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1、西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院Contents基因表達調(diào)控的基本概念基因表達調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機制原核基因調(diào)控機制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院第一節(jié)第一節(jié) 基因表達調(diào)控的基本概念基因表達調(diào)控的基本概念一、基因表達的概念基因表達基因表達：從：從DNADNA到蛋白質(zhì)的過程，即到蛋白質(zhì)的過程，即基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為基基因表達調(diào)控因表達調(diào)控。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院基因表達調(diào)控環(huán)節(jié)基因表達調(diào)控

2、環(huán)節(jié)1 1、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（transcriptional regulationtranscriptional regulation）調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)mRNAmRNA的合成的合成2 2、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptional regulationpost-transcriptional regulation）mRNAmRNA加工成熟水平上的調(diào)控加工成熟水平上的調(diào)控 翻譯水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院 組成性表達(constitutive ex

3、pression)適應性表達(adaptive expression）二、基因表達的方式二、基因表達的方式西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院 1 1、組成性表達：成性表達：指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達。某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。組成型合成蛋白質(zhì)(constitutive)合成不受環(huán)境或代謝狀態(tài)影響的蛋白質(zhì)，例如 DNA聚合酶、RNA聚合酶等西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院 2、適適應性表達性表達 指指環(huán)境的境的變化容易使其表達水平化容易使其表達水平變動的一的一類基因表達?；虮磉_。應環(huán)境條件境條件變化基因表達水

4、平增高的化基因表達水平增高的現(xiàn)象稱象稱為誘導(induction)，這類基因被稱基因被稱為可可誘導的基因的基因(inducible gene)；相反，隨相反，隨環(huán)境條件境條件變化而基因表達水平降低的化而基因表達水平降低的現(xiàn)象稱象稱為阻遏阻遏(repression)，相，相應的基因被稱的基因被稱為可阻遏的基因可阻遏的基因(repressible gene)。西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院調(diào)節(jié)型/適應型蛋白(adaptiveorregulated)受環(huán)境變化或代謝狀態(tài)影響的蛋白質(zhì) 例如 大腸桿菌的-半乳糖苷酶在普通細胞培養(yǎng)條件下只有15個分子/細胞；在只含乳糖的培養(yǎng)基中高達幾萬個分子/細胞4西

5、安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院三、基因表達的規(guī)律三、基因表達的規(guī)律 時間性和空間性時間性和空間性1 1、時間特異性（、時間特異性（temporal specificitytemporal specificity）按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間時間特異性特異性。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階階段特異性段特異性(stage specificity)。西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院2、空、空間特異性特異性

6、(spatial specificity)基基因因表表達達伴伴隨隨空空間間順順序序所所表表現(xiàn)現(xiàn)出出的的這這種種分分布布差差異異，實實際際上上是是由由細細胞胞在在器器官官的的分分布布決決定定的的，所所以以空空間間特特異異性性又又稱稱細細胞胞或或組組織織特特異異性性(cell or tissue specificity)。在在個個體體生生長長全全過過程程，某某種種基基因因產(chǎn)產(chǎn)物物在在個個體體按按不不同同組組織織空空間間順順序序出出現(xiàn)現(xiàn)，稱稱之之為為基基因因表表達達的的空間特異性空間特異性。西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院四、基因表達調(diào)控的生物學意義四、基因表達調(diào)控的生物學意義適應環(huán)境、維持生長和

7、增殖（原核、真核）維持個體發(fā)育與分化（真核）西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院Contents基因表達調(diào)控的基本概念基因表達調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機制原核基因調(diào)控機制乳糖操縱子乳糖操縱子色氨酸操縱子色氨酸操縱子其他操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院第二節(jié)第二節(jié) 原核基因調(diào)控機制原核基因調(diào)控機制內(nèi)容提要操縱子學說操縱子學說原核基因調(diào)控機制的類型與特點原核基因調(diào)控機制的類型與特點轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式 西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院Jacob and Monod一、操縱子學說一、操縱子學說1 1、操縱子模型的提出

8、、操縱子模型的提出19611961年，法國年，法國MonodMonod和和JacobJacob提出提出獲獲19651965年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院2、操縱子的定義、操縱子的定義操縱子（operon）：是基因表達的協(xié)調(diào)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(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。編碼序列編碼序列 啟動序列啟動序列 操縱序列操縱序列 其他調(diào)節(jié)序列其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院 結(jié)構(gòu)基因（結(jié)構(gòu)基因（structural gene）編碼各類具有不同結(jié)構(gòu)和功能

9、的蛋白質(zhì)和編碼各類具有不同結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)和RNA的基因。的基因。調(diào)節(jié)基因（調(diào)節(jié)基因（regulator gene）編碼蛋白質(zhì)或編碼蛋白質(zhì)或RNA來調(diào)節(jié)其他基因表達的基因。來調(diào)節(jié)其他基因表達的基因。操縱基因（操縱基因（operator)DNA上的一個位點，阻遏物能與之結(jié)合抑制相鄰啟動子上的一個位點，阻遏物能與之結(jié)合抑制相鄰啟動子起始轉(zhuǎn)錄。起始轉(zhuǎn)錄。西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院結(jié)構(gòu)基因操縱區(qū)啟動區(qū)西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院1 1、根據(jù)操、根據(jù)操縱子子對調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的的應答，可分答，可分為：正正轉(zhuǎn)錄調(diào)控控 負轉(zhuǎn)錄調(diào)控控 二、二、原核基因調(diào)

10、控機制的類型與特點原核基因調(diào)控機制的類型與特點正控正控誘導正控阻遏正控阻遏負控控誘導負控阻遏控阻遏西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因激活蛋白激活蛋白正正轉(zhuǎn)錄調(diào)控控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控如果在沒有調(diào)節(jié)蛋白（激活蛋白）質(zhì)存在時基因是關閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開啟，這樣的調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白阻遏蛋白負轉(zhuǎn)錄調(diào)控控負轉(zhuǎn)錄調(diào)控在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)（阻遏蛋白）存在時基因是表達的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達活性便被關閉，這樣的調(diào)控負轉(zhuǎn)錄調(diào)控。西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院2

11、、根據(jù)操縱子對某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應答，可分為可誘導調(diào)節(jié)和可阻遏調(diào)節(jié)兩大類：誘導誘導(induction)(induction)：通過小分子誘導物參與通過小分子誘導物參與,使使阻抑物失活阻抑物失活或或活化激活劑活化激活劑來來實現(xiàn)對基因或操縱子實現(xiàn)對基因或操縱子表達表達的調(diào)控的調(diào)控。阻遏阻遏(repression):(repression):通過小分子輔阻遏物參與通過小分子輔阻遏物參與,使使激活劑失活激活劑失活或或活化阻抑物活化阻抑物來來實現(xiàn)基因或操縱子實現(xiàn)基因或操縱子不表達不表達的調(diào)控。的調(diào)控。西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院可誘導調(diào)節(jié)：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關

12、閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)（誘導物）的誘導下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子 在誘導物乳糖的誘導下開啟了乳糖操縱子西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白阻遏蛋白調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白阻遏蛋白誘導物誘導物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的合成的誘導操操縱子模型子模型誘導物誘導物如果某種物質(zhì)能夠促使細菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質(zhì)就是誘導物。西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院可阻遏可阻遏調(diào)節(jié)：基因平基因平時是開啟的，是開啟的，處在在產(chǎn)生蛋白生蛋白質(zhì)或或酶的工作的工作過程中，由于一些特殊代程中，由于一些特殊代謝

13、物或化合物物或化合物的的積累（阻遏物）而將其關累（阻遏物）而將其關閉，阻遏了基因的表達。，阻遏了基因的表達。例：例：色氨酸操色氨酸操縱子子 因為色氨酸的存在而關閉西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院酶合成的阻遏操合成的阻遏操縱子模型子模型調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因輔阻遏物輔阻遏物輔阻遏物輔阻遏物如果某種物質(zhì)能夠阻止細菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院3、在在負轉(zhuǎn)錄調(diào)控控系系統(tǒng)中中，調(diào)節(jié)基基因因的的產(chǎn)物物是是阻阻遏遏蛋蛋白白（repressor），起著阻止

14、），起著阻止結(jié)構(gòu)基因構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。的作用。根據(jù)其作用特征又可分根據(jù)其作用特征又可分為負控控誘導和和負控阻遏控阻遏：在在負控控誘導系系統(tǒng)中中，阻阻遏遏蛋蛋白白與與效效應物物（誘導物物）結(jié)合合時，結(jié)構(gòu)基因構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；在在負控控阻阻遏遏系系統(tǒng)中中，阻阻遏遏蛋蛋白白與與效效應物物（輔阻阻遏遏物物）結(jié)合合時，結(jié)構(gòu)基因不構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院負控誘導和負控阻遏系統(tǒng)16非活性阻遏蛋白基因表達非活性阻遏蛋白效應物/誘導物基因表達阻遏蛋白阻遏基因轉(zhuǎn)錄負控誘導系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因負控阻遏系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因操縱區(qū)活性阻遏蛋白效應物/輔阻遏物阻遏基因轉(zhuǎn)錄西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院4 4、在、在

15、正正轉(zhuǎn)錄調(diào)控控系系統(tǒng)中，中，調(diào)節(jié)基因的基因的產(chǎn)物是物是激活蛋激活蛋白白（activator）。）。根據(jù)激活蛋白的作用性根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分分為正控正控誘導和和正控阻遏正控阻遏在在正控正控誘導系系統(tǒng)中，效中，效應物分子（物分子（誘導物物）的存在）的存在使激活蛋白使激活蛋白處于活性狀于活性狀態(tài)；在在正控阻遏正控阻遏系系統(tǒng)中，效中，效應物分子（物分子（輔阻遏物阻遏物）的存的存在使激活蛋白在使激活蛋白處于非活性狀于非活性狀態(tài)。西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院正控誘導系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)18活性激活蛋白非活性激活蛋白阻遏基因轉(zhuǎn)錄RNA聚合酶活性激活蛋白基因表達效應物/輔阻遏物阻遏基因轉(zhuǎn)錄非活性激活蛋

16、白正控阻遏系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因正控誘導系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因效應物/誘導物基因表達西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院三、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式三、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式1、因子的更換 在E.coli中,當細胞從基本的轉(zhuǎn)錄機制轉(zhuǎn)入各種特定基因表達時，需要不同的因子指導RNA聚合酶與各種啟動子結(jié)合。西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院因子因子是RNA聚合酶的一部分，主要的作用是在DNA轉(zhuǎn)錄過程中識別模板DNA啟動子因子主要與啟動子的-10區(qū)（TATA區(qū)或Pribnow區(qū)）和-35區(qū)（CAAT區(qū)）結(jié)合20西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院參與調(diào)控的因子因子705438322824編碼基因RpoDRpoNRpoSRp

17、oHRpoFRpoE22主要調(diào)控過程對數(shù)生長期和大多數(shù)碳代謝過程氮源利用分裂間期特異基因熱休克基因鞭毛趨化相關基因過度熱休克基因糾正課本P250頁表7-2西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院23上游調(diào)控元件上游調(diào)控元件TTGACATTGACA N17TATAAT N58N68 TTGCA N79-35區(qū)-10區(qū)-24區(qū)-12區(qū)參與調(diào)控的因子結(jié)合啟動子依賴于核心酶可在無核心酶時獨立結(jié)合到啟動子上西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院舉例：熱休克基因的調(diào)控大腸桿菌在37C下生長最好當溫度增加到46C時，大腸桿菌幾乎停止生長，此時產(chǎn)生大量熱激蛋白（heat-shockprotein），占所有蛋白的30%。

18、24西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院25熱激蛋白的種類和作用（1）分子伴侶修復因高溫錯誤折疊的蛋白 折疊錯誤的蛋白分子伴侶（2）蛋白酶降解無法修復的蛋白無法修復的蛋白蛋白片段蛋白酶西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院32(RpoH)對熱激基因的調(diào)控:50C27錯誤折疊的蛋白質(zhì)激活熱激基因高溫下，分子伴侶結(jié)合錯誤折疊蛋白，釋放RpoH，從而RpoH激活熱激基因RpoH分子伴侶西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院2、弱化子對基因活性的影響（在色氨酸操縱子詳述）3、降解物對基因活性的調(diào)節(jié)（葡萄糖效應或降解物抑制作用）4、細菌的應急反應（空載tRNA誘導產(chǎn)生ppGpp和pppGpp）西安電子科技大學 生

19、命科學技術(shù)學院3、降解物抑制作用調(diào)節(jié)低水平高水平降解物抑制作用葡萄糖存在下，即使在細菌培養(yǎng)基中加入乳糖，半乳糖，阿拉伯糖，麥芽糖等誘導物，相應啟動子也不會啟動原因:葡萄糖是方便的能源，細菌無需開啟一些不常用的基因去利用乳糖降解物是指“葡萄糖”，葡萄糖是乳糖的降解物又稱葡萄糖效應36西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院4、細菌的應急反應氨基酸的全面匱乏細菌產(chǎn)生應急反應生產(chǎn)各種RNA、糖、脂肪和蛋白質(zhì)的幾乎全部生化反應均被停止應急信號鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp）ppGpp和pppGpp的誘導物是空載tRNA39西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院應急反應的過程氨基酸饑餓，產(chǎn)生大量空載tRNA空載tRNA激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，大量合成ppGppppGpp關閉許多基因，也打開一些合成氨基酸的基因40西安電子科技大學 生命科學技術(shù)學院ppGpp的作用原理可能性一ppGpp與RNA聚合酶的結(jié)合使RNA聚合酶構(gòu)象穩(wěn)定，從而改變基因轉(zhuǎn)錄效率可能性二基因轉(zhuǎn)錄起始位點附近的保守序列是ppGpp或有關調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)合位點，結(jié)合后，這些序列就不能與RNA聚合酶結(jié)合，使基因關閉。41