微生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控

1、1第七章 原核生物基因的表達(dá)調(diào)控2 生物的遺傳信息是以基因的形式儲(chǔ)藏在細(xì)胞生物的遺傳信息是以基因的形式儲(chǔ)藏在細(xì)胞內(nèi)的內(nèi)的DNA(或或RNA)分子中的。隨著個(gè)體的發(fā)分子中的。隨著個(gè)體的發(fā)育，育，DNA有序地將遺傳信息，通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻有序地將遺傳信息，通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，執(zhí)行各種生理生化譯的過(guò)程轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，執(zhí)行各種生理生化功能，完成生命的全過(guò)程。從功能，完成生命的全過(guò)程。從DNA到蛋白質(zhì)到蛋白質(zhì)的過(guò)程，叫做基因表達(dá)的過(guò)程，叫做基因表達(dá)(gene expression)，對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控(gene regulation或或gene c

2、ontrol)。3 基因調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究基因調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的中心課題。要了解動(dòng)、植物生長(zhǎng)的中心課題。要了解動(dòng)、植物生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和生物發(fā)育的規(guī)律、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和生物學(xué)功能，就必須弄清楚基因表達(dá)調(diào)學(xué)功能，就必須弄清楚基因表達(dá)調(diào)控的時(shí)間和空間概念控的時(shí)間和空間概念4基因表達(dá)調(diào)控在兩個(gè)水平上體現(xiàn)基因表達(dá)調(diào)控在兩個(gè)水平上體現(xiàn)(1)轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptional regulation); (2)轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控(post-transcriptional regulation)，包括，包括mRNA加工成熟水平上加工成

3、熟水平上的調(diào)控的調(diào)控(differential processing of RNA transcript);翻譯水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控(differential translation of mRNA)。5 對(duì)于原核生物，以營(yíng)養(yǎng)狀況對(duì)于原核生物，以營(yíng)養(yǎng)狀況(nutritional status)和環(huán)境因素和環(huán)境因素(environmental factor)為主要的基因表達(dá)影響因素。在真核生物尤為主要的基因表達(dá)影響因素。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平其是高等真核生物中，激素水平(hormone level)和發(fā)育階段和發(fā)育階段(developmental stage)是是基因表

4、達(dá)調(diào)控的最主要手段，而營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段，而營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。因素的影響力大為下降。 在轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)基因表達(dá)調(diào)控取決于在轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)基因表達(dá)調(diào)控取決于DNA的的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。小分子配基的相互作用。6第一節(jié) 大腸桿菌乳糖操縱子的正負(fù)調(diào)控一、操縱子與操縱子模型操縱子與操縱子模型 原核生物基因表達(dá)調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄原核生物基因表達(dá)調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單元是操縱子。水平，轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單元是操縱子。1、操縱子的概念：根據(jù)操縱子學(xué)說(shuō)，很多功、操縱子的概念：根據(jù)操縱子學(xué)說(shuō)，很多

5、功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因在染色體上串連排列，能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因在染色體上串連排列，由一個(gè)共同的控制區(qū)來(lái)操縱這些基因的轉(zhuǎn)錄。由一個(gè)共同的控制區(qū)來(lái)操縱這些基因的轉(zhuǎn)錄。包含這些結(jié)構(gòu)基因和控制區(qū)的整個(gè)核苷酸序包含這些結(jié)構(gòu)基因和控制區(qū)的整個(gè)核苷酸序列就稱為操縱子（列就稱為操縱子（operon）。）。 7 2、操縱子結(jié)構(gòu)由啟動(dòng)子（P）、操縱基因（O）、調(diào)節(jié)基因、結(jié)構(gòu)基因所組成。8 1、在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是、在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白激活蛋白(activator)，激活蛋白結(jié)合與，激活蛋白結(jié)合與DNA的啟動(dòng)子及的啟動(dòng)子及RNA聚合酶后，轉(zhuǎn)錄才會(huì)進(jìn)行。聚合酶后，轉(zhuǎn)錄才會(huì)進(jìn)行。（1

6、）在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，誘導(dǎo)物的存在使激）在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，誘導(dǎo)物的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)，轉(zhuǎn)錄進(jìn)行?；畹鞍滋幱诨钚誀顟B(tài)，轉(zhuǎn)錄進(jìn)行。（2）在正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子的存在）在正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)，轉(zhuǎn)錄不進(jìn)行。使激活蛋白處于非活性狀態(tài)，轉(zhuǎn)錄不進(jìn)行。二、正調(diào)控與負(fù)調(diào)控92、在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的物質(zhì)是、在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的物質(zhì)是阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。其作用部位是操縱區(qū)。它與操縱區(qū)結(jié)合，轉(zhuǎn)其作用部位是操縱區(qū)。它與操縱區(qū)結(jié)合，轉(zhuǎn)錄受阻。錄受阻。（1）負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)阻遏蛋白不與誘導(dǎo)物）負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)阻

7、遏蛋白不與誘導(dǎo)物結(jié)合時(shí)，阻遏蛋白與操縱區(qū)相結(jié)合，結(jié)構(gòu)基結(jié)合時(shí)，阻遏蛋白與操縱區(qū)相結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄，阻遏蛋白結(jié)合上誘導(dǎo)物時(shí)，阻遏因不轉(zhuǎn)錄，阻遏蛋白結(jié)合上誘導(dǎo)物時(shí)，阻遏蛋白與操縱區(qū)分離，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。蛋白與操縱區(qū)分離，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。10（2）負(fù)控阻遏系統(tǒng)阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)）負(fù)控阻遏系統(tǒng)阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。11調(diào)控模式1、可誘導(dǎo)負(fù)調(diào)控2、可誘導(dǎo)正調(diào)控3、可阻遏負(fù)調(diào)控4、可阻遏正調(diào)控1213三、大腸桿菌乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控 （一）大腸桿菌的乳糖利用系統(tǒng) 大腸桿菌的乳糖代謝需要有-半乳糖苷酶（-galactosidase）的催化 。這種酶能把乳糖水解為半乳糖和

8、葡萄糖 .另外有半乳糖苷透性酶 和巰基半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶。三種酶協(xié)同作用，使得乳糖得以分解和利用。14項(xiàng)目功能結(jié)構(gòu)基因3個(gè)不同結(jié)構(gòu)基因能夠產(chǎn)生3種不同的酶.操縱基因是結(jié)構(gòu)基因的開(kāi)關(guān).通過(guò)對(duì)RNA聚合酶阻抑與否來(lái)控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄或停止.啟動(dòng)子是RNA聚合酶與DNA結(jié)合的部位,可識(shí)別轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn).調(diào)節(jié)基因能產(chǎn)生阻抑物.通過(guò)阻抑物與操縱基因的結(jié)合與否來(lái)控制操縱基因的關(guān)閉和開(kāi)啟乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和功能15（二）乳糖操縱子的調(diào)控機(jī)制1、沒(méi)有乳糖時(shí)，具有活性的阻遏物和操縱基因結(jié)合，轉(zhuǎn)錄不能進(jìn)行。2、有乳糖時(shí)，乳糖與阻遏物結(jié)合，使阻遏物發(fā)生構(gòu)象變化而失活，不能與操縱子結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因正常轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而再翻譯出蛋白質(zhì)。

9、16原核生物基因表達(dá)的調(diào)控原核生物基因表達(dá)的調(diào)控乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(沒(méi)有乳糖時(shí)沒(méi)有乳糖時(shí)) lacZ lacY lacA 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)子啟動(dòng)子 操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶聚合酶信使信使RNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯阻抑物與阻抑物與操縱基因操縱基因結(jié)合，結(jié)結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受阻錄受阻阻抑物阻抑物17原核生物基因表達(dá)的調(diào)控原核生物基因表達(dá)的調(diào)控乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(有乳糖時(shí)有乳糖時(shí)) lacZ lacY lacA 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)子啟動(dòng)子 操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶聚合酶信使信使RNA

10、轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯阻抑物與乳糖結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生了改變，阻抑物與乳糖結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生了改變，因而不能與操縱基因結(jié)合，使得結(jié)構(gòu)因而不能與操縱基因結(jié)合，使得結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。阻抑物阻抑物乳糖乳糖轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄半乳糖苷酶半乳糖苷酶酶酶酶酶乳糖分解代乳糖分解代謝調(diào)控過(guò)程謝調(diào)控過(guò)程是一個(gè)自我是一個(gè)自我調(diào)控過(guò)程調(diào)控過(guò)程 18四、大腸桿菌乳糖操縱子的正調(diào)控1、葡萄糖敏感操縱子 有一些控制某一種糖如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖和麥芽糖等分解代謝的操縱子，當(dāng)培養(yǎng)基含有葡萄糖時(shí)，會(huì)阻止這些操縱子的功能，稱為葡萄糖敏感操縱子。 例如：當(dāng)大腸桿菌生長(zhǎng)的培養(yǎng)基中既有葡萄糖又有乳糖的條件，只利用葡萄糖，而不利用乳糖。 換句話說(shuō)

11、，只要在培養(yǎng)基中有葡萄糖存在，便可抑制了利用其他各種酶的產(chǎn)生，稱為分解物阻遏。19 2、CAP-cAMP調(diào)控另外一種起調(diào)節(jié)作用的誘導(dǎo)物為cAMP（環(huán)化腺苷酸）分析一組實(shí)驗(yàn)幾種情況：（1）當(dāng)培養(yǎng)基中含用大量葡萄糖時(shí)，cAMP水平明顯下降。（2）當(dāng)以乳糖為唯一碳源時(shí)， -半乳糖苷酶的合成增加。20（3）當(dāng)有乳糖和葡萄糖為碳源時(shí)，如果加入cAMP ， -半乳糖苷酶的合成速率大大提高。結(jié)論：？ cAMP 濃度能影響到-半乳糖苷酶的合成速率。主要是cAMP能激活CAP（分解物基因激活蛋白），起轉(zhuǎn)錄因子的作用。 213、lac操縱子的正調(diào)控機(jī)制（1） cAMP-CAP復(fù)合物與DNA結(jié)合，改變DNA結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了RNA