分子生物学原理基因表达调控课件.ppt
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- 分子生物学 原理 基因 表达 调控 课件
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1、2023-2-2分子生物学原理Regulation of Gene Expression2023-2-2分子生物学原理第十三章第十三章 基因表达调控基因表达调控 通常情况下,真核生物细胞只有通常情况下,真核生物细胞只有2-15%的基因处于有转录活性的状态。的基因处于有转录活性的状态。表达调控是研究不同的环境和条件以及表达调控是研究不同的环境和条件以及各种因素如何令基因各种因素如何令基因表达或不表达表达或不表达,而,而且按一定的时间、空间有次序高效地运且按一定的时间、空间有次序高效地运作。作。调控水平:调控水平:转录、转录后、翻译、翻译后转录、转录后、翻译、翻译后2023-2-2分子生物学原理第
2、十三章第十三章 基因表达调控基因表达调控 调控:调控:细胞代谢的调控(细胞生存、适应内环境)细胞代谢的调控(细胞生存、适应内环境)基因表达的调控(生命延续、适应大环境)基因表达的调控(生命延续、适应大环境)多水平的调控、多途径的调控多水平的调控、多途径的调控 调控特点:复杂、多变、灵敏、准确调控特点:复杂、多变、灵敏、准确2023-2-2分子生物学原理第一节、原核生物的操纵子调控模式第一节、原核生物的操纵子调控模式 操纵子操纵子:几个相关基因排列在一起,转录出一个几个相关基因排列在一起,转录出一个 mRNA,翻译出多种具相关功能的蛋白翻译出多种具相关功能的蛋白质,完成一个功能质,完成一个功能。
3、有一个调控成分。有一个调控成分。是原核生物的转录单位。是原核生物的转录单位。2023-2-2分子生物学原理 第一节、原核生物的操纵子调控模式第一节、原核生物的操纵子调控模式一、酶的诱导(一、酶的诱导(enzyme induction)二、操纵子(二、操纵子(operon)的结构与功能的结构与功能三、乳糖操纵子(三、乳糖操纵子(Lac operon)与色氨与色氨 酸操纵子(酸操纵子(Trp operon)四、四、cAMP对转录的调控对转录的调控五、原核生物转录的整体调控模式五、原核生物转录的整体调控模式2023-2-2分子生物学原理induceraddedinducerremoved酶蛋白合成量
4、酶蛋白合成量细胞孵育时间细胞孵育时间一、诱导现象一、诱导现象由底物导致利用该底物的酶的合由底物导致利用该底物的酶的合成增加。成增加。2023-2-2分子生物学原理一、诱导现象一、诱导现象葡萄糖葡萄糖乳糖乳糖 无无半乳糖苷酶半乳糖苷酶乳糖乳糖葡萄糖葡萄糖+半乳糖半乳糖2023-2-2分子生物学原理一、诱导现象一、诱导现象 酶的诱导是生物进化中的一种合理、经酶的诱导是生物进化中的一种合理、经济地利用有限资源的本能。济地利用有限资源的本能。酶的诱导是低等生物的普遍现象。酶的诱导是低等生物的普遍现象。1961年,年,Jacob and Monod提出了操纵子提出了操纵子学说。学说。酶诱导的本质:代谢物
5、对催化本身代谢酶诱导的本质:代谢物对催化本身代谢的酶的合成量调节。的酶的合成量调节。2023-2-2分子生物学原理二、操纵子的结构与功能二、操纵子的结构与功能 操纵子操纵子阻遏物基因阻遏物基因 上游启动子上游启动子 操纵基因操纵基因 一组结构基因一组结构基因 R (i)P O S inhibitor promotor operator structural gene gene2023-2-2分子生物学原理二、操纵子的结构与功能二、操纵子的结构与功能 启动子启动子是结合是结合RNA聚合酶的聚合酶的DNA序列序列 强:强:-35TTGACA、-10TATAAT 弱:弱:-35区共有序列区共有序列
6、-10Pribnow不一致不一致一般:基因工程选用强启动子,或杂交融一般:基因工程选用强启动子,或杂交融合生成新启动子合生成新启动子2023-2-2分子生物学原理二、操纵子的结构与功能二、操纵子的结构与功能Lac operon的启动的启动子子 Plac的的-10Trp operon的启动的启动子子Ptrp的的-35PtacPtac-172023-2-2分子生物学原理二、操纵子的结构与功能二、操纵子的结构与功能 操纵基因操纵基因是结合阻遏物的部位,位于启是结合阻遏物的部位,位于启动子和结构基因之间,可与启动子部分动子和结构基因之间,可与启动子部分重叠。是重叠。是RNA聚合酶是否能通过的开关。聚合
7、酶是否能通过的开关。无阻遏物时,无阻遏物时,O区开放让酶通过并转录区开放让酶通过并转录下游的结构基因下游的结构基因 有阻遏物时酶就不能通过有阻遏物时酶就不能通过2023-2-2分子生物学原理二、操纵子的结构与功能二、操纵子的结构与功能 阻遏物基因阻遏物基因:产生阻遏物,位于离操纵产生阻遏物,位于离操纵子较远的上游区。子较远的上游区。负调控:起调控作用的蛋白质分子抑制负调控:起调控作用的蛋白质分子抑制转录转录关闭的基因由代谢底物开放(诱导)关闭的基因由代谢底物开放(诱导)-阻遏物失活阻遏物失活开放的基因由代谢底物关闭(阻遏)开放的基因由代谢底物关闭(阻遏)-阻遏物激活阻遏物激活2023-2-2分
8、子生物学原理二、操纵子的结构与功能二、操纵子的结构与功能 操纵子操纵子:结构基因、上游启动子:结构基因、上游启动子(P)和操纵基和操纵基因因(O)组成。组成。P和和O合称合称调控区调控区2023-2-2分子生物学原理可诱导和可阻遏的操纵子可诱导和可阻遏的操纵子类类型型可可诱诱导导可可阻阻遏遏结结合合 O 方方式式i 基基因因产产物物i 基基因因产产物物加加上上代代谢谢终终产产物物O 的的开开放放方方式式由由代代谢谢底底物物开开放放通通常常开开放放由由代代谢谢终终产产物物关关闭闭结结构构基基因因产产物物功功能能分分解解代代谢谢合合成成代代谢谢LacTrp2023-2-2分子生物学原理三、乳糖操纵
9、子和色氨酸操纵子三、乳糖操纵子和色氨酸操纵子2023-2-2分子生物学原理乳糖操纵子乳糖操纵子 操纵子的三个结构基因为操纵子的三个结构基因为-半乳糖苷酶、半乳糖苷酶、-半乳糖苷通透酶和半乳糖苷通透酶和-半乳糖苷乙酰转半乳糖苷乙酰转移酶移酶。在无乳糖时,在无乳糖时,阻遏阻遏蛋白与蛋白与O区结合,阻区结合,阻止止RNA聚合酶的转录聚合酶的转录 在有乳糖时,乳糖与在有乳糖时,乳糖与阻遏蛋白阻遏蛋白结合后,结合后,改变了阻遏蛋白的结构,使其不能与改变了阻遏蛋白的结构,使其不能与O区结合。区结合。2023-2-2分子生物学原理(1kb)(155000)DDRPDDRP2023-2-2分子生物学原理色氨酸
10、操纵子色氨酸操纵子 色氨酸操纵子有色氨酸操纵子有5个结构基因个结构基因 D、E基因:共产生基因:共产生邻氨基苯甲酸合成酶邻氨基苯甲酸合成酶 C基因:产物是基因:产物是吲哚甘油磷酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶 B、A基因:共同产物是基因:共同产物是色氨酸合成酶色氨酸合成酶 这些基因一起转录翻译后可进行色氨酸这些基因一起转录翻译后可进行色氨酸的合成。的合成。色氨酸合成仅限细菌。色氨酸合成仅限细菌。2023-2-2分子生物学原理色氨酸操纵子调控方式色氨酸操纵子调控方式(-)(+)2023-2-2分子生物学原理乳糖和色氨酸操纵子的共同点乳糖和色氨酸操纵子的共同点 以负调控方式为主:蛋白质分子(阻遏以负调控
11、方式为主:蛋白质分子(阻遏物)对受调控的区域起抑制作用。物)对受调控的区域起抑制作用。由低分子物质(底物或产物)影响蛋白由低分子物质(底物或产物)影响蛋白质对质对DNA的结合。的结合。结果:结果:既满足细胞生长需求,又不无谓浪费。既满足细胞生长需求,又不无谓浪费。2023-2-2分子生物学原理乳糖和色氨酸操纵子的不同点乳糖和色氨酸操纵子的不同点 乳糖操纵子乳糖操纵子 色氨酸操纵子色氨酸操纵子 阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物R基因基因R基因基因阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物代谢物代谢物基因开放基因开放 基因关闭基因关闭2023-2-2分子生物学原理四、四、cAMP对转录的调控对转录的调控 在乳糖和葡萄糖都存
12、在时,在乳糖和葡萄糖都存在时,哪种糖被优先利用?哪种糖被优先利用?2023-2-2分子生物学原理四、四、cAMP对转录的调控对转录的调控 乳糖操纵子的启动子属于弱启动子乳糖操纵子的启动子属于弱启动子 正调控方式正调控方式 CAP:catabolite gene activator protein 分解代谢基因活化蛋白,受分解代谢基因活化蛋白,受cAMP激活激活 cAMP-CAP复合物复合物:结合于:结合于DNA上游的上游的CAP位点,促进分解代谢基因表达位点,促进分解代谢基因表达 CAP位点位点:位于:位于PO上游,属正调控位点上游,属正调控位点2023-2-2分子生物学原理四、四、cAMP对
13、转录的调控对转录的调控 培养基中有葡萄糖时:葡萄糖代谢引起培养基中有葡萄糖时:葡萄糖代谢引起细胞内细胞内cAMP水平下降,乳糖操纵子基因水平下降,乳糖操纵子基因关闭。关闭。培养基中葡萄糖不足时:培养基中葡萄糖不足时:cAMP水平升水平升高,高,cAMP-CAP复合物生成,复合物生成,cAMP使使CAP变构,而与变构,而与CAP位点结合,促进乳位点结合,促进乳糖操纵子基因的转录,以便细胞利用乳糖操纵子基因的转录,以便细胞利用乳糖。糖。2023-2-2分子生物学原理四、四、cAMP对转录的调控对转录的调控12023-2-2分子生物学原理阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子 B、A、D:编码三种酶,共催化阿
14、拉伯编码三种酶,共催化阿拉伯糖的代谢。糖的代谢。C:R1(阻遏蛋白),变构后成阻遏蛋白),变构后成R2。起始区起始区:initiator(I)R1 和和R2在变构前后,分别执行负和正调在变构前后,分别执行负和正调控功能。控功能。诱导物可以使抑制蛋白在诱导物可以使抑制蛋白在R1和和R2两种构两种构象之间转变。象之间转变。2023-2-2分子生物学原理阿拉伯糖操纵子阿拉伯糖操纵子2023-2-2分子生物学原理五、原核生物转录的整体调控模式五、原核生物转录的整体调控模式 调节子调节子:regulon 操纵子是基因表达的基本单元,成群操纵操纵子是基因表达的基本单元,成群操纵子所组成的高一级的调控网络称
15、为调节子子所组成的高一级的调控网络称为调节子 调节原理调节原理:内、外环境的变化通过传感器内、外环境的变化通过传感器使膜内产生信号,这种信号可同时作用于使膜内产生信号,这种信号可同时作用于多个操纵子,或激活或抑制,从而达到群多个操纵子,或激活或抑制,从而达到群体协调的目的。体协调的目的。2023-2-2分子生物学原理调节子模式调节子模式2023-2-2分子生物学原理SOS修复系统的调节子修复系统的调节子 DNA损伤和复制受阻是刺激因子和信号。损伤和复制受阻是刺激因子和信号。LexA蛋白是一系列操纵子的阻遏物。蛋白是一系列操纵子的阻遏物。recA基因基因转录产物转录产物RecA蛋白蛋白可水解可水
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