第七章基因的表達(dá)與調(diào)控(上)原核基因表達(dá)調(diào)控模式

Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控目前一頁\總數(shù)四十頁\編于五點第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念一、基因表達(dá)的概念基因表達(dá)：從DNA到蛋白質(zhì)的過程，即基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控

。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達(dá)目前二頁\總數(shù)四十頁\編于五點基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié)1、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（transcriptionalregulation）

調(diào)節(jié)mRNA的合成2、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptionalregulation）①

mRNA加工成熟水平上的調(diào)控②

翻譯水平上的調(diào)控目前三頁\總數(shù)四十頁\編于五點基因表達(dá)調(diào)控的指揮系統(tǒng)

原核生物中

營養(yǎng)狀況和環(huán)境因素

真核生物中

激素水平和發(fā)育階段

營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降11目前四頁\總數(shù)四十頁\編于五點目前五頁\總數(shù)四十頁\編于五點

組成性表達(dá)(constitutiveexpression)適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression）二、基因表達(dá)的方式目前六頁\總數(shù)四十頁\編于五點

1、組成性表達(dá)：

指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達(dá)。某些基因在一個個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。組成型合成蛋白質(zhì)(constitutive)合成不受環(huán)境或代謝狀態(tài)影響的蛋白質(zhì)，例如

DNA聚合酶、RNA聚合酶等目前七頁\總數(shù)四十頁\編于五點2、適應(yīng)性表達(dá)

指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動的一類基因表達(dá)。應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)(induction)，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因(induciblegene)；相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。

目前八頁\總數(shù)四十頁\編于五點調(diào)節(jié)型/適應(yīng)型蛋白(adaptiveorregulated)

受環(huán)境變化或代謝狀態(tài)影響的蛋白質(zhì)

例如

大腸桿菌的β-半乳糖苷酶在普通細(xì)胞培養(yǎng)條件

下只有15個分子/細(xì)胞；在只含乳糖的培養(yǎng)基中高

達(dá)幾萬個分子/細(xì)胞4目前九頁\總數(shù)四十頁\編于五點三、基因表達(dá)的規(guī)律

——時間性和空間性1、時間特異性（temporalspecificity）按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時間特異性。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。

目前十頁\總數(shù)四十頁\編于五點目前十一頁\總數(shù)四十頁\編于五點2、空間特異性(spatialspecificity)基因表達(dá)伴隨空間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。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)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性。目前十二頁\總數(shù)四十頁\編于五點四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義

適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（原核、真核）

維持個體發(fā)育與分化（真核）目前十三頁\總數(shù)四十頁\編于五點Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控目前十四頁\總數(shù)四十頁\編于五點第二節(jié)原核基因調(diào)控機制內(nèi)容提要操縱子學(xué)說原核基因調(diào)控機制的類型與特點轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式

目前十五頁\總數(shù)四十頁\編于五點JacobandMonod一、操縱子學(xué)說1、操縱子模型的提出1961年，法國Monod和Jacob提出獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎目前十六頁\總數(shù)四十頁\編于五點2、操縱子的定義操縱子（operon）：是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。編碼序列

啟動序列

操縱序列

其他調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)目前十七頁\總數(shù)四十頁\編于五點

結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）

編碼各類具有不同結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)和RNA的基因。

調(diào)節(jié)基因（regulatorgene）

編碼蛋白質(zhì)或RNA來調(diào)節(jié)其他基因表達(dá)的基因。操縱基因（operator)DNA上的一個位點，阻遏物能與之結(jié)合抑制相鄰啟動子起始轉(zhuǎn)錄。目前十八頁\總數(shù)四十頁\編于五點結(jié)構(gòu)基因操縱區(qū)啟動區(qū)目前十九頁\總數(shù)四十頁\編于五點

1、根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應(yīng)答，可分為：

正轉(zhuǎn)錄調(diào)控

負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控

二、原核基因調(diào)控機制的類型與特點正控誘導(dǎo)正控阻遏負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏目前二十頁\總數(shù)四十頁\編于五點調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控如果在沒有調(diào)節(jié)蛋白（激活蛋白）質(zhì)存在時基因是關(guān)閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開啟，這樣的調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。目前二十一頁\總數(shù)四十頁\編于五點調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)（阻遏蛋白）存在時基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。目前二十二頁\總數(shù)四十頁\編于五點2、根據(jù)操縱子對某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應(yīng)答，可分為可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和可阻遏調(diào)節(jié)兩大類：誘導(dǎo)(induction)：

通過小分子誘導(dǎo)物參與,使阻抑物失活或活化激活劑來實現(xiàn)對基因或操縱子表達(dá)的調(diào)控

。阻遏(repression):

通過小分子輔阻遏物參與,使激活劑失活或活化阻抑物來實現(xiàn)基因或操縱子不表達(dá)的調(diào)控。目前二十三頁\總數(shù)四十頁\編于五點可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)（誘導(dǎo)物）的誘導(dǎo)下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子在誘導(dǎo)物乳糖的誘導(dǎo)下開啟了乳糖操縱子目前二十四頁\總數(shù)四十頁\編于五點調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白誘導(dǎo)物mRNA酶蛋白酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型誘導(dǎo)物如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物。目前二十五頁\總數(shù)四十頁\編于五點可阻遏調(diào)節(jié)：基因平時是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累（阻遏物）而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。例：色氨酸操縱子因為色氨酸的存在而關(guān)閉目前二十六頁\總數(shù)四十頁\編于五點酶合成的阻遏操縱子模型調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因mRNA酶蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因輔阻遏物輔阻遏物如果某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。目前二十七頁\總數(shù)四十頁\編于五點3、在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白（repressor），起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。根據(jù)其作用特征又可分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏：在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。目前二十八頁\總數(shù)四十頁\編于五點負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏系統(tǒng)16非活性阻遏蛋白基因表達(dá)非活性阻遏蛋白

效應(yīng)物/

誘導(dǎo)物基因表達(dá)

阻遏蛋白阻遏基因轉(zhuǎn)錄

負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因

負(fù)控阻遏系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因

操縱區(qū)

活性阻遏蛋白效應(yīng)物/輔阻遏物

阻遏基因轉(zhuǎn)錄目前二十九頁\總數(shù)四十頁\編于五點4、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（activator）。根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)和正控阻遏在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；在正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（輔阻遏物）的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。目前三十頁\總數(shù)四十頁\編于五點正控誘導(dǎo)系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)18活性激活蛋白

非活性

激活蛋白阻遏基因轉(zhuǎn)錄RNA聚合酶活性激活蛋白基因表達(dá)效應(yīng)物/輔阻遏物

阻遏基因轉(zhuǎn)錄非活性激活蛋白

正控阻遏系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因

正控誘導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因效應(yīng)物/誘導(dǎo)物

基因表達(dá)目前三十一頁\總數(shù)四十頁\編于五點三、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式1、σ因子的更換在E.coli中,當(dāng)細(xì)胞從基本的轉(zhuǎn)錄機制轉(zhuǎn)入各種特定基因表達(dá)時，需要不同的因子指導(dǎo)RNA聚合酶與各種啟動子結(jié)合。目前三十二頁\總數(shù)四十頁\編于五點σ因子

σ因子是RNA聚合酶的一部分，主要的作用是在DNA轉(zhuǎn)錄過程中識別模板DNA啟動子

σ因子主要與啟動子的-10區(qū)（TATA區(qū)或Pribnow區(qū)）和-35區(qū)（CAAT區(qū)）結(jié)合20目前三十三頁\總數(shù)四十頁\編于五點參與調(diào)控的σ因子σ因子σ70σ54σ38σ32σ28σ24編碼基因RpoDRpoNRpoSRpoHRpoFRpoE22

主要調(diào)控過程

對數(shù)生長期和大多數(shù)碳代謝過程

氮源利用

分裂間期特異基因

熱休克基因

鞭毛趨化相關(guān)基因

過度熱休克基因糾正課本P250頁表7-2目前三十四頁\總數(shù)四十頁\編于五點23上游調(diào)控元件上游調(diào)控元件TTGACATTGACA

N17TATAAT

N5~8N6~8

TTGCA

N7~9-35區(qū)-10區(qū)-24區(qū)-12區(qū)參與調(diào)控的σ因子

結(jié)合啟動子依賴于核心酶可在無核心酶時獨立結(jié)合到啟動子上目前三十五頁\總數(shù)四十頁\編于五點舉例：熱休克基因的調(diào)控

大腸桿菌在37

°C下生長最好

當(dāng)溫度增加到46°C時，大腸桿菌幾乎停止生長，此時產(chǎn)生大量熱激蛋白（heat-shockprotein），占所有蛋白的30%。24目前三十六頁\總數(shù)四十頁\編于五點25

熱激蛋白的種類和作用

（1）分子伴侶修復(fù)因高溫錯誤折疊的蛋白

折疊錯誤的蛋白分子伴侶

（2）蛋白酶降解無法修復(fù)的蛋白

無法修復(fù)的蛋白

蛋白片段

蛋白酶目前三十七頁\總數(shù)四十頁\編于五點σ32(RpoH)對熱激基因的調(diào)控:50°C27錯誤折疊的蛋白質(zhì)激活熱激基因

高溫下，分子伴侶結(jié)合錯誤折疊蛋白，釋放RpoH，

從而RpoH激活熱激基因

RpoH分子伴侶目前三十八頁\總數(shù)四十頁\編于五點2、弱化子對基因活性的影響（在色氨酸操縱子詳述）3、降解物對基因活性的