原核生物基因表達(dá)的調(diào)控完整版

原核生物基因表達(dá)的調(diào)控Lac

operon

repressor

protein

binding

to

DNA第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控概述真核與原核生物如何調(diào)控?cái)?shù)以千、萬計(jì)的基因以最為經(jīng)濟(jì)、有效的時(shí)空模式進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)、細(xì)胞的分化,組織的特化，形態(tài)的發(fā)生和個(gè)體的發(fā)育。

基因表達(dá)

指儲(chǔ)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(gè)

過

程

。

典

型

的

基

因

表

達(dá)

是

基

因

經(jīng)

過

轉(zhuǎn)

錄

和

翻譯產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程。

有些基因只轉(zhuǎn)錄不翻譯

基因表達(dá)調(diào)控

在不同時(shí)期和不同條件下基因表達(dá)的開啟和關(guān)閉。同一細(xì)胞在不同的生存環(huán)境下，同一個(gè)體的不同細(xì)胞在不同的發(fā)育時(shí)期或不同組織器官中基因表達(dá)不相同。

轉(zhuǎn)

錄

水

平

(transcriptional

level)

的

調(diào)

控

包

括

轉(zhuǎn)

錄

前

、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工過程。

翻

譯

水

平

(translational

level)

的

調(diào)

控

指

從

mRNA

翻

譯

成多肽鏈的調(diào)控，包括翻譯和翻譯后加工過程。

原核生物基因轉(zhuǎn)錄和翻譯可在同一時(shí)間和位置上發(fā)生，基因表達(dá)的調(diào)控主要是在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行的。

組

成

型

表

達(dá)

維

持

細(xì)

胞

生

命

活

動(dòng)

必

需

基

因

的

表

達(dá)

基

本

不

受調(diào)控，其表達(dá)產(chǎn)物大致以恒定水平始終存在于細(xì)胞內(nèi)。這類基因稱為管家基因(housekeeping

gene)。如生物代謝過程

中

所

需

要

的

各

種

酶

或

蛋

白

質(zhì)

的

基

因

以

及

構(gòu)

成

細(xì)

胞

結(jié)

構(gòu)

成分的基因就屬這一類型。

可

調(diào)

型

表

達(dá)

基

因的表達(dá)是受到嚴(yán)格調(diào)控，

只有在一定的細(xì)

胞

類

型

、

發(fā)

育

時(shí)

期

及

環(huán)

境

條

件

下

才

表

達(dá)

。

這

類

基

因

稱

為可調(diào)基因（regulated

gene）。

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)

，這類基因稱為可誘導(dǎo)的基因。

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

，這類基因稱為可阻遏的基因。

細(xì)

胞

中

有

一

些

特

殊

蛋

白

質(zhì)

調(diào)

控

著

可

誘

導(dǎo)

基

因

和

可

阻

遏

基因

的

表

達(dá)

，

這

類

蛋

白

質(zhì)

稱

為

調(diào)

節(jié)

蛋

白

。

阻

遏

蛋

白

可

關(guān)

閉

其靶基因的表達(dá)，激活蛋白可打開所調(diào)控基因的表達(dá)。

基

因

表

達(dá)

的

時(shí)

間

特

異

某

一

基

因

的

表

達(dá)

嚴(yán)

格

按

特

定

的

時(shí)

間順

序

發(fā)

生

。

例

如

，

昆

蟲

變

態(tài)

過

程

的

各

種

基

因

要

在

一

定

發(fā)

育階段才能表達(dá)。

基因表達(dá)的空間特異性

在生物生長發(fā)育過程中，不同組織

細(xì)

胞

中

基

因

表

達(dá)

的

數(shù)

量

、

強(qiáng)

度

和

種

類

各

不

相

同

。

例

如

，與

植

物

成

花

有

關(guān)

的

基

因

也

只

有

在

花

原

基

形

成

時(shí)

才

表

達(dá)

，

而在

營

養(yǎng)

生

長

階

段

則

全

被

關(guān)

閉

，

并

且

在

營

養(yǎng)

器

官

和

生

殖

器

官的基因表達(dá)不同。第二節(jié)

原核生物基因表達(dá)的調(diào)控

操縱子模型（lac

operon）

法國Jocob和Monod等1961年提出了乳糖操縱子模型。操縱子的基本組成元件包括：

結(jié)構(gòu)基因（structural

gene）

啟

動(dòng)

子（promoter，P）

操縱基因（operator，O）1.

結(jié)

構(gòu)

基

因

(structural

gene,

SG)

：

操

縱

子

中

編

碼

蛋

白

質(zhì)

的基

因

稱

為

結(jié)

構(gòu)

基

因

。

各

結(jié)

構(gòu)

基

因

串

連

排

列

組

成

結(jié)

構(gòu)

基

因群，共同開啟或關(guān)閉，轉(zhuǎn)錄出多順反子的mRNA。2.啟動(dòng)子

操縱子至少有一個(gè)啟動(dòng)子。不同的啟動(dòng)子序列不同，與RNA聚合酶的親和力不同，啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的頻率高低不同，分為強(qiáng)啟動(dòng)子和弱啟動(dòng)子。3.操縱基因（operator

gene）能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA

序列，常與啟動(dòng)子鄰近或與啟動(dòng)子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱基因序列上，會(huì)影響其下游基因的轉(zhuǎn)錄。4.調(diào)節(jié)基因（regulatory

gene）編碼能與操縱基因序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因，其基因產(chǎn)物與操縱基因結(jié)合后能減弱或阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為阻遏蛋白，介導(dǎo)負(fù)調(diào)控；與操縱基因結(jié)合后能增強(qiáng)或起動(dòng)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為激活蛋白，介導(dǎo)正調(diào)控。5.終止子（terminator，T）

給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的DNA序列。在一個(gè)操縱子中至少在結(jié)構(gòu)基因群最后一個(gè)基因的后面有一個(gè)終止子。一些分解代謝酶類的基因只有在底物或底物類似物存在時(shí)才被誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄。參與合成代謝的酶類的基因在產(chǎn)物或產(chǎn)物類似物足量存在時(shí)才被阻遏。

乳糖操縱子

乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)大腸桿菌乳糖操縱子模型

阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控細(xì)

菌

生

長

在

無

乳

糖

的

培

養(yǎng)

基

中

時(shí)

，

lac

I

基

因

表

達(dá)

產(chǎn)

生

蛋白

R

，

R

蛋

白

特

異

性

地

與

操

縱

基

因

O

結(jié)

合

，

阻

礙

了

RNA

聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合，使1ac操縱子處于阻遏狀態(tài)。乳

糖

作

為

誘

導(dǎo)

劑

與

阻

遏

蛋

白

的

特

定

部

位

結(jié)

合

，

其

構(gòu)

象

改變，R與操縱基因解離，發(fā)生去阻遏作用，誘導(dǎo)了lac操縱子

基

因

的

開

放

，

β-

半

乳

糖

苷

酶

在

細(xì)

胞

內(nèi)

的

含

量

可

增

加1000倍之多。38

kd

/

monomerlacIOperatorlacZlacYlacAPromoterRepressorβ-Galactoside

permeaseβ-Galactosidaseβ-Galactoside

transacetylase

降解物基因活化蛋白（CAP）的正調(diào)控

沒有調(diào)節(jié)蛋白時(shí)操縱元內(nèi)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄活性是關(guān)閉的，而加入調(diào)節(jié)蛋白后結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄活性被開啟，這種調(diào)節(jié)方式稱為正調(diào)節(jié)。當(dāng)葡萄糖和乳糖同時(shí)存在于培養(yǎng)基中時(shí)，細(xì)菌通常優(yōu)先利用葡萄糖，cAMP含量低，lac操縱子不表達(dá)，當(dāng)環(huán)境中無葡萄糖時(shí)，cAMP含量升高，lac操縱子表達(dá)。cAMP可與CAP結(jié)合，CAP與cAMP特異結(jié)合后構(gòu)象改變而活化。當(dāng)cAMP-CAP復(fù)合物與1ac操縱子的啟動(dòng)子上游CAP位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，可使DNA發(fā)生94度彎曲，促進(jìn)了RNA聚合酶與啟動(dòng)子形成穩(wěn)定的開放型轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，從而使lac操縱子得到表達(dá)。小

結(jié)每一種調(diào)控蛋白分別響應(yīng)一種環(huán)境信號(hào)并將其傳遞給lac基因。CAP介導(dǎo)葡萄糖信號(hào),而阻遏蛋白介導(dǎo)乳糖信號(hào):

阻遏蛋白只在乳糖缺乏的時(shí)候才結(jié)合DNA從而抑制轉(zhuǎn)錄,在乳糖存在時(shí),基因表達(dá)。CAP只在沒有葡萄糖的時(shí)候才結(jié)合DNA從而激活lac基因。這樣兩種調(diào)控蛋白聯(lián)合作用保證基因在乳糖存在,同時(shí)缺少葡萄糖的環(huán)境中以顯著水平表達(dá)。

色氨酸操縱子（Tryptophane

operon）生長在不含任何氨基酸的培養(yǎng)基中的大腸桿菌，細(xì)胞中含有合成20種氨基酸所需要的全部酶類。而當(dāng)培養(yǎng)基中含有某種氨基酸時(shí)，則該種氨基酸生物合成的酶類幾乎完全缺失，即生物合成的酶類受其終產(chǎn)物的抑制。如色氨酸為色氨酸生物合成酶類的終產(chǎn)物，色氨酸作為輔阻遏物與調(diào)控蛋白結(jié)合而阻遏色氨酸操縱子的表達(dá)。

Trp操縱子的結(jié)構(gòu)

包括5個(gè)結(jié)構(gòu)基因組成的一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，由共同的啟動(dòng)子起始轉(zhuǎn)錄，生成多順反子mRNA。

產(chǎn)生阻遏蛋白的基因距離操縱子很遠(yuǎn)。

轉(zhuǎn)錄形成的

mRNA

5′端還有一段被稱為前導(dǎo)序列的mRNA片段參與調(diào)控轉(zhuǎn)錄。

trp操縱子的調(diào)控系統(tǒng)粗調(diào)控——阻遏調(diào)控調(diào)控基因trp

R表達(dá)無活性的阻遏蛋白，當(dāng)培養(yǎng)基中有足夠的色氨酸時(shí)，色氨酸作為輔阻遏物激活阻遏蛋白，活化的阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合。由于trp操縱子的啟動(dòng)子與操縱基因的區(qū)域有很大程度的重疊，阻遏蛋白的結(jié)合阻礙了RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合，導(dǎo)致trp操縱子關(guān)閉。精細(xì)調(diào)控——衰減調(diào)控前導(dǎo)序列

在trp操縱子轉(zhuǎn)錄形成的

mRNA

5′端有一個(gè)長l62

bp的mRNA片段。培養(yǎng)基中有色氨酸時(shí)，轉(zhuǎn)錄總是在這段序列終止，產(chǎn)生—個(gè)僅有140個(gè)核苷酸的RNA分子，終止trp基因轉(zhuǎn)錄，且隨色氨酸濃度升高而降低轉(zhuǎn)錄作用，這個(gè)區(qū)域就被稱為衰減子。衰

減

子

的

mRNA

堿

基

序

列

可

以

通

過

自

我

配

對(duì)

形

成

莖

環(huán)

結(jié)

構(gòu)

，有

典

型

的

終

止

子

特

點(diǎn)

。

前

導(dǎo)

序

列

包

括

有

起

始

密

碼

子

AUG和終止密碼子UGA，它可編碼一個(gè)14個(gè)氨基酸的前導(dǎo)肽。2.轉(zhuǎn)錄后調(diào)控稀有密碼子對(duì)翻譯的影響核糖體蛋白基因表達(dá)在翻譯水平的調(diào)控細(xì)菌營養(yǎng)缺乏調(diào)控

反義RNA對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控

稀有密碼子對(duì)翻譯的影響大腸桿菌DNA復(fù)制時(shí)的RNA引物是由dnaG基因編碼的引物酶催化合成的，細(xì)胞對(duì)這種酶的需求量很小，若引物酶過多還將導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

dna

G和rpoD、rps

U基因?qū)儆谕粋€(gè)操縱子，而這3個(gè)基因產(chǎn)物在數(shù)量上相差甚遠(yuǎn)，原因在于dna

G序列中較高頻率地使用了不少稀有密碼子。稀有密碼子對(duì)應(yīng)低豐度的tRNA，翻譯速度受tRNA供應(yīng)的限制，影響了蛋白質(zhì)合成的總量。

核糖體蛋白基因表達(dá)在翻譯水平的調(diào)控在核糖體組裝時(shí)，與rRNA結(jié)合的蛋白為關(guān)鍵蛋白，它抑制整個(gè)操縱子的表達(dá)。當(dāng)核糖體蛋白的mRNA多時(shí)，則關(guān)鍵蛋白較多地與核糖體蛋白的mRNA結(jié)合，導(dǎo)致其不能與rRNA結(jié)合形成核糖體。通過這種調(diào)控，核糖體蛋白的合成速度就不會(huì)超過構(gòu)建核糖體的速度。核糖體蛋白與mRNA結(jié)合并不影響核糖體的形成，這是因?yàn)楹颂求w蛋白與核糖體RNA的結(jié)合比其與mRNA的結(jié)合更緊。只有當(dāng)核糖體蛋白的生產(chǎn)超過核糖體RNA時(shí)，翻譯的阻遏才會(huì)發(fā)生。

細(xì)菌營養(yǎng)缺乏調(diào)控細(xì)

菌

在

葡

萄

糖

缺

乏

時(shí)

產(chǎn)

生

報(bào)

警