第九章微生物基因表達(dá)的調(diào)控.ppt

1、第九章 微生物基因表達(dá)的調(diào)控,概述 (Introduction),基因表達(dá)(gene expression)-基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程。 生物基因組中結(jié)構(gòu)基因所攜帶的遺傳信息，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯等一系列過(guò)程，合成具有特定的生物學(xué)功能和生物學(xué)效應(yīng)的蛋白質(zhì)的全過(guò)程,中心法則(the central dogma)：,基因表達(dá)是受調(diào)控的,不是所有的基因表達(dá)都產(chǎn)生蛋白質(zhì)，rRNA或tRNA的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工產(chǎn)生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表達(dá)，因?yàn)閞RNA或tRNA就具有在蛋白質(zhì)翻譯方面的功能。,但是,基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄翻譯,大腸桿菌基因組（約4000個(gè)基因)，一般情況下只有510%在

2、高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達(dá)，或者暫時(shí)不表達(dá)。 人的基因組約含有10萬(wàn)個(gè)基因，但在一個(gè)組織細(xì)胞中通常只有一部分基因表達(dá)，多數(shù)基因處在沉靜狀態(tài)，典型的哺乳類(lèi)細(xì)胞中開(kāi)放轉(zhuǎn)錄的基因約在1萬(wàn)個(gè)上下，即使蛋白質(zhì)合成量比較多、基因開(kāi)放比例較高的肝細(xì)胞，一般也只有不超過(guò)20%的基因處于表達(dá)狀態(tài)。,生物基因組的遺傳信息 并不是同時(shí)全部都表達(dá)出來(lái)的,基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性 (temporal and spatial specificity),時(shí)間特異性(temporal specificity) 某一基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生 Hb (hemoglobin) 珠蛋白基因簇：（胚胎型）

3、 、 珠蛋白基因簇：（胚胎型）、 （胎兒型）、 22 22 22,空間特異性(spatial specificity),在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn) 同形異位現(xiàn)象(homeosis): 果蠅頭部長(zhǎng)觸角部位長(zhǎng)出腳來(lái) 同形異位盒基因(homeobox) :高度保守的一段核苷酸序列（180bp）,控制胚胎發(fā)育的基因,基因表達(dá)的方式-1,組成性基因表達(dá)(constitutive gene expression)：指不大受環(huán)境變動(dòng)而變化的一類(lèi)基因表達(dá)。管家基因與奢侈基因 產(chǎn)物是細(xì)胞或生物體整個(gè)生命過(guò)程中都持續(xù)需要而必不可少的，這類(lèi)基因也稱(chēng)為看家基因(house- keepi

4、ng gene)； 管家基因-在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因。 奢侈基因（luxury gene）只在特定的細(xì)胞類(lèi)型中表達(dá)的基因,基因表達(dá)的方式-2,適應(yīng)性表達(dá)(adaptive expression)：指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類(lèi)基因表達(dá)。 誘導(dǎo)和阻遏表達(dá) 誘導(dǎo)（induction）-可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境信號(hào)刺激下表達(dá)增強(qiáng)的過(guò)程。 DNA損傷 修復(fù)酶基因激活 乳糖 利用乳糖的三種酶表達(dá) 阻遏（repression）-可阻遏基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的過(guò)程 色氨酸 色氨酸合成酶系,基因表達(dá)的方式-3,協(xié)調(diào)表達(dá) 協(xié)調(diào)表達(dá) 在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無(wú)論其為何種表達(dá)

5、方式，均需協(xié)調(diào)一致、共同表達(dá)，即為協(xié)調(diào)表達(dá)(coordinate expression),基因表達(dá)的調(diào)控方式: 阻遏 負(fù)調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列 基因的表達(dá) (相應(yīng)蛋白質(zhì)降低) 促進(jìn) 正調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列 基因的表達(dá) (相應(yīng)蛋白質(zhì)增加),五、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理,基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控,轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控transcriptional level: 轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄起始; 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控post-transcriptional level： 轉(zhuǎn)錄后加工、運(yùn)輸、mRNA降解; 翻譯水平的調(diào)控translation level： 翻譯的起始; 翻譯后水平的調(diào)控post-translation

6、level 翻譯后的加工、轉(zhuǎn)運(yùn)、多肽鏈的分解.,基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義 適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖 維持個(gè)體發(fā)育與分化,原核生物中，營(yíng)養(yǎng)狀況（nutritional status）和環(huán)境因素（environmental factor）對(duì)基因表達(dá)起著舉足輕重的影響。 真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平（hormone level）和發(fā)育階段（developmental stage）是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段，營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。 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。,原核生物基因表達(dá)調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平，其次是翻譯

7、水平。,因?yàn)榧?xì)菌mRNA在形成過(guò)程中與核糖體混合在一起，所以，細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄與翻譯過(guò)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)（coupled transcription and translation）。,真核生物中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（primary transcript）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)。,原核生物的共有序列 原核生物的啟動(dòng)序列，在距離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)10區(qū)和35區(qū)往往含有一些重要的保守序列（共有序列）。 10區(qū)：含TATAAT序列，又稱(chēng)Pribnow盒。 35區(qū)：含TTGACA序列。,RNA聚合酶結(jié)合部位 決定轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn),共有序列(consensus sequence) 決

8、定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。,某些特異因子（蛋白質(zhì)）決定RNA聚合酶對(duì)一個(gè)或一套啟動(dòng)序列的特異性識(shí)別和結(jié)合能力。,阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點(diǎn),當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng) ，阻礙轉(zhuǎn)錄。,操縱序列,可結(jié)合啟動(dòng)序列鄰近的DNA序列，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶活性。,激活蛋白(activator),有些基因在沒(méi)有激活蛋白存在時(shí)，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動(dòng)序列。,操縱子模型的提出 莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),第一節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控(contr

9、ol of transcription),操縱子（operon）： 原核生物中幾個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列組成的一個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同單位（DNA序列）. 一個(gè)操縱子 =編碼序列（2-6） +啟動(dòng)序列+操縱序列+(其他調(diào)節(jié)序列),Discovery of Operon,1940年， Monod發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)時(shí)，細(xì)菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細(xì)菌的生長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)停頓。即產(chǎn)生“二次生長(zhǎng)曲線”。 文獻(xiàn)：細(xì)胞中存在兩種酶，即組成酶與適應(yīng)酶（誘導(dǎo)酶）。 1947年，報(bào)告：“酶的適應(yīng)現(xiàn)象及其在細(xì)胞分化中的意義”。,1951年，Monod與Jacob合作。

10、 發(fā)現(xiàn)兩對(duì)基因： Z基因：與合成-半乳糖苷酶有關(guān)； I基因：決定細(xì)胞對(duì)誘導(dǎo)物的反應(yīng)。 Szilard：I基因決定阻遏物的合成，當(dāng)阻遏物存在時(shí)，酶無(wú)法合成，只有有誘導(dǎo)物存在，才能去掉該阻遏物。 Jacob：結(jié)構(gòu)基因旁有開(kāi)關(guān)基因（即操縱基因），阻遏物通過(guò)與開(kāi)關(guān)基因的結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。,乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn)： 細(xì)菌以葡萄糖為能量來(lái)源 葡萄糖充分時(shí)： 與葡萄糖代謝有關(guān)的酶基因-表達(dá) 與其他糖代謝有關(guān)的酶基因-關(guān)閉 葡萄糖耗盡時(shí)，乳糖存在（培養(yǎng)基）： 與乳糖代謝有關(guān)的酶基因 -表達(dá) 與葡萄糖代謝有關(guān)的酶基因-關(guān)閉,I,P,O,Z,Y,a,調(diào)控基因 控制位點(diǎn) 結(jié)構(gòu)基因,DNA,阻遏蛋白,啟動(dòng)序列,cA

11、MP-CAP結(jié)合位點(diǎn),操縱序列,半乳糖苷酶,通透酶,乙?；D(zhuǎn)移酶,乳糖操縱子（lactose opron）結(jié)構(gòu),RNA聚合酶 結(jié)合位點(diǎn),沒(méi)有乳糖存在時(shí),阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié),有乳糖存在時(shí),無(wú)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),CAP:分解物基因激活物蛋白可促進(jìn)乳糖利用，但須與cAMP結(jié)合才有活性,阻遏基因轉(zhuǎn)錄翻譯阻遏蛋白R(shí)，R與操縱基因結(jié)合，阻止結(jié)合在啟動(dòng)子上的DDRP前移，結(jié)構(gòu)基因不被轉(zhuǎn)錄,1）無(wú)乳糖也無(wú)葡萄糖存在時(shí)：,2）當(dāng)無(wú)乳糖，有葡萄糖時(shí)：,由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操縱子關(guān)閉，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調(diào)節(jié)不起作用,總結(jié)

12、：,所以：無(wú)乳糖時(shí)，無(wú)論有無(wú)葡萄糖，操縱子關(guān)閉,由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調(diào)節(jié)不起作用，抑制乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄，使細(xì)菌只能利用葡萄糖。,3）既有乳糖，又有葡萄糖時(shí)：,乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白變構(gòu)，失去與操縱基因結(jié)合的能力而脫落,由于不含葡萄糖，細(xì)胞內(nèi)cAMP含量高，cAMP與CAP結(jié)合成復(fù)合物，與DNA結(jié)合，并推動(dòng)DDRP向前移動(dòng)，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。,4）有乳糖，無(wú)葡萄糖時(shí)：,乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白變構(gòu)，失去與操縱基因結(jié)合的能力而脫落，結(jié)合在啟動(dòng)子上的DDRP向前移動(dòng)，結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄翻譯，合成與乳糖代謝有關(guān)的酶類(lèi)從而利用乳糖,所以：有乳糖時(shí)，只有沒(méi)有葡萄糖，操縱子才開(kāi)放 有

13、葡萄糖存在，操縱子關(guān)閉,I,O,O,誘導(dǎo)劑,乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控,圖15-4,CAP- cAMP復(fù)合物在乳糖操縱子表達(dá)中的作用-正調(diào)控,條件2:,低乳糖,條件3:,低乳糖,條件4: 高葡萄糖 低cAMP 高乳糖,Lac 阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí), CAP對(duì)該系統(tǒng)不發(fā)揮作用,條件1: 低葡萄糖 高cAMP 高乳糖,Lac 阻遏蛋白不封閉轉(zhuǎn)錄時(shí), 沒(méi)有CAP存在,也無(wú)高效轉(zhuǎn)錄活性。,Lac 阻遏蛋白不封閉轉(zhuǎn)錄, CAP+ cAMP 加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄。,O,O,O,O,O,圖15-5,協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinate regulation) 負(fù)性調(diào)節(jié)與正性調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)合作 阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP不發(fā)揮作用 如沒(méi)有CA

14、P加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，即使阻遏蛋白從P上解聚仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性 葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖 葡萄糖可降低cAMP濃度，阻礙其與CAP結(jié)合從而抑制轉(zhuǎn)錄 結(jié)論：lac操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖,IPTG(異丙基硫代半乳糖苷),極強(qiáng)的誘導(dǎo)劑,1RNA編輯（RNA editing） 2mRNA 前體的選擇性拼接 3反義RNA的調(diào)控 反義RNA的調(diào)控是指真核生物基因組中，某些調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄所產(chǎn)生的RNA可與基因組DNA或RNA序列互補(bǔ)，形成雜交體，阻斷或減弱基因轉(zhuǎn)錄或翻譯的調(diào)控機(jī)制。這些調(diào)節(jié)基因所產(chǎn)生的RNA稱(chēng)之為反義RNA。,轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控,mRNA的加工 原核生物的mRNA往往一產(chǎn)生

15、就是成熟的，不需轉(zhuǎn)錄后的修飾加工，真核生物基因的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物則一般缺乏生物活性，必須經(jīng)過(guò)剪接加工后成為有活性的成熟mRNA分子，它們需從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。 真核生物mRNA的加工主要包括在mRNA的5末端加“帽子”，在3端加上多聚腺苷酸尾巴以及進(jìn)行RNA的剪接。 真核生物RNA的剪接有三類(lèi)：第一類(lèi)是依靠?jī)?nèi)含子的特殊結(jié)構(gòu)而能自發(fā)地進(jìn)行剪接；第二類(lèi)是蛋白質(zhì)（酶）促剪切；第三類(lèi)是需要一種細(xì)胞核小分子核糖核蛋白參與剪接的方式，真核生物mRNA的剪接就是這種方式。,翻譯水平的調(diào)控,mRNA的穩(wěn)定性：mRNA的降解速度受細(xì)菌的生理狀態(tài)、環(huán)境因素及mRNA結(jié)構(gòu)的影響。 翻譯產(chǎn)物對(duì)翻譯的

16、影響 小分子RNA的調(diào)控作用 mRNA干擾性互補(bǔ)RNA（micRNA)或反義RNA (antisense RNA） 調(diào)整基因表達(dá)產(chǎn)物的類(lèi)型 低水平表達(dá)基因的控制,真核生物基因表達(dá)的調(diào)控,DNA水平的調(diào)控 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控 翻譯水平的調(diào)控 翻譯后水平的調(diào)控,真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn),真核基因組結(jié)構(gòu)龐大 3109bp 單順?lè)醋?含有大量重復(fù)序列 基因不連續(xù)性 內(nèi)含子 外顯子 非編碼區(qū)較多 多于編碼序列(9:1),一、真核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn),（一）真核基因組結(jié)構(gòu)龐大,（二）單順?lè)醋?單順?lè)醋?monocistron) 即一個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄生成一個(gè)mRNA分子，經(jīng)翻譯生成一條多肽鏈。,（三）重復(fù)序

17、列（正向重復(fù)、反向重復(fù)）,（四）基因不連續(xù)性斷裂基因,基本概念 順式作用元件和反式作用因子 基因活性的調(diào)控主要通過(guò)反式作用因子（通常是蛋白質(zhì)）與順式作用元件（通常在DNA上）相互作用而實(shí)現(xiàn)。 順式作用元件（cis-acting element） ：對(duì)基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處在一個(gè)DNA分子上的基因； 通常不編碼蛋白質(zhì)，多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中，如啟動(dòng)子。 反式作用因子（trans-acting factor） ：通過(guò)擴(kuò)散自身表達(dá)產(chǎn)物（酶、調(diào)節(jié)蛋白）控制其他基因的表達(dá), 如轉(zhuǎn)錄因子； 其編碼基因與其識(shí)別或結(jié)合靶核苷酸序列不在同一個(gè)DNA分子上,基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制基

18、本上是反式作用因子與順式作用元件的相互作用。 反式作用因子只識(shí)別DNA上非常短的一段序列（順式元件）。,結(jié)構(gòu)基因和調(diào)控基因 結(jié)構(gòu)基因（structural genes）：編碼蛋白質(zhì)或RNA的任何基因。 原核生物的結(jié)構(gòu)基因一般成簇排列，真核生物獨(dú)立存在。 結(jié)構(gòu)基因簇由單一啟動(dòng)子共同調(diào)控。 調(diào)節(jié)基因（regulator genes）：參與其他基因表達(dá)調(diào)控的RNA或蛋白質(zhì)的編碼基因。 調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物質(zhì)通過(guò)與DNA上的特定位點(diǎn)結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄是調(diào)控的關(guān)鍵。 調(diào)節(jié)物與DNA特定位點(diǎn)的相互作用能以正調(diào)控方式（啟動(dòng)或增強(qiáng)基因表達(dá)活性）調(diào)節(jié)靶基因，也能以負(fù)調(diào)控方式（關(guān)閉或降低基因表達(dá)活性）調(diào)節(jié)靶基因。,啟動(dòng)

19、子和終止子,啟動(dòng)子 (promoter, P) ：能被RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。 終止子（terminator，T）：給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的DNA序列。 啟動(dòng)子和終止子屬于順式作用元件，而RNA聚合酶為反式作用因子。,啟動(dòng)子,真核基因啟動(dòng)子是RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)周?chē)囊唤M轉(zhuǎn)錄控制組件，至少包括一個(gè)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)以及一個(gè)以上的功能組件。,增強(qiáng)子(enhancer),指遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)、決定基因的時(shí)間、空間特異性、增強(qiáng)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性的DNA序列，其發(fā)揮作用的方式通常與方向、距離無(wú)關(guān)。,在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)5或3側(cè)均能起作用； 相對(duì)于啟動(dòng)子的任一指向均能起作用； 發(fā)揮作用與受控

20、基因的遠(yuǎn)近距離相對(duì)無(wú)關(guān)； 對(duì)異源性啟動(dòng)子也能發(fā)揮作用； 通常具有一些短的重復(fù)順序。,特點(diǎn),增強(qiáng)子,沉默子(silencer),某些基因的負(fù)性調(diào)節(jié)元件，當(dāng)其結(jié)合特異蛋白因子時(shí)，對(duì)基因轉(zhuǎn)錄起阻遏作用。,同一DNA序列可被不同蛋白質(zhì)識(shí)別 同一蛋白質(zhì)因子可與多種不同DNA序列發(fā)生聯(lián)系，少數(shù)是直接結(jié)合，多數(shù)是蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用后再影響DNA。 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)或DNA-蛋白質(zhì)的結(jié)合，均導(dǎo)致構(gòu)象上的微細(xì)變化，構(gòu)象變化常是實(shí)現(xiàn)調(diào)控功能的分子基礎(chǔ)。 反式作用因子在自身生物合成過(guò)程中，有相當(dāng)大的可變性和可塑性。,反式作用因子,操縱基因和阻抑蛋白,操縱基因（operator gene）：能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的

21、一段DNA序列，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱基因序列上，會(huì)影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。 與操縱基因結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱(chēng)為阻遏蛋白（repressive protein），其介導(dǎo)的調(diào)控方式稱(chēng)為負(fù)性調(diào)控（negative regulation）；細(xì)菌通常為負(fù)調(diào)控； 與操縱基因結(jié)合后能增強(qiáng)或起動(dòng)其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱(chēng)為激活蛋白（activating protein），所介導(dǎo)的調(diào)控方式稱(chēng)為正性調(diào)控（positive regulation）。,轉(zhuǎn)錄因子,轉(zhuǎn)錄因子：轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程中，RNA聚合酶所需要的輔助因子。 轉(zhuǎn)錄因子參與正調(diào)控的反式作用因子。 正調(diào)控和負(fù)調(diào)控的共同點(diǎn)：調(diào)控蛋白都是反式作用因子。