基因表達(dá)與調(diào)控

第一節(jié)概述第二節(jié)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控第三節(jié)操縱子類型第2章原核生物基因表達(dá)調(diào)控

第一節(jié)概述（Introduction）１、原核生物對環(huán)境的適應(yīng)，相關(guān)的應(yīng)答

是基因表達(dá)的結(jié)果２、基因表達(dá)的調(diào)控涉及

RNA轉(zhuǎn)錄的開/關(guān)，數(shù)量，選擇性加工蛋白質(zhì)翻譯速率，數(shù)量，加工與降解和分泌…調(diào)控機(jī)理上調(diào)控層次上核酸分子間的互作核酸與蛋白質(zhì)分子間的互作蛋白質(zhì)分子間的互作轉(zhuǎn)錄水平后轉(zhuǎn)錄水平翻譯水平后翻譯水平３、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控是最為經(jīng)濟(jì),

靈活，又是最為重要，復(fù)雜的調(diào)控在復(fù)雜的基因組內(nèi)，確定需要基因轉(zhuǎn)錄的起始位點(diǎn)精細(xì)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的水平,以保證生物體對環(huán)境的適應(yīng)保證RNApolymerase的進(jìn)行式轉(zhuǎn)錄（不中斷，準(zhǔn)確終止）４、生物遺傳信息的概念GenomeDNA10%;結(jié)構(gòu)基因的編碼序列

tripletcodon90%;重復(fù)，間隔，調(diào)節(jié)序列…

基因選擇性表達(dá)指令重要的遺傳信息遺傳信息的兩大類別II類；特定DNAseq.+特定蛋白質(zhì)/核酸結(jié)合基因表達(dá)的指令geneon/offI類；DNAseq.RNAseq.(codon)teinphenotype５、遺傳信息表達(dá)的方式

組成型表達(dá)（constitutiveexpression）Housekeepinggene

誘導(dǎo)型表達(dá)（inducibleexpressionbysignalingmolecular）Luxurygene操縱子：啟動(dòng)子、操縱基因、結(jié)構(gòu)基因和終止子結(jié)構(gòu)基因：編碼蛋白質(zhì)或RNA的任何基因調(diào)節(jié)基因：參與其他基因表達(dá)調(diào)控的RNA和蛋白質(zhì)的編碼基因

阻遏物和激活物（調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白）

HTH結(jié)構(gòu)正調(diào)控：調(diào)節(jié)蛋白與DNA特定位點(diǎn)的相互作用，啟動(dòng)或增強(qiáng)操縱子的轉(zhuǎn)錄活性負(fù)調(diào)控誘導(dǎo)物：能夠結(jié)合在阻遏物或激活物上啟動(dòng)操縱子的轉(zhuǎn)錄的效應(yīng)物共阻遏物：能夠結(jié)合在阻遏物上關(guān)閉操縱子的轉(zhuǎn)錄活性的效應(yīng)物６、幾個(gè)基本概念誘導(dǎo)物引起正調(diào)控共阻遏物引起負(fù)調(diào)控第二節(jié)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄是遺傳信息由DNA轉(zhuǎn)換到RNA的過程。作為蛋白質(zhì)生物合成的第一步，轉(zhuǎn)錄是mRNA以及非編碼RNA（tRNA、rRNA等）的合成步驟。１、細(xì)菌的RNA聚合酶：５個(gè)亞基組成，分子量為480kD，α2ββ‘σ

,α2ββ‘

組成核心酶，σ亞基主要功能是參與啟動(dòng)子的識(shí)別和結(jié)合以及轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的異構(gòu)化，體積大，橫跨60個(gè)堿基。２、啟動(dòng)子TTGACATATAATA/G16-19bp5-9bp核心酶σ因子-35區(qū)（識(shí)別部位）-10區(qū)（結(jié)合部位）轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)３、上游激活序列和操縱基因UASOperator

與啟動(dòng)子重疊激活蛋白R(shí)NApol阻遏物４、轉(zhuǎn)錄過程σ識(shí)別-35區(qū)核心酶結(jié)合在-10區(qū)DNA雙鏈打開1個(gè)三磷酸核苷酸（A或G）與模板鏈結(jié)合構(gòu)成RNA的5’端以磷酸二酯鍵的形式與第二個(gè)核苷酸結(jié)合，形成6－9個(gè)核苷酸，σ因子釋放形成轉(zhuǎn)錄泡RNA-DNA雜合鏈在多種生物體細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了不同的σ因子，根據(jù)其分子量來命名，例如E.coli

中有σ70

和σ32，正常情況下σ70負(fù)責(zé)多種基因的轉(zhuǎn)錄；σ32少量存在，熱激條件下，σ32含量增加，促進(jìn)熱激蛋白基因的轉(zhuǎn)錄。分子伴侶：正常細(xì)胞中指導(dǎo)新合成的蛋白質(zhì)的折疊；熱激后與變性蛋白結(jié)合，指導(dǎo)它們重新折疊而使它們恢復(fù)生物活性。５、σ因子與轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控

６、終止子：強(qiáng)終止子和弱終止子轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)之前有7-20bp反向重復(fù)序列，產(chǎn)生的mRNA可以形成莖環(huán)狀的發(fā)夾結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)的序列結(jié)構(gòu)：GTCAAAAGCCTCCGGTCGGAGGCTTTTGACTCAGTTTTCGGAGGCCAGCCTCCGAAAACTGA其反向重復(fù)序列富含GC，下游常有６－８個(gè)Ａ，轉(zhuǎn)錄后含有相對應(yīng)的Ｕ，是使RNA聚合酶脫離模板的信號(hào)。１）不依賴ρ因子的終止子（強(qiáng)終止子）不依賴于ρ因子的終止子轉(zhuǎn)錄終止模型

被轉(zhuǎn)錄的RNA可以在終止子處形成莖環(huán)狀的RNA-RNA發(fā)莢結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性比RNA-DNA雜合鏈穩(wěn)定性高，可以把RNA聚合酶和RNA都從DNA鏈上脫離下來，從而終止轉(zhuǎn)錄。

２）依賴于ρ因子的終止子（弱終止子）

ρ因子有RNA結(jié)合位點(diǎn)和ATP結(jié)合位點(diǎn)，以六聚體形式起作用，可以輔助轉(zhuǎn)錄終止ρ因子只引起沒有正在進(jìn)行翻譯的RNA合成終止ρ因子是RNA-dependentATPase，需要RNA存在ρ因子能使RNA-DNA雜合雙鏈解旋ρ因子結(jié)合在RNA的不被核糖體翻譯的rut位點(diǎn)，利用水解ATP的能量沿著RNA鏈按5’－3’方向移動(dòng)；當(dāng)RNA聚合酶遇到終止子暫停轉(zhuǎn)錄時(shí)，ρ因子可以在終止子處追趕上RNA聚合酶，并躋身于轉(zhuǎn)錄泡的RNA-DNA雜合鏈中；ρ因子的RNA-DNA解旋酶活性使RNA-DNA雜合鏈解旋，使RNA聚合酶從DNA上釋放出來，轉(zhuǎn)錄終止，RNA鏈和ρ因子也釋放出來。依賴于ρ因子的終止子轉(zhuǎn)錄終止模型基因表達(dá)的極性效應(yīng)：

在某一條件下，同一轉(zhuǎn)錄單元里由于一個(gè)基因的無義突變，阻礙了下游相鄰基因表達(dá)的效應(yīng)，稱為基因表達(dá)的極性效應(yīng)。

在發(fā)生無義突變時(shí)，無義突變使翻譯提前終止，核糖體提前釋放，ρ因子就有機(jī)會(huì)趕上RNApol，從而引起轉(zhuǎn)錄的終止?？菇K止作用？lacI

P

OlacZ

lacY

lacA大腸桿菌乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)模型：β－半乳糖苷酶β－半乳糖苷透性酶β－半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶阻遏物第三節(jié)操縱子類型operonconcept●控制某一代謝途徑的相關(guān)基因,

緊密連鎖地排列在一起,受同一操縱子控制●各結(jié)構(gòu)基因按一定比例協(xié)調(diào)翻譯(Z:Y:A=5:2:1)●具有極性突變效應(yīng)●P&O基因(cis)緊密連鎖或彼此重疊

I基因(trans)位點(diǎn)不固定LacoperonIpoZYA１、乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控Igene

activerepressorbindingonOperator38kd/monomertetramer152kdOgene(operator)mRNAstartpointRNApolymerasebindingRepressorbindingObstruction?Competition?Ogene(operator)cis-actionfactorrepressionOgene(operator)Repressor對重疊位點(diǎn)的競爭力下降有利于RNApolymerase的結(jié)合Ogene(operator)cis-actionfactormRNAstartpointunwindingRNApolymerasebindingRepressorbindingO&Poverlaprepressor&RNApolymerasebindatsitesthatoverlaparoundthestartpointofLacoperonrepressor&RNApolymerase對重疊位點(diǎn)競爭---調(diào)控機(jī)理Inducer(lactose)

與repressor特異結(jié)合tetramer變構(gòu)

特異結(jié)合力下降1000X作用于O

位點(diǎn)上的repressor

變構(gòu)

脫離O位作用于游離的repressor

operononrepessortetramer與operator發(fā)生特異結(jié)合

operonoff

變構(gòu)

失去結(jié)合于O位的能力(a)Nolactose;repression.(b)Presenceoflactose,derepression.Lac.Operonstructure２、乳糖操縱子的正調(diào)控：cAMPcontrol

(universalcontrollingsystem)LacoperonopenbutnotranscriptsGlucoseLactoseE.coliWhy?ATPpppcAcAMPpcA5’-AMPpcAI(crpgene)(cAMPrecceptprotein)(orcatabilitegeneactivatorprotein)cAMPase(-)phosphodiesterase(+)+GlucoseLac.OperonIPOStimulationofβ-galactosidasesynthesisbycAMPwithwild-typeandmutantCAPPastan1970P.N.A.S.

480-487,June66(2)CAP-cAMPcomplexisimportantinlacoperontranscriptionCAPpluscAMPallowformationofanopenpromotercomplexThelaccontrolregion.justupstreamoftheoperator,containstheactivatorsite,orCAPbindingsite,ontheleft(yellow)andthepromoterTheCAP-cAMPdimerbindstoitsactivatorsiteontheDNA,andtheα-CTDinteractswithaspecificsiteontheCAPproteinThisstrengthensbindingbetweenpolymeraseandpromoter.,

HypothesisforCAP-cAMPactivationoflac