（推荐）分子生物学第六章基因的表达与调控上完美.ppt

1,6 基因的表达与调控(上) 原核基因表达调控模式,2,原核生物细胞: 基因和蛋白质种类较少 如大肠杆菌基因组约为4.60 x106bp共有4288个可读框3,据估计，一个细胞中总共含有107个蛋白质分子，如果每个基因等同翻译的话，任何一个多肽应有2500个拷贝 但是，这些蛋白质并不是以相同拷贝数存在于每个细胞中的，有些蛋白质的数目相当固定，另一些则变化很大 每个大肠杆菌细胞可以有约15000个核糖体，与其结合的约50种核糖体蛋白，数量也是十分稳定的糖酵解体系的酶含量很大，其数目也极恒定4,如DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代谢过程中十分必需的酶或蛋白质，其合成速率不受环境变化或代谢状态的影响，这一类蛋白质被称为组成型(constitutive)合成蛋白质5,另一种类型的蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变，被称为适应型或调节型（adaptive or regulated)蛋白质6,一般情况下，一个大肠杆菌细胞中只有15个分子的-半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每细胞中这个酶的量可高达几万个分子 其他参与糖代谢的酶，氨基酸、核苷酸合成系统的酶类，其合成速度和总量都随培养条件的变化而改变。

7,细菌中所利用的大多数基本调控机制一般执行如下规律： 一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭是通过调节转录来建立的，也就是说在mRNA的合成水平上调节 实际上，当我们说一个系统处于关闭状态时，也可能有本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成1或2个mRNA分子和极少量的蛋白质分子表示是基因表达量特别低，很难甚至无法检测8,61 原核基因表达调控总论,基因表达： 从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(gene expression） 对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control) rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达 基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题9,10,组成性表达(constitutive expression) 适应性表达(adaptive expression）,基因表达的方式,11,1、组成性表达：,指不大受环境变动而变化的一类基因表达某些基因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(housekeeping gene)12,2、适应性表达 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(inducible gene)； 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(repressible gene)13,基因表达的规律 时间性和空间性,1、时间特异性（temporal specificity）,14,15,2、空间特异性(spatial specificity),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(cell or tissue specificity)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16,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）,17,基因表达调控主要表现： (1)转录水平上的调控 (transcriptional regulation)； (2)转录后水平上的调控 (post transcriptional regulation),18,转录后水平上的调控包括: mRNA加工成熟水平上的调控 (differential processing of RNA transcript)； 翻译水平上的调控 (differential translation of mRNA)。

19,原核生物中 营养状况(nutritional status) 环境因素(environmental factor) 对基因表达起着举足轻重的影响 真核生物尤其是高等真核生物中 激素水平(hormone level) 发育阶段(developmental stage) 是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降20,21,原核: 转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相偶联 真核生物: 转录产物只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质22,6.1.1 原核基因调控机制的类型与特点,原核生物的基因调控主要发生在转录水平上 根据调控机制的不同可分为： 负转录调控(negative transcription regulation) 正转录调控(positive transcription regulation),23,在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor)，起着阻止结构基因转录的作用 根据其作用特征又可分为: 负控诱导 负控阻遏 二大类24,在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物(诱导物)结合时，结构基因不转录； 在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。

阻遏蛋白作用的部位是操纵区25,在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator) 根据激活蛋白的作用性质分为: 正控诱导系统 正控阻遏系统26,在正控诱导系统中，效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状态； 在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态27,28,转录水平上调控的其他形式,1. 因子的更换 在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合29,参与大肠杆菌基因表达调控最常见的蛋白质是因子30,温度较高,诱导产生各种热休克蛋白 由32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要,枯草芽孢杆菌芽孢形成 有序的因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达,31,除参与氮代谢的54以外，其它5种因子在结构上具有同源性，所以统称70家族 所有因子都含有4个保守区，其中第2个和第4个保守区参与结合启动区DNA，第2个保守区的另一部分还参与双链DNA解开成单链的过程32,大多数因子特异性结合DNA上的-35区和-10区，而54因子识别并与DNA上的-24和-12区相结合。

在与启动子结合的顺序上: 70类启动子在核心酶结合到DNA链上之后才能与启动子区相结合 54则类似于真核生物的TATA区结合蛋白(TBP)，可以在无核心酶时独立结合到启动子上33,通过特殊代谢物调节的基因活性主要有两大类： 可诱导 可阻遏,34,(1)可诱导调节： 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35,大肠杆菌在含有葡萄糖的培养基中生长良好，在只含乳糖的培养基中开始时生长不好，直到合成了利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳糖作为碳源的能力才开始生长 细菌在诱导物乳糖的诱导下开动了乳糖操纵子，表达它所编码的3个酶： -半乳糖苷酶(使乳糖水解为半乳糖和葡萄糖) -半乳糖苷透过酶(使乳糖进入细菌细胞内) -半乳糖苷乙酰基转移酶(使-半乳糖第六位碳原子乙酰化)36,在葡萄糖培养基中生长时，每个细胞只有几个-半乳糖苷酶分子，但若转移到乳糖培养基中，几分钟后，每个细菌细胞内可产生3000个酶分子 因此，这类基因被称为可诱导基因 这类酶被称为诱导酶 这个生化过程被称为酶的诱导合成37,(2)可阻遏调节： 这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。

38,大肠杆菌生活中必须有色氨酸，一般情况下，色氨酸操纵子是开启的 如果在细菌培养基中加入色氨酸，使之能利用培养基中的色氨酸来维持生活而不需要再费力去合成，细菌往往能在2-3 min内完全关闭该操纵子39,某一代谢途径最终产物合成酶的基因可以被这个产物本身所关闭 这种基因被称为可阻遏基因 这些酶被称为可阻遏酶 这个现象被称为可阻遏现象 这些起阻遏作用的小分子被称为阻遏物40,一般规律： 可诱导的操纵子总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因，这些糖和氨基酸平时含量很少，细菌总是利用更一般的能源物质葡萄糖的水解来提供能源，因此，这些操纵子常常是关闭的 一旦生存条件发生变化，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41,可阻遏基因是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质(如氨基酸、嘌呤和嘧啶等)的基因，由于这类物质在生命过程中的重要地位，这些基因总是打开着的 只有当细菌生活环境中有充分供应时，才关闭这些基因，停止其合成42,612 弱化子对基因活性的影响,大肠杆菌中色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子等的调节方式是通过弱化子调节的 在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰-tRNA的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。

当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时43,起终止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子 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 起调节作用的信号分子是细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度，因此是转录调节中的微调整，只要稍加变动就可影响整个体系的功能44,属于这种调节方式的有: 大肠杆菌中的色氨酸操纵子 苯丙氨酸操纵子 苏氨酸操纵子 异亮氨酸操纵子 缬氨酸操纵子 沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等45,613 降解物对基因活性的调节,操纵子学说的核心是使基因从表达抑制状态中解脱出来进行转录，是从负调节的角度来考虑基因表达调控的 如何通过正调节以提高基因的转录水平，使它由原来的低水平表达变成高水平表达，这就是降解物抑制作用的调节46,有葡萄糖存在的情况下，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，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用因为添加葡萄糖后，细菌所需要的能量便可从葡萄糖得到满足，细菌无需开动一些不常用的基因去利用那些稀有的糖类。

47,葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，减少cAMP的合成 与它相结合的蛋白质环腺苷酸受体蛋白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 降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，是一种积极的调节方式48,614 细菌的应急反应,在所谓“正常”，也包括生活环境中缺少某一种或两种能源，细菌能找到其他代用物，进行正常生活条件下的基因表达调节 可是，细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少一二种氨基酸，而是氨基酸的全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，包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止 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) 产生这两种物质的诱导物是空载tRNA49,当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的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的出现会关闭许多基因，当然也会打开一些合成氨基酸的基因，以应付这种紧急状况 关于ppGpp的作用原理还不大清楚50,一般认为RNA聚合酶有不同的构象，这些构象可以识别不同的。