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第七章 原核生物基因表达的调控

第七章 原核生物基因表达的调控. 顺式作用元件 ：对基因表达有调节活性的 DNA 序列 ，其活性只影响与其自身同处在一个 DNA 分子上的基因； 反式作用因子 ： 通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达 , 基因表达的调控主要通过 反式作用因子（通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常在 DNA 上） 相互识别、 相互作用而实现 。. 1.1 基因表达 ：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。 基因表达调控 ：对基因表达过程的调节。 生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控 :. 1.2 基因表达的方式.

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第七章 原核生物基因表达的调控

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  1. 第七章 原核生物基因表达的调控

  2. 顺式作用元件：对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；顺式作用元件：对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因； • 反式作用因子：通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达, • 基因表达的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常在DNA上）相互识别、相互作用而实现。

  3. 1.1 基因表达：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。 • 基因表达调控：对基因表达过程的调节。 • 生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控:

  4. 1.2 基因表达的方式 组成性表达(constitutive expression) 适应性表达(adaptive expression）

  5. 指不大受环境变动而变化的一类基因表达。 1.2.1 组成性表达： • 某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。 • 维持细胞最低限度功能所不可少的基因。 • 如编码组蛋白基因、编码核糖体蛋白基因、线粒体蛋白基因、糖酵解酶的基因等。

  6. 1.2.2 适应性表达 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 • 诱导(induction)：应环境条件变化基因表达水平增高的现象，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)； • 阻遏(repression)：随环境条件变化而基因表达水平降低的现象相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。

  7. 1.3 基因表达的规律——时间性和空间性 • 基因表达的组织特异性-空间特异性：在个体生长过程中，各个组织只合成自身结构和功能所需蛋白。 • 不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同。 • 基因表达的阶段特异性-时间特异性：细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的。 • 某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生。

  8. 1.4 基因表达调控的生物学意义 • 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核） • 维持个体发育与分化（真核 ） • 生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的，尽管现在对调控机理的奥妙所知还不多，但已经认识到： • 不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。

  9. 1.5 原核生物基因表达调控环节： ① 转录水平上的调控； ② 转录后水平上的调控： • mRNA加工成熟水平上的调控 ； • 翻译水平上的调控 。

  10. 第一节 概述 第二节 操纵子 第三节 转录后加工的调控 第四节 翻译水平的调控

  11. 2 基本概念 2.1 结构基因和调控基因 2.2 操纵基因 2.3 启动子和终止子 2.4 顺式作用元件和反式作用因子 2.5 转录因子

  12. Promoter Gene 1 Gene 2 Gene 3 Terminator Promoter Gene 2 基本概念 2.1 结构基因和调控基因 • 结构基因（structural gene）：编码蛋白质或RNA的任何基因。 • 原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。 • 调控基因（regulator gene）：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。 • 其编码产物与DNA上的特定位点结合调控基因表达。

  13. 调控基因 影响结构基因的表达 调控蛋白

  14. 调控基因 影响结构基因的表达 调控蛋白 2.2 操纵基因 操纵基因（operator gene，O）：调控蛋白特异性结合的一段DNA序列；调控蛋白结合在操纵基因的序列上，会影响其下游基因转录的强弱：

  15. 负性调控：调控蛋白结合在操纵基因的序列上，减弱或阻止其调控基因转录，相应的调控蛋白称为阻抑蛋白；负性调控：调控蛋白结合在操纵基因的序列上，减弱或阻止其调控基因转录，相应的调控蛋白称为阻抑蛋白；

  16. 正性调控：调控蛋白结合在操纵基因的序列上，增强或启动其调控基因转录，相应的调控蛋白称为激活蛋白。正性调控：调控蛋白结合在操纵基因的序列上，增强或启动其调控基因转录，相应的调控蛋白称为激活蛋白。

  17. 2.3 启动子和终止子 • 启动子 (promoter, P) ：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。 • 终止子(terminator, T)：给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。

  18. 2 基本概念 2.1 结构基因和调控基因 2.2 操纵基因 2.3 启动子和终止子 2.4 顺式作用元件和反式作用因子 2.5 转录因子

  19. 调控基因 2.4 顺式作用元件和反式作用因子 • 顺式作用元件(cis-acting element) ：对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因； • 通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中， • 如启动子、终止子、操纵基因等。

  20. 调控基因 影响结构基因的表达 调控蛋白 • 反式作用因子(trans-acting factor)：通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达, • 其编码基因与其识别或结合的靶序列不在同一个DNA分子上。 • 如调控蛋白、转录因子等。

  21. 2.5 转录因子 • 转录因子：转录起始过程中，RNA聚合酶所需要的辅助因子。 • 转录因子是参与正调控的反式作用因子。在无转录因子时，RNA聚合酶不能起始转录。 • 转录因子通常识别位于基因上游启动子附近的顺式作用元件。

  22. TBP Pol III 启 动 子 TFIIIB TFIIIC TBP RNA pol III Pol I 启 动 子 RNA pol I SL1 UBF1 TBP Pol II 启 动 子 转录起始点 TATA TFIID TAFs RNA pol II

  23. RNA polymarase 调控基因 启动子 顺式作用元件 转录因子 反式作用因子 • 基因表达的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常在DNA上）相互识别、相互作用而实现。

  24. 第一节 概述 第二节 操纵子 第三节 转录后加工的调控 第四节 翻译水平的调控

  25. 第二节 操纵子 1 乳糖操纵子(lac operon)的结构 2 乳糖操纵子的调控机制 2.1 阻抑蛋白的负性调控 2.2 阻抑蛋白的作用机制 2.3 分解代谢产物阻抑作用的正调控 3 色氨酸操纵子 4 正调控系统和负调控系统

  26. Francis Jacob Jacques Monod 1 乳糖操纵子(lac operon)的结构 • 发现：1940年Monod：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌才利用乳糖繁殖增长； • 1961年，法国人Jacob & Monod提出乳糖操纵子学说。 • 获1965年诺贝尔生理学和医学奖。

  27. 外周胞质 乳糖 内膜 透(性)酶 透(性)酶 细胞内面 β－半乳糖苷酶 半乳糖 乳糖 葡萄糖

  28. T 操纵子的结构组成： • 结构基因群: Z Y A • 启动子: P • 操纵基因：O • 调控基因: I • 终止子: T

  29. 操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。

  30. 第二节 操纵子 1 乳糖操纵子(lac operon)的结构 2 乳糖操纵子的调控机制 2.1 阻抑蛋白的负性调控 2.2 阻抑蛋白的作用机制 2.3 分解代谢产物阻抑作用的正调控 3 色氨酸操纵子 4 正调控系统和负调控系统

  31. 调控基因 1 阻抑蛋白的负性调控 • β-半乳糖苷酶降解乳糖为葡萄糖和半乳糖； • 葡萄糖作为细胞的能源和碳源，半乳糖可被另外的酶系统转变为葡萄糖。

  32. 1.1 可诱导的负性调控－乳糖操纵子调控方式； • 诱导物（inducer）：作用于调控蛋白-阻抑蛋白，引起诱导发生的小分子物质。

  33. 1.2 Lac操纵子的本底水平表达 • 诱导物先要越膜才能与阻遏蛋白结合 • 由乳糖被β-半乳糖苷酶降解产生的异构乳糖才是真正的诱导物。 问题： • 预先存在β-半乳糖苷酶和透过酶吗？ • 非诱导条件下Lac操纵子微量表达。 • 原因：阻抑蛋白对操纵基因的结合不是绝对紧密。

  34. 安慰诱导物： 如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基- β –D-硫代半乳糖苷）。

  35. 第二节 操纵子 1 乳糖操纵子(lac operon)的结构 2 乳糖操纵子的调控机制 2.1 阻抑蛋白的负性调控 2.2 阻抑蛋白的作用机制 2.3 分解代谢产物阻抑作用的正调控 3 色氨酸操纵子 4 正调控系统和负调控系统

  36. 2 阻抑蛋白的作用机制 • 阻抑蛋白的结构和功能 • 阻抑蛋白与特异DNA（操纵基因）的结合位点 • 阻抑蛋白对DNA的特异结合作用 • 阻抑蛋白对RNA聚合酶的影响

  37. 2.1 阻抑蛋白的结构和功能的关系 HTH 头部 铰链区 • N端1～59aa,头部片段HTH，与操纵基因DNA的大沟结合； • 2个核心区：每个有6个折叠，诱导物结合在两个核心区之间的裂缝中； • C端为一组a-螺旋 核心结构域1 核心结构域2 尾部－聚合

  38. 4个亚基的核心片段接触形成四聚体

  39. 2.2 阻抑蛋白与特异DNA（操纵基因）的结合位点 对称轴：+11 操纵基因的对称序列

  40. 2.3 阻抑蛋白对DNA的特异结合作用： • 非诱导条件下，阻抑蛋白都结合在DNA上，特异位点的亲和力高，非特异位点的亲和力低。 • 诱导物的加入改变了阻抑蛋白的分布。

  41. 2.4 阻抑蛋白对RNA聚合酶的影响 • 阻抑蛋白和RNA pol可同时与DNA结合； • 阻抑蛋白存在增强了RNA pol的结合：RNA pol 与启动子结合的平衡常数 1.9X107；有阻抑蛋白时，2.5X109。 • 虽然阻抑蛋白存在使得RNA pol不能转录。但加入诱导物后，释放出阻抑蛋白，闭合复合体变成为开放复合体，立即起始转录。 阻抑蛋白结合区

  42. 操纵基因和启动子的相对位置关系

  43. 第二节 操纵子 1 乳糖操纵子(lac operon)的结构 2 乳糖操纵子的调控机制 2.1 阻抑蛋白的负性调控 2.2 阻抑蛋白的作用机制 2.3 分解代谢产物CAP的正调控 3 色氨酸操纵子 4 正调控系统和负调控系统

  44. 2. 3 CAP对乳糖操纵子的正调控作用 2.3.1 CAP (分解代谢物激活蛋白，catobolite gene activatorin protein) ： 由cap编码，结合cAMP后成为有活性的CAP； • cAMP：分解代谢产物，其含量与葡萄糖的分解代谢有关：

  45. 葡萄糖效应：葡萄糖的存在降低了cAMP的量，不能形成cAMP-CAP复合物，操纵子关闭葡萄糖效应：葡萄糖的存在降低了cAMP的量，不能形成cAMP-CAP复合物，操纵子关闭 cAMP-CAP复合物对lac操纵子的正调控

  46. 2.3.2 CAP的作用机制 （1）CAP以两种方法来激活转录： a 可能直接CAP作用于RNA pol a亚基， b 作用于DNA，改变其结构，从而帮助RNA Pol结合。

  47. （2）CAP结合位点 • 结合位点～22bp I -70 ~ -50 II -50 ~ -40 • CAP为二聚体， 45KD ，被cAMP激活

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