第六章基因表达调控(一)课件.pptx

1、BAG-TJU人工基因组的设计与合成人工基因组的设计与合成李炳志2014-03BAG-TJU中心法则蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制DNADNARNARNA复制复制BAG-TJU第六章第六章 基因表达调控基因表达调控(一一)李炳志2014-03BAG-TJU第六章 基因表达调控 基本概念 原核表达调控 真核表达调控BAG-TJU6.16.1基本概念基本概念 基因表达(gene expression)是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。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

2、学研究的中心课题。rRNA、tRNA编码基因转录生成RNA的过程也属于基因表达。BAG-TJU基因表达的方式基因表达的方式 组成型表达 constitutive expression 适应型表达 adaptive expression regulated gene expression 协调表达 coordinate expressionBAG-TJU组成型表达 管家基因管家基因（housekeeping gene）在一个在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。基因。组成型基因表达组成型基因表达（constitutive gene expression）

3、管家基因的表达方式，较管家基因的表达方式，较少受环境影响，在个体各生长阶段的几少受环境影响，在个体各生长阶段的几乎全部组织中持续表达或变化很小。乎全部组织中持续表达或变化很小。BAG-TJU适应型表达适应型表达 指环境的变化容易使其表达水平变动的指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。一类基因表达。诱导表达诱导表达Induction expression 基因表达水平应环境条件变化增高的现象基因表达水平应环境条件变化增高的现象。这类基这类基因被称为可诱导的基因因被称为可诱导的基因inducible gene；阻遏阻遏表达表达 Repressionexpression基因表达水平随环境条

4、件变化降低的现象。相应基因表达水平随环境条件变化降低的现象。相应的基因称为可阻遏的基因的基因称为可阻遏的基因repressible geneBAG-TJU 协调表达协调表达（coordinated expression）在在一定机制控制下，功能上相关的一组一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致，共同表达，这种调节称为协调一致，共同表达，这种调节称为协调调节协调调节（coordinated regulation）BAG-TJU基因表达的时间性与空间性基因表达的时间性与空间性 时间特异性：单细胞生物个体的生长过程，及在不同外环境下的

5、生长状态，均伴随各种基因表达的改变。多细胞在个体发育的不同阶段，及处于不同内环境下，细胞基因表达方式也存在变化。空间特异性：多细胞生物中，组成不同组织器官的细胞，其基因表达方式有很大差别。BAG-TJU 正调控（正调控（positive control）:调控因子通调控因子通过与启动子元件结合来激活基因的表达。过与启动子元件结合来激活基因的表达。负调控（负调控（negative control）:阻抑物与操阻抑物与操纵基因结合来阻止基因的表达。纵基因结合来阻止基因的表达。正正调控与负调控调控与负调控BAG-TJU诱导诱导(induction)：通过小分子诱导物参与通过小分子诱导物参与,使阻抑物

6、失活或活化使阻抑物失活或活化激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控。阻遏阻遏(repression):通过小分子辅阻遏物参与通过小分子辅阻遏物参与,使激活剂失活或活化使激活剂失活或活化阻抑物来实现基因或操纵子不表达的调控。阻抑物来实现基因或操纵子不表达的调控。诱导诱导与阻遏与阻遏BAG-TJU几个概念 阻遏蛋白：能与操纵基因结合减弱或阻止基因表达的蛋白；诱导蛋白：能与操纵基因结合加强或起始基因表达的蛋白；效应物：能与调控蛋白结合，改变其构象并影响转录的物质 诱导剂：能引起诱导发生的分子；阻遏剂：能引起阻遏发生的分子；BAG-TJU调控调控类型与特点类型与特点B

7、AG-TJU6.26.2原核基因表达调控原核基因表达调控 转录水平上的调控；转录水平上的调控；转录后水平上的调控：转录后水平上的调控：a.a.mRNAmRNA加工成熟水平上的调控加工成熟水平上的调控 ；b.b.翻译水平上的调控翻译水平上的调控 。BAG-TJU操纵子学说 Jacob和Monod因提出操纵子学说和信使RNA而于1965年诺贝尔生理学奖。BAG-TJU操纵子的类型根据作用方式分：诱导型：调节分解代谢相关的操纵子，受cAMP-CAP调节。分解代谢的底物常为小分子诱导物；阻遏型：调节合成代谢相关的操纵子，不受cAMP-CAP影响。有些有弱化子存在，产物一般为阻遏物。BAG-TJU操纵子

8、组成 操纵子是原核生物基因表达调控的基本功能单位，基本结构包括：结构基因、启动子、调控序列、终止子等。原核生物基因多以操纵子形式组成调控单元，共同开启或关闭，形成多顺反子mRNA。BAG-TJU结构基因群一个操纵子常含有2个以上的结构基因，每个基因为一个开放读码框，分别有翻译起始密码子和终止密码子，首尾相连。共用核糖体结合位点。BAG-TJU启动子一个操纵子至少有一个启动子，分三段：识别区、结合区和起始区。启动子序列差异决定了和RNA聚合酶的亲和力，影响了启动子的启动频率，即启动子的强弱。BAG-TJU操纵基因（Operator）操纵子中能与调控蛋白特异性结合的DNA序列。操纵基因常与启动子部

9、分重合或邻近，调控蛋白的结合常影响下游基因的转录。BAG-TJU调控基因编码能与操纵基因特异性结合的调控蛋白的基因。BAG-TJU乳糖操纵子-Lac operon 大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌DNA的一个的一个特定区段，由特定区段，由调节基因调节基因I，操纵基因，操纵基因O和结和结构基因构基因Z、Y、A组成。组成。BAG-TJU乳糖操纵子-Lac operon 大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌DNA的一个的一个特定区段，由特定区段，由调节基因调节基因I，操纵基因，操纵基因O和结和结构基因构基因Z、Y、A组成。组成。BAG-TJUBAG-TJU

10、乳糖不存在时BAG-TJU乳糖存在时BAG-TJU诱导物 别乳糖别乳糖是是lac操纵子转录的活性诱导物，发操纵子转录的活性诱导物，发现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能被被-半乳糖苷酶水解的半乳糖苷酶水解的异丙基硫代半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）起着起着lac操纵子的一个诱导物的作用，所以操纵子的一个诱导物的作用，所以IPTG常用常用于诱导含有使用了于诱导含有使用了lac启动子的质粒载体的细启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。菌中的重组蛋白的表达。BAG-TJU诱导物BAG-TJU操纵子对

11、诱导剂的响应BAG-TJU 通过去阻遏调控通过去阻遏调控lac操纵子只是调控的一种方式，另一操纵子只是调控的一种方式，另一调控系统也可起到调控系统也可起到lac操纵子的转录诱导作用。操纵子的转录诱导作用。分解物基因分解物基因激活蛋白（激活蛋白（catabolic gene-activator protein:CAP,因为需要因为需要cAMP激活，所以也成为激活，所以也成为cAMP激活蛋白，即激活蛋白，即CRP）可以部可以部分调控细菌对糖的代谢。在有乳糖存在，而且葡萄糖水平分调控细菌对糖的代谢。在有乳糖存在，而且葡萄糖水平低时，低时，CAP可以激活象可以激活象lac操纵子那样的操纵子的转录。操纵

12、子那样的操纵子的转录。当葡萄糖和乳糖都存在时，即使阻遏物不结合，转录当葡萄糖和乳糖都存在时，即使阻遏物不结合，转录也是非常弱的。然而当葡萄糖浓度降低，而乳糖仍然存在也是非常弱的。然而当葡萄糖浓度降低，而乳糖仍然存在时，转录激烈增加。这是由于时，转录激烈增加。这是由于CAP是是lac操纵子的一个激活操纵子的一个激活剂剂，并且起始了正调控转录。，并且起始了正调控转录。cAMP的作用象个调节器，的作用象个调节器，它与它与CAP结合正向调控结合正向调控CAP的的DNA结合活性。结合活性。Lac 操纵子的正调控BAG-TJUcAMP生成 adenylate cyclaseATP cAMPBAG-TJUC

13、ap的的活性控制活性控制葡萄糖与cAMP的浓度负相关，并通过cAMP调控基因的转录。BAG-TJULac 操纵子的正调控BAG-TJU乳糖操纵子调控总图BAG-TJUThe Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCome on,let me throughNo wayJose!CAPBAG-TJUThe Lac Ope

14、ron:When Glucose And Lactose Are PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great,I can transcribe!Some transcription occurs,but at a slow rateThis lactose has bent me out of shapeBAG-TJUThe Lac Operon:Wh

15、en Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!BAG-TJUThe Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glu

16、cose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright,Im off to the races.Come on,let me through!BAG-TJU6.3色氨酸操纵子 色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（tryptophan operon,trp operon

17、）就是负责色氨酸合成的操纵子。）就是负责色氨酸合成的操纵子。trp操纵子是由一个启动子和一个操纵基因操纵子是由一个启动子和一个操纵基因区组成，该操纵基因区控制一个编码色氨区组成，该操纵基因区控制一个编码色氨酸生物合成需要的酸生物合成需要的5种蛋白的多顺反子种蛋白的多顺反子mRNA的表达。的表达。BAG-TJUBAG-TJU操纵基因和启动子重叠BAG-TJU(1)辅阻遏蛋白对辅阻遏蛋白对trp操纵子表达的调控操纵子表达的调控 辅阻遏蛋白辅阻遏蛋白（trpR的产物）通过与操纵基因的结合与的产物）通过与操纵基因的结合与否来控制结构基因是否被转录。否来控制结构基因是否被转录。(2)辅阻遏蛋白的活性控制

18、辅阻遏蛋白的活性控制 辅阻遏蛋白的活性受到辅阻遏蛋白的活性受到色氨酸水平色氨酸水平的控制，色氨酸与的控制，色氨酸与辅阻遏蛋白结合则激活了辅阻遏蛋白，这样辅阻遏蛋白辅阻遏蛋白结合则激活了辅阻遏蛋白，这样辅阻遏蛋白就可与操纵区就可与操纵区DNA结合，关闭结合，关闭trp操纵子的表达。操纵子的表达。trp操纵子的阻遏系统操纵子的阻遏系统BAG-TJUtrpB色氨酸缺乏时BAG-TJU色氨酸充足时BAG-TJU弱化子 在在trp mRNA 5 端端trpE基因的起始密码前有一个长基因的起始密码前有一个长162bp的的mRNA片段被称为前导区片段被称为前导区，其中，其中123150位碱基序列如果缺失，位

19、碱基序列如果缺失，trp基因表达可提高基因表达可提高6-10倍，倍，而且无论是在阻遏细胞内还是在永久性突变的细而且无论是在阻遏细胞内还是在永久性突变的细胞内都是这样。当胞内都是这样。当mRNA合成起始以后，除非培合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，转录总是在这个区域终养基中完全没有色氨酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有止，产生一个仅有140个核苷酸的个核苷酸的RNA分子分子，终止，终止trp基因转录，这就是基因转录，这就是123150区序列缺失会提高区序列缺失会提高trp基因表达的原因。基因表达的原因。因为转录终止发生在这一区因为转录终止发生在这一区域，并且这种终止是被调节的，这个

20、区域就被称域，并且这种终止是被调节的，这个区域就被称为为弱化子弱化子。BAG-TJU 操纵基因和结构基因中间有一段前导区，123150位碱基序列可调节操纵子的转录。有色氨酸存在时，转录总是产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子，不转录色氨酸合成基因。先导序列随着色氨酸浓度增高而降低合成基因转录。这段序列称为弱化子。弱化子BAG-TJU前前 导导 肽肽 实验表明衰减作用需要负载实验表明衰减作用需要负载tRNATrp参与，参与，这意味着前导序列的某些部分被翻译了。这意味着前导序列的某些部分被翻译了。分析前导序列发现，它包括起始密码子分析前导序列发现，它包括起始密码子AUG和终止密码子和终止密码子U

21、GA；如果翻译起始于；如果翻译起始于AUG，应该产生一个含有，应该产生一个含有14个氨基酸的多个氨基酸的多肽。这个假设的多肽（还未实际观察到）肽。这个假设的多肽（还未实际观察到）被称为被称为前导肽前导肽。BAG-TJU 前导序列具有一个非常有意义的特点，在其前导序列具有一个非常有意义的特点，在其第第10和和第第11位位上有相邻的上有相邻的两个色氨酸密码子两个色氨酸密码子。这一点很重。这一点很重要，因为要，因为组氨酸操纵子组氨酸操纵子中，也具有弱化子，也具有中，也具有弱化子，也具有一个类似的能编码前导肽的碱基序列，此序列中含一个类似的能编码前导肽的碱基序列，此序列中含有有7个相邻的组氨酸密码子。

22、个相邻的组氨酸密码子。苯丙氨酸操纵子苯丙氨酸操纵子中同中同样存在弱化子结构，其前导序列中也有样存在弱化子结构，其前导序列中也有7个苯丙氨个苯丙氨酸密码子。这些密码子参与了酸密码子。这些密码子参与了trp及及其他操纵子中的其他操纵子中的转录弱化机制。转录弱化机制。BAG-TJUBAG-TJUtrp操纵子操纵子的衰减调控系统的衰减调控系统 trp操纵子的另一种转录调控是称之衰减作用操纵子的另一种转录调控是称之衰减作用（attenuation）的调控机制，这是一种将翻译与）的调控机制，这是一种将翻译与转录联系在一起的新的转录调控形式。细胞内转录联系在一起的新的转录调控形式。细胞内Trp-tRNATr

23、p浓度决定核糖体是否停留在浓度决定核糖体是否停留在trp mRNA中的前导序列内的中的前导序列内的两个连续的色氨酸密码子两个连续的色氨酸密码子处。处。当色氨酸水平高和当色氨酸水平高和Trp-tRNATrp可利用时，起转录可利用时，起转录终止作用的发卡环结构（由区终止作用的发卡环结构（由区3和区和区4之间）形成，之间）形成，RNA聚合酶刚在一个聚尿嘧啶的下游处脱离聚合酶刚在一个聚尿嘧啶的下游处脱离DNA模板，转录终止。模板，转录终止。trp操操纵纵子子的的衰衰减减调调控控系系统统BAG-TJUcAMP-CAP正调控 广泛存在于分解代谢的操纵子调控过程，如半乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子等。广泛存在于合成代谢的操纵子调控过程，如组氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子等。衰减子BAG-TJU重点 基因表达调控类型 乳糖操纵子的调控过程 色氨酸操纵子调控过程BAG-TJU作业 用ppt展示一种新的合成生物学的相关技术。需要包括：基本原理，操作过程，结果。Ppt不超过10页，可以借助动画，列出参考文献。第一片要展示姓名和学号、班级信息。可以3-4人一组。BAG-TJUThe EndThe End！