第十四章基因表达的调控.ppt
第十四章 基因表达的调控,原核生物和真核生物都能够根据周围环境(如温度、营养成分等)的变化，改变自己的代谢方式。而代谢方式的变化通常可以通过对基因表达过程的调控得以实现。 机体可以在基因表达过程的任何阶段进行调控，一般以转录水平上的调控为主。,DNA水平,基因丢失；,基因扩增,基因重排；,甲基化修饰；,染色质的结构状态,RNA水平,转录水平调控；,RNA的转录后加工；,mRNA从核内向胞浆转运；,mRNA稳定性,蛋白质水平,翻译过程；,翻译后加工；,蛋白质的稳定性,一、 转录水平的调控操纵子,原核生物的基因调控可以发生在转录和翻译等不同阶段，但也是以转录水平为主。 原核生物许多功能相关的结构基因，特别是编码同一代谢途径的酶的基因，一般成簇排列，能受单一启动子的共同控制，结果是整簇基因或者都表达或者都不表达。,第一节 原核生物的基因表达调控,1961年，Jacob和Monod提出了细菌基因表达调控的模型操纵子学说，解释了原核生物的基因表达在转录水平上是如何调控的。 操纵子（operon）就是由操纵基因（operator）以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位。操纵子还包括一个结合RNA聚合酶的启动子。,操纵基因是位于操纵子前端部分的顺式控制元件，它能和阻抑蛋白结合，控制结构基因的转录。阻遏蛋白是调节基因的表达产物，是参与操纵子调节的反式作用因子。 原核生物操纵子中的全部结构基因从同一个启动子开始转录成单个mRNA分子。,1.反式作用因子与顺式作用元件 基因表达的产物(蛋白质或RNA)从合成的场所扩散到目标场所而发挥作用的过程称为反式作用（trans-acting），此基因表达产物被称为反式作用因子（trans-acting factor） 。 反式作用因子通常为的蛋白质或RNA，其特征为可以从合成地扩散到目标场所发挥作用。,顺式作用（cis-acting）的概念用于任一不转变为任何其他形式的DNA序列，它只在原位发挥DNA序列的作用，仅影响与其物理上相连的DNA序列的活性。,顺式作用元件（cis-acting factor）是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因。顺式作用元件通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。,基因活性的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常在DNA上）相互作用而实现。,2. 结构基因和调节基因 结构基因（structural gene）是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因编码大量的功能各异的蛋白质，如组成细胞和组织的结构蛋白和酶等。 调节基因（regulator gene）仅指参与其他基因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合而控制受调节基因的转录是基因表达调控的关键。,3. 启动子和终止子 位于转录单位开始和结束位置上的DNA序列，称为启动子（promoter）和终止子（terminator）。两者都是典型的顺式作用元件，能受同一类反式作用因子RNA聚合酶的识别。,4.操纵基因和阻抑蛋白 操纵基因（operator）是与启动子相邻的顺式作用位点，是阻遏蛋白的靶点。阻遏蛋白（repressor）是调节基因的产物，与操纵基因的结合可以阻止受调节基因的表达。 当阻遏蛋白与操纵基因结合时，就会阻止RNA聚合酶启动转录，基因的表达就被关闭。在无阻抑蛋白时，RNA聚合酶可以识别受调节基因的启动子，使这种基因得到表达。,5. 转录因子 转录因子（transcription factor ）是转录起始过程中RNA聚合酶所需要的辅助因子。转录因子是参与正调控的反式作用因子，在无转录因子时，RNA聚合酶不能起始转录。 转录因子通常识别位于基因上游启动子附近的顺式作用元件。,（一）、乳糖操纵子的结构,乳糖操纵子（lactose operon，lac ）的三个结构基因成簇排列，编码参与-半乳糖苷（如乳糖）分解代谢所需的三种蛋白质：lacZ编码-半乳糖苷酶，lacY编码-半乳糖苷透性酶，lacA编码-半乳糖苷转乙酰基酶。,lacI基因（调节基因）正好与结构基因相邻，但它不与结构基因属于同一转录单位，它有自己独立的转录单位，含有自己的启动子和终止子。 lacI编码可扩散的产物，理论上它不必位于结构基因附近。将lacI基因转移到其他任何地方都能很好地发挥作用，因此lacI的表达产物属于反式作用因子。,lacI基因的表达产物称为乳糖操纵子阻遏蛋白（lac repressor）。它的功能是阻止结构基因的表达。因此，乳糖操纵子的调控属于负调控。 阻遏蛋白与lacZYA基因簇开始处的操纵基因（O lac）结合，阻止RNA聚合酶在启动子的转录起始而发挥作用。,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,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。 其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白) 两种类型:正控诱导和正控阻遏系统,诱导,一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化.,可诱导调节,可阻遏调节,一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来开启的状态转变为关闭状态，基因的表达被阻遏,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,CAP的正调控,cAMP对操纵子转录的激活作用,细菌在富含葡萄糖的培养基上生长的时候，葡萄糖可以抑制-半乳糖苷酶表达的一个很重要的因素是葡萄糖降低了细菌体内cAMP的水平。 生化和遗传学实验证明，cAMP可以结合到启动子的某个部位而激活操纵子的转录。,细菌在富含葡萄糖的培养基上生长的时候，葡萄糖可以抑制-半乳糖苷酶表达的一个很重要的因素是葡萄糖降低了细菌体内cAMP的水平。 生化和遗传学实验证明，cAMP可以结合到启动子的某个部位而激活操纵子的转录。,cAMP对操纵子转录的激活作用,在细菌中，cAMP与CAP（catabolite activator protein，CAP）二聚体结合形成二元复合物共同发挥作用。只有cAMP存在时，CAP才有活性。 CAP是一个正调控因子，在依赖CAP的启动子上起始转录必须有CAP参与。cAMP下降，CAP就不能与控制区结合，RNA聚合酶就不能启动转录。,CAP激活转录有两种方式： 第一种方式是直接作用于RNA聚合酶。CAP直接作用于RNA聚合酶的亚基，而且CAP必须与RNA聚合酶在同一个面上才有活性。 另一种是作用于DNA改变其结构，以协助RNA聚合酶的结合。在CAP-DNA复合物中，DNA呈弯曲状态，弯曲点位于二重对称的中心。CAP结合以后，DNA双螺旋结构有很大的变化。,可诱导的负调控,可诱导的正调控,可阻遏的负调控,可阻遏的正调控,（二）色氨酸操纵子,trp操纵子的转录与翻译调控,
