分子生物學(xué)課件第五章基因表達調(diào)控原核生物

分子生物學(xué)課件第五章基因表達調(diào)控原核生物1第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三概述基因組（genome）：一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。在某一特定時期，基因組中只有一部分基因處于表達狀態(tài)。在個體不同生長時期、不同生活環(huán)境下，某種功能的基因產(chǎn)物在細胞中的數(shù)量會隨時間、環(huán)境而變化。第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三Translation

生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過程，合成具有特定的生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)的蛋白質(zhì)的全過程?；虮磉_(geneexpression)注：并非所有基因表達過程都產(chǎn)生蛋白質(zhì)。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達。第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

基因表達的時間性及空間性1.時間特異性

按功能需要某一特定基因表達嚴(yán)格按特定的時間順序發(fā)生。如病毒感染；胚胎發(fā)育?；虮磉_的時間特異性又稱階段特異性。第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三2.空間特異性

指在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體不同組織器官表達存在差異?？臻g特異性又稱細胞特異性或組織特異性。第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

按對刺激的反應(yīng)性分為兩大類：

1.基本（組成性）表達

(constitutivegeneexpression)

基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。如管家基因。

基因表達的方式第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三管家基因(housekeepinggene)某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達。bcl-2β-actin12瓊脂糖凝膠電泳圖1.對照組2.實驗組第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三常用的管家基因中文名稱英文縮寫B(tài)eta－肌動蛋白β-actin甘油醛3-磷酸脫氫酶GAPDHTATABox結(jié)合蛋白 TBP18s核糖體核糖核酸 18srRNA微管蛋白α

α-tubulin第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三2.誘導(dǎo)和阻遏表達

在特定環(huán)境信號刺激下，有些基因的表達表現(xiàn)為開放或增強。誘導(dǎo)表達(inductionexpression)

在特定環(huán)境信號刺激下，有些基因的表達表現(xiàn)為關(guān)閉或下降。阻遏表達(repressionexpression)第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

在一定機制下，功能相關(guān)的一組基因，協(xié)調(diào)一致，共同表達。協(xié)調(diào)表達(coordinanceexpression)第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

基因表達的調(diào)控

機體各種細胞內(nèi)相同的結(jié)構(gòu)基因，根據(jù)機體的生長、發(fā)育、繁殖及環(huán)境變化的需要，有規(guī)律的選擇性、程序性、適度地表達，以適應(yīng)環(huán)境，發(fā)揮其生理功能。

(geneexpressionandregulation)第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義

1.適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖；

2.維持個體發(fā)育和分化。第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

基因表達的調(diào)控因子

蛋白質(zhì)（主要）

小分子RNA（某些環(huán)節(jié)）第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

基因表達的調(diào)控水平

基因組

轉(zhuǎn)錄后

翻譯

翻譯后中心法則(centraldogma)

轉(zhuǎn)錄第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

第一節(jié)

原核生物基因表達的調(diào)控

主要在轉(zhuǎn)錄水平，其次是翻譯水平。本節(jié)主要以大腸桿菌為例介紹原核生物基因表達的調(diào)控。第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三一、原核生物基因表達的特點

1.只有一種RNA聚合酶。RNA聚合酶用來識別原核細胞的啟動子，催化所有RNA的合成。2.基因表達以操縱子為基本單位。原核基因一般不含內(nèi)含子，基因是連續(xù)的。原核基因轉(zhuǎn)錄單位多為多順反子。

第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三操縱子學(xué)說開創(chuàng)了基因表達調(diào)控的研究F.JacobJ.L.Monod第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三tayz

opStructural

genepromoteroperator（啟動子）操縱子(operon)模型操縱子(operon)

:一個多順反子轉(zhuǎn)錄單位與其調(diào)控序列即構(gòu)成操縱子。terminator（操縱子）（結(jié)構(gòu)基因）（終止子）第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三PromoterGene1Gene2Gene3TerminatorDNAtranscriptionmRNA3′1235′translationpolypeptidechain123原核生物的mRNA是多順反子mRNA第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三多順反子(polycistron)

原核基因中多個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起構(gòu)成一個轉(zhuǎn)錄單位。通常依賴同一調(diào)控序列對其轉(zhuǎn)錄進行調(diào)節(jié)，使這些相關(guān)基因?qū)崿F(xiàn)協(xié)同表達。第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三3.轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)進行：原核生物裸露的環(huán)形DNA，在擬核內(nèi)轉(zhuǎn)錄成mRNA后，直接在胞漿中與核糖體結(jié)合翻譯為蛋白質(zhì)。

4.mRNA翻譯起始部位有特殊的堿基序列---SD序列。

第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

SD

（Shine-Dalgarno）序列

在起始密碼AUG上游4～13個堿基之前有一段富含嘌呤的序列，其一致序列為AGGAGG，能與核糖體30S亞基中16SrRNA3′端富含嘧啶的序列結(jié)合，與蛋白質(zhì)合成過程中起始復(fù)合物生成有關(guān)。

第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三5.原核生物基因表達的調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，即對RNA合成的調(diào)控。

通常有兩種方式：

(1)起始調(diào)控，即啟動子調(diào)控；

(2)終止調(diào)控，即衰減子調(diào)控。第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三二、原核生物基因表達的調(diào)控機制

(一)轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

1.б因子及RNA聚合酶對轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

2.轉(zhuǎn)錄起始的負(fù)調(diào)控

3.轉(zhuǎn)錄起始的正調(diào)控

4.轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控

第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三調(diào)控RNA聚合酶與特異DNA區(qū)域結(jié)合：確保RNA聚合酶與特異啟動子序列穩(wěn)定結(jié)合，而不是與其它位點結(jié)合。(1)б因子1.б因子與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控

第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三核心酶(coreenzyme)全酶(holoenzyme)

例如:大腸桿菌RNA聚合酶由5個亞基（α2ββˊб）構(gòu)成，核心酶（α2ββˊ）能以DNA為模板合成RNA，但必須依靠б因子協(xié)助才能在正確位置起始轉(zhuǎn)錄。第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

不同的σ因子決定RNA聚合酶對一個或一套啟動子序列的特異性識別和結(jié)合能力。最早發(fā)現(xiàn)的σ因子：σ70新發(fā)現(xiàn)：σ32、σ54

、σ28第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三機理：б因子含有識別啟動區(qū)的結(jié)構(gòu)域。a.б因子獨立存在時，N端抑制了C端DNA結(jié)

合活性，與DNA不能結(jié)合。b.當(dāng)б因子與核心酶組成全酶后，N端對C端

抑制作用消失，可與DNA特異結(jié)合。c.轉(zhuǎn)錄起始完成后б因子脫落，核心酶向下

游滑動完成轉(zhuǎn)錄。第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

（2）啟動區(qū)序列啟動區(qū)序列是RNA聚合酶結(jié)合并啟動轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。(共有序列)RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBAD

TTGACA

TATAAT共有序列90%以上為嘌呤核苷酸第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

共有序列決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性強弱。某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力。第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

2.轉(zhuǎn)錄起始的負(fù)調(diào)控

乳糖操縱子（lactoseoperon,lac）是原核生物基因轉(zhuǎn)錄負(fù)調(diào)控的最典型模式。第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基因Y：透酶Z：β-半乳糖苷酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點

啟動子操縱元件ZYAOPDNA第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOP有葡萄糖存在，沒有乳糖存在阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol有葡萄糖存在，沒有乳糖存在阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

mRNA阻遏蛋白沒有葡萄糖存在有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

mRNA阻遏蛋白沒有葡萄糖存在有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖β-半乳糖苷酶半乳糖第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

僅有葡萄糖葡萄糖耗完有乳糖存在第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合分子機制：

操縱基因區(qū)域具有反向重復(fù)序列（能與蛋白質(zhì)特異結(jié)合的DNA特征性結(jié)構(gòu)）。

-10+1+10+20+305′ATGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGGAA3′3′TACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGTCCTT5′

第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

RNA聚合酶與阻遏蛋白互斥分子機制：操縱基因在操縱子的位置是從-7至+28，RNA聚合酶所占區(qū)域是從-35至+20，兩者有部分重疊。第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三3.轉(zhuǎn)錄起始的正調(diào)控

阿拉伯糖操縱子是正調(diào)控的典型例子。

阿拉伯糖操縱子的基因結(jié)構(gòu)圖

操縱子由結(jié)構(gòu)基因B、A、D以及調(diào)控元件I1、I2、O1、O2和啟動子構(gòu)成。araC基因編碼調(diào)節(jié)蛋白AraC。第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

AraC對阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)圖不存在阿拉伯糖時，AraC二聚體與O1、O2及I1結(jié)合，DNA彎曲成環(huán)結(jié)構(gòu)。由于I2不被占據(jù)，B、A、D基因不發(fā)生轉(zhuǎn)錄。第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

當(dāng)有阿拉伯糖時，AraC二聚體與阿拉伯糖形成復(fù)合物，使AraC形狀改變，I1和I2由一個AraC二聚體占據(jù)，從而激發(fā)B、A、D基因轉(zhuǎn)錄。

AraC對阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)圖第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

4．轉(zhuǎn)錄起始的復(fù)合調(diào)控

在大腸桿菌的許多操縱子中，基因的轉(zhuǎn)錄不是由單一因子調(diào)控的，而是通過負(fù)調(diào)控因子和正調(diào)控因子進行復(fù)合調(diào)控。典型例子：糖代謝有關(guān)的操縱子，如lac

操縱子。第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三cAMP與葡萄糖相關(guān)性：葡萄糖↑，cAMP↓

葡萄糖↓，cAMP↑cAMP:環(huán)一磷酸腺苷CAP：分解代謝基因激活蛋白(catabolitegeneactivatorprotein，CAP)

CAP的活性依賴cAMP，形成cAMP-CAP復(fù)合物，促進多種操縱子的轉(zhuǎn)錄起始。第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三++++

轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三mRNA沒有乳糖有乳糖

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三※當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；※如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三

（二）轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控

原核生物的轉(zhuǎn)錄終止調(diào)控方式分兩大類：A.依賴ρ因子的終止調(diào)控；B.不依賴ρ因子的終止調(diào)控。此外，核糖體也參與轉(zhuǎn)錄終止。例:色氨酸操縱子表達的調(diào)控有兩種方式:a.通過阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控b.通過衰減子作用第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)及其調(diào)控

1.阻遏蛋白對色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控第49頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶

?2.衰減子對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控色氨酸操縱子6700