第七章原核基因表達調控演示文稿當前1頁，總共70頁。（優選）第七章原核基因表達調控當前2頁，總共70頁。3一、原核生物基因表達調控總論原核生物基因調控一般執行如下規律一個體系需要時被打開，不需要時被關閉。基因的開與關是相對的。開-關的活性可以通過轉錄水平上進行調節。當前3頁，總共70頁。4當前4頁，總共70頁。5轉錄水平上的調控轉錄后水平上的調控基因表達調控當前5頁，總共70頁。6

基因表達的概念*基因組(genome)一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因。——它也是指含有一個生物體生存、發育、活動和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸。當前6頁，總共70頁。7是指儲存遺傳信息的基因經過一系列步驟表現出其生物功能的整個過程。典型的基因表達是基因經過轉錄、翻譯，產生有生物活性的蛋白質的過程。基因表達(geneexpression)當前7頁，總共70頁。8基因表達調控主要表現在以下兩個方面：轉錄水平上的調控轉錄后水平上的調控當前8頁，總共70頁。9轉錄水平調控

轉錄水平調控是真核基因表達調控的重要環節。根據真核基因表達是否受環境影響可分為：發育調控和瞬時調控。其中發育調控是指真核生物為確保自身生長、發育、分化等對基因表達按“預定”和“有序”的程序進行的調控，是不可逆的過程；瞬時調控是指真核生物在內、外環境的刺激下所做出的適應性轉錄調控，是可逆過程。當前9頁，總共70頁。10Britten和Davidson于1969年提出的真核生物單拷貝基因轉錄調控的模型——Britten—Davidson模型。該模型認為在整合基因的5’端連接著一段具有高度專一性的DNA序列，稱之為傳感基因。在傳感基因上有該基因編碼的傳感蛋白。外來信號分子和傳感蛋白結合相互作用形成復合物。該復合物作用于和它相鄰的綜合基因組，亦稱受體基因，而轉錄產生mRNA，后者翻譯成激活蛋白。這些激活蛋白能識別位于結構基因（SG）前面的受體序列并作用于受體序列，從而使結構基因轉錄翻譯。當前10頁，總共70頁。11轉錄后水平上的調控包括：1.mRNA加工成熟水平上的調控2.翻譯水平上的調控當前11頁，總共70頁。12轉錄后水平上的調控真核生物基因轉錄在細胞核內進行，而翻譯則在細胞質中進行。在轉錄過程中真核基因有插入序列，結構基因被分割成不同的片段，因此轉錄后的基因調控是真核生物基因表達調控的一個重要方面，首要的是RNA的加工、成熟。各種基因轉錄產物RNA，無論rRNA、tRNA還是mRNA，必須經過轉錄后的加工才能成為有活性的分子。當前12頁，總共70頁。13翻譯水平上的調控蛋白質合成翻譯階段的基因調控有三個方面：①蛋白質合成起始速率的調控；②MRNA的識別；③激素等外界因素的影響蛋白質合成起始反應中要涉及到核糖體、mRNA蛋白質合成起始因子可溶性蛋白及tRNA，這些結構和諧統一才能完成蛋白質的生物合成。mRNA則起著重要的調控功能。當前13頁，總共70頁。14基因表達調控的指揮系統有很多種，不同生物使用不同的信號來指揮基因調控。原核生物和真核生物之間存在著相當大差異。原核生物中，營養狀況、環境因素對基因表達起著十分重要的作用；而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平、發育階段等是基因表達調控的主要手段，營養和環境因素的影響則為次要因素。當前14頁，總共70頁。15原核與真核生物轉錄及翻譯調控的總體特征比較當前15頁，總共70頁。16原核基因表達調控分類負轉錄調控正轉錄調控阻遏蛋白分為：負控誘導負控阻遏根據調控機制的不同分為：當前16頁，總共70頁。17負轉錄調控負控誘導阻遏蛋白不與效應物結合時基因不轉錄。當前17頁，總共70頁。18負控阻遏阻遏蛋白與效應物結合時，基因不轉錄。負轉錄阻遏如：周圍有充足的葡萄糖，細菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖類的酶類，如乳糖操縱子被阻遏、關閉。當前18頁，總共70頁。19基因表達的方式組成性基因表達適應性表達（誘導和阻遏表達）當前19頁，總共70頁。201、組成性基因表達

某些基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續表達，通常被稱為管家基因

(house-keepinggene)。當前20頁，總共70頁。21

無論表達水平高低，管家基因較少受環境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數或幾乎全部組織中持續表達，或變化很小。區別于其他基因，這類基因表達被視為組成性表達。當前21頁，總共70頁。22在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協調一致、共同表達，即為協調表達.協調表達當前22頁，總共70頁。232、誘導和阻遏表達誘導表達指在特定環境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達產物增加。這類基因稱為可誘導基因。阻遏表達指在特定環境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達產物減少。這類基因稱為可阻遏基因。當前23頁，總共70頁。24轉錄水平上的調控負轉錄調控（

negativetrnscriptionregulation)

調節基因的產物是阻遏蛋白正轉錄調控（positivetranscriptionregulation)

調節基因的產物是激活蛋白當前24頁，總共70頁。25正轉錄調控正控誘導有效應物時，激活蛋白處于活性狀態基因轉錄。當前25頁，總共70頁。26正控阻遏有效應物時，激活蛋白處于無活性狀態基因不轉錄。正轉錄阻遏當前26頁，總共70頁。27負控誘導負控阻遏正控誘導正控阻遏當前27頁，總共70頁。28

(一)σ因子決定RNA聚合酶識別特異性核心酶全酶當前28頁，總共70頁。29

σ因子當前29頁，總共70頁。30大腸桿菌至少有6種σ因子σ70負責識別一般的啟動子σ54識別與氮代謝有關的基因啟動子σ32識別熱激（heatshock）蛋白基因啟動子當前30頁，總共70頁。31大腸桿菌中的各種σ因子比較σ因子編碼基因主要功能σ70rpoD參與對數生長期和大多數碳代謝過程基因的調控σ54rpoN參與多數氮源利用基因的調控σ38rpoH分裂間期特異基因的表達調控σ32rpoS熱休克基因的表達調控σ28rpoF鞭毛趨化相關基因的表達調控σ24rpoE過度熱休克基因的表達調控當前31頁，總共70頁。32（二）原核生物基因表達調控的特點原核生物通過特殊代謝物調節基因活性主要分為：可誘導調節關閉-----工作------基因活化可阻遏調節開啟-----關閉-------阻遏基因表達當前32頁，總共70頁。33（二）原核生物基因表達調控的特點調節的主要環節在轉錄水平上進行σ因子決定RNA聚合酶識別特異性主要通過操縱子模式進行調節阻遏蛋白對轉錄的抑制作用（阻遏機制）是普遍存在的負調控作用當前33頁，總共70頁。34原核細胞在轉錄水平上調控當前34頁，總共70頁。351、原核生物基因調控機制的類型a、弱化子對基因活性的調節b、代謝產物對基因活性的調節c、降解物對基因活性的調節d、細菌的應急反應當前35頁，總共70頁。36弱化子當操縱子被阻遏，RNA的合成被終止時，起終止轉錄作用的那一段核苷酸，稱為弱化子。

因為核糖體在基因轉錄產物上的不同位置，決定了RNA可以形成哪一種形式的二級結構，并由此決定基因能否繼續轉錄1、弱化子對基因活性的影響當前36頁，總共70頁。372、降解物對基因活性的調節1、葡萄糖效應是指當葡萄糖和其它糖類一起作為細菌的碳源時葡萄糖總是優先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖類的利用的現象。當前37頁，總共70頁。382、降解物對基因活性的調節葡萄糖通過降低cAMP的含量而抑制基因表達當前38頁，總共70頁。393、細菌的應急反應

當細菌發現它們處于很差的生長環境，沒有足夠的氨基酸來維持蛋白質合成時，它們就會停止大部分活動。當前39頁，總共70頁。40

產生這一應急反應的信號是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸（pppGpp）。PpGpp與pppGpp的作用不只是一個或幾個操縱子，而是影響一大批，所以稱之為超級調控子或稱為魔斑。超級調控因子或稱為魔斑當前40頁，總共70頁。41細菌的應急反應的機制產生應急反應的信號是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸（pppGpp）誘導物：空載tRNA當前41頁，總共70頁。421961年由莫諾（Monod,J.法)和雅各布(Jacob,F.法)提出，用來闡述大腸桿菌乳糖代謝中基因表達的調控機制。獲1965年諾貝爾生理學和醫學獎7.2、乳糖操縱子與負控誘導系統當前42頁，總共70頁。43F·雅各布（FrancoisJacob1920～）法國生物化學家、分子生物學家J·L·莫諾（JacquesL.Monod1910～1976）法國生物學家

操縱子(operon)

機制當前43頁，總共70頁。44------操縱子(operon)操縱子：是基因表達的協調單位，由啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關的結構基因所組成。操縱基因受調節基因產物的控制。操縱基因是順式控制元件，阻抑蛋白是反式作用因子。當前44頁，總共70頁。45

------操縱子(operon)大腸桿菌乳糖操縱子包括3個結構基因：lacZ決定lacZ編碼β-半乳糖苷酶lacY 決定lacY編碼β-半乳糖苷透過酶lacA決定lacA編碼β-半乳糖苷乙酰基轉移酶以及啟動子、控制子、阻遏子等當前45頁，總共70頁。46乳糖操縱子(lacoperon)的結構與組成

調控區阻遏基因啟動子控制基因

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透過酶A：乙酰基轉移酶ZYAOPDNAI當前46頁，總共70頁。47------操縱子(operon)1、β-半乳糖苷酶能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，也能水解其他β-半乳糖苷2、β-半乳糖苷透過酶能使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）透過大腸桿菌細胞壁和原生質膜進入細胞內3、β-半乳糖苷乙酰基轉移酶把乙酰輔酶A上的乙酰基轉移到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖當前47頁，總共70頁。48

大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖，當培養基中含有葡萄糖和乳糖時，細菌優先使用葡萄糖，當葡萄糖耗盡，細菌停止生長，經過短時間所以適應，就能利用乳糖，細菌繼續呈指數式繁殖增長。當前48頁，總共70頁。49、酶的誘導-lac體系受調控的證據在不含乳糖及β-半乳糖苷的培養基中，lac+基因型每個大腸桿菌細胞內大約只有1～2個酶分子。如果在培養基中加入乳糖，酶的濃度很快達到細胞總蛋白量的6%或7%，每個細胞中可有超過10^5個酶分子。1、實驗證據當前49頁，總共70頁。50當前50頁，總共70頁。512、實驗用誘導物乳糖IPTG(異丙基巰基半乳糖苷)TMG(巰甲基半乳糖苷)ONPG(O-硝基半乳糖苷)當前51頁，總共70頁。52三、操縱子模型及其影響因子（一）Lac操縱子模型控制區信息區當前52頁，總共70頁。53乳糖操縱子模型1.lacZ、lacY、lacA基因的產物由同一條mRNA分子所編碼2.該mRNA分子的啟動區（P）位于阻遏基因（lacI）與操縱區（O）之間，不能單獨起始半乳糖苷酶和透過基因的高效表達3.操縱區時DNA上的一小段序列（僅26bp）,是阻遏物的結合位點4當阻遏物與操縱區相結合時，lacmRNA的轉錄起始受到抑制5誘導物與阻遏物結合，改變它的三維構象，使之不能與操縱區結合，從而激發lacmRNA的合成當前53頁，總共70頁。54乳糖操縱子模型1、Z、Y、A基因的產物為一條多順反子mRNAlacZ：編碼β-半乳糖苷酶，它可以將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖；lacY：編碼半乳糖苷透性酶，它能將乳糖運送透過細菌的細胞壁；lacA：編碼硫代半乳糖苷乙酰轉移酶，進行乳糖代謝。當前54頁，總共70頁。55因為誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結合，而運轉誘導物需要透過酶，后者合成需要誘導。在非誘導狀態下有少量（1-5個mRNA分子）lacmRNA合成--本底水平組成型合成。

lac操縱子的本底水平表達當前55頁，總共70頁。562、大腸桿菌對乳糖的反應碳源為甘油的培養基乳糖當前56頁，總共70頁。大腸桿菌對乳糖的反應以甘油為碳源的培養基，按照lac操縱子本地水平表達，每個細胞可有幾個分子的β-半乳糖苷酶和乳糖透過酶加入乳糖----異構乳糖----與操縱區上的阻遏物相結合使后者失活---離開操縱區---開始lacmRNA的生物合成-----編碼大量的β-半乳糖苷酶和乳糖透過酶。結果：乳糖大量涌入細胞，被降解為葡萄糖和半乳糖當前57頁，總共70頁。3、阻遏物lacI基因產物及功能乳糖操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的，每個細胞中有5-10個阻遏物分子。當I基因由弱啟動子突變成強啟動子，細胞內不可能產生足夠的誘導物克服阻遏狀態，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導。當前58頁，總共70頁。593、阻遏物lacI基因產物及功能mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因弱啟動子控制的組成型合成當前59頁，總共70頁。60當前60頁，總共70頁。614、葡萄糖對lac操縱子的影響研究認為葡萄糖的某些降解產物抑制lacmRNA的合成，這種效應稱之為代謝物阻遏效應.當前61頁，總共70頁。622、P區位于I與O之間，O為阻遏物結合位點

啟動子

RNA聚合酶結合位點調節基因CAP結合位點