南师附中生物竞赛辅导课件-生物化学13基因表达调控PPT优秀课件

I
mRNA
pPol O Z Y A
启动转录
mRNA
阻遏蛋白
β-半乳糖苷酶
别乳糖
乳糖
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CAP的正性调节
• CAP有DNA结合区及cAMP结合位点 • 乳糖启动子－10区TATGTT序列，其中的G－C碱
RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录
⑵ 调节蛋白与RNA聚合酶活性
一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表 达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互 作用影响RNA聚合酶活性。
σ 70
σ 32 Hsp
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通过与另一基因的特异的顺式作用元件相 互作用，调节其表达。
这种调节作用称为反式作用 还有蛋白质因子可特异识别、结合自 身基因的调节序列，调节自身基因的表达， 称顺式作用
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（2） 操纵序列 ——阻遏蛋白的结合位点 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po序l 列 操阻纵遏序蛋白列 编码序列
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生物化学
高中生物学竞赛春季疫情辅导课件
2020.4
基因表达调控
• 基因表达的调控: 生物体随时调整不同基因的表达状态,以适
应环境、维持生长和发育需要
第一节 基本概念与原理
一、基因表达的概念
基因
负载特定遗传信息的DNA片段，其结构包括 由DNA编码序列、非编码调节序列和内含子组成 的DNA区域。cDNA是人为地由mRNA通过反转录而 得，即与mRNA互补的DNA，也称为“基因” 基因组
• Lac阻遏蛋白 • 由基因I编码生成的蛋白质
• 结构特点
• 具有四级结构的蛋白质 • 具有4个相同亚基
• 每个亚基中都有一与诱导剂结合的
位点
• 调控机制
• Lac阻遏物与O序列结合：
结构基因关闭
（负调控）
• Lac阻遏物与诱导剂结合：
不与O序列结合，结构基因开放
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• 当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，
通常优先利用葡萄糖，而不利用乳糖
• 当葡萄糖耗尽后，才利用乳糖，这种葡萄糖对 lac
操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏
• 葡萄糖分解代谢的降解物能抑制腺苷酸环化酶活
性，因而降低cAMP浓度（饥饿信号）
• 阻遏蛋白对于O序列的结合并非是经久不变
的，而是有一个10～20分钟的半衰期。
• RNA聚合酶抓住这一时机进行一次转录，
从而翻译出几个分子的β-半乳糖苷酶和β半乳糖苷透性酶
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2、调节蛋白
原核生物
特异因子：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：可以识别、结合特异DNA序 列——操纵序列，抑制基因转录
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真核生物
顺式作用元件 ——可影响自身基因表达活性的DNA序列
DNA B
转录起始点
A
编码序列
不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共 有序列 ，如TATA盒、CAAT盒等
根据顺式作用元件在基因中的位置、转录激活作 用的性质及发挥作用的方式，分为启动子、增强子、 沉默子
O
高半乳糖时
RNA-pol
O
mRNA
O
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• Lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖存在又
需缺乏葡萄糖
• 乳糖存在：阻遏蛋白与诱导剂结合不与O序
列结合
• 缺乏葡萄糖： CAP－ cAMP复合物结合在
CAP结合位点
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基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分 布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的， 所以空间特异性又称细胞或组织特异性
三、基因表达的方式
按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
（一）组成性表达
某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持 续表达，通常被称为管家基因
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• 无葡萄糖，cAMP浓度高；有葡萄糖，cAMP浓度
低
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低半乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
O
葡萄糖高 cAMP浓度低
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（二）阻遏蛋白的负性调节
调节基因
DNA
I
mRNA
pPol O Z Y A
阻遏蛋白
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没有乳糖存在时
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（二）诱导和阻遏表达
在特定环境信号刺激下，相应的基因被激 活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导 基因
可诱导基因在特定环境中表达增强的过程， 称为诱导
如果基因对环境信号应答时被抑制，这种 基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平 降低的过程称为阻遏
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第三节 原核基因转录调节
一、原核基因转录调节特点
——调节的主要环节在转录起始
（一）σ因子决定RNA聚合酶识别特异性 （二）操纵子模型的普遍性 （三）阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性
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四、基因表达调控的生物学意义
（一）适应环境、维持生长和增殖 （二）维持个体发育与分化
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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:调控蛋白+DNA序列 基因的表达
(相应蛋白质增加)
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Lac阻遏蛋白的作用---负调控
绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通 过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多 聚体
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4. RNA聚合酶
⑴ 原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶 活性
来自一个遗传体系的一整套遗传信息 基因表达
基因转录及翻译的过程
二、基因表达的时间性及空间性
（一）时间特异性
按功能需要，某一特定基因的表达严格按 特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间 特异性
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶 段特异性
（二）空间特异性
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，称之为基因表达的 空间特异性
二、乳糖操纵子调节机制
（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构
调控区
结构基因
DNA
I P OZ YA
操纵序列 启动序列 CAP结合位点
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Z： 百度文库-半乳糖苷酶 Y： 透酶 A：乙酰基转移酶
—— 功能未详
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启动序列 (promoter)
编码序列
其他调节序列
操纵序列 (operator)
原核基因启动序列是RNA聚合酶结合并启 动转录的特异DNA序列。通常在转录起始点上 游－10及－35区域存在一些相似序列，称为共 有序列。决定启动序列的转录活性大小。
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原核生物转录终止调节
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CAP的正性调节
+ + + + 转录
DNA
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
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有葡萄糖，cAMP浓度低时
1. 特异DNA序列 原核生物 操纵子：由功能相关的一组基因在染色
体上串联，共同构成的一个转录单位； 通常由2个以上的编码序列与启动序列、 操纵序列以及其他调节序列在基因组 中成簇串联组成
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激活蛋白：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
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真核基因的调节蛋白
反式作用因子 由某一基因表达产生的蛋白质因子，
第二节 基因表达调控的基本原理
（一）基因表达的多级调控
基因 激活
转录起始 转录后加工 mRNA降解
蛋白质翻译 翻译后加工修饰 蛋白质降解等
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（二）基因转录激活调节基本要素
DNA mRNA
蛋白质A
C
a
A c
顺式调节
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C
反式调节
A
B
DNA mRNA 蛋白质C
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3. DNA - 蛋白质 的相互作用
蛋白质-蛋白质
DNA - 蛋白质相互作用指的是反式作用 因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。
基对增加了双螺旋结构的稳定性，因此RNA聚合 酶不足以使双链解开。
• CAP－ cAMP复合物结合在CAP结合位点，使双
螺旋结构的稳定性降低，促进了开放性启动子复 合物的形成 如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结 合，操纵子仍无转录活性
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无论表达水平高低，管家基因较少受环境 因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数 或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区 别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基 因表达
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Lac操纵子诱导剂
• 生理性诱导剂
别乳糖
• 实验常用诱导剂
异丙基硫代半乳糖 （IPTG）
β半乳糖苷酶 乳糖
葡萄糖+半乳糖
别乳糖
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有乳糖存在时
DNA