八章原核细胞的基因表达调控讲课资料.ppt

* 第八章 原核细胞的基因表达调控 第一节 基因表达调控概述 生物体内基因表达的调节控制机制，使细胞中基因表达 的过程在时间和空间上处于有序状态，并对环境条件的变 化做出适当反应的复杂过程，并且也是生物体内细胞分 化、形态发生和个体发育的分子基础。 一．原核生物基因表达调控的特点 由于原核生物大都为单细胞生物，缺乏核膜，因此极易 受外界环境的影响，需要不断地调控基因的表达，以适应 外界环境的营养条件和克服不利因素，提高生物的应变与 适应能力以完成生长发育与繁殖的过程。这种调控大多以 操纵子为单位进行。 二.操纵子调控模型 是1961年由Jacob和Monod提案并确立，即编码某特定区 域的基因与只在DNA分子上发挥作用的区域是各不相同 的。基因的表达调控主要发生在转录水平上。 (一)概念 原核生物细胞内功能相关的结构基因组成一排基因簇， 由此而形成的转录单位，即为操纵子。 (二)主要组成 结构基因（structural gene）: 生物酶与细胞结构所必需 的蛋白质的编码基因，该基因又称为cis作用因子 （cis –acting）。相关结构基因的表达产物协同完成一个 生理生化过程，这些结构基因在一套调控系统作用下 统一开放与关闭，维持合适而精确的基因产物分子比。 结构基因编码各类具有不同结构与功能的蛋白质，包括 结构蛋白、酶和调控蛋白 2. 调控基因（regulator gene）:基因表达调控蛋白的编码基 因，又称为反式作用因子（trans –acting）。主要是通过编码 蛋白或者RNA来调节其他基因的表达。 三.原核细胞转录调控的基本模式 顺式作用元件 反式作用因子 引起目的基因表达的正调控或者负调控模式 反式作用: 编码产物将从合成地点扩散到其作用靶位的 过程。 顺式作用: 不转变为其他任何形式而只以DNA形式在原来 位置起作用的DNA序列。 负调控:由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基 因的特异的顺式作用元件相互作用，从而达到控制其表达 的目的，称为负调控。 正调控:某一基因编码的产物作用于自己基因的 调控元件,以达到控制其表达的目的,称为正调控。 t a y z o p Structural gene Promoter Operator Terminator 功能 启动子: 一个操纵子一般只含有一个启动子 操作子: 由一个或多个DNA顺式调控元件组成， 是基因反式调控因子的结合区，这种蛋白-DNA 的二元复合物通过与启动子-RNA聚合酶复合物 的相互作用，对操纵子的开发或关闭进行调控 结构基因: 若干个生物功能相关的结构基因以相 同极性密集排列 终止子: 使转录不同程度地终止 阻遏基因I 调控区 启动子 操作子 DNA Z Y A O P 结构基因 Z： β-半乳糖苷酶 Y： 通透酶 A：乙酰基转移酶 第二节 乳糖操纵子 （一） 结构及其性质 lacI lacZ lacY lacA Z Y A O P P DNA mRNA 1040 82 3510 780 825 多肽 360 1021 260 275 氨基酸 38000 125000 30000 30000 Dalton 蛋白质 四聚体 四聚体 二聚体 膜蛋白 结构 152000 500000 30000 60000 Dalton 功能 阻遏蛋白 β-半乳糖苷酶 (二) 调控机理 阻遏蛋白 单聚体 阻遏蛋白 四聚体 lacI 启动子/ 操作子 lacZ lacY lacA 转录 翻译 无诱导物 结构基因 被阻遏 诱导物 无活阻遏蛋白 有诱导物 RNA聚合酶 转录 翻译 转录 mRNA 翻译 (三) 操纵基因的鉴定 不可诱导型突变(uninducible mutation): 使操纵子在 任何情况下都不能表达的突变。 组成型突变体(consititutive mutant): 不受调控物影 响的持续表达称为组成型基因表达，其突变体即为组 成型突变体。 组成型突变鉴定出的操纵基因OC 表明调控元件能 够以不可扩散的产物形式行使其功能，操纵基因是一 个典型的顺式作用位点，其功能依赖于一些反式作用 因子对其DNA序列的识别。操纵基因对邻近基因的控 制与细胞内是否存在其他等位基因并无关系，这种位点 的突变称为顺式显性突变(cis-dominant) (四) 调控基因的鉴定 lacI基因的突变是反式作用的，它可以影响细菌内所 有结构基因簇的表达 使lacI基因失活得突变是隐性的，它可以导致组成型表达 因为阻遏物不能与操纵基因结合，所以阻遏物的DNA结合 位点的突变是组成型的 阻遏物上诱导物结合位点的突变使它不会失活，因此这 会引起操纵子的非诱导性 启动子突变是顺式作用和非诱