原核的表达调控

1、Chapter 13 Regulation of Gene Expression本章重点与难点本章重点与难点重点：代谢途径的相互关系：了解各代谢途重点：代谢途径的相互关系：了解各代谢途径相互间的关系与联系；了解酶活性的调节径相互间的关系与联系；了解酶活性的调节机理和酶合成的调控机理、明确这两种调节机理和酶合成的调控机理、明确这两种调节在代谢上的重要性；掌握原核生物酶合成的在代谢上的重要性；掌握原核生物酶合成的调节特点调节特点操纵子。操纵子。难点：难点：各代谢途径相互间的联系；酶活性调节的主各代谢途径相互间的联系；酶活性调节的主要方式；原核生物酶合成调节要方式；原核生物酶合成调节乳糖操纵乳糖操纵

2、子的调节方式；真核生物基因表达调节。子的调节方式；真核生物基因表达调节。第一节第一节 基因表达调节的基本基因表达调节的基本概念及原理概念及原理Basic Conceptions and Principle一、基本概念一、基本概念基因（基因（GeneGene）：）：是一段编码蛋白质多肽链和功能是一段编码蛋白质多肽链和功能RNARNA的的DNADNA。基因组基因组(genome)：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。整套基因。基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。白质分子的过程。基因

3、表达是受调控的。基因表达是受调控的。* * 基因表达基因表达(gene expression)二、基因表达的规律二、基因表达的规律1 1、时间特异性时间特异性或发育阶段特异性或发育阶段特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporal specificity)。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶阶段特异性段特异性(stage specificity)。2、空间特异性或组织细胞特异性、空间特异性或组织细胞特异性基因表达伴随

4、时间顺序所表现出的这种分基因表达伴随时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，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所以空间特异性又称细胞或组织特异性细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的称之为基因表达的空间特异性空间特异性(spatial specificity)。三、三、基因表达的方式基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：1

5、.1.组成性表达组成性表达某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，基本不受环境因素的影响，通常被称续表达，基本不受环境因素的影响，通常被称为为管家基因管家基因(housekeeping gene)。无论表达水平高低，管家基因无论表达水平高低，管家基因较少受环境较少受环境因素影响因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数，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别于其他基因，这类基因表达被视为组成性基组成性基因表达因表达(constitutive gene

6、expression)。2 2. .可可诱导和诱导和可可阻遏表达阻遏表达在特定环境信号刺激下，相应的基因被激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，这种基因称为活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导可诱导基因基因。可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为称为诱导诱导(induction)。 如果基因对环境信号应答是被抑制，这种如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是基因是可阻遏基因可阻遏基因。可阻遏基因表达产物水平。可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为降低的过程称为阻遏阻遏(repression)。在一定机制控制下，功能上相关的一组

7、基在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共 同 表 达 ， 即 为共 同 表 达 ， 即 为 协 调 表 达协 调 表 达 ( c o o r d i n a t e e x p re s s i o n ) ， 这 种 调 节 称 为 协 调 调 节这 种 调 节 称 为 协 调 调 节(coordinate regulation)。四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义1 1、适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖2 2、维持个体发育与分化维持个体发育与分化五、基因表达调节的基本原理五

8、、基因表达调节的基本原理1 1、基因表达的多级调控基因表达的多级调控基因激活基因激活转录水平转录水平 转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质降解蛋白质降解蛋白质的投递和运输蛋白质的投递和运输蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰基因表达可在多层次上受到调节2 2、基因转录调节基本要素基因转录调节基本要素基因表达的调节与基因表达的调节与基因基因的结构、性质，生的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外物个体或细胞所处的内、外环境环境，以及细胞内，以及细胞内所存在的转录所存在的转录调节蛋白调节蛋白有关。有关。三个基本要素：1）特异的DNA调节序列2）调节蛋白3）RNA聚合酶第二节第二节

9、 原核生物基因转录调节原核生物基因转录调节Regulation of Prokaryotic Gene Transcription调节的主要环节在调节的主要环节在转录水平转录水平上进行上进行 一一、原核生物基因转录调节的特点原核生物基因转录调节的特点1、因子决定因子决定RNA聚合酶识别特异性聚合酶识别特异性2、主要通过操纵子模式进行调节、主要通过操纵子模式进行调节3、阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普、阻遏蛋白对转录的抑制作用（阻遏机制）是普遍存在的负调控作用遍存在的负调控作用l 存在于原核生物中的一种主要的调控模式是操纵子（operon）调控模式，该模式也见于低等真核生物中。l 所谓操

10、纵子（operon）是指原核生物基因组的一个表达调控序列，长度约1000bp左右，由若干结构基因串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控。 操纵子的结构与功能操纵子的结构与功能 l典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。控制区由各种调控基因所组成，而信息区则由若干结构基因串联在一起构成。 调节基因（调节基因（Regulatory gene）为阻抑蛋白编码基因为阻抑蛋白编码基因 控制区控制区 启动基因（启动基因（Promoter）为为 cAMP受体蛋白（受体蛋白（CRP）和）和 RNA 聚合酶结合区。聚合酶结合区。 操纵基因（操纵基因（0perater）为阻抑蛋白结合位点。为阻抑蛋白结合位点。

11、信息区信息区由一个或数个结构基因串联在一起组成。由一个或数个结构基因串联在一起组成。 编码序列编码序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列调节基因调节基因(promoter)(operator)P位是RNA聚合酶结合并启动转录的模板。O位结合阻遏蛋白或阻遏物。信息区含有遗传信息，可作为转录的模板指导mRNA的合成。在DNA分子中，操纵子前端存在调节基因，能合成阻遏蛋白。阻遏蛋白与操纵基因结合后，可使DNA变构，RNA聚合酶不能沿着DNA滑动，转录停止。诱导物与阻遏蛋白结合后，将阻遏蛋白从DNA上拉下来，DNA模板变构，RNA聚合酶可沿着DNA滑动，转录进行。二、乳糖操纵子调节机制二、乳糖操纵子

12、调节机制1、乳糖操纵子、乳糖操纵子(lac operon)的结构与组成的结构与组成 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： 透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNAl 以原核生物乳糖操纵子(Lac operon)为例，其控制区包括调节基因（阻遏基因），启动基因（其CRP结合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵基因；其信息区由-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串联在一起构成。 控制区控制区信息区信息区乳糖操纵子的结构基因及其表达产物乳糖操纵子的结构基因及其表

13、达产物mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时2 2、阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时3、CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP 当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时 细胞中细胞中 cAMP浓度

14、升高浓度升高 乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合 cAMP与与 CRP结合并使之激合结合并使之激合 促使阻抑蛋白与操纵基因分离促使阻抑蛋白与操纵基因分离 CRP与启动基因结合并促使与启动基因结合并促使 RNA 聚合酶与启动基因结合聚合酶与启动基因结合 基因转录激活基因转录激活 当当培培养养基基中中乳乳糖糖浓浓度度降降低低而而葡葡萄萄糖糖浓浓度度升升高高时时 细细胞胞中中cAMP浓浓度度降降低低 缺缺乏乏乳乳糖糖与与阻阻抑抑蛋蛋白白结结合合 CRP失失活活 阻阻抑抑蛋蛋白白与与操操纵纵基基因因结结合合 CRP及及RNA聚聚合合酶酶不不能能与与 启启动动基基因因结结合合 基基

15、因因转转录录被被阻阻遏遏 4 4、协调调节协调调节当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能对该系统不能发挥作用；发挥作用；如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。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；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若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称操纵子的阻遏作用称分解代分解代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression)。 mRNA低

16、半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOOTrp Trp 高时高时 Trp 低时低时 mRNA OPtrpR调节区调节区 结构基因结构基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 RNA RNA聚合酶聚合酶 三、其他转录调节机制三、其他转录调节机制1 1、色氨酸操纵子（、色氨酸操纵子（转录衰减转录衰减作用）作用）色氨酸操纵子色氨酸操纵子l色氨酸操纵子（色氨酸操纵子（trp operon）属于阻遏型操纵）属于阻遏型操纵子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢子，主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合

17、成。当细胞内缺乏色氨酸时，的酶蛋白的转录合成。当细胞内缺乏色氨酸时，此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多此操纵子开放，而当细胞内合成的色氨酸过多时，此操纵子被关闭。时，此操纵子被关闭。 l色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，色氨酸操纵子的调控机制与乳糖操纵子类似，但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻但通常情况下，操纵子处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。l而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使

18、基因转录关闭纵基因结合而使基因转录关闭。 UUUUUUUU调节区调节区 结构基因结构基因 trpROP前导序列前导序列 衰减子区域衰减子区域 UUUU前导前导mRNA1234衰减子结构衰减子结构 第第1010、1111密码子为密码子为trptrp密码子密码子 终止密码子终止密码子 14aa14aa前导肽编码区前导肽编码区: 包含序列包含序列1 1 形成发夹结构能力强弱：形成发夹结构能力强弱： 序列序列1/21/2序列序列2/32/3序列序列3/4 3/4 trp 密码子密码子 UUUUn色 氨 酸 操 纵 子 的 调 控 还 涉 及 转 录 衰 减(attenuation)机制。即在色氨酸操纵

19、子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域，当细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联的翻译过程，形成一个衰减子结构，使RNA聚合酶从DNA上脱落，导致转录终止。 UUUU34UUUU 334核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA1. 1.当色氨酸浓度高时当色氨酸浓度高时 转录衰减机制转录衰减机制 125 trp 密码子密码子 衰减子结构衰减子结构就是终止子就是终止子可使转录可使转录前导前导DNA UUUU 3 RNA RNA聚合酶聚合酶 终止终止UUUU342423UUUU核糖体核糖体 前导肽前导肽 前导前导mRNA 15 trp 密码子密码子 结构基因结构基因前导前导DNA R

20、NA RNA聚合酶聚合酶 2. 2.当色氨酸浓度低时当色氨酸浓度低时 Trp合成酶系相关合成酶系相关结构基因被转录结构基因被转录 序列序列3 3、4 4不能不能形成衰减子结构形成衰减子结构 2、阿拉伯糖操纵子的正调节作用和负调节作用这是一个利用同一种调节蛋白的不同结构形式活化这是一个利用同一种调节蛋白的不同结构形式活化和抑制操纵子的调控方式。和抑制操纵子的调控方式。AraC蛋白是一个具有两蛋白是一个具有两种不同功能构象的蛋白质。种不同功能构象的蛋白质。P1型为阻遏子，型为阻遏子，P2型为型为激活子。激活子。调节作用分三种情况：调节作用分三种情况：1）葡萄糖很丰富且没有阿拉伯糖情况下，）葡萄糖很

21、丰富且没有阿拉伯糖情况下，AraC与与操纵基因操纵基因araO2和和AraC的一个结合位点的一个结合位点araI结合，结结合，结合于合于araO2和和araI的两个的两个AraC蛋白之间互相结合，形蛋白之间互相结合，形成一个约成一个约210碱基对的一个环，从而使碱基对的一个环，从而使araBAD启动启动子的转录被抑制，基因子的转录被抑制，基因araB、A、D不被转录，阻止不被转录，阻止操纵子的转录（阴性调控或负调节作用）操纵子的转录（阴性调控或负调节作用）2）当葡萄糖不存在（或低水平）而阿拉伯糖）当葡萄糖不存在（或低水平）而阿拉伯糖存在时，存在时，CAP-cAMP很丰富，与很丰富，与araI附

22、近的附近的CRP结合位点结合，阿拉伯糖与结合位点结合，阿拉伯糖与AraC蛋白结合蛋白结合改变了构象，成为激活子，改变了构象，成为激活子，DNA环被打开，能环被打开，能与与CAP-cAMP协同诱导协同诱导araBAD基因的转录基因的转录（阳性调控或正调节）（阳性调控或正调节）3）阿拉伯糖和葡萄糖均不存在或阿拉伯糖和）阿拉伯糖和葡萄糖均不存在或阿拉伯糖和葡萄糖均丰富时，操纵子均处于阻遏状态。葡萄糖均丰富时，操纵子均处于阻遏状态。l由由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为调节子。通过组成调节子调控网络，对若为调节子。通过组成调节子调控网络，对若干操纵子及若干蛋白

23、质的合成进行协同调控，干操纵子及若干蛋白质的合成进行协同调控，从而达到整体调控的目的。从而达到整体调控的目的。l典型的整体调控模式是典型的整体调控模式是SOS反应，这是由一反应，这是由一组与组与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因组损伤修复有关的酶和蛋白质基因组成。在正常情况下，这些基因均被成。在正常情况下，这些基因均被LexA阻遏阻遏蛋白封闭。当有紫外线照射时，细菌体内的蛋白封闭。当有紫外线照射时，细菌体内的RecA蛋白水解酶被激活，催化蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白阻遏蛋白裂解失活，从而导致与裂解失活，从而导致与DNA损伤修复有关的损伤修复有关的基因表达。基因表达。 SOS反应反应

24、SOS基因基因紫外线紫外线激活激活Rec ALex A阻遏蛋白阻遏蛋白 与与DNA 损伤修复有损伤修复有关的酶和蛋白质关的酶和蛋白质基因基因表达表达Lex A阻遏蛋白阻遏蛋白操纵序列操纵序列DNA第三节第三节 真核生物基因转录调节真核生物基因转录调节Regulation of Eukaryotic Gene Transcription一、真核生物基因组结构特点一、真核生物基因组结构特点1、真核基因组结构庞大、真核基因组结构庞大哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组DNA 约约 3 10 9 碱基对碱基对编码基因编码基因约约 有有 30000 个个，占总长的占总长的6 %2、单顺反子、单顺反子单顺反子

25、单顺反子(monocistron) 即一个编码基因转录生成一个即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，分子，经翻译生成一条多肽链。经翻译生成一条多肽链。3、重复序列、重复序列单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（106 次）次）中度重复序列（中度重复序列（103 104次）次）多拷贝序列多拷贝序列4、基因不连续性、基因不连续性 ：断裂基因：断裂基因l真核生物中的基因具有不连续性，即一个基因的编码序列往往被一些真核生物中的基因具有不连续性，即一个基因的编码序列往往被一些非编码序列分隔开。基因中能够转录并进一步编码多肽链合成的部分称非编码序列分隔开。基因中能够

26、转录并进一步编码多肽链合成的部分称为外显子（为外显子（exon），而在转录后会被剪除的部分则称为内含子），而在转录后会被剪除的部分则称为内含子（intron）。）。 二、真核基因表达调节的特点二、真核基因表达调节的特点1、 RNA聚合酶活性受转录因子调控：聚合酶活性受转录因子调控：RNA聚合酶有三种聚合酶有三种，分别转录不同的，分别转录不同的RNA。2、染色质结构改变参与基因表达的调控：染色质结构改变参与基因表达的调控：1）对核酸酶敏感）对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点，位于调节蛋活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。白结合位点附近。2）DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链

27、DNA均以负性超螺旋构象存在；均以负性超螺旋构象存在；基因活化后基因活化后RNA-pol正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋转录方向转录方向3）DNA碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。4）组蛋白变化）组蛋白变化 富含富含Lys组蛋白水平降低组蛋白水平降低 H2A, H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露3、正性调节占主导正性调节占主导：真核基因一般都处于阻遏状真核基因一般都处于阻遏状态，态，RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。

28、通过利用各种聚合酶对启动子的亲和力很低。通过利用各种转录因子正性激活转录因子正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机聚合酶是真核基因调控的主要机制。制。 4、转录与翻译分隔进行转录与翻译分隔进行5、转录后加工修饰过程复杂转录后加工修饰过程复杂三、真核基因转录调控元件及调控机制三、真核基因转录调控元件及调控机制1、顺式作用元件：、顺式作用元件：是真核生物是真核生物DNA调控元调控元件，包括启动子、增强子和沉默子。件，包括启动子、增强子和沉默子。1） 启动子启动子真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个合位点周围的一组转录控制组件，至少包括

29、一个转转录起始点录起始点以及一个以上的以及一个以上的功能组件功能组件。TATA盒盒GC盒盒CAAT盒盒需要DNA调节序列、调节蛋白和RNA聚合酶三大要素2）增强子）增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序序列。列。3）沉默子）沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特异某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。2、反式作用因子（分子间作用因子）、反式作用因子（分子间作用因子）是影响基因转录的

30、调节蛋白是影响基因转录的调节蛋白 ，属于转录调节因子属于转录调节因子1）转录调节因子分类（按功能特性）转录调节因子分类（按功能特性）* 基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。* 特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)为个别基因转录所必需，决定该基因的为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。时间、空间特异性表达。转录激活因子转录激活因子转录抑制因子转录抑制因子2）转录调节因子结构）转录调节因子结构DNA结合域结合域转录激活域转录激活域TF蛋白质蛋白质-蛋白质结合域蛋白质结合域（二聚化结构域）（二聚化结构域） 谷氨酰胺富含域谷氨酰胺富含域酸性激