基因表达调控课件-003.ppt

1、主要内容：主要内容：一、基因表达调控基本概念与原理一、基因表达调控基本概念与原理二、原核基因转录调节二、原核基因转录调节三、真核基因转录调节三、真核基因转录调节1ppt课件目的要求：目的要求：1、掌握基因表达调控基本概念与原理、掌握基因表达调控基本概念与原理2、熟悉原核基因转录调节、熟悉原核基因转录调节3、了解真核基因转录调节、了解真核基因转录调节2ppt课件前言前言1 介绍：基因表达的概念介绍：基因表达的概念1.1基因（基因（gene)编码有功能的蛋白质多肽链或编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所需的所需的全部核苷酸序列（通常全部核苷酸序列（通常DNA,也有也有RNA),是是一个功能性的遗传单

2、位，也是突变或重组一个功能性的遗传单位，也是突变或重组单位单位1.2 1.2 基因组基因组(genome)(genome)细胞或生物体内一整套的遗传物质。细胞或生物体内一整套的遗传物质。3ppt课件2 2、原核基因的结构特征、原核基因的结构特征原核基因组常以操纵子（原核基因组常以操纵子（operonoperon）的形式作为表达和调控）的形式作为表达和调控的基本单元，它包括功能上彼此相关的结构基因和调控部位，的基本单元，它包括功能上彼此相关的结构基因和调控部位，受调节基因产物的调节，转录产物为单个多顺反子。受调节基因产物的调节，转录产物为单个多顺反子。大肠杆菌乳糖操纵子结构大肠杆菌乳糖操纵子结构

3、lacIlacYPlacOlacZlacA启动子启动子阻遏蛋阻遏蛋白基因白基因结构基因结构基因操纵基因操纵基因操纵子：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联操纵子：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）。序列）。4ppt课件 大多数真核基因的编码序列被不能编码的额外序列所分大多数真核基因的编码序列被不能编码的额外序列所分隔，以不连续的方式排列在隔，以不连续的方式排列在DNA上，因此这类基因也叫上，因此这类基因也叫断断裂基因（裂基因（split gene）。隔断基因的线性表达而在剪接过程中隔断基因的线性表达而在剪

4、接过程中被除去的核酸序列被除去的核酸序列称内含子（称内含子（intron），在断裂基因及其初在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列的核酸序列叫外显叫外显子（子（exon）。）。3、真核基因的结构特征、真核基因的结构特征5ppt课件4.4.遗传信息的表达遗传信息的表达 各种生物基因中，绝大部分基因贮存的遗传信息都是蛋各种生物基因中，绝大部分基因贮存的遗传信息都是蛋白质的一级结构信息，部分基因贮存的是白质的一级结构信息，部分基因贮存的是tRNAtRNA、rRNArRNA等等RNARNA的一级结构信息。除少数的一级结构信息。除少数RNARNA病毒

5、可将遗传信息直接从病毒可将遗传信息直接从RNARNA输出以外，大部分生物（包括逆转录病毒）的遗传信息都输出以外，大部分生物（包括逆转录病毒）的遗传信息都是从是从DNADNA分子中输出的。遗传信息的表达，就是贮存于分子中输出的。遗传信息的表达，就是贮存于DNADNA中的信息转变成具体的中的信息转变成具体的RNARNA分子或蛋白质分子。通过这些生分子或蛋白质分子。通过这些生物大分子的功能活动使生物体表现出各种各样的生理功能物大分子的功能活动使生物体表现出各种各样的生理功能及千差万别的生物性状。及千差万别的生物性状。6ppt课件 DNA DNA可以作为模板直接指导可以作为模板直接指导RNARNA分子

6、的生物合成，分子的生物合成，这一过程称为这一过程称为转录转录。DNADNA不能作为直接模板将其携不能作为直接模板将其携带的信息转移到蛋白质分子中，需要先通过转录带的信息转移到蛋白质分子中，需要先通过转录过程将遗传信息传递到过程将遗传信息传递到RNARNA分子中，再通过翻译过分子中，再通过翻译过程将程将RNARNA分子上的核苷酸序列信息转变为蛋白质分分子上的核苷酸序列信息转变为蛋白质分子中的氨基酸序列。对于编码蛋白质的基因来说，子中的氨基酸序列。对于编码蛋白质的基因来说，其遗传信息的表达包括其遗传信息的表达包括转录和翻译转录和翻译两个阶段。两个阶段。7ppt课件5 5 转录模板转录模板 DNA分

7、子上转录出分子上转录出RNA的区段，称为结构基因的区段，称为结构基因(structural gene)。DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的的一股单链，称为模板链一股单链，称为模板链(template strand)，也称作有，也称作有意义链或意义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链链。相对的另一股单链是编码链(coding strand)，也称为反义链或，也称为反义链或Crick链。链。8ppt课件5GCAGTACATGTC 33 c g t g a t g t a c a g 55GCAGUACAUGUC 3NAla Val His V

8、al C编码链编码链模板链模板链mRNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译9ppt课件5 5 3 3 3 3 5 5 模板链模板链编码链编码链编码链编码链模板链模板链结构基因结构基因转录方向转录方向转录方向转录方向10ppt课件不对称转录不对称转录(asymmetric transcription)在在DNA分子双链上某一区段，一股链用分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录作模板指引转录，另一股链不转录；模板链并非永远在同一条单链上。模板链并非永远在同一条单链上。11ppt课件 mRNA是遗传信息的携带者是遗传信息的携带者 遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子遗传学将编码一个

9、多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子为多顺反子(polycistron)。真核真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron)。12ppt课件原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPP5 3 蛋白质蛋白质PPPmG

10、-5 3 蛋白质蛋白质13ppt课件6 6 小小 结结（中心法中心法则）则）复复 制制DNADNARNAPrion转录转录逆转录逆转录翻翻译译?改改 变变构构象象复复制制RNA14ppt课件第二章第二章 基因表达调控基因表达调控Regulation of Gene ExpressionRegulation of Gene Expression15ppt课件（一）基因表达（一）基因表达（Gene ExpressionGene Expression）基因携带的遗传信息，经过一系列的生基因携带的遗传信息，经过一系列的生化反应，最终产生具有生物学功能的产物的过化反应，最终产生具有生物学功能的产物的过程

11、程,也就是基因的转录和翻译过程也就是基因的转录和翻译过程Process Process of transcription and translation of transcription and translation（产物（产物可以是蛋白质、可以是蛋白质、tRNAtRNA、rRNArRNA）。DNA转录转录mRNA翻译翻译蛋白质蛋白质16ppt课件（二）顺式作用元件是调节转录的（二）顺式作用元件是调节转录的DNADNA片段片段 1.1.启动子（启动子（PromoterPromoter）位于转录起始单位点上游并为位于转录起始单位点上游并为RNARNA聚合酶识别、结合和启动赚率聚合酶识别、结合和

12、启动赚率的的DNADNA序列。序列。1.11.1原核启动子（原核启动子（promoterpromoter）启动子是基因启动子是基因55端上游的一段启动基因转录的核苷酸序列，端上游的一段启动基因转录的核苷酸序列，是是RNA pol RNA pol 和其他转录因子结合的部位。和其他转录因子结合的部位。原核基因的启动子定位在转录起始位点（原核基因的启动子定位在转录起始位点（initiation siteinitiation site，ISIS）上游）上游5-10bp5-10bp处，由处，由-35-35区和区和-10-10区组成，从启动子到终止子区组成，从启动子到终止子（terminatortermi

13、nator）为一个转录单位。）为一个转录单位。-10-10区的碱基序列较保守，由区的碱基序列较保守，由T T和和A A组成，大肠杆菌的组成，大肠杆菌的-10-10区为区为TATAATTATAAT，故称，故称TATA boxTATA box或或 Pribnow-nowPribnow-now。-35-35区的碱基序列以区的碱基序列以TTGTTG最为保守，肠杆菌的最为保守，肠杆菌的-35-35区为区为TTGACATTGACA，因子识别并结合因子识别并结合-35-35区，区，RNARNA聚合酶的特异性由聚合酶的特异性由 因子决定，因子决定，而启动子的强弱则由而启动子的强弱则由-35-35区和区和 因子

14、的特异性和亲和力因子的特异性和亲和力决定。决定。从从ISIS到到-10-10区之间的区之间的5-10bp5-10bp间隔称间隔称5-leader5-leader序列。序列。17ppt课件大肠杆菌基因启动子图示大肠杆菌基因启动子图示-35-10IS5-leader+1上游上游下游下游5启动子启动子18ppt课件1.21.2、真核生物的启动子、真核生物的启动子真核基因的真核基因的型启动子型启动子（promoterpromoter）真核基因的真核基因的TATATATA为为，并且距离较远。并且距离较远。没有没有-区。区。在上游还有、和在上游还有、和（八聚体）等结构，并与盒一起组成（八聚体）等结构，并与

15、盒一起组成型基因的启动子型基因的启动子。必须明确，并不是所有的。必须明确，并不是所有的型基因都具备型基因都具备这种调控元件，有的基因就没有盒（如这种调控元件，有的基因就没有盒（如的早期基因）。的早期基因）。由于由于型启动子无型启动子无-35区，也没有区，也没有 因子，因此，因子，因此，RNA pol 与与启动子的结启动子的结 合至少与合至少与4种转录因子（种转录因子（TF AD）有关。）有关。19ppt课件20ppt课件1.3 哺乳类哺乳类RNA聚合酶聚合酶启动子中的元件序列启动子中的元件序列元件名称元件名称共同序列共同序列结合的蛋白因子结合的蛋白因子名名 称称分子量分子量结合结合DNA长度长

16、度TATAboxTATAAAATBP30,00010bpGC boxGGGCGGSP-1105,00020bpCAAT boxGGCCAATCTCTF/NF160,00022bpOctamerATTTGCATOct-176,00010bpOct-253,00020bpkBGGGACTTTCCNFkB44,00010bpATFGTGACGTAFT?20bp21ppt课件 1.4 启动子中的元件的分类启动子中的元件的分类 可以分为两种：可以分为两种：核心启动子元件核心启动子元件(core promoter element)指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列，包括转录起始点及其上游25/

17、30bp处的TATA盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。22ppt课件 上游启动子元件(upstream promoter element)包括通常位于70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元件，其位置也不相同，这使得不同的基因表达分别有不同的调控。23ppt课件2.增强子增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序序列。列。3.沉默子沉默

18、子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。4.转录终止子转录终止子(Terminator of transcription)5.其他其他24ppt课件三、基因表达调控的基本三、基因表达调控的基本的规律的规律（一）、基因表达具有时间性及空间性（一）、基因表达具有时间性及空间性1.时间特异性时间特异性Temporal specificity or stage specificity 按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生

19、。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶间顺序发生。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性。段特异性。2.空间特异性空间特异性Spatial specificity or cell specificity or tissue specificity 在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，又称细胞特异性或组织特异性。织空间顺序出现，又称细胞特异性或组织特异性。25ppt课件（二）、基因表达的方式（二）、基因表达的方式 1.组成性表达组成性表达 管家基因管家基因 housekeeping gene 有些基因在生命全过程都是必需的

20、，如果缺少、有些基因在生命全过程都是必需的，如果缺少、细胞不能正常生存，这类基因被称为管家基因。细胞不能正常生存，这类基因被称为管家基因。组成性基因表达组成性基因表达constitutive gene expression 管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。26ppt课件2.2.适应性表达（适应性表达（Adaptive expressionAdaptive expression）诱导表达诱导表达 induction 有些基因在特定环境信号刺激下，有些基因在特定环境信号刺激下，

21、表达增强，称表达增强，称为诱导表达。为诱导表达。阻遏表达阻遏表达repression 另有一些基因在特定环境信号刺激下，表达水平另有一些基因在特定环境信号刺激下，表达水平下降，下降，称为阻遏表达称为阻遏表达。27ppt课件3.3.协调表达协调表达 在一定机制控制下，使功能相关联的一组在一定机制控制下，使功能相关联的一组基因协调一致、共同表达，称此为协调表基因协调一致、共同表达，称此为协调表达达(coordinate expression)。这种调节称这种调节称为协调调节为协调调节(coordinate regulation)28ppt课件1 反式作用因子反式作用因子类别类别（后面讲）（后面讲）

22、概念：凡直接或者间接与顺式元件相互作概念：凡直接或者间接与顺式元件相互作用并影响基因表达的蛋白质用并影响基因表达的蛋白质类别类别A 普通转录因子普通转录因子（三）、基因表达调控的分子基础是（三）、基因表达调控的分子基础是DNA/DNA/蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用 29ppt课件B 特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因的为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子30ppt课件2.转录调节因子结构转录调节因子结构DNA结合域结合

23、域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域）谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激活域酸性激活域脯氨酸富含域脯氨酸富含域锌指锌指(zinc finger)-螺旋螺旋其他其他31ppt课件四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义1 1）使细胞能适应环境变化，以维持其增殖、分化使细胞能适应环境变化，以维持其增殖、分化2 2）促进个体生长、发育促进个体生长、发育 32ppt课件 原核生物和真核生物在基因表达调控的细节上原核生物和真核生物在基因表达调控的细节上尽管差异很大，但两者的调控模式却具有惊人的相尽管差异很大，但两者的调控模式却具有

24、惊人的相似性和可比性，除此之外，原核生物和真核生物的似性和可比性，除此之外，原核生物和真核生物的基因表达调控元件也具有统一性。然而，不管是原基因表达调控元件也具有统一性。然而，不管是原核生物还是真核生物，核生物还是真核生物，转录环节是最主要的调控位转录环节是最主要的调控位点点。基因调控元件按其属性可分为核酸和蛋白质两。基因调控元件按其属性可分为核酸和蛋白质两大类，所有基因表达调控模式的大类，所有基因表达调控模式的实质无非是实质无非是两者之两者之间的相互作用，包括核酸分子内或分子间的相互作间的相互作用，包括核酸分子内或分子间的相互作用、用、核酸分子与蛋白分子之间的相互作用核酸分子与蛋白分子之间的

25、相互作用以及蛋白以及蛋白分子内或分子间的相互作用。其中第二种作用尤为分子内或分子间的相互作用。其中第二种作用尤为重要。重要。33ppt课件第二节第二节 原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控 一、转录水平的调控一、转录水平的调控 （一）影响转录的因素（一）影响转录的因素 二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控（二）转录的调控机制（二）转录的调控机制（一）（一）SD序列对翻译的影响序列对翻译的影响（二）（二）mRNA的稳定性的稳定性（三）翻译产物对翻译的调控（三）翻译产物对翻译的调控（四）小分子（四）小分子RNA的调控作用的调控作用 34ppt课件介绍：介绍：原核生物原核生物mRNA结构的特

26、点：结构的特点：（1）原核生物）原核生物mRNA往往是往往是多顺反子多顺反子的，即每分子的，即每分子mRNA 带有几种蛋白质的遗传信息（来自几个结构基因）。带有几种蛋白质的遗传信息（来自几个结构基因）。在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中含有核在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中含有核 糖体识别、结合部位。在糖体识别、结合部位。在55端端和和3 3端端也有非编码区。也有非编码区。（2）mRNA 5 5端端无帽子结构无帽子结构，3端端一般一般无多聚无多聚A尾尾巴巴。（3）mRNA一般一般没有修饰碱基没有修饰碱基，即这类，即这类mRNA的分子链的分子链 完全不被修饰。完全不被修饰。35pp

27、t课件原核生物基因多以操纵子（原核生物基因多以操纵子（operon）的形式存）的形式存在。操纵子由调控区与信息区组成，上游是调控区，在。操纵子由调控区与信息区组成，上游是调控区，包括启动子与操纵基因两部分。启动子是同包括启动子与操纵基因两部分。启动子是同RNA聚聚合酶结合并启动转录的特异性合酶结合并启动转录的特异性DNA序列，操纵基因序列，操纵基因是特异的阻遏物结合区。是特异的阻遏物结合区。原核生物基因表达调控的原核生物基因表达调控的环节，主要在转录水平，其次是翻译水平。环节，主要在转录水平，其次是翻译水平。一、转录水平的调控一、转录水平的调控36ppt课件 1、启动子、启动子 2、因子因子

28、3、阻遏蛋白、阻遏蛋白 4、正调控蛋白、正调控蛋白 5、倒位蛋白（、倒位蛋白（inversion protein）（一）影响转录的因素（一）影响转录的因素6、RNA聚合酶抑制物聚合酶抑制物 7、衰减子、衰减子 不讲不讲37ppt课件（1）启动子决定转录方向及模板链）启动子决定转录方向及模板链 1、启动子、启动子 基因转录时，基因转录时，因子识别并结合因子识别并结合-35区，而区，而RNA聚合酶结合聚合酶结合于于-10区，全酶结合区，全酶结合DNA后覆盖的区域是后覆盖的区域是-40+20。开始合。开始合成成RNA后，后，RNA聚合酶是沿着信息链的聚合酶是沿着信息链的5 35 3方向移方向移动，只

29、能以信息链的互补链为模板合成动，只能以信息链的互补链为模板合成RNARNA。38ppt课件5TAGTGATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACG3-35-10+13 ATCACTAACTGTACTATCTTCGTGAGATGATATAAGAGTTATCCAGGTGC5 AGGUCCACGRNA 3 转转 录录5 RNA聚合酶因子因子+1，不是从起始密码子，不是从起始密码子AUG开始。开始。39ppt课件（2）启动子决定转录效率）启动子决定转录效率 在在E E.colicoli启动子中，在启动子中，在-35-35和和-10-10的两个序列称为一致性

30、序的两个序列称为一致性序列（列（consensus sequencesconsensus sequences）。两个序列中各碱基的出现频率为：）。两个序列中各碱基的出现频率为：-35-35：T T8282G G7878A A6565C C5454A A9595；-10-10：T T8080A A9595T T4545A A6060T T9696。一般说来，强启动子一般说来，强启动子的序列与上述序列最接近，弱启动子（基因表达较少量的的序列与上述序列最接近，弱启动子（基因表达较少量的mRNAmRNA）则与上述序列相差较大则与上述序列相差较大，这种调控作用与，这种调控作用与因子的作用有关。因子的作用

31、有关。识别识别E E.colicoli启动子中一致性序列的启动子中一致性序列的因子主要是因子主要是7070亚单位。亚单位。启动子序列与上述序列越接近，启动子序列与上述序列越接近，7070与之结合的能力越强。与之结合的能力越强。40ppt课件41ppt课件因子与因子与RNA聚合酶紧密结合聚合酶紧密结合，转录启动后，转录启动后，大约合成至大约合成至8个核苷酸时，个核苷酸时，因子解离，因子解离，游离的游离的因因子本身并不直接结合特定的子本身并不直接结合特定的DNA。不同的不同的因子可因子可以竞争结合以竞争结合RNA聚合酶。环境变化可诱导产生特定聚合酶。环境变化可诱导产生特定的的因子，从而打开一套特定

32、的基因。因子，从而打开一套特定的基因。2、因子因子Note：因子是一种非专一性蛋白，作为所有因子是一种非专一性蛋白，作为所有RNA聚合酶的辅助因子聚合酶的辅助因子起作用。起作用。因子是因子是 DNA依赖的依赖的RNA聚合酶的固有组分，它识别启动子共聚合酶的固有组分，它识别启动子共有序列且与全酶结合。有序列且与全酶结合。因子通常与因子通常与 DNA结合，且沿着结合，且沿着 DNA搜寻，直到搜寻，直到在启动子碰到核心酶。它与在启动子碰到核心酶。它与DNA的结合不需依靠核心酶。的结合不需依靠核心酶。42ppt课件阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生阻遏蛋白是一类在转录水平对基因表达产生负调控作用负

33、调控作用的蛋白质。阻遏蛋白的蛋白质。阻遏蛋白在一定的条件下在一定的条件下与与DNA结合结合。在。在E.coli中，主要有诱导中，主要有诱导（induction）和阻遏（）和阻遏（repression）两种类型。）两种类型。在这两种类型中，阻遏蛋白都可以与特定的信号在这两种类型中，阻遏蛋白都可以与特定的信号分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白分子结合而发生变构，在不同构象时，阻遏蛋白或者与或者与DNA结合，或者与结合，或者与DNA解离。解离。3、阻遏蛋白（、阻遏蛋白（repressor）43ppt课件与负调控相反，当调控蛋白结合于特异与负调控相反，当调控蛋白结合于特异DNA序列后促序列后促

34、进基因的转录，这种基因表达调控的方式称为进基因的转录，这种基因表达调控的方式称为正调控正调控。E.coli中的一些弱启动子，本身结合中的一些弱启动子，本身结合RNA聚合酶的作用很聚合酶的作用很弱弱,对于这些启动子来说对于这些启动子来说,正调控作用是很重要的正调控作用是很重要的CAP蛋白蛋白（分解代谢物基因活化蛋白（分解代谢物基因活化蛋白 catabolite gene activator protein）：这种蛋白可将葡萄糖饥饿信号传递给）：这种蛋白可将葡萄糖饥饿信号传递给许多操纵子，使细菌在缺乏葡萄糖的环境中可以利用其他许多操纵子，使细菌在缺乏葡萄糖的环境中可以利用其他碳源。碳源。CAP结合

35、结合DNA由由cAMP控制。控制。4、正调控蛋白、正调控蛋白44ppt课件乳糖操纵子调控的机制乳糖操纵子调控的机制（二）转录的调控机制（二）转录的调控机制 在含有葡萄糖和半乳糖的培养基中，在含有葡萄糖和半乳糖的培养基中，E.coli和某些肠道菌优先和某些肠道菌优先利用葡萄糖生长，当葡萄糖耗尽后，细菌暂时停止生长，开始合利用葡萄糖生长，当葡萄糖耗尽后，细菌暂时停止生长，开始合成与半乳糖利用有关的酶，然后细胞又恢复生长，这就是成与半乳糖利用有关的酶，然后细胞又恢复生长，这就是细胞二细胞二度生长现象度生长现象。这种分解代谢产物阻遏有时也称为。这种分解代谢产物阻遏有时也称为葡萄糖效应葡萄糖效应。在葡萄

36、糖不存在、乳糖存在时，在葡萄糖不存在、乳糖存在时，CAP发挥正调控作用，阻遏蛋发挥正调控作用，阻遏蛋白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。白由于诱导剂的存在而失去负调控作用，基因被打开，启动转录。其他几种情况，基因都处于关闭状态。其他几种情况，基因都处于关闭状态。葡萄糖葡萄糖cAMPcAMPcAMP CAPCAPDNA乳糖代谢乳糖代谢 操纵子操纵子cAMPCAP转录转录CAPDNA45ppt课件46ppt课件47ppt课件二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子调节机制（一）乳糖操纵子（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序

37、列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNA48ppt课件IPOZYA（6759）（728）49ppt课件mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（二）阻遏蛋白的负性调节（二）阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因在没有乳糖存在时，在没有乳糖存在时，Lac操纵子处于阻遏操纵子处于阻遏 状态。阻遏蛋白与状态。阻遏蛋白与O序列结合，阻遏序列结合，阻遏RNA 聚合酶与聚合酶与P序列结合，抑制转录起动。序列结合，抑制转录起动。50ppt课件mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时

38、IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶当乳糖存在时，当乳糖存在时，LacLac操纵子操纵子即可被诱导。乳糖，半乳即可被诱导。乳糖，半乳糖（诱导剂）与结合阻遏糖（诱导剂）与结合阻遏蛋白，使阻遏蛋白构象变蛋白，使阻遏蛋白构象变化，导致阻遏蛋白与化，导致阻遏蛋白与O O序序列解离，发生转录。列解离，发生转录。51ppt课件（三）（三）CAP的正性调节。的正性调节。CAP（也称（也称CRP、CGP)是同二聚体，在其分子是同二聚体，在其分子内有内有DNA结合区及结合区及cAMP结合位点。结合位点。sCAP是同二聚体是同二聚体 当当没有没有葡萄糖存在时葡

39、萄糖存在时cAMP，cAMP与与CAP结合，结合，CAP结合在结合在lac启启动序列附近的动序列附近的CAP位点，位点，可刺激可刺激RNA聚合酶活性，聚合酶活性，表达表达 。当当有有葡萄糖存在时，葡萄糖存在时，cAMP、cAMP与与CAP结合受阻，结合受阻，lac操纵子表操纵子表达达。52ppt课件（四）协调调节（四）协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能对该系统不能发挥作用；发挥作用；如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。列结合，操纵子仍无转录活性。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在

40、时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代分解代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。53ppt课件CAPHigh glucoseLow cAMPLow lactosePOzyaDNApromoteroperatorrepressorCAP site No transcriptionLow glucoseHigh cAMPLow lactosePOzyaDNArepressor No transcriptioncAM

41、PPOzyaDNApromoteroperatorrepressorCAP site No transcriptionCAP54ppt课件High glucose Low cAMP High lactose POzyaDNATranscriptionLow level transcription：polymerase does not bind promoter efficiently.Maximal level of transcription:CAP enhances polymerase binding.Low glucoseHigh cAMPPOzyaDNAcAMPTranscript

42、ionRNA polymerasezyazyazyazyazyaCAP55ppt课件乳糖操纵子的实际应用乳糖操纵子的实际应用 lacZ 基因作为转录和翻译融合体中的报告基因得基因作为转录和翻译融合体中的报告基因得到广泛应用，从细菌到果蝇甚至人类细胞。该基因的到广泛应用，从细菌到果蝇甚至人类细胞。该基因的产物产物-半乳糖苷酶可以将半乳糖苷酶可以将X-gal分解产生显示出蓝色分解产生显示出蓝色的反应的反应，利用这一特性可在基因克隆中进行蓝白菌落，利用这一特性可在基因克隆中进行蓝白菌落筛选。含有筛选。含有重组重组DNA的菌落为无色的菌落为无色，而含，而含非重组非重组DNA的菌落为蓝色。的菌落为蓝色。

43、56ppt课件1 1、SDSD序列（序列（SD sequenceSD sequence）的顺序及位置对翻译的影响）的顺序及位置对翻译的影响 SDSD序列，在序列，在mRNAmRNA的翻译起始信号（的翻译起始信号（AUGAUG）前的核糖体结合部位，）前的核糖体结合部位，它是与核糖体它是与核糖体16S rRNA 316S rRNA 3末端序列互补的核苷酸序列。一般与核末端序列互补的核苷酸序列。一般与核糖体结合强的糖体结合强的SDSD序列翻译效率较高。序列翻译效率较高。不同的不同的SDSD序列有一定的差异，因而翻译起始效率不一样。序列有一定的差异，因而翻译起始效率不一样。SDSD序序列与起始密码子之

44、间的距离，也是影响列与起始密码子之间的距离，也是影响mRNAmRNA翻译效率的重要因素之翻译效率的重要因素之一。另外，某些蛋白质与一。另外，某些蛋白质与SDSD序列的结合也会影响序列的结合也会影响mRNAmRNA与核糖体的结与核糖体的结合，从而影响蛋白质的翻译。合，从而影响蛋白质的翻译。二、翻译水平的调控二、翻译水平的调控（一）（一）SD序列对翻译的影响序列对翻译的影响57ppt课件2 2、mRNA二级结构隐蔽二级结构隐蔽SDSD序列的作用序列的作用 在某些在某些mRNAmRNA分子中，核糖分子中，核糖 体结合位点在一个二级结构（茎环）中，使核糖体无法结合，体结合位点在一个二级结构（茎环）中，

45、使核糖体无法结合，只有打破茎环结构，核糖体才能结合。只有打破茎环结构，核糖体才能结合。细菌细菌mRNA通常是不稳定的通常是不稳定的。mRNA的降解速度是翻译调控的降解速度是翻译调控的的另一个重要机制。蛋白质合成速率的快速改变，不仅是因为另一个重要机制。蛋白质合成速率的快速改变，不仅是因为mRNA不断合成以及不断合成以及mRNA合成与蛋白质翻译偶联，更重要的是，许多细合成与蛋白质翻译偶联，更重要的是，许多细菌菌mRNA降解很快。降解很快。E.coli的许多的许多mRNA在在370C时的平均寿命大约时的平均寿命大约为为2min，很快被酶解。，很快被酶解。（二）（二）mRNA的稳定性的稳定性58pp

46、t课件 细菌的生理状态和环境因素都会影响细菌的生理状态和环境因素都会影响mRNAmRNA的的降解速度降解速度。另外，。另外，mRNAmRNA的一级结构和次级结构对的一级结构和次级结构对mRNAmRNA的稳定性也有很大的影响，的稳定性也有很大的影响，一般在其一般在其5 5端和端和3 3端的发夹结构可保护其不被外切酶迅速水解。端的发夹结构可保护其不被外切酶迅速水解。mRNAmRNA的的5 5端与核糖体结合，可明显提高其稳定性。端与核糖体结合，可明显提高其稳定性。不同操纵子转录出的不同操纵子转录出的mRNAmRNA分子的平均寿命是不同分子的平均寿命是不同的的，有些，有些mRNAmRNA编码的蛋白质是

47、持续存在的编码的蛋白质是持续存在的,mRNA,mRNA也也较稳定较稳定.如如:RNase:RNase识别一种特殊的发夹结构，将识别一种特殊的发夹结构，将其裂解，使其裂解，使RNARNA能够被其它能够被其它RNARNA酶降解。而这种发夹酶降解。而这种发夹结构可能是其它结构可能是其它RNARNA酶所不能破坏的。如果这种发酶所不能破坏的。如果这种发夹结构被保护，夹结构被保护，mRNAmRNA的寿命就延长了。的寿命就延长了。59ppt课件 有些有些mRNA编码的蛋白质，本身就在蛋白质翻译编码的蛋白质，本身就在蛋白质翻译过程中发挥作用的因子。这些因子可对自身的翻译过程中发挥作用的因子。这些因子可对自身的

48、翻译产生调控作用。产生调控作用。1、核糖体蛋白、核糖体蛋白 在细菌中，每个核糖体含有约在细菌中，每个核糖体含有约50种种不同的蛋白质，必须以同样的速率合成，而且，合不同的蛋白质，必须以同样的速率合成，而且，合成这些蛋白质的速率是与细胞增殖相适应的。生长成这些蛋白质的速率是与细胞增殖相适应的。生长条件的改变，可以导致所有核糖体组分的迅速增加条件的改变，可以导致所有核糖体组分的迅速增加或降低，翻译水平调控在这些协调控制中起着关键或降低，翻译水平调控在这些协调控制中起着关键作用。作用。（三）翻译产物对翻译的调控（三）翻译产物对翻译的调控60ppt课件 1、调整基因表达产物的类型、调整基因表达产物的类

49、型 2、低水平表达基因的控制、低水平表达基因的控制（四）小分子（四）小分子RNA的调控作用的调控作用主要有两种类型：主要有两种类型：61ppt课件自我挑战设计：学习了乳糖操纵子，那么您使用乳糖操纵子，那么您使用它来挑战什么医学问题呢？它来挑战什么医学问题呢？帮助网站：帮助网站：能否能否62ppt课件第三节第三节 真核生物基因表达的调控真核生物基因表达的调控 真核生物比原核生物基因表达的调控复杂得多。单细胞真核生真核生物比原核生物基因表达的调控复杂得多。单细胞真核生物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同，主物，如酵母基因表达的调控和原核生物表达的调控基本相同，主要通过及时调整酶系统

50、基因的表达来适应环境变化。而多细胞真要通过及时调整酶系统基因的表达来适应环境变化。而多细胞真核生物的机体只有少数基因的表达调控与外界环境变化直接有关，核生物的机体只有少数基因的表达调控与外界环境变化直接有关，绝大多数的基因表达与生物体的发育、分化等生命现象密切相连。绝大多数的基因表达与生物体的发育、分化等生命现象密切相连。真核细胞是有核的细胞，其转录主要在核内，翻译则在细胞质中真核细胞是有核的细胞，其转录主要在核内，翻译则在细胞质中有规律地进行，而翻译产物的分布、定位及功能活性调节也都是有规律地进行，而翻译产物的分布、定位及功能活性调节也都是可控制的环节。可控制的环节。真核生物基因表达的调控可