第7章基因的表达与调控(上).

第七章原核基因表达调控ExpressionandregulationofGeneinProkaryotes概述一、基因表达的概念geneexpression：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为generegulation。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达(adaptiveexpression）二、基因表达的方式1、组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成型表达(constitutiveexpression)。2、适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinateexpression)，这种调节称为协调调节(coordinateregulation)。三、基因表达的规律——时间性和空间性1、时间特异性（temporalspecificity）按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。2、空间特异性(spatialspecificity)基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性。四、基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）维持个体发育与分化（真核）五、基因表达调控的层次转录水平基因结构活化转录起始（基因表达基本控制点）转录后水平转录后加工转录产物的转运翻译水平翻译调控翻译后加工蛋白质降解六、转录水平----基因转录激活调节基本要素（一）特异DNA序列（二）调节蛋白（三）RNA聚合酶1.原核生物的特异DNA序列原核生物基因表达与调控是通过操纵子机制来实现的。操纵子是由功能上相关联的多个编码序列（结构基因）及其上游的调控序列成簇串联在一起构成的一个转录协调单位。调控序列包括操纵序列(O)、启动序列(P)和调节基因(I/R)等组件。（一）特异DNA序列操纵子调节基因启动序列操纵序列编码序列（结构基因）表达转录ICAPPOZYA阻遏蛋白结合部位RNA聚合酶结合部位启动序列（P）：其中的-35区-10区是RNA聚合酶识别并结合的部位。多顺反子mRNA阻遏蛋白（负性调节）（正性调节）多种蛋白质2.真核生物的特异DNA序列真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达的特异DNA序列，称为顺式作用元件。顺式作用元件能够被各种转录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基因表达活性。启动子顺式作用元件又分增强子沉默子1)顺式作用元件(cis-actingelement)——可影响自身基因表达活性的DNA序列BADNA编码序列转录起始点不同真核生物的顺式作用元件中也会发现一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，这些共有序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。（二）调节蛋白1.原核生物的调节蛋白（3类）特异因子决定RNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；(如，RNA聚合酶的因子)阻遏蛋白通过与操纵序列结合，阻遏基因转录，发挥负性调控作用；（由调节基因表达的阻遏蛋白）激活蛋白与启动子上游DNA序列结合，促进RNA聚合酶转录活性，发挥正性调控作用。(如，CAP—分解代谢物基因活化蛋白)2.真核生物的调节蛋白反式作用因子能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转录的一类调节蛋白，统称为反式（作用）因子。(trans-actingfactor)按其功能不同，常有以下三类：基本转录因子转录调节因子共调节因子（1）基本转录因子（TF）是指能够在启动子部位与核心序列TATA盒和RNAPolⅡ结合，形成转录前起始复合物（PIC）的一类调节蛋白，以起动转录。与RNA聚合酶(RNAPolⅡ)结合的(基本)转录因子有：TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡH,TFⅡJ等。首先由TFⅡD与启动子TATA盒结合，然后按一定的时空顺序依次结合RNAPolⅡ和其它转录因子，形成PIC。(2)转录调节因子这类调节蛋白能识别并结合转录起始点上游的调控序列或远端的增强子元件，通过蛋白质-DNA相互作用而影响转录活性。起激活转录作用——转录激活因子；起阻遏转录作用——转录阻遏因子。（3）共调节因子另有一类与转录调节因子发生蛋白－蛋白相互作用，进而影响它们的分子构象，影响转录活性，称共调节因子。如果与转录激活因子有协同作用——共激活因子；与转录阻遏因子有协同作用——共阻遏因子。7.1原核基因表达调控总论7.1.1原核基因表达调控的类型与特点1、根据操纵子对调节蛋白(阻遏蛋白或激活蛋白)的应答，正转录调控负转录调控调节基因RNA调节蛋白调节基因操纵基因结构基因激活蛋白正转录调控正转录调控如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白负转录调控负转录调控在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。根据辅因子(小分子)结合后调控效果，可分：开启调控系统中结构基因的转录活性——诱导关闭调控系统中结构基因的转录活性——阻遏操纵子调控系统的基本类型可诱导负控制系统可诱导正控制系统可阻遏负控制系统可阻遏正控制系统几个概念：诱导物(inducer)：指当作用于细胞群体时,通过诱导机制、能增加特定基因转录的mRNA含量的一种化学因子或物理因子,辅阻遏物(corepressor)：一种能与阻遏蛋白形成功能阻遏物，而使合成代谢的操纵子受到阻遏的代谢终产物。正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。1.可诱导调节2.可阻遏调节7.1.2原核基因表达调控的主要特点7.1.3弱化子对基因活性的影响7.1.4降解物对基因活性的影响7.1.5细菌的应急反应1、DiscoveryofOperon1961年,F.Jacob&J.Monod提出,此后不断完善。获1965年诺贝尔生理学和医学奖1940年，Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶1947年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化中的意义”FrancisJacobJacquesMonod7.2乳糖操纵子与负控诱导系统1951年，Monod与Jacob合作，发现两对基因：Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关；I基因：决定细胞对诱导物的反应。Szilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。Jacob：结构基因旁有开关基因（操纵基因），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。操纵子是一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调节的单位，包括调节基因，操纵位点，结构基因，组成一个控制单元。结构基因：产生mRNA,合成蛋白质操纵位点operator：启动子结合位点调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）→结构基因不转录诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合→结构基因转录2、操纵子的定义7.2.1酶的诱导——lac体系受调控的证据细菌对乳糖的利用及其相关的酶:乳糖(在通透酶作用下进入细菌）β-半乳糖苷酶别构乳糖β-半乳糖苷酶葡萄糖+半乳糖β-半乳糖苷乙酰基转移酶1)lac操纵子的本底水平(basallevel)表达有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：①诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成有需要诱导。②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的预先存在。一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？解释：本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lacmRNA合成。分解底物的酶只有在底物存在时才出现！无乳糖时，几个b-gal/cell加入乳糖时，5000个乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶合成？培养基（35S-aa,无乳糖）→E.coli繁殖→培养基（无35S-aa,加入乳糖）→β-gal(无35S)大肠杆菌对乳糖的反应培养基：甘油按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶；培养基：加入乳糖少量乳糖透过酶进入细胞β-半乳糖苷酶异构乳糖诱导物诱导lacmRNA的生物合成大量乳糖进入细胞多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）异构乳糖乙酰基转移酶半乳糖苷透性酶ß-半乳糖苷酶操纵位点调节基因7.2.2lacOperon的模型及其影响因子Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏蛋白的调节阻遏基因1.乳糖操纵子调控模型mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖别构乳糖β-半乳糖苷酶（1）mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区(P)，不能单独起动合成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。2.乳糖操纵子调控机制阻遏物lacI基因产物及功能lac操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。RNA聚合酶结合部位阻遏物结合部位（2）操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。操纵位点的回文序列未诱导：结构基因被阻遏阻遏物四聚体LacIPOlacZlacYlacA图16-当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上（3）当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。诱导：基因被打开β-半乳糖苷酶透性酶乙酰转移酶图16-7诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关（4）诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。阻遏蛋白单体的结构Helix-turn-helixCoredomain1Coredomain215180360DNAbindingHingeInducerbindingOligomerization图16-阻遏蛋白单体的结构和功能阻遏蛋白单体的三级结构ActiverepressorcannotbindtoOcmutantoperantorOperonistranscribedandtranslatedlacIOco