基因的表达与调控(上)

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第七章基因的表达与调控(上)

——原核基因表达调控模式

主要内容

1.原核基因表达调控总论2.乳糖操纵子与负控诱导系统3.色氨酸操纵子与负控阻遏系统4.转录水平的其他调控方式5.转录后调控

7.1原核基因表达调控总论□基因表达(geneexpression):从DNA到蛋白质或功能RNA的过程□基因表达调控(generegulation或genecontrol)对基因表达过程的调理

□基因表达调控主要表现在两个方面：1.转录水平的调控(transcriptionalregulation)2.转录后水平的调控(past-transcriptionalregulation)1)mRNA加工成熟水平上的调控(differentialprocessingofRNAtrscript)2)翻译水平上的调控□原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)和环境因素(enviromentalfactor)对基因表达起着举足轻重的影响；在真核生物中特别是高等真核生物激素水平(hormonelevel)和发育阶段(developmentalstage)是基因表达调控的最主要的手段。

7.1.1原核基因调控分类□负转录调控(negativetranscriptionregulation)调解基因的产物是阻遏蛋白(repressor),起着阻止结构基因转录的作

用根据其特征又分为：1)负控诱导：阻遏蛋白(活性)不与效应物(诱导物)结合时，

结构基因不转录。2)负控阻遏：阻遏蛋白(非活性)与效应物结合时(阻遏蛋白转变为活性状态)结构基因不转录。□正转录调控(positivetranscriptionregulation)调解基因的产物是激活蛋白(activator)1)正控诱导系统：诱导物的存在使激活蛋白处于活化状态2)正控阻遏系统：效应物的存在使激活蛋白处于非活化状态

负控诱导系统

正控诱导系统

负控阻遏系统

正控阻遏系统

7.1.2原核基因调控的主要特点1.可诱导调理指一些基因在特别的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，即在某些物质的诱导下使基因活化。例子：大肠杆菌的lac操纵子可诱导基因；可诱导酶；酶的诱导合成2.可阻遏调理这类基因平日都是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特别代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。例子：大肠杆菌的Trp操纵子

可阻遏基因；可阻遏酶；可阻遏现象；阻遏物□一般规律：可诱导的操纵子总是一些编码糖和AA分解代谢蛋白的基因，这些操纵子往往是关闭的；可阻遏基因正好相反，他们是一些合成各种细胞代谢过程中所必需的小分子物质的基因，这些基因往往是开启的。

7.1.3弱化子对基因活性的影响在这种调理方式中，起信号作用的是有特别负载的AA-tRNA的浓度，

是转录调理中的微调整。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时

,起终止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。例子：Trp操纵子的弱化作用7.1.4降解物对基因活性的调理在葡萄糖存在的状况下，即使在细菌培养基中参与乳糖、半乳糖等诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶，这种现象称为葡萄糖效应或降解物抑制效应。降解物抑制作用是通过提高转录强度来调理基因表达的。7.1.5细菌的应急反应

应急反应的信号：ppGpp和pppGpp。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。

7.2乳糖操纵子与负控诱导系统□操纵子模型操纵子：基因表达的协同单位。指原核生物中由一个或多个相关基因以及转录翻译调控元件组成的基因表达单元。操纵子学说：关于原核基因结构及其表达调控的学说□法国巴斯德研究所Jacob和Monod在1961年提出□操纵子的组成

1)结构基因2)调理基因(I)3)控制部位：可接受调理基因产物的调理。包括启动子(P区)和操纵基因(O区)。

调理基因

控制部位

结构基因

7.2.1乳糖操纵子模型1)Z、Y、A基因的产物由同一条多顺贩子的mRNA分子所编码

Z基因：编码β-半乳糖苷酶Y基因：编码β-半乳糖苷透过酶A基因：编码β-半乳糖乙酰基转移酶2)该mRNA分子的启动区(P)位于阻遏基因(I)与操纵区(O)之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶的高效表达3)操纵区(O)是DNA上的一小段序列(仅为26bp),是阻遏物的结合位点。4)当阻遏物与操纵区结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。5)诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区结合，从而激发lacmRNA的合成

□这一模型仅解释了lac体系的负控系统，在lac操纵子同样存在正调控！

β-半乳糖苷酶

透过酶

乙酰基转移酶

7.2.2lac操纵子的影响因子1.lac操纵子的本底水平表达□问题：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，透过酶的合成又需要诱导。第一个诱导物是如何到达细胞的？2)乳糖(G-1,4-gal)并不与阻遏物结合，真正的诱导物是异乳糖(G-1,6-gal)而异乳糖是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。乳糖诱导β-半乳糖苷酶的合成需要β-半乳糖苷酶的预先存在！□对这一现象的解释：

在非诱导状态下有少量的lacmRNA合成(大约每个世代中有1-5个mRNA分子)这种合成被称为本底水平的永久型合成

□研究诱导作用时很少适用乳糖，而用乳糖类似物1)异丙基巯基半乳糖苷(IPTG)

2)巯甲基半乳糖苷(TMG)3)在酶活性分析中，常用显色底物O-硝基半乳糖苷(ONPG)□他们都是高效诱导物，但不是半乳糖苷酶的底物，因此称为安慰性

诱导物

2.大肠杆菌对乳糖的反应本底水平表达(几个分子的β-半乳糖苷酶和透过酶)

↓乳糖在透过酶作用下，lac进入细胞，又在β半乳糖苷酶作用下乳糖转变为

异乳糖↓异乳糖与结合在操纵区上的阻遏物结合导致

阻遏物失活↓lacmRNA开始合成

3.阻遏物lacI基因产物及功能□lacI基因产物为阻遏蛋白，由4个一致亚基，每个亚基均含有347AA,并能与1分子IPTG结合。□lac阻遏物mRNA是在弱启动子控制下永久合成的。□当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内不能产生足够的诱导物来战胜阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中不可诱导。

4.葡萄糖对lac操纵子的影响β-半乳糖苷酶

lac——————→G+gal

gal操纵子

G

G耗尽

□将G和lac同时参与培养基，大肠杆菌在耗尽外源G之前不会诱发lac操纵子

□G对lac操纵子表达的抑制是间接的证据：一个大肠杆菌突变株，他在EMP途径中不能将G-6-P转化为下一步代谢中间物，这些细菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导

合成。□代谢物阻遏效应(葡萄糖效应)葡萄糖的某些降解产物(不是葡萄糖)抑制lacmRNA合成的现象(或：有葡萄糖存在时，不管诱导物存在与否，操纵子都没有转录活性，结构基因都不表达)

5.cAMP与代谢物激活蛋白(lac操纵子的正调理)□在大肠杆菌中，cAMP的浓度受G代谢的调理1)将细菌放在缺乏碳源的培养基中，细胞内cAMP浓度就高；2)假使在含G培养基中，细胞内cAMP浓度就低；3)假使培养基中只有甘油或乳糖等不进行EMP途径(甘油其实可进入EMP途径)

的碳源，细胞内cAMP浓度也会很高。

说明：在EMP途径中位于G-6-P与甘油之间的某些代谢产物是cAMP酶的抑制剂□大肠杆菌中的代谢物激活蛋白(CAP),或称为cAMP-受体蛋白(CRP),由Crp基因编码，能与cAMP形成复合物cAMP-CRP。□Crp和cAMP酶基因突变的细菌都不能合成lacmRNACRP和cAMP(两者单独不起作用)都是合成lacmRNA所必需的！

□G会降低细胞内cAMP的水平。当G缺乏时，大肠杆菌细胞内cAMP上升，CRP结合到cAMP上。CRP-cAMP结合到紧邻RNAPol结合位点上游的

lac操纵子Plac上。CRP的结合引起DNA链发生90度弯曲，这加强RNAPol与启动子的结合，使转录效率提高50倍。□细菌对