第七章原核基因表达调控

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7.1原核基因的表达与调控总论

7.2乳糖操纵子与负控诱导系统当前第1页\共有74页\编于星期三\8点2一、原核生物基因表达调控总论原核生物基因调控一般执行如下规律一个体系需要时被打开，不需要时被关闭。基因的开与关是相对的。开-关的活性可以通过转录水平上进行调节。当前第2页\共有74页\编于星期三\8点3当前第3页\共有74页\编于星期三\8点4转录水平上的调控转录后水平上的调控基因表达调控当前第4页\共有74页\编于星期三\8点5基因表达的概念*基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。——它也是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。当前第5页\共有74页\编于星期三\8点6是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。基因表达(geneexpression)当前第6页\共有74页\编于星期三\8点7基因表达调控主要表现在以下两个方面：转录水平上的调控转录后水平上的调控当前第7页\共有74页\编于星期三\8点8转录水平调控转录水平调控是真核基因表达调控的重要环节。根据真核基因表达是否受环境影响可分为：发育调控和瞬时调控。其中发育调控是指真核生物为确保自身生长、发育、分化等对基因表达按“预定”和“有序”的程序进行的调控，是不可逆的过程；瞬时调控是指真核生物在内、外环境的刺激下所做出的适应性转录调控，是可逆过程。当前第8页\共有74页\编于星期三\8点9Britten和Davidson于1969年提出的真核生物单拷贝基因转录调控的模型——Britten—Davidson模型。该模型认为在整合基因的5’端连接着一段具有高度专一性的DNA序列，称之为传感基因。在传感基因上有该基因编码的传感蛋白。外来信号分子和传感蛋白结合相互作用形成复合物。该复合物作用于和它相邻的综合基因组，亦称受体基因，而转录产生mRNA，后者翻译成激活蛋白。这些激活蛋白能识别位于结构基因（SG）前面的受体序列并作用于受体序列，从而使结构基因转录翻译。当前第9页\共有74页\编于星期三\8点10转录后水平上的调控包括：1.mRNA加工成熟水平上的调控2.翻译水平上的调控当前第10页\共有74页\编于星期三\8点11转录后水平上的调控真核生物基因转录在细胞核内进行，而翻译则在细胞质中进行。在转录过程中真核基因有插入序列，结构基因被分割成不同的片段，因此转录后的基因调控是真核生物基因表达调控的一个重要方面，首要的是RNA的加工、成熟。各种基因转录产物RNA，无论rRNA、tRNA还是mRNA，必须经过转录后的加工才能成为有活性的分子。当前第11页\共有74页\编于星期三\8点12翻译水平上的调控蛋白质合成翻译阶段的基因调控有三个方面：①蛋白质合成起始速率的调控；②MRNA的识别；③激素等外界因素的影响蛋白质合成起始反应中要涉及到核糖体、mRNA蛋白质合成起始因子可溶性蛋白及tRNA，这些结构和谐统一才能完成蛋白质的生物合成。mRNA则起着重要的调控功能。当前第12页\共有74页\编于星期三\8点13基因表达调控的指挥系统有很多种，不同生物使用不同的信号来指挥基因调控。原核生物和真核生物之间存在着相当大差异。原核生物中，营养状况、环境因素对基因表达起着十分重要的作用；而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平、发育阶段等是基因表达调控的主要手段，营养和环境因素的影响则为次要因素。当前第13页\共有74页\编于星期三\8点14原核与真核生物转录及翻译调控的总体特征比较当前第14页\共有74页\编于星期三\8点15原核基因表达调控分类负转录调控正转录调控阻遏蛋白分为：负控诱导负控阻遏根据调控机制的不同分为：当前第15页\共有74页\编于星期三\8点16负转录调控负控诱导阻遏蛋白不与效应物结合时基因不转录。当前第16页\共有74页\编于星期三\8点17负控阻遏阻遏蛋白与效应物结合时，基因不转录。负转录阻遏如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，如乳糖操纵子被阻遏、关闭。当前第17页\共有74页\编于星期三\8点18基因表达的方式组成性基因表达适应性表达（诱导和阻遏表达）当前第18页\共有74页\编于星期三\8点191、组成性基因表达

某些基因在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(house-keepinggene)。当前第19页\共有74页\编于星期三\8点20

无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，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。区别于其他基因，这类基因表达被视为组成性表达。当前第20页\共有74页\编于星期三\8点21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.协调表达当前第21页\共有74页\编于星期三\8点222、诱导和阻遏表达诱导表达指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。阻遏表达指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。当前第22页\共有74页\编于星期三\8点23转录水平上的调控负转录调控（negativetrnscriptionregulation)调节基因的产物是阻遏蛋白正转录调控（positivetranscriptionregulation)调节基因的产物是激活蛋白当前第23页\共有74页\编于星期三\8点24正转录调控正控诱导有效应物时，激活蛋白处于活性状态基因转录。当前第24页\共有74页\编于星期三\8点25正控阻遏有效应物时，激活蛋白处于无活性状态基因不转录。正转录阻遏当前第25页\共有74页\编于星期三\8点26负控诱导负控阻遏正控诱导正控阻遏当前第26页\共有74页\编于星期三\8点27

(一)σ因子决定RNA聚合酶识别特异性核心酶全酶当前第27页\共有74页\编于星期三\8点28

σ因子当前第28页\共有74页\编于星期三\8点29大肠杆菌至少有6种σ因子σ70负责识别一般的启动子σ54识别与氮代谢有关的基因启动子σ32识别热激（heatshock）蛋白基因启动子当前第29页\共有74页\编于星期三\8点30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当前第30页\共有74页\编于星期三\8点31（二）原核生物基因表达调控的特点原核生物通过特殊代谢物调节基因活性主要分为：可诱导调节关闭-----工作------基因活化可阻遏调节开启-----关闭-------阻遏基因表达当前第31页\共有74页\编于星期三\8点32（二）原核生物基因表达调控的特点调节的主要环节在转录水平上进行σ因子决定RNA聚合酶识别特异性主要通过操纵子模式进行调节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当前第32页\共有74页\编于星期三\8点33原核细胞在转录水平上调控当前第33页\共有74页\编于星期三\8点341、原核生物基因调控机制的类型a、弱化子对基因活性的调节b、代谢产物对基因活性的调节c、降解物对基因活性的调节d、细菌的应急反应当前第34页\共有74页\编于星期三\8点35弱化子当操纵子被阻遏，RNA的合成被终止时，起终止转录作用的那一段核苷酸，称为弱化子。

因为核糖体在基因转录产物上的不同位置，决定了RNA可以形成哪一种形式的二级结构，并由此决定基因能否继续转录1、弱化子对基因活性的影响当前第35页\共有74页\编于星期三\8点362、降解物对基因活性的调节1、葡萄糖效应是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖类的利用的现象。当前第36页\共有74页\编于星期三\8点372、降解物对基因活性的调节葡萄糖通过降低cAMP的含量而抑制基因表达当前第37页\共有74页\编于星期三\8点383、细菌的应急反应当细菌发现它们处于很差的生长环境，没有足够的氨基酸来维持蛋白质合成时，它们就会停止大部分活动。当前第38页\共有74页\编于星期三\8点39产生这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸（pppGpp）。PpGpp与pppGpp的作用不只是一个或几个操纵子，而是影响一大批，所以称之为超级调控子或称为魔斑。超级调控因子或称为魔斑当前第39页\共有74页\编于星期三\8点40细菌的应急反应的机制产生应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸（pppGpp）诱导物：空载tRNA当前第40页\共有74页\编于星期三\8点411961年由莫诺（Monod,J.法)和雅各布(Jacob,F.法)提出，用来阐述大肠杆菌乳糖代谢中基因表达的调控机制。获1965年诺贝尔生理学和医学奖7.2、乳糖操纵子与负控诱导系统当前第41页\共有74页\编于星期三\8点42F·雅各布（FrancoisJacob1920～）法国生物化学家、分子生物学家J·L·莫诺（JacquesL.Monod1910～1976）法国生物学家操纵子(operon)

机制当前第42页\共有74页\编于星期三\8点43------操纵子(operon)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。操纵基因是顺式控制元件，阻抑蛋白是反式作用因子。当前第43页\共有74页\编于星期三\8点44

------操纵子(operon)大肠杆菌乳糖操纵子包括3个结构基因：lacZ决定lacZ编码β-半乳糖苷酶lacY 决定lacY编码β-半乳糖苷透过酶lacA决定lacA编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶以及启动子、控制子、阻遏子等当前第44页\共有74页\编于星期三\8点45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当前第45页\共有74页\编于星期三\8点46------操纵子(operon)1、β-半乳糖苷酶能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，也能水解其他β-半乳糖苷2、β-半乳糖苷透过酶能使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内3、β-半乳糖苷乙酰基转移酶把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖当前第46页\共有74页\编于星期三\8点47大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间所以适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。当前第47页\共有74页\编于星期三\8点487.2.1、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10^5个酶分子。1、实验证据当前第48页\共有74页\编于星期三\8点49当前第49页\共有74页\编于星期三\8点502、实验用诱导物乳糖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)当前第50页\共有74页\编于星期三\8点51三、操纵子模型及其影响因子（一）Lac操纵子模型控制区信息区当前第51页\共有74页\编于星期三\8点52乳糖操纵子模型1.lacZ、lacY、lacA基因的产物由同一条mRNA分子所编码2.该mRNA分子的启动区（P）位于阻遏基因（lacI）与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过基因的高效表达3.操纵区时DNA上的一小段序列（仅26bp）,是阻遏物的结合位点4当阻遏物与操纵区相结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制5诱导物与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区结合，从而激发lacmRNA的合成当前第52页\共有74页\编于星期三\8点53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。当前第53页\共有74页\编于星期三\8点54因为诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而运转诱导物需要透过酶，后者合成需要诱导。在非诱导状态下有少量（1-5个mRNA分子）lacmRNA合成--本底水平组成型合成。

lac操纵子的本底水平表达当前第54页\共有74页\编于星期三\8点552、大肠杆菌对乳糖的反应碳源为甘油的培养基乳糖当前第55页\共有74页\编于星期三\8点大肠杆菌对乳糖的反应以甘油为碳源的培养基，按照lac操纵子本地水平表达，每个细胞可有几个分子的β-半乳糖苷酶和乳糖透过酶加入乳糖----异构乳糖----与操纵区上的阻遏物相结合使后者失活---离开操纵区---开始lacmRNA的生物合成-----编码大量的β-半乳糖苷酶和乳糖透过酶。结果：乳糖大量涌入细胞，被降解为葡萄糖和半乳糖当前第56页\共有74页\编于星期三\8点3、阻遏物lacI基因产物及功能乳糖操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内不可能产生足够的诱导物克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。当前第57页\共有74页\编于星期三\8点583、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当前第58页\共有74页\编于星期三\8点59当前第59页\共有74页\编于星期三\8点604、葡萄糖对lac操纵子的影响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.当前第60页\共有74页\编于星期三\8点612、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

当前第61页\共有74页\编于星期三\8点