22基因的表达调控

1第22章基因的表达调控22.1基因组的组织22.2原核生物基因表达调控22.2.13个水平上的调节22.2.2lac操纵子22.2.3分解代谢与调控22.3真核生物基因表达调控2不同类型的基因：•结构基因•调控基因•重叠基因•隔裂基因•跳跃基因•假基因3原核生物的DNA：单个裸露的DNA不编码占5%转录和翻译同一时间，地点进行基因调控主要在三个水平上进行:①DNA水平②转录水平(主)③翻译水平4乳糖操纵子模型的建立(JacobandMonod,1961)FrancoisJacob(1920-)JacqucesMonod(1910-67)5操纵子:由操纵基因及其所操纵的结构基因组成的一个单位。操纵子结构基因（编码蛋白质，S）控制部位操纵基因（operator,O）启动子（premotor,P）原核生物的酶合成调节机制——操纵子学说操纵基因启动基因调节基因结构基因阻遏蛋白RNApol结合部位6436调控（节）蛋白操纵子RNARPOstructuralgenesDNAProtein＋正调控（positiveregulation)－负调控(negativeregulation)调控蛋白的作用机制注：R：RegulatorP：PromoterO：Operator7•正调控与负调控•调节基因RNA调节蛋白正调节蛋白激活+操纵子结构基因转录、表达正调节蛋白失活，结构基因不表达（正控制/正调节）负调节蛋白激活+操纵子结构基因转录、表达负调节蛋白失活，结构基因表达（负控制/负调节）8阻遏物与辅阻遏物•阻遏物（repressor）：由调节基因产生的一种变构蛋白，当它与操纵基因结合时，能够抑制转录的进行。•辅阻遏物(corepressor)：能够与失活的阻遏蛋白结合，并恢复阻遏蛋白与操纵基因结合能力的物质。9诱导调控与非诱导调控根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分：开启调控系统中结构基因的转录活性——诱导关闭调控系统中结构基因的转录活性——阻遏10操纵子调控系统的基本类型可诱导负控制系统可诱导正控制系统可阻遏负控制系统可阻遏正控制系统1112负调控：没有调节蛋白（阻遏物）存在下，操纵基因是开启的（表达）调节蛋白（阻遏物）存在下,操纵基因是关闭的（不表达）13•正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。14大肠杆菌乳糖操纵子模型调节基因操纵基因乳糖结构基因PLacZLacYLacAmRNA阻遏蛋白（有活性）基因关闭启动子ORPLacZLacYLacA调节基因操纵基因乳糖结构基因启动子ORmRNAZmRNAYmRNAa阻遏蛋白（无活性）基因表达mRNAA、乳糖操纵子的结构B、乳糖酶的诱导乳糖阻遏蛋白（有活性）15乳糖操纵子的分解代谢物阻遏RLacZLacYLacAmRNAmRNAZmRNAYmRNAa基因表达CAP基因结构基因TCAPOCAP结合部位RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代谢产物腺苷酸环化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物与cAMP的关系cAMPCAP：分解代谢物激活蛋白环腺苷酸受体蛋白降低cAMP浓度使CAP呈失活状态16葡萄糖效应葡萄糖为大肠杆菌生长提供能量，葡萄糖过量时，lac操纵子中β－半乳糖苷酶等一组酶合成出现受阻的现象。高浓度葡萄糖代谢物cAMP水平下降CAP不能单独与CAP位点结合基因表达受阻低浓度葡萄糖cAMP水平上升CAP与cAMP结合CAP-cAMP与CAP位点结合基因转录效率增加50倍17•大肠杆菌乳糖操纵子的正调控•当即有大量乳糖又有葡萄糖时，•基因表达将是怎样？18阿拉伯糖操纵子的双向控制Ara操纵子是控制分解代谢途径的另一调控系统。特点：调节蛋白既可起正调控作用，又可起负调控作用。1920色氨酸操纵子的转录调控1．色氨酸操纵子模型：由雅各布（JacobF.）和莫诺（MonodJ.）提出，具有合成代谢途径典型的操纵子模型。操纵子：包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因；大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制；色氨酸不足时：这５种酶的基因开始转转录；色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。trp操纵子是一个典型的可阻遏操纵元模型(repressibleoperon)。21•色氨酸操纵子模型结构：5种结构基因：trpE、D、C、B、A；调控结构：启动子、操纵基因、前导序列、弱化子；阻遏物trpR基因：与trp操纵子相距较远；22•2.色氨酸操纵子的负调控：⑴.阻遏调控：trpR基因编码无辅基阻遏物与色氨酸结合形成有活性的色氨酸阻遏物与操纵子结合阻止转录；•色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化，不能与操纵子结合，操纵元开始转录；色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操纵子结合，阻止转录。23•⑵.弱化子调控：当有色氨酸存在而trp操纵子受抑制时，仍有一段前导序列发生转录，可能存在另一种的机制来抑制trp操纵元的转录。色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列140bp长，其中有一28bp的弱化子区域；形成发夹结构，为内部终止子，RNA酶从DNA上脱落，不能转录；色氨酸低浓度或不存在时，RNA聚合酶能通过弱化子区域，转录完整的多顺反子mRNA序列；24•弱化子如何进行调控？•前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽，在该短肽的第10、11位置上是两个色氨酸密码子；两个密码子之后是一段mRNA序列，该序列可分为四个区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。•原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种二级结构,从而决定弱化子是否可形成终止信号。25•①.当有色氨酸时，完整翻译短肽核糖体停留在终止密码子处，邻近区段2位置阻碍了2,3配对使3,4区段配对形成发夹结构终止子RNA酶在弱化子处终止，不能向前移动。26•②.如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时由于没有色氨酰tRNA的供应停留在该密码子位置，位于区段1使区段2与区段3配对区段4无对应序列配对呈单链状态RNA聚合酶通过弱化子，继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。27缺乏色氨酸有色氨酸28•衰减作用的生物学意义从衰减机制的分析来看，它不仅能够把几种水平如DNA和RNA的构象变化、mRNA上内部终止(衰减)子的重建以及核糖体上tRNA对终止密码的识别等统一起来，严格控制表达，而且衰减子还可依细胞内某一氨基酸水平的高低而行止。所以它是一种应答灵敏、调节灵活的多重调控方式。29比较大肠杆菌乳糖操纵子负调控和色氨酸操纵子负调控30真核生物的基因调控DNA水平转录水平和转录后的修饰翻译水平和翻译后的修饰31（一）DNA的改变•基因剂量•DNA重排•DNA的甲基化32（二）转录水平的调控33（三）翻译水平的调控•蛋白质折叠•蛋白酶切割•蛋白质的化学修饰•蛋白质内含子