第七章-原核基因表达调控

第七章原核基因表达调控一、原核基因表达调控总论二、乳糖操纵子与负控诱导系统三、色氨酸操纵子与负控阻遏系统四、其他操纵子五、固氮基因调控六、转录水平上的其他调控方式七、转录后调控概述基因表达调控DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制基因表达——基因转录及翻译的过程。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达RNA对基因表达过程的调节称为基因表达调控（generegulation或genecontrol）。基因表达的方式组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达(adaptiveexpression）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，通常被称为看家基因(housekeepinggene)。组成性基因表达不是一成不变的，其表达强弱也受一定机制调控。指不大受环境变动而变化的一类基因表达。适应性表达指环境变化容易使表达水平变动的一类基因表达。适应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)；随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。基因表达的规律——时间性及空间性时间特异性(temporalspecificity)某些基因的表达严格按特定的时间顺序生，称之为基因表达的时间特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。骨髓卵黄囊脾肝脏骨髓空间特异性(spatialspecificity)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空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。基因表达的一般规律：在需要时表达——开(turnon)，不需要时不表达——关(turnoff)。“关”：基因的表达量特别低生物的基因表达受着严密和精确的调控，基因表达调控是生命本质所在，是生物适应环境生存的必然结果。基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化基因表达调控的环节：基因活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工真核与原核生物转录及翻译调控的总体特征比较一、原核基因表达调控总论(1)转录水平上的调控;(2)转录后水平上的调控;①mRNA加工成熟水平上的调控②翻译水平上的调控原核生物中，营养状况（nutritionalstatus）和环境因素（environmentalfactor）对基因表达起着举足轻重的影响。在转录水平上对基因表达的调控决定于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。1961年，Monod和Jacob提出转录水平上的调控机制：操纵子学说获1965年诺贝尔生理学和医学奖多个结构基因操纵区操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。乙酰基转移酶半乳糖苷透性酶ß-半乳糖苷酶操纵位点乳糖操纵子结构调节基因（1）根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答机制不同，可分为：正转录调控负转录调控1、原核基因调控分类调节基因操纵基因结构基因激活蛋白正转录调控正转录调控：调节蛋白是激活蛋白在没有调节蛋白存在时结构基因是关闭的，加入调节蛋白质后基因转录被开启，称为正转录调控。调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白负转录调控负转录调控：调节蛋白是阻遏蛋白在没有调节蛋白存在时结构基因是表达的，加入调节蛋白质后基因表达被关闭，称为负转录调控。可诱导调节：结构基因在特殊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。例如：大肠杆菌乳糖操纵子（2）根据操纵子对效应物应答机制的不同，分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：p250结构基因的表达还受某些小分子物质（效应物）的调控。调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白诱导物mRNA酶蛋白可诱导调节某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。可阻遏调节：基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。例：色氨酸操纵子调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白辅阻遏物mRNA酶蛋白可阻遏调节调节基因操纵基因结构基因无活性阻遏蛋白（3）在负转录调控系统中，调节基因产物是阻遏蛋白，起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。(4)σ因子参与大肠杆菌基因表达调控存在6种σ因子，其中σ70是调控最基本的生理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。除参与氮代谢的σ54外，其它5种σ因子在结构上具有同源性，所以统称σ70家族。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所有σ因子都含有4个保守区，其中第2个和第4个保守区参与结合启动区DNA，第2个保守区的另一部分还参与双链DNA解开成单链的过程。不同σ因子结合DNA的序列及结合顺序不完全相同。2、原核基因调控的主要特点通过特殊代谢物调节基因的活性主要有可诱导和可阻遏两大类（1）可诱导调节：（2）可阻遏调节：规律：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。而可阻遏基因是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质（如氨基酸、嘌呤和嘧啶等）的基因。3、弱化子对基因活性的影响属于这种调节方式的有大肠杆菌色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子等。起信号作用的是有特殊负载的氨基酰-tRNA的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的一段核苷酸被称为弱化子。有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。4、降解物对基因活性的调节5、细菌的应急反应细菌在紧急状况，如氨基酸全面匮乏时。会产生应急反应，包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp）。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。氨基酸饥饿时，细胞中存在大量不带氨基酸的tRNA，这种空载tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp会关闭许多基因，同时也会打开一些合成氨基酸的基因，以应付紧急状况。ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，不只影响一个或几个操纵子，影响一大批操纵子，是超级调控因子。二、乳糖操纵子(lacoperon)乳糖操纵子的结构酶的诱导——lac体系受调控的证据乳糖操纵子调控模型影响因子Lac操纵子中的其他问题乳糖操纵子模型的建立(JacobandMonod,1961)FrancoisJacobJacqucesMonod（一）乳糖操纵子(lacoperon)的结构与组成调控区阻遏基因启动子控制基因结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透过酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAIZ编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：将乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。（二）酶的诱导-lac体系受调控的证据在不含乳糖及β-半乳糖苷的培养基中，lac+基因型每个大肠杆菌细胞内大约只有1～2个酶分子。如果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，每个细胞中可有超过105个酶分子。实验证据安慰诱导物•乳糖•IPTG(异丙基巯基半乳糖苷)•TMG(巯甲基半乳糖苷)•ONPG(O-硝基半乳糖苷)如果某种物质能够诱导细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物pUC18AprlacZ'oriAp+X-gal重组子（Apr+lacZ-）基因工程的蓝白斑筛选蓝白显色筛选法（三）lac操纵子模型及其影响因子Lac操纵子模型控制区信息区乳糖操纵子模型1、Z、Y、A基因的产物为一条多顺反子mRNAlacZ：编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY：编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁；lacA：编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，进行乳糖代谢。2、P区位于I与O之间，O为阻遏物结合位点启动子RNA聚合酶结合位点调节基因CAP结合位点操纵基因Z基因阻遏蛋白结合位点3.Lac操纵子P、O区的重叠4、CAP的正性调节-35-100CAPcAMPORNA聚合酶结合[无葡萄糖:有葡萄糖:cAMPcAMP(促进转录)(不促进转录)有葡萄糖，cAMP浓度低时AYZOPIRNApolCAPAYZOPICAPRNApol5、协调调节•当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；•如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。•单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；•若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。mRNA低半乳糖时高半乳糖时葡萄糖低cAMP浓度高葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO乳糖操纵子的影响因子1、lac操纵子的本底水平表达乳糖有两个矛盾是操纵元理论所不能解释的：①诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成又需要诱导物诱导。解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？√lac操纵子的本底水平表达②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的预先存在。解释：本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lacmRNA合成。lac操纵子的本底水平表达2、大肠杆菌对乳糖的反应碳源为甘油的培养基乳糖培养基：甘油按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶；培养基：加入乳糖少量乳糖透过酶进入细胞β-半乳糖苷酶异构乳糖诱导物诱导lacmRNA的生物合成大量乳糖进入细胞多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）异构乳糖诱导物的加入和去除对lacmRNA的影响诱导物的加入和去除对半乳糖苷酶的影响乳糖对lac操纵子的影响3、阻遏物lacI基因产物及功能mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol阻遏基因弱启动子控制的组成型合成4、葡萄糖对lac操纵子的影响•代谢物阻遏效应•研究认为葡萄糖的某些降解产物抑制lacmRNA的合成，这种效应称之为代谢物阻遏效应.（四）lac操纵子中的其他问题（一）A基因及其生理功能AYZOPIβ-半乳糖苷酶透过酶乙酰基转移酶乙酰化的半乳糖苷降低对细胞的危害（二）lac基因产物数量上的比较AYZOPI•Z、Y、A三个基因产物的拷贝数比例为1：0.5：0.2•1、LacmRNA可能在翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译。原因：在翻译水平上的调节•2、LacmRNA分子内部，A基因比Z基因更易受内切酶作用发生降解，故Z基因的完整拷贝数要比A基因多。原因：在翻译水平上的调节AYZOPIRNApol降解乳糖操纵子的调控模型乳糖操纵子的组成：大肠杆菌乳糖操纵子含Z、Y、A三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵序列O，一个启动子P和一个调节基因I。阻遏蛋白的负性调节：没有乳糖存在时，I基因编码的阻遏蛋白结合于操纵序列O处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分