基因的表達與調(diào)控-原核基因表達調(diào)控模式

第一節(jié)原核基因表達調(diào)控總論

隨著生物個體的發(fā)育，DNA分子能有序地將其所承載的遺傳信息，通過密碼子-反密碼子系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，執(zhí)行各種生理生化功能。

科學(xué)家把從DNA到蛋白質(zhì)的過程稱為基因表達（geneexpression），對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達調(diào)控（generegulation，genecontrol）。

基因調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的中心課題。1第一節(jié)原核基因表達調(diào)控總論2基因表達調(diào)控主要表現(xiàn)在以下二方面：轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控：mRNA加工成熟水平調(diào)控翻譯水平調(diào)控不同的生物使用不同的信號來指揮基因調(diào)控。原核生物中，營養(yǎng)狀況和環(huán)境因素對基因表達起著舉足輕重的影響。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和發(fā)育階段是基因表達調(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。第一節(jié)原核基因表達調(diào)控總論2023/10/13在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達的調(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。轉(zhuǎn)錄與翻譯的特點：細菌的轉(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)。真核生物中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物只有從核內(nèi)運轉(zhuǎn)到核外，才能被核糖體翻譯成蛋白質(zhì)。第一節(jié)原核基因表達調(diào)控總論2023/10/141.原核基因調(diào)控分類原核生物的基因調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，根據(jù)調(diào)控機制的不同可分為負轉(zhuǎn)錄調(diào)控和正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。在負轉(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)。根據(jù)其作用特征又可分為負控誘導(dǎo)系統(tǒng)和負控阻遏系統(tǒng)二大類。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)。也可根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)。阻遏蛋白激活蛋白轉(zhuǎn)錄激活負控誘導(dǎo)正控誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄抑制負控阻遏正控阻遏2023/10/15第一節(jié)原核基因表達調(diào)控總論2023/10/161.原核基因調(diào)控分類大腸桿菌中基因表達調(diào)控最常見的蛋白質(zhì)可能是σ因子，基因組序列分析后發(fā)現(xiàn)存在6種σ因子，并根據(jù)其相對分子質(zhì)量的大小或編碼基因進行命名，其中σ70是調(diào)控最基本的生理功能如碳代謝、生物合成等基因的轉(zhuǎn)錄所必須的。第一節(jié)原核基因表達調(diào)控總論2023/10/172.原核基因調(diào)控的主要特點：原核生物通過特殊代謝物調(diào)節(jié)的基因活性主要分為可誘導(dǎo)和可阻遏兩大類:可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)。是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)的誘導(dǎo)下使基因活化。這類基因中最突出的例子是大腸桿菌的乳糖操縱子。可阻遏調(diào)節(jié)。這類基因平時都是開啟的，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而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達。比如大腸桿菌中的色氨酸操縱子。第一節(jié)原核基因表達調(diào)控總論2023/10/183.弱化子對基因活性的影響在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號作用的是有特殊負載的氨酰-tRNA的濃度，在色氨酸操縱子中就是色氨酰-tRNA的濃度。當(dāng)操縱子被阻遏，RNA合成被終止時，起終止轉(zhuǎn)錄信號作用的那一段DNA序列被稱為弱化子。屬于這種調(diào)節(jié)方式的有：大腸桿菌中的色氨酸操縱子、苯丙氨酸操縱子、蘇氨酸操縱子、異亮氨酸操縱子和纈氨酸操縱子以及沙門氏菌的組氨酸操縱子和亮氨酸操縱子、嘧啶合成操縱子等等。第一節(jié)原核基因表達調(diào)控總論2023/10/194.降解物對基因活性的調(diào)節(jié)有葡萄糖存在的情況下，即使在細菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麥芽糖等誘導(dǎo)物，與其相對應(yīng)的操縱子也不會啟動，不會產(chǎn)生出代謝這些糖的酶來，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)或稱為降解物抑制作用。降解物抑制作用是通過提高轉(zhuǎn)錄強度來調(diào)節(jié)基因表達的，是一種積極的調(diào)節(jié)方式。第一節(jié)原核基因表達調(diào)控總論2023/10/1105.細菌的應(yīng)急反應(yīng)細菌有時會碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓——氨基酸的全面匱乏。細菌會產(chǎn)生一個應(yīng)急反應(yīng)——停止包括生產(chǎn)各種RNA、糖、和蛋白質(zhì)的幾乎全部生物化學(xué)反應(yīng)過程。實施這一應(yīng)急反應(yīng)的信號是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸(pppGpp)。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物是空載tRNA。當(dāng)氨基酸饑餓時，細胞中便存在大量的不帶氨基酸的tRNA，這種空載的tRNA會激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp的出現(xiàn)會關(guān)閉許多基因，以應(yīng)付這種緊急狀況。ppGpp影響RNA聚合酶與這些基因轉(zhuǎn)錄起始位點的結(jié)合，使基因被關(guān)閉。ppGpp與pppGpp的作用范圍十分廣泛，它們影響一大批操縱子而被稱為超級調(diào)控因子。第二節(jié)乳糖操縱子2023/10/1111961年，Jacob和Monod提出了操縱子模型，這是與特殊代謝途徑有關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄的協(xié)同調(diào)控模型。操縱子是基因表達和調(diào)控的單元，典型的操縱子包括:結(jié)構(gòu)基因（除調(diào)節(jié)基因以外的所有基因），編碼那些在某一特定的生物合成途徑中起作用的、其表達被協(xié)同調(diào)控的酶。調(diào)控元件，如操縱序列，是調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。調(diào)節(jié)基因，其產(chǎn)物能夠識別調(diào)控元件，例如阻抑物，可以結(jié)合并調(diào)控操縱基因序列。第二節(jié)乳糖操縱子2023/10/112大腸桿菌能利用乳糖作為碳源，而利用乳糖作為碳源的酶只有當(dāng)乳糖成為惟一的碳源時才會被合成。大腸桿菌乳糖操縱子（lactoseoperon）包括3個結(jié)構(gòu)基因：Z、Y和A，以及啟動子、控制子和阻遏子等。轉(zhuǎn)錄的調(diào)控是在啟動區(qū)和操縱區(qū)進行的。第二節(jié)乳糖操縱子2023/10/113P為啟動子，O為操縱區(qū)，lacI編碼阻遏子3個結(jié)構(gòu)基因各決定一種酶：Z編碼β-半乳糖苷酶；Y編碼β-半乳糖苷透過酶；A編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶。β-半乳糖苷酶是一種β-半乳糖苷鍵的專一性酶，除能將乳糖