分子生物学Chapter 6 基因表达的调控

Chapter6基因表达的调控ControlofGeneExpression几个重要的观点和概念生物个体的各种组织和细胞具有全套相同的基因组，含有生物体生长、发育、新陈代谢和繁殖所需要的全部遗传信息。基因组中基因的表达具有时空性：所有基因并非以同样的强度、时时刻刻地表达不同组织和细胞表达的基因种类、数量和强度不同–组织特异性表达（Tissue-specificexpression）在不同的发育阶段表达的基因种类、数量和强度也不同–时序性表达（Temporalexpression）基因表达的方式：组成型表达：基因（如：管家基因House-keepinggene）在不同的组织细胞和不同的生长时期中以几乎相等的强度表达。诱导型表达：基因（如：奢侈基因Luxurygene）的表达具有明显的时空性，或受到不同的内外因素因素影响。基因表达受到精细的调控：真核生物和原核生物的基因表达调控方式具有共性通过核酸分子之间、核酸和蛋白质分子之间、蛋白质分子之间的互作调控基因表达在基因表达的不同水平上进行全方位调控，其中以转录水平的调控最为经济和有效。几个重要的观点和概念转录前的调控转录水平的调控转录后的调控翻译水平的调控翻译后的调控通过对转录单位的选择调控表达的基因种类并控制基因产物的种类；通过转录水平的调节来提高生物体的适应性；转录过程中顺势作用元件和反式调控因子的相互作用严格和灵活保证调控的高效和多样；6.1原核生物转录水平的基因表达调控一、操纵子模型和原核生物基因表达调控的主要模式总论二、典型操纵子的基因表达调控模式（3个综合实例）三、严紧控制的应急反应一、操纵子模型1961，Jacob&Monod:研究大肠杆菌的乳糖利用时提出乳糖操纵子（Lacoperon）模型。PIOPLacILacZLacYLacAPromoter启动子ControlelementPolycistron(多顺反子)mRNAβ-半乳糖苷酶b-galactosidase透过酶permease转乙酰基酶transacetylaseStructuralGeneOperator操纵基因大肠杆菌利用乳糖作为能源的生物学途径与操纵子有关的几个名词一些功能相关的基因紧密连锁在一起受同一操纵序列协调的控制其转录，并生成一个多顺反子。操纵基因（Operator）：顺式作用元件，能与调控蛋白结合从而调控基因转录起始效率。调控基因：如LacOperon中的LacI基因，编码调控蛋白作为反式作用因子，通过与相应顺式元件结合后调控基因表达。编码阻遏蛋白，与操纵基因结合对基因表达进行负调控。编码激活蛋白，与操纵基因或上游控制元件结合对基因表达进行正调控。与操纵子有关的几个名词操纵子是原核生物基因组织和基因表达调控的主要方式。效应物（Effector）：能与调控蛋白结合，改变调控蛋白的空间构象，从而改变基因转录水平的物质，多为内外源因子。诱导物（Inducer）：诱导操纵子开放基因表达辅阻遏物（Corepressor）：不直接作为阻遏物，但可以与调控蛋白结合后阻遏操纵子基因表达操纵子调控基因表达的4种模式注：一个特定的操纵子往往组合使用其中的多个调控模式。二、典型操纵子的基因表达调控模式基因表达的负控制负控诱导模型：乳糖操纵子负控阻遏模型：色氨酸操纵子基因表达的正控制分解代谢产物阻遏启动子的正控制：乳糖操纵子操纵子基因表达调控的实例：乳糖操纵子组氨酸利用操纵子负控诱导模型：乳糖操纵子E.coliConclusion:Lacoperonisactivatedthroughaddinglactose(inducer).RelativeconcentrationtimeAddlactoseRemovelactoseLacmRNAβ-半乳糖苷酶透过酶没有葡萄糖的培养基上适时添加或去除乳糖NegativeregulationoflacoperonPIOPLacILacZLacYLacAConstitutiveexpressmRNAGene:OFFNomRNAproductsrepressorLacoperon#3NegativeregulationoflacoperonPIOPLacILacZLacYLacAConstitutiveexpressmRNAGene:ONmRNAproductβ-GalactosidasePermeaseTransacetylaseIso-lactoseRNApolymeraseIso-lactoseLacoperon#4几个要点无异构乳糖（诱导物）时，基因的表达被阻遏蛋白阻遏而关闭；有异构乳糖（诱导物）时，基因表达被开放。异构乳糖的存在是基因开放的前提异构乳糖的来源吸收进入细胞培养基中的乳糖在胞内：转化为异构乳糖透过性酶β-半乳糖苷酶两个矛盾:Question:Howthelactoseentersintothecellandformsiso-lactose?胞内预存有透过酶以将诱导物运输进入胞内vs.透过酶的诱导合成真正的诱导物—异构乳糖由乳糖经β-半乳糖苷酶催化转化而得vs.β-半乳糖苷酶的诱导合成解释：PIOPLacILacZLacYLacA泄露表达（LeakyExpression）：没有乳糖存在时，阻遏蛋白偶然脱落，使下游结构基因保持本底表达。所以，细胞内含有极少量的基因表达产物。这些产物足以运送少量的外源乳糖进入细胞。当乳糖成为唯一碳源时，起初本底表达的产物使少量的乳糖进入细胞，并被转化成异构乳糖，获得真正的诱导物。异构乳糖诱导下游结构基因高效表达，使基因产物大量合成；导致运送大量的乳糖进入细胞，一方面分解产能，另一方面转化为异构乳糖维持基因的持续表达。Summary:NegativeregulationofLacoperonLactoseoperonisinducible.乳糖操纵子的基因表达是可诱导的。LacIgeneencodestherepressor(actsasthenegativeregulator)fortheLactoseoperon.LacI基因编码乳糖操纵子的阻遏蛋白。Beforeinduced,leakyexpressionoftheLactoseOperonleadtomaintenanceofthepre-preparestatusinsidethecell.诱导前，乳糖操纵子的泄露表达维持了胞内的预备状态。负控阻遏模型：色氨酸操纵子阻遏物Trp:辅阻遏物色氨酸tRNA合成酶分解代谢产物阻遏启动子的正控制(例：乳糖操纵子)Growthβ-Galactosidase050100耗尽葡萄糖Growthβ-GalactosidaseabaE.coliE.coliE.coliE.coliMediumNocarbonsourceGlucoseonlyGlucose+lactose（a）Lactoseonly(b)Growth-+++β-GalactosidaseNoNo耗尽葡萄糖后Yes图例上述实验结论：大肠杆菌可以利用葡萄糖和乳糖作为碳源。在同时存在葡萄糖和乳糖时，大肠杆菌首先利用葡萄糖，乳糖操纵子的基因表达被抑制。只有在没有了葡萄糖这一优先碳源后，乳糖操纵子被激活表达而利用乳糖作为碳源。可见：葡萄糖的存在导致乳糖操纵子基因表达的抑制乳糖的存在是乳糖操纵子激活表达的必须条件；但仅有乳糖存在不足以激活乳糖操纵子的表达。解释：cAMP-CAP复合物作为正调控因子激活基因表达PIPOLacILacZLacYLacAcAMPcAMP受体蛋白(CAP)Gene:onandactivatedRNAPolymerasecAMP-CAPcomplexPositiveregulationofLacoperon操纵子调控的综合实例1：乳糖操纵子负控制：LacI基因编码阻遏蛋白；诱导物异构乳糖使阻遏蛋白构象改变，从而诱导基因表达开放。PIOPLacILacZLacYLacAConstitutiveexpressmRNAGene:ONmRNAproductPermeaseTransacetylaseIso-lactoseRNApolymeraseIso-lactoseβ-Galactosidase正控制：cAMP-CAP复合物作为正调控因子，激活基因表达。PIPOLacILacZLacYLacAcAMPcAMP受体蛋白(CAP)Gene:onandactivatedRNAPolymerasecAMP-CAPcomplexBindingsiteofregulationfactors（SummaryforregulationofLacoperon）-82+1-7+28[-87,-49][-48,+5][-5,+21]正调控因子（cAMP-CAP复合物）RNApolymerase负调控因子（阻遏物）操纵子调控的综合实例2：组氨酸利用操纵子负控制：C基因编码阻遏蛋白，在没有组氨酸时阻遏转录；当组氨酸存在时，组氨酸被降解产生尿苷酸，尿苷酸作为诱导物结合到阻遏蛋白上并改变其构象，激活转录。阻遏蛋白尿苷酸组氨酸正控制：C源不足时N源不足时二、衰减子及其对基因表达的调控衰减子的发现1968，ImamatoLab发现：在色氨酸操纵子的调控中，当胞内色氨酸少且不足以作为辅阻遏物时，基因表达开放，但是转录启动后又大量的转录过程仅进行到第一个结构基因前，基因表达提前终止–衰减作用（Attenuation）。在色氨酸操纵子中，行使衰减作用的顺式作用元件是前导区（Leader）中的衰减子（Attenuator）。阻遏物Trp:辅阻遏物色氨酸tRNA合成酶色氨酸操纵子的负调控：色氨酸浓度高时→基因表达关闭色氨酸浓度低时→基因表达开放二、衰减子及其对基因表达的调控衰减子的发现1968，ImamatoLab发现：在色氨酸操纵子的调控中，当胞内色氨酸少且不足以作为辅阻遏物时，基因表达开放，但是转录启动后有大量的转录过程仅进行到第一个结构基因前，基因表达提前终止–衰减作用（Attenuation）。在色氨酸操纵子中，行使衰减作用的顺式作用元件是前导区（Leader）中的衰减子（Attenuator）。UGAStopcodonPredictedLeaderpeptideLeader前导区A27UGU69GATranscriptHigh[trp]:POLeadertrpEDCBAFormtypicaltranscriptiontermiantorTrp-Trp色氨酸含量高时：核糖体在翻译时快速通过“双密码子”位点，而覆盖了区域1和2，使已转录的mRNA上的区域3和4形成不依赖于ρ因子的转录终止子，导致转录终止。A27UGU69GATranscriptLow[trp]:POLeadertrpEDCBANotformtypicaltranscriptiontermiantorTrp-Trp色氨酸含量低时：核糖体在经过“双密码子”位点是速度慢，使区域2和3形成茎环结构，区域4空闲，转录继续进行。色氨酸操纵子基因表达衰减作用的几个要点从色氨酸操纵子的前导区的结构特征：它们的一级结构具有4段可两两配对形成茎环结构的序列；具有一段可编码14Aa短肽的ORF；该短肽的ORF的第10、11个密码子为连续排列的两个Trp密码利用大肠杆菌的Trp-AARS的温度突变体研究表明：空载的tRNATrp是衰减作用的直接信号，色氨酸操纵子的基因表达的衰减与引导区的特殊结构及其蛋白质合成有关。（见教材P227）色氨酸不是衰减作用的直接信号；空载的tRNATrp作为直接信号调控了前导肽合成中核糖体的移动速度，从而控制了操纵子mRNA合成的长度和效率。衰减机制发挥作用的前提是基因表达已经开放。衰减机制是原核生物对基因表达进行精细调控的一种方式。操纵子基因表达调控的综合实例3：色氨酸操纵子负控制：trpR基因编码非活性阻遏蛋白；当胞内色氨酸过量时，色氨酸作为辅阻遏物与非活性的阻遏蛋白结合而阻遏基因表达，减