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第六章原核生物基因表达调控 ppt课件

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第六章 原核基因表达调控

第六章 原核基因表达调控

第六章 原核基因表达调控模式
-- 乳糖(+)时, 葡萄糖（+）
二.乳糖操纵子调节机制
i基因
有诱导物时
P
O
Lac Z
Lac Y 转录
lac A
阻遏蛋白 阻遏物 蛋白亚基 无活性的 阻遏蛋白
翻译 转录水平低, 没有乳糖酶的合成 β- 半乳糖苷酶 β- 半乳糖苷通透酶 β- 半乳糖苷乙酰转移酶
mRNA
诱导物
第六章 原核基因表达调控模式
一.
概述
根据细菌酶的合成对环境的反应不同，分为:
组成酶 细菌酶 诱导酶
适Байду номын сангаас酶
阻遏酶
第六章 原核基因表达调控模式
3. 原核基因表达的多级调控
四个基本调控点: 基因活化 转录水平上的调控
最有效的调节环节
一.
概述
转录起始--- DNA元件与调控蛋白相互作用调控 mRNA加工成熟水平的调控 转录后水平上的调控 翻译及翻译后水平的调控
调节基因的产物-阻遏蛋白
负控诱导 负控阻遏 正控诱导
调控机制
负转录调控 (为主) 正转录调控
正控阻遏
调节基因的产物-激活蛋白
第六章 原核基因表达调控模式
负调控 Lac O 正调控 Ara O
一.
概述
诱
导 阻遏物 阻遏 诱导物 诱导
失活的阻遏物 失活的活性蛋白 阻遏
活化的激活蛋白 诱导物 诱导
Trp O
（1） 葡萄糖(+), 乳糖(–)时,
- 乳糖(–)时, 无别乳糖存在，阻遏蛋白与操纵子上的 O序列结合, 使操纵子处于关闭状态，三个结构基因 不表达。 - 葡萄糖(+)及cAMP浓度低时，CAP 活性低, 无 cAMP- CAP复合物形成。

第六章 原核生物表达调控

第六章 原核生物表达调控

第一节概述围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都通称为基因表达调控（gene regulation或gene control）。

几个基本概念1、顺式作用元件和反式作用因子：基因活性的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）与顺式作用元件（通常在DNA 上）相互作用而实现。

顺式作用元件是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中，如启动子和终止子，都是典型的顺式作用元件。

反式作用因子是能调节与它们接触的基因的表达的各种扩散分子（通常是蛋白质），如RNA聚合酶、转录因子。

2、结构基因和调节基因:结构基因(structural gene)是编码蛋白质或RNA的基因。

细菌的结构基因一般成簇排列，多个结构基因受单一启动子共同控制，使整套基因或都表达或都不表达。

调节基因(regulator gene)是编码合成那些参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的特异DNA 序列。

调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。

比如：它能使结构基因在需要某种酶时就合成某种酶,不需要时,则停止合成，它对不同染色体上的结构基因有调节作用。

调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式（启动或增强基因表达活性）调节靶基因，也能以负调控的方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。

DNA位点通常位于受调节基因的上游，但也有例外.3、操纵基因和阻遏蛋白操纵基因(operator)是操纵子中的控制基因，在操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态，使RNA聚合酶能够通过并作用于启动子启动转录。

但当它与调节基因所编码的阻遏蛋白结合时，就从开放状态逐渐转变为关闭状态，使转录过程不能发生。

阻遏蛋白(aporepressor)是负调控系统中由调节基因编码的调节蛋白，它本身或与辅阻遏物(corepressor)一起结合于操纵基因，阻遏操纵子结构基因的转录。

基因表达调控PPT课件

基因表达调控PPT课件
全球第一例中国人标准基因组序列图谱的一部分
基因表达
是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学 功能产物的过程。
（激活）
基因表达调控
（功能及形态表型）
控制基因表达的调节机制，细胞或生物体在接受 内外环境信号刺激时或适应环境变化的过程中在
基因表达水平做出应答的分子机制。
例如：人类基因组含2-2.5万个编码基因，在某一特定时 期或生长阶段，只有一小部分基因处于表达状态。
① 真核基因组比原核基因组大得多 ② 原核基因组的大部分序列都为编码基因，而哺
乳 类 基 因 组 中 只 有 10% 的 序 列 编 码 蛋 白 质 、 rRNA、tRNA等，其余90%的序列，包括大量 的重复序列功能至今还不清楚，可能参与调控 ③ 真核生物编码蛋白质的基因是不连续的，转录 后需要剪接去除内含子，这就增加了基因表达 调控的层次
④ 原核生物的基因编码序列在操纵子中，多顺反子 mRNA使得几个功能相关的基因自然协调控制； 而真核生物则是一个结构基因转录生成一条 mRNA ， 即 mRNA 是 单 顺 反 子 （ monocistron ） ，许多功能相关的蛋白、即使是一种蛋白的不同 亚基也将涉及到多个基因的协调表达
⑤ 真核生物DNA在细胞核内与多种蛋白质结合构 成染色质，这种复杂的结构直接影响着基因表 达；
整理
❖ 掌握操纵子的概念。 ❖ 掌握乳糖操纵子的结构，阻遏蛋白的负性调
节，CAP的正性调节，协调调节。 ❖ 了解原核基因表达转录终止阶段的调控机制。 ❖ 了解原核基因表达翻译水平的调控。
第四节
真核基因表达调节
Regulation of Gene Expression in Eukaryote
一、真核细胞基因表达的特点

第6章原核生物的基因表达调控

第6章原核生物的基因表达调控
在此文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因 (operator)的概念，他们的操纵子学说(theory of operon)使我 们得以从分子水平认识基因表达的调控，是一个划时代的突破， 因此他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。
一、操纵子(operon)
细菌能随环境的变化，迅速改变某 些基因表达的状态，这就是很好的基因 表达调控的实验模型。人们就是从研究 这种现象开始，打开认识基因表达调控 分子机理的窗口的。
既然从DNA到蛋白质的过程称为基因表达，对这个过程
的调节就称为基因表达调控（gene regulation或gene control）。基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中
心课题。
6.1.1基因表达调控的意义
基因组(genome) 是指含有一个生物体生存、发育、活动和 繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。
一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息，在个 体发育分化的各个阶段，各种基因极为有序地表达，一般 在胚胎时期基因开放的数量最多，随着分化发展，细胞中 某些基因关闭(turn off)、某些基因转向开放(turn on)， 胚胎发育不同阶段、不同部位的细胞中开放的基因及其开 放的程度不一样，合成蛋白质的种类和数量都不相同，显 示出基因表达调控在空间和时间上极高的有序性，从而逐 步生成形态与功能各不相同、极为协调、巧妙有序的组织 脏器。
组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。
②适应性表达(adaptive expression)指环境的变化容易使其表达 水平变动的一类基因表达。
应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)， 这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)；

分子生物学6

分子生物学6

W
M
隐性
W
M
顺式显性
分子生物学6
W
M
顺式及反式显性
W
M显性负突变体源自分子生物学6三、原核生物的基因转录及表达调控
2. 基因表达调控 （2）操纵子的发现 n 结论
通过阻遏基因（阻遏物）与操纵区， lacZ、lacY、lacA这3个结构基因是一起 被调控的，它们组成了一个操纵子（the lac operon） n 后来的研究证实了Jacob与Monod的预 言，并使操纵子的慨念进一步完善
分子生物学6
三、原核生物的基因转录及表达调控
2. 基因表达调控 （4）乳糖操纵子的正调控
n 乳糖操纵子的启动子实际上是一种弱启动子， 其 -35 box与原核启动子相应的共同序列相差 甚大，因此才需要CAP-cAMP进行正调控； 如果是强启动子（与共同序列十分相近）， 则不需要正调控，但这种情况会使得即使葡 萄糖存在，乳糖操纵子也一样运作。
分子生物学6
negative control
分子生物学6
三、原核生物的基因转录及表达调控 2. 基因表达调控
（2）操纵子的发现 n 操纵子概念的提出者
n François Jacob n Jacques Monod
分子生物学6
François Jacob, Jacques Monod, et André Lwoff, Prix Nobel 1965
分子生物学6
三、原核生物的基因转录及表达调控
2. 基因表达调控 （4）乳糖操纵子的正调控
n 阻遏物的调控是负调控，乳糖操纵子的调控还需正调 控因子
n 代谢物阻遏效应（catabolite repression） n cAMP在细胞中的浓度与葡萄糖的含量成反比，它与

分子生物学原核生物基因表达调控ppt课件

分子生物学原核生物基因表达调控ppt课件
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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）
① mRNA加工成熟水平上的调控 ② 翻译水平上的调控
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二、操纵子学说
1、操纵子模型的提出 1961年，Monod和Jacob提出 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
54
55
③ 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。
56
RNA聚合酶结合部位
阻遏物结合部位
57
操纵位点的回文序列
58
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转 录起始受到抑制。
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未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
LacI P O
lacZ
lacY
lacA
32
酶合成的诱导操纵子模型
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
诱导物
如果某种物质能够促使
阻遏蛋白
mRNA
细菌产生酶来分解它，
这种物质就是诱导物。
诱导物
酶蛋白
33
• 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
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 负转录调控
29
调节基因
操纵基因
结构基因
激活蛋白 阻遏蛋白
正转录调控 负转录调控

基因表达调控PPT课件

基因表达的调节与基因的结构、性质， 生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细 胞内所存在的转录调节蛋白有关。
1. 顺式作用元件：特异DNA序列 2. 反式作用因子：特定调节蛋白质
14
原核生物
—— 操纵子(operon) 机制
启动序列 (promoter)
编码序列
其他调节序列
蛋白质因子
操纵序列 (operator)
• 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
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酶合成的诱导操纵子模型
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
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。
合时，结构基因不转录。
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在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白 根据激活蛋白的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）的存在使激 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）的存在使 激活蛋白处于非活性状态。
39
40
三、乳糖操纵子（lac operon）
能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 • A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基
转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
43
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2. 乳糖操纵子的阻遏调控---可诱导调控
无乳糖存在时
阻遏物结合在操纵基因上→阻 止转录过程→基因关闭
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2. 乳糖操纵子的阻遏调控---可诱导调控
有乳糖存在时
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白

第六章 原核生物基因表达调控


图6-7 乳糖操纵子结构模式图
第二节 原核基因表达的调控
乳糖操纵子的上游有一个独立转录的基因lacI，其编码产物LacI 可以结合在乳糖操纵子的操纵基因（lacO）上，即转录控制区，阻抑 下游结构基因的表达。因此，乳糖操纵子是一个负调控系统（图68）。其中，LacI是具有负调控作用的反式作用因子，LacI作用的靶 DNA序列lacO是顺式作用元件。
trpB(UGA处翻译终止) -UGA -GAA-AUC- UGA-UGG-AA A UG-G AAtrpA(AUG处翻译起始)
第二节 原核基因表达的调控
3．稀有密码子对翻译的影响 DNA复制时，引物酶催化一段RNA引物的合成，引物酶 由dnaG编码。rpsU-dnaG-rpoD组成一个转录单位，产生多 顺反子转录物。细胞内三个基因的终产物的浓度相差却很 大，rpsU产物浓度为4×104个/细胞，dnaG产物50个/细胞， rpoD产物2800个/细胞。菌体通过使用稀有密码子，使转 录为一条mRNA链的三个基因的表达产物量可以有很大差异。
第二节 原核基因表达的调控
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图6-10 色氨酸操纵子的负调控
第二节 原核基因表达的调控
4．阿拉伯糖操纵子 阿拉伯糖与乳糖一样，可替代葡萄糖作为碳源物质被 菌体利用。大肠杆菌中，阿拉伯糖（Ara）代谢所需酶的 三个基因分别是：核酮糖激酶基因（ araB）、L-Ara异构 酶 基 因 （ araA）、L- 核 酮 糖 - 5 - 磷 酸 差 向 异 构 酶 基 因 （ araD），组成一个基因簇，有共同的启动子 PBAD。与其 它操纵子不同的是，操纵序列位于 PBAD 上游，操纵序列左 端有另一方向转录的启动子 PC，负责调节基因araC的转录， 其产物AraC蛋白有两种活性形式，Pr 对 PBAD 的表达起阻遏 作用，Pi对PBAD的表达起激活作用（图6-11）。
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原核启动序列或真核启动子是由转录起始点、 RNA聚合酶结合位点及控制转录的调节组件组 成。
启动序列影响其与RNA聚合酶的亲和力，而 亲和力大小则直接影响转录起动的频率。
真核生物RNA聚合酶
R N A 聚 合 酶 TF II F
TF II D
TF II
T F II E
T F II A
TAT B A
调节基因（Regulatory gene）——为阻抑蛋白编码基因 控制区 启动基因（Promoter）——为cAMP受体蛋白（CRP）和RNA聚合酶结合区。
操纵基因（0perater）——为阻抑蛋白结合位点。 信息区——由一个或数个结构基因串联在一起组成。
------ 操纵子(operon)
• 由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组 成的功能单位，其中结构基因转录受操纵 基因所控制。 •操纵基因是顺式控制元件，阻抑蛋白是反 式作用因子
➢ 基因表达完全关闭的情况使极为少见的。
真核生物基因表达的调控可发生在不同水平上
一、原核基因调控机制的类型与特点
一个典型的原核生物基因的结构
二、基因表达调控
•围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节 方式都通称为基因表达调控. •转录水平的调控 •转录后的调控 •翻译水平的调控
DNA水平
基因丢失； 基因扩增 基因重排； 甲基化修饰； 染色质的结构状态
RNA水平 蛋白质水平
转录水平调控； RNA的转录后加工； mRNA从核内向胞浆转运； mRNA稳定性 翻译过程；
四、基因表达的方式
•组成性基因表达 •适应性表达（诱导和阻遏表达）
1、组成性基因表达
某些基因在一个生物个体的几乎所有细 胞中持续表达，通常被称为管家基因 (house-keeping gene)。
无论表达水平高低，管家基因较少受环 境因素影响，而是在个体各个生长阶段的 大多数或几乎全部组织中持续表达，或变 化很小。区别于其他基因，这类基因表达 被视为组成性表达。
真核生物的顺式作用元件
是指可影响自身基因表达活性的特异DNA 序列。通常是非编码序列。包括启动子、增强 子及沉默子等。
DNA调节蛋白
是调节基因转录的蛋白因子，如原核生 物的阻遏蛋白和CAP蛋白（降解物基因活 化蛋白）、真核生物的基本转录因子和特异 转录因子等。
3、 RNA聚合酶
五、基因表达调控的基本原理：
1.基因表达调控的多层次和复杂性 2 . 基因转录激活调节基本要素
1.基因表达调控的多层次和复杂性
四个基本调控点 （1）基因结构的活化 （2）转录起始：最有效的调节环节 （3）转录后加工及转运 （4）翻译及翻译后加工
DNA水平 RNA水平 蛋白质水平
基因丢失； 基因重排；
基因扩增 甲基化修饰；
染色质的结构状态
转录水平调控； RNA的转录后加工； mRNA从核内向胞浆转运； mRNA稳定性 翻译过程；
翻译后加工； 蛋白质的稳定性
2 . 基因转录激活调节基本要素
基因表达的调节与基因的结构、性质，生 物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内 所存在的转录调节蛋白有关。 三个基本要素： 1）特异的DNA调节序列 2）调节蛋白 3）RNA聚合酶
DN
转 录 前 起 始 复 合 物
六、基因表达调控的生物学意义
1、适应环境、维持生长和增殖 2、维持个体发育与分化
第一节 原核基因表达调控总论
基因表达
DNA
5′ 3′
5′ RNA
3′ 转录方向
正义链、 编码链、 （+）链
3′ 5′
反义链 模板链、 （－）链
基因表达调控
转录水平上的调控 转录后水平上的调控
2、诱导和阻遏表达
•诱导表达（induction）指在特定环境因素刺激下 ，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类 基因称为可诱导基因。
•阻遏表达（repression）指在特定环境因素刺激下 ，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类 基因称为可阻遏基因。
•协调表达
在一定机制控制下，功能上相关的一组 基因，无论其为何种表达方式，均需协调一 致、共同表达，即为协调表达(coordinate expression)，这种调节称为协调调节 (coordinate regulation)。
翻译后加工； 蛋白质的稳定性
三、基因表达的特性： 1）时间特异性或阶段特异性 2）空间特异性或组织细胞特异性
1、时间特异性
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(temporal specificity)。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶 段特异性(stage specificity)。
基因转录激活调节基本要素
1、特异DNA序列 •原核生物的操纵子
•真核生物的顺式作用元件 （cis-acting element）
2、调节蛋白
------ 操纵子(operon)
启动子 (promoter)
结构基因
调节基因
阻抑蛋白
操纵基因 (operator)
------ 操纵子(operon)
2、空间特异性（spatial 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(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)。
第六章 原核生物基因表达调控
前言
一、基因表达 (gene expression)
• 在一定调节机制控制下，基因通过转录和 翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生 其RNA产物，如tRNA、rRNA等的过程 。 • 大多数基因的表达产物是蛋白质,部分基因 如tRNA和rRNA基因表达产物是RNA。
➢ 原核生物主要是在转录水平上调控基因的 表达。
➢ 当需要某种基因产物时，就大量合成这种 mRNA，当不需要这种基因产物时就抑制 这种mRNA的转录，就是让相应的基因不 表达。
➢ 通常所说的基因不表达，并不是说这个基 因就完全不转录为mRNA，而是转录的水 平很低，维持在一个基础水平（本底水 平）。