第七章原核基因表達(dá)調(diào)控

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7.1原核基因的表達(dá)與調(diào)控總論

7.2乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)目前一頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)2一、原核生物基因表達(dá)調(diào)控總論原核生物基因調(diào)控一般執(zhí)行如下規(guī)律一個體系需要時被打開，不需要時被關(guān)閉?；虻拈_與關(guān)是相對的。開-關(guān)的活性可以通過轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前二頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)3目前三頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)4轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控目前四頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)5基因表達(dá)的概念*基因組(genome)一個細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因?！彩侵负幸粋€生物體生存、發(fā)育、活動和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸。目前五頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)6是指儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個過程。典型的基因表達(dá)是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程?；虮磉_(dá)(geneexpression)目前六頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)7基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下兩個方面：轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控目前七頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)8轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控是真核基因表達(dá)調(diào)控的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)真核基因表達(dá)是否受環(huán)境影響可分為：發(fā)育調(diào)控和瞬時調(diào)控。其中發(fā)育調(diào)控是指真核生物為確保自身生長、發(fā)育、分化等對基因表達(dá)按“預(yù)定”和“有序”的程序進(jìn)行的調(diào)控，是不可逆的過程；瞬時調(diào)控是指真核生物在內(nèi)、外環(huán)境的刺激下所做出的適應(yīng)性轉(zhuǎn)錄調(diào)控，是可逆過程。目前八頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)9Britten和Davidson于1969年提出的真核生物單拷貝基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的模型——Britten—Davidson模型。該模型認(rèn)為在整合基因的5’端連接著一段具有高度專一性的DNA序列，稱之為傳感基因。在傳感基因上有該基因編碼的傳感蛋白。外來信號分子和傳感蛋白結(jié)合相互作用形成復(fù)合物。該復(fù)合物作用于和它相鄰的綜合基因組，亦稱受體基因，而轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA，后者翻譯成激活蛋白。這些激活蛋白能識別位于結(jié)構(gòu)基因（SG）前面的受體序列并作用于受體序列，從而使結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄翻譯。目前九頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)10轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控包括：1.mRNA加工成熟水平上的調(diào)控2.翻譯水平上的調(diào)控目前十頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)11轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控真核生物基因轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行，而翻譯則在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。在轉(zhuǎn)錄過程中真核基因有插入序列，結(jié)構(gòu)基因被分割成不同的片段，因此轉(zhuǎn)錄后的基因調(diào)控是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的一個重要方面，首要的是RNA的加工、成熟。各種基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA，無論rRNA、tRNA還是mRNA，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后的加工才能成為有活性的分子。目前十一頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)12翻譯水平上的調(diào)控蛋白質(zhì)合成翻譯階段的基因調(diào)控有三個方面：①蛋白質(zhì)合成起始速率的調(diào)控；②MRNA的識別；③激素等外界因素的影響蛋白質(zhì)合成起始反應(yīng)中要涉及到核糖體、mRNA蛋白質(zhì)合成起始因子可溶性蛋白及tRNA，這些結(jié)構(gòu)和諧統(tǒng)一才能完成蛋白質(zhì)的生物合成。mRNA則起著重要的調(diào)控功能。目前十二頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)13基因表達(dá)調(diào)控的指揮系統(tǒng)有很多種，不同生物使用不同的信號來指揮基因調(diào)控。原核生物和真核生物之間存在著相當(dāng)大差異。原核生物中，營養(yǎng)狀況、環(huán)境因素對基因表達(dá)起著十分重要的作用；而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平、發(fā)育階段等是基因表達(dá)調(diào)控的主要手段，營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響則為次要因素。目前十三頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)14原核與真核生物轉(zhuǎn)錄及翻譯調(diào)控的總體特征比較目前十四頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)15原核基因表達(dá)調(diào)控分類負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控阻遏蛋白分為：負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏根據(jù)調(diào)控機(jī)制的不同分為：目前十五頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)16負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)控誘導(dǎo)阻遏蛋白不與效應(yīng)物結(jié)合時基因不轉(zhuǎn)錄。目前十六頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)17負(fù)控阻遏阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時，基因不轉(zhuǎn)錄。負(fù)轉(zhuǎn)錄阻遏如：周圍有充足的葡萄糖，細(xì)菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖類的酶類，如乳糖操縱子被阻遏、關(guān)閉。目前十七頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)18基因表達(dá)的方式組成性基因表達(dá)適應(yīng)性表達(dá)（誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)）目前十八頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)191、組成性基因表達(dá)

某些基因在一個生物個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因(house-keepinggene)。目前十九頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)20

無論表達(dá)水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達(dá)被視為組成性表達(dá)。目前二十頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)21在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表達(dá).協(xié)調(diào)表達(dá)目前二十一頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)222、誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo)表達(dá)指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。阻遏表達(dá)指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因。目前二十二頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)23轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（negativetrnscriptionregulation)調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（positivetranscriptionregulation)調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白目前二十三頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)24正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正控誘導(dǎo)有效應(yīng)物時，激活蛋白處于活性狀態(tài)基因轉(zhuǎn)錄。目前二十四頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)25正控阻遏有效應(yīng)物時，激活蛋白處于無活性狀態(tài)基因不轉(zhuǎn)錄。正轉(zhuǎn)錄阻遏目前二十五頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)26負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏正控誘導(dǎo)正控阻遏目前二十六頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)27

(一)σ因子決定RNA聚合酶識別特異性核心酶全酶目前二十七頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)28

σ因子目前二十八頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)29大腸桿菌至少有6種σ因子σ70負(fù)責(zé)識別一般的啟動子σ54識別與氮代謝有關(guān)的基因啟動子σ32識別熱激（heatshock）蛋白基因啟動子目前二十九頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)30大腸桿菌中的各種σ因子比較σ因子編碼基因主要功能σ70rpoD參與對數(shù)生長期和大多數(shù)碳代謝過程基因的調(diào)控σ54rpoN參與多數(shù)氮源利用基因的調(diào)控σ38rpoH分裂間期特異基因的表達(dá)調(diào)控σ32rpoS熱休克基因的表達(dá)調(diào)控σ28rpoF鞭毛趨化相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控σ24rpoE過度熱休克基因的表達(dá)調(diào)控目前三十頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)31（二）原核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)原核生物通過特殊代謝物調(diào)節(jié)基因活性主要分為：可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)關(guān)閉-----工作------基因活化可阻遏調(diào)節(jié)開啟-----關(guān)閉-------阻遏基因表達(dá)目前三十一頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)32（二）原核生物基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行σ因子決定RNA聚合酶識別特異性主要通過操縱子模式進(jìn)行調(diào)節(jié)阻遏蛋白對轉(zhuǎn)錄的抑制作用（阻遏機(jī)制）是普遍存在的負(fù)調(diào)控作用目前三十二頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)33原核細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控目前三十三頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)341、原核生物基因調(diào)控機(jī)制的類型a、弱化子對基因活性的調(diào)節(jié)b、代謝產(chǎn)物對基因活性的調(diào)節(jié)c、降解物對基因活性的調(diào)節(jié)d、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)目前三十四頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)35弱化子當(dāng)操縱子被阻遏，RNA的合成被終止時，起終止轉(zhuǎn)錄作用的那一段核苷酸，稱為弱化子。

因?yàn)楹颂求w在基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上的不同位置，決定了RNA可以形成哪一種形式的二級結(jié)構(gòu)，并由此決定基因能否繼續(xù)轉(zhuǎn)錄1、弱化子對基因活性的影響目前三十五頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)362、降解物對基因活性的調(diào)節(jié)1、葡萄糖效應(yīng)是指當(dāng)葡萄糖和其它糖類一起作為細(xì)菌的碳源時葡萄糖總是優(yōu)先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖類的利用的現(xiàn)象。目前三十六頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)372、降解物對基因活性的調(diào)節(jié)葡萄糖通過降低cAMP的含量而抑制基因表達(dá)目前三十七頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)383、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)當(dāng)細(xì)菌發(fā)現(xiàn)它們處于很差的生長環(huán)境，沒有足夠的氨基酸來維持蛋白質(zhì)合成時，它們就會停止大部分活動。目前三十八頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)39產(chǎn)生這一應(yīng)急反應(yīng)的信號是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸（pppGpp）。PpGpp與pppGpp的作用不只是一個或幾個操縱子，而是影響一大批，所以稱之為超級調(diào)控子或稱為魔斑。超級調(diào)控因子或稱為魔斑目前三十九頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)40細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)的機(jī)制產(chǎn)生應(yīng)急反應(yīng)的信號是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸（pppGpp）誘導(dǎo)物：空載tRNA目前四十頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)411961年由莫諾（Monod,J.法)和雅各布(Jacob,F.法)提出，用來闡述大腸桿菌乳糖代謝中基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎7.2、乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)目前四十一頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)42F·雅各布（FrancoisJacob1920～）法國生物化學(xué)家、分子生物學(xué)家J·L·莫諾（JacquesL.Monod1910～1976）法國生物學(xué)家操縱子(operon)

機(jī)制目前四十二頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)43------操縱子(operon)操縱子：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。操縱基因是順式控制元件，阻抑蛋白是反式作用因子。目前四十三頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)44

------操縱子(operon)大腸桿菌乳糖操縱子包括3個結(jié)構(gòu)基因：lacZ決定lacZ編碼β-半乳糖苷酶lacY 決定lacY編碼β-半乳糖苷透過酶lacA決定lacA編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶以及啟動子、控制子、阻遏子等目前四十四頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)45乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)與組成調(diào)控區(qū)阻遏基因啟動子控制基因結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透過酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAI目前四十五頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)46------操縱子(operon)1、β-半乳糖苷酶能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，也能水解其他β-半乳糖苷2、β-半乳糖苷透過酶能使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)3、β-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶把乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)移到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖目前四十六頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)47大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖，當(dāng)培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時，細(xì)菌優(yōu)先使用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長，經(jīng)過短時間所以適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長。目前四十七頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)487.2.1、酶的誘導(dǎo)-lac體系受調(diào)控的證據(jù)在不含乳糖及β-半乳糖苷的培養(yǎng)基中，lac+基因型每個大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)大約只有1～2個酶分子。如果在培養(yǎng)基中加入乳糖，酶的濃度很快達(dá)到細(xì)胞總蛋白量的6%或7%，每個細(xì)胞中可有超過10^5個酶分子。1、實(shí)驗(yàn)證據(jù)目前四十八頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)49目前四十九頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)502、實(shí)驗(yàn)用誘導(dǎo)物乳糖IPTG(異丙基巰基半乳糖苷)TMG(巰甲基半乳糖苷)ONPG(O-硝基半乳糖苷)目前五十頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)51三、操縱子模型及其影響因子（一）Lac操縱子模型控制區(qū)信息區(qū)目前五十一頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)52乳糖操縱子模型1.lacZ、lacY、lacA基因的產(chǎn)物由同一條mRNA分子所編碼2.該mRNA分子的啟動區(qū)（P）位于阻遏基因（lacI）與操縱區(qū)（O）之間，不能單獨(dú)起始半乳糖苷酶和透過基因的高效表達(dá)3.操縱區(qū)時DNA上的一小段序列（僅26bp）,是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)4當(dāng)阻遏物與操縱區(qū)相結(jié)合時，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制5誘導(dǎo)物與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成目前五十二頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)53乳糖操縱子模型1、Z、Y、A基因的產(chǎn)物為一條多順反子mRNAlacZ：編碼β-半乳糖苷酶，它可以將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖；lacY：編碼半乳糖苷透性酶，它能將乳糖運(yùn)送透過細(xì)菌的細(xì)胞壁；lacA：編碼硫代半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶，進(jìn)行乳糖代謝。目前五十三頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)54因?yàn)檎T導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而運(yùn)轉(zhuǎn)誘導(dǎo)物需要透過酶，后者合成需要誘導(dǎo)。在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量（1-5個mRNA分子）lacmRNA合成--本底水平組成型合成。

lac操縱子的本底水平表達(dá)目前五十四頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)552、大腸桿菌對乳糖的反應(yīng)碳源為甘油的培養(yǎng)基乳糖目前五十五頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)大腸桿菌對乳糖的反應(yīng)以甘油為碳源的培養(yǎng)基，按照lac操縱子本地水平表達(dá)，每個細(xì)胞可有幾個分子的β-半乳糖苷酶和乳糖透過酶加入乳糖----異構(gòu)乳糖----與操縱區(qū)上的阻遏物相結(jié)合使后者失活---離開操縱區(qū)---開始lacmRNA的生物合成-----編碼大量的β-半乳糖苷酶和乳糖透過酶。結(jié)果：乳糖大量涌入細(xì)胞，被降解為葡萄糖和半乳糖目前五十六頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)3、阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能乳糖操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的，每個細(xì)胞中有5-10個阻遏物分子。當(dāng)I基因由弱啟動子突變成強(qiáng)啟動子，細(xì)胞內(nèi)不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物克服阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。目前五十七頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)583、阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因弱啟動子控制的組成型合成目前五十八頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)59目前五十九頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)604、葡萄糖對lac操縱子的影響研究認(rèn)為葡萄糖的某些降解產(chǎn)物抑制lacmRNA的合成，這種效應(yīng)稱之為代謝物阻遏效應(yīng).目前六十頁\總數(shù)七十四頁\編于五點(diǎn)612、P區(qū)位于I與O之間，O為阻遏物結(jié)合位點(diǎn)

啟動子RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)調(diào)節(jié)基因CAP結(jié)合位點(diǎn)操縱基因Z基因阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)

目前六十