分子生物學7原核基因表達調(diào)控

第七章基因的表達與調(diào)控(上)

——原核基因表達調(diào)控模式Contents基因表達調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉錄后水平上的調(diào)控第一節(jié)基因表達調(diào)控的基本概念一、基因表達的概念geneexpression

：基因轉錄及翻譯的過程。對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為generegulation

。rRNA、tRNA編碼基因轉錄合成RNA的過程也屬于基因表達

永久型性表達(constitutiveexpression)適應型表達(adaptiveexpression）二、基因表達的方式

1、永久型表達：

指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達。某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。2、適應性表達指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。應環(huán)境條件變化基因表達水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(induction)，這類基因被稱為可誘導的基因(induciblegene)；相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。

三、基因表達的規(guī)律

——時間性和空間性1、時間特異性（temporalspecificity）按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。

2、空間特異性(spatialspecificity)基因表達伴隨空間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。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)，稱之為基因表達的空間特異性。四、基因表達調(diào)控的生物學意義

適應環(huán)境、維持生長和增殖（原核、真核）

維持個體發(fā)育與分化（真核）第二節(jié)原核基因調(diào)控機制內(nèi)容提要：原核基因表達調(diào)控環(huán)節(jié)操縱子學說原核基因調(diào)控機制的類型與特點轉錄水平上調(diào)控的其他形式

一、基因表達調(diào)控環(huán)節(jié)1、轉錄水平上的調(diào)控（transcriptionalregulation）2、轉錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptionalregulation）①

mRNA加工成熟水平上的調(diào)控②

翻譯水平上的調(diào)控二、操縱子學說1、操縱子模型的提出1961年，Monod和Jacob提出獲1965年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎JacobandMonod2、操縱子的定義操縱子：是基因表達的協(xié)調(diào)單位，由啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關的結構基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。

1、根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應答，可分為：正轉錄調(diào)控

負轉錄調(diào)控

三、原核基因調(diào)控機制的類型與特點調(diào)節(jié)基因操縱基因結構基因阻遏蛋白激活蛋白正轉錄調(diào)控負轉錄調(diào)控正轉錄調(diào)控如果在沒有調(diào)節(jié)蛋白質存在時基因是關閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質后基因活性就被開啟，這樣的調(diào)控正轉錄調(diào)控。調(diào)節(jié)基因操縱基因結構基因阻遏蛋白激活蛋白正轉錄調(diào)控負轉錄調(diào)控負轉錄調(diào)控在沒有調(diào)節(jié)蛋白質存在時基因是表達的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質后基因表達活性便被關閉，這樣的調(diào)控負轉錄調(diào)控?？烧T導調(diào)節(jié)（P235）：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關閉的狀態(tài)轉變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質的誘導下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子分解代謝蛋白的基因2、根據(jù)操縱子對某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應答，可分為可誘導調(diào)節(jié)和可阻遏調(diào)節(jié)兩大類：調(diào)節(jié)基因操縱基因結構基因阻遏蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結構基因阻遏蛋白誘導物mRNA酶蛋白酶合成的誘導操縱子模型誘導物如果某種物質能夠促使細菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質就是誘導物?？勺瓒粽{(diào)節(jié)（P235）：基因平時是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關閉，阻遏了基因的表達。例：色氨酸操縱子合成代謝蛋白的基因酶合成的阻遏操縱子模型調(diào)節(jié)基因操縱基因結構基因mRNA酶蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結構基因輔阻遏物輔阻遏物如果某種物質能夠阻止細菌產(chǎn)生合成這種物質的酶，這種物質就是輔阻遏物。3、在負轉錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白（repressor），起著阻止結構基因轉錄的作用。根據(jù)其作用特征又可分為負控誘導和負控阻遏：在負控誘導系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應物（誘導物）結合時，結構基因轉錄；在負控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應物（輔阻遏物）結合時，結構基因不轉錄。4、在正轉錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白（activator）。根據(jù)激活蛋白的作用性質分為正控誘導和正控阻遏在正控誘導系統(tǒng)中，效應物分子（誘導物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；在正控阻遏系統(tǒng)中，效應物分子（輔阻遏物）的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。四、轉錄水平上調(diào)控的其他形式1、σ因子的更換

在E.coli中,當細胞從基本的轉錄機制轉入各種特定基因表達時，需要不同的因子指導RNA聚合酶與各種啟動子結合。大腸桿菌中的各種σ因子比較σ因子編碼基因主要功能σ70rpoD參與對數(shù)生長期和大多數(shù)碳代謝過程基因的調(diào)控σ54rpoN參與多數(shù)氮源利用基因的調(diào)控σ38rpoH分裂間期特異基因的表達調(diào)控σ32rpoS熱休克基因的表達調(diào)控σ28rpoF鞭毛趨化相關基因的表達調(diào)控σ24rpoE過度熱休克基因的表達調(diào)控溫度較高,誘導產(chǎn)生各種熱休克蛋白由σ32參與構成的RNA聚合酶與熱休克應答基因啟動子結合,誘導產(chǎn)生大量的熱休克蛋白,適應環(huán)境需要枯草芽孢桿菌芽孢形成有序的σ因子的替換,RNA聚合酶識別不同基因的啟動子,使芽孢形成有關的基因有序地表達σ

70與σ

54的比較（P234）與DNA結合區(qū)域不同σ

70-35區(qū)和-10區(qū)σ

54-24區(qū)和-12區(qū)與啟動子結合順序不同σ

70

在核心酶結合到DNA鏈上后才能與啟動子結合σ

54

可在無核心酶的情況下獨立結合到啟動子上，類似于真核TATA區(qū)結合蛋白。2、弱化子對基因活性的影響起信號作用的是：有特殊負載的氨酰-tRNA的濃度例：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；沙門菌的組氨酸操縱子和亮氨酸操縱子、嘧啶合成操縱子等弱化子：當操縱子被阻遏，RNA合成被終止時，起終止轉錄信號作用的那一段核苷酸被稱為弱化子。屬于轉錄調(diào)節(jié)中的微調(diào)整。3、降解物對基因活性的調(diào)節(jié)降解物抑制作用的調(diào)節(jié)：提高基因的轉錄水平，使它由原來的低水平表達變成高水平表達。葡萄糖效應（降解物抑制作用）：有葡萄糖存在時，即使加入乳糖、半乳糖或其他的誘導物，與其相應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)象就稱~。Why?P236降解物抑制作用是通過提高轉錄強度來調(diào)節(jié)基因表達的，是一種積極的調(diào)節(jié)方式。4、細菌的應急反應應急反應的信號是：鳥苷四磷酸和鳥苷五磷酸。產(chǎn)生這兩種物質的誘導物是：空載tRNA當AA饑餓時，空載tRNA大量存在，激活焦磷酸轉移酶，使鳥苷四磷酸大量合成，而鳥苷四磷酸的出現(xiàn)會關閉許多基因，也會打開一些合成AA的基因，以應付這種緊急狀況。鳥苷四磷酸作用原理有待深入研究影響一大批操縱了，屬于超級調(diào)控因子。Contents基因表達調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉錄后水平上的調(diào)控一、乳糖操縱子的結構Z編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。Y

編碼β-半乳糖苷透過酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細胞壁和原生質膜進入細胞內(nèi)。A

編碼β-半乳糖苷乙酰基轉移酶：乙酰輔酶A上的乙?；D到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。二、酶的誘導——lac體系受調(diào)控的證據(jù)科學家把大腸桿菌細胞放在加有放射性35S標記的氨基酸但沒有任何半乳糖誘導物的培養(yǎng)基中繁殖幾代。再將這些帶有放射活性的細菌轉移到不含35S、無放射性的培養(yǎng)基中，隨著培養(yǎng)基中誘導物的加入，β-半乳糖苷酶便開始合成。分離β-半乳糖苷酶，發(fā)現(xiàn)這種酶無35S標記。說明酶的合成不是由前體轉化而來的，而是加入誘導物后新合成的。

安慰誘導物：

如果某種物質能夠促使細菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質被稱為安慰誘導物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。三、乳糖操縱子調(diào)控模型主要內(nèi)容：①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼

②這個mRNA分子的啟動子緊接著O區(qū)，而位于I與O之間的啟動子區(qū)（P），不能單獨起動合成β-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。lacP：從I基因結束到mRNA轉錄起始位點止，共長82bp（-82～+1）③操縱基因O是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結合位點。位于P區(qū)后半部分和轉錄起始區(qū)。實驗表明，阻遏物與O區(qū)的結合影響了RNA聚合酶與啟動子結合形成轉錄起始復合物的效率。RNA聚合酶結合部位阻遏物結合部位

④當阻遏物與操縱基因結合時，lacmRNA的轉錄起始受到抑制。

⑤誘導物通過與阻遏物結合，改變它的三維構象，使之不能與操縱基因結合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。當有誘導物存在時，操縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動子能夠順利起始mRNA的合成。永久型突變：lacOc——改變“鎖頭”永久型突變：

lacI-——丟失“鑰匙”

不可誘導突變（超阻遏）——改善鑰匙四、影響因子1、lac操縱子的本底水平表達有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的：①誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結合，而轉運誘導物需要透過酶，后者的合成又需要誘導。解釋：一些誘導物可以在透過酶不存在時進入細胞？一些透過酶可以在沒有誘導物的情況下合成？√②真正的誘導物是異構乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的預先存在。解釋：本底水平的組成型合成：非誘導狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成。2、大腸桿菌對乳糖的反應培養(yǎng)基：甘油

按照lac操縱子本底水平的表達，每個細胞內(nèi)有幾個分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透過酶；培養(yǎng)基：加入乳糖少量乳糖透過酶進入細胞β-半乳糖苷酶異構乳糖誘導物誘導lacmRNA的生物合成大量乳糖進入細胞多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）異構乳糖（誘導物）乳糖誘導物的加入和去除對lacmRNA的影響3、阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能Lac操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的，每個細胞中有5-10個阻遏物分子。當I基因由弱啟動子突變成強啟動子，細胞內(nèi)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導物來克服阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導。4、葡萄糖對lac操縱子的影響如果將葡萄糖和乳糖同時加入培養(yǎng)基中，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會誘導lac操縱子表達分解乳糖所需的三種酶。代謝物阻遏效應5、cAMP與代謝物激活蛋白代謝物激活蛋白CRP由Crp基因編碼，它可與cAMP形成復合物（cAMP

-CRP），此復合物是激活lac的重要組成部分，細菌對它的需要是獨立的，與阻遏體系無關，轉錄必需有cAMP

–CRP復合物結合在啟動子區(qū)域上。cAMP-CRP復合物是一個不同于阻遏物的正調(diào)控因子。Lac操縱子的功能是在這兩個相互獨立的調(diào)控體系作用下實現(xiàn)的。ZYAOPDNA調(diào)控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉移酶cAMP—CRP復合物P244圖7-15cAMP-CAP不但能與DNA相結合，造成雙螺旋彎曲，易于形成三元轉錄起始復合物，它還能直接影響RNA聚合酶的活性。ATP腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺甘酸）

大腸桿菌中，cAMP的濃度受到葡萄糖代謝的調(diào)節(jié)：缺乏碳源，cAMP濃度高有葡萄糖，cAMP濃度低只有甘油或乳糖等不進行糖酵解途徑的碳源，cAMP濃度高；——推測糖酵解途徑中位于葡糖-6-磷酸與甘油之間的某些代謝產(chǎn)物是腺苷酸環(huán)化酶活性的抑制劑。

++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時促進轉錄有葡萄糖，cAMP濃度低時不促進轉錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調(diào)控TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAPTheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!五、Lac操縱子中的其他問題1、A基因及其生理功能半乳糖苷分子β-半乳糖苷酶分解產(chǎn)物（體內(nèi)積累，抑制生長）β-半乳糖苷乙?；D移酶半乳糖苷分子乙酰化半乳糖苷分子β-半乳糖苷酶×2、lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較β-半乳糖苷酶：透過酶：乙酰基轉移酶=1：0.5：0.2，Why?不同的酶在數(shù)量上的差異是由于在翻譯水平上受到調(diào)節(jié)所致。（1）lacmRNA可能與翻譯過程中的核糖體相脫離，從而終止蛋白質鏈的翻譯；（后續(xù)的AUG密碼子再度起始翻譯的概率）（2）在lacmRNA分子內(nèi)部，A基因比Z基因更容易受內(nèi)切酶作用發(fā)生降解。3、操縱子的融合與基因工程（基因融合技術）POZYAtsxPOpur結構基因缺失lacoperonpuroperon控制細胞對T6噬菌體敏感性Contents基因表達調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉錄后水平上的調(diào)控一、色氨酸操縱子的結構

調(diào)控基因結構基因

催化分枝酸轉變?yōu)樯彼?/p>

的酶（P247圖7-77）

trpRtrpGF特點:(1)trpR和trpABCDE不連鎖；

(2)操縱基因在啟動子內(nèi)

(3)有衰減子(attenuator)/弱化子(4)啟動子和結構基因不直接相連，二者被前導序列(Leader)所隔開二、trp操縱子的阻遏系統(tǒng)低Trp時：阻遏物不結合操縱基因;高Trp時：阻遏物+Trp結合操縱基因三、trp操縱子的弱化機制衰減子（attenuator）/弱化子前導序列（leadersequence）1、弱化子：DNA中可導致轉錄過早終止的一段核甘酸序列（123-150區(qū)）。1