第五章基因的表达调控

第五章基因表达的调控基因表达调控可在几个不同水平上进行。在高度复杂的生物、细胞及其代谢过程中，基因表达是高度有序的。如在高等生物中，特定的细胞已分化成高度特化的细胞，人类眼睛的细胞只能合成眼色特有的蛋白，其决不可能合成肝细胞中特有的解毒酶，各种特定细胞能阻遏不同类别基因的表达。基因表达的调控对生物是极端重要的。1．真核生物：各种不同类型的细胞能阻遏不同类型基因的表达。2．细菌具有阻遏基因表达的能力。在进化中，细胞具备了一套机制，它能抑制那些并非必须的酶的基因和激活那些在某一时间内明显必须的酶的基因。达到这一目的的二个条件：（1）必须具备关闭或打开每种特定基因的方法；（2）对应该激活一种特定基因或一组基因的特定环境具备正确识别的能力。第一节基本的调控路线乳糖操纵子的调控一、原核生物的操纵子学说——乳糖操纵子□乳糖代谢中的酶和基因（1）透性酶permease：能使乳糖进入细胞（Y）（2）β半乳糖苷酶β－galactosidase：水解乳糖为葡萄糖和半乳糖（Z）（3）转乙酰基酶transacetylase（A）三种酶的基因转录成一条mRNA，称多顺反子的mRNA（polycistronic）。RepressorgenePromoterOperatorΒ-galactosidasegenePermeasegeneTransacetylasegeneRegulatoryregionStructuregeneIPOlacZlacYlacALacoperon1961年法国科学家Jacob和Monod发现大肠杆菌在含有乳糖的培养基中会合成大量的β-半乳糖苷酶，使乳糖水解，在没有乳糖的环境中不产生β-半乳糖苷酶。从而提出了乳糖操纵子学说来解释β-半乳糖苷酶基因表达调控的问题ThestructuralgenesofthelocoperonaretranscribedintoasinglepolycistronicmRNA,whichistraslatedsimulatedsimultaneouslybyseveralribosmesintothethreeenzmesencodedbytheoperon.□乳糖操纵子Thecomponentsofthewild-typelacoperonandtheresponseintheabsenceandthepresenceoflactose,1．操纵基因（Operator，简称O），起到基因开关的作用。2．启动基因（Promoter，简称P），是RNA聚合酶结合的部位，能起动ZYA基因的表达，POZYA在DNA上几个相邻接的基因共同组成一个功能单位称操纵子(operon)。3．调节基因（I基因），能编码产生一种阻遏蛋白，该蛋白能识别和结合到操纵基因上，并能阻止RNA聚合酶启动的转录，使乳糖操纵子处于关闭状态，一般情况下，阻遏蛋白总是结合在操纵基因O区。使操纵子关闭。如何开启操纵子表达？当环境中存在乳糖及其类似物时（称为诱导物），它们能与阻遏物分子结合，改变阻遏蛋白的构型，使其不能再与操纵基因O区结合。这时，操纵基因便开启，结合到启动子上的RNA聚合酶能顺利启动ZYA基因的表达，合成相应的三种酶。二、其它基因I基因：编码阻遏蛋白，能阻断ZYA基因的表达。O操纵基因operator：是DNA上与阻遏物结合的特异性位置。阻遏物一旦结合到O基因上，就能阻制由RNA聚合酶催化的转录起动。启动基因promoter*操纵子operon：是几个基因协同表达的遗传功能单位。由启动基因，操纵基因和转录成一条mRNA分子的几个相邻接的基因组成的功能单位。POZYA。三、乳糖操纵子阻遏物具有两种识别功能1．能识别操纵子上特定的操纵基因的序列；2．能识别乳糖或乳糖类似物，当阻遏物与乳糖或类似物结合时，阻遏物分子的构型将发生变化，从而使阻遏物失去了对操纵基因的亲和作用。阻遏物将从DNA上脱落下来。对Lac系统的阻遏作用的解除称为诱导，能使阻遏物失活并导致Lac基因表达的乳糖类似物称为诱导物。β半乳糖苷酶(β－galactosidase)水解乳糖为葡萄糖和半乳糖Thecatabolicconversionofthedisaccharidelactoseintoitsmonosaccharideunits,galactoseandglucose导致Lac基因表达的乳糖类似物诱导物异丙基硫代半乳糖苷（IPTG)Thegratuitousinducerisopropylthiogalactoside第二节乳糖系统的发现——负调控50年代Jacob和Monod对E.coli乳糖代谢中的酶进行详细的遗传分析，这是基因表达调控研究的第一个重大突破。一、共同调控的基因在染色上Z、Y、A三个基因是紧密连接的。这一组连续的基因产生的mRNA是一个多顺反子mRNA分子。多顺反子的mRNA的转录和它的转译是以同一方向进行的。极性突变（polarmutation）：不但能影响突变位点上的那个基因，而且会降底或消除下游更远一些基因的表达。如Lac多顺反子中Z基因的无义突变会降底Y、A基因的表达。二、I基因控制Lac酶的可诱导性的区域。I+的细胞只能在有一种诱导物存在时才能正常合成Lac酶；I－的细胞不管诱导物存在与否都能合成Lac酶，这种突变体称为组成型突变体（constitutivemutant）。I－的细胞不管诱导物存在与否都能合成Lac酶，这种突变体称为组成型突变体（constitutivemutant）三、阻遏物1．E.coli的F’因子带有Lac区。可以作互补试验：反式时，I+对I—为显性。试验结果：单倍体和杂合性二倍体中β半乳糖苷酶和透性酶的合成菌株基因型β半乳糖苷酶透性酶非诱导诱导非诱导诱导123456I+Z+Y+I—Z+Y+I+Z—Y+/FI—Z+Y+I—Z—Y+/FI+Z+Y—I—Z—Y+/FI—Z+Y+△（IZY）/FI—Z+Y+–+–+++++–+–+–+–+++++++++2．Iocob发现另一种突变体IS能抑制乳糖或其类似物对Lac酶的诱导作用。这是因为IS突变改变了阻遏物上特异性结合位点，从而破坏了与诱导物的结合，即使有IPTG诱导物存在。IS产生的阻遏物分子仍能抑制Lac酶的合成。IS反式时对I+和I—都为显性。IS突变改变了阻遏物上特异性结合位点，破坏了与诱导物的结合，即使有IPTG诱导物存在。IS产生的阻遏物分子仍能抑制Lac酶的合成。TheresponseofthelacoperoninthepresenceoflactoseinacellbearingtheIsmutation.15-7基因型诱导β－半透性酶None－－I+Z+Y+IPTG++None－－ISZ+Y+IPTG－－None－－ISZ+Y+/FI+IPTG－－None－－ISZ+Y+/FI—IPTG－－野生型和I的不同等位基因的菌株中Lac酶的合成四、操纵基因和操纵子1．阻遏物怎样阻断Lac酶的合成？Jacob推测有一操纵基因，靠近它所调控的一串基因。*在操纵基因中发生突变时，即使有活性阻遏物存在，Lac酶照常合成，这种突变称为操纵基因组成型突变OC(constitutive）。2．Lac操纵子的表达是在Lac阻遏物的负调控下进行的。在没有诱导物时，Lac阻遏物通常抑制Lac酶的产生。*在操纵基因中发生突变时，即使有活性阻遏物存在，Lac酶照常合成。这种突变称为操纵基因组成型突变OC（constitutive）。15-6bβ－半透性酶基因型NoneIPTGNoneIPTGO+Z+Y+－+－+O+Z+Y+/FO+Z—Y+－+―+OCZ+Y+++++O+Z+Y—/FOCZ+Y+++++O+Z+Y+/FOCZ—Y+－+++O+Z—Y+/FOCZ+Y—++―+ISO+Z+Y+/FI+OCZ+Y+++++单倍体和杂合二倍体操纵基因突变体Lac酶的合成情况五、阻遏物和操纵基因的鉴定1．Lac阻遏物是具有两种识别位点的蛋白，一个位点识别诱导物分子，另一位点识别Lac操纵基因的DNA序列。阻遏物与诱导物结合，改变了阻遏蛋白的构型，从而改变了对操纵基因的亲合力。2.Gilbert用DNA酶处理已结合有阻遏物的DNA分子，结果得到了没有被DNase降解的DNA短片段——操纵基因区。操纵基因发生单个碱基的变化就会使阻遏物无法识别。5,TGGAATTGTGAGCGGATAACAATT3,3,ACCTTAACACTCGCCTATTGTTAA5,*ATGTTACTTACAATGALac操纵基因的序列和8个OC突变体Ocmutations六、Lac系统中各种突变的综合分析1．Z、Y基因的突变为Lac—表型，在二倍体试验中Z—、Y—为隐性，只要有一个Z+和Y+就能满足Lac+表型要求。2．使阻遏物失去功能的I基因突变为I—，不论是否有诱导物，I—菌株都能正常合成Lac酶，所以称为组成型突变。在二倍体试验中，I—为隐性，因为只需要有一个I+基因就能满足二个操纵基因结合阻遏物的要求，如无诱导物，lac表达受阻。问：如果有诱导物，结果怎样？无活性阻遏物I+P+O+Z+Y+P+O+Z+Y+I_R在二倍体试验中，I—为隐性，因为只需要有一个I+基因就能满足二个操纵基因结合阻遏物的要求，如无诱导物，lac表达受阻。活性阻遏物3．另一种不同的I基因突变型是一种诱导无效的突变型，称超阻遏突变型IS。IS产生的阻遏物上与诱导物结合的位点发生了变化，使诱导物不能与阻遏物相结合。IS的细胞表型为Lac–，因为IS产生的阻遏物总是结合到操纵基因上，即使有诱导物存在也无法结合到这种阻遏物上。IS对I+，I—都为显性。RSP+O+Z+Y+ISI+P+O+Z+Y+I诱导物不能与阻遏物相结合RI在一个二倍细胞中，RS阻遏物能结合到两者的操纵基因上，即使有诱导物，IS/I+二倍体也为Lac—。4．操纵基因突变使阻遏物无法识别，为顺式显性：对同一染色体上直接与其相邻接的那些基因呈显性。如一个Oc和O+位于同一细胞中，那么阻遏物只能识别O+，并抑制与O+相邻接的ZY基因表达，但阻遏物不会识别Oc，即使无诱导物，与Oc相邻接的Z、Y基因也能表达。Oc的含义说明其总是激活状态，总是Lac+表型，为组成型表达。I+P+O+Z+Y+I+P+OCZ+Y+R阻遏物不能识别Oc表达受阻即使无诱导物也能表达操纵基因突变使阻遏物无法识别，为顺式显性，Oc和的含义说明其总是激活状态，总是Lac＋表型，为组成型表达。5．启动基因突变(P—)使RNA聚合酶无法识别，从而阻断转录起动，P—为顺式显性(Cis－dominant)。6．负调控：凡是某一细胞成分的存在使某种细胞功能不能实现，而这一成分的消失或失活使这一功能得以实现。正调控：凡是某一细胞成分的存在使某种细胞功能能够实现，而这一成分的消失或失活使这一功能不能实现。第三节Lac操纵子的分解物阻遏_______正调控1．细胞具有优先吸收和利用葡萄糖的特异性酶，如果同时存在乳糖和葡萄糖，只有葡萄糖利用完后才会有β－半乳糖苷酶的诱导合成。2．葡萄糖的某些分解物能抑制Lac操纵子的激活，称为分解物阻遏作用（cataboliterepression）。当葡萄糖浓度很高时，细胞内环AMP的浓度较低；随葡萄糖消耗，环AMP浓度增加；Lac操纵子的激活需要高浓度的cAMP。3．不能将AMP转化为环AMP的突变体不能被乳糖诱导产生β－半乳糖苷酶。另一种突变体虽然能产生cAMP，但不能激活Lac酶，因为它还缺少由crp基因产生的CAP蛋白（Catabolicactivatorprotein）。Lac操纵子的激活需要CAP和cAMP形成的复合体：葡萄糖ATPcAMPCAP－cAMPcrp基因CAP复合体突变对Lac操纵子激活是必需的Lac操纵子的分解物阻遏调控当CAP－cAMP形成复合体时，Lac操纵子可由乳糖诱导表达，假如葡萄糖存在抑制cAMP,Lac操纵子就不能正常表达。当CAP－cAMP形成复合体时，Lac操纵子可由乳糖诱导表达，假如葡萄糖存在抑制了cAMP或由于crp基因突变阻断了CAP的形成