微生物基因表达的调控

关于微生物基因表达的调控第一页，共六十页，编辑于2023年，星期一概述(Introduction)基因表达(geneexpression)--基因转录及翻译的过程。生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的蛋白质的全过程中心法则(thecentraldogma)：第二页，共六十页，编辑于2023年，星期一基因表达是受调控的

不是所有的基因表达都产生蛋白质，rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。但是基因表达＝转录＋翻译第三页，共六十页，编辑于2023年，星期一

大肠杆菌基因组（约4000个基因)，一般情况下只有5－10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，或者暂时不表达。人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的第四页，共六十页，编辑于2023年，星期一基因表达的时间性及空间性

(temporalandspatialspecificity)时间特异性(temporalspecificity)某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生

Hb(hemoglobin)α珠蛋白基因簇：ζ（胚胎型）、αβ珠蛋白基因簇：ε（胚胎型）、γ（胎儿型）、β、δζ2ε2→α2γ2→α2β2第五页，共六十页，编辑于2023年，星期一空间特异性(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同形异位现象(homeosis):果蝇头部长触角部位长出脚来同形异位盒基因(homeobox):高度保守的一段核苷酸序列（180bp）,控制胚胎发育的基因第六页，共六十页，编辑于2023年，星期一第七页，共六十页，编辑于2023年，星期一基因表达的方式-1组成性基因表达(constitutivegeneexpression)：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。——管家基因与奢侈基因产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因也称为看家基因(house-keepinggene)；管家基因--在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。

奢侈基因（luxurygene）—只在特定的细胞类型中表达的基因第八页，共六十页，编辑于2023年，星期一基因表达的方式-2适应性表达(adaptiveexpression)：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。诱导和阻遏表达诱导（induction）--可诱导基因在特定环境信号刺激下表达增强的过程。DNA损伤→修复酶基因激活乳糖→利用乳糖的三种酶表达阻遏（repression）--可阻遏基因表达产物水平降低的过程色氨酸—色氨酸合成酶系第九页，共六十页，编辑于2023年，星期一基因表达的方式-3协调表达协调表达

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、共同表达，即为协调表达(coordinateexpression)第十页，共六十页，编辑于2023年，星期一基因表达的调控方式:

阻遏负调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达

(相应蛋白质降低)

促进正调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达

(相应蛋白质增加)第十一页，共六十页，编辑于2023年，星期一五、基因表达调控的基本原理基因表达的多级调控转录水平的调控transcriptionallevel:

转录激活、转录起始;转录后水平的调控post-transcriptionallevel：转录后加工、运输、mRNA降解;翻译水平的调控translationlevel：翻译的起始;翻译后水平的调控post-translationlevel

翻译后的加工、转运、多肽链的分解.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第十二页，共六十页，编辑于2023年，星期一第十三页，共六十页，编辑于2023年，星期一原核生物中，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。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，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。

原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是翻译水平。第十四页，共六十页，编辑于2023年，星期一

因为细菌mRNA在形成过程中与核糖体混合在一起，所以，细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联（coupledtranscriptionandtranslation）。真核生物中，转录产物（primarytranscript）只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。第十五页，共六十页，编辑于2023年，星期一

原核生物的共有序列

原核生物的启动序列，在距离转录起始点－10区和－35区往往含有一些重要的保守序列（共有序列）。

－10区：含TATAAT序列，又称Pribnow盒。

－35区：含TTGACA序列。RNA聚合酶结合部位决定转录起始点第十六页，共六十页，编辑于2023年，星期一共有序列(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。第十七页，共六十页，编辑于2023年，星期一——阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，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阻遏蛋白操纵序列

第十八页，共六十页，编辑于2023年，星期一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。启动序列编码序列操纵序列pol激活蛋白激活蛋白(activator)第十九页，共六十页，编辑于2023年，星期一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。启动序列编码序列操纵序列pol激活蛋白第二十页，共六十页，编辑于2023年，星期一操纵子模型的提出

—莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)

获1965年诺贝尔生理学和医学奖第一节转录水平的调控(controloftranscription)第二十一页，共六十页，编辑于2023年，星期一操纵子（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)第二十二页，共六十页，编辑于2023年，星期一DiscoveryofOperon1940年，Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与适应酶（诱导酶）。1947年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化中的意义”。第二十三页，共六十页，编辑于2023年，星期一1951年，Monod与Jacob合作。发现两对基因：Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关；I基因：决定细胞对诱导物的反应。Szilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。

Jacob：结构基因旁有开关基因（即操纵基因），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。第二十四页，共六十页，编辑于2023年，星期一乳糖操纵子的发现：细菌以葡萄糖为能量来源葡萄糖充分时：

与葡萄糖代谢有关的酶基因---表达

与其他糖代谢有关的酶基因---关闭葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）：

与乳糖代谢有关的酶基因

---表达

与葡萄糖代谢有关的酶基因---关闭第二十五页，共六十页，编辑于2023年，星期一IPOZYa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乳糖操纵子（lactoseopron）结构RNA聚合酶结合位点第二十六页，共六十页，编辑于2023年，星期一mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏蛋白的负性调节阻遏基因第二十七页，共六十页，编辑于2023年，星期一mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶第二十八页，共六十页，编辑于2023年，星期一++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP:分解物基因激活物蛋白—可促进乳糖利用，但须与cAMP结合才有活性第二十九页，共六十页，编辑于2023年，星期一

阻遏基因转录翻译阻遏蛋白R，R与操纵基因结合，阻止结合在启动子上的DDRP前移，结构基因不被转录

1）无乳糖也无葡萄糖存在时：OO2）当无乳糖，有葡萄糖时：由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操纵子关闭，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性调节不起作用总结：所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭第三十页，共六十页，编辑于2023年，星期一

由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性调节不起作用，抑制乳糖操纵子的转录，使细菌只能利用葡萄糖。

3）既有乳糖，又有葡萄糖时：O

乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落第三十一页，共六十页，编辑于2023年，星期一

由于不含葡萄糖，细胞内cAMP含量高，cAMP与CAP结合成复合物，与DNA结合，并推动DDRP向前移动，促进转录。4）有乳糖，无葡萄糖时：mRNARNA-polO

乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的DDRP向前移动，结构基因被转录翻译，合成与乳糖代谢有关的酶类从而利用乳糖所以：有乳糖时，只有没有葡萄糖，操纵子才开放有葡萄糖存在，操纵子关闭第三十二页，共六十页，编辑于2023年，星期一IOOρ诱导剂乳糖操纵子的负调控图15-4第三十三页，共六十页，编辑于2023年，星期一

CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用---正调控条件2:低乳糖条件3:低乳糖条件4:高葡萄糖低cAMP高乳糖Lac阻遏蛋白封闭转录时,CAP对该系统不发挥作用条件1:低葡萄糖高cAMP高乳糖Lac阻遏蛋白不封闭转录时,没有CAP存在,也无高效转录活性。Lac阻遏蛋白不封闭转录,CAP+cAMP加强转录。OOOOO图15-5第三十四页，共六十页，编辑于2023年，星期一协调调节(coordinateregulation)负性调节与正性调节协调合作阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性☆葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转录结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖第三十五页，共六十页，编辑于2023年，星期一IPTG(异丙基硫代半乳糖苷)极强的诱导剂第三十六页，共六十页，编辑于2023年，星期一1．RNA编辑（RNAediting）2．mRNA前体的选择性拼接3．反义RNA的调控反义RNA的调控是指真核生物基因组中，某些调节基因转录所产生的RNA可与基因组DNA或RNA序列互补，形成杂交体，阻断或减弱基因转录或翻译的调控机制。这些调节基因所产生的RNA称之为反义RNA。转录后水平的调控第三十七页，共六十页，编辑于2023年，星期一mRNA的加工原核生物的mRNA往往一产生就是成熟的，不需转录后的修饰加工，真核生物基因的初始转录产物则一般缺乏生物活性，必须经过剪接加工后成为有活性的成熟mRNA分子，它们需从细胞核转移到细胞质内，指导蛋白质的合成。真核生物mRNA的加工主要包括在mRNA的5’末端加“帽子”，在3’端加上多聚腺苷酸尾巴以及进行RNA的剪接。

真核生物RNA的剪接有三类：第一类是依靠内含子的特殊结构而能自发地进行剪接；第二类是蛋白质（酶）促剪切；第三类是需要一种细胞核小分子核糖核蛋白参与剪接的方式，真核生物mRNA的剪接就是这种方式。第三十八页，共六十页，编辑于2023年，星期一翻译水平的调控mRNA的稳定性：mRNA的降解速度受细菌的生理状态、环境因素及mRNA结构的影响。翻译产物对翻译的影响小分子RNA的调控作用mRNA干扰性互补RNA（micRNA)或反义RNA(antisenseRNA）调整基因表达产物的类型低水平表达基因的控制第三十九页，共六十页，编辑于2023年，星期一真核生物基因表达的调控DNA水平的调控转录水平的调控转录后水平的调控翻译水平的调控翻译后水平的调控第四十页，共六十页，编辑于2023年，星期一真核基因组结构特点真核基因组结构庞大

3×109bp单顺反子含有大量重复序列

基因不连续性内含子外显子非编码区较多多于编码序列(9:1)第四十一页，共六十页，编辑于2023年，星期一一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大哺乳类动物基因组DNA约3×109

碱基对编码基因约有40000个，占总长的6%rDNA等重复基因约占5%～10%第四十二页，共六十页，编辑于2023年，星期一（二）单顺反子单顺反子(monocistron)

即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。（三）重复序列（正向重复、反向重复）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（106

次）中度重复序列（103~104次）多拷贝序列（四）基因不连续性——断裂基因第四十三页，共六十页，编辑于2023年，星期一基本概念顺式作用元件和反式作用因子基因活性的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）与顺式作用元件（通常在DNA上）相互作用而实现。顺式作用元件（cis-actingelement）

：对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中，如启动子。反式作用因子（trans-actingfactor）

：通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达,如转录因子；其编码基因与其识别或结合靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上第四十四页，共六十页，编辑于2023年，星期一基因表达的调节控制基本上是反式作用因子与顺式作用元件的相互作用。反式作用因子只识别DNA上非常短的一段序列（顺式元件）。Cis-elementTrans-actingfactorRegulatorRNApolymarase第四十五页，共六十页，编辑于2023年，星期一结构基因和调控基因结构基因（structuralgenes）：编码蛋白质或RNA的任何基因。原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。结构基因簇由单一启动子共同调控。调节基因（regulatorgenes）：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控方式（启动或增强基因表达活性）调节靶基因，也能以负调控方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。第四十六页，共六十页，编辑于2023年，星期一启动子和终止子启动子

(promoter,P)：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。终止子（terminator，T）：给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。启动子和终止子属于顺式作用元件，而RNA聚合酶为反式作用因子。第四十七页，共六十页，编辑于2023年，星期一启动子真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。TATA盒GC盒CAAT盒第四十八页，共六十页，编辑于2023年，星期一增强子(enhancer)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DNA序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。①在转录起始点5’或3’侧均能起作用；②相对于启动子的任一指向均能起作用；③发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；④对异源性启动子也能发挥作用；⑤通常具有一些短的重复顺序。

特点第四十九页，共六十页，编辑于2023年，星期一增强子第五十页，共六十页，编辑于2023年，星期一沉默子(silencer)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。第五十一页，共六十页，编辑于2023年，星期一同一DNA序列可被不同蛋白质识别同一蛋白质因子可与多种不同DNA序列发生联系，少数是直接结合，多数是蛋白质-蛋白质相互作用后再影响DNA。蛋白质-蛋白质或DNA-蛋白质的结合，均导致构象上的微细变化，构象变化常是实现调控功能的分子基础。反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大的可变性和可塑性。反式作用因子第五十二页，共六十页，编辑于2023年，星期一操纵基因和阻抑蛋白操纵基因（operatorgene）：能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，当调控蛋白结合在操纵基因序列上，会影响其下游基因转录的强弱。与操纵基因结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白（repressivep