1、Chapter-6,Expression and Regulation of Prokaryotic Gene,Of the 4,000 or so genes in the typical bacterial genome, or the perhaps 35,000 genes in the human genome, only a fraction are expressed in a cell at any given time. Some gene products are present in very large amounts: the elongation factors r

2、equired for protein synthesis, for example, are among the most abundant proteins in bacteria, and ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (rubisco) of plants and photosynthetic bacteria is, as far as we know, the most abundant enzyme in the biosphere.,Other gene products occur in much smalle

3、r amounts; for instance, a cell may contain only a few molecules of the enzymes that repair rare DNA lesions. Requirements for some gene products change over time. The need for enzymes in certain metabolic pathways may wax and wane as food sources change or are depleted. During development of a mult

4、icellular organism, some proteins that influence cellular differentiation are present for just a brief time in only a few cells. Specialization of cellular function can dramatically affect the need for various gene products。,Center law,Contents,基因表達(dá)調(diào)控的基本概念 原核基因調(diào)控機(jī)制 乳糖操縱子 色氨酸操縱子 其他操縱子 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控,基因表達(dá)的

5、多種階段 信息從基因到產(chǎn)物轉(zhuǎn)化途徑可分成許多被調(diào)控的階段。,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 gene expression ：基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。對(duì)這個(gè)過程的調(diào)節(jié)就稱為gene regulation 。,rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達(dá),組成性表達(dá)(constitutive expression) 適應(yīng)性表達(dá)(adaptive expression）,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(housekeeping gene)。,2、適應(yīng)性表達(dá)

6、 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(inducible gene)； 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(repressible gene)。,三、基因表達(dá)的規(guī)律 時(shí)間性和空間性,1、時(shí)間特異性（temporal specificity）,2、空間特異性(spatial specificity),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(ce

7、ll or tissue specificity)。,在個(gè)體生長全過程，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)控的兩種策略 on-off 高Trp時(shí)： 阻遏物+Trp 結(jié)合操縱基因,三、trp 操縱子的弱化機(jī)制,衰減子（attenuator）/弱化子 前導(dǎo)序列（leader sequence）,1、弱化子： DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核甘酸序列（123-150區(qū)）。,123150,研究引起終止的mRNA堿基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNA通過自我配對(duì)可以形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)。,2、前導(dǎo)序列：在trp mRNA5端trpE基因的起始密碼前

8、一個(gè)長162bp的mRNA片段。,3、弱化機(jī)制,前導(dǎo)肽,轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu),細(xì)菌通過弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒糇饔弥荒苁罐D(zhuǎn)錄不起始，對(duì)于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過弱化作用使之中途停下來。阻遏作用的信號(hào)是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少；弱化作用的信號(hào)則是細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少。它通過前導(dǎo)肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)這兩種作用相輔相成，體現(xiàn)著生物體內(nèi)周密的調(diào)控作用。,第五節(jié) 其他操縱子,一、半乳糖操縱子(galactose operon),異構(gòu)酶(galE) 乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galT)半乳糖激酶(galk)。,gal操縱子的特點(diǎn)： 它有兩個(gè)啟動(dòng)子，其mRNA可從兩個(gè)不同的起始

9、點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄； 它有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。,二、阿拉伯糖操縱子（arabinose operon),araB基因、araA基因和araD, 形成一個(gè)基因簇，簡寫為araBAD,三個(gè)基因的表達(dá)受到ara操縱子中araC基因產(chǎn)物AraC蛋白的調(diào)控。,ara操縱子的調(diào)控有兩個(gè)特點(diǎn)： 第一，araC表達(dá)受到AraC的自身調(diào)控。 第二，AraC既是ara操縱子的正調(diào)節(jié)蛋白（需cAMP-CRP的共同參與，起始轉(zhuǎn)錄），又是其負(fù)調(diào)節(jié)蛋白。這種雙重功能是通過AraC蛋白的兩種異構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)的（Pi和Pr)。,三、阻遏蛋白LexA的降解與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答,SOS反應(yīng)的機(jī)理： 由 R

10、ecA 蛋白和 LexA 阻遏物的相互作用引起的。 LexA阻遏物：是SOS DNA修復(fù)系統(tǒng)所有基因的阻遏物 RecA蛋白：是SOS反應(yīng)的最初的發(fā)動(dòng)因子。在單鏈DNA和ATP存在時(shí)，RecA蛋白被激活，表現(xiàn)出水解酶活性，分解LexA阻遏物。 當(dāng)RecA水解LexA阻遏物后，導(dǎo)致SOS體系（包括recA基因）高效表達(dá)，DNA得到修復(fù),一、翻譯起始的調(diào)控 RBS（核糖體結(jié)合位點(diǎn)）：mRNA鏈上起始密碼子AUG上游的一段非翻譯區(qū)。 RBS的結(jié)合強(qiáng)度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼子AUG之間的距離。 SD- 4-10（9）-AUG,第六節(jié) 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控,二、稀有密碼子對(duì)翻譯的影響,dnaG(

11、引物酶) RNA引物,dnaG、rpoD和rpsU屬于大腸桿菌基因組上的同一個(gè)操縱子,50個(gè)拷貝的dnaG蛋白、2800個(gè)拷貝的rpoD和40000個(gè)拷貝的rpsU,幾種蛋白質(zhì)中異亮氨酸密碼子使用頻率比較,細(xì)胞內(nèi)對(duì)應(yīng)于稀有密碼子的tRNA較少，高頻率使用這些密碼子的基因翻譯過程容易受阻，影響了蛋白質(zhì)合成的總量。,三、重疊基因?qū)Ψg的影響,TrpB 谷氨酸- 異亮氨酸-終止 GAA - AUC - UGA - UGG - AA AUG - GAA 甲硫氨酸 谷氨酸t(yī)rpA,trpE蘇氨酸苯丙氨酸終止 ACU - UUC - UGA - UGG - CU AUG AUG GCU 甲硫氨酸 - 丙氨

12、酸- trpD,翻譯終止時(shí)核糖體立即處在起始環(huán)境中，這種重疊的密碼子保證了同一核糖體對(duì)兩個(gè)連續(xù)基因進(jìn)行翻譯的機(jī)制。,4. RNA高級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)翻譯的影響 以RNA噬菌體f2的RNA作為模板，在大腸桿菌無細(xì)胞系統(tǒng)中進(jìn)行蛋白質(zhì)合成時(shí)，大部分合成外殼蛋白，RNA聚合酶只占外殼蛋白的1/3。用同位素標(biāo)記分析RNA噬菌體幾種蛋白質(zhì)的起譯過程，發(fā)現(xiàn)外殼蛋白起譯頻率比合成酶至少要高3倍。,5. 魔斑核苷酸水平對(duì)翻譯的影響 科學(xué)上，把培養(yǎng)基中營養(yǎng)缺乏，蛋白質(zhì)合成停止后，RNA合成也趨于停止這種現(xiàn)象稱為嚴(yán)緊控制（rel+）；反之則稱為松散控制（rel-）。研究發(fā)現(xiàn)，在氨基酸缺乏時(shí)，rel+菌株能合成鳥苦四磷酸（pp

13、Gpp）和五磷酸（pppGpp），而rel-菌則不能。 GTP+ATPpppGpp+AMPppGpp,ppGpp的主要作用可能是影響RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合的專一性，從而成為細(xì)胞內(nèi)嚴(yán)緊控制的關(guān)鍵。當(dāng)細(xì)胞缺乏氨基酸時(shí)產(chǎn)生ppGpp，可在很大范圍內(nèi)做出應(yīng)急反應(yīng)，如抑制核糖體和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操縱子的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，抑制與氨基酸運(yùn)轉(zhuǎn)無關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，活化蛋白水解酶等。,1、關(guān)于管家基因敘述錯(cuò)誤的是 (A) 在生物個(gè)體的幾乎各生長階段持續(xù)表達(dá) (B) 在生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá) (C) 在生物個(gè)體全生命過程的幾乎所有細(xì)胞中表達(dá) (D) 在生物個(gè)體的某一生長階段持續(xù)表達(dá) (E) 在一個(gè)物

14、種的幾乎所有個(gè)體中持續(xù)表達(dá),D,2、一個(gè)操縱子（元）通常含有 (A) 數(shù)個(gè)啟動(dòng)序列和一個(gè)編碼基因 (B) 一個(gè)啟動(dòng)序列和數(shù)個(gè)編碼基因 (C) 一個(gè)啟動(dòng)序列和一個(gè)編碼基因 (D) 兩個(gè)啟動(dòng)序列和數(shù)個(gè)編碼基因 (E) 數(shù)個(gè)啟動(dòng)序列和數(shù)個(gè)編碼基因,B,3、下列情況不屬于基因表達(dá)階段特異性的是，一個(gè)基因在 (A) 分化的骨骼肌細(xì)胞表達(dá)，在未分化的心肌細(xì)胞不表達(dá) (B) 胚胎發(fā)育過程不表達(dá)，出生后表達(dá) (C) 胚胎發(fā)育過程表達(dá)，在出生后不表達(dá) (D) 分化的骨骼肌細(xì)胞表達(dá)，在未分化的骨骼肌細(xì)胞不表達(dá) (E) 分化的骨骼肌細(xì)胞不表達(dá)，在未分化的骨骼肌細(xì)胞表達(dá),A,4、乳糖操縱子（元）的直接誘導(dǎo)劑是 (A)

15、 葡萄糖 (B) 乳糖 (C) 一半乳糖苷酶 (D) 透酶(E)異構(gòu)乳糖,E,5、Lac阻遏蛋白結(jié)合乳糖操縱子（元）的 (A) CAP結(jié)合位點(diǎn) (B) O序列 (C) P序列 (D) Z基因 (E) I基因,B,6、cAMP與CAP結(jié)合、CAP介導(dǎo)正性調(diào)節(jié)發(fā)生在 (A) 葡萄糖及cAMP濃度極高時(shí) (B) 沒有葡萄糖及cAMP較低時(shí) (C) 沒有葡萄糖及cAMP較高時(shí) (D) 有葡萄糖及cAMP較低時(shí) (E) 有葡萄糖及CAMP較高時(shí),C,7、Lac阻遏蛋白由 (A) Z基因編碼 (B) Y基因編碼 (C) A基因編碼 (D) I基因編碼 (E) 以上都不是,D,8、色氨酸操縱子（元）調(diào)節(jié)過程

16、涉及 (A) 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié) (B) 轉(zhuǎn)錄延長調(diào)節(jié) (C) 轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié) (D) 翻譯水平調(diào)節(jié) (E) 轉(zhuǎn)錄翻譯調(diào)節(jié),E,(A) Lac阻遏蛋白 (B) RNA聚合酶 (C) 環(huán)一磷酸腺苷 (D) CAP-cAMP (E)異構(gòu)乳糖 9、與O序列結(jié)合 10、與P序列結(jié)合 11、 與CAP結(jié)合 12、與CAP位點(diǎn)結(jié)合,A,B,C,D,13、乳糖、阿拉伯糖、色氨酸等小分子物質(zhì)在基因表達(dá)調(diào)控中作用的共同特點(diǎn)是 A與啟動(dòng)子結(jié)合 B與DNA結(jié)合影響模板活性 C與RNA聚合酶結(jié)合影響其活性 D與蛋白質(zhì)結(jié)合影響該蛋白質(zhì)結(jié)合DNA E與操縱基因結(jié)合,D,14、DNA損傷修復(fù)的SOS系統(tǒng) A是一種保真性很高的復(fù)制過程 BLexA蛋白是一系列操縱子的阻遏物 CRecA蛋白是一系列操