第七章 原核生物基因的表达调控

第七章原核生物基因的表达调控主讲：陈兆贵生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞内的DNA(或RNA)分子中的。随着个体的发育，DNA有序地将遗传信息，通过转录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。从DNA到蛋白质的过程，叫做基因表达(geneexpression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(generegulation或genecontrol)。基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念基因表达调控在两个水平上体现(1)转录水平上的调控(transcriptionalregulation);(2)转录后水平上的调控(post-transcriptionalregulation)，包括①mRNA加工成熟水平上的调控(differentialprocessingofRNAtranscript);②翻译水平上的调控(differentialtranslationofmRNA)。对于原核生物，以营养状况(nutritionalstatus)和环境因素(environmentalfactor)为主要的基因表达影响因素。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormonelevel)和发育阶段(developmentalstage)是基因表达调控的最主要手段，而营养和环境因素的影响力大为下降。在转录水平上对基因表达调控取决于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。第一节大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控一、操纵子与操纵子模型原核生物基因表达调控主要发生在转录水平，转录调控的基本单元是操纵子。1、操纵子的概念：根据操纵子学说，很多功能上相关的结构基因在染色体上串连排列，由一个共同的控制区来操纵这些基因的转录。包含这些结构基因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子（operon）。2、操纵子结构由启动子（P）、操纵基因（O）、调节基因、结构基因所组成。1、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)，激活蛋白结合与DNA的启动子及RNA聚合酶后，转录才会进行。（1）在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行。（2）在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。二、正调控与负调控2、在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋白(repressor)－－阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。（1）负控诱导系统－－阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏蛋白结合上诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。（2）负控阻遏系统－－阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。调控模式1、可诱导负调控2、可诱导正调控3、可阻遏负调控4、可阻遏正调控三、大肠杆菌乳糖操纵子的负调控（一）大肠杆菌的乳糖利用系统大肠杆菌的乳糖代谢需要有β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）的催化。这种酶能把乳糖水解为半乳糖和葡萄糖.另外有半乳糖苷透性酶和巯基半乳糖苷转乙酰酶。三种酶协同作用，使得乳糖得以分解和利用。项目功能结构基因操纵基因启动子调节基因项目功能结构基因3个不同结构基因能够产生3种不同的酶.操纵基因是结构基因的开关.通过对RNA聚合酶阻抑与否来控制结构基因的转录或停止.启动子是RNA聚合酶与DNA结合的部位,可识别转录起始点.调节基因能产生阻抑物.通过阻抑物与操纵基因的结合与否来控制操纵基因的关闭和开启乳糖操纵子的结构和功能（二）乳糖操纵子的调控机制1、没有乳糖时，具有活性的阻遏物和操纵基因结合，转录不能进行。2、有乳糖时，乳糖与阻遏物结合，使阻遏物发生构象变化而失活，不能与操纵子结合，结构基因正常转录，进而再翻译出蛋白质。原核生物基因表达的调控乳糖代谢基因表达调控图解：(没有乳糖时)ＲＰＯlacZlacYlacA调节基因启动子操纵基因结构基因RNA聚合酶信使RNA转录翻译阻抑物与操纵基因结合，结构基因转录受阻．阻抑物原核生物基因表达的调控乳糖代谢基因表达调控图解：(有乳糖时)ＲＰＯlacZlacYlacA调节基因启动子操纵基因结构基因RNA聚合酶信使RNA转录翻译阻抑物与乳糖结合后构象发生了改变，因而不能与操纵基因结合，使得结构基因进行转录。阻抑物乳糖转录半乳糖苷酶酶酶乳糖分解代谢调控过程是一个自我调控过程四、大肠杆菌乳糖操纵子的正调控1、葡萄糖敏感操纵子有一些控制某一种糖如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖和麦芽糖等分解代谢的操纵子，当培养基含有葡萄糖时，会阻止这些操纵子的功能，称为葡萄糖敏感操纵子。例如：当大肠杆菌生长的培养基中既有葡萄糖又有乳糖的条件，只利用葡萄糖，而不利用乳糖。换句话说，只要在培养基中有葡萄糖存在，便可抑制了利用其他各种酶的产生，称为分解物阻遏。2、CAP-cAMP调控另外一种起调节作用的诱导物为cAMP（环化腺苷酸）分析一组实验几种情况：（1）当培养基中含用大量葡萄糖时，cAMP水平明显下降。（2）当以乳糖为唯一碳源时，β-半乳糖苷酶的合成增加。（3）当有乳糖和葡萄糖为碳源时，如果加入cAMP，β-半乳糖苷酶的合成速率大大提高。结论：？cAMP浓度能影响到β-半乳糖苷酶的合成速率。主要是cAMP能激活CAP（分解物基因激活蛋白），起转录因子的作用。3、lac操纵子的正调控机制（1）cAMP-CAP复合物与DNA结合，改变DNA结构，促进了RNA聚合酶结合区的解链，从而促进RNA聚合酶和启动子结合，使转录能力增强。（2）cAMP-CAP复合物的形成取决于AMP的浓度，当以葡萄糖为能源时，由于其抑制腺苷酸环化酶的活性，ATP不能转化为cAMP，cAMP浓度下降，不能形成cAMP-CAP复合物，乳糖结构基因不能被转录。因为细胞中有葡萄糖作为能源，就没有必要需要对乳糖利用的几种酶了。