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第九章微生物基因表达的调控

来源：花匠小妙招时间：2025-10-16 02:02

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1、第九章,微生物基因表,达的调控,概述,(Introduction),DNA,RNA,蛋白质,复制,转录,翻译,逆转录,RNA,复制,基因表达,(gene expression),-,基因转,录及翻译的过程。,生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过,转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学,功能和生物学效应的蛋白质的全过程,中心法则,(the central dogma),：,基因表达是受调控的,不是所有的基因表达都产生蛋白质，,rRNA,或,tRNA,的基因经转录和转录后加工产,生成熟的,rRNA,或,tRNA,也是,rRNA,或,tRNA,的,基因表达，因为,rRNA,或,tRNA,

2、就具有在蛋白,质翻译方面的功能。,但是,基因表达转录翻译,大肠杆菌基因组（约,4000,个基因,),，一般情况下只,有,5,10%,在高水平转录状态，其它基因有的处于较,低水平的表达，或者暂时不表达。,人的基因组约含有,10,万个基因，但在一个组织细,胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状,态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在,1,万个,上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高,的肝细胞，一般也只有不超过,20%,的基因处于表达状,态。,生物基因组的遗传信息,并不是同时全部都表达出来的,基因表达的时间性及空间性,(,temporal,and,spatial specifici

3、ty),?,时间特异性,(temporal specificity),?,某一基因的表达严格按特定的时间顺序发,生,?,Hb (hemoglobin),?,珠蛋白基因簇：,（胚胎型）,、,?,珠蛋白基因簇：,（胚胎型）、,（胎儿型）、,、,?,2,2,2,2,2,2,空间特异性,(spatial specificity),?,在个体生长全过程，某种基因产物在个体,按不同组织空间顺序出现,?,同形异位现象,(homeosis):,?,果蝇头部长触角部位长出脚来,?,同形异位盒基因,(homeobox) :,高度保守的一段,核苷酸序列（,180bp,）,控制胚胎发育的基因,基因表达的方式,-1,?

4、组成性基因表达,(constitutive gene,expression),：,指不大受环境变动而变化的一类基,因表达。,管家基因与奢侈基因,?,产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而,必不可少的，这类基因也称为,看家基因,(house-,keeping gene),；,?,管家基因,-,在一个生物个体的几乎所有细胞中持,续表达的基因。,?,奢侈基因（,luxury gene,）,只在特定的细胞类型,中表达的基因,基因表达的方式,-2,?,适应性表达,(adaptive expression),：指环境,的变化容易使其表达水平变动的一类基因,表达。,?,诱导和阻遏表达,?,诱导,（,

5、induction,）,-,可诱导基因,在特定环境信,号刺激下表达增强的过程。,?,DNA,损伤,修复酶基因激活,?,乳糖,利用乳糖的三种酶表达,?,阻遏,（,repression,）,-,可阻遏基因,表达产物水平,降低的过程,?,色氨酸,色氨酸合成酶系,基因表达的方式,-3,协调表达,协调表达,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，,无论其为何种表达方式，均需协调一致、,共,同,表,达,，,即,为,协,调,表,达,(coordinate,expression),?,基因表达的调控方式,:,阻遏,?,负调控,:,调控蛋白,+DNA,序列,基因的表达,(,相应蛋白质,降低,),促进,?,正调控

6、调控蛋白,+DNA,序列,基因的表达,(,相应蛋白质,增加,),五、基因表达调控的基本原理,基因表达的多级调控,转录水平,的调控,transcriptional level:,转录激活、转录起始,;,转录后水平,的调控,post-transcriptional level,：,转录后加工、运输、,mRNA,降解,;,翻译水平,的调控,translation level,：,翻译的起始,;,翻译后水平,的调控,post-translation level,翻译后的加工、转运、多肽链的分解,.,?,基因表达调控的生物学意义,?,适应环境、维持生长和增殖,?,维持个体发育与分化,?,原核生物,

7、中,，,营养状况,（,nutritional,status,）和,环境因素,（,environmental,factor,）对基因表达,起着举足轻重的影响。,?,真,核,生,物,尤,其,是,高,等,真,核,生,物,中,，,激,素,水,平,（,hormone,level,）,和,发,育,阶,段,（,developmental,stage,）是基因表达调控的最,主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。,?,在转录水平上对基因表达的调控决定于,DNA,的结,构,、,RNA,聚合酶的功能,、,蛋白因子及其他小分子,配基,的相互作用。,原核生物基因表达调控,主要在转录水平，其次是,翻译水平,。,?,因

8、为细菌,mRNA,在形成过,程中与核糖体混合在一起，所,以，细菌的转录与翻译过程几,乎发生在同一时间间隔内，转,录与翻译相耦联（,coupled,transcription and,translation,）。,?,真核生物中，转录产物,（,primary transcript,）只有,从核内运转到核外，才能被,核糖体翻译成蛋白质。,原核生物的共有序列,原核生物的启动序列，在距离转录起始点,10,区和,35,区往,往含有一些重要的,保守序列（共有序列）,。,10,区,：含,TATAAT,序列，又称,Pribnow,盒,。,35,区,：含,TTGACA,序列。,RNA,聚合酶结合部位,决定转录起

9、始点,共有序列,(consensus,sequence),决定启动,序列的转录活性大小。,某些特异因子（蛋白质）,决定,RNA,聚合酶,对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能,力。,阻遏蛋白,(repressor),的结合位点,当操纵序列结合有,阻遏蛋白,时，会阻碍,RNA,聚合酶与启动序列的结合，或是,RNA,聚合酶,不能沿,DNA,向前移动,，阻碍转录。,启动序列,编码序列,操纵序列,pol,阻遏蛋白,操纵序列,可结合启动序列邻近的,DNA,序列，促进,RNA,聚合酶与启动序列的结合，增强,RNA,聚,合酶活性。,启动序列,编码序列,操纵序列,pol,激活蛋白,激活蛋白,(activat

10、or),有些基因在没有激活蛋白存在时，,RNA,聚合酶很少或完全不能结合启动序列。,启动序列,编码序列,操纵序列,pol,激活蛋白,操纵子模型的提出,莫洛,(Monod),和雅各布,(Jacob),获,1965,年诺贝尔生理学和医学奖,第一节,转录水平的调控,(control,of transcription),?,操纵子（,operon,）：,?,原核生物,中几个功能相关的结构基因成,簇串联排列组成的一个基因表达的协同,单位（,DNA,序列）,.,?,一个操纵子,=,编码序列（,2-6,）,+,启动序列,+,操纵序列,+(,其他调节序列,),Discovery of Operon,?,194

11、0,年，,Monod,发现：细菌在含葡萄糖,和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用,葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；,在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。,即产生“二次生长曲线”。,?,文献：细胞中存在两种酶，即,组成酶,与,适应酶,（诱导酶）。,?,1947,年，报告：“酶的适应现象及其在,细胞分化中的意义”。,?,1951,年，,Monod,与,Jacob,合作。,?,发现两对基因：,?,Z,基因：与合成,-,半乳糖苷酶有关；,?,I,基因：决定细胞对诱导物的反应。,?,Szilard,：,I,基因决定阻遏物的合成，当阻,遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导,物存在，才能去掉该阻遏物。,?,J

12、acob,：结构基因旁有开关基因（即操,纵基因），阻遏物通过与开关基因的结,合，控制结构基因的表达。,?,乳糖操纵子的发现：,?,细菌以,葡萄糖,为能量来源,?,葡萄糖充分时：,与,葡萄糖代谢,有关的酶基因,-,表达,与,其他糖代谢,有关的酶基因,-,关闭,?,葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）：,与,乳糖代谢,有关的酶基因,-,表达,与,葡萄糖代谢,有关的酶基因,-,关闭,I,P,O,Z,Y,a,调控基因,控制位点,结构基因,DNA,阻,遏,蛋,白,启,动,序,列,cAMP-CAP,结合位点,操,纵,序,列,半,乳,糖,苷,酶,通,透,酶,乙,酰,基,转,移,酶,乳糖操纵子（,lactose

13、opron,）结构,RNA,聚合酶,结合位点,mRNA,阻遏蛋白,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,没有乳糖存在时,阻遏蛋白的负性调节,阻遏基因,mRNA,阻遏蛋白,有乳糖存在时,I,DNA,Z,Y,A,O,P,pol,启动转录,mRNA,乳糖,半乳糖,-,半乳糖苷酶,+ + + +,转录,无葡萄糖，,cAMP,浓度高时,有葡萄糖，,cAMP,浓度低时,CAP,的正性调节,Z,Y,A,O,P,DNA,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP,CAP:,分解物基因激活物蛋白,可促进乳糖利用，但须与,cAMP,结,合才有活性,阻遏基因转录翻译阻遏蛋白,R,，,R,与操纵基因,结合，阻止

14、结合在启动子上的,DDRP,前移，结构,基因,不被转录,1,）无乳糖也无葡萄糖存在时：,O,O,2,）当无乳糖，有葡萄糖时：,由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操纵子,关闭，另外，由于有葡萄糖，,cAMP,含量低，,CAP,的正性调节不起作用,总结：,所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭,由于有葡萄糖，,cAMP,含量低，,CAP,的正性,调节不起作用，抑制乳糖操纵子的转录，使细,菌只能利用葡萄糖,。,3,）既有乳糖，又有葡萄糖时：,O,乳糖与阻遏蛋白结合，,使阻遏蛋白变构，失去与操,纵基因结合的能力而脱落,由于不含葡萄糖，细胞,内,cAMP,含量高，,cAMP,与,CAP,结合成复合物

15、与,DNA,结合，并推动,DDRP,向前移动，促进转录。,4,）有乳糖，无葡萄糖时：,mRNA,RNA-pol,O,乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与,操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的,DDRP,向前移动，结构基因被转录翻译，合成与乳,糖代谢有关的酶类从而利用乳糖,所以：有乳糖时，只有没有葡萄糖，操纵子才开放,有葡萄糖存在，操纵子关闭,I,O,O,诱导剂,乳糖操纵子的负调控,图,15-4,CAP- cAMP,复合物在乳糖操纵子表达中的作,用,-,正调控,条件,2:,低乳糖,条件,3:,低乳糖,条件,4:,高葡萄糖,低,cAMP,高乳糖,Lac,阻遏蛋白封闭转录时,CAP,对

16、该系统不发挥作用,条件,1:,低葡萄糖,高,cAMP,高乳糖,Lac,阻遏蛋白,不,封闭转录时,没有,CAP,存在,也,无高效转录活性。,Lac,阻遏蛋白,不,封闭转录,CAP+ cAMP,加强转录。,O,O,O,O,O,图,15-5,?,协调调节,(coordinate regulation),?,负性调节与正性调节协调合作,?,阻遏蛋白封闭转录时，,CAP,不发挥作用,?,如没有,CAP,加强转录，即使阻遏蛋白从,P,上解,聚仍无转录活性,?,葡萄糖,/,乳糖共同存在时，细菌优先利用,葡萄糖,?,葡萄糖可降低,cAMP,浓度，阻碍其与,CAP,结合从而抑制转录,?,结论：,lac,操纵子强的诱导作用既需要乳糖又,需缺乏葡萄糖,IPTG(,异丙基硫代半乳糖苷,),?,极强的诱导剂,1,RNA,编辑（,RNA editing,）,2,mRNA,前体的选择性拼接,3,反义,RNA,的调控,反义,RNA,的调控是指真核生物基因组中，某些调,节,基,因,转,录,所,产,生,的,RNA,可,与,基,因,组,DNA,或,RNA,序列互补，形成杂交体，阻断或减弱基因转,录或翻译的调控机制。这些调节