第18章 船長系列：原核基因表達(dá)調(diào)控

基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpression第十八章環(huán)境大腸桿菌結(jié)果有葡萄糖用葡萄糖有葡萄糖有乳糖用葡萄糖有乳糖無葡萄糖用乳糖有色氨酸不生成色氨酸無色氨酸生成色氨酸無色氨酸也無其他氨基酸不生成色氨酸原核基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpressioninProkaryote第二節(jié)原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1基因組中很少有重復(fù)序列；

2編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因?yàn)檫B續(xù)編碼，且多為單拷貝基因，但編碼rRNA的基因仍然是多拷貝基因；3結(jié)構(gòu)基因在基因組中所占的比例（約占50%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真核基因組；4許多結(jié)構(gòu)基因在基因組中以操縱子為單位排列5轉(zhuǎn)錄翻譯同空間進(jìn)行，且時(shí)間幾乎無差原核生物基因組是具有超螺旋結(jié)構(gòu)的閉合環(huán)狀DNA分子——調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)（一）σ因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性(強(qiáng)啟動(dòng)子）（二）操縱子模型的普遍性（三）阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性操縱子是原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單位

蛋白質(zhì)因子特異DNA序列編碼序列

啟動(dòng)子

操縱元件

其他調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)原核基因組中，由幾個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因及其調(diào)控區(qū)組成一個(gè)基因表達(dá)單位，稱為操縱子操縱子，基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位。它由啟動(dòng)子、操縱基因、結(jié)構(gòu)基因以及能夠調(diào)控其活性的調(diào)控基因組成操縱基因operator，是指能被調(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01多順反子(polycistron)：mRNA分子攜帶了幾個(gè)多肽鏈的編碼信息02啟動(dòng)子是RNA聚合酶和各種調(diào)控蛋白作用的部位，是決定基因表達(dá)效率的關(guān)鍵元件03各種原核基因啟動(dòng)序列特定區(qū)域內(nèi)，通常在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-10及-35區(qū)域存在一些相似序列，稱為共有序列04E.coli及一些細(xì)菌啟動(dòng)序列的共有序列在-10區(qū)域是TATAAT，在-35區(qū)域?yàn)門TGACA05共有序列決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。操縱子模型的普遍性根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白的應(yīng)答，可將原核細(xì)胞基因調(diào)控分為，正轉(zhuǎn)錄調(diào)控(positiveregulation)和負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控(negativeregulation)。正調(diào)控和負(fù)調(diào)控正調(diào)控和負(fù)調(diào)控如果在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是關(guān)閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被增強(qiáng)或開啟，這樣的調(diào)控稱為正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。介導(dǎo)正調(diào)控的調(diào)節(jié)蛋白稱為激活蛋白(activatingprotein)。如果在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性降低或被關(guān)閉，這樣的調(diào)控為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。介導(dǎo)負(fù)調(diào)控的調(diào)節(jié)蛋白稱為阻遏蛋白(repressiveprotein)調(diào)控的正與負(fù)，指的是結(jié)合到基因調(diào)節(jié)區(qū)域(操縱區(qū))的蛋白質(zhì)的作用有一些效應(yīng)物，它們能夠與調(diào)控蛋白相結(jié)合改變調(diào)控蛋白的空間構(gòu)象從而改變其對基因轉(zhuǎn)錄的影響。操縱子有兩種類型誘導(dǎo)操縱子：即誘導(dǎo)基因，這些基因因環(huán)境中某些物質(zhì)的出現(xiàn)而被活化。許多負(fù)責(zé)糖代謝的基因?qū)儆谶@種類型。阻遏操縱子：即阻遏基因，一般情況下處于表達(dá)狀態(tài)，但當(dāng)其產(chǎn)物大量出現(xiàn)時(shí)即關(guān)閉，合成氨基酸的操縱子屬于這一類型。負(fù)調(diào)控正調(diào)控結(jié)合調(diào)控蛋白和效應(yīng)物的作用，可以將轉(zhuǎn)錄調(diào)控分為4類順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)一般說來，調(diào)節(jié)序列與被調(diào)控的編碼序列位于同一條DNA鏈上，稱為順式作用元件(cis-actingelement)。調(diào)節(jié)序列遠(yuǎn)離被調(diào)控的編碼序列，實(shí)際上是其他分子的編碼基因，只能通過其表達(dá)產(chǎn)物來發(fā)揮作用，這些蛋白質(zhì)或RNA分子稱為反式作用因子(trans-actingfactor)。調(diào)節(jié)基因（regulatorgene）轉(zhuǎn)錄生成mRNA并翻譯出調(diào)節(jié)蛋白（regulatorprotein），該蛋白就是反式作用因子，這一蛋白能夠結(jié)合到DNA鏈上一段目標(biāo)區(qū)域（targetsite）從而調(diào)控目標(biāo)區(qū)域下游結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。這個(gè)目標(biāo)區(qū)域的DNA就是順式作用元件基因是編碼可擴(kuò)散產(chǎn)物的DNA序列，這種產(chǎn)物可以是蛋白質(zhì)（大多數(shù)），也可以是RNA。編碼產(chǎn)物將從合成地點(diǎn)擴(kuò)散到其他場所起作用?；虍a(chǎn)物自由擴(kuò)散至其作用靶位的過程稱反式作用（trans-acting）。順式作用（cis-acting）：不轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌魏涡问剑≧NA或蛋白質(zhì)）只以DNA形式在原來位置起作用的DNA序列，只影響與其臨近的DNA序列。二乳糖操縱子誘導(dǎo)（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)弱啟動(dòng)子

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列I基因操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：β-半乳糖苷酶透性酶A：β-半乳糖苷酶乙酰轉(zhuǎn)移酶ZYAOPIDNA（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)β-半乳糖苷酶透性酶乙酰轉(zhuǎn)移酶二乳糖操縱子誘導(dǎo)型細(xì)菌對潛在的碳源有偏好，當(dāng)存在葡萄糖時(shí)，其他糖類將不被利用。那乳糖操縱子平時(shí)是開還是關(guān)呢（假設(shè)大腸桿菌平時(shí)環(huán)境中葡萄糖更多）結(jié)構(gòu)基因簇受到其上游操縱基因lacO的調(diào)控，而lacO與結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子具有部分重疊mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因二乳糖操縱子誘導(dǎo)型環(huán)境中沒有葡萄糖，只有乳糖，細(xì)菌該怎么辦呢mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖異乳糖β-半乳糖苷酶二乳糖操縱子誘導(dǎo)型基因若想表達(dá)轉(zhuǎn)錄開始誘導(dǎo)劑半乳糖苷酶基因得表達(dá)沒有乳糖時(shí)，ZYA只有幾分子，但當(dāng)出現(xiàn)乳糖時(shí)，幾分鐘內(nèi)ZYA可以上千倍增多，可占蛋白質(zhì)的10%。為什么不取個(gè)中間值？三個(gè)基因成蔟排列，A是做什么的呢？是不是有乳糖且進(jìn)入細(xì)胞就可以使乳糖操縱子開放了呢？RNA聚合酶的發(fā)動(dòng)仍需要一個(gè)正調(diào)控信號(hào)才能激活轉(zhuǎn)錄。這個(gè)蛋白稱為正調(diào)控蛋白。對所有葡萄糖敏感的操縱子而言，這一正調(diào)控是CAP因子++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP:（catabolitegeneactivatorprotein）分解代謝基因活化蛋白二乳糖操縱子誘導(dǎo)CRPcAMPreceptorprotein二乳糖操縱子誘導(dǎo)adenylatecyclaseG-一個(gè)CAP正性調(diào)節(jié)一個(gè)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)兩者一起如何調(diào)節(jié)？協(xié)同調(diào)節(jié)

當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，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(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

二乳糖操縱子誘導(dǎo)mRNA低乳糖時(shí)高乳糖時(shí)

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOOII二乳糖操縱子誘導(dǎo)ImRNA-++-+--I+圖18-3 CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導(dǎo)劑對lac操縱子的調(diào)節(jié)CHECKYOURUNDERSTANDING有一種突變株大腸桿菌在既含有葡萄糖也含有乳糖的培養(yǎng)基中生長時(shí)，乳糖操縱子呈現(xiàn)較高水平的表達(dá)。此突變株最有可能作為合成蛋白質(zhì)的氨基酸之一，細(xì)菌平時(shí)把合成色氨酸的相關(guān)基因開還是關(guān)好呢？TrpOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶色氨酸操縱子色氨酸過量時(shí)：三色氨酸操縱子阻遏mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶三色氨酸操縱子阻遏色氨酸操縱子色氨酸缺乏或不足時(shí)：轉(zhuǎn)錄終止階段調(diào)節(jié)（一）不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（二）依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止常見于噬菌體中，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不清楚。兩段富含GC的反向重復(fù)序列，中間間隔若干核苷酸；下游含一系列T序列。終止子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)觀察表明：當(dāng)存在充足的色氨酸時(shí)，