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文檔簡介
第六章、基因表達調(diào)控
從DNA到蛋白質(zhì)的過程稱為基因表達(geneexpression),對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達調(diào)控(generegulation)。
基因表達的調(diào)節(jié)可以在不同的水平上進行,包括轉(zhuǎn)錄水平(轉(zhuǎn)錄前、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后)和翻譯水平(翻譯、翻譯后)。
一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控
存在于原核生物中的一種主要的調(diào)控模式是操縱子(operon)調(diào)控模式,該模式也見于低等真核生物中。在原核生物中,若干結(jié)構(gòu)基因可串聯(lián)在一起,其表達受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控,這種基因的組織形式稱為操縱子。1.操縱子的提出
大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖,當培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時,細菌優(yōu)先利用葡萄糖,當葡萄糖耗盡,細菌停止生長,經(jīng)過短時間的適應(yīng),就能利用乳糖,細菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長。
大腸桿菌利用乳糖至少需要兩個酶:促使乳糖進入細菌的半乳糖透過酶(lactosepermease)和催化乳糖分解第一步的
-半乳糖苷酶(
-galactosidase)。
在環(huán)境中沒有乳糖或其他
-半乳糖苷時,大腸桿菌合成
-半乳糖苷酶量極少,加入乳糖2-3分鐘后,細菌大量合成
-半乳糖苷酶,其量可提高千倍以上,在以乳糖作為唯一碳源時,菌體內(nèi)的
-半乳糖苷酶量可占到細菌總蛋白量的3%。在上述二階段生長細菌利用乳糖再次繁殖前,也能測出細菌中
-半乳糖苷酶活性顯著增高的過程。這種典型的誘導(dǎo)現(xiàn)象,是研究基因表達調(diào)控極好的模型。針對大腸桿菌利用乳糖的適應(yīng)現(xiàn)象,法國的Jocob和Monod等人做了一系列遺傳學和生化學研究實驗,于1965年提出乳糖操縱子(lac
operon)學說。典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)兩部分。一般,控制區(qū)包括調(diào)節(jié)基因(R),啟動子(P),操縱基因(O),終止子(T)
;信息區(qū)為結(jié)構(gòu)基因(多順反子)。2.操縱子的基本組成
(1)結(jié)構(gòu)基因群被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因可稱為結(jié)構(gòu)基因(structuralgene,SG)。一個操縱子中含有2個以上的結(jié)構(gòu)基因,多的可達十幾個。每個結(jié)構(gòu)基因是一個連續(xù)的開放閱讀框(openreadingframe),5’端有起始密碼ATG,3’端有終止密碼TAA、TGA或TAG。各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜接、串連排列,組成結(jié)構(gòu)基因群。
乳糖操縱子含有Z、Y和A3個結(jié)構(gòu)基因。
Z基因長3510bp,編碼含1170個氨基酸、分子量為135,000的多肽,以四聚體形式組成有活性的β-半乳糖苷酶,催化乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖(allolactose),再分解為半乳糖和葡萄糖;5’側(cè)具有大腸桿菌核糖體識別結(jié)合位點(RBS)特征的Shine-Dalgarno(SD)序列。
Y基因長780bp,編碼有260個氨基酸、分子量為30,000的半乳糖透性酶,促使環(huán)境中的乳糖進入細菌;A基因長825bp,編碼275氨基酸、分子量為32,000的轉(zhuǎn)乙酰酶,以二聚體活性形式催化半乳糖的乙酰化。(2)啟動子
啟動子(promoter,P)是指能被RNA聚合酶識別、結(jié)合并啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。操縱子至少有一個啟動子,一般在第一個結(jié)構(gòu)基因5'側(cè)上游,控制整個結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。
(3)操縱基因
操縱基因是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列,常與啟動子鄰近或與啟動子序列重疊,當調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱子序列上,會影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強弱。以乳糖操縱子中的操縱區(qū)為例,其操縱基因(o)序列位于啟動子(p)與被調(diào)控的基因之間,部分序列與啟動子序列重疊。(4)
調(diào)控基因
調(diào)控基因(regulatorygene)是編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。調(diào)控蛋白有:
阻遏蛋白(repressiveprotein):減弱或阻止,負調(diào)控(negativeregulation);
激活蛋白(activatingprotein):增強或起動,正調(diào)控(positiveregulation)。
許多調(diào)控蛋白都是變構(gòu)蛋白
能與調(diào)控蛋白結(jié)合,使調(diào)控蛋白的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而改變其對基因轉(zhuǎn)錄的影響,的特定物質(zhì)可稱為效應(yīng)物(effector):
誘導(dǎo)物(inducer):能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子;
輔阻遏物(corepressor):能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子。小分子效應(yīng)物(5)終止子
終止子(terminator,T)是給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號的DNA序列。在一個操縱子中至少在結(jié)構(gòu)基因群最后一個基因的后面有一個終止子。酶的誘導(dǎo)和阻遏操縱子模型B.有活性阻遏蛋白加誘導(dǎo)劑A.有活性阻遏蛋白C.無活性阻遏蛋白D.無活性阻遏蛋白加輔阻遏劑操縱基因啟動基因調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻擋操縱基因結(jié)構(gòu)基因不表達誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合,使阻遏蛋白不能起到阻擋操縱基因的作用,結(jié)構(gòu)基因可以表達酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操縱基因結(jié)合,結(jié)構(gòu)基因可以表達阻遏蛋白(無活性)酶蛋白mRNA代謝產(chǎn)物與阻遏蛋白結(jié)合,從而使阻遏蛋白能夠阻擋操縱基因,結(jié)構(gòu)基因不表達代謝產(chǎn)物3.大腸桿菌乳糖操縱子模型CAP結(jié)合位點大腸桿菌乳
糖
操
縱
子
模型調(diào)節(jié)基因操縱基因乳糖結(jié)構(gòu)基因PLacZLacYLacAmRNA阻遏蛋白(有活性)基因關(guān)閉啟動子ORPLacZLacYLacA調(diào)節(jié)基因操縱基因乳糖結(jié)構(gòu)基因啟動子ORmRNAZmRNAYmRNAA阻遏蛋白(無活性)基因表達mRNAA、阻遏蛋白阻止表達
B、乳糖的誘導(dǎo)表達
乳糖阻遏蛋白(有活性)CAP:分解代謝基因活化蛋白(catabolicgeneactivationprotein)CAP與cAMP結(jié)合后才被活化cAMP是由腺苷環(huán)化酶(adenylate
cyclase)
催化合成CAP以兩種方法來激活轉(zhuǎn)錄:(1)它可能直接和RNAPol相互作用;(2)作用于DNA,改變其結(jié)構(gòu),從而幫助RNAPol結(jié)合。
乳糖操縱子的CAP正調(diào)控乳糖操縱子的CAP正調(diào)控RLacZLacYLacAmRNA基因表達CAP基因結(jié)構(gòu)基因TCAPOCAP結(jié)合部位
RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代謝產(chǎn)物腺苷酸環(huán)化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物與cAMP的關(guān)系cAMP降低cAMP濃度使CAP呈失活狀態(tài)mRNAZmRNAYmRNAA
色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分,一般的環(huán)境難以給細菌提供足夠的色氨酸,細菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過許多步驟合成色氨酸,但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時,細菌就會充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸,以減輕自己的負擔。細菌所以能做到這點是因為有色氨酸操縱子(trp
operon)的調(diào)控。3.色氨酸操縱子的表達調(diào)控
(1)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)
(2)阻遏蛋白的負調(diào)控
合成色氨酸所需要酶類的基因E、D、C、B、A等頭尾相接串連排列組成結(jié)構(gòu)基因群,受其上游的啟動子Ptrp和操縱子o的調(diào)控,調(diào)控基因trpR的位置遠離P-o-結(jié)構(gòu)基因群,在其自身的啟動子作用下,以組成性方式低水平表達其編碼分子量為47000的調(diào)控蛋白R,R并沒有與o結(jié)合的活性,當環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時,R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化,就能夠與o特異性親和結(jié)合,阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。
因此色氨酸操縱子屬于一種負調(diào)控的、可阻遏的操縱子(repressibleoperon),即這操縱子通常是開放轉(zhuǎn)錄的,有效應(yīng)物(色氨酸為輔阻遏物)作用時則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。細菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都屬于這種類型,其調(diào)控可使細菌處在生存繁殖最經(jīng)濟最節(jié)省的狀態(tài)。
(3)衰減子及其作用
實驗觀察表明:當色氨酸達到一定濃度、但還沒有高到能夠活化阻遏蛋白使其起阻遏作用的程度時,產(chǎn)生色氨酸合成酶類的量已經(jīng)明顯降低,而且產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負相關(guān)。仔細研究發(fā)現(xiàn)這種調(diào)控現(xiàn)象與色氨酸操縱子特殊的結(jié)構(gòu)有關(guān)。
在色氨酸操縱子Ptrp-o與第一個結(jié)構(gòu)基因trpE之間有162bp的一段先導(dǎo)序列(leadingsequence,L),實驗證明當色氨酸有一定濃度時,RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄會終止在這里。這段序列中含有編碼由14個氨基酸組成的短肽的開放閱讀框,其序列中有2個色氨酸密碼子相連,在此開放閱讀框前有核糖體識別結(jié)合位點(RBS)序列,提示這段短開放閱讀框在轉(zhuǎn)錄后是能被翻譯的。
mRNA前導(dǎo)區(qū)序列分析
trp前導(dǎo)區(qū)的堿基序列已經(jīng)全部測定,發(fā)現(xiàn)完整的前導(dǎo)序列可分為1、2、3、4區(qū)域,這四個區(qū)域的片段能以兩種不同的方式進行堿基配對,有時以1-2和3-4配對,有時只以2-3方式互補配對。核糖體經(jīng)過前導(dǎo)區(qū)繼續(xù)翻譯的能力控制著這兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換,它決定mRNA是否形成終止所需的結(jié)構(gòu)。前導(dǎo)序列的終止區(qū)與一般的轉(zhuǎn)錄終止位點特點相同,具有成串的U和潛在的能形成莖環(huán)的二重對稱結(jié)構(gòu)。圖9-10色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄與翻譯調(diào)控衰減子作用大腸桿菌色氨酸操縱子的衰減作用的可能機制二、真核生物基因表達調(diào)控DNA轉(zhuǎn)錄初產(chǎn)物RNAmRNA蛋白質(zhì)前體mRNA降解物活性蛋白質(zhì)DNA水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié)翻譯調(diào)節(jié)mRNA降解調(diào)節(jié)翻譯后加工的調(diào)節(jié)核細胞質(zhì)
真核基因表達調(diào)控的五個水平
DNA水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié)翻譯水平調(diào)節(jié)翻譯后加工的調(diào)節(jié)
真核基因調(diào)控主要是正調(diào)控
順式作用元件和反式作用因子
轉(zhuǎn)錄因子的相互作用控制轉(zhuǎn)錄
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