人工基因組的設(shè)計(jì)與合成李炳志bzli@2013-031中心法則蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制DNARNA復(fù)制2第六章

基因表達(dá)調(diào)控(一)李炳志bzli@2013-033第六章基因表達(dá)調(diào)控基本概念原核表達(dá)調(diào)控真核表達(dá)調(diào)控4基因表達(dá)與調(diào)控基因表達(dá)(geneexpression)是指儲(chǔ)存遺傳信息的基因經(jīng)過(guò)一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個(gè)過(guò)程。對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱(chēng)為基因表達(dá)調(diào)控（generegulation或genecontrol）?；虮磉_(dá)調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的中心課題。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄生成RNA的過(guò)程也屬于基因表達(dá)。5基因表達(dá)的方式組成型表達(dá)constitutiveexpression適應(yīng)型表達(dá)adaptiveexpressionregulatedgeneexpression協(xié)調(diào)表達(dá)coordinateexpression6組成型表達(dá)管家基因（housekeepinggene）在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)的基因。組成型基因表達(dá)（constitutivegeneexpression）管家基因的表達(dá)方式，較少受環(huán)境影響，在個(gè)體各生長(zhǎng)階段的幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)或變化很小。7適應(yīng)型表達(dá)

指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類(lèi)基因表達(dá)。誘導(dǎo)表達(dá)Inductionexpression

基因表達(dá)水平應(yīng)環(huán)境條件變化增高的現(xiàn)象。這類(lèi)基因被稱(chēng)為可誘導(dǎo)的基因induciblegene；阻遏表達(dá)Repression expression基因表達(dá)水平隨環(huán)境條件變化降低的現(xiàn)象。相應(yīng)的基因稱(chēng)為可阻遏的基因repressiblegene8協(xié)調(diào)表達(dá)（coordinatedexpression）在一定機(jī)制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無(wú)論其為何種表達(dá)方式，均需協(xié)調(diào)一致，共同表達(dá)，這種調(diào)節(jié)稱(chēng)為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（coordinated

regulation）9基因表達(dá)的時(shí)間性與空間性時(shí)間特異性：?jiǎn)渭?xì)胞生物個(gè)體的生長(zhǎng)過(guò)程，及在不同外環(huán)境下的生長(zhǎng)狀態(tài)，均伴隨各種基因表達(dá)的改變。多細(xì)胞在個(gè)體發(fā)育的不同階段，及處于不同內(nèi)環(huán)境下，細(xì)胞基因表達(dá)方式也存在變化?？臻g特異性：多細(xì)胞生物中，組成不同組織器官的細(xì)胞，其基因表達(dá)方式有很大差別。10原核基因表達(dá)調(diào)控①轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控；②轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控：mRNA加工成熟水平上的調(diào)控；翻譯水平上的調(diào)控。11操縱子學(xué)說(shuō)Jacob和Monod因提出操縱子學(xué)說(shuō)和信使RNA而于1965年諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。12操縱子組成操縱子是原核生物基因表達(dá)調(diào)控的基本功能單位，基本結(jié)構(gòu)包括：結(jié)構(gòu)基因、啟動(dòng)子、調(diào)控序列、終止子等。原核生物基因多以操縱子形式組成調(diào)控單元，共同開(kāi)啟或關(guān)閉，形成多順?lè)醋觤RNA。13結(jié)構(gòu)基因群一個(gè)操縱子常含有2個(gè)以上的結(jié)構(gòu)基因，每個(gè)基因?yàn)橐粋€(gè)開(kāi)放讀碼框，分別有翻譯起始密碼子和終止密碼子，首尾相連。共用核糖體結(jié)合位點(diǎn)。14啟動(dòng)子一個(gè)操縱子至少有一個(gè)啟動(dòng)子，分三段：識(shí)別區(qū)、結(jié)合區(qū)和起始區(qū)。啟動(dòng)子序列差異決定了和RNA聚合酶的親和力，影響了啟動(dòng)子的啟動(dòng)頻率，即啟動(dòng)子的強(qiáng)弱。15操縱基因（Operator）操縱子中能與調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的DNA序列。操縱基因常與啟動(dòng)子部分重合或鄰近，調(diào)控蛋白的結(jié)合常影響下游基因的轉(zhuǎn)錄。16調(diào)控基因編碼能與操縱基因特異性結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。17

正調(diào)控（positivecontrol）:

調(diào)控因子通過(guò)與啟動(dòng)子元件結(jié)合來(lái)激活基因的表達(dá)。負(fù)調(diào)控（negativecontrol）:

阻抑物與操縱基因結(jié)合來(lái)阻止基因的表達(dá)。正調(diào)控與負(fù)調(diào)控18誘導(dǎo)(induction)：通過(guò)小分子誘導(dǎo)物參與,使阻抑物失活或活化激活劑來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)基因或操縱子表達(dá)的調(diào)控。阻遏(repression):

通過(guò)小分子輔阻遏物參與,使激活劑失活或活化阻抑物來(lái)實(shí)現(xiàn)基因或操縱子不表達(dá)的調(diào)控。誘導(dǎo)與阻遏19幾個(gè)概念阻遏蛋白：能與操縱基因結(jié)合減弱或阻止基因表達(dá)的蛋白；誘導(dǎo)蛋白：能與操縱基因結(jié)合加強(qiáng)或起始基因表達(dá)的蛋白；效應(yīng)物：能與調(diào)控蛋白結(jié)合，改變其構(gòu)象并影響轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)誘導(dǎo)劑：能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子；阻遏劑：能引起阻遏發(fā)生的分子；20操縱子的類(lèi)型根據(jù)作用方式分：誘導(dǎo)型：調(diào)節(jié)分解代謝相關(guān)的操縱子，受cAMP-CAP調(diào)節(jié)。分解代謝的底物常為小分子誘導(dǎo)物；阻遏型：調(diào)節(jié)合成代謝相關(guān)的操縱子，不受cAMP-CAP影響。有些有弱化子存在，產(chǎn)物一般為阻遏物。21調(diào)控類(lèi)型與特點(diǎn)22乳糖操縱子-Lacoperon大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌DNA的一個(gè)特定區(qū)段，由調(diào)節(jié)基因I，操縱基因O和結(jié)構(gòu)基因Z、Y、A組成。23乳糖操縱子-Lacoperon大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌DNA的一個(gè)特定區(qū)段，由調(diào)節(jié)基因I，操縱基因O和結(jié)構(gòu)基因Z、Y、A組成。2425乳糖不存在時(shí)26乳糖存在時(shí)27誘導(dǎo)物

別乳糖是lac操縱子轉(zhuǎn)錄的活性誘導(dǎo)物，發(fā)現(xiàn)一個(gè)合成的、結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于別乳糖、不能被β-半乳糖苷酶水解的異丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside：IPTG）起著lac操縱子的一個(gè)誘導(dǎo)物的作用，所以IPTG常用于誘導(dǎo)含有使用了lac啟動(dòng)子的質(zhì)粒載體的細(xì)菌中的重組蛋白的表達(dá)。28誘導(dǎo)物29操縱子對(duì)誘導(dǎo)劑的響應(yīng)30

通過(guò)去阻遏調(diào)控lac操縱子只是調(diào)控的一種方式，另一調(diào)控系統(tǒng)也可起到lac操縱子的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)作用。分解物基因激活蛋白（catabolicgene-activatorprotein:CAP）可以部分調(diào)控細(xì)菌對(duì)糖的代謝。在有乳糖存在，而且葡萄糖水平低時(shí)，CAP可以激活象lac操縱子那樣的操縱子的轉(zhuǎn)錄。

當(dāng)葡萄糖和乳糖都存在時(shí)，即使阻遏物不結(jié)合，轉(zhuǎn)錄也是非常弱的。然而當(dāng)葡萄糖濃度降低，而乳糖仍然存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄激烈增加。這是由于CAP是lac操縱子的一個(gè)激活劑，并且起始了正調(diào)控轉(zhuǎn)錄。cAMP的作用象個(gè)調(diào)節(jié)器，它與CAP結(jié)合正向調(diào)控CAP的DNA結(jié)合活性。Lac操縱子的正調(diào)控31cAMP生成adenylatecyclaseATP

cAMP32CRP的活性控制葡萄糖與cAMP的濃度負(fù)相關(guān)，并通過(guò)cAMP調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。33Lac操縱子的正調(diào)控34乳糖操縱子調(diào)控總圖35TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP36TheLacOperon:

WhenGlucoseAndLactoseArePresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great,Icantranscribe!Sometranscriptionoccurs,butataslowrateThislactosehasbentmeoutofshape37TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!38TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!39色氨酸操縱子色氨酸操縱子（tryptophanoperon,trpoperon）就是負(fù)責(zé)色氨酸合成的操縱子。trp操縱子是由一個(gè)啟動(dòng)子和一個(gè)操縱基因區(qū)組成，該操縱基因區(qū)控制一個(gè)編碼色氨酸生物合成需要的5種蛋白的多順?lè)醋觤RNA的表達(dá)。4041操縱基因和啟動(dòng)子重疊42(1)輔阻遏蛋白對(duì)trp操縱子表達(dá)的調(diào)控

輔阻遏蛋白（trpR的產(chǎn)物）通過(guò)與操縱基因的結(jié)合與否來(lái)控制結(jié)構(gòu)基因是否被轉(zhuǎn)錄。

(2)輔阻遏蛋白的活性控制輔阻遏蛋白的活性受到色氨酸水平的控制，色氨酸與輔阻遏蛋白結(jié)合則激活了輔阻遏蛋白，這樣輔阻遏蛋白就可與操縱區(qū)DNA結(jié)合，關(guān)閉trp操縱子的表達(dá)。trp操縱子的阻遏系統(tǒng)43trpB色氨酸缺乏時(shí)44色氨酸充足時(shí)45弱化子

在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前有一個(gè)長(zhǎng)162bp的mRNA片段被稱(chēng)為前導(dǎo)區(qū)，其中123～150位堿基序列如果缺失，trp基因表達(dá)可提高6-10倍，而且無(wú)論是在阻遏細(xì)胞內(nèi)還是在永久性突變的細(xì)胞內(nèi)都是這樣。當(dāng)mRNA合成起始以后，除非培養(yǎng)基中完全沒(méi)有色氨酸，轉(zhuǎn)錄總是在這個(gè)區(qū)域終止，產(chǎn)生一個(gè)僅有140個(gè)核苷酸的RNA分子，終止trp基因轉(zhuǎn)錄，這就是123～150區(qū)序列缺失會(huì)提高trp基因表達(dá)的原因。因?yàn)檗D(zhuǎn)錄終止發(fā)生在這一區(qū)域，并且這種終止是被調(diào)節(jié)的，這個(gè)區(qū)域就被稱(chēng)為弱化子。

46操縱基因和結(jié)構(gòu)基因中間有一段前導(dǎo)區(qū)，123～150位堿基序列可調(diào)節(jié)操縱子的轉(zhuǎn)錄。有色氨酸存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄總是產(chǎn)生一個(gè)僅有140個(gè)核苷酸的RNA分子，不轉(zhuǎn)錄色氨酸合成基因。先導(dǎo)序列隨著色氨酸濃度增高而降低合成基因轉(zhuǎn)錄。這段序列稱(chēng)為弱化子。弱化子47前導(dǎo)肽實(shí)驗(yàn)表明衰減作用需要負(fù)載tRNATrp參與，這意味著前導(dǎo)序列的某些部分被翻譯了。分析前導(dǎo)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(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)含有14個(gè)氨基酸的多肽。這個(gè)假設(shè)的多肽（還未實(shí)際觀察到）被稱(chēng)為前導(dǎo)肽。

48前導(dǎo)序列具有一個(gè)非常有意義的特點(diǎn)，在其第10和第11位上有相鄰的兩個(gè)色氨酸密碼子。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榻M氨酸操縱子中，也具有弱化子，也具有一個(gè)類(lèi)似的能編碼前導(dǎo)肽的堿基序列，此序列中含有7個(gè)相鄰的組氨酸密碼子。苯丙氨酸操縱子中同樣存在弱化子結(jié)構(gòu)，其前導(dǎo)序列中也有7個(gè)苯丙氨酸密碼子。這些密碼子參與了trp及其他操縱子中的轉(zhuǎn)錄弱化機(jī)制。4950trp操縱子的衰減調(diào)控系統(tǒng)trp操縱子的另一種轉(zhuǎn)錄調(diào)控是稱(chēng)之衰減作用（attenuation）的調(diào)控機(jī)制，這是一種將翻譯與轉(zhuǎn)錄聯(lián)系在一起的新的轉(zhuǎn)錄調(diào)控形式。細(xì)胞內(nèi)Trp-tRNATrp濃度決定核糖體是否停留在trpm