基因的表達與調(diào)控

基因的表達與調(diào)控原核基因表達調(diào)控真核基因表達調(diào)控

原核基因表達調(diào)控組成變化組成型合成蛋白質(zhì)(constitutive)合成速率不受環(huán)境變化或代謝狀態(tài)的影響：如DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代謝過程中十分必需的酶或蛋白質(zhì)，其適應型或調(diào)節(jié)型合成蛋白質(zhì)(adaptiveorregulated)合成速率明顯地受環(huán)境的影響而改變真核與原核生物轉(zhuǎn)錄及翻譯調(diào)控的總體特征比較轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄后水平mRNA加工成熟翻譯水平細菌中轉(zhuǎn)錄調(diào)控體系正控阻遏系統(tǒng)正控誘導系統(tǒng)負控阻遏系統(tǒng)負控誘導系統(tǒng)阻遏蛋白

負轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)激活蛋白阻遏蛋白與效應物結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白不與效應物(誘導物)結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄；

效應物分子(誘導物)的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)

效應物分子的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)大腸桿菌中的σ因子4個結(jié)構(gòu)域σ因子都含有4個保守區(qū)σ因子編碼基因主要功能σ70σ54σ38σ32σ28σ24rpoDrpoNrpoHrpoSropFrpoE參與對數(shù)生長期和大多數(shù)碳代謝過程基因的調(diào)控參與多數(shù)氮源利用基因的調(diào)控分裂間期特異基因的表達調(diào)控熱休克基因的表達調(diào)控鞭毛襠化相關基因的表達調(diào)控過度熱休克基因的表達調(diào)控特殊代謝物調(diào)節(jié)可誘導調(diào)節(jié)一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導下使基因活化?？勺瓒粽{(diào)節(jié)基因平時都是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關閉，阻遏了基因的表達。比如大腸桿菌生活中必須有色氨酸，一般情況下，該操縱子是開啟的。如果在細菌培養(yǎng)基中加人色氨酸，使之能利用培養(yǎng)基中的色氨酸來維持生活而不需要再費力去合成，細菌往往能在2—3min內(nèi)完全關閉該操縱子。大腸桿菌在含有葡萄糖的培養(yǎng)基中生長良好，在只含乳糖的培養(yǎng)基中開始時生長不好，直到合成了利用乳糖的一系列酶，具備了利用乳糖作為碳源的能力才開始生長。弱化子對基因活性的影響屬于這種調(diào)節(jié)方式的有大腸桿菌中的色氨酸操縱子、苯丙氨酸操縱子、蘇氨酸操縱子、異亮氨酸操縱子和纈氨酸操縱子以及沙門氏菌的組氨酸操縱子和亮氨酸操縱子、嘧啶合成操縱子等等。在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號作用的是有特殊負載的氨?！猼RNA的濃度，在色氨酸操縱子中就是色氨?！猼RNA的濃度。當操縱子被阻遏，RNA合成被終止時，起終止轉(zhuǎn)錄信號作用的那一段核苷酸被稱為弱化子。降解物對基因活性的調(diào)節(jié)細菌的應急反應乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)法國巴斯德研究所著名科學家Jacob和Monod在1961年首先提出負控誘導系統(tǒng)阻遏蛋白不與效應物(誘導物)結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄；

lac操縱子大腸桿菌乳糖操縱子3個結(jié)構(gòu)基因：Z、Y和A，以及啟動子、控制子和阻遏子Z編碼β—半乳糖苷酶；Y編碼β—半乳糖苷透過酶；A編碼β—半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶β—半乳糖苷鍵的專一性酶，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，還能水解其他β—半乳糖苷(如苯基半乳糖苷)。使外界的β—半乳糖苷(如乳糖)透過大腸桿菌細胞壁和原生質(zhì)膜進入細胞內(nèi)把乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)移到β—半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖酶的誘導—lac體系受調(diào)控的證據(jù)乳糖確實能激發(fā)lac

mRNA的合成安慰性誘導物同位素示蹤實驗lac體系的“開—關”特性加入乳糖以后，1min內(nèi)出現(xiàn)如lac

mRNA，稍后即產(chǎn)生β—半糖苷酶和透過酶。當移去乳糖之后；lacmRNA總量立即下降，兩種酶活，性卻由于蛋白質(zhì)半衰期較長而在相當長時期內(nèi)維持恒定安慰性誘導物實驗室里常常使用兩種含硫的乳糖類似物—異丙基巰基半乳糖苷(IPTG)巰甲基半乳糖苷(TMG)在酶活性分析中常用，發(fā)色底物O—硝基半乳糖苷(ONPG)操縱子模型及其影響因子操縱子模型Jacob和Monod(1)Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反于的mRNA分子所編碼(2)該mRNA分子的啟動區(qū)(P)位于阻遏基因(I)與操縱區(qū)(O)之間，不能單獨起始β—半乳糖苷酶和透過酶基因的高效表達(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(4)當阻遏物與操縱區(qū)相結(jié)合時，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制；(5)誘導物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)相結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。有誘導物存在時，操縱區(qū)沒有被阻祖遏物占據(jù)，所以啟動子能夠順利起始mRNA的轉(zhuǎn)錄負控誘導系統(tǒng)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(chǎn)物及功能4．葡萄糖對lac操縱于的影響5．cAMP與代謝物激活蛋白lac操縱子的本底水平表達在非誘導狀態(tài)下有少量的lac

mRNA合成(大約每個世代中有1-5個mRNA分子)，這種合成被稱之為本底水平的組成型合成(baekgoundlevelconstitutivesynthesis)。由于阻遏物的結(jié)合并不是絕對緊密的，即使在它與操縱基因緊密結(jié)合時，也會偶爾掉下來；這時啟動子的障礙被解除，RNA聚合酶開始轉(zhuǎn)錄大腸桿菌對乳糖的反應阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能現(xiàn)已查明，如操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的，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(jié)合。未經(jīng)分級分離的細胞提取物的結(jié)合能力大約為每細胞結(jié)合20-40個IPTG分子，因此推測每個細胞中有5-10個阻遏物分子。觀察發(fā)現(xiàn)在I-突變株細胞提取物中缺少阻遏物，從而證明與IPTG結(jié)合的物質(zhì)確實是蛋白質(zhì)。當I基因由弱啟動子突變成強啟動子，細胞內(nèi)就不可能產(chǎn)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。葡萄糖對lac操縱于的影響β—半乳糖苷酶在乳糖代謝中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖(半乳糖將在gal操縱子的作用下再轉(zhuǎn)化成葡萄糖)。如果將葡萄糖和乳糖同時加入培養(yǎng)基中，大腸桿菌在耗盡外源葡萄糖之前不會誘發(fā)lac操縱子。葡萄糖對lac操縱子表達的抑制是間接的。有一個大腸桿菌突變體，它在糖酵解途徑中不能將葡萄糖—6—磷酸轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，這些細菌的lac基因能在葡萄糖存在時被誘導合成。所以，我們說不是葡萄糖而是它的某些降解產(chǎn)物抑制lac

mRNA的合成，科學上把葡萄糖的這種效應稱之為代謝物阻遏效應(cataboliterepression)。cAMP與代謝物激活蛋白廣泛存在于動、植物組織中的cAMP是在腺苷酸環(huán)化酶的作用下由ATP轉(zhuǎn)變而來的，在真核生物的激素調(diào)節(jié)過程中起著重要作用。在大腸桿菌中，cAMP的濃度受到葡萄糖代謝的調(diào)節(jié)。缺乏碳源→cAMP↑葡萄糖→cAMP↓如果培養(yǎng)基中只有甘油或乳糖等不進行糖酵解途徑的碳源，cAMP的濃度也會很高，因此推測糖酵解途徑中位于葡萄糖—6—磷酸與甘油之間的某些代謝產(chǎn)物是腺苷酸環(huán)化酶活性的抑制劑。cAMP—CRP復合物cAMP—CRP復合物是激活lac的重要組成部分，細菌對于此復合物的需要是獨立的，與阻遏體系無關，轉(zhuǎn)錄必須有cAMP—CRP復合物結(jié)合在DNA的啟動子區(qū)域上。cAMP—CRP是一個不同于阻遏物的正調(diào)控因子，而lac操縱子的功能是在這兩個相互獨立的調(diào)控體系作用下實現(xiàn)的。CRP—cAMP結(jié)合位點存在序列特異性

cAMP—CRPcAMP—CRP復合物與啟動子區(qū)的結(jié)合是lac

mRNA合成起始所必需的，因為這個復合物結(jié)合于啟動子上游，能使DNA雙螺旋發(fā)生彎曲，有利于形成穩(wěn)定的開放型啟動子—RNA聚合酶結(jié)構(gòu)阻遏物則是一個抗解鏈蛋白(antimehin

gprotein)，阻止形成開放結(jié)構(gòu)，從而抑制RNA聚合酶的功能。lac操縱子DNA的調(diào)控區(qū)域—P、O區(qū)已經(jīng)分離得到含有l(wèi)ac操縱子的DNA片段，發(fā)現(xiàn)P區(qū)(即啟動子區(qū))一般是從I基因結(jié)束到mRNA轉(zhuǎn)錄起始位點下游5—10bp，而O區(qū)(即阻遏物結(jié)合區(qū))位于-7~+28位，該區(qū)的堿基序列有對稱性，其對稱軸在+11位堿基對。分別列舉了gal，araH，trp，trpR和lac五個操縱子中P區(qū)及O區(qū)的相對位置。實驗表明，阻遏物與O區(qū)的結(jié)合影響了RNA聚合酶與啟動區(qū)結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄起始復合物的效率。分解物基因激活蛋白(catobolitegeneactivationprotein，CAP)cAMP受體蛋白(cAMPreceptorprotiein．CRP)色氨酸操縱子與負控阻遏系統(tǒng)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(zhuǎn)移酶，trpF編碼異構(gòu)酶，trpC編碼吲哚甘油磷酸合酶，trpA和trpB則分別編碼色氨酸合酶的O和P亞基。trpE和trpG融合成一個功能基因trpC和trpB也融合成一個基因pabA，pabB基因分別編碼ADC聚合酶的兩個亞基pabC基因編碼ADC裂解酶ubiC基因編碼分枝酸裂解酶entC基因編碼異構(gòu)分枝酸聚合酶

trp操縱子的阻遏系統(tǒng)trp操縱子結(jié)構(gòu)弱化作用阻遏作用阻遏—操縱機制對色氨酸來說只是一個一級開關，主管轉(zhuǎn)錄是否啟動，相當于trp操縱子的粗調(diào)開關。弱化作用通過轉(zhuǎn)錄達到第一個結(jié)構(gòu)基因之前的過早終止來實現(xiàn)的典型的終止子特點前導肽衰減作用需要負載tRNATrp參與，這意味著前導序列的某些部分被翻譯了。分析前導序列發(fā)現(xiàn)，它包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA；如果翻譯起始于AUG，應該產(chǎn)生一個含有14個氨基酸的多肽。這個假設的多肽(還未實際觀察到)被稱為前導肽。有證據(jù)表明事實上可能存在這個多肽，因為在該AUG位點5'上游端有一個核糖體結(jié)合位點，而前導肽編碼區(qū)與trpE基因5'端融合可產(chǎn)生一種融合蛋白質(zhì)，該蛋白質(zhì)具有與前導肽同樣的N末端序列。前導序列具有一個非常有意義的特點，在其第10和第11位上有相鄰的兩個色氨酸密碼子。mRNA前導區(qū)的序列轉(zhuǎn)錄的弱化理論認為mRNA轉(zhuǎn)錄的終止是通過前導肽基因的翻譯來調(diào)節(jié)的。因為在前導肽基因中有兩個相鄰的色氨酸密碼子，所以這個前導肽的翻譯必定對tRNATM的濃度敏感。當培養(yǎng)基中色氨酸的濃度很低時，負載有色氨酸的tRNATrp也就少，這樣翻譯通過兩個相鄰色氨酸密碼子的速度就會很慢，當4區(qū)被轉(zhuǎn)錄完成時，核糖體才進行到1區(qū)(或停留在兩個相鄰的Trp密碼子處)，這時的前導區(qū)結(jié)構(gòu)是2—3配對，不形成3—4配對的終止結(jié)構(gòu)，所以轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進行，直到將trp操縱子中的結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄。而當培養(yǎng)基中色氨酸濃度高時，核糖體可順利通過兩個相鄰的色氨酸密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前，核糖體就到達2區(qū)，這樣使2—3不能配對，3—4區(qū)可以自由配對形成莖—環(huán)狀終止子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停止，trp操縱子中的結(jié)構(gòu)基因被關閉而不再合成色氨酸其他操縱子gal—半乳糖操縱子3個酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖—1—磷酸。異構(gòu)酶(UDP-galaetose-4-epimerase，galE)半乳糖—磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galaetoal-transferase，galK)半乳糖激酶(galaetose

kinase，galK)半乳糖操縱子的調(diào)節(jié)基因是galR

當有cAMP—CRP時，轉(zhuǎn)錄從S1開始當無cAMP—CRP時，轉(zhuǎn)錄從S2開始。現(xiàn)在設想只有S1一個啟動子，那么由于這個啟動子的活性依賴于cAMP—CRP，當培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時就不能合成異構(gòu)酶。假如惟一的啟動于是S2，那么，即使在有葡萄糖存在的情況下，半乳糖也將使操縱子處于充分誘導狀態(tài)，這無疑是一種浪費。所以，無論從必要性或經(jīng)濟性考慮，都需要一個不依賴于cAMP—CRP的啟動子(S2)進行本底水平的組成型合成，以及一個依賴于cAMP—CRP的啟動子(S1)對高水平合成進行調(diào)節(jié)。這就是說，只有在S2活性完全被cAMP—CRP抑制時，調(diào)控作用才是有效的。ara—阿拉伯糖操縱子在大腸桿菌中阿拉伯糖的降解需要3個基因：araB、araA和araD，形成一個基因簇，簡寫為araBADara操縱子表達調(diào)控(b)當體系中葡萄糖水平較高，阿拉伯糖水平較低時，AraC蛋白與操縱區(qū)O2以及araIC誘導因子結(jié)合區(qū)上半?yún)^(qū)相結(jié)合，形成DNA回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，araBAD基因不表達；

(a)當細胞內(nèi)沒有AraC蛋白時，由Pc啟動于起始araC基因轉(zhuǎn)錄；(c)當體系中有阿拉伯糖但無葡萄糖存在時，AraC與阿拉伯糖相結(jié)合，改變構(gòu)象成為激活蛋白，AraC同源體分別與araO1和aral區(qū)相結(jié)合，DNA回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)被破壞。RNA聚合酶在AraC蛋白和CRP—cAMP的共同作用下起始PBAD所調(diào)控的結(jié)構(gòu)基因表達。營養(yǎng)狀況對ara操縱子活性的影響

培養(yǎng)基含有葡萄糖，cAMP—CRP沒有與操縱區(qū)位點相結(jié)合，AraC蛋白處于Pr形式并與操縱區(qū)A位點結(jié)合，RNA聚合酶不能與Pc結(jié)合araC基因雖然仍有轉(zhuǎn)錄，但受到抑制，只有少量AraC蛋白形成，整個系統(tǒng)幾乎處于靜止狀態(tài)。它雖然不是完全關閉，但是盡可能地關閉了。沒有葡萄糖，也沒有阿拉伯糖，因為沒有誘導物，盡管有cAMP—CRP與操縱區(qū)位點相結(jié)合，AraC蛋白仍以Pr形式為主，無法與操縱區(qū)B位點相結(jié)合，無araBADmRNA轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白LexA的降解與細菌中的SOS應答參與SOSDNA修復系統(tǒng)的許多基因雖然分散在染色體的各個部位，但都同時受LexA阻遏蛋白的抑制，平時表達水平很低。SOS體系的誘導表達過程其實就是把IexA阻遏蛋白從這些基因的上游調(diào)控區(qū)移開的過程。信號轉(zhuǎn)導(signa

ltransduction)最簡單的細胞信號系統(tǒng)稱為二組分系統(tǒng)(two—componentsystems)，位于細胞質(zhì)膜上的傳感蛋白(sensorprotein)，因該蛋白質(zhì)具有激酶活性，所以又稱傳感激酶位于細胞質(zhì)中的應答調(diào)節(jié)蛋白(responseregulatorprotein)。傳感激酶常在與膜外環(huán)境的信號反應過程中被磷酸化，再將其磷酰基團轉(zhuǎn)移到應答調(diào)節(jié)蛋白上，磷酸化的應答調(diào)節(jié)蛋白即成為阻遏或誘導蛋白，通過對操縱子的阻遏或激活作用調(diào)控下游基因表達多啟動子調(diào)控的操縱子rRNA操縱子核糖體蛋白SI操縱子

DnaQ蛋白操縱子固氮基因調(diào)控生物固氮地球上的動植物共含氮約1.5×1010T，每年通過硝化細菌以氣態(tài)氮的形式釋放到大氣中的氮就有2×108~5×108T全世界氮肥廠每年生產(chǎn)的化肥僅含氮約108TN2?1kg/cm2=10T/m210*(6378.1*103)3*4/3*3.14*78%=8*1021T根瘤的產(chǎn)生根瘤菌在豆科植物根際的生長以及與寄主植物根毛幼嫩部位的接觸是感染發(fā)生的第一步根瘤菌能產(chǎn)生一定量的寡聚糖來刺激植物凝血素的分泌，由基因型所決定的根瘤菌寄主范圍，可能受到植物基因組的影響，因為特定的植物凝血素只能識別特定的細菌表面受體。固氮酶鐵鉬蛋白(FeMo—protein)nifD→

2×α亞基nifK

→2×β亞基鐵蛋白(Fe—protein)nifH

→2×亞基固氮酶鐵鉬輔基(FeMoCo)1molMo:6molFe:8molS

與固氮有關的基因及其調(diào)控形成固氮根瘤有關的許多基因都位于染色體外的大質(zhì)粒上根瘤菌的突變體不能使植物形成根瘤(nod-)不能使植物固氮(fix-)根瘤菌的寄主范圍也是由質(zhì)粒決定的nifA基因nifA基因控制了整個固氮酶系統(tǒng)的表達和活性轉(zhuǎn)錄后調(diào)控轉(zhuǎn)錄生成mRNA以后，再在翻譯或翻譯后水平進行“微調(diào)”，是對轉(zhuǎn)錄調(diào)控的補充，它使基因表達的調(diào)控更加適應生物本身的需求和外界條件的變化。翻譯起始的調(diào)控遺傳信息翻譯成多肽鏈起始于mRNA上的核糖體結(jié)合位點(RBS)。所謂RBS，是指起始密子AUG上游的一段非翻譯區(qū)。在RBS中有SD(Shine—Dalgarno)序列，長度一般為5個核苷酸，富含G、A，該序列與核糖體16SrRNA的3‘端互補配對，促使核糖體結(jié)合到mRNA上，有利于翻譯的起始。RBS的結(jié)合強度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼AUG之間的距離。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。mRNA的二級結(jié)構(gòu)也是翻譯起始調(diào)控的重要因素。因為核糖體的30S亞基必須與mRNA結(jié)合，要求mRNA5'端有一定的空間結(jié)構(gòu)。SD序列的微小變化，往往會導致表達效率上百倍甚至上千倍的差異，這是由于核苷酸的變化改變了形成mRNA5'端二級結(jié)構(gòu)的自由能，影響了核糖體30S亞基與mRNA的結(jié)合，從而造成了蛋白質(zhì)合成效率上的差異稀有密碼子對翻譯的影響由于細胞內(nèi)對應于稀有密碼于的tRNA較少，高頻率使用這些密碼于的基因翻譯過程容易受阻，影響了蛋白質(zhì)合成的總量。重疊基因?qū)Ψg的影響偶聯(lián)翻譯可能是保證兩個基因產(chǎn)物在數(shù)量上相等的重要手段。trpE——蘇氨酸——苯丙氨酸——終止

ACU——UUC——UGA——UGG——CU