第十四章基因表達(dá)的調(diào)控

1、第十四章 基因表達(dá)的調(diào)控 原核生物和真核生物都能夠根據(jù)周?chē)h(huán)境(如溫度、營(yíng)養(yǎng)成分等)的變化，改變自己的代謝方式。而代謝方式的變化通常可以通過(guò)對(duì)基因表達(dá)過(guò)程的調(diào)控得以實(shí)現(xiàn)。 機(jī)體可以在基因表達(dá)過(guò)程的任何階段進(jìn)行調(diào)控，一般以轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控為主。DNADNA水平水平 基因丟失；基因丟失；基因擴(kuò)增基因擴(kuò)增基因重排；基因重排；甲基化修飾；甲基化修飾；染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)RNARNA水平水平轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控；RNARNA的轉(zhuǎn)錄后加工；的轉(zhuǎn)錄后加工；mRNAmRNA從核內(nèi)向胞漿轉(zhuǎn)運(yùn)；從核內(nèi)向胞漿轉(zhuǎn)運(yùn)；mRNAmRNA穩(wěn)定性穩(wěn)定性蛋白質(zhì)水平蛋白質(zhì)水平翻譯過(guò)程；翻譯過(guò)程；翻譯后加工；翻譯后

2、加工；蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性一、 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控操縱子 原核生物的基因調(diào)控可以發(fā)生在轉(zhuǎn)錄和翻譯等不同階段，但也是以轉(zhuǎn)錄水平為主。 原核生物許多功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因，特別是編碼同一代謝途徑的酶的基因，一般成簇排列，能受單一啟動(dòng)子的共同控制，結(jié)果是整簇基因或者都表達(dá)或者都不表達(dá)。第一節(jié) 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 1961年，Jacob和Monod提出了細(xì)菌基因表達(dá)調(diào)控的模型操縱子學(xué)說(shuō)，解釋了原核生物的基因表達(dá)在轉(zhuǎn)錄水平上是如何調(diào)控的。 操縱子（operon）就是由操縱基因（operator）以及相鄰的若干結(jié)構(gòu)基因所組成的功能單位。操縱子還包括一個(gè)結(jié)合RNA聚合酶的啟動(dòng)子。 操縱基因是位于操縱子前

3、端部分的順式控制元件，它能和阻抑蛋白結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白是調(diào)節(jié)基因的表達(dá)產(chǎn)物，是參與操縱子調(diào)節(jié)的反式作用因子。 原核生物操縱子中的全部結(jié)構(gòu)基因從同一個(gè)啟動(dòng)子開(kāi)始轉(zhuǎn)錄成單個(gè)mRNA分子。1.反式作用因子與順式作用元件 基因表達(dá)的產(chǎn)物(蛋白質(zhì)或RNA)從合成的場(chǎng)所擴(kuò)散到目標(biāo)場(chǎng)所而發(fā)揮作用的過(guò)程稱(chēng)為反式作用（trans-acting），此基因表達(dá)產(chǎn)物被稱(chēng)為反式作用因子（trans-acting factor） 。 反式作用因子通常為的蛋白質(zhì)或RNA，其特征為可以從合成地?cái)U(kuò)散到目標(biāo)場(chǎng)所發(fā)揮作用。 順式作用（cis-acting）的概念用于任一不轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏纹渌问降腄NA序列，它只在原位發(fā)

4、揮DNA序列的作用，僅影響與其物理上相連的DNA序列的活性。 順式作用元件（cis-acting factor）是指對(duì)基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處在一個(gè)DNA分子上的基因。順式作用元件通常不編碼蛋白質(zhì)，多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中。l基因活性的調(diào)控主要通過(guò)反式作用因子（通常是蛋白質(zhì)）和順式作用元件（通常在DNA上）相互作用而實(shí)現(xiàn)。2. 結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因 結(jié)構(gòu)基因（structural gene）是編碼蛋白質(zhì)或RNA的任何基因。結(jié)構(gòu)基因編碼大量的功能各異的蛋白質(zhì)，如組成細(xì)胞和組織的結(jié)構(gòu)蛋白和酶等。 調(diào)節(jié)基因（regulator gene）僅指參與其他基因表達(dá)調(diào)控的RNA

5、和蛋白質(zhì)的編碼基因。調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物通過(guò)與DNA上的特定位點(diǎn)結(jié)合而控制受調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄是基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵。3. 啟動(dòng)子和終止子 位于轉(zhuǎn)錄單位開(kāi)始和結(jié)束位置上的DNA序列，稱(chēng)為啟動(dòng)子（promoter）和終止子（terminator）。兩者都是典型的順式作用元件，能受同一類(lèi)反式作用因子RNA聚合酶的識(shí)別。4.操縱基因和阻抑蛋白操縱基因（operator）是與啟動(dòng)子相鄰的順式作用位點(diǎn)，是阻遏蛋白的靶點(diǎn)。阻遏蛋白（repressor）是調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物，與操縱基因的結(jié)合可以阻止受調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。當(dāng)阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合時(shí)，就會(huì)阻止RNA聚合酶啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，基因的表達(dá)就被關(guān)閉。在無(wú)阻抑蛋白時(shí)，RNA聚

6、合酶可以識(shí)別受調(diào)節(jié)基因的啟動(dòng)子，使這種基因得到表達(dá)。5. 轉(zhuǎn)錄因子 轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor ）是轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程中RNA聚合酶所需要的輔助因子。轉(zhuǎn)錄因子是參與正調(diào)控的反式作用因子，在無(wú)轉(zhuǎn)錄因子時(shí)，RNA聚合酶不能起始轉(zhuǎn)錄。 轉(zhuǎn)錄因子通常識(shí)別位于基因上游啟動(dòng)子附近的順式作用元件。（一）、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu) 乳糖操縱子（lactose operon，lac ）的三個(gè)結(jié)構(gòu)基因成簇排列，編碼參與-半乳糖苷（如乳糖）分解代謝所需的三種蛋白質(zhì)：lacZ編碼-半乳糖苷酶，lacY編碼-半乳糖苷透性酶，lacA編碼-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰基酶。 lacI基因（調(diào)節(jié)基因）正好與結(jié)構(gòu)基因相鄰，但它不

7、與結(jié)構(gòu)基因?qū)儆谕晦D(zhuǎn)錄單位，它有自己獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄單位，含有自己的啟動(dòng)子和終止子。 lacI編碼可擴(kuò)散的產(chǎn)物，理論上它不必位于結(jié)構(gòu)基因附近。將lacI基因轉(zhuǎn)移到其他任何地方都能很好地發(fā)揮作用，因此lacI的表達(dá)產(chǎn)物屬于反式作用因子。 lacI基因的表達(dá)產(chǎn)物稱(chēng)為乳糖操縱子阻遏蛋白（lac repressor）。它的功能是阻止結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。因此，乳糖操縱子的調(diào)控屬于負(fù)調(diào)控。 阻遏蛋白與lacZYA基因簇開(kāi)始處的操縱基因（O lac）結(jié)合，阻止RNA聚合酶在啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄起始而發(fā)揮作用。負(fù)調(diào)控負(fù)調(diào)控 negative regulationnegative regulation在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是

8、表達(dá)的，加入某種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被關(guān)閉，這樣的控制系統(tǒng)就叫做負(fù)控系統(tǒng) 。其調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)叫做阻遏蛋白 兩種類(lèi)型：負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏正調(diào)控正調(diào)控 positive regulationpositive regulation在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是關(guān)閉的，加入在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是關(guān)閉的，加入某種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開(kāi)啟，這樣的控某種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開(kāi)啟，這樣的控制系統(tǒng)就叫做正控系統(tǒng)。制系統(tǒng)就叫做正控系統(tǒng)。其調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)叫做無(wú)輔基誘導(dǎo)蛋白（激活蛋白其調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)叫做無(wú)輔基誘導(dǎo)蛋白（激活蛋白) )兩種類(lèi)型兩種類(lèi)型: :正控誘導(dǎo)和正控阻遏系統(tǒng)正控誘導(dǎo)和正控阻遏系統(tǒng)誘導(dǎo)一些基因在特殊

9、的代謝物或化合物的作用下，由原來(lái)關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化.可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)可阻遏調(diào)節(jié)可阻遏調(diào)節(jié)一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來(lái)開(kāi)啟的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，基因的表達(dá)被阻遏+ + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)濃度高時(shí)有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)濃度低時(shí)lCAPCAP的正調(diào)控的正調(diào)控ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPcAMP對(duì)操縱子轉(zhuǎn)錄的激活作用對(duì)操縱子轉(zhuǎn)錄的激活作用 細(xì)菌在富含葡萄糖的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的時(shí)候，葡萄糖可以抑制-半乳糖苷酶表達(dá)的一個(gè)很重要的因素是葡萄糖降低了細(xì)菌體內(nèi)cAMP的

10、水平。 生化和遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，cAMP可以結(jié)合到啟動(dòng)子的某個(gè)部位而激活操縱子的轉(zhuǎn)錄。 細(xì)菌在富含葡萄糖的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的時(shí)候，葡萄糖可以抑制-半乳糖苷酶表達(dá)的一個(gè)很重要的因素是葡萄糖降低了細(xì)菌體內(nèi)cAMP的水平。 生化和遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，cAMP可以結(jié)合到啟動(dòng)子的某個(gè)部位而激活操縱子的轉(zhuǎn)錄。cAMP對(duì)操縱子轉(zhuǎn)錄的激活作用 在細(xì)菌中，cAMP與CAP（catabolite activator protein，CAP）二聚體結(jié)合形成二元復(fù)合物共同發(fā)揮作用。只有cAMP存在時(shí)，CAP才有活性。 CAP是一個(gè)正調(diào)控因子，在依賴(lài)CAP的啟動(dòng)子上起始轉(zhuǎn)錄必須有CAP參與。cAMP下降，CAP就不能與控制區(qū)結(jié)合，RNA聚合酶就不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。CAP激活轉(zhuǎn)錄有兩種方式： 第一種方式是直接作用于RNA聚合酶。CAP直接作用于RNA聚合酶的亞基，而且CAP必須與RNA聚合酶在同一個(gè)面上才有活性。 另一種是作用于DNA改變其結(jié)構(gòu)，以協(xié)助RNA聚合酶的結(jié)合。在CAP-DNA復(fù)合物中，DNA呈彎曲狀態(tài)，彎曲點(diǎn)位于二重對(duì)稱(chēng)的中心。CAP結(jié)合以后，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)有很大的變化?？烧T導(dǎo)的負(fù)調(diào)控可誘導(dǎo)的正