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1、 Regulationofgeneexpression 第六章基因表达的调控 Cellsofamulticellularorganismaregeneticallyhomogeneousbutstructurallyandfunctionallyheterogeneousowingtothedifferentialexpressionofgenes Proteinconcentrationdeterminedbyatleast7processes SynthesisofprimaryRNAtranscriptPosttranscriptionalprocessingofmRNAmRNAdegr
2、adationProteinsynthesis translation Post transcriptionalmodificationofproteinsProteindegradationProteintargetingandtransport 1 ProductionofRNA howmuchRNAistranscribedfromthegene Thiswillbethemajorfocusofourlectures 2 ProcessingofRNA RNAsplicing alternativesplicing termination andexporttothenucleusar
3、eallsubjecttoregulatorycontrols Thiscaneffectthepropertiesoramountoftheproteinproductthatismade 3 StabilityandtranslatabilityofmRNAisoftenregulated ThiswilldeterminehowmuchproteinismadefromagivenamountofRNA 4 Stabilityandactivityoftheproteinproduct RegulationofGeneExpression 基因表达和基因表达的调控 基因表达 geneex
4、pression 是指基因组中结构基因经过转录 翻译等过程 合成蛋白质 进而发挥其特定的生物学功能的全过程 基因表达的调控 geneexpressionregulation 是指各种细胞中相同的遗传信息 有规律的选择性 程序性 适度的表达以适应机体生长 发育 繁殖以及环境变化的需要 发挥其生理功能的调解和控制 基因表达及其调控的特点 管家基因 housekeepinggene 在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因 组成性基因表达 constitutivegeneexpression 管家基因的表达方式 较少受环境的影响 在个体各个生长阶段的几乎全部组织中持续表达或变化很小 诱导表达 i
5、nductionexpression 有一些基因表达极易受环境影响 在特定环境信号刺激下 基因的表达开放或增强 阻遏表达 repressionexpression 在特定环境信号刺激下 基因的表达关闭或减弱 协调表达 coordinatedexpression 功能相关的一组基因 协调一致 共同表达 时间特异性 temporalspecificity 在多细胞生物 从受精卵到组织 器官形成的各个发育阶段 相应的基因严格按照一定的时间顺序开启或关闭 空间特异性 spatialspecificity 在个体生长全过程 某基因产物在不同组织空间顺序出现 基因表达调控的生理意义 适应环境 维持生长和增
6、殖维持个体发育与分化 基因表达调控的基本原理 基因表达的多级调控基因转录激活调节基本因素特异DNA序列调节蛋白DNA 蛋白质 蛋白质 蛋白质相互作用RNA聚合酶 Transcription 5 GATCTGACTGACATAGACATAGAT3 coding non template strand3 CTAGACTGACTGTATCTGTATCTA5 templatestrand5 GAUCUGACUGACAUAGACAUAGAU3 mRNA 第一节原核生物基因表达的调控 转录水平的调控翻译水平的调控 一 转录水平的调控 影响转录的因素启动子 因子阻遏蛋白正调控蛋白倒位蛋白RNA聚合酶抑制物衰
7、减子 操纵子 operon 调控区 信息区 启动子 操纵基因 启动子 决定转录方向及模板链 E coli的启动子长约40 60bp 至少包括三个功能区 起始部位 initiationsite 1区结合部位 bindingsite 10bp RNA聚合酶与之结合 识别部位 recognitionsite 35bp 因子与之结合 决定转录效率 E coli启动子中 在 35和 10的两个序列称为一致序列 consensussequence 35 T82G78A65C54A95 10 T80A95T45A60A50T96 因子 不同的因子 可以竞争性的结合RNA聚合酶 环境变化可由到产生特定的 因子
8、 从而打开一套特定的基因 阻遏蛋白 repressor 与DNA结合后都是抑制转录 这种基因表达调控的方式称为负调控 正调控蛋白与DNA结合后促进转录 这种基因表达调控的方式称为正调控 CAP蛋白 catabolicgeneactivatorprotein CAP ntrC蛋白是大肠杆菌氮代谢基因激活蛋白 其自身活性可通过磷酸化和去磷酸化而被调节 倒位蛋白 inversionprotein 是一种位点特异的重组酶 沙门菌H1和H2鞭毛蛋白分别由两个基因编码 在一个细菌克隆中以表达一种鞭毛抗原为主 RNA聚合酶抑制物 细菌在缺乏氨基酸的环境中 RNA聚合酶活性降低 RNA rRNA tRNA 合
9、成减少或停止 这种现象称为严谨反应 stringentresponse 衰减子 attenuator 又称弱化子 位于操纵子中第一个结构基因之前 是一段能减弱转录作用的序列 Positivevs NegativeRegulation AllostericEffectors Bindingcanalsoberequiredforbindingofrepressor e g Trp orcanblockanactivator 二 转录的调控机制 乳糖操纵子调控的机制阿拉伯糖操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制 乳糖操纵子 lacoperon 调控的机制 结构特点 三个结构基因Z Y A 分别编码
10、 半乳糖苷酶 galactosidase 透酶 permease 和半乳糖苷乙酰化酶 galactosideacetylase 其上游还有一个启动子 P 和一个操纵基因 O 启动子上游还有一个CAP蛋白结合位点 OrganizationofLacOperonandLacI promoter RegulationofGeneExpression 异丙基硫代半乳糖苷 半乳糖 AdenylatecyclaseandCAPmediateglucoserepressionofLac Adenylatecyclase AC isanenzymethatsynthesizescyclicAMP cAMP f
11、romATP Highglucose adenylatecyclaseisinhibited indirectly viaacatabolicproduct ThereforecAMPlevelsareLOW Absenceofglucose adenylatecyclaseisNOTrepressedThereforecAMPlevelsareHIGH cAMPformsacomplexwiththeCAPprotein whichallowsittothenbindtotheCAPsiteupstreamoftheLacoperon BindingoftheCAPproteinisrequ
12、iredtoallowRNApolymerasetobindtothelacpromoterandturnontranscription IntheabsenceofCAPbinding thereisno orverylittle transcriptionofthelactoseoperon eveninthepresenceoflactose CAPBindingBendsDNAv ThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebinding CAPmediatesglucoserepressionofLac Promotestrans
13、cription 调控机制 I基因编码产生阻遏蛋白 阻遏蛋白为四聚体 在没有乳糖的条件下 阻遏基因与操纵基因结合 当有乳糖存在时 经透酶作用进入细胞 在 半乳糖苷酶催化下转变成半乳糖 后者作为诱导剂 inducer 与阻遏蛋白结合 使阻遏蛋白与操纵基因解聚 结构基因转录 LactoseGlucose LacI CAP cAMP FourStatesoftheLacOperon 调控作用 葡萄糖存在 乳糖不存在 No葡萄糖和乳糖都不存在 No葡萄糖和乳糖都存在 No葡萄糖不存在 乳糖存在 Yes 阿拉伯糖操纵子 araoperon 调控机制 结构特点 含B A D三个结构基因 分别编码异构酶 i
14、somerase 激酶 kinase 表位酶 epimerase 催化阿拉伯糖转变为5 磷酸木酮糖 后者进入磷酸戊糖途径 调控区由启动子 P 起始区 I 和操纵基因 O 构成 调控机制 调控作用 CAP TheArabinoseOperon Araoperon 3structuralgenesrequiredtoutilizethesugararabinose araB araAandaraD Regulatorprotein araCAraCturnsontranscriptionofthearaoperonbybindingtothearaIinitiatiorsiteonlywhenit
15、isboundtoarabinoseIntheabsenceofarabinose araCproteinundegoesaconformationchange NowbindstoBOTHaraIandaraO whichformsaloopthatinhibitstranscription TheAraoperonisalsosubjecttocataboliterepression 调控机制 C基因是调节基因 编码调控蛋白AraC AraC蛋白单独存在时 结合到araO1和araO2 表现出负调控 阿拉伯糖使AraC蛋白变构 结合到araI上 表现正调控 在ara操纵子基因表达调控中 C
16、AP蛋白的调控作用不显著 TheArabinoseOperon ThislooppreventsRNAtranscription NOTtrueforallloops NoArabinosepresent operonOFF Arabinosepresent Glucoseabsent operonON 调控作用 有葡萄糖 有或无阿拉伯糖 关闭无葡萄糖 无阿拉伯糖 关闭无葡萄糖 有阿拉伯糖 开放 色氨酸操纵子 trpoperon 调控机制 结构特点 E coli的色氨酸操纵子有五个结构基因EDCBA基因编码三种酶 用于合成色氨酸 上游调控区由启动子 P 和操纵基因 O 组成 R基因编码阻遏蛋白 氨基苯甲酸盐 调控机制 阻遏型操纵子及衰减机制 衰减子位于结构基因E和操纵基因O之间的L基因中 L基因的部分转录产物编码14个氨基酸 其中含两个相邻的色氨酸密码子 这两个相邻的色氨酸密码子及原核生物中转录和翻译的偶联是产生衰减的基础 调控作用 将环境中的色氨酸消耗完 然后开始自身合成 ControlofGeneExpressionintheTrpOperon Theenzymecatalyzin
