第16章 基因表達的調(diào)控

第16章基因表達的調(diào)控本章的主要內(nèi)容:原核生物基因表達調(diào)控的要點；操縱子學說的主要內(nèi)容；乳糖操縱子的主要調(diào)控方式；色氨酸操縱子的主要調(diào)控方式；真核生物基因表達調(diào)控的要點。IntroductionActivationofgenestructure(chromosome)

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Initiationandterminationoftranscription↓Processingthetranscript↓Transporttocytoplasm

↓TranslationofmRNAStagesofregulation調(diào)控位點:Prokaryoticcell原核

Eukaryoticcell真核

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☆◆◆◆◆◆第一節(jié)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控一、操縱子模型

由法國科學家Jacob和Monod于1960年提出的一個有關(guān)原核基因表達調(diào)控的模型。獲得1965年諾貝爾生理學獎。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965."fortheirdiscoveriesconcerninggeneticcontrolofenzyme"（一）基本概念

順式作用元件（cis-actingelement）：DNA元件是指DNA上的一段序列，它只能作用于同一條DNA，故稱為順式作用元件。

結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）：編碼細胞必需的蛋白，如酶和結(jié)構(gòu)蛋白的基因，叫結(jié)構(gòu)基因。

調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）：編碼的產(chǎn)物能夠調(diào)節(jié)其他基因的表達，這樣的基因叫調(diào)節(jié)基因。

調(diào)節(jié)蛋白（regulatoryprotein）：調(diào)節(jié)基因的表達產(chǎn)物，叫調(diào)節(jié)蛋白。由于調(diào)節(jié)蛋白能夠自由地與其相應(yīng)的結(jié)合位點結(jié)合，故又稱為反式作用因子（trans-actingelement）。包括正調(diào)節(jié)蛋白（又叫激活蛋白activator）；負調(diào)節(jié)蛋白，又叫阻遏蛋白(repressor)。

可誘導(dǎo)基因（induciblegene）：當培養(yǎng)基中加入誘導(dǎo)物時，可以誘導(dǎo)相應(yīng)基因的表達，這些基因就叫可誘導(dǎo)基因。

組成型基因（constitutivegene）：為了維持細菌或細胞的基本生命需要，總是在不斷表達的基因，叫組成型基因。

組成蛋白（constitutiveproteins）：在細胞內(nèi)有許多蛋白質(zhì)，其數(shù)量幾乎不受外界環(huán)境的影響。這些蛋白質(zhì)稱為組成蛋白質(zhì)。組成蛋白質(zhì)合成的速度是遺傳上規(guī)定的，由于（1）啟動子的天然效率，靠它以制造mRNA；（2）核糖體閱讀信使的速度；（3）其信使被核酸酶降解的敏感性。

正調(diào)控（positivecontrol）：在操縱子中，結(jié)構(gòu)基因本來不表達，可當加入調(diào)節(jié)蛋白時，使該結(jié)構(gòu)基因進行表達。這樣的調(diào)控叫正調(diào)控。

負調(diào)控（negativecontrol）：在操縱子中，結(jié)構(gòu)基因本來是表達的，當加入調(diào)節(jié)蛋白時，使該結(jié)構(gòu)基因不表達。這樣的調(diào)控叫負調(diào)控。（二）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)Figure10.4Thelacoperonoccupies~6000bpofDNA.AttheleftthelacI

genehasitsownpromoterandterminator.TheendofthelacIregionisadjacenttothepromoter,P.Theoperator,O,occupiesthefirst26bpofthelonglacZ

gene,followedbythelacYandlacAgenesandaterminator.lacZ

codesfortheenzymeβ-galactosidase(β-半乳糖苷酶),whoseactiveformisatetramerof~500kDa.Theenzymebreaksaβ-galactosideintoitscomponentsugars.Forexample,lactoseiscleavedintoglucoseandgalactose.

lacY

codesfortheβ-galactosidepermease（β-半乳糖苷透過酶）,a30kDamembrane-boundproteinconstituentofthetransportsystem.Thistransportsβ-galactosidesintothecell.

lacA

codesforβ-galactosidetransacetylase（β-半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶）,anenzymethattransfersanacetylgroupfromacetyl-CoAtoβ-galactosides.（三）乳糖操縱子學說（LacOperonTheory）

一個或幾個結(jié)構(gòu)基因與一個調(diào)節(jié)基因和一個操縱基因組成一個操縱子。調(diào)節(jié)基因編碼調(diào)節(jié)蛋白，調(diào)節(jié)蛋白與操縱基因結(jié)合，從而調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的表達。乳糖為誘導(dǎo)物。當有乳糖存在時，乳糖與有活性的調(diào)節(jié)蛋白（阻遏物）結(jié)合時，阻遏物失活，則不能與操縱基因結(jié)合，解除對β-半乳糖苷酶基因（結(jié)構(gòu)基因）的抑制，開始表達。如果去掉乳糖時，阻遏物又恢復(fù)其活力，與操縱基因DNA結(jié)合，將β-半乳糖苷酶基因關(guān)閉。但這種關(guān)閉或開啟并不是100%。Figure10.7Repressormaintainsthelacoperonintheinactiveconditionbybindingtotheoperator;additionofinducerreleasestherepressor,andtherebyallowsRNApolymerasetoinitiatetranscription.（四）調(diào)控類型

正調(diào)控（positivecontrol）：

在操縱子中，結(jié)構(gòu)基因本來不表達，可當加入調(diào)節(jié)蛋白（無輔基誘導(dǎo)蛋白）時，使該結(jié)構(gòu)基因進行表達。這樣的調(diào)控叫正調(diào)控。負調(diào)控（negativecontrol）：在操縱子中，結(jié)構(gòu)基因本來是表達的，當加入調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白）時，使該結(jié)構(gòu)基因不表達。這樣的調(diào)控叫負調(diào)控。

1.

可誘導(dǎo)的調(diào)控：在可誘導(dǎo)的操縱子中，加入對基因表達有調(diào)節(jié)作用的小分子物質(zhì)（誘導(dǎo)物），則開啟基因的轉(zhuǎn)錄活性。

2.

可阻遏的調(diào)控：在可阻遏的操縱子中，加入對基因表達有調(diào)節(jié)作用的小分子物質(zhì)（輔阻遏物），則關(guān)閉基因的轉(zhuǎn)錄活性。Figure10.3Inpositivecontrol,trans-actingfactorsmustbindtocis-actingsitesinorderforRNApolymerasetoinitiatetranscriptionatthepromoter.Inaeukaryoticsystem,astructuralgeneiscontrolledindividually.Figure10.2Innegativecontrol,atrans-actingrepressorbindstothecis-actingoperatortoturnofftranscription.Inprokaryotes,multiplegenesarecontrolledcoordinately.

Figure10.21Controlcircuitsareversatileandcanbedesignedtoallowpositiveornegativecontrolofinductionorrepression.（五）操縱基因的結(jié)構(gòu)Figure10.11Thelacoperatorhasasymmetricalsequence.Thesequenceisnumberedrelativetothestartpointfortranscriptionat+1.Theregionsofdyadsymmetryareindicatedbytheshadedblocks.Figure10.20Operatorsmaylieatvariouspositionsrelativetothepromoter.（六）操縱基因的位置Figure9.10RNApolymeraseinitiallycontactstheregionfrom-55to+20.Whensigmadissociates,thecoreenzymecontractsto-30;whentheenzymemovesafewbasepairs,itbecomesmorecompactlyorganizedintothegeneralelongationcomplex.

第二節(jié)操縱子的其他調(diào)控形式阿拉伯糖操縱子半乳糖操縱子氨基酸操縱子（色氨酸、蘇氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸等十幾種）核苷酸操縱子色氨酸（Trp）操縱子:

目前，有多種氨基酸操縱子的結(jié)構(gòu)已研究清楚，如色氨酸、蘇氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸等十余種。我們僅討論Trp操縱子的基因表達調(diào)控。

Trp操縱子是合成代謝途徑中最具代表性的例子。它控制著5個結(jié)構(gòu)基因（編碼3種酶）的表達，分別為trpE，D（鄰氨基苯甲酸合成酶），C（吲哚甘油硼酸合成酶），B、A（色氨酸合成酶B鏈和A鏈）。當色氨酸少或缺乏時，這5個鄰近的基因才開始轉(zhuǎn)錄成mRNA。

由于Trp操縱子是一個合成體系，與糖的分解代謝無關(guān)，所以，與Glu的存在與否沒有關(guān)系。Figure10.41Thetrpoperonconsistsoffivecontiguousstructuralgenesprecededbyacontrolregionthatincludesapromoter,operator,leaderpeptidecoding