第十章 基因表达的调控

第十章基因表达的调控一、细胞质在遗传中的作用1、细胞质的不均一性与细胞分化海鞘果蝇2、细胞质对染色体行为的影响小麦瘿蚊TheunfertilizedeggofXenopus.Thesurfaceoftheanimalhalf(top)ispigmentedandthepaler,vegetalhalfoftheeggisheavywithyolk.Scalebar=1mm.PhotographcourtesyofJ.Smith.4、细胞分化的可逆性植物细胞全能性：动物细胞：3、细胞质对性染色体的影响Lyonhypothesis（一）原核类基因表达的调控--转录水平：1961，Jocob，Monod操纵子学说（operontheroy）二、基因表达的调控1.正调控和负调控•正调控•负调控•诱导(induction)•阻遏(repression)•诱导物(inductor)•阻遏物(repressor)2.乳糖操纵子的结构操纵子（operon)启动子(promoter)操纵基因（operatorgene）结构基因（structuralgene）调节基因（regulatorgene）。诱导物（inducer）诱导（induction）乳糖操纵子调控位点：(1)Operator操纵基因(2)CAP(catabolitegeneactivationprotein)orCRP(cAMP受体蛋白)结合位点(3)Promotor别乳糖为诱导物组成型(constitutivegene)即看家基因（Houskeepinggene)HOHHOHOHHHCH2OHHOOHHOOHOCH2CH2OHHOHOHHHOOH别乳糖HOOHHHHOHOHHH＋H2OHHHOOHCH2OHCH2OHHOHCH2OHHOOHHOOOHHHOHH＋OHHHOHHHHOHHOH葡萄糖半乳糖图16-乳糖分解的不同产物1）负调控转录起始点DNA解链区－50－40－30－20－101102030RNA聚合酶结合的起动子区阻遏物结合的操纵基因区图16-4在lac操纵子上阻遏物结合区和RNA聚合酶结合区的重叠诱导物的加入和去除对lacmRNA的影响几个名词：•诱导（induction）•诱导物（inducers）•异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside,IPTG）•安慰诱导物（gratuitousinducer）•多顺反子mRNACH2OHCH3HOOS－C－CH3HCH3OHHHHHOH图16-6异丙基-β-硫代半乳糖苷的分子结构未诱导：结构基因被阻遏阻遏物四聚体LacIPOlacZlacYlacA图16-当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上诱导：基因被打开β-半乳糖苷酶透性酶乙酰转移酶图16-7诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关ActiverepressorcannotbindtoOcmutantoperantorOperonistranscribedandtranslatedlacIOcoperantorβ-半乳糖苷酶透性酶乙酰转移酶图16-7操纵基因发生组成型突变，操纵子组成型表达InactiverepressorlacI－genesythesizesdefectiverepressorthatdoesnotbindtoDNAOperonistranscribedandtranslatedlacI－Operantorβ-半乳糖苷酶透性酶乙酰转移酶图16-lacI发生突变，操纵子组成型表达阻遏蛋白和操纵基因的结合与解离•阻遏蛋白的结构：•N端1～59aa－头部片段：为HTH，与操纵基因DNA的大沟结合；•核心区：有6个折叠，诱导物就结合在两个核心区之间的裂缝中；•C端为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。StartpointgalaroHtrptrpRlacPromoterOperatorlocation图16-13操纵基因可位于启动子不同的相对位点操纵位点的回文序列阻遏蛋白单体的结构Helix-turn-helixCoredomain1Coredomain215180360DNAbindingHingeInducerbindingOligomerization图16-阻遏蛋白单体的结构和功能阻遏蛋白单体的三级结构诱导物的结合解离模型(a)(b)图16－10诱导物作用模型。(a)平衡模型，诱导物与游离的阻遏物结合，打破了其游离与结合之间的平衡；(b)解离模型，诱导物直接与结合在操纵位点上的阻遏物结合，使其释放(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.12.13)诱导物和阻遏蛋白结合的模型维持阻遏过量的阻遏物可结合在DNA阻遏物结合在的其它位点操纵基因上aaaaaaaaa诱导物a诱导所有的阻遏物都结合aa在DNA的随机位点上aaaaa诱导物解离a建立阻遏阻遏物恢复活性状态aaa阻遏蛋白通过直接取代a从随机位点移向a操纵基因aaaaaa图16-14在细胞中所有的阻遏蛋白都结合在DNA上(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.12.18)2）正调控CAP结合位点•cAMP是由腺苷环化酶（adenylatecyclase）催化合成•CAP（cataboliteactivatorprotein）•CAP以两种方法来激活转录：（1）它可能直接和RNAPol相互作用；（2）作用于DNA，改变其结构，从而帮助RNAPol结合。葡萄糖ATP减少cAMPATP活化的CAP失活的CAPATP转录不转录图16-17图16-17通过减少cAMP的水平葡萄糖导致了分解代谢的阻遏转录AANTGTGANNTNNNTCANATTNNTTNACACTNNANNNAGTNTAANN高度保守低度保守5聚体5聚体图16-19CAP结合位点的保守顺序(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.12.24)lacCAATTAATGTGAGTTAACTCACTCATTAgalAAATTCTTGTGTAAACGATTCCACTAATTT图16-22lac操纵子和gal操纵子上cAMP-CAP位点的比较(仿D.Freifeilder:《MolecularBiology》1983,Fig.14.15)转录起点gallacara启动子CAP结合位点操纵基因图16-20CAP蛋白可结合于相对于启动子的不同位点(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.12.25)3、色氨酸操纵子分支酸→邻氨基苯甲酸→磷酸核糖基→CDRP→吲哚甘油-磷酸→色氨酸邻氨基苯甲酸邻氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油色氨酸合成酶硼酸合成酶β链α链60，00060，00045，00050，00029，000POlatrpEtrpDPtrpCtrpBtrpAtt’156016201353119180436P：起动子；O：操纵子；l：前导序列；a：衰减子；t,t’：终止子图16-15E.colitrpO的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应trp操纵子的结构•1）.结构•2）.特点:(1)trpR(89’)和trpABCDE(25’)不紧密连锁；(2)操纵基因在启动子内(3)有衰减子(attenuator)(4)启动子和结构基因不直接相连，二者被前导顺序(Leader)所隔开trpRtrpPtrpOtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA蛋白TrpR(无活性)活化的阻遏蛋白辅阻遏物(Trp)图16-27TrpR被Trp激活后可阻遏trp操纵子的转录(仿B.Lewin:《GENES》Ⅳ，1990,Fig.13.16)3）调节•(1)Trp作为辅阻遏物(corepressor)•(2)阻遏物和RNApol在P,O重叠区产生竞争性抑制；•(3)阻遏物的阻遏能力低，是LacR的1/千；(4)trpO调节合成代谢，存在衰减作用。（二）、可诱导操纵子与可阻遏操纵子