动物生物化学基因表达的调节课件.pptx
目 录,第一节 基因与基因组,第二节 原核生物基因表达的调节,目 录第一节 基因与基因组第二节 原核生物基因,DNA是遗传的物质基础，位于染色体上，由不同的核苷酸按一定的顺序排列而成，基因（gene）是遗传的基本单位。一条染色体上有多个基因，它们在染色体上线性排列组成连锁群，确切的说，基因是指具有特定生物遗传信息的DNA序列。,第一节 基因与基因组,一、DNA与基因,DNA是遗传的物质基础，位于染色体上，由不同的核苷酸,基因:具有特定生物遗传信息的DNA序列，在一定条件下能够表达这种遗传信息，产生特定的生理功能。基因组:一个细胞或生物体所含的全套基因称基因组。基因按其功能可分为结构基因和调节基因。结构基因（structural gene）是指可被转录为mRNA，并被翻译成各种具有生物功能的蛋白质的DNA序列。,基因:具有特定生物遗传信息的DNA序列，在一定条件下能够表,非结构基因:此基因表达的产物是RNA，但他们不发挥将DNA上的遗传信息传递给蛋白质分子的功能，故rRNA、tRNA分子的基因是非结构基因。调节基因（regulatory gene）是指某些可调节控制结构基因表达的DNA序列。,DNA与基因的关系,非结构基因:此基因表达的产物是RNA，但他们不发挥将DNA,结构基因在原核生物中占整个DNA分子的大部分，在真核生物中只占一小部分。在结构基因间含有一些没有编码功能的间隔区（spacer region），其中包括一些复制、转录、翻译过程的控制区（control region），即可被调节分子识别的序列。一个基因是否表达受与调节区DNA序列结合的调节分子的控制。,结构基因在原核生物中占整个DNA分子的大部分,真核生物的结构基因包括3个区域：编码区：包括外显子与内含子；前导区：位于编码区上游，相当于mRNA 5端非编码区；调节区：包括调节结构基因的侧翼序列，如启动子、增强子等。,真核生物基因的结构图,真核生物的结构基因包括3个区域：真核生物基因的结构图,1977年发现大多数真核生物编码蛋白质的基因是不连续基因（断裂基因），即一个完整的基因被一个或多个插入的片段所间隔，这些插入不编码的序列称为内含子，被间隔的编码蛋白质的基因部分称为外显子断裂基因或隔裂基因。,1977年发现大多数真核生物编码蛋白质的基因是不连续基,由于断裂基因的存在，基因比实际编码蛋白质的序列要大得多。与整个基因相比，编码蛋白质的外显子较小，大多数外显子编码的氨基酸数少于100。基因的大小主要取决于它所包含的内含子的长度和数量，许多长基因并非其编码序列较长，而是其含有较长的内含子。,基因大小,由于断裂基因的存在，基因比实际编码蛋白质的序列要大得,在一些原核生物基因中，两个邻近的基因可发生重叠，并以不同的可读框被阅读，表达不同的蛋白质，这种基因称重叠基因（overlapping gene）。基因重叠的距离较短，大部分序列仍具有独特的编码功能。基因的重叠可以是部分重叠，也可以是一个基因包含在另一个基因内，部分重叠使用不同的阅读框。,重叠基因,在一些原核生物基因中，两个邻近的基因可发生重叠，并以,重复序列,高度重复序列：重复频率高，从几十万到几百万次，重复序列较短，多数为5-15bp。称为卫星DNA（satellite DNA）。根据重复频率和重复序列长度不同，卫星DNA又可分为小卫星DNA（minisatellite DNA）和微卫星DNA（microsatellite DNA）。小卫星DNA和微卫星DNA是一种较好的分子遗传标记。,重复序列 高度重复序列：重复频率高，从几十万到几百万次，重,中度重复序列：重复频率和重复序列长度差异较大，平均长度为6105bp，平均重复350次。中度重复序列有些是编码蛋白质的结构基因，有些不编码蛋白质。低重复序列：又称单拷贝序列，序列不重复或只重复几次、十几次，长度大于1 000bp。它们编码各种功能不同的蛋白质，有些是基因的间隔序列。,中度重复序列：重复频率和重复序列长度差异较大，平均长度为,操纵子的概念和结构 1.乳糖操纵子 2.色氨酸操纵子反义RNA的调节,第二节 原核生物基因表达的调节,操纵子的概念和结构第二节 原核生物基因表达的调节,一、操纵子概念,操纵子模型（operon structural model）是原核生物基因表达调节的重要方式。所谓操纵子（operon）是指原核生物基因表达的调节序列或功能单位，有共同的控制区（control region）和调节系统（regulation system）。,一、操纵子概念 操纵子模型（operon struct,操纵子包括在功能上彼此相关的结构基因及在结构基因前面的控制部位，控制部位由调节基因（regulatory gene）、启动子（promoter，P）和操纵基因（operator，O）组成。一个操纵子的全部基因都排列在一起，其中调节基因可远离结构基因，控制部位可接受调解基因产物的调节。,二、操纵子的结构,操纵子包括在功能上彼此相关的结构基因及在结构基,结构基因：指导蛋白质生物合成的基因，在原核生物中，它包括参与同一代谢途径的几个酶的基因，在功能上是相关的（多顺反子）。操纵基因：决定着结构基因转录或不转录，当操纵基因“开放”时，结构基因转录，“关闭”时，不转录，操纵基因的“开关”由调节基因决定。一般位于结构基因上游。启动基因：位于操纵基因上游与RNA聚合酶结合的部位。调节基因：能编码一种蛋白质 阻抑蛋白，它是一种变构蛋白。分子表面有两个配基结合部位，一个与操纵基因结合，一个与效应物结合（诱导物或辅阻抑物）。在不同类型的操纵子中阻抑蛋白的性质有所不同。,结构基因：指导蛋白质生物合成的基因，在原核生物中，它包括参,操纵子的结构,启动基因,操纵基因,调节基因,RNA聚合酶结合部位,调节蛋白结合部位，决定转录与否,（阻抑蛋白）,操纵子的结构启动基因操纵基因结构基因调节基因调节蛋白,酶的诱导和阻抑是在调节基因产物阻抑蛋白的作用下，通过操纵基因控制结构基因或基因组的转录而发生的。在代谢过程中，细菌不合成那些在代谢上无用的酶，因此一些分解代谢的酶类只有在有关的底物或底物类似物存在时才被诱导合成；而一些合成代谢的酶类在产物或产物类似物存在足够量时，其合成被阻抑（repression）。,酶的诱导和阻抑是在调节基因产物阻抑蛋白的作用下,在酶诱导时，阻抑蛋白（repressor）与诱导物（inducer）结合，失去了封闭操纵基因的能力。在酶阻抑时，原来无活性的阻抑蛋白与辅阻抑物（corepressor，代谢的终产物或产物类似物）相结合而被活化，从而封闭了操纵基因。,在酶诱导时，阻抑蛋白（repressor）与诱导,乳糖操纵子,乳糖操纵子的结构 乳糖操纵子的调节 乳糖操纵子的负调节 乳糖操纵子的正调节,乳糖操纵子乳糖操纵子的结构,乳糖操纵子的结构,乳糖操纵子（lac operon）是第一个被发现的操纵子，它由依次排列的调节基因、启动子、操纵基因和3个相连的编码利用乳糖的酶的结构基因组成。结构基因lac Z编码分解乳糖的-半乳糖苷酶，lac Y编码吸收乳糖的-半乳糖苷透性酶，lac A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶。三个结构基因组成的转录单位转录出一条mRNA，指导三种酶的合成。,乳糖操纵子的结构 乳糖操纵子（lac op,动物生物化学基因表达的调节,乳糖操纵子的结构基因及其表达产物,乳糖操纵子的结构基因及其表达产物,乳糖操纵子的操纵基因lac O位于结构基因之前启动子之后，不编码任何蛋白质，它是调节基因lac I所编码产物的结合部位。,乳糖操纵子的操纵基因lac O位于结构基,调节基因位于启动子之前，其编码产物为阻抑蛋白。阻抑蛋白由4个37kDa的亚基聚合而成，亚基与DNA结合的结构域含有螺旋-转角-螺旋结构，其中一个螺旋能与DNA相互作用，识别操纵基因序列并与之结合。当它与操纵基因结合后可封阻结构基因的转录。异丙基硫代-D-半乳糖苷（isopropylthio-D-galactoside，IPTG）可作为乳糖操纵子的诱导物。,调节基因位于启动子之前，其编码产物为阻抑蛋白。阻,人们在20世纪初就发现以下现象：当大肠杆菌在只有葡萄糖的培养基中生长时，由于缺少所必需的酶而不能代谢乳糖。当生长在没有葡萄糖而只有乳糖的培养基中时，乳糖诱导大肠杆菌合成代谢自身的酶而代谢乳糖。如果培养基中既有乳糖又有葡萄糖时，大肠杆菌利用葡萄糖而乳糖代谢停止，只有当葡萄糖消耗殆尽才能又利用乳糖，此时葡萄糖阻抑了乳糖的代谢。那么乳糖操纵子是如何进行调节的呢？,乳糖操纵子的调节,人们在20世纪初就发现以下现象：当大肠杆菌在,负调节是指开放的乳糖操纵子可被调节基因的编码产物阻抑蛋白所关闭。当大肠杆菌培养基中只有葡萄糖而没有乳糖时，阻抑蛋白可与操纵基因结合。Lac I 基因表达的产物是 阻抑蛋白：阻止结构基因的表达，阻抑蛋白(活化状态)与操纵基因结合（位于启动子和结构基因之间），可阻止RNA聚合酶在启动子上转录，结构基因不转录，这种调节称为阴性调节（负调节），因培养基中无乳糖不需要利用乳糖的酶。,乳糖操纵子的负调节（negative control）,负调节是指开放的乳糖操纵子可被调节基因的编码产物阻抑,动物生物化学基因表达的调节,当葡萄糖耗尽且有乳糖存在时，乳糖操纵子的抑制将被解除，使细菌能够利用乳糖。当有诱导物存在时，阻抑蛋白可与诱导物结合，引起阻抑蛋白构象改变，使其与操纵基因的亲和力降低，不能与操纵基因结合或从操纵基因上解离。乳糖操纵子开放，RNA聚合酶结合于启动子，并顺利通过操纵基因，进行结构基因的转录，产生大量分解乳糖的酶，以乳糖为能源进行代谢。,当葡萄糖耗尽且有乳糖存在时，乳糖操纵子的抑制将被解除，使,动物生物化学基因表达的调节,酶合成的诱导 乳糖操纵子,基因关闭不转录,基因打开转录,启动基因操纵基因结构基因lacZlacAlacY 酶合成的,动物生物化学基因表达的调节,大肠杆菌乳糖操纵子为什么还要选择正调节作用？因为负调节只能对乳糖的存在作出应答，当只有乳糖存在时就足以激活操纵子。但当培养基中既有葡萄糖又有乳糖同时存在时，仅有负调节作用不能满足大肠杆菌对能量代谢的需要。,乳糖操纵子的正调节（positive control）,大肠杆菌乳糖操纵子为什么还要选择正调节作用？因,当有葡萄糖存在时激活乳糖操纵子是一种浪费，因而此时乳糖操纵子处于非活化状态，有利于葡萄糖的代谢。当大肠杆菌利用完葡萄糖后再激活乳糖操纵子，从而利用乳糖继续生长。这种现象称葡萄糖阻抑（glucose repression）或分解代谢产物阻抑（catabolite repression）。,当有葡萄糖存在时激活乳糖操纵子是一种浪费，因而此时,乳糖操纵子正调节因子是能够感受葡萄糖的缺乏并对激活乳糖操纵子启动子作出应答的物质，从而使RNA聚合酶能够结合启动子并转录结构基因。乳糖操纵子的正调节因子是由cAMP与一种蛋白因子组成的复合物。这种蛋白因子以前称为分解代谢产物激活蛋白（catabolite activator protein，CAP），现在称为cAMP受体蛋白（cAMP receptor protein，CRP）。,乳糖操纵子正调节因子是能够感受葡萄糖的缺乏并对激活乳糖,CRP的功能：可特意结合在启动子上；促进RNA聚合酶与启动子结合，促进转录（阳性调控）。游离的CRP是不能与启动子结合，必须在细胞内有足够的cAMP时，CAP与cAMP形成复合物（正调节因子），此复合物才能与启动子结合。,CRP的功能：可特意结合在启动子上；促进RNA聚合,cAMP水平受大肠杆菌葡萄糖代谢状况的影响。当葡萄糖水平低时，cAMP浓度升高，cAMP与CRP结合，使CRP构象改变，激活乳糖操纵子，促进结构基因的转录，使大肠杆菌能够利用乳糖。如果向含有乳糖的培养基中加入葡萄糖，由于葡萄糖浓度升高，cAMP水平降低，CRP与启动子的亲和力降低，乳糖操纵子被抑制，此时，即使有乳糖存在大肠杆菌仍不能利用乳糖。,cAMP水平受大肠杆菌葡萄糖代谢状况的影响,动物生物化学基因表达的调节,动物生物化学基因表达的调节,动物生物化学基因表达的调节,动物生物化学基因表达的调节,大肠杆菌乳糖操纵子受到两方面的调节：一是对操纵基因的负调节；二是对RNA聚合酶结合到启动子上的正调节；两种调节作用使大肠杆菌能够灵敏地应答环境中营养的变化，有效地利用能量以利于生长。,大肠杆菌乳糖操纵子受到两方面的调节：,色氨酸操纵子,色氨酸操纵子（trp operon）含有大肠杆菌合成色氨酸所需酶的结构基因，如lac操纵子一样，trp操纵子也倾向于由阻抑蛋白产生的负调节，但两种操纵子的负调节有着本质的区别。lac操纵子编码分解代谢的酶，分解乳糖，当该物质出现时操纵子被开放。Trp操纵子编码合成代谢的酶，合成色氨酸，操纵子通常被该物质所关闭。同时，trp操纵子还存在一种弱化作用（attenuation）的调节机制。,色氨酸操纵子 色氨酸操纵子（trp operon）,色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子的负调节色氨酸操纵子的弱化作用调节,色氨酸操纵子的结构,色氨酸操纵子的结构,色氨酸操纵子由调节基因（trp R）、启动子、操纵基因和5个相连的结构基因组成，结构基因分别编码催化分支酸合成色氨酸的3种酶的多肽链。前两个基因trp E和trp D编码色氨酸合成第一步反应的酶，第3个基因trp C编码催化第二步反应的酶，后两个基因trp B和trp A编码催化第三步和最后反应的酶。,色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子由调节基因（trp,调节基因距结构基因较远，可控制合成trp 操纵子阻抑蛋白。启动子和操纵基因位于结构基因的前面，操纵基因完全位于启动子之内。在操纵基因与结构基因trp E之间有一段由162个核苷酸组成的前导序列（trp L），前导序列内有一段弱化子（attenuator，a）序列。,调节基因距结构基因较远，可控制合成trp 操纵子,色氨酸操纵子的负调节,无色氨酸时，阻抑蛋白（无活性状态）以游离的形式存在，不能结合操纵基因，所以结构基因得以转录和表达，合成色氨酸。但当生成色氨酸过量时能与阻遏物形成复合物，此复合物可与操纵基因结合，阻止结构基因转录，这种以终产物阻止基因转录的机理称为反馈阻遏。此终产物（色氨酸）成为辅阻抑物。,色氨酸操纵子的负调节 无色氨酸时，阻抑蛋白（无活性状,动物生物化学基因表达的调节,动物生物化学基因表达的调节,基因关闭不转录,酶合成的阻遏-色氨酸操纵子,调节基因基因关闭不转录阻抑蛋白mRNA(无色AA)启动,色氨酸操纵子的弱化作用调节,这种调控方式，会造成在色氨酸充足时。色氨酸-阻遏蛋白复合体结合操纵基因完全阻断转录，在色氨酸水平很低时，阻遏消除，转录开放，合成色氨酸。这样不易保持细菌色氨酸水平的恒定。后来发现色氨酸操纵子中存在一个辅助调控结构，可用以终止和减弱转录，这个调控结构称弱化子（衰减子，attenuator),即前导序列。前导序列编码一小段14肽。在14肽里有两个色氨酸（UGG）密码子，在调节中起着重要作用。,色氨酸操纵子的弱化作用调节 这种调控方式，会造,弱化子的作用就是在色氨酸相对较多时减弱操纵子的转录，弱化子通过引起转录的提前终止而发挥调节作用。转录的提前终止是由于在弱化子序列内含有一个转录终止信号终止子，终止子的一个反向重复序列后紧接着8个A-T碱基对。由于反向重复序列的存在，在此区域内的转录产物易形成后面带有8个U的茎环结构，一旦形成茎环结构，RNA聚合酶即停止移动，转录终止。,弱化子的作用就是在色氨酸相对较多时减弱操纵子的,在最稳定的终止子结构中，1区与2区配对，3区与4区配对，形成两个茎环结构，3-4区后紧接着8个U序列。,在最稳定的终止子结构中，1区与2区配对，3区与4区,原核生物的转录和翻译是同时进行的，当色氨酸含量低时，不能形成足够的色氨酰-tRNA，翻译进行至前导序列的2个色氨酸密码子时，核糖体停止移动。此时核糖体位于1区，因此1区和2区不能形成茎环结构，而2区和3区形成茎环结构，3、4区的茎环结构不能形成，致使不能形成有效的转录终止子结构，RNA聚合酶可通过弱化子序列继续转录，结构基因得以表达，产生色氨酸。,原核生物的转录和翻译是同时进行的，当色氨酸含量低,当色氨酸含量高时，核糖体不停止移动，3、4区形成茎环结构进而形成有效的转录终止子，RNA聚合酶不能通过，转录终止，结构基因不能表达，使色氨酸含量降低。,当色氨酸含量高时，核糖体不停止移动，3、4区形成茎,动物生物化学基因表达的调节,动物生物化学基因表达的调节,反义RNA的调节,反义RNA（antisense RNA）是指能与mRNA互补结合从而阻断mRNA翻译的RNA分子，它是反义基因（antisense gene）和/或基因的反义链（antisense strand）转录的产物，它对基因表达的调节是一种翻译水平的调节。,反义RNA的调节 反义RNA（antis,反义RNA的调节方式是20世纪80年代初由Mizuno等人在研究大肠杆菌的主要外膜蛋白（major outer membrane protein，omp）基因表达时发现的，两种外膜蛋白omp F和omp C的数量是由培养液的渗透压决定。在渗透压升高时，omp F的合成下降，而omp C上升，从而保持omp F和omp C的总量不变。,反义RNA的调节方式是20世纪80年代初由Mizu,这种差异是由omp B位点调节的，此位点包括omp R和env Z两个基因。其中env Z基因的产物是一个跨膜蛋白，它能接受环境渗透压变化的信号，并将信号传给omp R，omp R再调节omp F和omp C。,这种差异是由omp B位点调节的，此位点包,渗透压升高时，omp R促进omp C基因的转录，一方面转录出omp C的mRNA，另一方面转录omp C上游紧邻的一个独立转录单位，产生一个174核苷酸的小分子RNA。它能与omp F的mRNA互补，形成互补链抑制omp F RNA的翻译。Mizuno等人将这种RNA称之为micRNA，即干扰mRNA的互补RNA(mRNA-interfering complememtary RNA)。产生micRNA的基因称为反义基因。,渗透压升高时，omp R促进omp C基因,真核生物是否也有反义RNA，从反义RNA的定义看，真核细胞中不少RNA表现出反义RNA的功能。如DNA复制需要RNA作引物；单链DNA或RNA与互补链的杂交；mRNA 5端SD序列与核糖体30s亚基中16s rRNA 3端的互补；tRNA的反密码与mRNA 密码的互补等。,真核生物是否也有反义RNA，从反义RNA的定义看,根据这些核酸间相互识别与作用的事实，有人提出在生物体内存在反义RNA网络的假说。认为“反义”仅仅是对靶序列而言，体内RNA似乎都可以看成反义RNA。它们不是这条DNA链的反义RNA，就是另条DNA链的反义RNA，从整体上构成一种反义RNA的网络，发挥着不同的功能。虽然这仅是一种假说，但可以促进人们对RNA功能的认识。,根据这些核酸间相互识别与作用的事实，有人提出在,反义RNA调节的特点是高度的特异性，一种反义RNA抑制一种mRNA。根据这种原理设计人工反义RNA，抑制靶基因表达，达到治疗疾病的目的，即为基因治疗。如乙肝病毒、口蹄疫病毒、脊髓灰质炎病毒及人的爱滋病病毒等都是单链RNA病毒，可利用反义RNA抑制这些病毒在体内的复制，以及用反义RNA抑制癌基因的表达等，从而达到治疗病毒性疾病和癌症的目的。,反义RNA调节的特点是高度的特异性，一种反义RN,1、下列的代谢途径哪一代谢途径不在胞浆中进行（）A.糖酵解 B.磷酸戊糖途径 C.蛋白质合成 D.脂肪酸氧化2、最常见的共价修饰方式是（）A.甲基化/脱甲基化 B.乙酰化/脱乙酰化 C.腺苷酰化/脱腺苷酰化 D.磷酸化/脱磷酸化3、操纵子调节系统属于哪一种水平的调节（）A.转录之前基因水平调节 B.转录水平调节 C.转录后加工调节 D.翻译水平调节4、能与乳糖操纵子的操纵基因部位结合的物质是（）A.RNA聚合酶 B.DNA聚合酶 C.阻遏蛋白 D.引物酶,1、下列的代谢途径哪一代谢途径不在胞浆中进行（）,5、能与受体结合，形成激素-受体复合物，进入细胞核调节基因表达的激素是（）A、甲状腺素 B、肾上腺素 C、糖皮质激素 D、前列腺素6、关于生物体内物质代谢的特点，错误的说法是（）A、各种物质都有特定的代谢途径 B、各种物质代谢都是相互联系 C、在任何情况下，代谢都以不变的速率进行 D、代谢几乎都在酶的催化下进行，有灵敏的自动调节机制7、CAP对乳糖操纵子的调控属于（）。A、负调控 B、正调控 C、变构调节 D、化学修饰调节,5、能与受体结合，形成激素-受体复合物，进入细胞核调节基因表,1、酶活性调节机制有两种方式，分别是 和。2、常见的第二信使物主要有、等。3、操纵子内一般包括启动子、等三部分。4、酶磷酸化修饰发生在酶分子的 残基和 残基的羟基部位。,1、酶活性调节机制有两种方式，分别是 和,
