原核基因表达调控课件_002

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,*,第 七 章,原核基因表达调控,1,ppt课件.,内 容 提 要,一、概 述,二、,原核生物基因表达的调控,（一）原核生物基因表达的特点,（二）原核生物基因表达的调控机制,(1),转录起始的调控,(2),转录终止的调控,(3),翻译水平的调控,2,ppt课件.,概述,3,ppt课件.,概 述,基因表达,(gene expression),是基因,转录及翻译,的过程，也是基因所携带的遗传信息表现为表型的过程，包括基因转录成互补的,RNA,序列，对于蛋白质编码基因，,mRNA,继而翻译成多肽链，并装配加工成最终的蛋白质产物。,4,ppt课件.,基因表达的时间性及空间性,1.,时间特异性,按功能需要某一特定基因表达严格按特定的时间顺序发生。如病毒感染；胚胎发育。,基因表达的时间特异性又称阶段特异性。,5,ppt课件.,孕三天 桑椹胚,孕五周,6,ppt课件.,2.,空间特异性,指在个体生长全过程，某种基因产物在个体不同组织器官表达存在差异。,空间特异性又称细胞特异性或组织特异性。,基因表达的时间性及空间性,7,ppt课件.,组织特异性转基因爪蛙品系,8,ppt课件.,基因表达调控（,regulation of gene expression,）,就是指细胞或生物体在接受,内外,环境信号,刺激,时或,适应环境变化,的过程中在基因表达水平上做出应答的分子机制，即位于基因组内的基因如何被表达成为有功能的蛋白质（,或,RNA,），在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等。,基因表达的方式存在多样性,9,ppt课件.,基因表达的方式,组成性基因表达,适应性表达（诱导和阻遏表达）,按,对刺激的反应性,，基因表达的方式分为：,10,ppt课件.,1,、组成性基因表达,某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为,管家基因,(house-keeping gene),。,11,ppt课件.,管家基因,的,表达水平受环境因素影响较小，是在生物体各个生长阶段的大多数、或几乎全部组织中持续表达。这类基因表达被视为,组成性（或基本）基因表达,(constitutive gene expression),。,12,ppt课件.,bcl-2,-actin,1 2,琼脂糖凝胶电泳图,1.,对照组,2.,实验组,13,ppt课件.,常用的管家基因,中文名称 英文缩写,beta,肌动蛋白,-actin,甘油醛,3-,磷酸脱氢酶,GAPDH,TATA Box,结合蛋白,TBP,18s,核糖体核糖核酸,18s rRNA,微管蛋白,-tubulin,14,ppt课件.,2,、诱导和阻遏表达,诱导表达,（,induction,）指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为,可诱导基因,。,阻遏表达,（,repression,）指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为,可阻遏基因,。,15,ppt课件.,在一定机制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为,协同表达,(coordinate expression),。,3,、协同表达,16,ppt课件.,基因表达调控的生物学意义,1.,适应环境、维持生长和增殖；,2.,维持个体发育和分化。,17,ppt课件.,基因转录调控的基本要素,1,、特异,DNA,序列,原核生物的,操纵子,（,operon,）,真核生物的,顺式作用元件,（,cis-,acting element,）,2,、调节蛋白,18,ppt课件.,第一节 原核基因表达调控总论,19,ppt课件.,基因组,转录,转录后,翻译,翻译后,基因表达的调控水平,20,ppt课件.,转录水平上的调控,翻译水平上的调控,（较少）,原核基因表达调控,21,ppt课件.,一、原核基因调控机制的类型与特点,（一）原核基因调控机制的类型,负调控,正调控,gene ON,OFF,阻遏蛋白,gene OFF,ON,激活蛋白,基因表达量特别低,22,ppt课件.,1,、负调控,negative regulation,在没有调节蛋白质存在时,基因是表达,的，加入某种调节蛋白质后,基因活性就被关闭,，这样的控制系统就叫做负控系统。,其调节蛋白质叫做,阻遏蛋白,两种类型：,负控诱导,和,负控阻遏,23,ppt课件.,负控诱导系统,负控阻遏系统,失活的阻遏蛋白,阻遏蛋白,1.,阻遏蛋白；,2.,加入某种调节蛋白质后,基因活性就被关闭,24,ppt课件.,2,、正调控,positive regulation,在,没有,调节蛋白质存在时基因是,关闭,的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控制系统就叫做,正控系统,。,其调节蛋白质叫做,激活蛋白,两种类型,:,正控诱导,和,正控阻遏,系统,25,ppt课件.,正控诱导系统,正控阻遏系统,失活的激活蛋白,1.,激活蛋白；,2.,加入某种调节蛋白质后,基因活性就被开启,26,ppt课件.,失活的激活蛋白,失活的阻遏蛋白,阻遏蛋白,27,ppt课件.,（二）原核生物基因表达调控的特点,调节的主要环节在,转录水平,上进行,因子,决定,RNA,聚合酶识别特异性,主要通过,操纵子模式,进行调节,28,ppt课件.,1,、原核基因转录调节特点,(,一,),因子决定,RNA,聚合酶识别特异性,核心酶,全酶,29,ppt课件.,因子,30,ppt课件.,大肠杆菌中的各种,因子比较,因子,编码基因,主要功能,70,rpo,D,识别一般启动子,54,rpoN,参与多数氮源利用基因的调控,38,rpoH,分裂间期特异基因的表达调控,32,rpoS,热休克基因的表达调控,28,rpoF,鞭毛趋化相关基因的表达调控,24,rpoE,过度热休克基因的表达调控,31,ppt课件.,第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统,32,ppt课件.,乳糖操纵子模型的建立,(Jacob and Monod, 1961),Francois Jacob,Jacquces Monod,获,1965,年诺贝尔奖,33,ppt课件.,-,操纵子,(,operon,),操纵子,：,是基因表达的调控单位，由,调节基因,、,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。,34,ppt课件.,-,操纵子,(,operon,),结构基因,启动子,操纵基因,调节基因,(promoter),(operator),阻遏蛋白,35,ppt课件.,一、乳糖操纵子,(lac operon),的结构与组成,调控区,阻遏基因,启动子,操纵基因,结构基因,lacZ,：,-,半乳糖苷酶,lacY,：,-,半乳糖苷透过酶,lacA,：,-,半乳糖苷乙酰基 转移酶,Z,Y,A,O,P,DNA,I,36,ppt课件.,蓝白显色筛选法,37,ppt课件.,二、酶的诱导,-lac,体系受调控的证据,在不含乳糖的培养基中，,lac,+,基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有,1,2,个酶分子。,如果在培养基中,加入乳糖,，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的,6%,或,7%,，每个细胞中可有超过,10,5,个酶分子。,1,、实验证据,38,ppt课件.,39,ppt课件.,2,、实验用诱导物,乳糖,IPTG(,异丙基巯基半乳糖苷,),TMG(,巯甲基半乳糖苷,),ONPG(,O,-,硝基半乳糖苷,),40,ppt课件.,三、,lac,操纵子模型及其影响因子,（一）,Lac,操纵子模型,调控区,结构基因,41,ppt课件.,乳糖操纵子模型,1,、,Z,、,Y,、,A,基因的产物为一条多顺反子,mRNA,lacZ,：编码,-,半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；,lacY,：编码,-,半乳糖苷透过酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；,lacA,：编码,-,半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。,多顺反子：一个,mRNA,分子编码多个多肽链。这些多肽链对应的,DNA,片段则位于同一转录单位内，享用同一对起点和终点。,42,ppt课件.,2,、,P,区位于,I,与,O,之间，,O,为阻遏蛋白结合位点,启动子（,P,）,RNA,聚合酶结合位点,调节基因,CAP,结合位点,操 纵 基 因（,O,） 结构基因,I,阻遏蛋白结合位点,43,ppt课件.,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,没有乳糖存在时,3,、乳糖操纵子受阻遏蛋白和,CAP,的双重调节,阻遏基因,（,1,）阻遏蛋白的负性调节,44,ppt课件.,mRNA,阻遏蛋白,有乳糖存在时,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,启动转录,lac mRNA,乳糖,异构乳糖,-,半乳糖苷酶,lac,操纵子与阻遏蛋白的负性调节,45,ppt课件.,3,、乳糖操纵子受阻遏蛋白和,CAP,的双重调节,（,2,）,CAP,的正性调节,1. cAMP,由,ATP,合成。,2.,代谢物激活蛋白（,catabolite activator protein,，,CAP,）又称为环腺苷酸受体（,cAMP receptor protein,，,CRP,）。,3.,每个,CAP,可结合,一个,cAMP,。,4.,在,含葡萄糖,的培养基中，,cAMP,的,浓度很低,。,5. RNA,聚合酶,亚基可以和结合有,cAMP,的,CAP,结合，,从而,起始转录,。,46,ppt课件.,47,ppt课件.,48,ppt课件.,4,、,协同调节,当阻遏蛋白,封闭转录,时，,CAP,对该系统不能发挥作用；,如,无,CAP,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,。,单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；,若有葡萄糖或葡萄糖,/,乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。,乳糖 作为阻遏蛋白的诱导物 操控负调节,葡萄糖 降低,cAMP-CAP,操控正调节,49,ppt课件.,mRNA,低乳糖时,高乳糖时,葡萄糖低,cAMP,浓度高,葡萄糖高,cAMP,浓度低,RNA-pol,O,O,O,O,阻遏蛋白,cAMP-CAP,cAMP-CAP,阻遏蛋白,50,ppt课件.,(,二,),乳糖操纵子的影响因子,1,、,lac,操纵子的本底水平表达,乳糖,51,ppt课件.,因为诱导物需要穿过细胞壁才能与阻遏蛋白结合，而运转诱导物需要透过酶。,在非诱导状态下有少量（,1-5,个,mRNA,分子）,lac mRNA,合成,-,本底水平组成型合成。,lac,操纵子的本底水平表达,52,ppt课件.,3,、阻遏物,lacI,基因产物及功能,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,阻遏基因,弱启动子控制的组成型合成,53,ppt课件.,4,、葡萄糖对,lac,操纵子的影响,代谢物阻遏效应（葡萄糖效应）,是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时,葡萄糖总是优先被利用,，葡萄糖的存在,阻止了其它糖类的利用的现象,。,研究认为葡萄糖的,某些代谢产物,抑制,lac mRNA,的合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应,.,54,ppt课件.,5,、,lac,基因产物数量上的不同,Z,、,Y,、,A,三个基因产物的拷贝数比例为,1,：,0.5,：,0.2,55,ppt课件.,1,、,lac mRNA,可能在翻译过程中的,核糖体相脱离,，从而终止蛋白质链的翻译。,原因：在翻译水平上的调节,56,ppt课件.,2,、,lac mRNA,分子内部，,A,基因比,Z,基因更易受,内切酶,作用发生降解，故,Z,基因的完整拷贝数要比,A,基因多。,原因：在翻译水平上的调节,降解,57,ppt课件.,CAP,、阻遏蛋白、,cAMP,和诱导剂对,lac,操纵子的调节,58,ppt课件.,色氨酸操纵子与负控阻遏系统,59,ppt课件.,可诱导调节：调节,分解代谢,的操纵子，同时受,cAMP-CAP,的活性调节,可阻遏调节：调节,合成代谢,的操纵子（色氨酸）,特殊代谢物调节基因活性的类型,60,ppt课件.,61,ppt课件.,一、,trp,操纵子的阻遏系统,（一）,trp,操纵子的研究背景,酶合成阻遏的现象,Jacob and Monod,的工作,62,ppt课件.,（二）,trp,操纵子的结构,阻遏型操纵子,trpA,trpB,trpC,trpE,trpD,P,trp,O,trp,前导序列,a,Trp,阻抑物 色氨酸,激活,RNA,trpE trpD trpC trpB trpA,色氨酸合成所需的酶,trpR,63,ppt课件.,酶阻遏的操纵子模型,辅阻遏蛋白无活性，不能与操纵基因结合，结构基因表达,.,调节基因,操纵基因,结构基因,mRNA,酶蛋白,.,.,.,.,.,辅阻遏蛋白,64,ppt课件.,（三）,trp,操纵子的阻遏调控机制,色氨酸操纵子主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。当细胞内,缺乏色氨酸,时，此,操纵子开放,，而当细胞内合成的,色氨酸过多,时，此,操纵子被关闭,。,色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。,而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭,。,65,ppt课件.,Trp,Tr,p,浓度高时,Trp,浓度,低时,mRNA,O,P,trpR,调节区,结构基因,RNA,聚合酶,RNA,聚合酶,色氨酸操纵子,阻遏调节,?,66,ppt课件.,二、 弱化子与前导肽,（一）弱化子,在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，,RNA,合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用,.,调节区,结构基因,trpR,O,P,前导序列,弱化子区域,UUUU,前导,mRNA,1,2,3,4,67,ppt课件.,UUUU,RNA,聚合酶,起调节作用的是某种氨酰,-tRNA,的浓度,68,ppt课件.,69,ppt课件.,UUUU,3,4,UUUU 3,3,4,核糖体,前导肽,前导,mRNA,1.,当色氨酸浓度高时,转录衰减机制,1,2,5,trp,密码子,弱化子结构,就是终止子,可使转录,前导,DNA,UUUU 3,RNA,聚合酶,终止,70,ppt课件.,（二）前导肽,UUUU,3,4,2,4,2,3,UUUU,核糖体,前导肽,前导,mRNA,1,5,trp,密码子,结构基因,前导,DNA,RNA,聚合酶,当色氨酸浓度低时,Trp,合成酶系相关,结构基因被转录,序列,3,、,4,不能,形成弱化子结构,71,ppt课件.,72,ppt课件.,5,trp,mRNA,trp,L,1 2,3 4,寡聚,U,区,trpE,(a),正常,(b),高,Trp,1,2,转录终止,3 4,(C),低,Trp,1,2 3,4,转录延伸,73,ppt课件.,（三）弱化子的生物学意义,活性阻遏物和非活性阻遏物的转变,可能较慢,，而,tRNA,荷载与否可能,更为灵敏,；,氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而以,tRNA,荷载情况为标准来进行控制可能更为恰当,.,当细胞内氨基酸高于某一水平时，可以实现完全的阻遏；而只有低于这一水平时，才需用弱化子这个调节系统来进行调节，,阻遏蛋白和弱化子调节机制都是为了避免浪费，提高效率,。,74,ppt课件.,第四节 其他操纵子（自学）,第五节 固氮基因调控（自学）,75,ppt课件.,第六节 转录后调控,76,ppt课件.,一、翻译起始的调控,1,、,SD,序列对翻译的影响,SD,序列：,mRNA,起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列,。,(9-,1,2,bp),5-,AGGA,PuPuUUUPuPu,AUG,-3,SD,序列的顺序及位置对翻译的影响,SD,与,AUG,之间相距一般以,4-10,个核苷酸为佳，,9,个核苷酸最佳。,77,ppt课件.,实验证据,RNA,引物由,dnaG,基因编码的引物酶催化合成,dnaG,、,rpoD,及,rpsU,属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子,基因转录出来的三个蛋白相应的,mRNA,拷贝数大体相同，由于翻译的调控使得蛋白的拷贝数发生了很大的变化。,二、稀有密码子对翻译的影响,78,ppt课件.,79,ppt课件.,由于细胞内对应于稀有密码子的,tRNA,较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。,80,ppt课件.,三、重叠基因对翻译的影响,A,基因,B,基因,A,基因终止密码子与,B,基因的起始密码子重叠,81,ppt课件.,重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。,偶联翻译是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段。,重叠基因对翻译的影响,82,ppt课件.,trp,操纵子,trpE,基因与,trpD,基因的翻译偶联机制,trpE,苏氨酸苯丙氨酸终止,ACU,-UUC-UGA-UGG-CU,AUG-GCU,甲硫氨酸丙氨酸,trpD,83,ppt课件.,四、魔斑核苷酸水平对翻译的影响,魔斑核苷酸：,pppGpp,，,ppGpp,。这两种化合物实在层析谱上检出的斑点，当时称为魔斑。,空载氨酰,-tRNA,对蛋白质和,RNA,的合成速度进行调控,84,ppt课件.,（一）严紧控制和松散控制,1,、严紧控制（基因型,rel,）,当细菌处于饥饿条件下，缺乏维持蛋白质合成的氨基酸，其大部分活性区域将被关闭，此称之为严禁控制。,严禁控制导致两种特殊的核苷酸积累：,PPGpp,、,pppGpp,85,ppt课件.,2,、松弛控制（基因型,rel,-,）,松弛突变株（,基因型,rel-,）去除了严禁控制反应；,蛋白质合成停止，但,RNA,的合成速度没有下降；,氨基酸的匮乏不会导致（,p,）,ppGpp,的合成；,若有严紧因子存在，也能合成（,p,）,ppGpp.,86,ppt课件.,原核生物基因表达调控机制,转录激活水平上的调控,转录后调控,87,ppt课件.,此课件下载可自行编辑修改，供参考！,感谢您的支持，我们努力做得更好！,