原核基因表达调控研专家讲座

第六章基因表示与调控(上)

——原核基因表示调控模式原核基因表达调控研专家讲座第1页Contents基因表示调控基本概念原核基因调控机制乳糖操纵子色氨酸操纵子其它操纵子转录后水平上调控原核基因表达调控研专家讲座第2页第一节基因表示调控基本概念一、基因表示概念伴随生物个体发育，DNA分子能有序地将其所承载遗传信息，经过密码子-反密码子系统转变成蛋白质，执行各种生理生化功效。科学家把从DNA到蛋白质过程称为基因表示（geneexpression）对这个过程调整就称为基因表示调控（generegulation或genecontrol）rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA过程也属于基因表示原核基因表达调控研专家讲座第3页

组成性表示(constitutiveexpression)适应性表示(adaptiveexpression）二、基因表示方式原核基因表达调控研专家讲座第4页

1、组成性表示：

指不大受环境变动而改变一类基因表示。一些基因在一个个体几乎全部细胞中连续表示，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。原核基因表达调控研专家讲座第5页2、适应性表示指环境改变轻易使其表示水平变动一类基因表示。应环境条件改变基因表示水平增高现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导基因(induciblegene)；相反，随环境条件改变而基因表示水平降低现象称为阻遏(repression)，对应基因被称为可阻遏基因(repressiblegene)。

原核基因表达调控研专家讲座第6页三、基因表示规律

——时间性和空间性1、时间特异性（temporalspecificity）按功效需要，某一特定基因表示严格按特定时间次序发生，称之为基因表示时间特异性。多细胞生物基因表示时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。

原核基因表达调控研专家讲座第7页原核基因表达调控研专家讲座第8页2、空间特异性(spatialspecificity)基因表示伴随时间次序所表现出这种分布差异，实际上是由细胞在器官分布决定，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不一样组织空间次序出现，称之为基因表示空间特异性。原核基因表达调控研专家讲座第9页四、基因表示调控生物学意义

适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）

维持个体发育与分化（真核）原核基因表达调控研专家讲座第10页第二节原核基因调控机制内容提要：原核基因表示调控步骤操纵子学说原核基因调控机制类型与特点转录水平上调控其它形式原核基因表达调控研专家讲座第11页一、基因表示调控步骤1、转录水平上调控（transcriptionalregulation）2、转录后水平上调控（post-transcriptionalregulation）mRNA加工成熟水平上调控翻译水平上调控蛋白质加工水平调控原核基因表达调控研专家讲座第12页原核基因表达调控研专家讲座第13页二、操纵子学说1、操纵子模型提出1961年，Monod和Jacob提出获1965年诺贝尔生理学和医学奖原核基因表达调控研专家讲座第14页JacobandMonod原核基因表达调控研专家讲座第15页2、操纵子定义操纵子：是基因表示协调单位，由开启子、操纵基因及其所控制一组功效上相关结构基因所组成。操纵基因受调整基因产物控制。原核基因表达调控研专家讲座第16页原核基因表达调控研专家讲座第17页

1、依据操纵子对调整蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）应答，可分为：正转录调控

负转录调控

三、原核基因调控机制类型与特点原核基因表达调控研专家讲座第18页调整基因操纵基因结构基因阻遏蛋白激活蛋白正转录调控负转录调控正转录调控假如在没有调整蛋白质存在时基因是关闭，加入这种调整蛋白质后基因活性就被开启，这么调控叫正转录调控。原核基因表达调控研专家讲座第19页调整基因操纵基因结构基因阻遏蛋白激活蛋白正转录调控负转录调控负转录调控在没有调整蛋白质存在时基因是表示，加入这种调整蛋白质后基因表示活性便被关闭，这么调控负转录调控。原核基因表达调控研专家讲座第20页可诱导调整：指一些基因在特殊代谢物或化合物作用下，由原来关闭状态转变为工作状态，即在一些物质诱导下使基因活化。例：大肠杆菌乳糖操纵子分解代谢蛋白基因2、依据操纵子对一些能调整它们小分子应答，可分为可诱导调整和可阻遏调整两大类：原核基因表达调控研专家讲座第21页调整基因操纵基因结构基因阻遏蛋白调整基因操纵基因结构基因阻遏蛋白诱导物mRNA酶蛋白酶合成诱导操纵子模型诱导物假如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。原核基因表达调控研专家讲座第22页可阻遏调整：基因平时是开启，处于产生蛋白质或酶工作过程中，因为一些特殊代谢物或化合物积累而将其关闭，阻遏了基因表示。例：色氨酸操纵子合成代谢蛋白基因原核基因表达调控研专家讲座第23页酶合成阻遏操纵子模型调整基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白调整基因操纵基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物假如某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质酶，这种物质就是辅阻遏物。原核基因表达调控研专家讲座第24页3、在负转录调控系统中，调整基因产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录作用。依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。原核基因表达调控研专家讲座第25页原核基因表达调控研专家讲座第26页4、在正转录调控系统中，调整基因产物是激活蛋白（activator）。依据激活蛋白作用性质分为正控诱导和正控阻遏在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）存在使激活蛋白处于活性状；在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）存在使激活蛋白处于非活性状态。原核基因表达调控研专家讲座第27页正控诱导正控阻遏原核基因表达调控研专家讲座第28页原核基因表达调控研专家讲座第29页四、转录水平上调控其它形式1、σ因子更换在E.coli中,当细胞从基本转录机制转入各种特定基因表示时，需要不一样因子指导RNA聚合酶与各种开启子结合。原核基因表达调控研专家讲座第30页大肠杆菌中各种σ因子比较σ因子编码基因主要功效σ70rpoD参加对数生长久和大多数碳代谢过程基因调控σ54rpoN参加多数氮源利用基因调控σ38rpoH分裂间期特异基因表示调控σ32rpoS热休克基因表示调控σ28rpoF鞭毛趋化相关基因表示调控σ24rpoE过分热休克基因表示调控原核基因表达调控研专家讲座第31页温度较高,诱导产生各种热休克蛋白由σ32参加组成RNA聚合酶与热休克应答基因开启子结合,诱导产生大量热休克蛋白,适应环境需要枯草芽孢杆菌芽孢形成有序σ因子替换,RNA聚合酶识别不一样基因开启子,使芽孢形成相关基因有序地表示原核基因表达调控研专家讲座第32页2.降解物对基因活性调整有葡萄糖存在情况下，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，与其相对应操纵子也不会开启，因而也不会产生出代谢这些糖酶，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。为何会产生这种效应呢？因为葡萄糖是最方便能源，细菌无需开启一些不惯用基因去利用其它糖类。添加葡萄糖后，葡萄糖存在会抑制细菌腺苷酸环化酶活性，降低环腺苷酸（cAMP）合成，与它相结合蛋白质，即环腺苷酸受体蛋白CRP又称分解代谢物激活蛋白CAP，因找不到配体而不能形成复合物。而cAMP-CAP复合物形成又是乳糖、半乳糖或阿拉伯糖操纵子等表示所必须。原核基因表达调控研专家讲座第33页3.弱化子对基因活性影响

属于这种调整方式有大肠杆菌中色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子等等。起信号作用是有特殊负载氨基酰-tRNA浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA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那一段核苷酸被称为弱化子。这种因为核糖体在基因转录产物上不一样位置，决定了RNA能够形成哪一个形式二级结构、并由此决定基因能否继续转录调整方式确实是非常巧妙。起调整作用信号分子是细胞中某一氨基酸或嘧啶浓度，所以是转录调整中微调整，好比无线电调谐器中微调一样，只要稍加变动就可影响整个体系功效。原核基因表达调控研专家讲座第34页4.细菌应急反应细菌有时会碰到紧急情况，比如氨基酸饥饿时，就不是缺乏一两种氨基酸，而是氨基酸全方面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反应，包含生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内几乎全部生物化学反应过程均被停顿。实施这一应急反应信号是鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp）。产生这两种物质诱导物是空载tRNA。当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量不带氨基酸tRNA，这种空载tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成，其浓度可增加10倍以上。ppGpp出现会关闭许多基因，当然也会打开一些合成氨基酸基因，以应付这种紧急情况。关于ppGpp作用原理还不大清。ppGpp与pppGpp作用范围十分广泛，它们不是只影响一个或几个操纵子，而是影响一大批，所以它们是超级调控因子。原核基因表达调控研专家讲座第35页小结一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种“开-关”（on-off）活性是经过调整转录来建立，也就是说mRNA合成是能够被调整。原核基因表达调控研专家讲座第36页第三节乳糖操纵子(lacoperon)内容提要：乳糖操纵子结构酶诱导——lac体系受调控证据乳糖操纵子调控模型影响因子Lac操纵子中其它问题原核基因表达调控研专家讲座第37页一、乳糖操纵子结构原核基因表达调控研专家讲座第38页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：乙酰辅酶A上乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。原核基因表达调控研专家讲座第39页二、酶诱导——lac体系受调控证据在不含乳糖培养基中，每个大肠杆功细胞内大约只有1-2个利用乳糖酶分子。假如在培养基中加入乳糖，利用乳糖酶浓度很快到达细胞总蛋白量6%或7%，每个细胞中可有超出105个酶分子。由底物造成合成利用该底物酶，这种现象称为酶诱导。原核基因表达调控研专家讲座第40页原核基因表达调控研专家讲座第41页怎样确定诱导物作用是诱导新酶合成，还是将已存在于细胞中酶前体转化为有活性酶？原核基因表达调控研专家讲座第42页

把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标识氨基酸但没有半乳糖诱导物培养基中繁殖几代然后再将这些带有放射活性细菌转移到不含35S、无放射性培养基中伴随培养基中诱导物加入，β-半乳糖苷酶便开始合成分离β-半乳糖苷酶，发觉这种酶无35S标识说明酶合成不是由前体转化而来，而是加入诱导物后新合成

同位素示踪试验原核基因表达调控研专家讲座第43页酶诱导现象是生物进化过程中出现一个合理、经济地利用有限资源本能。酶诱导已证实是低等生物普遍现象。原核基因表达调控研专家讲座第44页Jacob和Monod认为诱导酶（他们当初称为适应酶）现象是个基因调控问题，能够用试验方法进行研究，所以选为突破口，终于经过大量试验及分析，于1961年建立了该操纵子控制模型。原核基因表达调控研专家讲座第45页机制：阻遏蛋白负性调整无乳糖:lac操纵子处于阻遏状态(repression)有乳糖:lac操纵子即可被诱导诱导剂(inducer):别乳糖、半乳糖、IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）原核基因表达调控研专家讲座第46页抚慰诱导物：

假如某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为抚慰诱导物，如IPTG（异丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。原核基因表达调控研专家讲座第47页原核基因表达调控研专家讲座第48页原核基因表达调控研专家讲座第49页三、乳糖操纵子调控模型主要内容：①Z、Y、A基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码

原核基因表达调控研专家讲座第50页原核基因表达调控研专家讲座第51页②这个mRNA分子开启子（P）紧接着操纵基因（O），而位于调整基因（I）与O之间开启子P，不能单独开启合成β-半乳糖苷酶和透过酶生理过程。原核基因表达调控研专家讲座第52页原核基因表达调控研专家讲座第53页③操纵基因（O）是DNA上一小段序列（仅为26bp），是阻遏物结合位点。原核基因表达调控研专家讲座第54页RNA聚合酶结合部位阻遏物结合部位原核基因表达调控研专家讲座第55页操纵位点回文序列原核基因表达调控研专家讲座第56页

④当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA转录起始受到抑制。

原核基因表达调控研专家讲座第57页原核基因表达调控研专家讲座第58页⑤诱导物经过与阻遏物结合，改变它三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNA合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以开启子能够顺利起始mRNA合成。原核基因表达调控研专家讲座第59页原核基因表达调控研专家讲座第60页组成型突变：lacOc

几个突变对Lac操纵子影响原核基因表达调控研专家讲座第61页组成型突变：

lacI-几个突变对Lac操纵子影响原核基因表达调控研专家讲座第62页不可诱导突变（超阻遏）：几个突变对Lac操纵子影响原核基因表达调控研专家讲座第63页四、影响因子1、lac操纵子本底水平表示有两个矛盾是操纵子理论所不能解释：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，后者合成又需要诱导。②真正诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖苷酶催化下由乳糖形成，所以，需要有β-半乳糖苷酶预先存在。原核基因表达调控研专家讲座第64页解释：①一些诱导物能够在透过酶不存在时进入细胞？一些透过酶能够在没有诱导物情况下合成？②一些诱导物能够在β-半乳糖苷酶不存在时被分解成半乳糖？一些β-半乳糖苷酶在没有诱导物情况下合成？

√√本底水平组成型合成：非诱导状态下有少许lacmRNA合成。原核基因表达调控研专家讲座第65页2、大肠杆菌对乳糖反应培养基：甘油按照lac操纵子本底水平表示，每个细胞内有几个分子β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶；培养基：加入乳糖少许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）异构乳糖原核基因表达调控研专家讲座第66页乳糖原核基因表达调控研专家讲座第67页诱导物加入和去除对lacmRNA影响原核基因表达调控研专家讲座第68页3、阻遏物lacI基因产物及功效Lac操纵子阻遏物mRNA是由弱开启子控制下组成型合成，每个细胞中有5-10个阻遏物分子。当I基因由弱开启子突变成强开启子，细胞内就不可能产生足够诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。原核基因表达调控研专家讲座第69页4、葡萄糖对lac操纵子影响假如将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，lac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导lac操纵子表示分解乳糖所需三种酶。

代谢物阻遏效应：葡萄糖对lac操纵子表示抑制是间接，不是葡萄糖本身而是其降解产物抑制lacmRNA合成，科学上把葡萄糖这种效应称为代谢物阻遏效应。原核基因表达调控研专家讲座第70页5、cAMP与代谢物激活蛋白代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（CRP）CRP+cAMP复合物CAP原核基因表达调控研专家讲座第71页ZYAOPDNA调控区CAP结合位点开启序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶原核基因表达调控研专家讲座第72页原核基因表达调控研专家讲座第73页ATP腺苷酸环化酶cAMP（环腺苷酸）

大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；

有葡萄糖，cAMP浓度低原核基因表达调控研专家讲座第74页++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时促进转录有葡萄糖，cAMP浓度低时不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP正调控原核基因表达调控研专家讲座第75页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。cAMP—CAP复合物与开启子区结合是转录起始所必需。协调调整单纯乳糖存在时，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。原核基因表达调控研专家讲座第76页第四节色氨酸操纵子（trpoperon）内容提要：色氨酸操纵子结构色氨酸操纵子阻遏系统色氨酸操纵子弱化机制原核基因表达调控研专家讲座第77页一、色氨酸操纵子结构

调控基因结构基因

催化分枝酸转变为色氨酸

酶

trpRtrp原核基因表达调控研专家讲座第78页原核基因表达调控研专家讲座第79页特点:(1)trpR和trpABCDE不连锁；(2)操纵基因在开启子内(3)有衰减子(attenuator)/弱化子(4)开启子和结构基因不直接相连，二者被前导序列(Leader)所隔开原核基因表达调控研专家讲座第80页二、trp操纵子阻遏系统低Trp时：阻遏物不结合操纵基因;高Trp时：阻遏物+Trp结合操纵基因原核基因表达调控研专家讲座第81页三、trp操纵子弱化机制衰减子（attenuator）/弱化子前导序列（leadersequence）原核基因表达调控研专家讲座第82页1、弱化子：DNA中可造成转录过早终止一段核苷酸序列（123-150区）。123~150原核基因表达调控研专家讲座第83页

研究引发终止mRNA碱基序列，发觉该区mRNA经过自我配对能够形成茎-环结构，有经典终止子特点。原核基因表达调控研专家讲座第84页2、前导序列：在trpmRNA5'端trpE基因起始密码前一个长162bpmRNA片段。原核基因表达调控研专家讲座第85页原核基因表达调控研专家讲座第86页3、弱化机制原核基因表达调控研专家讲座第87页原核基因表达调控研专家讲座第88页

前导肽转录终止结构原核基因表达调控研专家讲座第89页细菌经过弱化作用填补阻遏作用不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始转录，只能经过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用信号是细胞内色氨酸多少；弱化作用信号则是细胞内载有色氨酸tRNA多少。它经过前导肽翻译来控制转录进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，表达着生物体内周密调控作用。原核基因表达调控研专家讲座第90页Contents基因表示调控基本概念原核基