基因表達(dá)調(diào)控第1頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第十二章

基因表達(dá)調(diào)控第2頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月教學(xué)目的與要求：了解：真核生物和原核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)。理解：真核生物基因表達(dá)調(diào)控方式。掌握：原核生物基因表達(dá)調(diào)控的規(guī)律。教學(xué)重點(diǎn)：原核生物操縱子的正負(fù)調(diào)控及突變。第3頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第4頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月JacqucesMonodFrancoisJacob第一節(jié)原核生物基因表達(dá)調(diào)控1.大腸桿菌乳糖操縱子第5頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)(lactoseoperon,lac)lacZ

編碼β-半乳糖苷酶結(jié)構(gòu)基因lacY

編碼乳糖透性酶

lacA

編碼乙?；D(zhuǎn)移酶lacO

操縱基因調(diào)控元件lacP

啟動(dòng)子

CAP結(jié)合位點(diǎn)lacI第6頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）乳糖操縱子的表達(dá)機(jī)制第7頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有乳糖沒有葡萄糖操縱子被誘導(dǎo)，基因表達(dá)第8頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月乳糖操縱的負(fù)調(diào)控負(fù)調(diào)控系統(tǒng)(negativeregulationsystem)：沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時(shí)基因表達(dá)，加入某種調(diào)節(jié)蛋白后基因活性就關(guān)閉的控制系統(tǒng)。第9頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月既有葡萄糖又有乳糖培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時(shí)β-半乳糖苷酶β-半乳糖苷透性酶乙酰基轉(zhuǎn)移酶含量很低

第10頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為什么葡萄糖不能誘導(dǎo)三種酶的產(chǎn)生？?第11頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分解物基因激活蛋白第12頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

腺苷環(huán)化酶

ATP

cAMP葡萄糖抑制腺苷環(huán)化酶活性第13頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月mRNAcAMP濃度高第14頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月葡萄糖通過抑制腺苷環(huán)化酶活性而抑制乳糖操縱子的表達(dá)有葡萄糖時(shí)cAMP濃度低第15頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月乳糖操縱的正調(diào)控正調(diào)控系統(tǒng)(negativeregulationsystem)：沒有調(diào)節(jié)蛋白存在時(shí)基因關(guān)閉，加入某種調(diào)節(jié)蛋白后基因活性就被開啟的控制系統(tǒng)。第16頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月乳糖操縱子的正負(fù)調(diào)控的比較

條件調(diào)節(jié)蛋白基因活性

無乳糖

阻遏蛋白基因關(guān)閉有乳糖無基因表達(dá)負(fù)調(diào)控有葡萄有乳糖cAMP受體蛋白基因關(guān)閉基因表達(dá)正調(diào)控?zé)ocAMP-CAPcAMP-CAP第17頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）乳糖操縱子的基因突變lacI基因的突變

lacI第18頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第19頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月lacI基因的突變

LacI+

→LacI—：

阻遏物不能結(jié)合在lacO上，lac操縱子活動(dòng)失控，有無乳糖，均有酶的產(chǎn)生，—組成型突變LacI+

→LacIs：阻遏物不能和乳糖結(jié)合，操縱子活動(dòng)被抑制，有無乳糖均不產(chǎn)生酶—超阻遏突變第20頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）乳糖操縱子的基因突變lacO基因的突變

lacI第21頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第22頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月LacO基因的突變

LacO→

LacOc阻遏物不能和操縱基因結(jié)合，操縱子處于開放狀態(tài)第23頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

LacP基因的突變

阻礙RNA聚合酶與自身的結(jié)合，使操縱子不能轉(zhuǎn)錄第24頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月LacZ→LacZ—

不能合成β-半乳糖苷酶結(jié)構(gòu)基因突變：LacY→LacY—

喪失濃縮乳糖的能力LacA→LacA—合成乙?；傅哪芰G失第25頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月思考

操縱子的突變類型中，那些突變?cè)谟袩o乳糖存在的情況下均能表達(dá)三種酶？LacI+

→LacI—LacO→

LacOclacI第26頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月X–Gal是β–半乳糖苷酶的底物，水解后呈藍(lán)色。應(yīng)用第27頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月用于鑒定目的基因是否插入載體。第28頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用用于特異性表達(dá)目的基因。第29頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.色氨酸操縱子1）色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基因調(diào)控元件鄰氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油酸合成酶色氨酸合成酶β鏈α鏈POLEDCBAtrpR無活性的阻遏物第30頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）色氨酸操縱子模型結(jié)構(gòu)：

5種結(jié)構(gòu)基因：trpE、D、C、B、A；調(diào)控結(jié)構(gòu)：?jiǎn)?dòng)子、操縱子、前導(dǎo)序列阻遏物trpR基因：與trp操縱子相距較遠(yuǎn),編碼沒有活性的阻遏物。第31頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TrpTrp濃度高時(shí)Trp濃度低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶2）trp操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制第32頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第33頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月trpAtrpBtrpCtrpEtrpDPtrpOtrp前導(dǎo)序列aTrp阻抑物色氨酸激活RNAtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA色氨酸合成所需的酶trpR第34頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月色氨酸操縱子調(diào)控機(jī)制培養(yǎng)基中有足夠色氨酸

操縱子關(guān)閉色氨酸合成停止缺乏色氨酸

操縱子被打開色氨酸合成開始第35頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）應(yīng)用對(duì)色氨酸生物合成途徑中的關(guān)鍵基因trpR進(jìn)行改造。敲除trpR基因解除基因組上色氨酸合成和轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵酶受到的反饋?zhàn)瓒粽{(diào)控，獲得高產(chǎn)菌株.第36頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因調(diào)控元件POLEDCBAtrpR操縱子：包含結(jié)構(gòu)基因和控制區(qū)的整個(gè)核苷酸序列。小結(jié)第37頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因mRNA酶蛋白.........輔阻遏蛋白操縱子模型的內(nèi)容：在調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的作用下，通過操縱基因控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，從而發(fā)生酶的誘導(dǎo)或阻遏。第38頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月思考如何利用乳糖操縱子的突變類型，進(jìn)行轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的培育？請(qǐng)查閱相關(guān)資料列舉操縱子的研究進(jìn)展。第39頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)真核基因表達(dá)調(diào)控第40頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原核生物真核生物

操縱子調(diào)控。

多樣化調(diào)控，更為復(fù)雜。

基因組小，大腸桿菌：總長(zhǎng)4.6×106bp,編碼4288個(gè)基因,每個(gè)基因約1100bp。

基因組大，人類基因組全長(zhǎng)3×109bp，編碼10萬個(gè)基因，其余為重復(fù)序列。

基因分布在同一染色體上，操縱子控制。

DNA與組蛋白結(jié)合成染色質(zhì)，染色質(zhì)的變化調(diào)控基因表達(dá)；基因分布在不同的染色體上，存在不同染色體間基因的調(diào)控問題。

適應(yīng)外界環(huán)境，操縱子調(diào)控表達(dá)。

基因差別表達(dá)是細(xì)胞分化和功能的核心。

轉(zhuǎn)錄和翻譯同時(shí)進(jìn)行，大部分為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控。

轉(zhuǎn)錄和翻譯在時(shí)間和空間上均不同，從DNA到蛋白質(zhì)的各層次上都有調(diào)控，但多數(shù)為轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控真核生物與原核生物的調(diào)控差異第41頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)

與原核生物比較它具有一些明顯的特點(diǎn)：真核基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)更多真核基因的轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化相關(guān)。真核基因表達(dá)以正調(diào)控為主

第42頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)

與原核生物比較它具有一些明顯的特點(diǎn)：真核基因表達(dá)調(diào)控的環(huán)節(jié)更多真核基因的轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化相關(guān)。真核基因表達(dá)以正調(diào)控為主

第43頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第44頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.DNA水平調(diào)控DNA水平調(diào)控是通過改變基因組中有關(guān)基因的數(shù)量、結(jié)構(gòu)順序和活性而控制基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制包括：基因丟失基因的擴(kuò)增重排化學(xué)修飾第45頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）基因丟失：在個(gè)體發(fā)育過程中，某些原生動(dòng)物、線蟲、昆蟲和甲殼類動(dòng)物的一些體細(xì)胞常常丟失整條或部分染色體，而分化產(chǎn)生生殖細(xì)胞的那一部分細(xì)胞卻保留著完整染色體的現(xiàn)象。馬蛔蟲受精卵的早期分裂第46頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）基因擴(kuò)增

：在真核細(xì)胞中，某些特定基因的拷貝數(shù)有選擇性地大量增加的現(xiàn)象如蟾蜍卵母細(xì)胞基因擴(kuò)增癌細(xì)胞基因擴(kuò)增

第47頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）

基因重排：DNA分子中核苷酸序列的重新排列酵母菌不同類型的轉(zhuǎn)換第48頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第49頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）DNA甲基化：真核DNA中的胞嘧啶約有5%被甲基化為5-甲基胞嘧啶(5methylation,m5C)，甲基化可能阻礙轉(zhuǎn)錄因子與DNA特定部位的結(jié)合從而影響轉(zhuǎn)錄。如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶，小鼠的胚胎就不能正常發(fā)育而死亡，可見DNA的甲基化對(duì)基因表達(dá)調(diào)控是重要的。

第50頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控1)

順式作用元件(cisactingelements)

真核基因的順式作用元件：是指DNA上對(duì)基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的特定的調(diào)控序列，其活性僅影響與其自身處于同一DNA分子上的基因。真核基因的順式作用元件按功能分為：

啟動(dòng)子(promoter)

增強(qiáng)子(enhancer)；靜止子(silencer)或稱沉默基因。

第51頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

啟動(dòng)子:是指RNA聚合酶結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的DNA序列。第52頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月元件名稱共同序列結(jié)合的蛋白因子名稱分子量結(jié)合DNA長(zhǎng)度TATAboxTATAAAATBP30,000～10bpGCboxGGGCGGSP-1105,000～20bpCAATboxGGCCAATCTCTF/NF160,000～22bpOctamerATTTGCATOct-176,000～10bp

Oct-253,000～20bpkBGGGACTTTCCNFkB44,000～10bpATFGTGACGTAFT?20bp哺乳類RNA聚合酶Ⅱ啟動(dòng)子中的元件序列第53頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月啟動(dòng)子中的元件可以分為：TATA框：RNA聚合酶Ⅱ的識(shí)別和結(jié)合位點(diǎn)CAAT框：決定啟動(dòng)子的起始頻率GC框：增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性第54頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第55頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月增強(qiáng)子：是一種能夠提高轉(zhuǎn)錄效率的順式調(diào)控元件增強(qiáng)子通常占100－200bp長(zhǎng)度增強(qiáng)子的作用有以下特點(diǎn)：第56頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月①增強(qiáng)子提高同一條DNA鏈上基因轉(zhuǎn)錄效率，可以遠(yuǎn)距離作用，通?？删嚯x1－4kb、個(gè)別情況下離開所調(diào)控的基因30kb仍能發(fā)揮作用，而且在基因的上游或下游都能起作用。②增強(qiáng)子作用與其序列的正反方向無關(guān)，將增強(qiáng)子方向倒置依然能起作用。而將啟動(dòng)子倒就不能起作用，可見增強(qiáng)子與啟動(dòng)子是很不相同的。第57頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月③增強(qiáng)子要有啟動(dòng)子才能發(fā)揮作用，沒有啟動(dòng)子存在，增強(qiáng)子不能表現(xiàn)活性。第58頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月④增強(qiáng)子一般具有組織或細(xì)胞特異性，許多增強(qiáng)子只在某些細(xì)胞或組織中表現(xiàn)活性，是由這些細(xì)胞或組織中具有的特異性蛋白質(zhì)因子所決定的。第59頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月沉默子：參與基因表達(dá)負(fù)調(diào)控的一種元件

第60頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）反式作用因子(transactingfactors)反式作用因子：

(trans—actingfactor)。由不同染色體上基因座位編碼的、能直接或間接地識(shí)別或結(jié)合在各順式作用元件核心序列上并參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的結(jié)合蛋白．第61頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月反式作用因子的結(jié)構(gòu)特征1、DNA識(shí)別或結(jié)合結(jié)構(gòu)域2、激活基因轉(zhuǎn)錄的功能結(jié)構(gòu)域3、結(jié)合其他因子或調(diào)控蛋白的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域第62頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第63頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月序列特異性DNA結(jié)合蛋白的幾種結(jié)構(gòu)域的模式螺旋轉(zhuǎn)角螺旋第64頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第65頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鋅指結(jié)構(gòu)第66頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鋅指結(jié)構(gòu)第67頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鋅指結(jié)構(gòu)第68頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第69頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第70頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月螺旋—環(huán)—螺旋第71頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.

基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控RNA前體的加工過程：加帽、加尾、去掉內(nèi)含子真核生物中的RNA加工包括：tRNA前體的加工：產(chǎn)生的tRNA前體經(jīng)過核苷酸裂解和修飾作用，最后產(chǎn)生成熟tRNA。rRNA前體的加工：真核生物核糖體有四種RNA分子，即5S、5.8S、18S、28SrRNA

。RNA聚合酶Ⅰ先轉(zhuǎn)錄出一個(gè)約45S的rRNA

前體，再經(jīng)多次酶切降解，切除5‘和3’端及中間不需要的序列，分別形成成熟的5.8S、18S、28SrRNA。5SrRNA不需加工。第72頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）選擇性mRNA切割mRNA前體的加工：結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄出的mRNA前體，在3‘端加polyA尾，5’端m7-Gppp的帽結(jié)構(gòu)，內(nèi)切酶切去不表達(dá)序列，再進(jìn)行甲基化修飾等。第73頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

mRNA前體第74頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月mRNA多腺苷酸化第75頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月成熟RNA的獲得第76頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）RNA編輯的分子機(jī)制RNA編輯（RNAediting）：對(duì)轉(zhuǎn)錄后的mRNA編碼區(qū)進(jìn)行堿基插入、刪除或替換而改變遺傳信息的過程。第77頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月RNA編輯的分子機(jī)制.第78頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月意義：糾正某些移碼突變；構(gòu)建或刪除起始密碼子、終止密碼子；增減核苷酸擴(kuò)充遺傳信息。RNA編輯的類型按編輯方式可分為：堿基的插入與刪除堿基的插入核苷酸的替換

第79頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）反義RNA(antisenseRNA

):反義RNA：與mRNA互補(bǔ)的RNA分子，它能與mRNA分子特異性的互補(bǔ)結(jié)合，抑制mRNA的加工和翻譯是指構(gòu)建互補(bǔ)于靶基因mRNA反義核酸分子(反義cDNA真核表達(dá)載體),利用轉(zhuǎn)染技術(shù),將此反義cDNA表達(dá)載體轉(zhuǎn)入細(xì)胞,阻斷或減少蛋白的表達(dá)原理：把與mRNA序列互補(bǔ)的或與模板連互補(bǔ)的寡核苷酸轉(zhuǎn)入細(xì)胞，是mRNA不能翻譯蛋白質(zhì)，或使模板連不能產(chǎn)生mRNA，從而降低基因的蛋白產(chǎn)物。第80頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第81頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.基因翻譯水平的調(diào)控第82頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.翻譯后水平的調(diào)控1）蛋白質(zhì)折疊2）蛋白酶切割3）蛋白質(zhì)的化學(xué)修飾4）切除多肽鏈中間的內(nèi)含子序列第83頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月帽子結(jié)合蛋白第84頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月翻譯后調(diào)控機(jī)制第85頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.蛋白質(zhì)加工過程的調(diào)控：⑴.蛋白質(zhì)的折疊：

⑵.蛋白酶的切割：

①.末端切割：有些分泌蛋白對(duì)細(xì)胞有毒害作用，常以無活性的前體蛋白形式貯存在于細(xì)胞內(nèi)，需要這種蛋白時(shí)，由蛋白酶切割加工成有功能的蛋白。如，蜜蜂在叮咬動(dòng)物時(shí)注入蜜毒素，引起細(xì)胞溶解，蜜毒素也能使蜜蜂自身的細(xì)胞溶解。翻譯后以前體形式儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi)，能被細(xì)胞間隙的一種蛋白酶識(shí)別和切割，釋放出有活性的蜜毒素。第86頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月又如，脊椎動(dòng)物的胰島素加工過程：

最初前胰島素原有105個(gè)氨基酸，加工中先將N端的24個(gè)氨基酸殘基切除，形成前體胰島素