第七章-基因的表达与调控(上)原核基因表达调控模式.ppt

西安电子科技大学 生命科学技术学院Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控西安电子科技大学 生命科学技术学院第一节第一节 基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念一、基因表达的概念基因表达基因表达：从：从DNADNA到蛋白质的过程，即到蛋白质的过程，即基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为基基因表达调控因表达调控。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达西安电子科技大学 生命科学技术学院基因表达调控环节基因表达调控环节1 1、转录水平上的调控、转录水平上的调控（transcriptional regulationtranscriptional regulation）调节调节mRNAmRNA的合成的合成2 2、转录后水平上的调控、转录后水平上的调控（post-transcriptional regulationpost-transcriptional regulation）mRNAmRNA加工成熟水平上的调控加工成熟水平上的调控 翻译水平上的调控翻译水平上的调控西安电子科技大学 生命科学技术学院西安电子科技大学 生命科学技术学院西安电子科技大学 生命科学技术学院 组成性表达(constitutive expression)适应性表达(adaptive expression）二、基因表达的方式二、基因表达的方式西安电子科技大学 生命科学技术学院 1 1、组成性表达：成性表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。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(housekeepinggene)。组成型合成蛋白质(constitutive)合成不受环境或代谢状态影响的蛋白质，例如 DNA聚合酶、RNA聚合酶等西安电子科技大学 生命科学技术学院 2、适适应性表达性表达 指指环境的境的变化容易使其表达水平化容易使其表达水平变动的一的一类基因表达。基因表达。应环境条件境条件变化基因表达水平增高的化基因表达水平增高的现象称象称为诱导(induction)，这类基因被称基因被称为可可诱导的基因的基因(inducible gene)；相反，随相反，随环境条件境条件变化而基因表达水平降低的化而基因表达水平降低的现象称象称为阻遏阻遏(repression)，相，相应的基因被称的基因被称为可阻遏的基因可阻遏的基因(repressible gene)。西安电子科技大学 生命科学技术学院调节型/适应型蛋白(adaptiveorregulated)受环境变化或代谢状态影响的蛋白质 例如 大肠杆菌的-半乳糖苷酶在普通细胞培养条件下只有15个分子/细胞；在只含乳糖的培养基中高达几万个分子/细胞4西安电子科技大学 生命科学技术学院三、基因表达的规律三、基因表达的规律 时间性和空间性时间性和空间性1 1、时间特异性（、时间特异性（temporal specificitytemporal specificity）按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶阶段特异性段特异性(stage specificity)。西安电子科技大学 生命科学技术学院西安电子科技大学 生命科学技术学院2、空、空间特异性特异性spatial specificity)基基因因表表达达伴伴随随空空间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种分分布布差差异异，实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的的，所所以以空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞或或组组织织特特异异性性(cell or tissue specificity)。在在个个体体生生长长全全过过程程，某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现，称称之之为为基基因因表表达达的的空间特异性空间特异性。西安电子科技大学 生命科学技术学院四、基因表达调控的生物学意义四、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）西安电子科技大学 生命科学技术学院Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控西安电子科技大学 生命科学技术学院第二节第二节 原核基因调控机制原核基因调控机制内容提要操纵子学说操纵子学说原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点转录水平上调控的其他形式转录水平上调控的其他形式 西安电子科技大学 生命科学技术学院Jacob and Monod一、操纵子学说一、操纵子学说1 1、操纵子模型的提出操纵子模型的提出19611961年，法国年，法国MonodMonod和和JacobJacob提出提出获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖西安电子科技大学 生命科学技术学院2、操纵子的定义、操纵子的定义操纵子（operon）：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。编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 其他调节序列其他调节序列(promoter)(operator)西安电子科技大学 生命科学技术学院 结构基因（结构基因（structural gene）编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和RNA的基因。的基因。调节基因（调节基因（regulator gene）编码蛋白质或编码蛋白质或RNA来调节其他基因表达的基因。来调节其他基因表达的基因。操纵基因（操纵基因（operator)DNA上的一个位点，阻遏物能与之结合抑制相邻启动子上的一个位点，阻遏物能与之结合抑制相邻启动子起始转录。起始转录。西安电子科技大学 生命科学技术学院结构基因操纵区启动区西安电子科技大学 生命科学技术学院1 1、根据操、根据操纵子子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的的应答，可分答，可分为：正正转录调控控 负转录调控控 二、二、原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点正控正控诱导正控阻遏正控阻遏负控控诱导负控阻遏控阻遏西安电子科技大学 生命科学技术学院调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因激活蛋白激活蛋白正正转录调控控正转录调控如果在没有调节蛋白（激活蛋白）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，这样的调控正转录调控。西安电子科技大学 生命科学技术学院调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白负转录调控控负转录调控在没有调节蛋白质（阻遏蛋白）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。西安电子科技大学 生命科学技术学院2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：诱导诱导(induction)(induction)：通过小分子诱导物参与通过小分子诱导物参与,使使阻抑物失活阻抑物失活或或活化激活剂活化激活剂来来实现对基因或操纵子实现对基因或操纵子表达表达的调控的调控。阻遏阻遏(repression):(repression):通过小分子辅阻遏物参与通过小分子辅阻遏物参与,使使激活剂失活激活剂失活或或活化阻抑物活化阻抑物来来实现基因或操纵子实现基因或操纵子不表达不表达的调控。的调控。西安电子科技大学 生命科学技术学院可诱导调节：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（诱导物）的诱导下使基因活化。例：大肠杆菌的乳糖操纵子 在诱导物乳糖的诱导下开启了乳糖操纵子西安电子科技大学 生命科学技术学院调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物诱导物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的合成的诱导操操纵子模型子模型诱导物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。西安电子科技大学 生命科学技术学院可阻遏可阻遏调节：基因平基因平时是开启的，是开启的，处在在产生蛋白生蛋白质或或酶的工作的工作过程中，由于一些特殊代程中，由于一些特殊代谢物或化合物物或化合物的的积累（阻遏物）而将其关累（阻遏物）而将其关闭，阻遏了基因的表达。，阻遏了基因的表达。例：例：色氨酸操色氨酸操纵子子 因为色氨酸的存在而关闭西安电子科技大学 生命科学技术学院酶合成的阻遏操合成的阻遏操纵子模型子模型调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物辅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，这种物质就是辅阻遏物。西安电子科技大学 生命科学技术学院3、在在负转录调控控系系统中中，调节基基因因的的产物物是是阻阻遏遏蛋蛋白白（repressor），起着阻止起着阻止结构基因构基因转录的作用。的作用。根据其作用特征又可分根据其作用特征又可分为负控控诱导和和负控阻遏控阻遏：在在负控控诱导系系统中中，阻阻遏遏蛋蛋白白与与效效应物物（诱导物物）结合合时，结构基因构基因转录；在在负控控阻阻遏遏系系统中中，阻阻遏遏蛋蛋白白与与效效应物物（辅阻阻遏遏物物）结合合时，结构基因不构基因不转录。西安电子科技大学 生命科学技术学院负控诱导和负控阻遏系统16非活性阻遏蛋白基因表达非活性阻遏蛋白效应物/诱导物基因表达阻遏蛋白阻遏基因转录负控诱导系统调节基因负控阻遏系统调节基因操纵区活性阻遏蛋白效应物/辅阻遏物阻遏基因转录西安电子科技大学 生命科学技术学院4 4、在、在正正转录调控控系系统中，中，调节基因的基因的产物是物是激活蛋激活蛋白白（activator）。）。根据激活蛋白的作用性根据激活蛋白的作用性质分分为正控正控诱导和和正控阻遏正控阻遏在在正控正控诱导系系统中，效中，效应物分子（物分子（诱导物物）的存在）的存在使激活蛋白使激活蛋白处于活性状于活性状态；在在正控阻遏正控阻遏系系统中，效中，效应物分子（物分子（辅阻遏物阻遏物）的存的存在使激活蛋白在使激活蛋白处于非活性状于非活性状态。西安电子科技大学 生命科学技术学院正控诱导系统和正控阻遏系统18活性激活蛋白非活性激活蛋白阻遏基因转录RNA聚合酶活性激活蛋白基因表达效应物/辅阻遏物阻遏基因转录非活性激活蛋白正控阻遏系统调节基因正控诱导系统调节基因效应物/诱导物基因表达西安电子科技大学 生命科学技术学院三、转录水平上调控的其他形式三、转录水平上调控的其他形式1、因子的更换 在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。西安电子科技大学 生命科学技术学院因子因子是RNA聚合酶的一部分，主要的作用是在DNA转录过程中识别模板DNA启动子因子主要与启动子的-10区（TATA区或Pribnow区）和-35区（CAAT区）结合20西安电子科技大学 生命科学技术学院参与调控的因子因子705438322824编码基因RpoDRpoNRpoSRpoHRpoFRpoE22主要调控过程对数生长期和大多数碳代谢过程氮源利用分裂间期特异基因热休克基因鞭毛趋化相关基因过度热休克基因纠正课本P250页表7-2西安电子科技大学 生命科学技术学院23上游调控元件上游调控元件TTGACATTGACA N17TATAAT N58N68 TTGCA N79-35区-10区-24区-12区参与调控的因子结合启动子依赖于核心酶可在无核心酶时独立结合到启动子上西安电子科技大学 生命科学技术学院举例：热休克基因的调控大肠杆菌在37C下生长最好当温度增加到46C时，大肠杆菌几乎停止生长，此时产生大量热激蛋白（heat-shockprotein），占所有蛋白的30%。24西安电子科技大学 生命科学技术学院25热激蛋白的种类和作用（1）分子伴侣修复因高温错误折叠的蛋白 折叠错误的蛋白分子伴侣（2）蛋白酶降解无法修复的蛋白无法修复的蛋白蛋白片段蛋白酶西安电子科技大学 生命科学技术学院32(RpoH)对热激基因的调控:50C27错误折叠的蛋白质激活热激基因高温下，分子伴侣结合错误折叠蛋白，释放RpoH，从而RpoH激活热激基因RpoH分子伴侣西安电子科技大学 生命科学技术学院2、弱化子对基因活性的影响（在色氨酸操纵子详述）3、降解物对基因活性的调节（葡萄糖效应或降解物抑制作用）4、细菌的应急反应（空载tRNA诱导产生ppGpp和pppGpp）西安电子科技大学 生命科学技术学院3、降解物抑制作用调节低水平高水平降解物抑制作用葡萄糖存在下，即使在细菌培养基中加入乳糖，半乳糖，阿拉伯糖，麦芽糖等诱导物，相应启动子也不会启动原因:葡萄糖是方便的能源，细菌无需开启一些不常用的基因去利用乳糖降解物是指“葡萄糖”，葡萄糖是乳糖的降解物又称葡萄糖效应36西安电子科技大学 生命科学技术学院4、细菌的应急反应氨基酸的全面匮乏细菌产生应急反应生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质的几乎全部生化反应均被停止应急信号鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp）ppGpp和pppGpp的诱导物是空载tRNA39西安电子科技大学 生命科学技术学院应急反应的过程氨基酸饥饿，产生大量空载tRNA空载tRNA激活焦磷酸转移酶，大量合成ppGppppGpp关闭许多基因，也打开一些合成氨基酸的基因40西安电子科技大学 生命科学技术学院ppGpp的作用原理可能性一ppGpp与RNA聚合酶的结合使RNA聚合酶构象稳定，从而改变基因转录效率可能性二基因转录起始位点附近的保守序列是ppGpp或有关调节蛋白的结合位点，结合后，这些序列就不能与RNA聚合酶结合，使基因关闭。41