04基因表达调控

第四章基因表达调控第一节概述一、基因表达的基本过程1、转录：DNAmRNA2、转录后加工3、翻译：合成蛋白质蛋白质的一级结构决定了蛋白质空间结构，从而决定了蛋白质的性质和功能4、翻译后加工对蛋白质加工后，使蛋白质有了空间结构，从而有了生物功能。基因表达为有生物功能的蛋白。第一节概述二、调节对某种变化进行调整和节制，使其在时、空、度三方面符合某种需要或标准，这个过程叫调节。生命活着是为了适应内外环境的变化。因此，基因表达为了适应内外环境变化的需要。第一节概述三、基因表达特征基因表达是特殊的代谢途径1、组成：基因表达是多个代谢途径、多个代谢反应组成的体系。各条途径之间、各个反应之间、各途径内部存在着相互协调、制约，相互依存的关系，表现出各种代谢有规则地进行。因此，基因表达具有调节机制。2、功能：体内各种代谢是表达的结果，是系统的、综合性功能现象。基因表达存在着多种机制的调节。第一节概述四、基因表达调控对基因表达的过程从时、空、度三方面进行调节，使其符合内外环境变化的需要的机制称为基因表达调控。时：各种基因按照需求的时间准确地开放、关闭。空：各种独立的反应之间协调、制约、限制的关系。度：正常基因、肿瘤基因表达平衡为正常；当肿瘤基因过度表达，就形成肿瘤，因此，基因表达要有度。第一节概述五、基因表达调控的意义1、基因表达调控与基因表达一样是生命的基础。2、是高级生命的重要的机制和标志。细胞——组织——机体体系高级生命3、学术研究：是现代分子生物学的一个发展方向，是系统分子生物学的基础。第二节研究内容一、基本内容①转录前水平调节②转录水平调节③转录后加工水平调节④翻译水平调节⑤翻译后加工水平调节其中转录水平和翻译水平是关键环节，而转录水平又是最主要的调节。第二节研究内容二、研究对象1、酶：酶是调节的基础，酶具有多种调节功能。酶也有结合其他调节因子的部位。如：变构酶+激活因子变构酶+抑制因子所以，酶是实现调节的中心环节第二节研究内容二、研究对象2、DNA和RNA特殊序列及空间结构进化上很保守的DNA序列起基因表达调控作用，这些特殊调控序列称为顺式调控元件（cis-actingelement）。3、蛋白质因子：有大量蛋白质因子在调控中其决定性作用，这些起调控作用的蛋白称为反式调控因子（trans-actingfactor）。与某些调控序列结合的调节蛋白是细胞外化学信号的受体。这些调控序列称为应答元件（RE），其与化学信号-受体复合物的结合是信号转导的一个效应环节。第三节原核生物的基因表达调控一、原核生物基因表达调控的特点1、基因以操纵子为单位进行转录操纵子（operon）是原核生物基因的转录单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一个或一组结构基因组成。2、基因转录的特异性由σ因子决定不同的σ因子与核心酶结合，可以转录不同的基因。环境变化可以诱导产生特定的σ因子，启动转录特定的基因。已经确定的σ因子有σ70、σ54、σ32、σ38、σ28、σ24。大肠杆菌中的各种σ因子比较σ因子编码基因主要功能σ70RpoD参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控σ54RpoN参与多数氮源利用基因的调控σ38RpoH分裂间期特异基因的表达调控σ32RpoS热休克基因的表达调控σ28RpoF鞭毛趋化相关基因的表达调控σ24RpoE过度热休克基因的表达调控第三节原核生物的基因表达调控一、原核生物基因表达调控的特点3、基因表达既有正调控，又有负调控4、既有可诱导调节又有可阻遏调节可诱导调节：是指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。一般地，可诱导基因总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因。可阻遏调节：是指一些基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作状态，由于某些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因表达。一般地，可阻遏基因是一些合成各种细胞代谢过程中所必需的小分子化合物（如氨基酸、嘌呤、嘧啶等）的基因。第三节原核生物的基因表达调控一、原核生物基因表达调控的特点5、基因表达存在应急应答调控机制细菌遇到紧急状况，如氨基酸饥饿（氨基酸全面匮乏）时，细菌就会产生应急反应——停止几乎全部的生物化学反应。实施这一反应的信号是ppGpp和pppGpp。当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成，ppGpp的出现回关闭许多基因，也会打开一些合成氨基酸的基因，以应对这种紧急状况。第三节原核生物的基因表达调控二、转录水平调控（一）调控因素原核生物基因的转录调控是由RNA聚合酶、调控序列和调节蛋白决定的。1、调控序列原核生物基因的调控序列包括启动子、终止子、操纵基因和分解代谢物基因激活蛋白结合位点CAP位点启动子操纵基因结构基因终止子第三节原核生物的基因表达调控二、转录水平调控（一）调控因素1、调控序列（1）操纵基因（operator）：是调节蛋白的结合位点。当调节蛋白与操纵基因结合时，RNA聚合酶不能与启动子结合，即使结合也不能启动结构基因的解链和转录。（2）分解代谢物基因激活蛋白结合位点：简称CAP位点，位于启动子上游，是分解代谢物基因激活蛋白（CAP）的结合位点。当CAP结合于CAP位点时，可以增强RNA聚合酶的转录活性，从而促进转录。CAP位点启动子操纵基因结构基因终止子第三节原核生物的基因表达调控二、转录水平调控（一）调控因素2、调节蛋白原核生物基因的调节蛋白都是DNA结合蛋白，通过与调控序列结合影响转录。（1）分类：①特异因子（specificityfactor）：即转录起始因子σ，决定RNA聚合酶与启动子识别和结合的特异性；②阻遏蛋白（repressor）：与操纵基因结合，阻遏RNA聚合酶结合、转录，产生负调控效应；③激活蛋白（activator）：与CAP位点结合，促进RNA聚合酶结合、转录，产生正调控效应。第三节原核生物的基因表达调控二、转录水平调控（一）调控因素2、调节蛋白（2）作用模式：调节蛋白的调控作用受诱导物和阻遏物等环境信号影响。诱导物和阻遏物与调节蛋白结合，改变调节蛋白构象，影响调节蛋白与调控序列的结合，调控基因表达。根据调控机制的不同分为负转录调控系统和正转录调控系统。负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白，起阻止基因转录的作用，据其作用分为负控诱导系统和负控阻遏系统。正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白，也可分为正控诱导系统和正控阻遏系统。①负控诱导系统：阻遏蛋白不与诱导物结合时，结构基因不转录。当阻遏蛋白与诱导物结合，阻遏蛋白从操纵基因上下来，结构基因开始转录。②负控阻遏系统：阻遏蛋白与阻遏物结合时，结构基因不转录。③正控诱导系统：诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，基因开启④正控阻遏系统：阻遏物的存在使激活蛋白处于非活性状态，基因关闭。原核基因转录调控的类型及特点调节物结合到DNA上正调控负调控是基因开启基因关闭否基因关闭基因开启在调控过程中：基因由关闭开启——诱导调节基因由开启关闭——阻遏调节小结第三节原核生物的基因表达调控二、转录水平调控（二）乳糖操纵子1960年，Jacob和Monod（1965年诺贝尔生理学或医学奖获得者）提出乳糖操纵子模型，被视为阐述原核生物基因转录调控机制的经典模型。1．乳糖操纵子的结构大肠杆菌乳糖操纵子（lacoperon）包含三个结构基因lacZ、lacY和lacA，分别编码催化乳糖代谢的酶：β-半乳糖苷酶、半乳糖苷通透酶和硫代半乳糖苷转乙酰基酶。结构基因上游还有操纵基因lacO、启动子lacP和CAP位点2．乳糖操纵子的负控诱导系统乳糖操纵子上游存在调节基因lacI，组成性表达阻遏蛋白lacI。lacI为同四聚体，在没有乳糖时会与lacO结合，阻挡RNA聚合酶沿着DNA模板移动，即阻遏转录，转录启动效率极低。2．乳糖操纵子的负控诱导系统在有乳糖存在时，乳糖被微量存在的β-半乳糖苷酶催化水解，同时生成少量副产物别乳糖（半乳糖苷β1→6葡萄糖）。别乳糖作为诱导物与lacI结合使之变构，不再与lacO结合，因而不再阻遏RNA聚合酶移动，乳糖操纵子转录启动效率可以提高1,000倍。3．乳糖操纵子的正控诱导系统CAP是乳糖操纵子的激活蛋白，CAP的激活效应受cAMP浓度的控制。在大肠杆菌细胞内cAMP的浓度与葡萄糖的浓度呈负相关。当葡萄糖缺乏时，cAMP浓度高，cAMP-CAP复合物浓度高，与CAP位点的结合效应强，通过与RNA聚合酶α亚基作用促进其与启动子的结合，可以将转录启动效率提高50倍第三节原核生物的基因表达调控二、转录水平调控（三）色氨酸操纵子1．色氨酸操纵子的结构大肠杆菌色氨酸操纵子编码合成色氨酸的酶类，受操纵基因和衰减子双重负调控。色氨酸操纵子包含五个结构基因，分别为trpE、trpD、trpC、trpB和trpA，编码三种酶，用于合成色氨酸。结构基因上游还有操纵基因trpO、启动子trpP和前导序列trpL。2．色氨酸操纵子的阻遏调控色氨酸操纵子上游存在调节基因trpR，编码同二聚体阻遏蛋白trpR。（1）当培养基色氨酸缺乏时，游离的阻遏蛋白trpR不能与操纵基因trpO结合，RNA聚合酶可以有效地转录结构基因，最终提高色氨酸的合成速度（2）当培养基色氨酸充足时，色氨酸作为阻遏物与阻遏蛋白trpR结合，使之变构成为活性trpR，与操纵基因trpO结合，阻遏RNA聚合酶与启动子trpP结合。已经转录的mRNA也很快降解（其半衰期约3min），最终降低色氨酸的合成速度。3．色氨酸操纵子的衰减调控是通过控制一个前导肽的合成来进行的。（1）当培养基色氨酸缺乏时，色氨酰tRNA供给不足，合成前导肽的核糖体停滞于序列1的色氨酸密码子位点，序列2与序列3形成茎环结构，使序列3不能与序列4形成衰减子结构，下游的结构基因可以被RNA聚合酶有效转录。（2）当培养基色氨酸充足时，色氨酰tRNA供给充足，核糖体迅速翻译序列1合成前导肽，并对序列2形成约束，使序列3不能与序列2形成茎环结构，转而与序列4形成转录终止子结构——衰减子，使下游正在转录结构基因的RNA聚合酶脱落，终止转录。第三节原核生物的基因表达调控三、翻译水平的调控原核生物基因表达在翻译水平上的调控与mRNA稳定性、5‘端SD序列、翻译阻遏、反义RNA、核糖开关及RNA干扰有关。1、mRNA稳定性细菌的增殖周期是20～30min，所以细菌代谢速度很快，需要快速合成或降解mRNA以适应环境变化。原核生物不同mRNA的半衰期不同，多数为2～3min。降解mRNA的酶主要是3'核酸外切酶。如果mRNA的3'端存在茎环结构，可以提高mRNA的稳定性，抵抗3'核酸外切酶的降解。破坏茎环结构将降低mRNA的稳定性。第三节原核生物的基因表达调控三、翻译水平的调控2、SD序列mRNA的翻译效率受控于SD序列。SD序列与核糖体16SrRNA的3′端序列结合，决定翻译的起始。①mRNA的SD序列与共有序列的差异；②mRNA的SD序列与起始密码子的距离。这些都影响翻译。3、翻译阻遏在大肠杆菌RNA噬菌体Qβ中发现这种现象。体外实验证明，纯化的复制酶可以和外壳蛋白的翻译起始区结合，抑制蛋白质的合成。成熟蛋白基因A外壳蛋白基因RNA复制酶基因（+）第三节原核生物的基因表达调控三、翻译水平的调控4、反义RNA反义RNA（asRNA）是一类小分子单链RNA，与细胞内mRNA序列（也包括其他RNA）互补，在原核细胞内广泛存在，染色体、质粒、噬菌体、转座子等都含有反义RNA编码序列。研究表明反义RNA参与基因表达调控，作用机制包括阻遏复制、转录、转录后加工及mRNA的转运和翻译，促进mRNA降解。第三节原核生物的基因表达调控三、翻译水平的调控4、反义RNA作用环节：①在复制环节，反义RNA可以与RNA引物结合，阻遏复制。②在转录环节，反