分子生物学4原核生物基因表达调控6课时.pptx
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1、第十章第十章 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控第一节第一节 基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念一、基因表达的概念gene expressiongene expression:基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为gene regulationgene regulation。rRNArRNA、tRNAtRNA编码基因转录合成编码基因转录合成RNARNA的过程也属于基因表达的过程也属于
2、基因表达 组成性表达(constitutive expression)适应性表达(adaptive expression)二、基因表达的方式二、基因表达的方式 1 1、组成性表达:组成性表达:指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达,通常被称为通常被称为管家基因管家基因(housekeepinggene)。2、适应性表达适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。n 应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱
3、导导(induction),这类基因被称为,这类基因被称为可诱导的基因可诱导的基因(induciblegene);n 相反,随环境条件变化而基因表达水平降低的现相反,随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏象称为阻遏(repression),相应的基因被称为,相应的基因被称为可阻遏可阻遏的基因的基因(repressiblegene)。三、基因表达的规律三、基因表达的规律 时间性和空间性时间性和空间性1、时间特异性(、时间特异性(temporal specificitytemporal specificity)按功能需要,某一特定基因的表达严格按按功能需要,某一特定基因的表达严格按特定的时
4、间顺序发生,称之为基因表达的特定的时间顺序发生,称之为基因表达的时间时间特异性特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶阶段特异性段特异性(stagespecificity)。2、空间特异性、空间特异性(spatialspecificity)基基因因表表达达伴伴随随时时间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种分分布布差差异异,实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的的,所所以以空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞或或组组织织特特异异性性(cellortissuespecificity)。在在个个体体生生长长全全过过程程,某某种种基基因因
5、产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现,称称之之为为基基因因表表达达的的空间特异性空间特异性。四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义n适应环境、维持生长和增殖(原核、真核)n维持个体发育与分化(真核)五、顺式作用元件和反式作用因子五、顺式作用元件和反式作用因子n顺式作用元件:顺式作用元件:存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列。顺式作用元件包括启动子、增强子、调控序列和可诱导元件等,它们的作用是参与基因表达的调控。顺式作用元件本身不编码任何蛋白质,仅仅提供一个作用位点,要与反式作用因子相互作用而起作用。n反式作用因子:反式作用因子:是指能直接或间接
6、地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录效率的蛋白质。eg,RNA聚合酶。03年武汉大学年武汉大学考研真题考研真题六、操纵基因和阻遏蛋白六、操纵基因和阻遏蛋白n操纵基因:操纵基因:控制结构基因的转录,位于结构基因的附近,本身不能转录成mRNA。n阻遏蛋白:阻遏蛋白:调节基因所编码的一种蛋白质,在原核生物中具有抑制特定基因产生特征蛋白质的作用。由于它能识别特定的操纵基因(即操纵子是阻遏蛋白的结合位点),当操纵序列结合阻遏蛋白时会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合,或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动,阻遏转录,介导负性调节。Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本
7、概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控第二节第二节 原核基因调控机制原核基因调控机制内容提要:原核基因表达调控环节原核基因表达调控环节操纵子学说操纵子学说原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点转录水平上调控的其他形式转录水平上调控的其他形式 一、原核基因表达调控环节一、原核基因表达调控环节1 1、转录水平上的调控、转录水平上的调控(transcriptional regulationtranscriptional regulation)2 2、转录后水平上的调控、转录后水平上的调
8、控(post-transcriptional post-transcriptional regulationregulation)mRNAmRNA加工成熟水平上的调控加工成熟水平上的调控 翻译翻译水平上的调控水平上的调控二、操纵子二、操纵子学说学说1 1、操纵子模型的提出、操纵子模型的提出19611961年,年,MonodMonod和和JacobJacob提出提出获获19651965年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖Jacob and Monod2、操纵子的定义、操纵子的定义操纵子操纵子(operon):原核生物在分子水平上调控基因原核生物在分子水平上调控基因表达的单位,由调节基因、
9、启动子表达的单位,由调节基因、启动子、操纵基因及其、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。基因受调节基因产物的控制。03年武汉大学年武汉大学考研真题考研真题1 1、根据操纵子对调节蛋白(阻遏蛋白或激活蛋白)、根据操纵子对调节蛋白(阻遏蛋白或激活蛋白)的应答,可分为:的应答,可分为:正转录调控正转录调控 负转录调控负转录调控三、三、原核基因调控机制的类型与特点原核基因调控机制的类型与特点调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控正转录调控正转录调控如果在没有调节蛋白质
10、存在时基因是关闭的,加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启,这样的调控正转录调控。调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白负转录调控负转录调控负转录调控负转录调控在没有调节蛋白质存在时基因是表达的,加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭,这样的调控负转录调控。n可诱导调节(P260):指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。例:大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答,可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类:调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻
11、遏蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白诱导物诱导物mRNA酶蛋白酶蛋白酶合成的诱导操纵子模型酶合成的诱导操纵子模型诱导物如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它,这种物质就是诱导物。n可阻遏调节(可阻遏调节(P260):基因平时是开启的,处在产基因平时是开启的,处在产生蛋白质或酶的工作过程中,由于一些特殊代谢物生蛋白质或酶的工作过程中,由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭,阻遏了基因的表达。或化合物的积累而将其关闭,阻遏了基因的表达。例:例:色氨酸操纵子色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因酶合成的阻遏操纵子模型酶合成的阻遏操纵子模型调节基因调节基因操纵基因操纵基
12、因结构基因结构基因mRNAmRNA酶蛋白酶蛋白调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物辅阻遏物如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶,这种物质就是辅阻遏物。3、在在负负转转录录调调控控系系统统中中,调调节节基基因因的的产产物物是是阻阻遏遏蛋蛋白白(repressor),起着阻止结构基因转录的作用。),起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为根据其作用特征又可分为负控诱导负控诱导和和负控阻遏负控阻遏:n在在负负控控诱诱导导系系统统中中,阻阻遏遏蛋蛋白白与与效效应应物物(诱诱导导物物)结合时,结构基因转录;结合时,结构基因转录;n在在负负控控阻阻遏遏系系统统
13、中中,阻阻遏遏蛋蛋白白与与效效应应物物(辅辅阻阻遏遏物物)结合时,结构基因不转录。结合时,结构基因不转录。4 4、在、在正转录调控正转录调控系统中,调节基因的产物是系统中,调节基因的产物是激活蛋激活蛋白白(activator)。)。根据激活蛋白的作用性质分为根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导正控诱导和和正控阻遏正控阻遏n在在正控诱导正控诱导系统中,效应物分子(诱导物)的存在系统中,效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状态;使激活蛋白处于活性状态;n在在正控阻遏正控阻遏系统中,效应物分子(系统中,效应物分子(辅阻遏物)辅阻遏物)的存的存在使激活蛋白处于非活性状态在使激活蛋白处于非活性状态
14、。四、转录水平上调控的其他形式四、转录水平上调控的其他形式1、因子的更换(P286)在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时,需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。大肠杆菌中的各种因子比较因子编码基因主要功能70rpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控54rpoN参与多数氮源利用基因的调控38rpoH分裂间期特异基因的表达调控32rpoS热休克基因的表达调控28rpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控24rpoE过度热休克基因的表达调控n温度较高,诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环
15、境需要。n枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达。武汉大学武汉大学2011年考研真题年考研真题1.Chromatinremodeling2.Internalribosomeentrysite3.Alternativesplicing4.Non-autonomoustransposon5.Shine-Dalgarnosequence6.RealtimePCR7.Ribozyme8.SOSresponse9.Telomerase10.Suppressormutation武汉大学武汉大学2011年考研真题年考研真题1.Chromati
16、nremodeling染色质重塑染色质重塑一种重要的表观遗传学机制,是由染色质重塑复合物介导的一系列以染色质上核小体变化为基本特殊的生物学过程。P3012.Internalribosomeentrysite内部核糖体插入位点内部核糖体插入位点-是一段核酸序列,它的存在能够使蛋白质翻译起始不依赖于5帽结构,从而使直接从信使RNA(mRNA)中间起始翻译成为可能。3.Alternativesplicing选择性剪接选择性剪接一个mRNA前体中通过不同的剪接方式(选择不同的剪接位点组合)产生不同的mRNA剪接异构体的过程,而最终的蛋白产物会表现出不同的功能和结构特性。P1934.Non-autono
17、moustransposon非自主转座子需要在自主元件存在时才能够转座。P1305.Shine-DalgarnosequenceSD序列序列-细菌mRNA起始密码子AUG上游10个碱基左右处,有一段富含嘌呤的碱基序列,能与细菌16SrRNA3端识别,帮助从起始AUG处开始翻译。P2326.RealtimePCR实时荧光定量实时荧光定量PCR-是指在PCR反应体系中加入荧光基团,利用荧光信号累积实时监测整个PCR进程,最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法。被广泛用于监测细胞mRNA表达量的变化;比较不同组织的mRNA表达差异。7.Ribozyme核酶核酶指某些RNA的特殊结构具有催化功能
18、,能催化它自身或其它RNA分子进行多种类型的反应。P248.SOSresponse应急反应应急反应造成DNA损伤或抑制DNA复制的过程能引起的一系列复杂的诱导反应。包括诱导DNA损伤修复、诱变效应、抑制细胞分裂等。P1109.Telomerase端粒酶端粒酶-在细胞中负责端粒的延长的一种酶,是基本的核蛋白逆转录酶,可将端粒DNA加至真核细胞染色体末端。P9610.Suppressormutation抑制突变抑制突变第二次突变,它可以抑制或减轻第一次突变的表型效应。武汉大学武汉大学2011年考研真题年考研真题二、简答题二、简答题1.简述色氨酸操纵子的调控机制。简述色氨酸操纵子的调控机制。2.DN
19、A在复制过程中如何保持准确性?在复制过程中如何保持准确性?3.分别阐述克隆载体和表达载体(各分别阐述克隆载体和表达载体(各5种)及其特点和用种)及其特点和用途。途。4.什么是什么是RNAediting?它的机制是什么?它的机制是什么?5.什么是染色体步移?它的作用是什么?什么是染色体步移?它的作用是什么?武汉大学武汉大学2011年考研真题年考研真题三、论述题三、论述题1.真核生物转录调控因子的类型和特点?阐述根据一种转真核生物转录调控因子的类型和特点?阐述根据一种转录调控因子的特点建立的分子生物学技术的及其应用。录调控因子的特点建立的分子生物学技术的及其应用。2.真核生物和原核生物的基因组的特
20、点及差异?已知某基真核生物和原核生物的基因组的特点及差异?已知某基因的因的cDNA(长(长14Kb),如何用实验证明该生物基因还),如何用实验证明该生物基因还有内含子?如何确定内含子在全长中的比例?如何用实有内含子?如何确定内含子在全长中的比例?如何用实验确定某未知基因的功能?验确定某未知基因的功能?3.某种基因某种基因a是诱导表达基因,在分子是诱导表达基因,在分子B(小分子化合物)(小分子化合物)的作用下可以诱导表达。已知该基因的序列,该基因上的作用下可以诱导表达。已知该基因的序列,该基因上启动子的序列。已知某调控元件的序列为启动子的序列。已知某调控元件的序列为ACGTCG,基因基因c表达的
21、蛋白表达的蛋白C可以结合在该调控元件上,试用三种可以结合在该调控元件上,试用三种方法证明该调控元件可以诱导基因方法证明该调控元件可以诱导基因a表达。表达。Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控Contents基因表达调控的基本概念基因表达调控的基本概念原核基因调控机制原核基因调控机制乳糖操纵子乳糖操纵子色氨酸操纵子色氨酸操纵子其他操纵子其他操纵子转录后水平上的调控转录后水平上的调控第三节第三节 乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)(l
22、ac operon)内容提要:内容提要:乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构酶的诱导酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据乳糖操纵子调控模型乳糖操纵子调控模型影响因子影响因子LacLac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题2011中科院生中科院生物化学与分子物化学与分子生物学试题生物学试题一、乳糖操纵子的结构一、乳糖操纵子的结构nZ编码-半乳糖苷酶:将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖nY编码-半乳糖苷透性酶:使外界的-半乳糖苷(如乳糖)能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。nA编码-半乳糖苷乙酰基转移酶:乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上,形成乙酰半乳糖。二、酶的诱导二、酶的诱导lac
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