attenuation,is control of gene expression by,premature termination of transcription,at an,attenuator site,located just downstream from the promoter-operator region and before the coding sequences for the,trp,enzymes,the,regulation of transcription is controlled by,the behavior of ribosomes,observed in bacteria where transcription and translation are tightly coupled,The leader sequence(L),which lies between the operator(O)and the first structural gene,(E),contains an attenuator site(red band)at which transcription is terminated depending on the cytosolic concentration of tryptophan.The,promoter-operator-leader region,which is 200 bp long,is not drawn to scale with the structural genes.AUG indicates the start codons for translation of the leader sequence(red)and,trpE,mRNA(black),弱化机制,Attenuation can be controlled by translation,The alternatives for RNA polymerase at the attenuator depend on the location of the ribosome,which determines whether regions 3 and 4 can pair to form the terminator hairpin.,Region 1,of the trp leader RNA(a)contains two successive codons for tryptophan.When tryptophan is present in sufficient quantity,the ribosome translates the leader transcript rapidly,melting the base pairs between regions 1 and 2.Then when regions 3 and 4 of the RNA are synthesized,they pair forming a stem-loop followed by a series of U residues,so that transcription is terminated by the Rho-independent mechanism described earlier(Fig,left,).On the other hand,when the supply of tryptophan is low,the ribosome pauses at region 1 of the leader.The resulting 2-3 stem-loop does not induce termination(Fig,right,).This mechanism maximizes attenuation when Trp-tRNA,Trp,is at a high enough concentration to support rapid translation of tryptophan codons and minimizes attenuation when tryptophan is scarce and the concentration of Trp-tRNA,Trp,falls.,弱化机制,2,、前导序列,(,前导区）：在,trp mRNA5,端,trpE,基因的起始密码前的一个长,162bp,的,mRNA,片段。,前导肽,转录终止结构,3.,前导肽,前导序列转录并起始翻译后产生的一个含有,14,个氨基酸的多肽。,前导肽中含有两个相邻的编码,trp,的密码子，所以前导肽的翻译必定对,tRNA,Trp,的浓度敏感。,弱化子对,RNA,聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。,细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使,转录不起始,，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。,阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少,；,弱化作用的信号则是细胞内,tRNA,Trp,的多少,。,它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。,Trp,Tr,p,高时,Trp,低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA,聚合酶,RNA,聚合酶,（,一,）,转录衰减,色氨酸操纵子,UUUU,UUUU,调节区,结构基因,trpR,O,P,前导序列,衰减子区域,UUUU,前导,mRNA,1,2,3,4,衰减子结构,第,10,、,11,密码子为,trp,密码子,终止密码子,14aa,前导肽编码区,:,包含序列,1,形成发夹结构能力强弱：,序列,1/2,序列,2/3,序列,3/4,trp,密码子,UUUU,UUUU,3,4,UUUU 3,3,4,核糖体,前导肽,前导,mRNA,1.,当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,1,2,5,trp,密码子,衰减子结构,就是终止子,可使转录,前导,DNA,UUUU 3,RNA,聚合酶,终止,UUUU,3,4,2,4,2,3,UUUU,核糖体,前导肽,前导,mRNA,1,5,trp,密码子,结构基因,前导,DNA,RNA,聚合酶,2.,当色氨酸浓度低时,Trp,合成酶系相关,结构基因被转录,序列,3,、,4,不能,形成衰减子结构,三、细菌中的应急反应,应急反应,：,当细菌生长过程中，氨基酸全面缺乏时，细菌将会产生应急反应，停止全部基因的表达。产生应急反应的信号是,鸟苷四磷酸,(ppGpp),和鸟苷五磷酸（,pppGpp,），,是由空载的,tRNA,所引起的。空载,tRNA,会激活焦磷酸转移酶，使,ppGpp,大量合成，,ppGpp,的出现会关闭许多基因，,PpGpp,与,pppGpp,的作用能够影响一大批操纵子，所以称他们是,超级调控子,或称为,魔斑,。,Contents,基因表达调控的基本概念,原核基因调控机制,乳糖操纵子,色氨酸操纵子,其他操纵子,转录后水平上的调控,一、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。,第五节 其他操纵子,ara,操纵子的调控有两个特点：,第一，,araC,表达受到,AraC,的自身调控。,第二，,AraC,既是,ara,操纵子的正调节蛋白（需,cAMP-CRP,的共同参与，起始转录），又是其负调节蛋白。这种双重功能是通过,AraC,蛋白的两种异构体来实现的（,Pi,和,Pr),。,组氨酸操纵子,与,His,降解代谢有关的两组酶类被称为,hut,酶,(histidine utilizing enzyme),，控制这些酶合成的操纵子被称为,hut operon,。由一个多重调节的操纵子控制，有两个启动子，两个操纵区及两个正调节蛋白。,Hut,操纵子共编码,4,种酶和一个阻遏物。,4,种酶分别由,hutG,、,hutH,、,hutI,及,hutU,基因编码，阻遏物则由,hutC,基因编码。在产气克氏菌中，以上基因构成两个转录单位，,hutI,、,hutG,、,hutC,和,hutU,、,hutH,分别被转录合成两条,mRNA,长链。这两个转录单位各自都有一个启动子和一个操纵区，其转录过程都是从左向右进行的，,hutC,阻遏物能与每个操纵区相结合。,无论以组氨酸作为唯一碳源或氮源，hut操纵子都会处于有活性状态。Hut操纵子的每一个启动子上都有cAMP-CAP结合位点，当碳供应匮乏时，能合成cAMP，出现cAMP-CAP复合物，并与操纵区上的相应位点结合，诱发基因转录。虽然尚不清楚氮源缺乏时的信号是什么，但它很可能也是一个正效应子。,本章结束，,thanks,！,