6原核生物基因表达的调控.

第六章原核生物的基因表达调控一、基因表达的概念基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。*基因表达(geneexpression)基因表达是受调控的第一节表达调控概述二、基因表达的时间性及空间性（一）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)。（二）空间特异性基因表达伴随空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(spatialspecificity)。三、基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：（一）组成性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性基因表达(constitutivegeneexpression)。（二）诱导和阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导(induction)。如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏(repression)。四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境、维持生长和增殖（二）维持个体发育与分化五、基因表达调控的基本原理（一）基因表达的多级调控基因激活转录起始转录后加工mRNA降解蛋白质降解等蛋白质翻译翻译后加工修饰转录起始（二）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。1.特异DNA序列和调节蛋白质原核生物蛋白质因子——操纵子(operon)机制特异DNA序列编码序列启动序列操纵序列其他调节序列(promoter)(operator)是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。1)启动序列RNA转录起始-35区-10区TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列共有序列(consensussequence)决定启动序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。2操纵序列——阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白3)其他调节序列、调节蛋白例如激活蛋白(activator)可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。真核生物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。2)真核基因的调节蛋白还有蛋白质因子可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的表达，称顺式作用。由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。反式作用因子(trans-actingfactor)这种调节作用称为反式作用。cDNAaDNA反式调节C顺式调节mRNAC蛋白质CBAmRNA蛋白质AA指的是反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。通常是非共价结合，被识别的DNA结合位点通常呈对称、或不完全对称结构。绝大多数调节蛋白质结合DNA前，需通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体(dimer)或多聚体(polymer)。2.DNA-蛋白质蛋白质-蛋白质的相互作用3.RNA聚合酶⑴原核启动序列/真核启动子与RNA聚合酶活性RNA聚合酶与其的亲和力，影响转录。⑵调节蛋白与RNA聚合酶活性一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下表达，然后通过DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性。(三）正调控系统和负调控系统1负调控系统：在没有调节蛋白质存在时基因表达，加入调节蛋白后基因表达活性被关闭。阻遏蛋白：负调控系统中的调节蛋白。2正调控系统：没有调节蛋白质存在时基因关闭，加入这种调节蛋白质后基因活性被开启。诱导蛋白：正调控系统中的调节蛋白。诱导(induction)阻遏(repression)诱导物(inductor)阻遏物(repressor)辅阻遏物(corepressor)使阻遏蛋白具有活性或使活性蛋白失去活性的物质称～。Addsignalmol.Operonoffrepressor辅阻遏物Addsignalmol.OperononInducer诱导物(inducibleoperon)(repressibleoperon)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可阻遏正控制系统负调控正调控LacOAraO诱导失活的阻遏物活化的激活蛋白阻遏物诱导物失活的活性蛋白诱导物阻遏诱导阻遏诱导TrpO阻遏失活的活性蛋白辅-阻遏物活化的激活蛋白辅-阻遏物失活的活性蛋白诱导阻遏诱导阻遏图16-1原核生物结构基因的4种表达调控类型(仿B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997,Fig.12.21)阻遏蛋白◆主要环节在转录◆起始σ因子决定RNA聚合酶识别特异性◆操纵子模型的普遍性◆阻遏蛋白与阻遏机制的普遍性◆操纵子（operon）：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）一个操纵子=编码序列（2-6）+启动序列+操纵序列+(其他调节序列)第二节原核基因调节特点(一)乳糖操纵子的发现：◆酶的诱导葡萄糖充分时：葡萄糖代谢有关的酶基因---表达其他糖代谢有关的酶基因---关闭葡萄糖耗尽时,乳糖存在乳糖代谢有关的酶基因---表达葡萄糖代谢有关的酶基因---关闭一、乳糖操纵子(lactoseoperon)乳糖确实可诱导LacmRNA的合成安慰诱导物（gratuitousinducer）◆结构基因顺序J.Lederberg1948不同Lac-突变型lacZ+Y+A+/lacZ-Y+A+细菌结合转移和转导试验证明三基因紧密连锁Mutationsinprotein-codinggenesequencesmappedgenelocations:◆lacZ(-galactosidase)knock-outmutantsinhibitfunctionoflactosepermease(lacY)andtransacetylase(lacA).◆lacY(lactosepermease)knock-mutantsinhibitfunctionoftransacetylase(lacA),butdonotaffect-galactosidase(lacZ).◆lacA(transacetylase)knock-outmutantsdonotaffect-galactosidase(lacZ)orlactosepermease(lacY).◆Conclusion:3lacoperongenesarelinkedinthefollowingorder:lacZcodes-galactosidaselacYcodeslactosepermeaselacAcodestransacetylaseIPOZYa调控基因控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列cAMP-CAP结合位点操纵序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶(二)乳糖操纵子（lactoseopron）结构RNA聚合酶结合位点（－67~－59）（－7~＋28）Generalorganizationofthelacoperonofwild-typeE.coli.Orderofcontrollingelementsandgenes:lacI:promoter-lacI-terminatoroperon:promoter-operator-lacZ-lacY-lacA-terminator-54—-58-65—-69-47—-8-3—+21AUG：+39—+41-47—-84Promotor:-84---+1Operator:-7---+28两者有7bp重叠，使这段序列可能无法同时结合RNA聚合酶和阻遏蛋白，也可能虽然可以同时结合，但无法形成开放的转录起始复合物（三）Lac阻遏物的作用---负调控mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏基因（三）Lac阻遏物的作用---负调控mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖别乳糖β-半乳糖苷酶诱导模式平衡模型（间接作用）：DNA结合的阻遏蛋白和游离的阻遏蛋白迅速平衡，加入诱导物后，诱导物结合到游离的阻遏蛋白上，打破了平衡，从而导致结合的阻遏蛋白释放解离模型（直接作用）：阻遏蛋白从操纵基因上解离下来的速率非常低（在缺乏诱导物时检测的结果）以至不能和平衡模型相吻合。这就意味着诱导物必须在直接和结合在操纵基因上的阻遏蛋白相互作用。可能通过改变其构象使其离开操纵基因。I基因产物及其功能◆1967年W.Gilbert和B.MillerHilllacI+或lacI-E.coli细胞提取物分别与放射性标记的IPTG混合，发现lacI+E.coli细胞提取物中有某种蛋白质可以与IPTG结合，且每个蛋白分子可以与4个IPTG分子结合，而lacI-E.coli细胞提取物中没有这种蛋白质与IPTG结合，说明与IPTG结合的蛋白是I基因的产物lacI+的离体反应液（35S标记的I基因的产物）与不同的DNA分子相互作用，发现I基因的产物不与失去lac操纵子全部基因的DNA分子结合在有IPTG时不与lac操纵子基因结合不与lacOC突变体的DNA分子结合说明I基因的产物有两个结合位点Lac阻遏物结构特点调控机制（负调控）由基因I编码生成的蛋白质具有四级结构的蛋白质具有4个相同亚基，每个亚基中都有一与诱导剂和O基因结合的位点Lac阻遏物与O基因结合：结构基因关闭Lac阻遏物与诱导剂结合：不与O基因结合，结构基因开放RNA聚合酶结合，转录开始Lac阻遏物说明：◆I+合成特异的阻遏物，无诱导物时可阻止Z基因表达，诱导物可作为阻遏物的拮抗物，使阻遏物失活◆I-产生无活性阻遏物，因而无需诱导物Z基因就可表达◆I+对I-显性操纵基因的结构-7---+28，以+11为对称轴典型特征具有反向重复序列相互作用位点可以缩小在+5----+17操纵子突变（1）Oc操纵基因的组成型突变(顺式显性)顺式显性突变（cis-dominance）：操纵基因只控制临近基因，对其他等位基因无作用，或者显性效应只对处于同一染色体上它所调控的结构基因才起作用的现象。（2）lacIS阻遏蛋白不可诱导性突变，阻遏蛋白失去诱导物结合位点；超阻遏突变体。（3）lacI-阻遏蛋白不能形成寡聚物（4）lacI-d阻遏蛋白不能和DNA结合，且呈负互补(反式显性)等位基因间的互补（interalleliccomplementation）。负的互补（negativecomplementation）：lacI-d的产物和lacI+的产物组成多聚体时，阻遏蛋白无活性。