第8章 原核生物基因表達調(diào)控

章原核生物基因表達調(diào)控概述第一節(jié)原核生物基因表達調(diào)控概述一、基因表達調(diào)控的意義在一定調(diào)節(jié)機制控制下，基因通過轉(zhuǎn)錄和翻譯而產(chǎn)生其蛋白質(zhì)產(chǎn)物，或轉(zhuǎn)錄后直接產(chǎn)生其RNA產(chǎn)物，如tRNA、rRNA等的過程。大多數(shù)基因的表達產(chǎn)物是蛋白質(zhì),部分基因如tRNA和rRNA基因表達產(chǎn)物是RNA。圍繞基因表達過程中發(fā)生的各種各樣的調(diào)節(jié)方式都通稱為基因表達調(diào)控。在生物體生命活動中并不是所有的基因都同時表達，在生物體代謝過程中所需要的各種酶和蛋白質(zhì)的基因以及構(gòu)成細胞化學(xué)成分的各種編碼基因，在正常情況下是持續(xù)表達的，而與生物發(fā)育過程有關(guān)的基因則要在特定的時間和空間才進行表達。（1）時間特異性或階段特異性（2）空間特異性或組織細胞特異性1時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。2空間特異性（spatialspecificity）在個體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性(spatialspecificity)?；虮磉_伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。二、原核生物基因表達調(diào)控的特點與方式（1）原核生物基因表達調(diào)控包括在DNA水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平和翻譯水平，但轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)是最有效、最經(jīng)濟的方式，也是最主要的調(diào)節(jié)方式。（2）原核生物基因的表達調(diào)控多以操縱子為單位進行，即將功能相關(guān)的基因組織在一起，同時開啟或關(guān)閉基因表達。（3）基因調(diào)控的模式可分成兩大類，正調(diào)控和負調(diào)控，原核生物以負調(diào)控為主。轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控操縱子學(xué)說1961年，法國巴斯德研究院的FrancoisJacob（雅各布）與JacquesMonod（莫洛）提出，獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。

操縱子(operon)

結(jié)構(gòu)基因

啟動子

操縱基因

調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)阻抑蛋白三、原核生物基因表達調(diào)控的幾個重要概念結(jié)構(gòu)基因：編碼細胞結(jié)構(gòu)和基本代謝活動所必要的RNA和蛋白質(zhì)的基因。調(diào)節(jié)基因：編碼合成那些參與基因表達調(diào)控的RNA和蛋白質(zhì)的特異DNA序列。調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物通過與DNA上的特定位點結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄是調(diào)控的關(guān)鍵。順式作用元件（cis-actingelements）:調(diào)節(jié)基因表達的DNA序列。反式作用因子（trans-actingfactors）：調(diào)節(jié)基因表達的蛋白質(zhì)因子，可直接或間接結(jié)合順式作用元件。正調(diào)控和負調(diào)控正調(diào)控(positivecontrol)在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是關(guān)閉的，加入某種調(diào)節(jié)蛋白后基因活性就被開啟，這樣的調(diào)控為正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因mRNA酶蛋白調(diào)節(jié)蛋白負調(diào)控（negativecontrol)在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是表達的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負轉(zhuǎn)錄調(diào)控。調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白不轉(zhuǎn)錄，基因封閉

正調(diào)控（positiveregulation）與缺乏調(diào)控因子時比較，若調(diào)控因子使靶基因的表達水平上升。調(diào)控因子稱激活蛋白（activator）正調(diào)控可分為：可誘導(dǎo)的正調(diào)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)因子在誘導(dǎo)物的作用下，能與啟動子結(jié)合開啟結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄?？勺瓒舻恼{(diào)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)因子可與啟動子結(jié)合，促進結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。但當其與輔阻遏物結(jié)合后，不能啟動結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。2023/5/18142023/5/1815負調(diào)控（negativeregulation）與缺乏調(diào)控因子時比較，若調(diào)控因子使基因的表達水平下降，甚至關(guān)閉，調(diào)控因子稱阻遏蛋白（repressor）負調(diào)控可分為：可誘導(dǎo)的負調(diào)控系統(tǒng)阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，可阻止結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，但有誘導(dǎo)物時，它與阻遏蛋白結(jié)合從而解除對結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的抑制?？勺瓒舻呢撜{(diào)控系統(tǒng)阻遏蛋白不影響結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，但它與輔阻遏物結(jié)合后，抑制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。2023/5/18162023/5/1817四、原核生物基因表達調(diào)控機制1代謝產(chǎn)物對基因活性的調(diào)節(jié)

一些基因的特殊代謝產(chǎn)物對基因活性的調(diào)節(jié)具有誘導(dǎo)或阻遏作用。一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化.如乳糖操縱子，調(diào)節(jié)分解代謝的操縱子，同時受cAMP-CAP的活性調(diào)節(jié)2弱化子對基因活性的影響弱化子：在操縱基因與結(jié)構(gòu)基因之間的一段可以終止轉(zhuǎn)錄作用的核苷酸序列。當操縱子被阻遏時，RNA合成被終止，這段核苷酸序列起終止轉(zhuǎn)錄信號作用。UUUU……RNA聚合酶起調(diào)節(jié)作用的是某種氨酰-tRNA的濃度RNA在分子內(nèi)采用不同的堿基配對方式，形成不同的二級結(jié)構(gòu)而參與調(diào)控。當不同的結(jié)構(gòu)對是否允許終止存在差異時，改變二級結(jié)構(gòu)可對轉(zhuǎn)錄終止進行調(diào)控。

弱化子作用機制UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……5’trpmRNAtrpL1234寡聚U區(qū)trpE(a)正常(b)高[Trp]12轉(zhuǎn)錄終止34(C)低[Trp]1234轉(zhuǎn)錄延伸UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當色氨酸濃度高時轉(zhuǎn)錄衰減機制125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’RNA聚合酶終止UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNARNA聚合酶2.當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)3降解物對基因活性的調(diào)節(jié)葡萄糖效應(yīng)（降解物抑制作用）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。降解物對基因活性的調(diào)節(jié)葡萄糖通過降低cAMP的含量而抑制基因表達4細菌的應(yīng)急反應(yīng)

細菌的應(yīng)急反應(yīng)指細菌在惡劣生長環(huán)境中關(guān)閉tRNA和核糖體形成的能力。細菌的應(yīng)急反應(yīng)的機制應(yīng)急信號：鳥苷四磷酸（ppGpp）、鳥苷五磷酸（pppGpp）誘導(dǎo)物：空載tRNA焦磷酸轉(zhuǎn)移酶DiscoveryofOperon

1940年，Monod發(fā)現(xiàn)：細菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時，細菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細菌的生長會出現(xiàn)停頓。即產(chǎn)生“二次生長曲線”。JacquesMonod

第二節(jié)乳糖操縱子311951年，Monod與Jacob合作，發(fā)現(xiàn)兩基因：

Z基因：與合成β-半乳糖苷酶有關(guān)；

I基因：決定細胞對誘導(dǎo)物的反應(yīng)。1961年,F.Jacob&J.Monod提出乳糖操縱子學(xué)說，

此后不斷完善。1965年獲諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。FrancisJacob

JacquesMonod

2023/5/1832一、乳糖操縱子（lacoperon）的結(jié)構(gòu)與組成

調(diào)控區(qū)阻遏基因啟動子控制基因

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉(zhuǎn)移酶ZYAOPDNAILac操縱子P、O區(qū)的重疊乳糖操縱子模型Z、Y、A基因的產(chǎn)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：編碼半乳糖苷透性酶，它能將乳糖運送透過細菌的細胞壁；lacA：編碼硫代半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶，進行乳糖代謝。乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)基因及其表達產(chǎn)物二、酶的誘導(dǎo)-lac體系受調(diào)控的證據(jù)在不含乳糖及β-半乳糖苷的培養(yǎng)基中，lac+基因型每個大腸桿菌細胞內(nèi)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)mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏基因（1）Lac阻遏物的作用---負調(diào)控2023/5/1840mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖異乳糖乳糖操縱子為一個可誘導(dǎo)的負控制系統(tǒng)2023/5/1842（2）CAP的正性調(diào)節(jié)代謝物阻遏效應(yīng)研究認為葡萄糖的某些降解產(chǎn)物抑制lacmRNA的合成，這種效應(yīng)稱之為代謝物阻遏效應(yīng)。葡萄糖效應(yīng)

Catabolitegeneactivationproteinsite-10site-35siteCACCCCAGGCTTTACACTTTATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTGAGCGGATAACAATTTCACACCTCATTAGGACTCGATTGAGTGTAATTA5’3’Operonregion20bpRNApolymerasebindingregionorpromoterregionPrimarystructureoflacoperonregulationregion5’TATAAT3’Pribnowbox（3）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)當阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)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(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r，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。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-polOOOOmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因弱啟動子控制的組成型合成二、阻遏蛋白的作用機制阻遏蛋白結(jié)構(gòu)具有對稱性，是相同亞基構(gòu)成的四聚體。第三節(jié)色氨酸操縱子trp操縱子的結(jié)構(gòu)阻遏型操縱子trpAtrpBtrpCtrpEtrpDPtrpOtrp前導(dǎo)序列aTrp阻抑物色氨酸激活RNAtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA色氨酸合成所需的酶trpR一、trp操縱子的阻遏系統(tǒng)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(jié)合，結(jié)構(gòu)基因表達。調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因mRNA酶蛋白.........輔阻遏蛋白trp操縱子的阻遏調(diào)控機制色氨酸操縱子主要參與調(diào)控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉(zhuǎn)錄合成。當細胞內(nèi)缺乏色氨酸時，此操縱子開放，而當細胞內(nèi)合成的色氨酸過多時，此操縱子被關(guān)閉。色氨酸操縱子的調(diào)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(jié)合而阻遏轉(zhuǎn)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(jié)合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結(jié)合而使基因轉(zhuǎn)錄關(guān)閉。TrpTrp濃度高時Trp濃度低時mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操縱子——阻遏調(diào)節(jié)?二、色氨酸操縱子的弱化系統(tǒng)（一）弱化子在操縱區(qū)與結(jié)構(gòu)基因之間的一段可以終止轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄信號作用.調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234UUUU……RNA聚合酶起調(diào)節(jié)作用的是某種氨酰-tRNA的濃度（二）前導(dǎo)肽UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNARNA聚合酶當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)（三）mRNA前導(dǎo)區(qū)的序列分析前導(dǎo)區(qū)mRNA上有兩個連續(xù)的色氨酸密碼子；前導(dǎo)序列上有4個分別以1、2、3、4表示的片斷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。UUUU……前導(dǎo)mRNA1234（四）轉(zhuǎn)錄的弱化作用mRNA轉(zhuǎn)錄的終止是通過前導(dǎo)肽基因的翻譯來調(diào)節(jié)的。在前導(dǎo)肽基因中有兩個相鄰的色氨酸密碼子，故這個前導(dǎo)肽的翻譯必定對tRNATrp的濃度敏感。（五）衰減子的生物學(xué)意義活性阻遏物和非活性阻遏物的轉(zhuǎn)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(zhì)，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(nèi)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，才需用衰減子這個調(diào)節(jié)系統(tǒng)來進行調(diào)節(jié)，阻遏蛋白和衰減子調(diào)節(jié)機制都是為了避免浪費，提高效率。第四節(jié)轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控方式一、mRNA自身結(jié)構(gòu)元件對翻譯其實的調(diào)節(jié)1、SD序列對翻譯的影響SD序列：mRNA起始密碼前的一段富含嘌呤核苷酸的序列(9-12bp)。

5′-AGGAPuPuUUUPuPuAUG-3′SD序列的順序及位置對翻譯的影響SD與AUG之間相距一般以4-10個核苷酸為佳，9個核苷酸最佳?！璕BS2、mRNA的二級結(jié)構(gòu)對翻譯起始的調(diào)控SDsequenceAUG~10basesUAAGGAGGU:complementarywith16srRNA5’實驗證據(jù)RNA引物由dnaG基因編碼的引物酶催化合成。dnaG、rpoD及rpsU屬于大腸桿菌基因組上的同一個操縱子基因轉(zhuǎn)錄出來的三個蛋白相應(yīng)的mRNA拷貝數(shù)大體相同，由于翻譯的調(diào)控使得蛋白的拷貝數(shù)發(fā)生了很大的變化。二、稀有密碼子對翻譯的影響由于細胞內(nèi)對應(yīng)于稀有密碼子的t