第七章原核基因表達調控張鐵軍

內容提要一、概述

二、原核生物基因表達的調控（一）原核生物基因表達的特點（二）原核生物基因表達的調控機制

(1)

轉錄起始的調控(2)轉錄終止的調控(3)翻譯水平的調控目前一頁\總數(shù)八十三頁\編于五點概述目前二頁\總數(shù)八十三頁\編于五點概述基因表達(geneexpression)是基因轉錄及翻譯的過程，也是基因所攜帶的遺傳信息表現(xiàn)為表型的過程，包括基因轉錄成互補的RNA序列，對于蛋白質編碼基因，mRNA繼而翻譯成多肽鏈，并裝配加工成最終的蛋白質產物。目前三頁\總數(shù)八十三頁\編于五點

基因表達的時間性及空間性1.時間特異性

按功能需要某一特定基因表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生。如病毒感染；胚胎發(fā)育。基因表達的時間特異性又稱階段特異性。目前四頁\總數(shù)八十三頁\編于五點孕三天桑椹胚孕五周目前五頁\總數(shù)八十三頁\編于五點2.空間特異性

指在個體生長全過程，某種基因產物在個體不同組織器官表達存在差異。空間特異性又稱細胞特異性或組織特異性。

基因表達的時間性及空間性目前六頁\總數(shù)八十三頁\編于五點組織特異性轉基因爪蛙品系目前七頁\總數(shù)八十三頁\編于五點

基因表達調控（regulationofgeneexpression）就是指細胞或生物體在接受內外環(huán)境信號刺激時或適應環(huán)境變化的過程中在基因表達水平上做出應答的分子機制，即位于基因組內的基因如何被表達成為有功能的蛋白質（或RNA），在什么組織表達，什么時候表達，表達多少等?；虮磉_的方式存在多樣性目前八頁\總數(shù)八十三頁\編于五點基因表達的方式組成性基因表達適應性表達（誘導和阻遏表達）按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：目前九頁\總數(shù)八十三頁\編于五點1、組成性基因表達

某些基因在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因

(house-keepinggene)。目前十頁\總數(shù)八十三頁\編于五點管家基因的表達水平受環(huán)境因素影響較小，是在生物體各個生長階段的大多數(shù)、或幾乎全部組織中持續(xù)表達。這類基因表達被視為組成性（或基本）基因表達(constitutivegeneexpression)。目前十一頁\總數(shù)八十三頁\編于五點bcl-2β-actin12瓊脂糖凝膠電泳圖1.對照組2.實驗組目前十二頁\總數(shù)八十三頁\編于五點常用的管家基因中文名稱英文縮寫

beta－肌動蛋白β-actin甘油醛3-磷酸脫氫酶GAPDHTATABox結合蛋白 TBP18s核糖體核糖核酸 18srRNA微管蛋白α

α-tubulin目前十三頁\總數(shù)八十三頁\編于五點2、誘導和阻遏表達誘導表達（induction）指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達產物增加。這類基因稱為可誘導基因。阻遏表達（repression）指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達產物減少。這類基因稱為可阻遏基因。目前十四頁\總數(shù)八十三頁\編于五點在一定機制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調一致、共同表達，即為協(xié)同表達(coordinateexpression)。3、協(xié)同表達目前十五頁\總數(shù)八十三頁\編于五點

基因表達調控的生物學意義

1.適應環(huán)境、維持生長和增殖；

2.維持個體發(fā)育和分化。目前十六頁\總數(shù)八十三頁\編于五點基因轉錄調控的基本要素1、特異DNA序列原核生物的操縱子（operon）真核生物的順式作用元件

（cis-actingelement）2、調節(jié)蛋白目前十七頁\總數(shù)八十三頁\編于五點第一節(jié)原核基因表達調控總論目前十八頁\總數(shù)八十三頁\編于五點

基因組

轉錄

轉錄后

翻譯

翻譯后基因表達的調控水平目前十九頁\總數(shù)八十三頁\編于五點轉錄水平上的調控翻譯水平上的調控（較少）原核基因表達調控目前二十頁\總數(shù)八十三頁\編于五點一、原核基因調控機制的類型與特點（一）原核基因調控機制的類型負調控正調控geneON→OFF阻遏蛋白geneOFF→ON激活蛋白基因表達量特別低目前二十一頁\總數(shù)八十三頁\編于五點1、負調控negativeregulation在沒有調節(jié)蛋白質存在時基因是表達的，加入某種調節(jié)蛋白質后基因活性就被關閉，這樣的控制系統(tǒng)就叫做負控系統(tǒng)。其調節(jié)蛋白質叫做阻遏蛋白兩種類型：負控誘導和負控阻遏目前二十二頁\總數(shù)八十三頁\編于五點負控誘導系統(tǒng)負控阻遏系統(tǒng)失活的阻遏蛋白阻遏蛋白1.阻遏蛋白；2.加入某種調節(jié)蛋白質后基因活性就被關閉目前二十三頁\總數(shù)八十三頁\編于五點2、正調控positiveregulation在沒有調節(jié)蛋白質存在時基因是關閉的，加入某種調節(jié)蛋白質后基因活性就被開啟，這樣的控制系統(tǒng)就叫做正控系統(tǒng)。其調節(jié)蛋白質叫做激活蛋白兩種類型:正控誘導和正控阻遏系統(tǒng)目前二十四頁\總數(shù)八十三頁\編于五點正控誘導系統(tǒng)正控阻遏系統(tǒng)失活的激活蛋白1.激活蛋白；2.加入某種調節(jié)蛋白質后基因活性就被開啟目前二十五頁\總數(shù)八十三頁\編于五點失活的激活蛋白失活的阻遏蛋白阻遏蛋白目前二十六頁\總數(shù)八十三頁\編于五點（二）原核生物基因表達調控的特點調節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉錄水平上進行σ因子決定RNA聚合酶識別特異性主要通過操縱子模式進行調節(jié)目前二十七頁\總數(shù)八十三頁\編于五點1、原核基因轉錄調節(jié)特點

(一)σ因子決定RNA聚合酶識別特異性核心酶全酶目前二十八頁\總數(shù)八十三頁\編于五點

σ因子目前二十九頁\總數(shù)八十三頁\編于五點大腸桿菌中的各種σ因子比較σ因子編碼基因主要功能σ70rpoD識別一般啟動子σ54rpoN參與多數(shù)氮源利用基因的調控σ38rpoH分裂間期特異基因的表達調控σ32rpoS熱休克基因的表達調控σ28rpoF鞭毛趨化相關基因的表達調控σ24rpoE過度熱休克基因的表達調控目前三十頁\總數(shù)八十三頁\編于五點

第二節(jié)乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)目前三十一頁\總數(shù)八十三頁\編于五點乳糖操縱子模型的建立(JacobandMonod,1961)FrancoisJacobJacqucesMonod獲1965年諾貝爾獎目前三十二頁\總數(shù)八十三頁\編于五點------操縱子(operon)操縱子：是基因表達的調控單位，由調節(jié)基因、啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關的結構基因所組成。目前三十三頁\總數(shù)八十三頁\編于五點

------操縱子(operon)

結構基因

啟動子

操縱基因

調節(jié)基因(promoter)(operator)阻遏蛋白目前三十四頁\總數(shù)八十三頁\編于五點一、乳糖操縱子(lacoperon)的結構與組成

調控區(qū)阻遏基因啟動子操縱基因

結構基因lacZ：β-半乳糖苷酶lacY：β-半乳糖苷透過酶lacA：β-半乳糖苷乙?；D移酶ZYAOPDNAI目前三十五頁\總數(shù)八十三頁\編于五點藍白顯色篩選法目前三十六頁\總數(shù)八十三頁\編于五點二、酶的誘導--lac體系受調控的證據(jù)在不含乳糖的培養(yǎng)基中，lac+基因型每個大腸桿菌細胞內大約只有1～2個酶分子。如果在培養(yǎng)基中加入乳糖，酶的濃度很快達到細胞總蛋白量的6%或7%，每個細胞中可有超過105個酶分子。1、實驗證據(jù)目前三十七頁\總數(shù)八十三頁\編于五點目前三十八頁\總數(shù)八十三頁\編于五點2、實驗用誘導物乳糖IPTG(異丙基巰基半乳糖苷)TMG(巰甲基半乳糖苷)ONPG(O-硝基半乳糖苷)目前三十九頁\總數(shù)八十三頁\編于五點三、lac操縱子模型及其影響因子（一）Lac操縱子模型調控區(qū)結構基因目前四十頁\總數(shù)八十三頁\編于五點乳糖操縱子模型1、Z、Y、A基因的產物為一條多順反子mRNAlacZ：編碼β-半乳糖苷酶，它可以將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖；lacY：編碼β-半乳糖苷透過酶，它能將乳糖運送透過細菌的細胞壁；lacA：編碼β-半乳糖苷乙酰轉移酶，進行乳糖代謝。多順反子：一個mRNA分子編碼多個多肽鏈。這些多肽鏈對應的DNA片段則位于同一轉錄單位內，享用同一對起點和終點。目前四十一頁\總數(shù)八十三頁\編于五點2、P區(qū)位于I與O之間，O為阻遏蛋白結合位點

啟動子（P）

RNA聚合酶結合位點調節(jié)基因CAP結合位點操縱基因（O）結構基因

I阻遏蛋白結合位點

目前四十二頁\總數(shù)八十三頁\編于五點mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時3、乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調節(jié)阻遏基因（1）阻遏蛋白的負性調節(jié)目前四十三頁\總數(shù)八十三頁\編于五點mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄lacmRNA乳糖異構乳糖β-半乳糖苷酶lac操縱子與阻遏蛋白的負性調節(jié)目前四十四頁\總數(shù)八十三頁\編于五點3、乳糖操縱子受阻遏蛋白和CAP的雙重調節(jié)（2）CAP的正性調節(jié)1.cAMP由ATP合成。2.代謝物激活蛋白（cataboliteactivatorprotein，CAP）又稱為環(huán)腺苷酸受體（cAMPreceptorprotein，CRP）。3.每個CAP可結合一個cAMP。4.在含葡萄糖的培養(yǎng)基中，cAMP的濃度很低。5.RNA聚合酶ɑ亞基可以和結合有cAMP的CAP結合，從而起始轉錄。目前四十五頁\總數(shù)八十三頁\編于五點目前四十六頁\總數(shù)八十三頁\編于五點

目前四十七頁\總數(shù)八十三頁\編于五點4、協(xié)同調節(jié)當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。乳糖作為阻遏蛋白的誘導物操控負調節(jié)葡萄糖降低cAMP-CAP操控正調節(jié)目前四十八頁\總數(shù)八十三頁\編于五點mRNA低乳糖時高乳糖時

葡萄糖低cAMP濃度高

葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO阻遏蛋白cAMP-CAPcAMP-CAP阻遏蛋白目前四十九頁\總數(shù)八十三頁\編于五點(二)乳糖操縱子的影響因子1、lac操縱子的本底水平表達乳糖目前五十頁\總數(shù)八十三頁\編于五點因為誘導物需要穿過細胞壁才能與阻遏蛋白結合，而運轉誘導物需要透過酶。在非誘導狀態(tài)下有少量（1-5個mRNA分子）lacmRNA合成--本底水平組成型合成。

lac操縱子的本底水平表達目前五十一頁\總數(shù)八十三頁\編于五點3、阻遏物lacI基因產物及功能mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因弱啟動子控制的組成型合成目前五十二頁\總數(shù)八十三頁\編于五點4、葡萄糖對lac操縱子的影響代謝物阻遏效應（葡萄糖效應）是指當葡萄糖和其它糖類一起作為細菌的碳源時葡萄糖總是優(yōu)先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖類的利用的現(xiàn)象。研究認為葡萄糖的某些代謝產物抑制lacmRNA的合成，這種效應稱之為代謝物阻遏效應.目前五十三頁\總數(shù)八十三頁\編于五點5、lac基因產物數(shù)量上的不同Z、Y、A三個基因產物的拷貝數(shù)比例為1：0.5：0.2目前五十四頁\總數(shù)八十三頁\編于五點1、lacmRNA可能在翻譯過程中的核糖體相脫離，從而終止蛋白質鏈的翻譯。原因：在翻譯水平上的調節(jié)目前五十五頁\總數(shù)八十三頁\編于五點2、lacmRNA分子內部，A基因比Z基因更易受內切酶作用發(fā)生降解，故Z基因的完整拷貝數(shù)要比A基因多。原因：在翻譯水平上的調節(jié)降解目前五十六頁\總數(shù)八十三頁\編于五點CAP、阻遏蛋白、cAMP和誘導劑對lac操縱子的調節(jié)目前五十七頁\總數(shù)八十三頁\編于五點

色氨酸操縱子與負控阻遏系統(tǒng)目前五十八頁\總數(shù)八十三頁\編于五點可誘導調節(jié)：調節(jié)分解代謝的操縱子，同時受cAMP-CAP的活性調節(jié)可阻遏調節(jié)：調節(jié)合成代謝的操縱子（色氨酸）特殊代謝物調節(jié)基因活性的類型目前五十九頁\總數(shù)八十三頁\編于五點目前六十頁\總數(shù)八十三頁\編于五點一、trp操縱子的阻遏系統(tǒng)（一）trp操縱子的研究背景酶合成阻遏的現(xiàn)象—JacobandMonod的工作

目前六十一頁\總數(shù)八十三頁\編于五點（二）trp操縱子的結構阻遏型操縱子trpAtrpBtrpCtrpEtrpDPtrpOtrp前導序列aTrp阻抑物色氨酸激活RNAtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA色氨酸合成所需的酶trpR目前六十二頁\總數(shù)八十三頁\編于五點酶阻遏的操縱子模型輔阻遏蛋白無活性，不能與操縱基因結合，結構基因表達.調節(jié)基因操縱基因結構基因mRNA酶蛋白.........輔阻遏蛋白目前六十三頁\總數(shù)八十三頁\編于五點（三）trp操縱子的阻遏調控機制色氨酸操縱子主要參與調控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉錄合成。當細胞內缺乏色氨酸時，此操縱子開放，而當細胞內合成的色氨酸過多時，此操縱子被關閉。色氨酸操縱子的調控機制與乳糖操縱子類似，但通常情況下，操縱子處于開放狀態(tài)，其輔阻遏蛋白不能與操縱基因結合而阻遏轉錄。而當色氨酸合成過多時，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏蛋白結合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結合而使基因轉錄關閉。目前六十四頁\總數(shù)八十三頁\編于五點TrpTrp濃度高時Trp濃度低時mRNAOPtrpR調節(jié)區(qū)結構基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操縱子－阻遏調節(jié)?目前六十五頁\總數(shù)八十三頁\編于五點二、弱化子與前導肽（一）弱化子在操縱區(qū)與結構基因之間的一段可以終止轉錄作用的核苷酸序列，當操縱子被阻遏時，RNA合成被終止，這段核苷酸起終止轉錄信號作用.調節(jié)區(qū)結構基因trpROP前導序列弱化子區(qū)域UUUU……前導mRNA1234目前六十六頁\總數(shù)八十三頁\編于五點UUUU……RNA聚合酶起調節(jié)作用的是某種氨酰-tRNA的濃度目前六十七頁\總數(shù)八十三頁\編于五點目前六十八頁\總數(shù)八十三頁\編于五點UUUU……34UUUU3’34核糖體前導肽前導mRNA1.當色氨酸濃度高時轉錄衰減機制125’trp密碼子弱化子結構就是終止子可使轉錄前導DNAUUUU3’RNA聚合酶終止目前六十九頁\總數(shù)八十三頁\編于五點（二）前導肽UUUU……342423UUUU……核糖體前導肽前導mRNA15’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不能形成弱化子結構目前七十頁\總數(shù)八十三頁\編于五點目前七十一頁\總數(shù)八十三頁\編于五點5’trpmRNAtrpL1234寡聚U區(qū)trpE(a)正常(b)高[Trp]12轉錄終止34(C)低[Trp]1234轉錄延伸目前七十二頁\總數(shù)八十三頁\編于五點（三）弱化子的生物學意義活性阻遏物和非活性阻遏物的轉變可能較慢，而tRNA荷載與否可能更為靈敏；氨基酸的主要用途是合成蛋白質，因而以tRNA荷載情況為標準來進行控制可能更為恰當.當細胞內氨基酸高于某一水平時，可以實現(xiàn)完全的阻遏；而只有低于這一水平時，才需用弱化子這個調節(jié)系統(tǒng)來進行調節(jié)，阻遏蛋白和弱化子調節(jié)機制都是為了避免浪費，提高效率。目前七十三頁\總數(shù)八十三頁\編于五點第四節(jié)其他操縱子（自學）第五節(jié)固氮基因調控（自學）目前七十四