基因的表達(dá)與調(diào)控-原核基因表達(dá)調(diào)控模式

第一節(jié)原核基因表達(dá)調(diào)控總論1基因表達(dá)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(hào)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(duì)基因表達(dá)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(dá)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(dá)調(diào)控總論2023/11/42在轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)基因表達(dá)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(diǎn)：細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄與翻譯過程幾乎發(fā)生在同一時(shí)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(yùn)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(dá)調(diào)控總論2023/11/431.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(jī)制的不同可分為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控和正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。在負(fù)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(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)和負(fù)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(fù)控誘導(dǎo)正控誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄抑制負(fù)控阻遏正控阻遏第一節(jié)原核基因表達(dá)調(diào)控總論2023/11/462.原核基因調(diào)控的主要特點(diǎn)：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(shí)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(dá)。比如大腸桿菌中的色氨酸操縱子。第一節(jié)原核基因表達(dá)調(diào)控總論2023/11/473.弱化子對(duì)基因活性的影響在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號(hào)作用的是有特殊負(fù)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(shí)，起終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)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(dá)調(diào)控總論2023/11/484.降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)有葡萄糖存在的情況下，即使在細(xì)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(duì)應(yīng)的操縱子也不會(huì)啟動(dòng)，不會(huì)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(qiáng)度來調(diào)節(jié)基因表達(dá)的，是一種積極的調(diào)節(jié)方式。第一節(jié)原核基因表達(dá)調(diào)控總論2023/11/495.細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)細(xì)菌有時(shí)會(huì)碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓——氨基酸的全面匱乏。細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(shí)施這一應(yīng)急反應(yīng)的信號(hào)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(shí)，細(xì)胞中便存在大量的不帶氨基酸的tRNA，這種空載的tRNA會(huì)激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp的出現(xiàn)會(huì)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(diǎn)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(jí)調(diào)控因子。第二節(jié)乳糖操縱子2023/11/4101961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(dá)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(dá)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(shí)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2023/11/411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(shí)才會(huì)被合成。大腸桿菌乳糖操縱子（lactoseoperon）包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：Z、Y和A，以及啟動(dòng)子、控制子和阻遏子等。轉(zhuǎn)錄的調(diào)控是在啟動(dòng)區(qū)和操縱區(qū)進(jìn)行的。第二節(jié)乳糖操縱子2023/11/412P為啟動(dòng)子，O為操縱區(qū)，lacI編碼阻遏子3個(gè)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，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，還能水解其他β-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。β-半乳糖苷透過酶的作用是使外界的β-半乳糖苷透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶的作用是把乙酰輔酶A上的乙酰基轉(zhuǎn)移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第二節(jié)乳糖操縱子2023/11/4131.酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)一般情況下，lac+基因型大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)β-半乳糖苷酶和透過酶的濃度很低，每個(gè)細(xì)胞只有1～2個(gè)酶分子。但是，在乳糖培養(yǎng)基上酶的濃度很快達(dá)到細(xì)胞總蛋白量的6%或7%，超過105個(gè)酶分子lacmRNA/細(xì)胞。在無葡萄糖有乳糖的培養(yǎng)基中，lac+細(xì)菌中將同時(shí)合成β-半乳糖苷酶和透過酶。第二節(jié)乳糖操縱子2023/11/4141.酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)用32P標(biāo)記的mRNA與模板DNA進(jìn)行定量分子雜交，表明培養(yǎng)基中加入乳糖1～2分鐘后，編碼β-半乳糖苷酶和透過酶的lacmRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。第二節(jié)乳糖操縱子2023/11/4151.酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)實(shí)驗(yàn)室常用兩種乳糖類似物——異丙基巰基半乳糖苷（IPTG）和巰甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常用發(fā)色底物O-硝基半乳糖苷（ONPG）。因?yàn)樗鼈兌疾皇前肴樘擒彰傅牡孜?，所以又稱為安慰性誘導(dǎo)物。第二節(jié)乳糖操縱子2023/11/4162.操縱子模型及其影響因子Jacob和Monod通過大量實(shí)驗(yàn)及分析，建立了現(xiàn)在已經(jīng)被人們廣泛接受的乳糖操縱子的控制模型。內(nèi)容如下：Z、Y、A基因產(chǎn)物由同一條多順反子mRNA分子所編碼該mRNA分子的啟動(dòng)區(qū)（P）位于阻遏基因（I）與操縱區(qū)（O）之間，不能單獨(dú)起始半乳糖苷酶和透過酶基因的高效表達(dá)。操縱區(qū)是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。2023/11/417當(dāng)阻遏物與操縱區(qū)相結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變其三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)相結(jié)合，誘發(fā)lacmRNA的合成。第二節(jié)乳糖操縱子2023/11/4182.1.lac操縱子的本底水平表達(dá)兩個(gè)矛盾：誘導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要轉(zhuǎn)運(yùn)酶，轉(zhuǎn)運(yùn)酶的合成有需要誘導(dǎo)。人們發(fā)現(xiàn)乳糖并不與阻遏物相結(jié)合，真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖，而后者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。解釋：在沒有誘導(dǎo)物的情況下，轉(zhuǎn)運(yùn)酶和β-半乳糖苷酶仍有本地水平的表達(dá)。阻遏物的結(jié)合并非絕對(duì)緊密，偶爾會(huì)掉下，使得轉(zhuǎn)錄可以進(jìn)行。表達(dá)量足以使誘導(dǎo)過程得以啟動(dòng)。第二節(jié)乳糖操縱子2023/11/4192.2.大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)在以甘油為碳源的培養(yǎng)基中加乳糖以前，lac操縱子本底水平表達(dá)加乳糖后，阻遏物失活，mRNA大量表達(dá)乳糖耗盡，阻遏物濃度逐漸大于異構(gòu)乳糖，阻遏狀態(tài)重新形成，mRNA水平下降。β-半乳糖苷酶半衰期長，其活性下降滯后。第二節(jié)乳糖操縱子2023/11/4202.3.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(dòng)子控制下永久型合成的，該阻遏蛋白有4個(gè)相同的亞基，每個(gè)亞基均含有347個(gè)氨基酸殘基，并能與1分子IPTG

結(jié)合,每個(gè)細(xì)胞中有5～10個(gè)阻遏物分子。lacI基因由弱啟動(dòng)子變?yōu)閺?qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)將不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)lac操縱子在這些突變體中將不可誘導(dǎo)。第二節(jié)乳糖操縱子2023/11/4南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院212.4.葡萄糖對(duì)lac操縱子影響β-半乳糖苷酶在乳糖代謝中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中，大腸桿