微生物基因表達(dá)的調(diào)控

關(guān)于微生物基因表達(dá)的調(diào)控第1頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三概述(Introduction)基因表達(dá)(geneexpression)--基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過程，合成具有特定的生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)的蛋白質(zhì)的全過程中心法則(thecentraldogma)：第2頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三基因表達(dá)是受調(diào)控的

不是所有的基因表達(dá)都產(chǎn)生蛋白質(zhì)，rRNA或tRNA的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工產(chǎn)生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表達(dá)，因為rRNA或tRNA就具有在蛋白質(zhì)翻譯方面的功能。但是基因表達(dá)＝轉(zhuǎn)錄＋翻譯第3頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三

大腸桿菌基因組（約4000個基因)，一般情況下只有5－10%在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達(dá)，或者暫時不表達(dá)。人的基因組約含有10萬個基因，但在一個組織細(xì)胞中通常只有一部分基因表達(dá)，多數(shù)基因處在沉靜狀態(tài)，典型的哺乳類細(xì)胞中開放轉(zhuǎn)錄的基因約在1萬個上下，即使蛋白質(zhì)合成量比較多、基因開放比例較高的肝細(xì)胞，一般也只有不超過20%的基因處于表達(dá)狀態(tài)。生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達(dá)出來的第4頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三基因表達(dá)的時間性及空間性

(temporalandspatialspecificity)時間特異性(temporalspecificity)某一基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時間順序發(fā)生

Hb(hemoglobin)α珠蛋白基因簇：ζ（胚胎型）、αβ珠蛋白基因簇：ε（胚胎型）、γ（胎兒型）、β、δζ2ε2→α2γ2→α2β2第5頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三空間特異性(spatialspecificity)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）,控制胚胎發(fā)育的基因第6頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三第7頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三基因表達(dá)的方式-1組成性基因表達(dá)(constitutivegeneexpression)：指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達(dá)。——管家基因與奢侈基因產(chǎn)物是細(xì)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-keepinggene)；管家基因--在一個生物個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因。

奢侈基因（luxurygene）—只在特定的細(xì)胞類型中表達(dá)的基因第8頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三基因表達(dá)的方式-2適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression)：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)。誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)誘導(dǎo)（induction）--可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境信號刺激下表達(dá)增強的過程。DNA損傷→修復(fù)酶基因激活乳糖→利用乳糖的三種酶表達(dá)阻遏（repression）--可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過程色氨酸—色氨酸合成酶系第9頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三基因表達(dá)的方式-3協(xié)調(diào)表達(dá)協(xié)調(diào)表達(dá)

在一定機制控制下，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)(coordinateexpression)第10頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三基因表達(dá)的調(diào)控方式:

阻遏負(fù)調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列基因的表達(dá)

(相應(yīng)蛋白質(zhì)降低)

促進正調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列基因的表達(dá)

(相應(yīng)蛋白質(zhì)增加)第11頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理基因表達(dá)的多級調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控transcriptionallevel:

轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄起始;轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控post-transcriptionallevel：轉(zhuǎn)錄后加工、運輸、mRNA降解;翻譯水平的調(diào)控translationlevel：翻譯的起始;翻譯后水平的調(diào)控post-translationlevel

翻譯后的加工、轉(zhuǎn)運、多肽鏈的分解.基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖維持個體發(fā)育與分化第12頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三第13頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三原核生物中，營養(yǎng)狀況（nutritionalstatus）和環(huán)境因素（environmentalfactor）對基因表達(dá)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（hormonelevel）和發(fā)育階段（developmentalstage）是基因表達(dá)調(diào)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(zhuǎn)錄水平上對基因表達(dá)的調(diào)控決定于DNA的結(jié)構(gòu)、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(dá)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，其次是翻譯水平。第14頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三

因為細(xì)菌mRNA在形成過程中與核糖體混合在一起，所以，細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄與翻譯過程幾乎發(fā)生在同一時間間隔內(nèi)，轉(zhuǎn)錄與翻譯相耦聯(lián)（coupledtranscriptionandtranslation）。真核生物中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（primarytranscript）只有從核內(nèi)運轉(zhuǎn)到核外，才能被核糖體翻譯成蛋白質(zhì)。第15頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三

原核生物的共有序列

原核生物的啟動序列，在距離轉(zhuǎn)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(jié)合部位決定轉(zhuǎn)錄起始點第16頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三共有序列(consensussequence)

決定啟動序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定RNA聚合酶對一個或一套啟動序列的特異性識別和結(jié)合能力。第17頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三——阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉(zhuǎn)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，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三可結(jié)合啟動序列鄰近的DNA序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)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，講稿共60頁，2023年5月2日，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(jié)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，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三操縱子模型的提出

—莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)

獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎第一節(jié)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控(controloftranscription)第21頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三操縱子（operon）：原核生物中幾個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列組成的一個基因表達(dá)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(diào)節(jié)序列)第22頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三DiscoveryofOperon1940年，Monod發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時，細(xì)菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細(xì)菌的生長會出現(xiàn)停頓。即產(chǎn)生“二次生長曲線”。文獻：細(xì)胞中存在兩種酶，即組成酶與適應(yīng)酶（誘導(dǎo)酶）。1947年，報告：“酶的適應(yīng)現(xiàn)象及其在細(xì)胞分化中的意義”。第23頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三1951年，Monod與Jacob合作。發(fā)現(xiàn)兩對基因：Z基因：與合成β-半乳糖苷酶有關(guān)；I基因：決定細(xì)胞對誘導(dǎo)物的反應(yīng)。Szilard：I基因決定阻遏物的合成，當(dāng)阻遏物存在時，酶無法合成，只有有誘導(dǎo)物存在，才能去掉該阻遏物。

Jacob：結(jié)構(gòu)基因旁有開關(guān)基因（即操縱基因），阻遏物通過與開關(guān)基因的結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。第24頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌以葡萄糖為能量來源葡萄糖充分時：

與葡萄糖代謝有關(guān)的酶基因---表達(dá)

與其他糖代謝有關(guān)的酶基因---關(guān)閉葡萄糖耗盡時，乳糖存在（培養(yǎng)基）：

與乳糖代謝有關(guān)的酶基因

---表達(dá)

與葡萄糖代謝有關(guān)的酶基因---關(guān)閉第25頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三IPOZYa調(diào)控基因控制位點結(jié)構(gòu)基因DNA阻遏蛋白啟動序列cAMP-CAP結(jié)合位點操縱序列β半乳糖苷酶通透酶乙?；D(zhuǎn)移酶乳糖操縱子（lactoseopron）結(jié)構(gòu)RNA聚合酶結(jié)合位點第26頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因第27頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶第28頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時CAP的正性調(diào)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(jié)合才有活性第29頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三

阻遏基因轉(zhuǎn)錄翻譯阻遏蛋白R，R與操縱基因結(jié)合，阻止結(jié)合在啟動子上的DDRP前移，結(jié)構(gòu)基因不被轉(zhuǎn)錄

1）無乳糖也無葡萄糖存在時：OO2）當(dāng)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(guān)閉，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調(diào)節(jié)不起作用總結(jié)：所以：無乳糖時，無論有無葡萄糖，操縱子關(guān)閉第30頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三

由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調(diào)節(jié)不起作用，抑制乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄，使細(xì)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(jié)合，使阻遏蛋白變構(gòu)，失去與操縱基因結(jié)合的能力而脫落第31頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三

由于不含葡萄糖，細(xì)胞內(nèi)cAMP含量高，cAMP與CAP結(jié)合成復(fù)合物，與DNA結(jié)合，并推動DDRP向前移動，促進轉(zhuǎn)錄。4）有乳糖，無葡萄糖時：mRNARNA-polO

乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白變構(gòu)，失去與操縱基因結(jié)合的能力而脫落，結(jié)合在啟動子上的DDRP向前移動，結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄翻譯，合成與乳糖代謝有關(guān)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(guān)閉第32頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三IOOρ誘導(dǎo)劑乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控圖15-4第33頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三

CAP-cAMP復(fù)合物在乳糖操縱子表達(dá)中的作用---正調(diào)控條件2:低乳糖條件3:低乳糖條件4:高葡萄糖低cAMP高乳糖Lac阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄時,沒有CAP存在,也無高效轉(zhuǎn)錄活性。Lac阻遏蛋白不封閉轉(zhuǎn)錄,CAP+cAMP加強轉(zhuǎn)錄。OOOOO圖15-5第34頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinateregulation)負(fù)性調(diào)節(jié)與正性調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)合作阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP不發(fā)揮作用如沒有CAP加強轉(zhuǎn)錄，即使阻遏蛋白從P上解聚仍無轉(zhuǎn)錄活性☆葡萄糖/乳糖共同存在時，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP濃度，阻礙其與CAP結(jié)合從而抑制轉(zhuǎn)錄結(jié)論：lac操縱子強的誘導(dǎo)作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖第35頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三IPTG(異丙基硫代半乳糖苷)極強的誘導(dǎo)劑第36頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三1．RNA編輯（RNAediting）2．mRNA前體的選擇性拼接3．反義RNA的調(diào)控反義RNA的調(diào)控是指真核生物基因組中，某些調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄或翻譯的調(diào)控機制。這些調(diào)節(jié)基因所產(chǎn)生的RNA稱之為反義RNA。轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控第37頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三mRNA的加工原核生物的mRNA往往一產(chǎn)生就是成熟的，不需轉(zhuǎn)錄后的修飾加工，真核生物基因的初始轉(zhuǎn)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(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)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(nèi)含子的特殊結(jié)構(gòu)而能自發(fā)地進行剪接；第二類是蛋白質(zhì)（酶）促剪切；第三類是需要一種細(xì)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，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三翻譯水平的調(diào)控mRNA的穩(wěn)定性：mRNA的降解速度受細(xì)菌的生理狀態(tài)、環(huán)境因素及mRNA結(jié)構(gòu)的影響。翻譯產(chǎn)物對翻譯的影響小分子RNA的調(diào)控作用mRNA干擾性互補RNA（micRNA)或反義RNA(antisenseRNA）調(diào)整基因表達(dá)產(chǎn)物的類型低水平表達(dá)基因的控制第39頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三真核生物基因表達(dá)的調(diào)控DNA水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控翻譯后水平的調(diào)控第40頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三真核基因組結(jié)構(gòu)特點真核基因組結(jié)構(gòu)龐大

3×109bp單順反子含有大量重復(fù)序列

基因不連續(xù)性內(nèi)含子外顯子非編碼區(qū)較多多于編碼序列(9:1)第41頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大哺乳類動物基因組DNA約3×109

堿基對編碼基因約有40000個，占總長的6%rDNA等重復(fù)基因約占5%～10%第42頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三（二）單順反子單順反子(monocistron)

即一個編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。（三）重復(fù)序列（正向重復(fù)、反向重復(fù)）單拷貝序列（一次或數(shù)次）高度重復(fù)序列（106

次）中度重復(fù)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，講稿共60頁，2023年5月2日，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(diào)控主要通過反式作用因子（通常是蛋白質(zhì)）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-actingelement）

：對基因表達(dá)有調(diào)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(zhì)，多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中，如啟動子。反式作用因子（trans-actingfactor）

：通過擴散自身表達(dá)產(chǎn)物（酶、調(diào)節(jié)蛋白）控制其他基因的表達(dá),如轉(zhuǎn)錄因子；其編碼基因與其識別或結(jié)合靶核苷酸序列不在同一個DNA分子上第44頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三基因表達(dá)的調(diào)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-actingfactorRegulatorRNApolymarase第45頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因（structuralgenes）：編碼蛋白質(zhì)或RNA的任何基因。原核生物的結(jié)構(gòu)基因一般成簇排列，真核生物獨立存在。結(jié)構(gòu)基因簇由單一啟動子共同調(diào)控。調(diào)節(jié)基因（regulatorgenes）：參與其他基因表達(dá)調(diào)控的RNA或蛋白質(zhì)的編碼基因。調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物質(zhì)通過與DNA上的特定位點結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄是調(diào)控的關(guān)鍵。調(diào)節(jié)物與DNA特定位點的相互作用能以正調(diào)控方式（啟動或增強基因表達(dá)活性）調(diào)節(jié)靶基因，也能以負(fù)調(diào)控方式（關(guān)閉或降低基因表達(dá)活性）調(diào)節(jié)靶基因。第46頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三啟動子和終止子啟動子

(promoter,P)：能被RNA聚合酶識別、結(jié)合并啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。終止子（terminator，T）：給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)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，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三啟動子真核基因啟動子是RNA聚合酶結(jié)合位點周圍的一組轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個轉(zhuǎn)錄起始點以及一個以上的功能組件。TATA盒GC盒CAAT盒第48頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三增強子(enhancer)指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點、決定基因的時間、空間特異性、增強啟動子轉(zhuǎn)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(guān)。①在轉(zhuǎn)錄起始點5’或3’側(cè)均能起作用；②相對于啟動子的任一指向均能起作用；③發(fā)揮作用與受控基因的遠(yuǎn)近距離相對無關(guān)；④對異源性啟動子也能發(fā)揮作用；⑤通常具有一些短的重復(fù)順序。

特點第49頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三增強子第50頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三沉默子(silencer)某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時，對基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。第51頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三同一DNA序列可被不同蛋白質(zhì)識別同一蛋白質(zhì)因子可與多種不同DNA序列發(fā)生聯(lián)系，少數(shù)是直接結(jié)合，多數(shù)是蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用后再影響DNA。蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)或DNA-蛋白質(zhì)的結(jié)合，均導(dǎo)致構(gòu)象上的微細(xì)變化，構(gòu)象變化常是實現(xiàn)調(diào)控功能的分子基礎(chǔ)。反式作用因子在自身生物合成過程中，有相當(dāng)大的可變性和可塑性。反式作用因子第52頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三操縱基因和阻抑蛋白操縱基因（operatorgene）：能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱基因序列上，會影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強弱。與操縱基因結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為阻遏蛋白（repressivepro