生物基因表達調控

RegulationofGeneExpressionin

Prokaryotes第十八章原核生物基因表達調控第一節(jié)

基因表達調控基本原理PrinciplesofGeneRegulation一、原核生物和真核生物基因表達調控有共同規(guī)律儲存在DNA的遺傳信息經轉錄合成各種RNA，以mRNA為模板，翻譯出執(zhí)行生命活動功能的蛋白質，這一從DNA到蛋白質的遺傳信息傳遞過程稱為基因表達?；虮磉_(geneexpression)染色質活化轉錄起始、延長、終止轉錄后加工蛋白質翻譯翻譯后加工修飾基因表達在全過程的各水平上都可以受調控：目錄轉錄起始調節(jié)是基因表達調控的主要環(huán)節(jié)（一）基因表達有時（間）空（間）特異性

在各種因素調控下，基因表達按一定時間順序有序地發(fā)生，稱為基因表達時間特異性（temporalspecificity）。同一基因在不同細胞或組織表達方式、表達水平不同，所表達的基因種類（數量）也不同，表現為明顯的細胞特異性和組織特異性，這就是基因表達的空間特異性（spatialspecificity）。（二）基因表達受順式作用元件與反式作用因子調節(jié)順式作用元件(cis-actingelement)位于受調控的DNA編碼區(qū)段上游，具有調控功能的DNA特異序列。BADNA編碼序列轉錄起始點

對順式作用元件起作用的蛋白質。反式作用因子(trans-actingfactor)由某一基因表達產生的蛋白質因子，通過與另一基因的特異的順式作用元件相互作用，調節(jié)其表達。這種調節(jié)作用稱為反式作用。有的蛋白質因子可特異識別、結合自身基因的調節(jié)序列，調節(jié)自身基因的表達，稱順式作用。cDNAaDNA反式調節(jié)C順式調節(jié)mRNAC蛋白質CBAmRNA蛋白質AA調節(jié)原核生物基因表達的效應蛋白可分3類：（三）基因表達有正調控和負調控各種

因子（RNApol亞基）阻遏蛋白----負調控因素

激活蛋白----正調控因素

（四）DNA/蛋白質相互作用是基因表達調控的分子基礎轉錄激活調控依賴于效應蛋白以高親和力準確結合DNA特定序列。二、轉錄起始調節(jié)是基因表達調控的主要環(huán)節(jié)轉錄起始調節(jié)是最核心的環(huán)節(jié)。原核生物mRNA生成后，甚至就在轉錄當中即可作翻譯模板，沒有真核生物由初級轉錄產物加工修飾而成熟，成熟RNA從核內向胞漿輸送的過程，故調控集中在轉錄起始（transcriptionalinitiation）。操縱子（operon）：以線性陣列存在的若干個結構基因加上它們上游的調控區(qū)DNA，組成的轉錄單元。結構基因（structuralgene）：為蛋白質編碼的基因。基因簇（genecluster）：原核生物功能相關的結構基因集合組成的轉錄單元。順反子（cistron）：與一個肽鏈編碼序列（即一個基因）對應的DNA或mRNA單位。多順反子（polycistron）：單個mRNA分子為不只一個蛋白質編碼。

三、誘導和阻遏是原核生物轉錄調控的基本規(guī)律在化學分子或調控信號變化所引起的應答中，基因表達增強稱為誘導（induction）。

在對環(huán)境信號變化引起的反應中，基因表達減弱或抑制，稱為阻遏（repression）。

①以轉錄起始為主要調控點；②操縱子是大多數基因簇的調控方式，主要以代謝酶類作為受調控對象；③以負調控居主要優(yōu)勢，由誘導物解除阻遏；④多順反子mRNA只在原核生物出現；⑤相當多基因屬于組成型表達(constitutiveexpression)，即在整個生活過程中以恒定而適當的速率表達。這些基因在真核生物也稱為管家基因(housekeepinggene)。原核生物基因表達調控的特點：第二節(jié)

細菌的操縱子TheOperonofBacteria

操縱子在研究基因表達的重要性具有普遍性；真核生物研究的借鑒；開拓了分子識別（molecularrecognition)的研究；研究成果應用于實踐，具有指導意義。一、操縱子是原核生物基因表達的協(xié)調單位操縱子理論實驗依據實驗模型：細菌的乳糖代謝酶類誘導突破點:乳糖阻遏蛋白基因lacI的發(fā)現lacI

是組成型表達基因，其突變(lacI-)引起管轄的基因族也發(fā)生組成型表達。用噬菌體轉導方法把野生型(lacI+)轉入突變株(lacI-)，逆轉了組成型突變。操縱子(operon)是由結構基因及其上游調控序列組成的轉錄單元，結構基因轉錄受調控序列控制。調控序列包括遠端的阻遏蛋白(repressor)基因I，近端的啟動子(promoter,P)和操縱序列(operator,O)。

蛋白質因子特異DNA序列結構基因

啟動子

操縱序列阻遏蛋白基因

(promoter)(operator)啟動子是RNA聚合酶識別和結合的部位。RNA轉錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列操縱序列是阻遏蛋白的結合位點。當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白二、乳糖操縱子被阻遏蛋白封閉和被誘導物開放

調控區(qū)CAP結合位點啟動子操縱序列

結構基因z：β-半乳糖苷酶y：通透酶a：乙酰基轉移酶zyaOPDNAI基因乳糖操縱子的結構阻遏基因mRNA阻遏蛋白IDNAzyaOPpol沒有乳糖存在時乳糖操縱子被阻遏蛋白封閉mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAzyaOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶乳糖操縱子被誘導物開放

三、乳糖操縱子由cAMP-CAP系統(tǒng)進行正調控TTTACATATGTTN17N6AlacTTGACATATAAT共有序列乳糖操縱子是弱啟動子，被RNA-pol結合后，還需cAMP-CAP（分解代謝物基因活化蛋白）活化。++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP結合位點mRNA低半乳糖時高半乳糖時

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOOＩＩ無轉錄無轉錄低水平轉錄四、微生物代謝還有其它類型的調控方式（一）合成代謝操縱子由合成產物關閉合成代謝操縱子在基礎狀態(tài)下持續(xù)開放，在產物達到滿足需要量時才關閉。分解和合成代謝的操縱子操縱子基礎狀態(tài)調控方式分解代謝關閉由誘導物開放合成代謝開放由輔阻遏物關閉TrpTrp

高時Trp

低時mRNAOPtrpR調節(jié)區(qū)結構基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操縱子的作用原理操縱子關閉目錄（二）嚴謹應答是由氨基酸饑餓引發(fā)的大規(guī)模合成代謝下降E.coli在氨基酸供應缺乏或不足時，會引發(fā)大規(guī)模合成代謝的下降。該現象命名為嚴謹應答（stringentresponse）。嚴謹因子（stringentfactor）GTP+ATP（p）ppGpp+PiRelA嚴謹反應的直接觸發(fā)因子目錄氨基酸饑餓時，細菌對有限的營養(yǎng)物選擇地利用，優(yōu)先合成最必需的蛋白質，暫緩或不合成對生命活動非至關重要的蛋白質。嚴謹應答的生物學意義：第三節(jié)

Lambda噬菌體的基因表達調控RegulationofgeneexpressioninLambdaphage

一、Lambda噬菌體調控區(qū)段的表達產物與生活周期有關λ噬菌體的生活史溶菌生長途徑(lysispathway)溶源菌生長途徑(lysogenicpathway)Lambda噬菌體的溶原和裂解生活周期

Lambda噬菌體的基因結構和調控區(qū)域二、cI基因表達的阻遏蛋白封閉大部分基因使λ進入溶原周期λ的轉錄按先后分即刻早期(immediateearly)，晚早期(delayearly)和晚期(late)，三期的表達依次連續(xù)相互制約。前兩期轉錄是雙向的。晚期轉錄單向，在環(huán)狀基因組從R沿環(huán)到A-J結構區(qū)，和向左到達重組區(qū)的晚早期轉錄匯合，完成一個轉錄周期。表達產物供溶菌周期裝配感染型噬菌體。調控的主要關鍵在阻遏蛋白基因cI。cI兩側啟動子受宿主RNApol催化向左轉錄出12SRNA，翻譯為抗終止蛋白N；向右轉錄出7SRNA，翻譯為Cro蛋白。Cro蛋白有封閉阻遏蛋白基因的作用。N蛋白在nut位點幫助RNApol越過左、右終止點tR和tL，進行晚早轉錄，并繼續(xù)完成晚期轉錄。晚期轉錄之前，還受另一抗終止蛋白Q的活化?！@些都是完成溶菌作用的必須條件。首先是cⅡ的表達，CⅡ開啟cI。cI

表達的阻遏蛋白結合左、右操縱序列OL和OR。E.coli的RNApol結合PR后不能向右轉錄，無法完成晚早和晚期表達，沒有結構蛋白的生成。PL的啟動活性比PR強，可使重組區(qū)表達，產物分別有附加（att），整合（int），和切割（xis）作用。完成整合后，CIII維持cII

活性，CⅡ開啟cI。cI單獨表達，產生的阻遏蛋白封閉啟動子，進入溶原狀態(tài)。溶原狀態(tài)的建立：Lambda溶菌和溶原建立的調控溶菌溶原第四節(jié)

原核生物翻譯水平的基因表達調控RegulationoftranslationalgeneexpressioninProkaryotes一、衰減是轉錄-翻譯的偶聯調控色氨酸操縱子（trpoperon）除了產物阻遏負調控外，還有轉錄衰減（attenuation）調控方式。TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調節(jié)區(qū)結構基因RNA聚合酶RNA聚合酶?色氨酸操縱子的作用原理UUUU……UUUU……調節(jié)區(qū)結構基因trpROP前導序列衰減子區(qū)域UUUU……前導mRNA1234衰減子結構

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結構能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……UUUU……34UUUU3’34核糖體前導肽前導mRNA當色氨酸濃度高時轉錄衰減機制125’trp密碼子衰減子結構就是終止子可使轉錄前導DNAUUUU3’RNA聚合酶終止UUUU……342423UUUU……核糖體前導肽15’trp密碼子結構基因前導DNARNA聚合酶當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關結構基因被轉錄序列3、4不能形成衰減子結構前導mRNA二、SOS反應由操縱子網絡組成的調節(jié)子控制

DNA損傷作為信號引發(fā)多個操縱子同步協(xié)調表達，稱為SOS反應或應答(SOSresponse)。由操縱子群組成的網絡系統(tǒng)稱為調節(jié)子(regulon)。

SOS基因紫外線激活RecALexA阻遏蛋白

與DNA損傷修復有關的酶和蛋白質基因表達LexA阻遏蛋白操縱序列DNASOS調節(jié)子三、核糖體蛋白與rRNA合成是互相協(xié)調的原核生物的16SrRNA與21種核糖體蛋白(ribosomalproteins)，簡稱r-蛋白，組成核糖體小亞基；5S和23SrRNA與31種r-蛋白組成大亞基。大、小亞基在翻譯起始組合為70S核糖體。蛋白質事物合成是生存的最基本需要，細胞必然要嚴格控制rRNA和r-蛋白的比例。核糖體蛋白基因與RNApol亞基基因的多順反子操縱子基因簇表達產物rif(rpoBC)rpL-K-A-J-L-rpoB-rpoCL-11-1-10-12-RNApol-B-BrpoArpsM-K-D-rpoA-rpL-QS13-11-4-RNApol-O-L-17spcrpL-N-X-E-rpsN-H-rpL-F-R-rpsE-