原核基因表達(dá)調(diào)控

第二十

章原核生物基因表達(dá)調(diào)控RegulationofGeneExpressioninProkaryotes基因表達(dá)的概念*基因(gene)負(fù)載特定遺傳信息的DNA片斷，通常包括DNA編碼序列、非編碼調(diào)節(jié)序列和內(nèi)含子?；蚪?jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學(xué)功能的RNA或蛋白質(zhì)分子的過(guò)程。*基因表達(dá)(geneexpression)基因表達(dá)是受調(diào)控的*基因組(genome)一個(gè)細(xì)胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息?；虮磉_(dá)的時(shí)間性及空間性（一）時(shí)間特異性按功能需要，某些特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的時(shí)間特異性(temporalspecificity)。多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。（二）空間特異性基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個(gè)體生長(zhǎng)全過(guò)程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達(dá)的空間特異性(spatialspecificity)?；虮磉_(dá)調(diào)控的基本原理基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控基因激活轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后加工mRNA降解等蛋白質(zhì)降解等翻譯翻譯后加工修飾轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄起始第一節(jié)

原核生物基因表達(dá)特點(diǎn)CharacteristicsofGeneExpressionofProkaryotes

操縱子(operon)是由若干個(gè)結(jié)構(gòu)基因及其上游調(diào)控序列組成的轉(zhuǎn)錄單元。結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受調(diào)控序列控制。調(diào)控序列包括啟動(dòng)子(promoter,P)和操作序列(operator,O)。一、操縱子是原核生物的基因轉(zhuǎn)錄單元蛋白質(zhì)因子特異DNA序列結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子

操作序列其它調(diào)節(jié)序列(promoter)(operator)是RNA聚合酶識(shí)別，結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的特異DNA序列。1)

啟動(dòng)子RNA轉(zhuǎn)錄起始-35區(qū)-10區(qū)TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrp

tRNATyrlacrecAAra

BADTTGACATATAAT共有序列2操作序列

——阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點(diǎn)當(dāng)操作序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng)，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)基因操作序列pol阻遏蛋白3)

其他調(diào)節(jié)序列、調(diào)節(jié)蛋白例如激活蛋白(activator)可結(jié)合啟動(dòng)子鄰近的DNA序列，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，如分解（代謝）物基因激活蛋白（catabolitegeneactivateprotein,CAP）。有些基因在其調(diào)控序列上沒(méi)有激活蛋白存在時(shí)，RNA聚合酶很少或完全不能結(jié)合啟動(dòng)子。二、原核生物中mRNA的轉(zhuǎn)錄、翻譯和降解偶聯(lián)進(jìn)行細(xì)菌mRNA所編碼的蛋白質(zhì)數(shù)量有很大差異。有的mRNA只帶有一個(gè)結(jié)構(gòu)基因的信息（編碼一個(gè)蛋白），稱為單順?lè)醋觤RNA（monocistronicmRNA）；大部分mRNA都是從操縱子轉(zhuǎn)錄而成，帶有編碼幾個(gè)甚至十幾個(gè)蛋白質(zhì)的序列信息，這種mRNA是從幾個(gè)首尾相連的結(jié)構(gòu)基因（存在于一個(gè)操縱子中）一次轉(zhuǎn)錄而成，稱為多順?lè)醋觤RNA（polycistronicmRNA）。三、mRNA所攜帶的信息差別很大第二節(jié)原核生物基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控RegulationofProkaryoticGeneExpressionatTranscriptionLevel（一）特定的DNA序列是轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

在基因內(nèi)和基因外都有一些特定的DNA序列，與結(jié)構(gòu)基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)、能夠被基因調(diào)控蛋白特異性識(shí)別和結(jié)合，這些特定的DNA序列稱為順式作用元件（cis-actingelements），亦稱為順式調(diào)控元件。在原核生物中主要是啟動(dòng)子、阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)(操作序列operator)、正調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)、增強(qiáng)子等。一、轉(zhuǎn)錄調(diào)控是以特定的DNA序列和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)E.Coli

的部分調(diào)控區(qū)

（二）調(diào)控蛋白具有結(jié)合DNA所需的結(jié)構(gòu)特征

轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactors）:能夠與順式作用元件特異性結(jié)合、對(duì)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程有調(diào)控作用的蛋白質(zhì)。

激活蛋白或正調(diào)控蛋白:對(duì)基因表達(dá)有激活作用的蛋白質(zhì)阻遏蛋白:對(duì)基因表達(dá)有抑制作用的蛋白質(zhì)最常見(jiàn)的DNA結(jié)合模體（motif）

1.鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結(jié)合GC盒standforzincion

2.螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix,HTH）usuallybindstoCAATbox（一）σ因子和啟動(dòng)子決定轉(zhuǎn)錄是否能夠起始二、特定蛋白質(zhì)與DNA結(jié)合后控制轉(zhuǎn)錄起始原核生物中存在有幾種σ亞基，它們競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合RNA聚合酶，并且所識(shí)別的啟動(dòng)子的共有序列不完全相同。環(huán)境變化可誘導(dǎo)產(chǎn)生一些特定的σ亞基，從而打開(kāi)一套特定的基因的表達(dá)。例如:◆熱休克基因:σ32(分子質(zhì)量32kD)◆細(xì)胞移動(dòng)和細(xì)胞化學(xué)趨化相關(guān)基因:σ28◆氮代謝相關(guān)基因:σ54當(dāng)操作序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會(huì)阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動(dòng)，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)基因操作序列pol阻遏蛋白（二）阻遏蛋白結(jié)合操作序列對(duì)轉(zhuǎn)錄起始進(jìn)行負(fù)調(diào)控P405當(dāng)特定的信號(hào)分子與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白失活，從DNA上脫落下來(lái)，稱為去阻遏，或脫阻遏（derepression）。

激活蛋白(activator)可結(jié)合啟動(dòng)子鄰近的正調(diào)控元件，促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)序列的結(jié)合，增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，如在缺乏葡萄糖的環(huán)境中，cAMP結(jié)合于CAP，誘導(dǎo)其構(gòu)象改變，使之能結(jié)合于特定的DNA序列，激活基因的轉(zhuǎn)錄。（三）激活蛋白結(jié)合正調(diào)控元件而對(duì)轉(zhuǎn)錄起始進(jìn)行正調(diào)控P407三、原核基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄過(guò)程可通過(guò)不同模式進(jìn)行調(diào)控

乳糖操縱子受阻遏蛋白（負(fù)性調(diào)節(jié)）和CAP（正性調(diào)節(jié)）的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)

乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制

P406408-409（一）乳糖操縱子(lac

operon)的結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操作序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；竄YAOPDNAI調(diào)節(jié)基因mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒(méi)有乳糖存在時(shí)（二）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半（異）乳糖β-半乳糖苷酶++++轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)（三）CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPcAMPCAPpol（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)※當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；※當(dāng)無(wú)CAP存在時(shí)，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操作序列結(jié)合，操縱子轉(zhuǎn)錄活性仍然很弱。若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌才利用乳糖作碳源；葡萄糖對(duì)lac

操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

mRNA低乳糖時(shí)高乳糖時(shí)葡萄糖低cAMP濃度高葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO1、基因、基因組，基因表達(dá)、基因表達(dá)調(diào)控。2、操縱子概念和原核生物乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)及調(diào)控機(jī)理。

3、順式作用元件與反式作用因子的概念。復(fù)習(xí)要點(diǎn)SummaryKeywordsRepressorActivatorProkaryoteCAPGeneexpressionOperatorPromoterOperonCis-actingelementTrans-actingfactor1.Somegenesareexpressedconstitutively,butthetranscriptionofothergenesisregulated.Transcriptionmayberegulatedbyarepressororanactivator.2.Inprokaryotes,coordinatedgenecontrolisachievedbyclusteringcoordinatedstructuralgenesonthechromosome(operon)sothattheyaretranscribedintomultigenic

mRNAs(polycistron).3,Transcriptionofthethreegenesofthelac

operonisblockedwhenlacrepressorbindstooperatornearthepromoter.Therepressordissociates