微生物基因表達的調控

1、關于微生物基因表達的調控第1頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三概述 (Introduction)基因表達(gene expression)-基因轉錄及翻譯的過程。生物基因組中結構基因所攜帶的遺傳信息，經(jīng)過轉錄、翻譯等一系列過程，合成具有特定的生物學功能和生物學效應的蛋白質的全過程中心法則(the central dogma)：第2頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三基因表達是受調控的 不是所有的基因表達都產(chǎn)生蛋白質，rRNA或tRNA的基因經(jīng)轉錄和轉錄后加工產(chǎn)生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表達，因為rRNA或tRNA就具有

2、在蛋白質翻譯方面的功能。 但是基因表達轉錄翻譯第3頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 大腸桿菌基因組（約4000個基因)，一般情況下只有510%在高水平轉錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達，或者暫時不表達。 人的基因組約含有10萬個基因，但在一個組織細胞中通常只有一部分基因表達，多數(shù)基因處在沉靜狀態(tài)，典型的哺乳類細胞中開放轉錄的基因約在1萬個上下，即使蛋白質合成量比較多、基因開放比例較高的肝細胞，一般也只有不超過20%的基因處于表達狀態(tài)。 生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達出來的第4頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三基因表達的時間性及空

3、間性 (temporal and spatial specificity)時間特異性(temporal specificity)某一基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生 Hb (hemoglobin) 珠蛋白基因簇：（胚胎型） 、 珠蛋白基因簇：（胚胎型）、 （胎兒型）、22 22 22第5頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三空間特異性(spatial specificity)在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)同形異位現(xiàn)象(homeosis):果蠅頭部長觸角部位長出腳來同形異位盒基因(homeobox) :高度保守的一段核苷酸序列（180bp）,控制

4、胚胎發(fā)育的基因第6頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三第7頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三基因表達的方式-1組成性基因表達(constitutive gene expression)：指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達。管家基因與奢侈基因產(chǎn)物是細胞或生物體整個生命過程中都持續(xù)需要而必不可少的，這類基因也稱為看家基因(house- keeping gene)；管家基因-在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因。 奢侈基因（luxury gene）只在特定的細胞類型中表達的基因第8頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三基因表

5、達的方式-2適應性表達(adaptive expression)：指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。誘導和阻遏表達誘導（induction）-可誘導基因在特定環(huán)境信號刺激下表達增強的過程。DNA損傷 修復酶基因激活乳糖 利用乳糖的三種酶表達阻遏（repression）-可阻遏基因表達產(chǎn)物水平降低的過程色氨酸 色氨酸合成酶系第9頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三基因表達的方式-3協(xié)調表達 協(xié)調表達 在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調一致、共同表達，即為協(xié)調表達(coordinate expression)第10頁，共60頁

6、，2022年，5月20日，14點58分，星期三基因表達的調控方式: 阻遏負調控:調控蛋白+DNA序列 基因的表達 (相應蛋白質降低) 促進正調控:調控蛋白+DNA序列 基因的表達 (相應蛋白質增加)第11頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三五、基因表達調控的基本原理基因表達的多級調控轉錄水平的調控transcriptional level: 轉錄激活、轉錄起始;轉錄后水平的調控post-transcriptional level： 轉錄后加工、運輸、mRNA降解;翻譯水平的調控translation level： 翻譯的起始;翻譯后水平的調控post-translatio

7、n level 翻譯后的加工、轉運、多肽鏈的分解.基因表達調控的生物學意義適應環(huán)境、維持生長和增殖維持個體發(fā)育與分化第12頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三第13頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三原核生物中，營養(yǎng)狀況（nutritional status）和環(huán)境因素（environmental factor）對基因表達起著舉足輕重的影響。真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平（hormone level）和發(fā)育階段（developmental stage）是基因表達調控的最主要手段，營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。在轉錄水平上對基因表達的調控決定

8、于DNA的結構、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。 原核生物基因表達調控主要在轉錄水平，其次是翻譯水平。 第14頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 因為細菌mRNA在形成過程中與核糖體混合在一起，所以，細菌的轉錄與翻譯過程幾乎發(fā)生在同一時間間隔內，轉錄與翻譯相耦聯(lián)（coupled transcription and translation）。真核生物中，轉錄產(chǎn)物（primary transcript）只有從核內運轉到核外，才能被核糖體翻譯成蛋白質。第15頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 原核生物的共有序列 原核生物的啟動序

9、列，在距離轉錄起始點10區(qū)和35區(qū)往往含有一些重要的保守序列（共有序列）。 10區(qū)：含TATAAT序列，又稱Pribnow盒。 35區(qū)：含TTGACA序列。RNA聚合酶結合部位 決定轉錄起始點第16頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三共有序列(consensus sequence) 決定啟動序列的轉錄活性大小。某些特異因子（蛋白質）決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結合能力。第17頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三阻遏蛋白(repressor)的結合位點當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或是RNA聚合酶

10、不能沿DNA向前移動 ，阻礙轉錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白操縱序列 第18頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三可結合啟動序列鄰近的DNA序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結合，增強RNA聚合酶活性。啟動序列編碼序列操縱序列pol激活蛋白激活蛋白(activator)第19頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結合啟動序列。啟動序列編碼序列操縱序列pol激活蛋白第20頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三操縱子模型的提出 莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)獲1

11、965年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎第一節(jié) 轉錄水平的調控(control of transcription) 第21頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三操縱子（operon）：原核生物中幾個功能相關的結構基因成簇串聯(lián)排列組成的一個基因表達的協(xié)同單位（DNA序列）.一個操縱子 =編碼序列（2-6） +啟動序列+操縱序列+(其他調節(jié)序列)第22頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三Discovery of Operon1940年， Monod發(fā)現(xiàn)：細菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時，細菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉變期，細菌的生長會出現(xiàn)停頓

12、。即產(chǎn)生“二次生長曲線”。文獻：細胞中存在兩種酶，即組成酶與適應酶（誘導酶）。1947年，報告：“酶的適應現(xiàn)象及其在細胞分化中的意義”。第23頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三1951年，Monod與Jacob合作。發(fā)現(xiàn)兩對基因：Z基因：與合成-半乳糖苷酶有關；I基因：決定細胞對誘導物的反應。Szilard：I基因決定阻遏物的合成，當阻遏物存在時，酶無法合成，只有有誘導物存在，才能去掉該阻遏物。 Jacob：結構基因旁有開關基因（即操縱基因），阻遏物通過與開關基因的結合，控制結構基因的表達。第24頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn)

13、：細菌以葡萄糖為能量來源葡萄糖充分時： 與葡萄糖代謝有關的酶基因-表達 與其他糖代謝有關的酶基因-關閉葡萄糖耗盡時，乳糖存在（培養(yǎng)基）： 與乳糖代謝有關的酶基因 -表達 與葡萄糖代謝有關的酶基因-關閉第25頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三IPOZYa調控基因 控制位點 結構基因DNA阻遏蛋白啟動序列cAMP-CAP結合位點操縱序列半乳糖苷酶通透酶乙?；D移酶乳糖操縱子（lactose opron）結構RNA聚合酶結合位點第26頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏蛋白的負性調節(jié)阻遏基因第27

14、頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖-半乳糖苷酶第28頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三+ + + + 轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時CAP的正性調節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP:分解物基因激活物蛋白可促進乳糖利用，但須與cAMP結合才有活性第29頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 阻遏基因轉錄翻譯阻遏蛋白R，R與操縱基因結合，阻止結合在啟動子上的DDRP前移，結構基因不被轉錄 1）無乳糖也無

15、葡萄糖存在時：OO2）當無乳糖，有葡萄糖時：由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操縱子關閉，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調節(jié)不起作用 總結：所以：無乳糖時，無論有無葡萄糖，操縱子關閉第30頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調節(jié)不起作用，抑制乳糖操縱子的轉錄，使細菌只能利用葡萄糖。 3）既有乳糖，又有葡萄糖時：O 乳糖與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白變構，失去與操縱基因結合的能力而脫落第31頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 由于不含葡萄糖，細胞內cAMP含量高，cAMP與CAP結合成復合物，

16、與DNA結合，并推動DDRP向前移動，促進轉錄。 4）有乳糖，無葡萄糖時：mRNARNA-polO 乳糖與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白變構，失去與操縱基因結合的能力而脫落，結合在啟動子上的DDRP向前移動，結構基因被轉錄翻譯，合成與乳糖代謝有關的酶類從而利用乳糖所以：有乳糖時，只有沒有葡萄糖，操縱子才開放 有葡萄糖存在，操縱子關閉第32頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三IOO誘導劑乳糖操縱子的負調控圖15-4第33頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三 CAP- cAMP復合物在乳糖操縱子表達中的作用-正調控條件2:低乳糖條件3:低乳糖條件4:高葡萄糖低

17、cAMP高乳糖 Lac 阻遏蛋白封閉轉錄時, CAP對該系統(tǒng)不發(fā)揮作用條件1:低葡萄糖高cAMP高乳糖Lac 阻遏蛋白不封閉轉錄時,沒有CAP存在,也無高效轉錄活性。Lac 阻遏蛋白不封閉轉錄, CAP+ cAMP 加強轉錄。OOOOO圖15-5第34頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三協(xié)調調節(jié)(coordinate regulation)負性調節(jié)與正性調節(jié)協(xié)調合作阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP不發(fā)揮作用如沒有CAP加強轉錄，即使阻遏蛋白從P上解聚仍無轉錄活性葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌優(yōu)先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP濃度，阻礙其與CAP結合從而抑制轉錄結論：lac操縱子強

18、的誘導作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖第35頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三IPTG(異丙基硫代半乳糖苷)極強的誘導劑第36頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三1RNA編輯（RNA editing）2mRNA 前體的選擇性拼接3反義RNA的調控反義RNA的調控是指真核生物基因組中，某些調節(jié)基因轉錄所產(chǎn)生的RNA可與基因組DNA或RNA序列互補，形成雜交體，阻斷或減弱基因轉錄或翻譯的調控機制。這些調節(jié)基因所產(chǎn)生的RNA稱之為反義RNA。轉錄后水平的調控第37頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三mRNA的加工 原核生物的mRNA往往

19、一產(chǎn)生就是成熟的，不需轉錄后的修飾加工，真核生物基因的初始轉錄產(chǎn)物則一般缺乏生物活性，必須經(jīng)過剪接加工后成為有活性的成熟mRNA分子，它們需從細胞核轉移到細胞質內，指導蛋白質的合成。 真核生物mRNA的加工主要包括在mRNA的5末端加“帽子”，在3端加上多聚腺苷酸尾巴以及進行RNA的剪接。 真核生物RNA的剪接有三類：第一類是依靠內含子的特殊結構而能自發(fā)地進行剪接；第二類是蛋白質（酶）促剪切；第三類是需要一種細胞核小分子核糖核蛋白參與剪接的方式，真核生物mRNA的剪接就是這種方式。 第38頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三翻譯水平的調控mRNA的穩(wěn)定性：mRNA的降解速

20、度受細菌的生理狀態(tài)、環(huán)境因素及mRNA結構的影響。翻譯產(chǎn)物對翻譯的影響小分子RNA的調控作用mRNA干擾性互補RNA（micRNA)或反義RNA (antisense RNA）調整基因表達產(chǎn)物的類型低水平表達基因的控制第39頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三真核生物基因表達的調控DNA水平的調控轉錄水平的調控轉錄后水平的調控翻譯水平的調控翻譯后水平的調控第40頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三真核基因組結構特點真核基因組結構龐大 3109bp單順反子含有大量重復序列 基因不連續(xù)性 內含子 外顯子非編碼區(qū)較多 多于編碼序列(9:1)第41頁，共60

21、頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三一、真核基因組結構特點（一）真核基因組結構龐大哺乳類動物基因組DNA 約 3 10 9 堿基對編碼基因約 有 40000 個，占總長的6 %rDNA等重復基因約 占 5% 10%第42頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三（二）單順反子單順反子(monocistron) 即一個編碼基因轉錄生成一個mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。（三）重復序列（正向重復、反向重復）單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復序列（106 次）中度重復序列（103 104次）多拷貝序列（四）基因不連續(xù)性斷裂基因第43頁，共60頁，2022年，5月20日，

22、14點58分，星期三基本概念順式作用元件和反式作用因子基因活性的調控主要通過反式作用因子（通常是蛋白質）與順式作用元件（通常在DNA上）相互作用而實現(xiàn)。順式作用元件（cis-acting element） ：對基因表達有調節(jié)活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處在一個DNA分子上的基因；通常不編碼蛋白質，多位于基因旁側或內含子中，如啟動子。反式作用因子（trans-acting factor） ：通過擴散自身表達產(chǎn)物（酶、調節(jié)蛋白）控制其他基因的表達, 如轉錄因子；其編碼基因與其識別或結合靶核苷酸序列不在同一個DNA分子上第44頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三基因

23、表達的調節(jié)控制基本上是反式作用因子與順式作用元件的相互作用。反式作用因子只識別DNA上非常短的一段序列（順式元件）。Cis-elementTrans-acting factorRegulator RNA polymarase第45頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三結構基因和調控基因結構基因（structural genes）：編碼蛋白質或RNA的任何基因。原核生物的結構基因一般成簇排列，真核生物獨立存在。結構基因簇由單一啟動子共同調控。調節(jié)基因（regulator genes）：參與其他基因表達調控的RNA或蛋白質的編碼基因。調節(jié)基因編碼的調節(jié)物質通過與DNA上的特定位

24、點結合控制轉錄是調控的關鍵。調節(jié)物與DNA特定位點的相互作用能以正調控方式（啟動或增強基因表達活性）調節(jié)靶基因，也能以負調控方式（關閉或降低基因表達活性）調節(jié)靶基因。第46頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三啟動子和終止子啟動子 (promoter, P) ：能被RNA聚合酶識別、結合并啟動基因轉錄的一段DNA序列。終止子（terminator，T）：給予RNA聚合酶轉錄終止信號的DNA序列。啟動子和終止子屬于順式作用元件，而RNA聚合酶為反式作用因子。第47頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結合位點周圍的一組轉錄

25、控制組件，至少包括一個轉錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒第48頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三增強子(enhancer)指遠離轉錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉錄活性的DNA序列，其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無關。在轉錄起始點5或3側均能起作用；相對于啟動子的任一指向均能起作用；發(fā)揮作用與受控基因的遠近距離相對無關；對異源性啟動子也能發(fā)揮作用；通常具有一些短的重復順序。 特點第49頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三增強子第50頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三沉默子(sil

26、encer)某些基因的負性調節(jié)元件，當其結合特異蛋白因子時，對基因轉錄起阻遏作用。第51頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三同一DNA序列可被不同蛋白質識別同一蛋白質因子可與多種不同DNA序列發(fā)生聯(lián)系，少數(shù)是直接結合，多數(shù)是蛋白質-蛋白質相互作用后再影響DNA。蛋白質-蛋白質或DNA-蛋白質的結合，均導致構象上的微細變化，構象變化常是實現(xiàn)調控功能的分子基礎。反式作用因子在自身生物合成過程中，有相當大的可變性和可塑性。反式作用因子 第52頁，共60頁，2022年，5月20日，14點58分，星期三操縱基因和阻抑蛋白操縱基因（operator gene）：能被調控蛋白特異性結合的一段DNA序列，當調控蛋白結合在操縱基因序列上，會影響其下游基因轉錄的強弱。與操縱基因結合后能減弱或阻止其調控基因轉錄的調控蛋白稱為阻遏蛋白（repressive protein），其介導的調控方式稱為負性調控（negative regulation）；細菌通常為負調控；與操縱基因結合后能增強或起動其調控基因轉錄的調控蛋白稱為激活蛋白（