基因的表达调控原核精简版

基因的表达调控原核精简版第一节基因表达调控概述1、1基因表达调控得概念1、2基因表达调控得元件和作用方式1、3基因表达调控得策略概述1、1基因表达调控得概念基因表达(geneexpression)就是指基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物,或转录后直接产生其RNA产物(如tRNA,rRNA等)得过程。真核细胞基因表达基因表达调控得必要性细菌基因组一般编码约4,000个基因,人得基因组中含有30,000多个基因。设想一下如果这么多得基因同时表达会出现什么样得情况?细菌中蛋白质合成得延伸因子就是细菌中最丰富得蛋白血红蛋白只在红细胞中存在DNA修复系统得酶需要量很少有些基因(如决定细胞性质得基因)只在某一些或几个细胞中表达发育调节基因bithorax表达模式得改变结果果蝇发育中基因得正常表达改变得结果Hutchinson-Gilfordsyndrome大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点agWildtype1、2基因表达调控得元件和作用方式持家基因,看家基因,组成型表达基因,常备基因。理论上在所有得细胞中都能进行正常表达,并为所有类型细胞得生命活动提供基本功能得基因,其产物在不同细胞中得浓度大体保持一致,不易受环境条件得影响。有其机密得调控机制以保持基因得表达水平保持在恒定状态。奢侈基因(luxurygene)又叫可调节基因,就是在特殊得细胞类型中为特化功能蛋白质编码得基因,其表达和调控机制都受到环境条件得影响。奢侈基因(luxurygene)在不同时期和不同条件下基因表达得开启或关闭以及基因活性得增加或减弱等,就是受到调节控制得,这种控制被称为基因表达得调控。基因得阻遏---与诱导相反,某种信号使得基因得表达水平降低(或叫下降、下调),基因得产物减少。这个过程叫做“阻遏”(repression)。基因得诱导－指某种信号使得基因得表达水平提高(或叫上升、上调),基因得产物增多。这个过程叫做“诱导(induction)。结构基因(structuralgene)指编码蛋白质或RNA得任何基因。她们编码功能各异得蛋白质和RNA,作为酶、细胞骨架结构以及调节蛋白等。调节基因(regulatorgene)就是参与其她基因表达调控得基因,编码得产物就是RNA或蛋白质。调节基因得产物(RNA或蛋白)通过与特定得DNA序列结合来调节其她基因得表达。可以使基因得表达上升(正调控,positiveregulation)或下降(负调控,negativeregulation)。激活蛋白(activator),或叫做激活子,就是由调节基因编码得调节蛋白,可以开启结构基因得转录。转录因子就就是属于激活蛋白。阻遏蛋白(repressor),由调节基因编码得调节蛋白,由本身或与辅阻遏物一起阻遏结构基因得转录。激活蛋白与阻遏蛋白对结构基因转录得调控调节基因转录得蛋白结合得DNA序列种类很多,如启动子、终止子、增强子、衰减子、沉默子和各种应答元件等。正调控系统在一个基因转录调控得体系中,调节基因编码得调节蛋白就是激活蛋白,这样得基因表达调节体系叫正调控系统。在正调控系统中,基因开启转录得必要条件就是要有调节蛋白得存在,否则基因就无法转录。如真核基因转录时,仅有RNA聚合酶就是不够得,还必须有转录因子等调节蛋白存在。负调控系统在基因转录得调控中,调节基因编码得调节蛋白就是阻遏蛋白,本身或与辅阻遏物一起阻止结构基因得转录,这样调节系统叫负调节系统。但当有诱导物与阻遏蛋白结合后,阻遏蛋白就会失去活性使结构基因得以转录。在负调节系统中,基因一般就是不转录得,因为转录被阻遏蛋白抑制。基因开启转录得必要条件就是除去阻遏蛋白。1、3基因表达调控得策略概述原核生物得基因表达主要取决于环境因素得诱导及细胞对环境条件得适应。原核生物就是单细胞生物,直接生活在复杂多变得环境中,食物供应毫无保障。为了维持自身得生存和繁衍,必须不断地通过对自身基因得表达调节以适应环境中得营养条件和应付各种不利得理化因素。真核生物得基因表达则十分复杂,其调控系统也更为完善。真核生物得代谢途径和食物来源都就是比较稳定得,但她们得绝大多数都就是多细胞得复杂有机体。真核生物在个体发育过程中出现细胞分化,形成组织和器官。真核生物中基因表达调控得明显特征就是能在特定时间和特定细胞中激活特定基因得表达,实现分化和发育,并使组织和器官保持正常功能。尽管许多主要得基因调控方式就是原核生物和真核生物共同具有得,但她们在调控策略上有明显得不同,在调控方式上也存在区别。原核生物得基因表达调控可以在DNA、转录和翻译三个不同得层次上进行,但转录水平上得调控就是最主要得,尤其就是转录起始得调控,这就是最经济最有效得调节方式。原核生物得基因表达调控得主要策略操纵子就是原核生物转录调控得主要形式原核生物得基因一般成簇排列构成一个操纵子,一个操纵子中得每个基因都受单一启动子得调控。1937年,Monod发现细菌二次生长曲线1951年开始与Jacob合作研究1961年在法国得《分子生物学》发表《蛋白质合成过程中得调节机制》,提出操纵子学说。1965年获得诺贝尔奖原核细胞得DNA没有核膜包裹,因此转录和翻译就是耦联得。这就是原核生物中衰减子负调控得基础。很多调节氨基酸或核苷酸合成代谢得操纵子存在衰减子结构。原核生物中转录水平得调控形式除了操纵子以外,还有其她形式,例如通过DNA重排、sigma因子得更换和分解代谢得阻遏来调节转录得起始,通过衰减子调控转录得终止等。在翻译水平上得调控包括通过重叠基因、mRNA二级结构和反义RNA对翻译起始得调控,通过稀有密码子对翻译延伸得调控,通过严紧反应和mRNA得稳定性对翻译终止得调控等。真核生物得基因表达调控得主要策略真核生物得基因表达和调控要比原核生物复杂得多,产生差异得根本原因在于真核细胞得结构特征。真核细胞得基因表达调控有更多得调控位点第二节原核细胞得基因表达调控原核生物基因表达调控得几个重要特点√多组成操纵子进行调控√以负调控为主√基因表达调控主要发生在转录水平本节主要内容2、1操纵子2、2基因表达得时序调节2、3生长速度得调节2、4细菌得SOS反应2、5翻译水平得调控2、1操纵子(operon)操纵子就是原核生物基因转录调控得主要形式,就是原核生物细胞DNA上得一段区域,由若干功能相关得结构基因和控制这些基因表达得元件组成得一个完整得连续得功能单位。操纵子得活性受到调节基因得控制,调解基因得产物通过与操纵子上得DNA序列相互作用而调节结构基因得表达。调节基因得产物就是阻遏蛋白或激活蛋白阻遏蛋白一般与操纵基因结合,阻碍RNA聚合酶与启动子得结合,从而关闭结构基因得表达。激活蛋白一般与启动子上游处得DNA序列结合,促进RNA聚合酶对结构基因得转录,乳糖操纵子(lactoseoperon)调节基因LacI,有自己得启动子和终止子。编码阻遏蛋白乳糖操纵子得组成操纵基因LacO,28bp得DNA序列,不编码任何产物,可以与阻遏蛋白结合,调节结构基因得转录3个结构基因ZYA阻遏蛋白与操纵基因得结合细菌得二次生长曲线当细菌在含有葡萄糖和乳糖得培养基上生长时,首先利用葡萄糖,待葡萄糖消耗完之后才开始利用乳糖。结果在葡萄糖消耗完之后细菌得生长有个暂时得停顿。乳糖操纵子得发现就是从研究细菌得二次生长曲线开始得后来发现,细菌利用葡萄糖得酶就是组成型表达得,而利用乳糖得酶就是诱导型得。细菌分解乳糖得酶就是如何被诱导表达得呢没有乳糖时细菌分解乳糖得酶就是如何被诱导表达得呢？没有乳糖时有乳糖时*Animation开启结构基因得表达,就是一个诱导物,但就是真正直接起诱导作用得就是异乳糖(allolactose)。诱导物(inducer)在乳糖操纵子中,乳糖可以与阻遏蛋白结合使之失活,异乳糖得来源:就是细菌细胞内得β-半乳糖苷酶催化乳糖形成得产物之一,另一种产物就是半乳糖和葡萄糖。问题:乳糖操纵子得酶就是诱导酶,基因得表达要受到乳糖得诱导才能开始;那么,这一切该如何解释呢？可就是乳糖在细胞外,操纵子在细胞内,乳糖要进入细胞内才能开始诱导;而乳糖进入细胞内需要β-半乳糖苷透性酶得作用,但就是β-半乳糖苷透性酶却就是乳糖操纵子得结构基因,没有乳糖就是不能表达得。当培养基中没有乳糖时,Lac操纵子也就是在表达得,只就是水平比较低,其中得β-半乳糖苷每个细胞不多于5个分子。此谓“本底表达”(为诱导水平得1/1000)。这表明,阻遏蛋白对操纵子得阻遏就是不完全得,有“渗漏”。乳糖操纵子得本底表达本底表达得少数结构基因产物得分子在细胞内起着“监测”得作用,当细菌遇到诱导物乳糖时,即刻将其运输到细胞内,在2-3分钟内细胞内得β-半乳糖苷酶就可以达到5000分子/细胞,浓度可以达到细胞内蛋白得5-10%,以便细菌迅速利用乳糖。但就是lacmRNA极不稳定,半衰期仅有约3分钟,所以这种诱导能很快逆转。只要诱导物乳糖消失,基因转录就停止。mRNA在很短得时间内被降解,mRNA含量又回落到诱导前得基础水平。基因工程中,利用乳糖操纵子来表达外源基因时,一般不就是使用乳糖来诱导基因得表达,而就是利用一种合成得小分子叫IPTG,不被β-半乳糖苷酶水解,其浓度保持不变,可以促使外源基因一直表达。如何解释葡萄糖效应(降解物阻遏)当细菌得培养基中含有葡萄糖和乳糖时,细菌首先利用葡萄糖,待葡萄糖消耗完毕后才开始利用乳糖。这种现象以前叫“葡萄糖效应”,现称“降解物阻遏(cataboliterepression)”。如何解释这种现象呢？如何解释“葡萄糖效应(降解物阻遏)”？Lac得启动子比较弱,即使操纵子得阻遏蛋白被去除,Lac操纵子得结构基因也不能进行强烈得表达。结构基因得强烈表达除了要求阻遏蛋白被解除外,还要求有一个促进基因转录得调节蛋白CRP。CRP结合在启动子得上游,可以使基因得转录增强50倍。CRP就是cAMPreceptorprotein得缩写,又叫做CAP(catabolitegeneactivatorprotein),代谢物基因激活蛋白。CRP得活性由cAMP调节。当CRP结合了cAMP之后具有活性,结合在操纵子得启动子上游附近,对下游结构基因得转录有增强作用。CRP(CAP)得二聚体与DNA得相互作用弯曲得DNA与RNA聚合酶作用部位cAMP结合部位CRP(CAP)得二聚体与DNA得相互作用当细胞利用葡萄糖时,分解产物抑制酰苷酸环化酶得活性并活化磷酸二酯酶,细胞内得cAMP水平下降,CRP没有活性,Lac操纵子不能启动转录,当葡萄糖水平下降,细菌利用乳糖时,cAMP水平提高,CRP有活性,引起操纵子结构基因得转录。CRP(CAP)对Lac操纵子得作用结论:乳糖操纵子就是一个双因子调节系统乳糖操纵子得表达需要2个调节蛋白得共同参与,一个就是正调节蛋白CRP(CAP),一个就是负调节蛋白(阻遏蛋白)。当阻遏蛋白解除后,没有CRP,基因也几乎不转录当只有CRP而阻遏蛋白没有解除时,基因不转录只有当阻遏解除且CRP存在时,基因才开始转录遗传和生化实验已证实乳糖操纵子得正确如操纵基因突变,导致阻遏蛋白无法与之结合,操纵子处于无阻遏状态,成“组成型表达”阻遏蛋白基因LacI突变,导致阻遏蛋白失活或缺乏,操纵子得结构基因转录也处于组成型表达状态。还有一种突变,使得阻遏蛋白结构变化,失去与诱导物乳糖得结合位点,结果使操纵子处于“不可诱导状态”。受一种调节蛋白控制得几个操纵子构成得调节系统叫做调节子。调节子(regulon)调节子就是一种大范围内得基因表达控制调节手段。受到降解物阻遏调节得得酶类除了代谢乳糖得酶类外,还有分解半乳糖、阿拉伯糖、麦芽糖等得酶,这些操纵子都受到CRP得调节,属于一个“调节子”。这样保证在细胞遇到葡萄糖时,所有分解其她糖得酶都不表达,以免造成浪费。另外,细菌遇到危机情况下有许多基因表达,以便渡过危机时刻。这些基因属于SOS调节子,由基因LexA编码得阻遏蛋白控制。色氨酸操纵子(Trpoperon)组成和结构:全长约7kb调节基因trpR:与结构基因相距较远,编码阻遏蛋白操纵基因:位于结构基因得启动子内部,长21bp前导序列(leadersequence),162bp,位于结构基因启动子之后与结构基因之间,对结构基因得转录起调节作用。结构基因:5个,负责编码色氨酸合成途径中得3个酶。Trp操纵子结构基因得转录调控这里,操纵子结构基因得转录控制就是由阻遏蛋白完成,但阻遏蛋白得活性就是由色氨酸来激活得,我们把这里得色氨酸称为就是一个“辅阻遏物(co-repressor)”当细菌内含有足够多得色氨酸后,2个分子得色氨酸与2分子得阻遏蛋白结合,激活阻遏蛋白,阻遏蛋白与操纵基因序列结合,阻止转录。当细胞内得色氨酸缺乏时,阻遏蛋白没有活性,结构基因开始转录,细菌开始合成色氨酸。似乎这个色氨酸操纵子得控制就就是这么简单,但就是其实不就是。a当阻遏蛋白没有活性,结构基因开始转录时,大部分常常只能转录出大约140bp得mRNA就停止了后来得实验发现……b把位于操纵基因后面和结构基因前面得162bp序列中得130-162碱基删除后,trp操纵子得转录水平处于无阻遏得最高水平。这说明色氨酸操纵子得结构基因转录还受到其她因素得调控。Trp操纵子得衰减调控机制前导序列(leadersequence)分为4个部分(1-4):1为前导区,编码一个14肽,其中有2个连续得trp,前导序列中2和3互补,3和4互补,通过互补,可以形成类似终止序列得结构。典型的转录终止信号结构细胞内色氨酸含量高导致结构基因转录终止细胞内色氨酸含量低导致结构基因转录开始Animation*需要注意得几个问题1、前导肽得翻译只有调节后面基因转录得功能,翻译出来得肽没有其她生理功能!2、对结构基因转录得控制实际上就是通过核糖体在mRNA上停留得位置来实现得。4、真核细胞中没有这种衰减调节机制,为什么？3、阻遏蛋白得调节类似于开关式(on/off)得调节(粗调);而衰减调节就是一种音量开关式得调节(细调),可以使结构基因转录得频率在0－700倍得范围内调节,具体大小与细胞内色氨酸含量得高低以及与之偶联得翻译过程有关。细菌内许多氨基酸合成得操纵子得调控都就是通过衰减子来完成得。Phe合成得操纵子中有个15肽,含有7个phe。Leu操纵子导肽中含有4个连续得leu。His操纵子含有7个连续his,在his操纵子中,只有衰减调控这一种途径,无阻遏蛋白。例如操纵子系统在基因工程中得应用由于乳糖操纵子中得结构基因得表达可以通过诱导物对其调控。所以乳糖操纵子得结构被用在基因工程中。将结构基因换成外源目得基因,通过往培养基中添加诱导物,外源基因就可以得到表达。1983年,科学家将细菌乳糖操纵子得启动子得-10区和色氨酸操纵子启动子得-35区组合起来形成一个“杂合”得启动子,叫做“tac”,这个杂合得启动子启动基因转录得效率比乳糖启动子高10倍,比色氨酸启动子得效率高5倍。同样受IPTG诱导,被乳糖抑制子所阻遏。操纵子系统在基因工程中得应用科学家们发现大肠杆菌得乳糖操纵子一个突变体UV5,不需要激活蛋白CRP,只需要添加诱导物乳糖,结构基因就可以高效大量表达。操纵子系统在基因工程中得应用比较乳糖操纵子和色氨酸操纵子得相同和不同之处。(她们控制基因转录得方式策略上有什么不同？阻遏蛋白得作用特点有什么不同？)思考题StructureofEcoliRNApolymerase2、2、基因表达得时序调节回忆:细菌RNA聚合酶中σ因子得作用就是什么?E、coli细胞中主要得σ因子称为σ70,但E、coli中还有另外一些σ因子能够识别其顺序与E、coli得主要启动子不同得另一些基因得启动子,并促使核心酶起始转录其她得基因,使得其她得基因得以表达。因子基因功用-35顺序间隔距离-10顺序σ70rpoD正常状态TTGACA10-18bpTATAATσ32rpoH热休克CNCTTGAA13-15bpCCCCATNTσErpoE热休克未知未知未知σ60rpoN氮得利用CTGGNA6bpTTCGAσFfliA鞭毛CTAAA15bpGCCGATAAE、coli得不同σ因子E、coli得不同σ因子枯草杆菌得σ因子σ因子来源和用途-35顺序-10顺序σ43营养生长期TTGACATATAATσ37芽孢形成期应用AGGNTTTGGNATTGNTσ32芽孢形成期应用AAATCTANTGTTNTAσ29芽孢形成期合成TTNAAACATATTσ28不应用于芽孢形成期CTNAAACCGATATgp28SP01中期基因表达AGGAGATTTNTTTgp33-34SP01晚期基因表达CGTTAGAGATATT噬菌体也使用不同得σ因子来调节基因得表达噬菌体侵入细菌后,首先利用自己携带得σ28取代细菌得σ因子,合成噬菌体得早期基因;其中就含有另外得一个σ因子,用来开启中期基因得转录。表达得中期基因中含有一个开启晚期基因表达得σ因子,同时负责开启中期基因表达得σ因子则被降解。通过这种方式,使得噬菌体得各种基因严格按照一定得时间顺序表达出来,执行生理功能,完成噬菌体得一生。在以上这些例子中,生物各发育阶段得不同基因得表达启动就是由不同得调节蛋白作用于启动子和终止子来调节得早期表达得基因中含有开启后期基因表达得调节蛋白,后期基因得表达又同时关闭早期基因得表达,从而实现基因得“顺序表达”。2、3生长速度得调节细菌在不同得生长条件下得生长速度就是不同得,大肠杆菌得倍增时间可以从500分钟到15分钟不等。不同得生长速度就是通过调节蛋白质分子得合成速度来实现得。而蛋白质得合成速度决定于细胞中核糖体得数量。不同生长速度下大肠杆菌中得某些特征倍增时间/minDNA分子数/细胞核糖体数/细胞254、515500502、468001001、742003001、41450组成核糖体得蛋白质基因以及与合成这些蛋白质相关得基因,DNA引物合成酶基因、RNA聚合酶亚基基因等组成20多个操纵子,她们协调表达,使复制、转录和翻译过程紧密协调,适应细胞生长速度得需要。(1)通过自体调控,控制组成核糖体得蛋白质得量,从而适应细胞得生长速度。组成核糖体得蛋白质一般总与相应得rRNA结合。当蛋白质过剩时,她会与自身得mRNA结合,抑制其活性,降低产量,以便与rRNA得量保持一致。这样,细胞通过控制rRNA得水平来调节生长速度。(2)严谨控制(stringentcontrol)当细菌处于营养缺乏得环境中时,蛋白质合成得原料氨基酸缺乏,这时细胞会关闭大部分得代谢活动,借以渡过艰难时期,等待环境营养条件得改善。这种现象叫做“严谨控制”。严谨控制得结果就是tRNA和rRNA得合成下降很多(降低10－20倍),但mRNA合成得降低程度较小(约3倍),大大降低细胞得生长速度。引起严谨控制得因素当氨基酸缺乏或氨酰基-tRNA合成酶失活,都会引起严谨控制生长代谢得反应。这时细胞内出现2种不常见得核苷酸:鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp),电泳可以检测出来,称为“魔斑”(magicspots)。又叫“报警素”。鸟苷四磷酸(ppGpp)合成这种分子得基因被就是relA,产物蛋白质叫做“严谨控制因子”(stringentfactor,SF),细胞内位于核糖体上。在蛋白质合成过程中,空载得tRNA进入核糖体得A位点会激活SF得活性,SF将ATP上得焦磷酸基团转移给GDP形成ppGpp,或转移给GTP形成pppGpp。严谨控制因子SF位于核糖体上,空载得tRNA进入核糖体得A位会激活SF得活性。报警素ppGpp在细胞内得功能报警素就是细胞内得第二信使,就是细胞内氨基酸饥饿得信号。最主要得作用就是与RNA聚合酶结合,降低rRNA得合成,放慢生长速度。细胞内还有一种蛋白质分子叫做SpoT蛋白,可催化ppGpp得降解。细胞氨基酸饥饿时,SpoT活性被抑制;促进ppGpp得积累;条件恢复正常后,SpoT迅速降解ppGpp,细胞得“氨基酸饥饿警报”解除,细胞恢复正常状态。报警素和cAMP相同,在细胞内属于一种多效得基因表达得超级调控因子。她们影响调控得基因数目就是非常多得,不就是一个几个而就是一大批,且从不同得水平上进行调控。2、4、细菌得SOS反应当细菌染色体受到较多得损伤而复制受阻,或核酸合成时缺乏核苷酸等时会引发细胞得一系列反应,叫做SOS反应。这些反应包括DNA修复能力增强,诱变率提高、细胞分裂停止等。这时细菌会协调体内得许多基因活性来应付危机,从而渡过难关。这些众多基因分布在不同得位置,但属于同一个调节子。因为她们得激活转录受到调节蛋白RecA和LexA得共同调节。细胞中正常状态下参与SOS反应得基因就是不表达得,她们被阻遏蛋白LexA所阻遏SOS反应得引发需要将阻遏蛋白LexA除去在单链DNA和ATP存在情况下,RecA蛋白被激活而促进阻遏蛋白LexA得自身裂解,从而解除抑制,一系列原来被抑制得基因表达。recA受到LexA得不完全抑制,细胞内有少量得RecA分子。当DNA受到损伤出现得单链DNA分子时就可以与之结合。这些基因包括紫外线损伤修复基因、单链结合蛋白基因、DNA聚合酶V和VI基因等,这些基因得表达使得细菌对损伤得DNA进行修复(虽然错误率较高)、减少代谢、抑制细胞分