第7章 原核基因表達(dá)調(diào)控

第七章原核基因表達(dá)調(diào)控黃紅輝honghuih@126.com一、基因表達(dá)的概念基因組(genome)全部遺傳信息或整套基因?；虮磉_(dá)(geneexpression)基因產(chǎn)生蛋白質(zhì)分子或RNA分子的過程?；虮磉_(dá)調(diào)控(generegulation,orregulationofgeneexpression)二、基因表達(dá)的方式（一）組成性表達(dá)(constitutiveexpression)某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。（二）適應(yīng)型表達(dá)(adaptiveexpression)在特定環(huán)境信號(hào)刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因稱為可誘導(dǎo)基因(inducible

genes)，如果基因?qū)Νh(huán)境信號(hào)應(yīng)答是被抑制，這種基因是可阻遏基因(repressiblegenes)。正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（positivetranscriptionregulation），調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白（activator）。負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（negativetranscriptionregulation），調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白（repressor）。負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏正控誘導(dǎo)正控阻遏原核生物：營(yíng)養(yǎng)狀況（nutritionalstatus）環(huán)境因素（environmentalfactor）高等真核生物：激素水平（hormonelevel）

發(fā)育階段（developmentalstage）法國(guó)巴斯德研究所Jacob和Monod等人1961年提出(lacoperon)學(xué)說，1965年獲諾貝爾醫(yī)學(xué)與生理學(xué)獎(jiǎng)JacobMonod三、乳糖操縱子營(yíng)養(yǎng)條件：無葡萄糖且存在乳糖時(shí)啟動(dòng)（一）阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控（負(fù)控誘導(dǎo)）操縱子（operon）：核酸分子上調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄活性的基本單元，由結(jié)構(gòu)基因（structuralgenes）（編碼蛋白）、操縱區(qū)（Operator）（結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白）和啟動(dòng)子（Promoter）（結(jié)合RNA聚合酶）組成。promoterstructuralgenesoperator啟動(dòng)子操縱區(qū)結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因：操縱子中被調(diào)控的編

碼蛋白質(zhì)的基因一個(gè)操縱子中含有2個(gè)以上的結(jié)構(gòu)基因，每個(gè)結(jié)構(gòu)基因是一個(gè)連續(xù)的開放閱讀框，各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜接、串連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群。轉(zhuǎn)錄成多順反子mRNA，核糖體在合成完第一個(gè)編碼的多肽后不脫離mRNA而繼續(xù)翻譯合成下一個(gè)基因編碼的多肽，直至合成完這條多順反子mRNA所編碼的全部多肽。乳糖操縱子的組成lacZ：編碼

-半乳糖苷酶（

-galactosidase）分解乳糖。lacY：編碼

-半乳糖苷透性酶（permeasae）將半乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中。lacA：編碼

-半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶（transacetylase），把乙酰輔酶A上的乙酰基轉(zhuǎn)移到β-半乳糖苷上。乳糖操縱子的組成啟動(dòng)子(promoter,P)：是指能被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。它們一般長(zhǎng)40-60bp，含A-T較多，某些段落很相似的，有保守性，稱為共有性序列(consensussequences)。在-10bp附近有TATAAT一組共有序列，在-35bp處又有TTGACA一組共有序列。操縱區(qū)（operator，O）：是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動(dòng)子鄰近或與啟動(dòng)子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱子序列上，會(huì)影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。乳糖操縱子中的操縱區(qū)具有回文（palindrome）樣的對(duì)稱性一級(jí)結(jié)構(gòu)（-7~+28位，對(duì)稱軸在+11位），能形成十字形的莖環(huán)（stemloop）構(gòu)造。不少操縱區(qū)都具有類似的對(duì)稱性序列。乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控（I）在沒有乳糖時(shí)，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)。此時(shí)ｉ基因在其自身的啟動(dòng)子Pi控制下，低水平、組成性表達(dá)產(chǎn)生阻遏蛋白單體R。R以同源四聚體形式與操縱區(qū)ｏ結(jié)合，阻礙了RNA聚合酶與啟動(dòng)子Plac的結(jié)合，阻止了基因的轉(zhuǎn)錄起始。乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控（II）有乳糖時(shí)，乳糖受

－半乳糖苷酶的催化轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖，與阻遏物結(jié)合，使阻遏物構(gòu)象變化，阻遏物四聚體解聚成單體，失去與ｏ的親和力，與ｏ解離，基因轉(zhuǎn)錄開放。1，Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼。2，該mRNA分子的啟動(dòng)子（P）位于阻遏基因（I）與操縱區(qū)（O）之間，不能單獨(dú)起始β-半乳糖苷酶和透過酶的高效表達(dá)。

3，操縱區(qū)是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。

4，當(dāng)阻遏物與操縱區(qū)結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。

5，誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)結(jié)合，從而激發(fā)lac

mRNA的合成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，操縱區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始mRNA的轉(zhuǎn)錄。乳糖操縱子負(fù)調(diào)控的主要內(nèi)容

lac操縱子的本底水平表達(dá)阻遏物的結(jié)合：異構(gòu)乳糖IPTG透過酶及

-半乳糖苷酶是乳糖操縱子負(fù)控誘導(dǎo)所必需的葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響1，代謝物抑制效應(yīng)（cataboliterepression）2，cAMP與CRP（

cAMPreceptorprotein）

CAP（Catabolitegeneactivationprotein）代謝分解物基因激活蛋白的正調(diào)控

（二）CAP的正調(diào)控CAP以二聚體形式與DNA結(jié)合，使DNA彎曲90度CAP在不同操縱子中的DNA結(jié)合位點(diǎn)operatorCBSpromotor結(jié)構(gòu)基因半乳糖操縱子阿拉伯糖

操縱子結(jié)構(gòu)基因operatorCBSpromotor乳糖操縱子operatorpromotorCBS結(jié)構(gòu)基因CBS：CAPbinding

sitecAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)，當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖供給能量時(shí)，cAMP含量降低；無葡萄糖時(shí)，cAMP含量升高。cAMP與cAMP受體蛋白CRP（cAMPreceptorprotein）結(jié)合后所形成的復(fù)合物CAP，并以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄效率提高50倍。CAP通過改變啟動(dòng)子的構(gòu)象以及與RNA聚合酶的相互作用,幫助酶分子正確定向,以便與-10區(qū)結(jié)合，起到取代-35區(qū)功能的作用。使轉(zhuǎn)錄效率提高50倍Plac是弱啟動(dòng)子，單純?nèi)プ瓒羰筶ac操縱子轉(zhuǎn)錄開放還不能使細(xì)菌很好利用乳糖，必需同時(shí)有CAP來加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性。CAP的正調(diào)控四、色氨酸操縱子營(yíng)養(yǎng)條件：環(huán)境低色氨酸時(shí)啟動(dòng)，環(huán)境高色氨酸時(shí)關(guān)閉。色氨酸操縱子的組成：

結(jié)構(gòu)基因：trpE、D、C、B、A

調(diào)控結(jié)構(gòu)：?jiǎn)?dòng)子、操縱子、前導(dǎo)序列、弱化子

阻遏物trpR基因：與操縱子相距較遠(yuǎn)（一）阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控（負(fù)控阻遏）（二）弱化子的調(diào)控前導(dǎo)序列（leadersequence）：在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因trpE與操縱區(qū)trpO之間有一段162bp的DNA，編碼14氨基酸的前導(dǎo)肽，第10位和第11位相鄰的色氨酸密碼子。前導(dǎo)序列的轉(zhuǎn)錄物內(nèi)部有4個(gè)配對(duì)區(qū)，彼此都能配對(duì):1區(qū)2區(qū)配對(duì)、3區(qū)4區(qū)配對(duì)，能形成兩個(gè)莖環(huán)結(jié)構(gòu)。第二個(gè)莖環(huán)后緊接寡聚U。莖環(huán)結(jié)構(gòu)（hairpinstructure）3-4區(qū)配對(duì)終止轉(zhuǎn)錄弱化作用自習(xí)：半乳糖操縱子，阿拉伯糖操縱子（p255-263）1，轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（transcriptionalregulation）

（1）轉(zhuǎn)錄的起始--轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控的主要部位通過RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄因子和啟動(dòng)子的相互

作用實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。

（2）轉(zhuǎn)錄的終止2，轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptionalregulation）四、基因表達(dá)調(diào)控的層面轉(zhuǎn)錄單元Mostbacterialpromotershave–35and–10elements（consensussequences）SomehaveUPelementSomelack–35element,buthaveextended–10region-35element-10element(Pribnowbox)UPelementpre–10element+1Transcriptionstart+1轉(zhuǎn)錄的起始—啟動(dòng)子(Promoter)轉(zhuǎn)錄的起始—RNA聚合酶(RNApolymerase)

基因作用

全酶α2ββ’σ

催化rRNA、tRNA和mRNA的合成的起始

核心酶α2ββ’

延伸α

rpoA酶的組裝，解旋與再螺旋β

rpoB酶催化中心β’

rpoC酶催化中心σ

rpoD識(shí)別特異啟動(dòng)子大腸桿的的RNA聚合酶：由5個(gè)亞基組成，即α2ββ’σ，有時(shí)還有2個(gè)ω亞基。以α2ββ’σ組成的酶稱全酶。σ亞基與其他亞基結(jié)合較松弛，易從全酶（holoenzyme）上解離；其余部分α2ββ’稱為核心酶(coreenzyme)大腸桿菌RNA聚合酶原核生物轉(zhuǎn)錄起始s

因子

功能：識(shí)別啟動(dòng)子、起始轉(zhuǎn)錄

E.coli

中存在多種

s

因子

大部分基因的表達(dá)需要s70

特定條件下需要不同的s

因子