第七章原核基因表達調(diào)控張鐵軍

內(nèi)容提要一、概述

二、原核生物基因表達的調(diào)控（一）原核生物基因表達的特點（二）原核生物基因表達的調(diào)控機制

(1)

轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控(2)轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控(3)翻譯水平的調(diào)控當(dāng)前第1頁\共有83頁\編于星期三\8點概述當(dāng)前第2頁\共有83頁\編于星期三\8點概述基因表達(geneexpression)是基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程，也是基因所攜帶的遺傳信息表現(xiàn)為表型的過程，包括基因轉(zhuǎn)錄成互補的RNA序列，對于蛋白質(zhì)編碼基因，mRNA繼而翻譯成多肽鏈，并裝配加工成最終的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。當(dāng)前第3頁\共有83頁\編于星期三\8點

基因表達的時間性及空間性1.時間特異性

按功能需要某一特定基因表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生。如病毒感染；胚胎發(fā)育?；虮磉_的時間特異性又稱階段特異性。當(dāng)前第4頁\共有83頁\編于星期三\8點孕三天桑椹胚孕五周當(dāng)前第5頁\共有83頁\編于星期三\8點2.空間特異性

指在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體不同組織器官表達存在差異?？臻g特異性又稱細胞特異性或組織特異性。

基因表達的時間性及空間性當(dāng)前第6頁\共有83頁\編于星期三\8點組織特異性轉(zhuǎn)基因爪蛙品系當(dāng)前第7頁\共有83頁\編于星期三\8點

基因表達調(diào)控（regulationofgeneexpression）就是指細胞或生物體在接受內(nèi)外環(huán)境信號刺激時或適應(yīng)環(huán)境變化的過程中在基因表達水平上做出應(yīng)答的分子機制，即位于基因組內(nèi)的基因如何被表達成為有功能的蛋白質(zhì)（或RNA），在什么組織表達，什么時候表達，表達多少等?；虮磉_的方式存在多樣性當(dāng)前第8頁\共有83頁\編于星期三\8點基因表達的方式組成性基因表達適應(yīng)性表達（誘導(dǎo)和阻遏表達）按對刺激的反應(yīng)性，基因表達的方式分為：當(dāng)前第9頁\共有83頁\編于星期三\8點1、組成性基因表達

某些基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因

(house-keepinggene)。當(dāng)前第10頁\共有83頁\編于星期三\8點管家基因的表達水平受環(huán)境因素影響較小，是在生物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。這類基因表達被視為組成性（或基本）基因表達(constitutivegeneexpression)。當(dāng)前第11頁\共有83頁\編于星期三\8點bcl-2β-actin12瓊脂糖凝膠電泳圖1.對照組2.實驗組當(dāng)前第12頁\共有83頁\編于星期三\8點常用的管家基因中文名稱英文縮寫

beta－肌動蛋白β-actin甘油醛3-磷酸脫氫酶GAPDHTATABox結(jié)合蛋白 TBP18s核糖體核糖核酸 18srRNA微管蛋白α

α-tubulin當(dāng)前第13頁\共有83頁\編于星期三\8點2、誘導(dǎo)和阻遏表達誘導(dǎo)表達（induction）指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。阻遏表達（repression）指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因。當(dāng)前第14頁\共有83頁\編于星期三\8點在一定機制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達，即為協(xié)同表達(coordinateexpression)。3、協(xié)同表達當(dāng)前第15頁\共有83頁\編于星期三\8點

基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義

1.適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖；

2.維持個體發(fā)育和分化。當(dāng)前第16頁\共有83頁\編于星期三\8點基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本要素1、特異DNA序列原核生物的操縱子（operon）真核生物的順式作用元件

（cis-actingelement）2、調(diào)節(jié)蛋白當(dāng)前第17頁\共有83頁\編于星期三\8點第一節(jié)原核基因表達調(diào)控總論當(dāng)前第18頁\共有83頁\編于星期三\8點

基因組

轉(zhuǎn)錄

轉(zhuǎn)錄后

翻譯

翻譯后基因表達的調(diào)控水平當(dāng)前第19頁\共有83頁\編于星期三\8點轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控（較少）原核基因表達調(diào)控當(dāng)前第20頁\共有83頁\編于星期三\8點一、原核基因調(diào)控機制的類型與特點（一）原核基因調(diào)控機制的類型負調(diào)控正調(diào)控geneON→OFF阻遏蛋白geneOFF→ON激活蛋白基因表達量特別低當(dāng)前第21頁\共有83頁\編于星期三\8點1、負調(diào)控negativeregulation在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是表達的，加入某種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被關(guān)閉，這樣的控制系統(tǒng)就叫做負控系統(tǒng)。其調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)叫做阻遏蛋白兩種類型：負控誘導(dǎo)和負控阻遏當(dāng)前第22頁\共有83頁\編于星期三\8點負控誘導(dǎo)系統(tǒng)負控阻遏系統(tǒng)失活的阻遏蛋白阻遏蛋白1.阻遏蛋白；2.加入某種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被關(guān)閉當(dāng)前第23頁\共有83頁\編于星期三\8點2、正調(diào)控positiveregulation在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是關(guān)閉的，加入某種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開啟，這樣的控制系統(tǒng)就叫做正控系統(tǒng)。其調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)叫做激活蛋白兩種類型:正控誘導(dǎo)和正控阻遏系統(tǒng)當(dāng)前第24頁\共有83頁\編于星期三\8點正控誘導(dǎo)系統(tǒng)正控阻遏系統(tǒng)失活的激活蛋白1.激活蛋白；2.加入某種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開啟當(dāng)前第25頁\共有83頁\編于星期三\8點失活的激活蛋白失活的阻遏蛋白阻遏蛋白當(dāng)前第26頁\共有83頁\編于星期三\8點（二）原核生物基因表達調(diào)控的特點調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄水平上進行σ因子決定RNA聚合酶識別特異性主要通過操縱子模式進行調(diào)節(jié)當(dāng)前第27頁\共有83頁\編于星期三\8點1、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點

(一)σ因子決定RNA聚合酶識別特異性核心酶全酶當(dāng)前第28頁\共有83頁\編于星期三\8點

σ因子當(dāng)前第29頁\共有83頁\編于星期三\8點大腸桿菌中的各種σ因子比較σ因子編碼基因主要功能σ70rpoD識別一般啟動子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調(diào)控σ32rpoS熱休克基因的表達調(diào)控σ28rpoF鞭毛趨化相關(guān)基因的表達調(diào)控σ24rpoE過度熱休克基因的表達調(diào)控當(dāng)前第30頁\共有83頁\編于星期三\8點

第二節(jié)乳糖操縱子與負控誘導(dǎo)系統(tǒng)當(dāng)前第31頁\共有83頁\編于星期三\8點乳糖操縱子模型的建立(JacobandMonod,1961)FrancoisJacobJacqucesMonod獲1965年諾貝爾獎當(dāng)前第32頁\共有83頁\編于星期三\8點------操縱子(operon)操縱子：是基因表達的調(diào)控單位，由調(diào)節(jié)基因、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。當(dāng)前第33頁\共有83頁\編于星期三\8點

------操縱子(operon)

結(jié)構(gòu)基因

啟動子

操縱基因

調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)阻遏蛋白當(dāng)前第34頁\共有83頁\編于星期三\8點一、乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)與組成

調(diào)控區(qū)阻遏基因啟動子操縱基因

結(jié)構(gòu)基因lacZ：β-半乳糖苷酶lacY：β-半乳糖苷透過酶lacA：β-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAI當(dāng)前第35頁\共有83頁\編于星期三\8點藍白顯色篩選法當(dāng)前第36頁\共有83頁\編于星期三\8點二、酶的誘導(dǎo)--lac體系受調(diào)控的證據(jù)在不含乳糖的培養(yǎng)基中，lac+基因型每個大腸桿菌細胞內(nèi)大約只有1～2個酶分子。如果在培養(yǎng)基中加入乳糖，酶的濃度很快達到細胞總蛋白量的6%或7%，每個細胞中可有超過105個酶分子。1、實驗證據(jù)當(dāng)前第37頁\共有83頁\編于星期三\8點當(dāng)前第38頁\共有83頁\編于星期三\8點2、實驗用誘導(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)當(dāng)前第39頁\共有83頁\編于星期三\8點三、lac操縱子模型及其影響因子（一）Lac操縱子模型調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)基因當(dāng)前第40頁\共有83頁\編于星期三\8點乳糖操縱子模型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β-半乳糖苷透過酶，它能將乳糖運送透過細菌的細胞壁；lacA：編碼β-半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶，進行乳糖代謝。多順反子：一個mRNA分子編碼多個多肽鏈。這些多肽鏈對應(yīng)的DNA片段則位于同一轉(zhuǎn)錄單位內(nèi)，享用同一對起點和終點。當(dāng)前第41頁\共有83頁\編于星期三\8點2、P區(qū)位于I與O之間，O為阻遏蛋白結(jié)合位點

啟動子（P）

RNA聚合酶結(jié)合位點調(diào)節(jié)基因CAP結(jié)合位點操縱基因（O）結(jié)構(gòu)基因

I阻遏蛋白結(jié)合位點

當(dāng)前第42頁\共有83頁\編于星期三\8點mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時3、乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)阻遏基因（1）阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)當(dāng)前第43頁\共有83頁\編于星期三\8點mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄lacmRNA乳糖異構(gòu)乳糖β-半乳糖苷酶lac操縱子與阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)當(dāng)前第44頁\共有83頁\編于星期三\8點3、乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)（2）CAP的正性調(diào)節(jié)1.cAMP由ATP合成。2.代謝物激活蛋白（cataboliteactivatorprotein，CAP）又稱為環(huán)腺苷酸受體（cAMPreceptorprotein，CRP）。3.每個CAP可結(jié)合一個cAMP。4.在含葡萄糖的培養(yǎng)基中，cAMP的濃度很低。5.RNA聚合酶ɑ亞基可以和結(jié)合有cAMP的CAP結(jié)合，從而起始轉(zhuǎn)錄。當(dāng)前第45頁\共有83頁\編于星期三\8點當(dāng)前第46頁\共有83頁\編于星期三\8點

當(dāng)前第47頁\共有83頁\編于星期三\8點4、協(xié)同調(diào)節(jié)當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。乳糖作為阻遏蛋白的誘導(dǎo)物操控負調(diào)節(jié)葡萄糖降低cAMP-CAP操控正調(diào)節(jié)當(dāng)前第48頁\共有83頁\編于星期三\8點mRNA低乳糖時高乳糖時

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO阻遏蛋白cAMP-CAPcAMP-CAP阻遏蛋白當(dāng)前第49頁\共有83頁\編于星期三\8點(二)乳糖操縱子的影響因子1、lac操縱子的本底水平表達乳糖當(dāng)前第50頁\共有83頁\編于星期三\8點因為誘導(dǎo)物需要穿過細胞壁才能與阻遏蛋白結(jié)合，而運轉(zhuǎn)誘導(dǎo)物需要透過酶。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當(dāng)前第51頁\共有83頁\編于星期三\8點3、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當(dāng)前第52頁\共有83頁\編于星期三\8點4、葡萄糖對lac操縱子的影響代謝物阻遏效應(yīng)（葡萄糖效應(yīng)）是指當(dāng)葡萄糖和其它糖類一起作為細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。研究認為葡萄糖的某些代謝產(chǎn)物抑制lacmRNA的合成，這種效應(yīng)稱之為代謝物阻遏效應(yīng).當(dāng)前第53頁\共有83頁\編于星期三\8點5、lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的不同Z、Y、A三個基因產(chǎn)物的拷貝數(shù)比例為1：0.5：0.2當(dāng)前第54頁\共有83頁\編于星期三\8點1、lacmRNA可能在翻譯過程中的核糖體相脫離，從而終止蛋白質(zhì)鏈的翻譯。原因：在翻譯水平上的調(diào)節(jié)當(dāng)前第55頁\共有83頁\編于星期三\8點2、lacmRNA分子內(nèi)部，A基因比Z基因更易受內(nèi)切酶作用發(fā)生降解，故Z基因的完整拷貝數(shù)要比A基因多。原因：在翻譯水平上的調(diào)節(jié)降解當(dāng)前第56頁\共有83頁\編于星期三\8點CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導(dǎo)劑對lac操縱子的調(diào)節(jié)當(dāng)前第57頁\共有83頁\編于星期三\8點

色氨酸操縱子與負控阻遏系統(tǒng)當(dāng)前第58頁\共有83頁\編于星期三\8點可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)分解代謝的操縱子，同時受cAMP-CAP的活性調(diào)節(jié)可阻遏調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)合成代謝的操縱子（色氨酸）特殊代謝物調(diào)節(jié)基因活性的類型當(dāng)前第59頁\共有83頁\編于星期三\8點當(dāng)前第60頁\共有83頁\編于星期三\8點一、trp操縱子的阻遏系統(tǒng)（一）trp操縱子的研究背景酶合成阻遏的現(xiàn)象—JacobandMonod的工作

當(dāng)前第61頁\共有83頁\編于星期三\8點（二）trp操縱子的結(jié)構(gòu)阻遏型操縱子trpAtrpBtrpCtrpEtrpDPtrpOtrp前導(dǎo)序列aTrp阻抑物色氨酸激活RNAtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA色氨酸合成所需的酶trpR當(dāng)前第62頁\共有83頁\編于星期三\8點酶阻遏的操縱子模型輔阻遏蛋白無活性，不能與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因表達.調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因mRNA酶蛋白.........輔阻遏蛋白當(dāng)前第63頁\共有83頁\編于星期三\8點（三）trp操縱子的阻遏調(diào)控機制色氨酸操縱子主要參與調(diào)控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉(zhuǎn)錄合成。當(dāng)細胞內(nèi)缺乏色氨酸時，此操縱子開放，而當(dāng)細胞內(nèi)合成的色氨酸過多時，此操縱子被關(guān)閉。色氨酸操縱子的調(diào)控機制與乳糖操縱子類似，但通常情況下，操縱子處于開放狀態(tài)，其輔阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合而阻遏轉(zhuǎn)錄。而當(dāng)色氨酸合成過多時，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏蛋白結(jié)合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結(jié)合而使基因轉(zhuǎn)錄關(guān)閉。當(dāng)前第64頁\共有83頁\編于星期三\8點TrpTrp濃度高時Trp濃度低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操縱子－阻遏調(diào)節(jié)?當(dāng)前第65頁\共有83頁\編于星期三\8點二、弱化子與前導(dǎo)肽（一）弱化子在操縱區(qū)與結(jié)構(gòu)基因之間的一段可以終止轉(zhuǎn)錄作用的核苷酸序列，當(dāng)操縱子被阻遏時，RNA合成被終止，這段核苷酸起終止轉(zhuǎn)錄信號作用.調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列弱化子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234當(dāng)前第66頁\共有83頁\編于星期三\8點UUUU……RNA聚合酶起調(diào)節(jié)作用的是某種氨酰-tRNA的濃度當(dāng)前第67頁\共有83頁\編于星期三\8點當(dāng)前第68頁\共有83頁\編于星期三\8點UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時轉(zhuǎn)錄衰減機制125’trp密碼子弱化子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’RNA聚合酶終止當(dāng)前第69頁\共有83頁\編于星期三\8點（二）前導(dǎo)肽UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNARNA聚合酶當(dāng)色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成弱化子結(jié)構(gòu)當(dāng)前第70頁\共有83頁\編于星期三\8點當(dāng)前第71頁\共有83頁\編于星期三\8點5’trpmRNAtrpL1234寡聚U區(qū)trpE(a)正常(b)高[Trp]12轉(zhuǎn)錄終止34(C)低[Trp]1234轉(zhuǎn)錄延伸當(dāng)前第72頁\共有83頁\編于星期三\8點（三）弱化子的生物學(xué)意義活性阻遏物和非活性阻遏物的轉(zhuǎn)變可能較慢，而tRNA荷載與否可能更為靈敏；氨基酸的主要用途是合成蛋白質(zhì)，因而以tRNA荷載情況為標準來進行控制可能更為恰當(dāng).當(dāng)細胞內(nèi)氨基酸高于某一水平時，可以實現(xiàn)完全的阻遏；而只有低于這一水平時，才需用弱化子這個調(diào)節(jié)系統(tǒng)來進行調(diào)節(jié)，阻遏蛋白和弱化子調(diào)節(jié)機制都是為了避免浪費，提高效率。當(dāng)前第73頁\共有83頁\編于星期三\8點第四節(jié)其他操縱子（自學(xué)）第五節(jié)固氮基因調(diào)控（自學(xué)）當(dāng)前第74頁\共