1、1,第 22 章,基因的表達調(diào)控,22.1 基因組的組織 22.2 原核生物基因表達調(diào)控 22.2.1 3個水平上的調(diào)節(jié) 22.2.2 lac操縱子 22.2.3 分解代謝與調(diào)控 22.3 真核生物基因表達調(diào)控,2,不同類型的基因：,結(jié)構(gòu)基因 調(diào)控基因 重疊基因 隔裂基因 跳躍基因 假基因,3,原核生物的DNA： 單個裸露的DNA 不編碼占5% 轉(zhuǎn)錄和翻譯同一時間，地點進行 基因調(diào)控主要在三個水平上進行: DNA水平 轉(zhuǎn)錄水平(主) 翻譯水平,4,乳糖操縱子模型的建立(Jacob and Monod, 1961),獲1965年諾獎,5,操縱子: 由操縱基因及其所操縱的結(jié)構(gòu)基 因組成的一個單位。

2、,原核生物的酶合成調(diào)節(jié)機制 操縱子學說,643,6,調(diào)控蛋白的作用機制,注： R ：Regulator P ：Promoter O ：Operator,7,正調(diào)控與負調(diào)控 調(diào)節(jié)基因 RNA 調(diào)節(jié)蛋白 正調(diào)節(jié)蛋白激活+操縱子 結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄、表達 正調(diào)節(jié)蛋白失活，結(jié)構(gòu)基因不表達 （正控制/正調(diào)節(jié) ） 負調(diào)節(jié)蛋白激活+操縱子 結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄、表達 負調(diào)節(jié)蛋白失活，結(jié)構(gòu)基因表達 （負控制/負調(diào)節(jié) ）,8,阻遏物與輔阻遏物,阻遏物（repressor）：由調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的一種變構(gòu)蛋白，當它與操縱基因結(jié)合時，能夠抑制轉(zhuǎn)錄的進行。 輔阻遏物(corepressor)：能夠與失活的阻遏蛋白結(jié)合，并恢復(fù)阻遏蛋白與操

3、縱基因結(jié)合能力的物質(zhì)。,9,誘導調(diào)控與非誘導調(diào)控,根據(jù)輔因子（小分子）結(jié)合后調(diào)控效果，可分： 開啟調(diào)控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄活性 誘導 關(guān)閉調(diào)控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄活性 阻遏,10,操縱子調(diào)控系統(tǒng)的基本類型,可誘導負控制系統(tǒng) 可誘導正控制系統(tǒng) 可阻遏負控制系統(tǒng) 可阻遏正控制系統(tǒng),11,12,負調(diào)控： 沒有調(diào)節(jié)蛋白（阻遏物）存在下， 操縱基因是開啟的（表達） 調(diào)節(jié)蛋白（阻遏物）存在下, 操縱基因是關(guān)閉的（不表達）,13,正調(diào)控與負調(diào)控并非互相排斥的兩種機制，而是生物體適應(yīng)環(huán)境的需要，有的系統(tǒng)既有正調(diào)控又有負調(diào)控； 原核生物以負調(diào)控為主，真核生物以正調(diào)控為主； 降解代謝途徑中既有正調(diào)控又有負調(diào)控；合

4、成代謝途徑中一般以負調(diào)控來控制產(chǎn)物自身的合成。,14,大腸桿菌乳 糖 操 縱 子 模型,調(diào)節(jié)基因,操縱基因,乳糖結(jié)構(gòu)基因,P,LacZ,LacY,LacA,mRNA,阻遏蛋白（有活性）,基 因 關(guān) 閉,啟動子,O,R,P,LacZ,LacY,LacA,調(diào)節(jié)基因,操縱基因,乳糖結(jié)構(gòu)基因,啟動子,O,R,mRNAZ,mRNAY,mRNAa,阻遏蛋白（無活性）,基 因 表達,mRNA,A、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu),B、乳糖酶的誘導,乳糖,阻遏蛋白（有活性）,15,乳糖操縱子的分解代謝物阻遏,R,LacZ,LacY,LacA,mRNA,mRNAZ,mRNAY,mRNAa,基 因 表達,CAP基因,結(jié)構(gòu)基因,T

5、,CAP,O,CAP結(jié)合部位,RNA聚合酶,T,cAMP -CAP,P,葡萄糖,分解代謝產(chǎn)物,腺苷酸環(huán)化酶,磷酸二酯酶,ATP,cAMP,5-AMP,抑制,激活,葡萄糖降解物與cAMP的關(guān)系,cAMP,CAP ：分解代謝物激活蛋白 環(huán)腺苷酸受體蛋白,降低cAMP濃度,使CAP呈失活狀態(tài),16,葡萄糖效應(yīng) 葡萄糖為大腸桿菌生長提供能量，葡萄糖過量時，lac操縱子中半乳糖苷酶等一組酶合成出現(xiàn)受阻的現(xiàn)象。 高濃度葡萄糖代謝物cAMP水平下降CAP不能單獨與CAP位點結(jié)合基因表達受阻 低濃度葡萄糖cAMP水平上升CAP與cAMP結(jié)合CAP-cAMP與CAP位點結(jié)合基因轉(zhuǎn)錄效率增加50倍,17,大腸桿菌

6、乳糖操縱子的正調(diào)控 當即有大量乳糖又有葡萄糖時， 基因表達將是怎樣？,18,阿拉伯糖操縱子的雙向控制,Ara操縱子是控制分解代謝途徑的另一調(diào)控系統(tǒng)。 特點：調(diào)節(jié)蛋白既可起正調(diào)控作用，又可起負調(diào)控作用。,19,20,色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控,1色氨酸操縱子模型： 由雅各布（Jacob F.）和莫諾（Monod J.）提出，具有合成代謝途徑典型的操縱子模型。 操縱子：包括色氨酸合成有關(guān)的5種酶的結(jié)構(gòu)基因； 大量色氨酸時：大腸桿菌5種酶的轉(zhuǎn)錄同時受到抑制； 色氨酸不足時：這種酶的基因開始轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄； 色氨酸：作為阻遏物而不是誘導物參與調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。 trp操縱子是一個典型的可阻遏操縱元模型(repr

7、essible operon)。,21,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)：啟動子、操縱基因、前導序列、弱化子； 阻遏物trpR基因：與trp操縱子相距較遠；,22,2.色氨酸操縱子的負調(diào)控： . 阻遏調(diào)控： trpR基因編碼無輔基阻遏物 與色氨酸結(jié)合 形成有活性的色氨酸阻遏物 與操縱子結(jié)合 阻止轉(zhuǎn)錄； 色氨酸不足：阻遏物三維空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 ，不能與操縱子結(jié)合，操縱元開始轉(zhuǎn)錄； 色氨酸濃度升高：色氨酸與阻遏物結(jié)合，空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可與操縱子結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄。,23,. 弱化子調(diào)控： 當有色氨酸存在而trp操縱子受抑制時，仍有一段前導序列發(fā)生轉(zhuǎn)錄，可能存

8、在另一種的機制來抑制trp操縱元的轉(zhuǎn)錄。 色氨酸高濃度存在時，轉(zhuǎn)錄的前導序列140bp長，其中有一28bp的弱化子區(qū)域；形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，為內(nèi)部終止子，RNA酶從DNA上脫落，不能轉(zhuǎn)錄； 色氨酸低濃度或不存在時，RNA聚合酶能通過弱化子區(qū)域，轉(zhuǎn)錄完整的多順反子mRNA序列；,24,弱化子如何進行調(diào)控？ 前導序列可翻譯出一段14個氨基酸的短肽，在該短肽的第10、11位置上是兩個色氨酸密碼子；兩個密碼子之后是一段mRNA序列，該序列可分為四個區(qū)段，區(qū)段間可互補配對，形成不同的二級結(jié)構(gòu)。 原核生物為邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯，前導序列中核糖體位置決定形成哪種二級結(jié)構(gòu),從而決定弱化子是否可形成終止信號。,25,. 當有

9、色氨酸時，完整翻譯短肽 核糖體停留在終止密碼子處，鄰近區(qū)段2位置 阻礙了2,3配對 使3, 4區(qū)段配對 形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)終止子 RNA酶在弱化子處終止，不能向前移動。,26,.如缺乏色氨酸，核糖體到達色氨酸密碼子時 由于沒有色氨酰tRNA的供應(yīng) 停留在該密碼子位置，位于區(qū)段1 使區(qū)段2與區(qū)段3配對 區(qū)段4無對應(yīng)序列配對呈單鏈狀態(tài) RNA聚合酶通過弱化子，繼續(xù)向前移動，轉(zhuǎn)錄出完整的多順反子序列。,27,缺乏色氨酸,有色氨酸,28,衰減作用的生物學意義 從衰減機制的分析來看，它不僅能夠把幾種水平如DNA和RNA的構(gòu)象變化、mRNA上內(nèi)部終止(衰減)子的重建以及核糖體上tRNA對終止密碼的識別等統(tǒng)一起來，嚴格控制表達，而且衰減子還可依細胞內(nèi)某一氨基酸水平的高低而行止。所以它是一種應(yīng)答靈敏、調(diào)節(jié)靈活的多重調(diào)控方式。,29,比較大腸桿菌乳糖操縱子