第六章原核生物基因表达调控

第六章原核生物基因表达调控前言一、基因表达(geneexpression)•在一定调节机制控制下，基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等的过程。•大多数基因的表达产物是蛋白质,部分基因如tRNA和rRNA基因表达产物是RNA。一个典型的原核生物基因的结构二、基因表达调控•围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都通称为基因表达调控.•转录水平的调控•转录后的调控•翻译水平的调控DNA水平基因丢失；基因扩增基因重排；甲基化修饰；染色质的结构状态RNA水平转录水平调控；RNA的转录后加工；mRNA从核内向胞浆转运；mRNA稳定性蛋白质水平翻译过程；翻译后加工；蛋白质的稳定性三、基因表达的特性：1）时间特异性或阶段特异性2）空间特异性或组织细胞特异性1、时间特异性按功能需要，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(temporalspecificity)。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）:•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(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)。四、基因表达的方式•组成性基因表达•适应性表达（诱导和阻遏表达）1、组成性基因表达某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(house-keepinggene)。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性表达。2、诱导和阻遏表达•诱导表达（induction）指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。•阻遏表达（repression）指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。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)。•协调表达五、基因表达调控的基本原理：1.基因表达调控的多层次和复杂性2.基因转录激活调节基本要素1.基因表达调控的多层次和复杂性四个基本调控点（1）基因结构的活化（2）转录起始：最有效的调节环节（3）转录后加工及转运（4）翻译及翻译后加工DNA水平基因丢失；基因扩增基因重排；甲基化修饰；染色质的结构状态RNA水平转录水平调控；RNA的转录后加工；mRNA从核内向胞浆转运；mRNA稳定性蛋白质水平翻译过程；翻译后加工；蛋白质的稳定性2.基因转录激活调节基本要素基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。三个基本要素：1）特异的DNA调节序列2）调节蛋白3）RNA聚合酶基因转录激活调节基本要素1、特异DNA序列•原核生物的操纵子•真核生物的顺式作用元件（cis-actingelement）2、调节蛋白------操纵子(operon)结构基因启动子操纵基因调节基因(promoter)(operator)阻抑蛋白------操纵子(operon)------操纵子(operon)•由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因转录受操纵基因所控制。•操纵基因是顺式控制元件，阻抑蛋白是反式作用因子是指可影响自身基因表达活性的特异DNA序列。通常是非编码序列。包括启动子、增强子及沉默子等。真核生物的顺式作用元件BADNA编码序列转录起始点2、调节蛋白是调节基因转录的蛋白因子，如原核生物的阻遏蛋白和CAP蛋白（降解物基因活化蛋白）、真核生物的基本转录因子和特异转录因子等。3、RNA聚合酶启动序列影响其与RNA聚合酶的亲和力，而亲和力大小则直接影响转录起动的频率。原核启动序列或真核启动子是由转录起始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录的调节组件组成。TFIIFRNA聚合酶TFIIDTATADNATFIIATFIIBTFIIE转录前起始复合物真核生物RNA聚合酶六、基因表达调控的生物学意义1、适应环境、维持生长和增殖2、维持个体发育与分化第一节原核基因表达调控总论5′3′3′3′5′5′DNARNA转录方向反义链模板链、（－）链正义链、编码链、（+）链基因表达转录水平上的调控转录后水平上的调控基因表达调控原核生物主要是在转录水平上调控基因的表达。当需要某种基因产物时，就大量合成这种mRNA，当不需要这种基因产物时就抑制这种mRNA的转录，就是让相应的基因不表达。通常所说的基因不表达，并不是说这个基因就完全不转录为mRNA，而是转录的水平很低，维持在一个基础水平（本底水平）。基因表达完全关闭的情况使极为少见的。真核生物基因表达的调控可发生在不同水平上一、原核基因调控机制的类型与特点（一）原核基因调控机制的类型•负调控•正调控geneON→OFF阻遏蛋白geneOFF→ON激活蛋白基因表达量特别低1、负调控negativeregulation•在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被关闭，这样的控制系统就叫做负控系统。•其调节蛋白质叫做阻遏蛋白•两种类型：负控诱导和负控阻遏负控诱导系统负控阻遏系统2、正调控positiveregulation•在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控制系统就叫做正控系统。•其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白)•两种类型:正控诱导和正控阻遏系统（二）特殊代谢物调节基因表达的类型•可诱导调节•可阻遏调节1、可诱导调节一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化.调节分解代谢的操纵子，同时受cAMP-CAP的活性调节可诱导调节－无诱导物时geneOFF可诱导调节－有诱导物时geneON++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP2、可阻遏调节一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来开启的状态转变为关闭状态，基因的表达被阻遏.调节合成代谢的操纵子（三）原核生物基因表达调控的特点调节的主要环节在转录水平上进行σ因子决定RNA聚合酶识别特异性主要通过操纵子模式进行调节阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍存在的负调控作用原核生物中基因的组织形式几个作用相关的基因在染色体上串连排列在一起，由同一个调控系统来控制。这样的一个整体称为一个操纵元(operon)。原核在转录水平上调控σ因子大肠杆菌至少有6种σ因子σ70负责识别一般的启动子σ54识别与氮代谢有关的基因启动子σ32识别热激（heatshock）蛋白质基因启动子二、弱化子对基因活性的影响1、弱化子•在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列，当操纵子被阻遏时，RNA合成被终止，这段核苷酸起终止转录信号作用.UUUU……RNA聚合酶•起调节作用的是某种氨酰-tRNA的浓度2、弱化子作用机制UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列弱化子区域UUUU……前导mRNA1234弱化子结构第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:包含序列1形成发夹结构能力强弱：序列1/2序列2/3序列3/4trp密码子UUUU……5’trpmRNAtrpL1234寡聚U区trpE(a)正常(b)高[Trp]12转录终止34(C)低[Trp]1234转录延伸UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’RNA聚合酶终止UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’trp密码子结构基因前导DNARNA聚合酶2.当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构三、降解物对基因活性的调节1、葡萄糖效应（降解物抑制作用）是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖类的利用的现象。2、降解物对基因活性的调节葡萄糖通过降低cAMP的含量而抑制基因表达四、细菌的应急反应指细菌在恶劣生长环境中关闭tRNA和核糖体形成的能力。1、细菌的应急反应2、细菌的应急反应的机制应急信号：鸟苷四磷酸（ppGpp）、鸟苷五磷酸（pppGpp）诱导物：空载tRNA焦磷酸转移酶第二节乳糖操纵子与负控诱导系统一、乳糖操纵子(lacoperon)的结构与组成调控区阻遏基因启动子操纵基因结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAI启动子RNA聚合酶结合位点调节基因CAP结合位点操纵基因Z基阻遏蛋白结合位点mRNALac操纵子调控区域乳糖操纵子的结构基因及其表达产物二、酶的诱导-lac体系受调控的证据在不含乳糖及β-半乳糖苷的培养基中，lac+基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有1～2个酶分子。如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个酶分子。1、实验证据2、实验用诱导物•乳糖•IPTG(异丙基巯基半乳糖苷)•TMG(巯甲基半乳糖苷)•ONPG(O-硝基半乳糖苷)HOHHOHOHHHCH2OHHOOHHOOHOCH2CH2OHHOHOHHHOOH别乳糖HOOHHHHOHOHHH＋H2OHHHOOHCH2OHCH2OHHOHCH2OHHOOHHOOOHHHOHH＋OHHHOHHHHOHHOH葡萄糖半乳糖图16-乳糖分解的不同产物pUC18AprlacZ'oriAp+X-gal重组子（Apr+lacZ-）基因工程的蓝白斑筛选蓝白显色筛选法三、lac操纵子模型及其影响因子（一）Lac操纵子模型控制区信息区•1961年由莫诺（Monod,J.法)和雅各布(Jacob,F.法)提出，用来阐述大肠杆菌乳糖代谢中基因表达的调控机制。•获1965年诺贝尔生理学和医学奖乳糖操纵子模型的建立(JacobandMonod,1961)FrancoisJacobJacqucesMonod乳糖操纵子模型1、Z、Y、A基因的产物为一条多顺反子mRNAlacZ：编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。2、P区位于I与O之间，O为阻遏物结合位点启动子RNA聚合酶结合位点调节基因CAP结合位点操纵基因Z基因阻遏蛋白结合位点乳糖操纵元的负调控Lac操纵子P、O区的重叠阻遏物与O区的结合影响了RNA聚合酶与启动子区结合形成转录起始复合物的效率。4、CAP的正性调节-35-100CAPcAMPORNA聚合酶结合[无葡萄糖:有葡萄糖:cAMPcAMP(促进转录)(不促进转录)CyclicAMPATP在腺苷酸环化酶的作用下转变成环式AMP(cyclicadenosinemonophosphate,cAMP)。Theadenylcyclase-catalyzedsynthesisofcyclicAMP(cAMP)fromATP©2003JohnWileyandSonsPublisherscAmp-CAPCataboliteactivatingprotein,CAP代谢激活蛋白，是cAmp的受体蛋白(cyclicAmpreceptorprotein,CRP)cAmp-CAP复合物，是lac操纵元的正调控因子乳糖操纵