第五章 基因表達調控

第五章基因的表達與調控

——原核基因表達調控模式本章主要內容基因表達調控總論原核基因表達調控總論乳糖操縱子與負控誘導系統色氨酸操縱子與負控阻遏系統操縱子的其他調控形式轉錄水平上的其他調控方式轉錄后調控第一節(jié)基因表達調控總論典型的基因表達是儲存遺傳信息的基因，在一定調節(jié)機制控制下，經過轉錄、翻譯，產生有生物活性的蛋白質或成熟的rRNA和tRNA的過程。一、基因表達典型的哺乳類細胞中開放轉錄的基因約在1萬個上下，即使蛋白質合成量比較多、基因開放比例較高的肝細胞，一般也只有不超過20%的基因處于表達狀態(tài)。生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達出來的大腸桿菌基因組（約4000個基因)，一般情況下只有5－10%在高水平轉錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達，或者暫時不表達。人的基因組約含有10萬個基因，但在一個組織細胞中通常只有一部分基因表達，多數基因處在沉靜狀態(tài).二、基因表達的規(guī)律

--時間性及空間性（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。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性。（2）空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現出的這種分布差異，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。在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現，稱之為基因表達的空間特異性。三、基因表達的方式1.基因組中表達的基因分為兩類：⑴管家（持家）基因（housekeepinggene）:維持細胞基本生命活動所必須的基因。某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因。奢侈基因:

在特別細胞類型中大量(通常)表達并編碼特殊功能產物的基因。⑵奢侈基因（luxurygene）:

是指導合成組織特異性蛋白的基因，對分化有重要影響，稱組織特異性(tissue-specificgene)表達的基因，如表皮的角蛋白基因。（1）組成性表達無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基因表達。2.按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：（2）誘導和阻遏表達適應性表達指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。

在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為可誘導基因。如果基因對環(huán)境信號應答是被抑制，這種基因是可阻遏基因。

是指在特定環(huán)境因素刺激下，可誘導基因被激活，從而使基因的表達產物增加。誘導表達如:DNA發(fā)生損傷時，修復酶的基因被誘導激活。

可阻遏基因表達產物水平降低的過程稱為阻遏。阻遏如：周圍有充足的葡萄糖，細菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖類的酶類，如乳糖操縱子被阻遏、關閉。四、基因表達調控的基本原理（一）基因表達調控的方式：多級調控轉錄水平（基因激活及轉錄起始）轉錄后水平（加工及轉運）翻譯水平翻譯后水平原核生物主要受營養(yǎng)狀況和環(huán)境因素的影響真核生物主要受發(fā)育階段和激素水平的影響指揮系統多樣性1．順式作用元件：順式作用元件（cis-actingelement）又稱分子內作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉錄調控有關的特殊順序。在原核生物中，大多數基因表達通過操縱子模型進行調控，順式作用元件主要由啟動子、操作子、激活子位點、終止位點組成。在真核生物中，與基因表達調控有關的順式作用元件主要有啟動子（promoter）、增強子（enhancer）和沉默子（silencer）。（二）基因轉錄激活調節(jié)基本要素：基因的組織結構及順式作用元件反式作用因子（trans-actingfactor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達調控有關的蛋白質因子。原核生物中的反式作用因子主要分為特異因子（σ）、激活蛋白和阻遏蛋白；真核生物中的反式作用因子通常稱為轉錄因子。2．反式作用因子：大多數調節(jié)蛋白在與DNA結合之前，需先通過蛋白質-蛋白質相互作用，形成二聚體或多聚體，然后再通過識別特定的順式作用元件，而與DNA分子結合。這種結合通常是非共價鍵結合。3．順式作用元件與反式作用因子之間的相互作用調節(jié)基因編碼的蛋白質結合在DNA的特定位點以調控其轉錄五、基因表達的生物學意義1.適應環(huán)境、維持生長和增殖。2.維持個體發(fā)育與分化。第二節(jié)原核基因表達調控總論一、原核生物基因表達的調控方式1.DNA水平的調控2.轉錄水平的調控3.翻譯水平的調控——調節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉錄起始二、原核生物基因轉錄調節(jié)特點（1）σ因子決定RNA聚合酶識別特異性

——只有一種RNA-pol，但是有很多種σ因子（2）操縱子模型的普遍性

—功能相關基因成簇串聯通過單個啟動子協調表達（3）阻遏蛋白與阻遏機制的普遍性

——原核生物主要以這種負調節(jié)方式為主分類負控制（negativecontrol）系統正控制（positivecontrol）系統正、負調控的共同點在于調控蛋白作為反式作用因子，能識別那些位于基因上游的順式作用元件，根據調控蛋白的自身性質，可以激活或抑制基因表達。特點：通過特殊代謝物調節(jié)基因活性可誘導調節(jié)：基因由原來的關閉狀態(tài)轉變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)可阻遏調節(jié)：基因由原來的開啟狀態(tài)轉變?yōu)殛P閉狀態(tài)三、調控機制的類型與特點1.負控制系統定義：調節(jié)基因的產物是阻遏蛋白，起著阻止結構基因轉錄的作用。2.阻遏蛋白（repressor）3.分類負控誘導：調節(jié)物為誘導物負控阻遏：調節(jié)物為阻遏物（一）負控制系統1.正控制系統：調節(jié)基因的產物是激活物，起著激活結構基因轉錄的作用2.激活蛋白（activator）3.分類正控誘導：調節(jié)物為誘導物正控阻遏：調節(jié)物為阻遏物（二）正控制系統1.可誘導操縱元(inducibleoperon)（1）可誘導操縱元:加入對基因表達有調節(jié)作用的小分子后，基因的轉錄活性開啟的操縱元，稱可誘導調節(jié)。（2）誘導（induction）:小分子使基因的轉錄活性開啟的作用和過程（3）誘導物（inducer）:產生誘導作用的小分子；可能的作用方式：使無活性的激活蛋白激活或使有活性的阻遏蛋白失活四、正、負控制系統對操縱元的控制（一）可誘導操縱元（1）可阻遏操縱元:加入對基因表達有調節(jié)作用的小分子后，基因的轉錄活性關閉的操縱元，可阻遏調節(jié)（2）阻遏（repression）:小分子使基因的轉錄活性關閉的作用和過程（3）輔阻遏物（corepressor）:產生阻遏作用的小分子；可能的作用方式：使有活性的激活蛋白失活或使無活性的阻遏蛋白激活（二）可阻遏操縱元第三節(jié)乳糖操縱子調節(jié)機制1.發(fā)現：1940年Monod：細菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時，細菌優(yōu)先使用葡萄糖，當葡萄糖耗盡，細菌才利用乳糖繁殖增長；1961年，法國人Jacob&Monod提出乳糖操縱子學說。獲1965年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。FrancisJacob

JacquesMonod

一、原核生物——操縱子(operon)操縱子：是原核生物基因表達的協調單位，它包括啟動子、操縱序列以及在功能上彼此相關的幾個結構基因。操縱子一般含有2~6個基因，它們一起被轉錄，構成一個轉錄單位。2.乳糖操縱子(lacoperon)的結構結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：半乳糖苷透過酶A：乙酰基轉移酶

調控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列ZYAOPDNACatabolitegeneactivatorprotein操縱序列和啟動子的相對位置關系（1）細菌半乳糖苷酶合成的誘導有乳糖供應，無葡萄糖

3.酶的誘導——lac體系受調控的證據（2）安慰誘導物:具有誘導效應，而本身又不被分解的誘導物。常用：IPTG（異丙基巰基半乳糖苷）、TMG（巰甲基半乳糖苷）半乳糖（二）lac操縱子的影響因子1、Lac操縱子的本底水平表達2、大腸桿菌對乳糖的反應3、阻遏物lacI基因產物及功能4、cAMP與代謝物激活蛋白5、葡萄糖對lac操縱子的影響6、協調調節(jié)

1、乳糖操縱子本底水平的表達外周胞質乳糖細胞內面乳糖透(性)酶透(性)酶β－半乳糖苷酶葡萄糖半乳糖內膜Z：β-半乳糖苷酶Y：半乳糖苷透過酶A：乙酰基轉移酶lac操縱子理論不能解釋的2個矛盾誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結合，而轉運誘導物需要透過酶，而后者的合成也需要誘導。

解釋：

一些透過酶可能在沒有誘導物的情況下合成真正的誘導物是異構乳糖而非乳糖，前者是半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有半乳糖苷酶的預先存在。

解釋：在本底水平上，有半乳糖苷酶的組成型合成，即在非誘導狀態(tài)下，乳糖操縱子有本底水平上的表達。半乳糖苷酶的作用催化乳糖轉變?yōu)楫悩嬋樘?。異構乳糖是一種強誘導物原因一：一些誘導物可以以另一種攝取系統進入細胞原因二：阻遏蛋白與lacO的結合是動態(tài)平衡本底水平的永久型合成:在非誘導狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成。2、大腸桿菌對乳糖的反應沒有乳糖存在時有乳糖存在時Lac操縱子阻遏物mRNA是在弱啟動子控制下永久型合成的。當I基因由弱啟動子突變?yōu)閺妴幼樱毎麅染筒豢赡墚a生足夠的誘導物來克服阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導。3、阻遏物lacI基因產物及功能（1）阻抑蛋白的結構和功能（2）阻抑蛋白與特異DNA（操縱基因）的結合位點（3）阻抑蛋白對DNA的特異結合作用（4）阻抑蛋白對RNA聚合酶的影響阻抑蛋白的作用機制N端1～59aa,頭部片段HTH，與操縱基因DNA的大溝結合；2個核心區(qū)：每個有6個

折疊，誘導物結合在兩個核心區(qū)之間的裂縫中；C端為一組a-螺旋（1）阻遏蛋白的結構和功能的關系核心結構域1核心結構域2HTH鉸鏈區(qū)頭部尾部－聚合4個亞基的核心片段接觸形成四聚體該阻遏蛋白有4個相同的亞基，每個亞基均含有347個氨基酸殘基，并能與1分子IPTG結合。（2）阻抑蛋白與特異DNA（操縱基因）的結合位點操縱基因的對稱序列對稱軸：+11（3）阻抑蛋白對DNA的特異結合作用：非誘導條件下，阻抑蛋白都結合在DNA上，特異位點的親和力高，非特異位點的親和力低。誘導物的加入改變了阻抑蛋白的分布。（4）阻抑蛋白對RNA聚合酶的影響阻抑蛋白結合區(qū)阻抑蛋白和RNApol可同時與DNA結合；阻抑蛋白存在增強了RNApol的結合：

RNApol與啟動子結合的平衡常數1.9X107；有阻抑蛋白時，2.5X109。雖然阻抑蛋白存在使得RNApol不能轉錄。但加入誘導物后，釋放出阻抑蛋白，閉合復合體變成為開放復合體，立即起始轉錄。4、cAMP與代謝物激活蛋白CAP—降解物基因活化蛋白CAP-cAMP復合物CAP++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時（1）CAP的正性調節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP（2）CAP的作用機制a.可能CAP直接作用于RNApola亞基，b.作用于DNA，改變其結構，從而幫助RNAPol結合。CAP以兩種方法來激活轉錄：

CAP結合位點結合位點～22bpI-70~-50II-50~-40CAP為二聚體，45KD，被cAMP激活由于pLac是弱啟動子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱元轉錄開放，還不能使細菌很好利用乳糖，必需同時有CAP來加強轉錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。CAP存在原因：乳糖5、葡萄糖對lac操縱子的影響cAMP-CAP復合物對lac操縱子的正調控葡萄糖效應：葡萄糖的存在降低了cAMP的量，不能形成cAMP-CAP復合物，lac操縱子關閉

調節(jié)基因轉錄翻譯阻遏蛋白R，R與操縱基因結合，阻止結合在啟動子上的RNA-pol前移，結構基因不被轉錄。1）無乳糖也無葡萄糖存在時：2）當無乳糖，有葡萄糖時：由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操縱子關閉，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調節(jié)不起作用。小結：所以：無乳糖時，無論有無葡萄糖，操縱子關閉OPOP

由于葡萄糖降解物能降低cAMP含量，不與CAP形成復合物，CAP不能結合到啟動子附近，RNA聚合酶不能有效轉錄，使細菌只能利用葡萄糖。3）既有乳糖，又有葡萄糖時：

乳糖與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白變構，失去與操縱基因結合的能力而脫落。O細胞內cAMP含量高，cAMP與CAP結合成復合物，與DNA結合，并推動RNA-pol向前移動，促進轉錄。

4）有乳糖，無葡萄糖時：mRNARNA-polO

乳糖與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白變構，失去與操縱基因結合的能力而脫落，結合在啟動子上的RNA-pol向前移動，結構基因被轉錄翻譯，合成與乳糖代謝有關的酶類從而利用乳糖。所以：有乳糖時，沒有葡萄糖，操縱子才開放,有葡萄糖存在，操縱子關閉6.協調調節(jié)阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統不能發(fā)揮作用；沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，如無CAP存在加強轉錄，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。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏。第三節(jié)色氨酸操縱子與負控阻遏系統（1）阻遏蛋白調控系統對trp酶系統轉錄活性的影響系統對trp酶系統的轉錄起始頻率有70倍的調控范圍（2）弱化子系統對trp酶系統活性的影響弱化子系統對trp酶系統活性的有10倍的影響（3）弱化子系統存在的意義對轉錄體系產生更為精細的調節(jié)1.色氨酸操縱子：trp體系參與生物合成而不是降解一、色氨酸操縱子概述2.色氨酸的合成在微生物、植物的芳香族氨基酸的生物合成系統中作為中間體位于重要分支點的化合物。

在生物體內由莽草酸經5磷酸-3-烯醇丙酮酸莽草酸而合成。從分支酸經過預苯酸合成苯丙氨酸和酪氨酸，經鄰氨基苯酸合成色氨酸。

此外，也可作為前體物質參于氨基安息香酸、輔酶Q等生理活性物質的合成。3.色氨酸操縱子的雙重調控體系（操縱子與弱化子）trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表，編碼了鄰氨基苯甲酸合成酶、鄰氨基苯甲酸焦磷酸轉移酶、鄰氨基苯甲酸異構酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油-3-磷酶合成酶在大腸桿菌中：trpGD和trpCF基因融合。trpE和trpG編碼鄰氨基苯甲酸合酶,trpD編碼鄰氨基苯甲酸磷酸核糖轉移酶,trpC編碼吲哚甘油磷酸合酶,trpF編碼異構酶,trpA和trpB分別編碼色氨酸合酶的α和β亞基。二、色氨酸操縱子中阻抑蛋白的負調控1.Trp的作用（1）對已有的酶起反饋抑制（feedbackinhibition）（2）作為trp無活性的阻遏蛋白的輔阻遏物2.TrpR的作用（1）TrpR的活性形式——阻遏蛋白TrpR單體：12.5KDTrpR活性形式:四聚體TrpR與Trp結合后才能與trpO結合阻抑蛋白的阻遏能力低，是LacR的1/1000（2）TrpR的作用機制TrpR作用機制：trpO位于trpP內，活性TrpR與trpO的結合完全排斥了RNA聚合酶的結合輔阻遏物當缺乏色氨酸時,該操縱子開放表達阻遏物當存在色氨酸時，該操縱子關閉1.弱化系統概述：三、色氨酸操縱子中弱化子的調控弱化子(attenuator)：也稱內部終止子，DNA中可導致轉錄過早終止的一段核甘酸序列（123-150bp）。弱化作用(attenuation)：弱化子控制RNA聚合酶通讀弱化能力的調控機制。前導序列trpL(leadersequence):在trpmRNA5’端trpE基因的起始密碼前一個長162bp的mRNA片段。起著隨色氨酸濃度升高降低轉錄的作用；trpP與一般原核生物基因的啟動子一樣，具有正常的-10序序列和-35序列，-10序列完全位于trpO內。trpO是反向重復序列，它是非連鎖trpR基因編碼的阻遏蛋白的結合

位點；trpP范圍（-40~+18）、trpO范圍（-21~+1）trpL是一段162bp的序列，轉錄到mRNA中成為引導序列，對操縱

子的轉錄起著調控作用；在trpE和trpL之間有弱化子（attenuator），約123～150bp，富含AT堿基。弱化子前導肽：Trp操縱子翻譯時包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA，能產生一個含有14個氨基酸的多肽，這個假設的多肽被稱為~。在前導序列的第10和第11位上有相鄰的兩個色氨酸密碼子。組氨酸操縱子含有7個相鄰的組氨酸密碼子，苯丙氨酸操縱子也有7個苯丙氨酸密碼子，這些密碼子參與了操縱子中的轉錄弱化機制。trp前導區(qū)的堿基序列已經全部測定，引人注目的是其中4個分別以1、2、3和4表示的片段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……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終止密碼子14aa前導肽編碼區(qū):包含序列1,第10、11密碼子為trp密碼子形成發(fā)夾結構能力強弱:序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

衰減子結構

UUUU……2.色氨酸操縱子的弱化作用/衰減作用3、弱化子的普遍性及其生物學意義

（1）普遍性結構共性ORF，終止子序列，相應aa的密碼子，可能存在的的二級結構作用機制共性前導肽翻譯作用不存在時，轉錄在弱化子處終止（2）弱化子的作用機制可被看作是一種可阻遏的正調控激活物：核糖體;輔阻遏物：相應的氨?；?tRNA（3）弱化子調控的生物學意義調控更為靈敏對代謝產物的反應更為直接調控更為精細四、trp操縱子的其他調控機制Trp操縱子中trpG-D和trpC-F為融合基因，翻譯出的多肽具有雙重功能。有兩個啟動子控制整個操縱子的轉錄，能夠感受trp和無負載的tRNATrp的濃度變化。大腸桿菌與枯草埃希菌色氨酸操縱子的結構比較一些G+菌，如枯草桿菌色氨酸操縱子的結構有所不同:7個結構基因中的6個依次排列為trpEDCFBA，存在于含有12個結構基因的芳香族氨基酸超操縱子(arooperon）;第7個結構基因,trpG存在于葉酸合成操縱子中，該酶參與Trp和葉酸的合成。有2個啟動子參與調控，一個位于arooperon的起始位置，另一個則位于trpE上游約200bp處。大腸桿菌與枯草埃希菌色氨酸操縱子的結構比較TRAP:RNA結合蛋白第四節(jié)操縱子的其他調控形式1.半乳糖代謝相關的酶（1）半乳糖激酶（2）半乳糖轉移酶（3）半乳糖表異構酶一、具有雙啟動子的半乳糖操縱子（一）半乳糖代謝（1）半乳糖+ATP半乳糖1-磷酸+ADP+H（2）半乳糖1-磷酸+UDPGluUDPGal+葡萄糖1-磷酸（3）UDPGalUDPGlu總反應：半乳糖+ATP葡萄糖1-磷酸+ADP+H2.代謝步驟半乳糖激酶半乳糖轉移酶半乳糖表異構酶1.gal操縱子組成（1）結構基因（galK，galT，galE）（2）調節(jié)基因（galR）與結構基因相距很遠galR－突變造成組成型表達（3）P/O位點galOC突變造成組成型表達（4）誘導物：半乳糖（二）半乳糖（gal）操縱子galP1：轉錄起始位置：S1（+1）轉錄依賴cAMP-CAP功能：葡萄糖不存在時負責gal操縱子的轉錄galP2：轉錄起始位置：S2（-5）轉錄不依賴cAMP-CAP功能：葡萄糖存在時負責gal操縱子的轉錄1.半乳糖的雙重作用（1）作為細菌的碳源（2）UDPGal是細菌細胞壁的重要前體2.雙啟動子的作用（1）galP1保證細菌可以利用半乳糖作為碳源（2）galP2保證有葡萄糖存在時，細菌可以合成UDPGal（三）gal操縱子雙啟動子的意義二、阿拉伯糖操縱子：具有雙重功能的調節(jié)蛋白——（正調控和負調控）阿拉伯糖是另一個可以為代謝提供碳源的五碳糖。與araBAD相鄰的是一個復合的啟動子區(qū)域和一個調節(jié)基因araC，araC產生的AraC蛋白同時顯示正、負調節(jié)因子的功能。araB：核酮糖激酶araA

：L-阿拉伯糖異構酶araD

：L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構酶（一）阿拉伯糖操縱子的結構

AraC蛋白通