原核基因的表達調控1備課講稿

第三章基因的表達與調控(上)

——原核基因表達調控模式第一節(jié)基因表達調控的基本概念一、基因表達的概念geneexpression

：基因轉錄及翻譯的過程。對這個過程的調節(jié)就稱為generegulation

。rRNA、tRNA編碼基因轉錄合成RNA的過程也屬于基因表達

組成性表達(constitutiveexpression)適應性表達(adaptiveexpression）二、基因表達的方式

1、組成性表達：

指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達。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(housekeepinggene)。2、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。應環(huán)境條件變化基因表達水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(induction)，這類基因被稱為可誘導的基因(induciblegene)；相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。

2、空間特異性(spatialspecificity)基因表達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)。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。四、基因表達調控的生物學意義

適應環(huán)境、維持生長和增殖（原核、真核）

維持個體發(fā)育與分化（真核）第二節(jié)原核基因調控機制內容提要：原核基因表達的特點與調控環(huán)節(jié)原核基因調控機制的類型與特點轉錄水平上的調控翻譯水平上的調控一、原核基因表達的特點與調控環(huán)節(jié)表達特點:

多以操縱子為轉錄單位以負性調控為主僅含一種RNA聚合酶，且σ因子決定RNA聚合酶識別特異性轉錄與翻譯偶聯(lián)調控環(huán)節(jié)1、轉錄水平上的調控（transcriptionalregulation）2、轉錄后水平上的調控（post-transcriptionalregulation）①

mRNA加工成熟水平上的調控②

翻譯水平上的調控

1、根據(jù)操縱子對調節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應答，可分為：正轉錄調控

負轉錄調控

二、原核基因調控機制的類型調節(jié)基因操縱基因結構基因阻遏蛋白激活蛋白正轉錄調控負轉錄調控正轉錄調控如果在沒有調節(jié)蛋白質存在時基因是關閉的，加入這種調節(jié)蛋白質后基因活性就被開啟，這樣的調控正轉錄調控。調節(jié)基因操縱基因結構基因阻遏蛋白激活蛋白正轉錄調控負轉錄調控負轉錄調控在沒有調節(jié)蛋白質存在時基因是表達的，加入這種調節(jié)蛋白質后基因表達活性便被關閉，這樣的調控負轉錄調控?？烧T導調節(jié)：指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)轉變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質的誘導下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子分解代謝蛋白的基因2、根據(jù)操縱子對某些能調節(jié)它們的小分子的應答，可分為可誘導調節(jié)和可阻遏調節(jié)兩大類：調節(jié)基因操縱基因結構基因阻遏蛋白調節(jié)基因操縱基因結構基因阻遏蛋白誘導物mRNA酶蛋白酶合成的誘導操縱子模型誘導物如果某種物質能夠促使細菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質就是誘導物。可阻遏調節(jié)：基因平時是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質或酶的工作過程中，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。例：色氨酸操縱子合成代謝蛋白的基因酶合成的阻遏操縱子模型調節(jié)基因操縱基因結構基因mRNA酶蛋白調節(jié)基因操縱基因結構基因輔阻遏物輻阻遏物如果某種物質能夠阻止細菌產(chǎn)生合成這種物質的酶，這種物質就是輔阻遏物。JacobandMonod三、轉錄水平的調控-操縱子模型1961年，Monod和Jacob提出，1965年獲諾貝爾生理學和醫(yī)學獎（一）操縱子的定義操縱子：是基因表達的協(xié)調單位，由啟動子（啟動序列）、操縱基因（操縱序列）及其所控制的一組功能上相關的結構基因所組成。操縱基因受調節(jié)基因產(chǎn)物的控制。啟動子：RNA聚合酶特異性識別和結合的DNA序列，其本身并不轉錄，但決定轉錄的方向。操縱基因：阻遏蛋白識別和結合的DNA序列，是結構基因轉錄的開關。（二）乳糖操縱子(lacoperon)內容提要：乳糖操縱子的結構阻遏蛋白的負性調節(jié)CAP的正性調節(jié)協(xié)調調節(jié)1.乳糖操縱子(lacoperon)的結構

調控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉移酶ZYAOPDNAZ編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y編碼β-半乳糖苷透過酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細胞壁和原生質膜進入細胞內。A編碼β-半乳糖苷乙?；D移酶：乙酰輔酶A上的乙?；D到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼②這個mRNA分子的啟動子緊接著O區(qū)，而位于I與O之間的啟動子區(qū)（P，從I基因結束到轉錄起始位點下游5~10，與RNA聚合酶結合），不能單獨起動合成β-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。③操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為26bp，-7~+28，具有對稱性），是阻遏物的結合位點。RNA聚合酶結合部位阻遏物結合部位

LacI

基因正好與結構基因相鄰，但它不與結構基因屬同一轉錄單位(Transcriptionunit)，它有自己獨立的轉錄單位，含自己的啟動子和終止子。

LacI編碼可擴散的產(chǎn)物，理論上它不必位于結構基因的附近，它移到其它任何地方或作為一個DNA分子片段都能很好地發(fā)揮作用

lacI

基因轉錄是組成型的，不受任何阻遏蛋白的控制，而只受啟動子強度的控制。實際上，它是由弱啟動子控制的。④當阻遏物與操縱基因結合時，lacmRNA的轉錄起始受到抑制。

2.阻遏蛋白的負性調節(jié)*實際上，在非誘導狀態(tài)下，仍有少量少量lacmRNA合成，這種合成被稱為本底水平的組成性合成（backgroundlevelconstinutivesynthesis）。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，后者的合成有需要誘導。⑤誘導物通過與阻遏物結合，改變它的三維構象，使之不能與操縱基因結合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。當有誘導物存在時，操縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動子能夠順利起始mRNA的合成。

真正的誘導物是異乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的。安慰誘導物：如果某種物質能夠促使細菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質被稱為安慰誘導物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。大腸桿菌對乳糖的反應培養(yǎng)基：甘油

按照lac操縱子本底水平的表達，每個細胞內有幾個分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透過酶；培養(yǎng)基：加入乳糖少量乳糖透過酶進入細胞β-半乳糖苷酶異構乳糖誘導物誘導lacmRNA的生物合成大量乳糖進入細胞多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）異構乳糖3.CAP的正性調節(jié)分解代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺甘酸受體蛋白（CRP）：分解代謝物基因激活蛋白（CAP）為同二聚體，分子內含DNA結合區(qū)和cAMP結合位點。cAMP由ATP在腺苷酸環(huán)化酶作用下轉換而來，其濃度受葡萄糖代謝濃度的調節(jié)。

ATP腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺甘酸）

大腸桿菌中：無葡萄糖，cAMP濃度高

有葡萄糖，cAMP濃度低++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時促進轉錄有葡萄糖，cAMP濃度低時不促進轉錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調控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。cAMP—CAP復合物與啟動子區(qū)的結合是轉錄起始所必需的。4.協(xié)調調節(jié)葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

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。葡萄糖的分解物抑制腺苷酸環(huán)化酶活性，引起細胞內cAMP合成量降低，啟動子釋放cAMP-CAP蛋白，RNA聚合酶不能與乳糖的啟動序列結合，以至轉錄不能發(fā)生TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAPTheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!有葡萄糖存在時，細菌優(yōu)先選擇葡萄糖供應能量，阻遏蛋白封閉乳糖操縱子轉錄。此外，若還有乳糖存在，葡萄糖通過降低cAMP濃度，阻礙cAMP與CAP結合而抑制乳糖操縱子轉錄，使細菌只能利用葡萄糖。在沒有葡萄糖而只有乳糖的條件下，阻遏蛋白與O序列解聚，CAP結合