普通生物學(xué)-19基因的表達調(diào)控的課件

1、Chapter22基因的表達調(diào)控什么是基因的表達調(diào)控？原核生物的基因表達調(diào)控真核生物的基因表達調(diào)控Overview什么是基因的表達調(diào)控 So, what is the regulation of gene expression？一些相關(guān)的概念Repressor and repression 阻遏蛋白與阻遏Inducer and induction 誘導(dǎo)物與誘導(dǎo)Positive regulation正調(diào)控Negative regulation負調(diào)控一、 原核生物的基因表達調(diào)控Regulation of gene expression in prokaryotes阻遏與阻遏蛋白阻遏蛋白這個過程被稱

2、為阻遏 This process is called “repressioin”負調(diào)控與正調(diào)控inducerco-activatoractivator這個過程被稱為誘導(dǎo)1.大腸桿菌乳糖操縱子E. coli lac operon的發(fā)現(xiàn) :Francois Jacob and Jacques Monod (巴斯德研究所Pasteur Institute, Paris, France)自1958年起開始研究大腸桿菌乳糖操縱子的組成結(jié)構(gòu)以及調(diào)控過程.于1965年共享 Nobel Prize in Physiology or Medicine . 主要研究乳糖操縱子的兩種突變體:蛋白質(zhì)編碼序列的突變體.

3、調(diào)節(jié)控制序列的突變體.（一）大腸桿菌乳糖操縱子模型2.Operon 操縱子- what is it?操縱子：是由在功能上彼此有關(guān)的幾個結(jié)構(gòu)基因和控制區(qū)作組成。操縱子包含: Structural gene 結(jié)構(gòu)基因：編碼蛋白質(zhì)或RNA的基因Promoter 啟動子：標(biāo)注轉(zhuǎn)錄起始位點的一段核苷酸序列Operator 操縱基因：可結(jié)合調(diào)節(jié)基因編碼蛋白的一小段核苷酸序列Terminator 終止子：標(biāo)注轉(zhuǎn)錄終止的一段核苷酸序列操縱子以外包含：Regulator gene 調(diào)節(jié)基因：參與其他基因表達調(diào)控的編碼基因Organization of an inducible gene containing a

4、n operonRegulatorStructural genesOperator3.大腸桿菌乳糖操縱子負調(diào)控工作原理:大腸桿菌主要利用葡萄糖作為碳和能源在缺乏葡萄糖的情況下，大腸桿菌也可以利用其他的糖作為碳源和能源，例如乳糖 lactoseLactose 乳糖 = disaccharide雙糖 (glucose葡萄糖 + galactose半乳糖)乳糖作為一種誘導(dǎo)物 inducer (效應(yīng)分子effector molecule)，刺激大腸桿菌細胞內(nèi)大量表達三種酶 （相對于無乳糖供應(yīng)，酶的表達量增加約1000倍）3.大腸桿菌乳糖操縱子負調(diào)控工作原理:乳糖表達的三種酶 :-galactosida

5、se 半乳糖苷酶 (lacZ)水解乳糖形成葡萄糖和半乳糖可以轉(zhuǎn)變?nèi)樘切纬僧惾樘?allolactose（乳糖的異構(gòu)物）Lactose permease 乳糖透過酶 (lacY)可以轉(zhuǎn)運乳糖透過大腸桿菌細胞壁和細胞質(zhì)膜Transacetylase 轉(zhuǎn)乙酰酶(lacA)此酶的功能尚不清楚Translation of lac operon in wild type and mutant E. coli.Functional state of the E. coli lac operon in the absence of lactoseFunctional state of the E. coli

6、lac operon growing on lactose乳糖阻遏蛋白四聚體模型Model of lac repressor tetramer (4 polypetides) protein乳糖本身并不是真正的效應(yīng)分子，異乳糖才是乳糖操縱子真正的誘導(dǎo)物。事實上，研究誘導(dǎo)作用很少使用乳糖，因為培養(yǎng)基中的乳糖會被誘導(dǎo)合成的-半乳糖苷酶催化降解，從而使其濃度不斷發(fā)生變化。實驗室經(jīng)常使用一種乳糖類似物異丙基硫代半乳糖苷isopropyl-thio-galactoside (IPTG)代替乳糖。Note：4. 乳糖操縱子的正調(diào)控環(huán)腺苷酸cAMP的受體蛋白又稱為代謝降解物激活蛋白Catabolite ac

7、tivator protein (CAP) CAP與啟動子結(jié)合是激活轉(zhuǎn)錄的必要條件cAMP的結(jié)合可以提高CAP對雙鏈DNA的親和力當(dāng)大腸桿菌生長在缺乏葡萄糖的培養(yǎng)基中時，cAMP合成量增加，與CAP結(jié)合所形成的的復(fù)合物具有激活乳糖啟動子的功能Positive control of the lac operon with CAP1.大腸桿菌色氨酸操縱子 E. coli trp operon:色氨酸操縱子負責(zé)色氨酸 tryptophane的生物合成，它的激活與否完全根據(jù)培養(yǎng)基中有無色氨酸而定當(dāng)培養(yǎng)基中又足夠的色氨酸時，這個操縱子自動關(guān)閉，缺乏色氨酸時操縱子被打開，結(jié)構(gòu)基因表達色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)基因

8、有5個，分別以 trpE、trpD、trpC、trpB、trpA表示（二）大腸桿菌色氨酸操縱子1.大腸桿菌色氨酸操縱子 E. coli trp operon:調(diào)節(jié)基因、啟動子和操縱基因在trpE基因的上游在trpE基因和操縱基因之間有一段162bp核苷酸序列稱為前導(dǎo)區(qū)leader region(trpL)（二）大腸桿菌色氨酸操縱子General organization of the Trp operon of E. coli:鄰氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸合成酶Regulator2. 色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)存在兩種機制：阻遏系統(tǒng)當(dāng)培養(yǎng)基中富含色氨酸時，色氨酸與調(diào)節(jié)基

9、因的編碼蛋白結(jié)合形成有活性的阻遏蛋白。阻遏蛋白可以與操縱基因結(jié)合關(guān)閉色氨酸操縱子，停止轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因。輔阻遏物Functional state of the E. coli Trp operon growing without/with tryptophan:衰減作用在trpE基因的起始密碼前有一段162bp的前導(dǎo)區(qū)，其中堿基序列123150稱為衰減子 attenuator(att)。衰減子序列對應(yīng)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA包含一個起始密碼子，兩個色氨酸密碼子，一個終止密碼子，以及四個分別以1、2、3、4表示的片斷。衰減作用這些片斷能以不同的方式互補配對，可以形成三種不同的二級結(jié)構(gòu)。Secondary

10、structureSignalPaired region 1-2 pause轉(zhuǎn)錄暫停Paired region 2-3 anti-termination抗終止Paired region 3-4 termination轉(zhuǎn)錄終止 Organization of the leader/attenuator trp operon sequence衰減作用 (cont.):Recall ：在原核生物中，轉(zhuǎn)錄和翻譯是緊密偶連，幾乎同時發(fā)生。當(dāng)衰減子剛剛轉(zhuǎn)錄出部分的mRNA時，1區(qū)和2區(qū)的配對會引起RNA聚合酶暫時在這個區(qū)域的停留。停留的作用是什么？RNA聚合酶的停留，是為了等待核糖體結(jié)合到mRNA上，從而

11、開始翻譯過程。衰減作用 (cont.):核糖體的位置在衰減作用中扮演著重要的角色當(dāng)培養(yǎng)基中沒有色氨酸或色氨酸的濃度很低時：負載有色氨酸的tRNA(Trp-tRNAs)非常少，這樣翻譯時核糖體通過兩個相鄰色氨酸密碼子的速度就會很慢，當(dāng)4區(qū) 被轉(zhuǎn)錄完成時，核糖體才進行到1區(qū)由于1區(qū)被核糖體占據(jù)，因此不能夠和2區(qū)配對，此時2-3配對，不能形成3-4配對的終止結(jié)構(gòu)因此，轉(zhuǎn)錄可以繼續(xù)進行，直到將色氨酸操縱子中的結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄，形成完整的trp mRNA衰減作用 (cont.):當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸充足時:核糖體可以順利通過兩個相鄰的色氨酸密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前，核糖體就到達2區(qū)因此，2區(qū)和3區(qū)不能配對，

12、3-4區(qū)可以自由配對形成一個終止子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停止在結(jié)構(gòu)基因之前所以，色氨酸操縱子被關(guān)閉，結(jié)構(gòu)基因不能被轉(zhuǎn)錄，沒有完整的trp mRNA，色氨酸不再合成Attenuation model in Trp starved cellsAttenuation model in Trp non-starved cells氨基酸合成操縱子中的衰減子Phe, His, Leu, Thr, and Ile operons in E. coli. 二、 真核生物的基因表達調(diào)控Regulation of gene expression in eukaryotes（一） DNA的包裝影響基因的表達染色體結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)錄的影

13、響：真核生物的染色體主要由DNA和組蛋白構(gòu)成，組蛋白會阻礙轉(zhuǎn)錄基因的活躍轉(zhuǎn)錄是在常染色質(zhì)上進行的Chromosome structure（二） 異染色質(zhì)化與基因的表達失活在哺乳動物體細胞核中，除一條X染色體外，其余的X染色體常濃縮成染色較深的染色質(zhì)體，此即為巴氏小體。又稱X小體，通常位于間期核膜邊緣。1949年，美國學(xué)者巴爾（M.L.Barr）等發(fā)現(xiàn)雌貓的神經(jīng)細胞間期核中有一個深染的小體而雄貓卻沒有。在人類，男性細胞核中很少或根本沒有巴氏小體，而女性則有1個。（二） 異染色質(zhì)化與基因的表達失活英國學(xué)者萊昂（M.F.Lyon）認為，這種異固縮的X染色體（巴氏小體）缺乏遺傳活性，提出“萊昂氏假說”

14、，其內(nèi)容主要是：（1）正常雌性哺乳動物體細胞中的兩個X染色體之一在遺傳性狀表達上是失活的；（2）在同一個體的不同細胞中，失活的X染色體可來源于雌性親本，也可來源于雄性親本；（3）失活現(xiàn)象發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期。（三）真核細胞的RNA轉(zhuǎn)錄后加工真核生物基因表達的調(diào)控通常分六個水平:轉(zhuǎn)錄 TranscriptionRNA加工 RNA processingmRNA轉(zhuǎn)運 mRNA transportmRNA翻譯 mRNA translationmRNA降解 mRNA degradation蛋白質(zhì)降解 Protein degradation斷裂基因是一段包含內(nèi)含子intron 和外顯子exon的DNA序列

15、。大多數(shù)高等的真核生物都具有斷裂基因。1. 斷裂基因 interrupted gene:內(nèi)含子 intron = 位于外顯子之間的非編碼DNA序列外顯子 exon = 一個基因眾的DNA表達序列，編碼蛋白質(zhì)1. 斷裂基因 interrupted gene:1993: Richard Roberts (New England Biolabs) & Phillip Sharp (MIT)2. RNA剪接 RNA splicing:hnRNA不均一核RNAIntrons typically begin with a 5-GT(U) and end with AG-3.鎖套結(jié)構(gòu)剪接由剪接體介導(dǎo)完成sp

16、licosomes, 剪接體是由蛋白質(zhì)和核內(nèi)小RNA small nuclear RNAs 結(jié)合構(gòu)成, 剪接體在3端切斷內(nèi)含子，連接外顯子。3. RNA的可變加工 RNA alternative processing:RNA的加工調(diào)節(jié)著從前體RNA 到成熟mRNA的產(chǎn)生過程。RNA前體的剪接不同而產(chǎn)生不同的mRNA分子，進而會產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)。如下例：Alternative polyadenylation可變多聚腺苷酸化= where the polyA tail is addedAlternative splicing可變剪接 = which exons are spliced啟動子的可變選擇（肌球蛋白初始轉(zhuǎn)錄物的加工）可變多聚腺苷酸化（原肌球蛋白轉(zhuǎn)錄物的加工）內(nèi)含子保留模型（換位酶初始轉(zhuǎn)錄物的加工）外顯子匣子模型（肌鈣蛋白初始轉(zhuǎn)錄物的加工）3. RNA的可變加工 RNA alternative processing:Examples:Human calcitonin 人降鈣素 (CALC) gene in thyroid甲狀腺 and C