基因表達(dá)調(diào)控-原核_圖文精

1、7原核生物基因表達(dá)調(diào)控7.1 基因表達(dá)的調(diào)控7.2 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控7.3 翻譯水平的調(diào)控7.4 基因表達(dá)的調(diào)控生物的遺傳信息是以基因的形式儲藏在細(xì)胞內(nèi)的DNA（或RNA）分子中的。隨著個(gè)體的發(fā)育，DNA有序地將遺傳信息，通過轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，執(zhí)行各種生理生化功能，完成生命的全過程。從DNA到蛋白質(zhì)或RNA的過程，叫做基因表達(dá)（geneexpression,對這個(gè)過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控（generegulation或genecontrol0基因表達(dá)包括：基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄、翻譯產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程。rRNA或tRNA的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和加工產(chǎn)生成熟的rRNA或tRNA的過程。原核生物

2、基因表達(dá)調(diào)控的層次DNA水平的調(diào)控：通過DNA重排等機(jī)制來調(diào)節(jié)基因表達(dá)。轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控：調(diào)控DNA模板上轉(zhuǎn)錄特異mRNA的速度，這是生物在進(jìn)化過程中選擇的最經(jīng)濟(jì)的調(diào)控方式。翻譯水平的調(diào)控：mRNA合成后，通過控制多肽鏈的形成速度調(diào)控。原核中，操縱子是調(diào)控表達(dá)的基本單位，調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平。7.4.1 基因表達(dá)適應(yīng)環(huán)境的變化生物只有適應(yīng)環(huán)境才能生存，當(dāng)環(huán)境條件變化時(shí)，生物體就要改變自身基因表達(dá)狀況，以調(diào)整體內(nèi)執(zhí)行相應(yīng)功能蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量，從而改變自身的代謝、活動等以適應(yīng)環(huán)境。細(xì)胞中有些蛋白質(zhì)的數(shù)量幾乎不受環(huán)境變化影響，稱為組成性蛋白，如糖酵解中的酶。隨環(huán)境變化而變化的蛋白為適應(yīng)性蛋白，這是由基

3、因表達(dá)調(diào)控的。組成性表達(dá)（const讓utiveexpression指不隨環(huán)境變化而變化的基因表達(dá)。組成性表達(dá)的產(chǎn)物為組成性蛋白，是細(xì)胞或生物體整個(gè)生命過程中必不可少的，這類基因可稱為看家基因（housekeepinggene基因表達(dá)幾乎不受環(huán)境影響的原因可能是由于操縱子或調(diào)節(jié)基因突變造成的：即形成的有活性的阻遏蛋白不能與操縱子結(jié)合，或不能形成有活性的阻遏蛋白。這類基因中大多數(shù)是在生物個(gè)體其它組織細(xì)胞、甚至在同一物種的細(xì)胞中都是持續(xù)表達(dá)的，是細(xì)胞基本的基因表達(dá)，這是生物在進(jìn)化過程中形成的遺傳特性。適應(yīng)性表達(dá)（adaptiveexpressio時(shí)旨隨環(huán)境的變化，具表達(dá)水平改變的基因表達(dá)。因環(huán)境條

4、件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)（induction,這類基因稱為可誘導(dǎo)的基因（induciblegene；隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏（repression,這類基因稱為可阻遏的基因（repressiblegene在原核和單細(xì)胞生物中，通過改變基因表達(dá)來適應(yīng)環(huán)境，對于細(xì)胞的生存非常重要。如有充足的葡萄糖，細(xì)菌就可利用葡萄糖作能源和碳源，當(dāng)沒有葡萄糖時(shí)，細(xì)菌就要適應(yīng)環(huán)境中存在的其它糖類（如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等），打開能利用這些糖的酶類基因，以滿足生長的需要。7.5 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控7.5.1 操縱子學(xué)說7.5.2 乳糖操縱子7.5.3 色氨酸操縱子7.5.4 操縱子（o

5、peron學(xué)說7.5.4.1 操縱子學(xué)說的提出細(xì)菌能隨環(huán)境的變化，迅速改變某些基因表達(dá)的狀態(tài)。E.coli可利用葡萄糖、乳糖和麥芽糖等作為碳源。通常細(xì)菌優(yōu)先使用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，經(jīng)過短時(shí)間的適應(yīng)，細(xì)菌就能利用乳糖呈指數(shù)式繁殖增長。大腸桿菌二階段生長現(xiàn)象在無乳糖或其它&半乳糖甘時(shí)，E.coli合成代半乳糖甘酶量極少，加入乳糖23min后，細(xì)菌大量合成,半乳糖甘酶，其量可提高千倍以上。大腸桿菌利用乳糖時(shí)需乳糖透過酶（lactosepermeas守口,半乳糖甘酶（-galactosidase與。在以乳糖作為唯一碳源時(shí)，菌體內(nèi)的&半乳糖甘酶量可占到細(xì)菌總蛋白量的3%oJacob和M

6、onod等人對E.coli利用乳糖的適應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行研究，1961年提出乳糖操縱子（lacoperon學(xué)說。Z、Y和A是E.coli編碼利用乳糖所需酶類的基因，p是轉(zhuǎn)錄z、y、a所需要的啟動子，調(diào)控基因i編碼合成的調(diào)控蛋白R可與o結(jié)合而阻礙從p開始的轉(zhuǎn)錄，o就是調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的操縱基因。乳糖能改變R的結(jié)構(gòu)使其不能與o結(jié)合，因而乳糖濃度增高時(shí)基因就開放，轉(zhuǎn)錄合成所編碼的酶類基因，這樣E.coli就能適應(yīng)外界乳糖供應(yīng)的變化而改變利用乳糖的狀況。7.2.1.1操縱子的組成元件操縱子是調(diào)控原核生物基因表達(dá)的功能單位，操縱子的基本組成元件（elements包括：結(jié)構(gòu)基因、啟動子、終止子、調(diào)控基因和由調(diào)控基因產(chǎn)

7、物所識別的調(diào)控序列（操縱基因）等。原核生物的多數(shù)基因以操縱子的形式組成基因表達(dá)調(diào)控的單元，共同開啟或關(guān)閉，轉(zhuǎn)錄出多順反子（polycistron的mRNA。結(jié)構(gòu)基因群一個(gè)操縱子中一般含有2個(gè)以上的結(jié)構(gòu)基因（structuralgene,SG,每個(gè)結(jié)構(gòu)基因是一個(gè)連續(xù)的開放讀框（openreadingframe,各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜接、用連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群。在第一個(gè)2構(gòu)基因5'側(cè)具有核糖體結(jié)合位點(diǎn)（ribosomebindingsite,RBS,當(dāng)這段含多個(gè)結(jié)構(gòu)基因的DNA被轉(zhuǎn)錄成多順反子mRNA,就能被核糖體所識別結(jié)合、并起始翻譯。啟動子操縱子至少有一個(gè)啟動子，控制整個(gè)結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。

8、不同啟動子因序列差異而與RNA聚合酶的親和力不同，啟動轉(zhuǎn)錄的頻率有高有低，即起動基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)度不同。操縱基因操縱基因（operator,。是一段能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的DNA序列。操縱基因常與啟動子鄰近或重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱基因上，會影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。乳糖操縱子中的操縱基因（。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。結(jié)構(gòu)許多操縱子都具有類似的對稱性序列，可能與特定蛋白質(zhì)的結(jié)合相關(guān)。操縱基因序列具有回文（palindrome阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，可妨礙RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合及其后基因的轉(zhuǎn)錄起始，從而阻遏了基因的表達(dá)。能與調(diào)控蛋白特異性結(jié)合、從而影響基因

9、轉(zhuǎn)錄強(qiáng)弱的序列，不論其對基因轉(zhuǎn)錄的作用是減弱、增強(qiáng)、阻止或開放，都稱為操縱基因。調(diào)控基因調(diào)控基因（regulatorygene是編碼能與操縱基因結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。與操縱基因結(jié)合后能減弱或阻止其所調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為阻遏蛋白（repressiveprotein,其介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為負(fù)性調(diào)控（negativeregulation。與操縱基因結(jié)合后能增強(qiáng)或起動調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為激活蛋白（activatingprotein,所介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為正性調(diào)E（positiveregulation。某些特定的物質(zhì)能與調(diào)控蛋白結(jié)合，使調(diào)控蛋白的空間構(gòu)像發(fā)生變化，從而改變其對基因轉(zhuǎn)錄的影響，這些

10、物質(zhì)稱為效應(yīng)物(effector。能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子稱為誘導(dǎo)劑(inducer；能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子稱為阻遏劑或輔助阻遏齊ij(corepressor終止子終止子(terminatorT是給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號的DNA序列。操縱子結(jié)構(gòu)基因群最后一個(gè)基因的末端存在一個(gè)終止子。終止子按其作用可分為不依賴rho因子的強(qiáng)終止子和依賴rho因子的弱終止子。強(qiáng)終止子能完全停止轉(zhuǎn)錄；弱終止子只是部分終止轉(zhuǎn)錄，一部分RNA聚合酶能越過這類終止序列繼續(xù)沿DNA移動并轉(zhuǎn)錄。根據(jù)操縱子的作用方式可分為調(diào)節(jié)分解代謝的操縱子，它們都是屬于誘導(dǎo)型，并受cAMP-CAP的調(diào)節(jié)，分解代謝的底物常為誘導(dǎo)物。調(diào)節(jié)合成代謝

11、的操縱子，它們都屬于阻遏型，不受cAMP-CAP影響，其中一些操縱子等具有弱化子（例如，Trp、His的操縱子），一般而言，終產(chǎn)物為阻遏物。7.2.2孚1糖操縱子（lactoseoperon7.2.2.1 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)E.coli乳糖操縱子包括：調(diào)節(jié)基因、啟動子、終止子，操縱基因和3個(gè)結(jié)構(gòu)基因（Z、Y和Z編碼,半乳糖甘酶，催化乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾樘牵╝llolactose!,再分解為半乳糖和葡萄糖；Y編碼半乳糖透過酶，促使環(huán)境中的乳糖進(jìn)入細(xì)菌；A編碼轉(zhuǎn)乙?；D(zhuǎn)移酶，催化半乳糖甘乙?；?，在乳糖利用中并非必需，可能參與不能分解的,半乳糖甘的乙?；舛竞团懦黾?xì)胞。轉(zhuǎn)錄時(shí)，RNA聚合酶與啟動子結(jié)合，通

12、過操縱子，按Z一Y一A方向進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄出的mRNA上都有Z、Y和A基因。Z基因5彳則有SD序列，當(dāng)Lacoperon開放時(shí)，轉(zhuǎn)錄啟動，核糖體結(jié)合在轉(zhuǎn)錄所得的mRNA上,依次翻譯基因群所編碼的所有蛋白質(zhì)。7.2.2.2 阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控?zé)o乳糖時(shí)，Lac操縱子處于阻遏狀態(tài)。lacI基因在其自身的啟動子Pi控制下，低水平、組成性表達(dá)阻遏蛋白，每個(gè)細(xì)胞中僅維才e約10個(gè)分子的阻遏蛋白。阻遏蛋白的頭部是由159位殘基形成的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，剩下的核心部分具有聚集成四聚體以及和誘導(dǎo)物結(jié)合的能力。四亞基寡聚化阻遏蛋白以四聚體形式與操縱基因作用四聚體中二聚體的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域與Lac操縱子的O1區(qū)（中心位

13、于+11）緊密結(jié)合。另一個(gè)二聚體的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域與O2（+412bp處）或O3（-82bp處）疏松結(jié)合，將DNA拉成環(huán)狀。乳糖操縱子即使在阻遏蛋白的阻遏狀態(tài)下，也有本底水平的基因表達(dá)，由于R與O也偶爾解離，使細(xì)胞中有極低水平的自半乳糖甘酶及透過酶生成。在誘導(dǎo)物的作用下，阻遏蛋白構(gòu)象改變而失去與操縱基因（O1）的結(jié)合能力。有乳糖時(shí)，乳糖受,半乳糖甘酶的催化轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾樘?，與R結(jié)合使R構(gòu)象變化，R四聚體解聚而與O解離?；蜣D(zhuǎn)錄開放,代半乳糖甘酶在細(xì)胞內(nèi)的含量可增加1000倍。乳糖（異乳糖作為誘導(dǎo)劑，與R結(jié)合起到去阻遏作用，誘導(dǎo)了利用乳糖的酶類基因轉(zhuǎn)錄開放7.2.2.3 CRP（CAP）的正性調(diào)控大腸桿菌優(yōu)先利用葡萄糖作為碳源，葡萄糖的存在可阻止大