基因表达调控(上)

第七章基因表达与调控(上)

——原核基因表达调控模式1原核生物基因调控总论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其他操纵子5固氮基因调控6转录后调控第一节原核生物基因调控总论基因表达的概念geneexpression：

从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(geneexpression)对这个过程的调节就称为基因表达调控(generegulation或genecontrol)。

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。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。基因表达调控几个重要概念图(7-1)基因表达的第一步是由RNA聚合酶拷贝DNA双链中的模板链，生成与该序列完全互补的RNA链结构基因(structuralgene)编码各类具有不同结构和功能的蛋白质的基因(或rRNA基因、tRNA基因)。调控基因(regulatorgene)编码蛋白或RNA来调节其他基因表达的基因。操纵基因(operator)DNA上的一个位点，阻抑物能与之结合抑制相邻启动子起始转录。1、组成型表达(constitutiveexpression)

指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表达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，在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。基因表达的方式指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因。2、适应性表达基因表达的规律

——时间性和空间性1、时间特异性(temporalspecificity)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，称之为基因表达的时间特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。

2.空间特异性(spatialspecificity)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，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同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性。转录水平上的调控(transcriptionalregulation);转录后水平上的调控(post-trnscriptionalregulation),包括：mRNA加工成熟水平上的调控(differentialprocessingofRNAtranscript);翻译水平上的调控(differentialtranslationofmRNA)。一、基因表达调控的分类原核基因调控主要发生在转录水平上♣负调控(negativecontrol)阻抑物与操纵基因结合来阻止有关基因表达。♣正调控(positivecontrol)调控因子与启动子元件结合来激活基因表达。原核基因调控机制的类型原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制不同分为：负转录调控负控诱导—阻遏蛋白不与效应物结合时，结构基因不转录。负控阻遏—阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。正转录调控正控诱导—效应物分子的存在使激活蛋白处于活性状态。正控阻遏—效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态。图(6-2)细菌中的转录调控体系调节方式1.反式调节:由某一基因表达产生的蛋白质因子，通过与另一基因的特异的顺式作用元件相互作用，调节其表达。这种调节作用称为反式作用。

2.顺式调节某一基因编码的产物作用于自己基因的调控元件。cDNAaDNA反式调节C顺式调节mRNAC蛋白质CBAmRNA蛋白质AA可诱导调节:二.原核基因调控机制的类型和特点可阻遏调节:是指一些基因在特殊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。这类基因平时都是开启的，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。作为一般规律，可诱导的操纵子常常是关闭的，一旦某些物质，如葡萄糖缺乏而必须利用乳糖作为能源时，就要打开这些基因。可阻遏基因是一些虎城各种细胞代谢过程中所必需的小分子物质的基因，由于这类物质在生命过程中的重要地位，这些基因总是开着的。起中止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。其作用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的调节方式。其调节作用的信号分子是细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度。

三.弱化子对基因活性的影响四.降解物对基因活性的调节在葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象就是葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。原因：葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，减少环腺苷酸合成，与它相结合的蛋白质，即环腺苷酸受体蛋白CRP又称为分解代谢物激活蛋白CAP，因找不到配体而不能形成复合物。当细菌氨基酸全面匮乏，会产生一个应急反应。实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)。产生这个两种物质的诱导物是空载tRNA。ppGpp的出现会关闭许多基因，以对付这种紧急情况。它们都是超级调控因子。五.细菌的应急反应六．原核生物基因的调控策略(一)σ因子识别结合启动序列(二)受环境因素影响较大(三)普遍存在阻遏蛋白的负调控机制(四)以操纵子模式普遍存在基因表达调控的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)基因表达调节的基本原理1、基因表达的多级调控基因激活转录水平转录后加工mRNA降解蛋白质降解蛋白质的投递和运输蛋白质翻译翻译后加工修饰基因表达可在多层次上受到调节2、基因转录调节基本要素基因表达的调节与基因的结构、性质，生物个体或细胞所处的内、外环境，以及细胞内所存在的转录调节蛋白有关。三个基本要素：特异的DNA调节序列调节蛋白RNA聚合酶基因转录激活调节基本要素(一).特异DNA序列１．原核生物调控序列是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。－３5,-10区1)启动序列2

操纵序列

——阻遏蛋白(repressor)的结合位点3)其他调节序列:——结合激活蛋白特异序列原核生物

蛋白质因子——操纵子(operon)

机制特异DNA序列编码序列

启动序列

操纵序列其他调节序列(promoter)(operator)(二).调节蛋白:与相应调控元件结合的蛋白质2.真核生物:转录因子1.原核生物RNA-pol阻遏蛋白激活蛋白启动序列操纵序列激活蛋白结合序列基本转录因子(启动序列)特异转录因子(其它调控序列)发现：1940年Monod：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌才利用乳糖繁殖增长。1961年，法国人Jacob&Monod提出乳糖操纵子学说。获1965年诺贝尔生理学和医学奖。FrancisJacob

JacquesMonod

第二节乳糖操纵子负控诱导系统法国巴斯德研究所著名科学家Jacob和Monod在1961年首先提出原核生物基因结构及其表达调控的操纵子学说。

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。

操纵子的结构启动基因操纵基因结构基因……调节基因调节蛋白RNA聚合酶结合部位调节蛋白结合部位，决定转录与否操纵子mRNAmRNA(阻抑蛋白)一.酶的诱导——lac体系受调控的证据↑加入乳糖↑去掉乳糖时间/min5100.51.0lacmRNAβ—半乳糖透过酶lacmRNA或β—半乳糖苷酶和透过酶量的变化/相对单位图(6-3)lac体系的“开→关”特性无诱导物，结构基因不表达lacI基因转录产生阻遏物单体，结合形成同源四体。lacI同源四体与O区DNA相结合，阻遏基因转录。lacI启动子区／操纵子区lacZ

lacYlacA图(6-4-1)lac操纵子的调控模型二.操纵子模型及其影响因子阻遏物四聚体图(6-4-2)lac操纵子的调控模型诱导物使lacI变成不能与O区相结合的非活性形式RNA聚合酶与lac启动子区相结合,起始基因转录mRNA被转录成3个蛋白质β-半乳糖苷酶透过酶β-半乳糖苷乙酰基转移酶

诱导物启动lac结构基因转录lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI乳糖操纵子组成：5种元件由1个调节基因PlacI，3个结构基因lacZ、Y、A及控制元件Olac、启动子Plac和终止子组成。1、结构基因（1）lacZ：编码b－半乳糖苷酶

（使乳糖水解）（2）lacY：编码b－半乳糖苷透过酶（使b

－半乳糖苷透过细胞壁、质膜进入细胞内）（3）lacA：编码b－半乳糖苷乙酰转移酶（将乙酰基转移到b

－半乳糖苷上）2、启动子：

Plac：控制lacZ,lacY,lacA；多顺反子的mRNA。3、终止子4、调节基因lacI：编码阻遏蛋白（repressiveprotein）亚基

四聚体存在时具有活性，与Olac具有很强的亲和力lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI5、控制元件Olac（1）28bp的回文结构，可形成十字形结构

（2）这种结构正好与由四个相同亚基组成的阻遏蛋白相匹配。RNA聚合酶结合部位阻遏蛋白结合部位IOlacZlacYlacAP调节基因启动基因操纵基因结构基因OPlacZZ编码β-半乳糖苷酶Y编码β-半乳糖苷透过酶A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶大肠杆菌乳糖操纵子结构Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。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基因的高效表达。操纵区是DNA上的一小段序列，是阻遏物的结合位点。当阻遏物与操纵区相结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。诱导物通过阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区相结合，从而激发lacmRNA合成。乳糖操纵子的控制模型主要内容lac操纵子的本底水平表达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。矛盾：第一个诱导物是如何进入细胞内的？乳糖操纵子的正调控现象两种可能：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞;一些透过酶可以在没有诱导物的情况下下合成。在非诱导状态(off状态)下,也有少量(1-5个mRNA分子)lacmRNA合成——这种合成被称为本底水平的组成型合成(backgroundlevelconstitutivesynthesis)。(本底水平永久型合成)图6-5培养基中有无诱导物对lacmRNA及β-半乳糖苷酶活性的影响lacmRNA水平024681012本底水平诱导后的水平本底水平时间/minβ-半乳糖苷酶活性滞后滞后本底水平诱导后的水平加诱导物去掉诱导物2.大肠杆菌对乳糖的反应阻遏物lacⅠ基因产物及功能

lac操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的，该阻遏蛋白有4个相同的亚基，每个亚基含有347个氨基酸残基，并能与1分子IPTG结合。现象：培养基中含葡萄糖、乳糖——lacZ等低表达无葡萄糖、有乳糖——lacZ等高表达4.葡萄糖对乳糖操纵子的影响lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI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。4.葡萄糖对lac操纵子的影响β–半乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。将葡萄糖和乳糖同时加入培养基，大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖之间不会诱发lac操纵子。不是葡萄糖而是他的某些降解产物抑制lacmRNA的合成，我们把这种效应称之为代谢物阻遏效应(cataboliterepression)。问题：是否有另外的调控途径？

cAMP的浓度受到葡萄糖代谢的调节。在含葡萄糖的培养集中培养，cAMP的浓度就低。大肠杆菌中的代谢物激活蛋白，由CRP基因编码，CRP蛋白因子和cAMP都是合成lacmRNA所必需的。可通过与cAMP结合而激活，即CRP只有与cAMP结合才有活性。转录必须有cAMP—CRP复合物结合在DNA的启动子区域上。cAMP—CRP是一个不同于阻遏物的正调控椅子，而lac操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下实现的。

cAMP与代谢物激活蛋白cAMP-CRP结合位点（另一调控元件）（1）位于启动子Plac上游，与Plac部分重叠（2）能与cAMP-CRP特异结合（3）cAMP-CRP与该位点的结合是lacmRNA合成起始所必须的Plac/RNApolymerase-50-30-1010130-20-4020-60CRPbindingOlac/repressorCRP-bindingsiteAANTGTGANNTNNNTCANATTNNTTNACACTNNANNNAGTNAAANNHighlyconservedLessconservedglucoseCRP-cAMPCRPcAMPtranscriptioncAMPreceptorproteinTTTACATATGTTTTGACATATAATlac启动子区普通保守区图(6-14)大肠杆菌lac操纵子启动区CRP-cAMP及-35区，-10区序列分析CRP弯曲＞９０度对称序列中央CRP的结合引起DNA链发生90°的弯曲CRP-cAMP与cAMP-CRP结合位点结合，增强了RNA聚合酶与启动子的结合力，使转录效率提高50倍。三.lac操纵子DNA的调控区域—P、O区启动子区一半是从I基因结束到mRNA转录起始位点下游5~10bp，而O区位于-7~+28位，该区的碱基序列有对称性。阻遏物与O区的结合影响了RNA聚合酶与启动区结合形成转录起始复合物的效率。ZYAOPDNA调控区CAP结合位点启动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cAMP—CAP复合物RNAPmRNAmRNACCIOlacZlacYlacAPIOlacZlacYlacAP乳糖操纵子的调控机制乳糖培养基中无乳糖时培养基中有乳糖时乳糖失活RNAPTheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAPTheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!四、Lac操纵子中的其他问题1、A基因及其生理功能A基因编码了β-半乳糖苷乙酰基转移酶，能够把乙酰基从供体上转移到半乳糖苷分子上。半乳糖甘分子(IPTG)β-半乳糖甘酶分解产物(体内积累)β-半乳糖甘乙酰基转移酶半乳糖甘分子(IPTG)乙酰基A基因在乳糖降解中起作用，但抑制了β-半乳糖甘酶产物的积累，有利于生物进化。β-半乳糖苷酶：透过酶：乙酰基转移酶=1:0.5:0.2翻译水平上受到调节：(1)lacmRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译；(2)在lacmRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受内切酶作用发生降解。2、lac基因产物数量上的比较操纵子在自然条件下可发生融合，如操纵子与负责嘌呤合成的嘌呤操纵子的偶联。由于突变使pur操纵子被“嫁接”到lac启动子上，形成融合基因。因为lac启动子是一个很强的启动子，通过它可以使较弱启动子的转录增强，从而增加蛋白质的合成量。目前基因合成技术已经成为基因工程操作中应用最广泛的技术。3.操纵子的融合与基因工程POZYAtsxPOpur结构基因缺失lacoperonpuroperonpDNAmRNAlacI

1040PO

82lacZ

3510lacY

780lacA

825多肽3.8×1041.25×1053.0×1043.0×104蛋白质四聚体四聚体膜蛋白二聚体功能阻遏子β－半乳糖苷酶透过酶乙酰基转移酶图6-3lac操纵子及各个组分详图lac操纵子及各组分详图第三节3色氨酸操纵子与负控阻遏系统色氨酸操纵子(tryptophaneoperon)负责色氨酸的生物合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，trp操纵子的结构基因表达，色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程(而不是诱导过程)中起作用。由于trp体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CAP的调控。由于trp体系参与生物合成分５步完成，有７个基因参与整个合成过程，pabA(pab·双氨基苯甲酸)trpE基因是第一个被翻译的基因，与trpE紧邻的是启动子区的操纵区，另外，前导区和弱化子区分别定名位trpa(不是trpA)。产生阻遏物的基因是trpR，该基因距trp基因簇很远。trp操纵子的转录调控除了阻遏系统以外，还有弱化系统。图(6-17)细菌中色氨酸生物合成途径分支酸邻氨基苯甲酸合酶邻氨基苯甲酸磷酸核糖邻氨基苯甲酸GLNGLU丙酮酸PRPPPPCO2SER3-磷酸甘油醛邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶磷酸核糖邻氨基苯甲酸异构酶DRP吲哆甘油磷酸色氨酸吲哆甘油磷酸合酶色氨酸合酶trpE,trpGtrpDtrpFtrpCtrpB,trpA

调控基因结构基因

催化分枝酸转变为色氨酸的酶trpRtrp碱基数：Trp操纵子60162156015931350119680440间隔区POLEDCBA间隔区调节作用基因结构a前导RNAAUG约7kbmRNA高色氨酸时低色氨酸时图(6-9)大肠杆菌中的trp操纵子140个核苷酸(弱化子)TheTrpOperon:

WhenTryptophanIsPresentSTOPRighttherePolymeraseTrpTrpRepressorRepressorRepressorPromo.trpDtrpBLead.OperatortrpAtrpCtrpEAten.RNAPol.FoiledAgain!RepressormRNAHeyman,I’mconstitutive一.trp操纵子的阻遏系统trpR基因产物称为辅阻遏蛋白(？？)此蛋白平常不与操纵区相结合。当培养基中有色氨酸时，辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭trpmRNA转录。trpR基因的产物被称为辅阻遏蛋白(aporepressor)。与色氨酸相结合后形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭trpmRNA转录。阻遏了色氨酸的合成，反之则去阻遏。这个系统中的效应物分子是色氨酸，是有trp操纵子所编码的生物合成途径的末端终产物。trp操纵子的阻遏系统低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GCAAATATTCTGAAATGAGCTGTTGACAATTAATCATCGAACTAGTTAACTAGTACGCAAGTTCACGTAAAAACGTTTATAAGACTTTACTCGACAACTGTTAATTAGTAGCTTGATCAATTGATCATGCGTTCAAGTGCATTTTT-50-40-30-20-10+1+10RNA聚合酶结合位点mRNA合成起始操纵子区启动子图(6-5)trp操纵区的碱基序列RPOLaEDCB

AmRNARNApol.R＇(1)粗调节阻遏-操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主管转录是否启动，相当于粗调开关。trp操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个系统进行细调控，指示已经启动的转录是否继续下去。并通过转录达到第一个结构基因之前的终止转录来实现细调控。RPOLaEDCB

AmRNA色氨酸RNApol.R＇R粗调节RPOLaEDCB

A高色氨酸时低色氨酸时

AUG前导肽邻氨基苯甲酸合酶邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶吲哚甘油磷酸合酶色氨酸合酶α和β亚基mRNAmRNA(2).细微调控这个细微调控也是由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频率。当Trp浓度较低时，转录得到7kb的mRNA；当有高浓度Trp存在时，转录仅生成140核苷酸的前导RNA；这种调控机制就是弱化作用二.弱化子与前导肽1弱化子在trpmRNA5′端trpE基因的起始密码前有一个长162bp的mRNA片段被称为前导区，在前导区中123—150bp序列中，转录终止发生的区域，这种终止是可被调节的，被称为弱化子：可调节转录终止发生的区域。衰减子(attenuator)：是位于结构基因上游前导区才123—150序列，在转录水平颉颃调节基因表达的衰减作用，用以终止和减弱转录作用称衰减2前导肽衰减作用需要负载tRNATrp----参与，这意味着前导序列的某些部分被翻译了。翻译起始于AUG，产生一个含有14个氨基酸的多肽。这个多肽被称为前导肽：翻译起始与AUG，产生一个含有14个氨基酸的多肽。这个多肽被称为前导肽。前导序列结构具有一个非常有意义的特点，在其第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子，有弱化的作用。3mRNA前导区的序列分析Trp前导区的碱基序列4个，分别以1、2、3和4表示的片段能以两种步同的方式进行碱基配对。ThemRNASequenceCanFoldInTwoWays4123Terminatorharipin4123

研究引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。当trp浓度较高时，trp操纵子转录产生一个140bp的RNA分子的前导序列，它编码的一个14个AA的短肽。2:3抗终止构型4AUG.......UGA成功通读２３图(6-10-1)原核生物RNA中前导序列的变构引起转录的终止或弱化图(6-3-2)原核生物RNA中前导序列的变构引起转录的终止或弱化终止构型２１1:23:4终止转录发卡式