第三章基因的表達(dá)與調(diào)控(上)

——原核基因表達(dá)調(diào)控模式第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控的基本概念一、基因表達(dá)的概念geneexpression

：基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程。對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱為generegulation

。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過(guò)程也屬于基因表達(dá)

組成性表達(dá)(constitutiveexpression)適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression）二、基因表達(dá)的方式

1、組成性表達(dá)：

指不大受環(huán)境變動(dòng)而變化的一類基因表達(dá)。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)。2、適應(yīng)性表達(dá)指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類基因表達(dá)。應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)(induction)，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因(induciblegene)；相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。

2、空間特異性(spatialspecificity)基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性。四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義

適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖（原核、真核）

維持個(gè)體發(fā)育與分化（真核）第二節(jié)原核基因調(diào)控機(jī)制內(nèi)容提要：原核基因表達(dá)的特點(diǎn)與調(diào)控環(huán)節(jié)原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控一、原核基因表達(dá)的特點(diǎn)與調(diào)控環(huán)節(jié)表達(dá)特點(diǎn):

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

mRNA加工成熟水平上的調(diào)控②

翻譯水平上的調(diào)控

1、根據(jù)操縱子對(duì)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應(yīng)答，可分為：正轉(zhuǎn)錄調(diào)控

負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控

二、原核基因調(diào)控機(jī)制的類型調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控如果在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是關(guān)閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開啟，這樣的調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。可誘導(dǎo)調(diào)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(lái)關(guān)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(dǎo)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(duì)某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應(yīng)答，可分為可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和可阻遏調(diào)節(jié)兩大類：調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白誘導(dǎo)物mRNA酶蛋白酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型誘導(dǎo)物如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來(lái)分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物?？勺瓒粽{(diào)節(jié)：基因平時(shí)是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過(guò)程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。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(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因mRNA酶蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因輔阻遏物輻阻遏物如果某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。JacobandMonod三、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控-操縱子模型1961年，Monod和Jacob提出，1965年獲諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)（一）操縱子的定義操縱子：是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動(dòng)子（啟動(dòng)序列）、操縱基因（操縱序列）及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。啟動(dòng)子：RNA聚合酶特異性識(shí)別和結(jié)合的DNA序列，其本身并不轉(zhuǎn)錄，但決定轉(zhuǎn)錄的方向。操縱基因：阻遏蛋白識(shí)別和結(jié)合的DNA序列，是結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的開關(guān)。（二）乳糖操縱子(lacoperon)內(nèi)容提要：乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)CAP的正性調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)1.乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)

調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列

結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)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(guò)酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過(guò)大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。A編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)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?lè)醋拥膍RNA分子所編碼②這個(gè)mRNA分子的啟動(dòng)子緊接著O區(qū)，而位于I與O之間的啟動(dòng)子區(qū)（P，從I基因結(jié)束到轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)下游5~10，與RNA聚合酶結(jié)合），不能單獨(dú)起動(dòng)合成β-半乳糖苷酶和透過(guò)酶的生理過(guò)程。③操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為26bp，-7~+28，具有對(duì)稱性），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位

LacI

基因正好與結(jié)構(gòu)基因相鄰，但它不與結(jié)構(gòu)基因?qū)偻晦D(zhuǎn)錄單位(Transcriptionunit)，它有自己獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄單位，含自己的啟動(dòng)子和終止子。

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

lacI

基因轉(zhuǎn)錄是組成型的，不受任何阻遏蛋白的控制，而只受啟動(dòng)子強(qiáng)度的控制。實(shí)際上，它是由弱啟動(dòng)子控制的。④當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。

2.阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)*實(shí)際上，在非誘導(dǎo)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(dǎo)物需要穿過(guò)細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要透過(guò)酶，后者的合成有需要誘導(dǎo)。⑤誘導(dǎo)物通過(guò)與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，操縱基因區(qū)沒(méi)有被阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始mRNA的合成。

真正的誘導(dǎo)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(dǎo)物：如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)培養(yǎng)基：甘油

按照l(shuí)ac操縱子本底水平的表達(dá)，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有幾個(gè)分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透過(guò)酶；培養(yǎng)基：加入乳糖少量乳糖透過(guò)酶進(jìn)入細(xì)胞β-半乳糖苷酶異構(gòu)乳糖誘導(dǎo)物誘導(dǎo)lacmRNA的生物合成大量乳糖進(jìn)入細(xì)胞多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）異構(gòu)乳糖3.CAP的正性調(diào)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(nèi)含DNA結(jié)合區(qū)和cAMP結(jié)合位點(diǎn)。cAMP由ATP在腺苷酸環(huán)化酶作用下轉(zhuǎn)換而來(lái)，其濃度受葡萄糖代謝濃度的調(diào)節(jié)。

ATP腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺甘酸）

大腸桿菌中：無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高

有葡萄糖，cAMP濃度低++++轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)不促進(jìn)轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調(diào)控當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用如無(wú)CAP存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。cAMP—CAP復(fù)合物與啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。4.協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)葡萄糖對(duì)lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)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(xì)胞內(nèi)cAMP合成量降低，啟動(dòng)子釋放cAMP-CAP蛋白，RNA聚合酶不能與乳糖的啟動(dòng)序列結(jié)合，以至轉(zhuǎn)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(shí)，細(xì)菌優(yōu)先選擇葡萄糖供應(yīng)能量，阻遏蛋白封閉乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄。此外，若還有乳糖存在，葡萄糖通過(guò)降低cAMP濃度，阻礙cAMP與CAP結(jié)合而抑制乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄，使細(xì)菌只能利用葡萄糖。在沒(méi)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(jié)合