基因的表達與調(diào)控(上)

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第七章基因的表達與調(diào)控(上)

——原核基因表達調(diào)控模式

主要內(nèi)容

1.原核基因表達調(diào)控總論2.乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)3.色氨酸操縱子與負控阻遏系統(tǒng)4.轉(zhuǎn)錄水平的其他調(diào)控方式5.轉(zhuǎn)錄后調(diào)控

7.1原核基因表達調(diào)控總論□基因表達(geneexpression):從DNA到蛋白質(zhì)或功能RNA的過程□基因表達調(diào)控(generegulation或genecontrol)對基因表達過程的調(diào)理

□基因表達調(diào)控主要表現(xiàn)在兩個方面：1.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控(transcriptionalregulation)2.轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控(past-transcriptionalregulation)1)mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(differentialprocessingofRNAtrscript)2)翻譯水平上的調(diào)控□原核生物中，營養(yǎng)狀況(nutritionalstatus)和環(huán)境因素(enviromentalfactor)對基因表達起著舉足輕重的影響；在真核生物中特別是高等真核生物激素水平(hormonelevel)和發(fā)育階段(developmentalstage)是基因表達調(diào)控的最主要的手段。

7.1.1原核基因調(diào)控分類□負轉(zhuǎn)錄調(diào)控(negativetranscriptionregulation)調(diào)解基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白(repressor),起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作

用根據(jù)其特征又分為：1)負控誘導：阻遏蛋白(活性)不與效應物(誘導物)結(jié)合時，

結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。2)負控阻遏：阻遏蛋白(非活性)與效應物結(jié)合時(阻遏蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚誀顟B(tài))結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。□正轉(zhuǎn)錄調(diào)控(positivetranscriptionregulation)調(diào)解基因的產(chǎn)物是激活蛋白(activator)1)正控誘導系統(tǒng)：誘導物的存在使激活蛋白處于活化狀態(tài)2)正控阻遏系統(tǒng)：效應物的存在使激活蛋白處于非活化狀態(tài)

負控誘導系統(tǒng)

正控誘導系統(tǒng)

負控阻遏系統(tǒng)

正控阻遏系統(tǒng)

7.1.2原核基因調(diào)控的主要特點1.可誘導調(diào)理指一些基因在特別的代謝物或化合物的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導下使基因活化。例子：大腸桿菌的lac操縱子可誘導基因；可誘導酶；酶的誘導合成2.可阻遏調(diào)理這類基因平日都是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中，由于一些特別代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達。例子：大腸桿菌的Trp操縱子

可阻遏基因；可阻遏酶；可阻遏現(xiàn)象；阻遏物□一般規(guī)律：可誘導的操縱子總是一些編碼糖和AA分解代謝蛋白的基因，這些操縱子往往是關(guān)閉的；可阻遏基因正好相反，他們是一些合成各種細胞代謝過程中所必需的小分子物質(zhì)的基因，這些基因往往是開啟的。

7.1.3弱化子對基因活性的影響在這種調(diào)理方式中，起信號作用的是有特別負載的AA-tRNA的濃度，

是轉(zhuǎn)錄調(diào)理中的微調(diào)整。當操縱子被阻遏，RNA合成被終止時

,起終止轉(zhuǎn)錄信號作用的那一段核苷酸被稱為弱化子。例子：Trp操縱子的弱化作用7.1.4降解物對基因活性的調(diào)理在葡萄糖存在的狀況下，即使在細菌培養(yǎng)基中參與乳糖、半乳糖等誘導物，與其對應的操縱子也不會啟動，不會產(chǎn)生出代謝這些糖的酶，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應或降解物抑制效應。降解物抑制作用是通過提高轉(zhuǎn)錄強度來調(diào)理基因表達的。7.1.5細菌的應急反應

應急反應的信號：ppGpp和pppGpp。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導物是空載tRNA。

7.2乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)□操縱子模型操縱子：基因表達的協(xié)同單位。指原核生物中由一個或多個相關(guān)基因以及轉(zhuǎn)錄翻譯調(diào)控元件組成的基因表達單元。操縱子學說：關(guān)于原核基因結(jié)構(gòu)及其表達調(diào)控的學說□法國巴斯德研究所Jacob和Monod在1961年提出□操縱子的組成

1)結(jié)構(gòu)基因2)調(diào)理基因(I)3)控制部位：可接受調(diào)理基因產(chǎn)物的調(diào)理。包括啟動子(P區(qū))和操縱基因(O區(qū))。

調(diào)理基因

控制部位

結(jié)構(gòu)基因

7.2.1乳糖操縱子模型1)Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順販子的mRNA分子所編碼

Z基因：編碼β-半乳糖苷酶Y基因：編碼β-半乳糖苷透過酶A基因：編碼β-半乳糖乙酰基轉(zhuǎn)移酶2)該mRNA分子的啟動區(qū)(P)位于阻遏基因(I)與操縱區(qū)(O)之間，不能單獨起始半乳糖苷酶和透過酶的高效表達3)操縱區(qū)(O)是DNA上的一小段序列(僅為26bp),是阻遏物的結(jié)合位點。4)當阻遏物與操縱區(qū)結(jié)合時，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。5)誘導物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成

□這一模型僅解釋了lac體系的負控系統(tǒng)，在lac操縱子同樣存在正調(diào)控！

β-半乳糖苷酶

透過酶

乙?；D(zhuǎn)移酶

7.2.2lac操縱子的影響因子1.lac操縱子的本底水平表達□問題：1)誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運誘導物需要透過酶，透過酶的合成又需要誘導。第一個誘導物是如何到達細胞的？2)乳糖(G-1,4-gal)并不與阻遏物結(jié)合，真正的誘導物是異乳糖(G-1,6-gal)而異乳糖是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。乳糖誘導β-半乳糖苷酶的合成需要β-半乳糖苷酶的預先存在！□對這一現(xiàn)象的解釋：

在非誘導狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成(大約每個世代中有1-5個mRNA分子)這種合成被稱為本底水平的永久型合成

□研究誘導作用時很少適用乳糖，而用乳糖類似物1)異丙基巰基半乳糖苷(IPTG)

2)巰甲基半乳糖苷(TMG)3)在酶活性分析中，常用顯色底物O-硝基半乳糖苷(ONPG)□他們都是高效誘導物，但不是半乳糖苷酶的底物，因此稱為安慰性

誘導物

2.大腸桿菌對乳糖的反應本底水平表達(幾個分子的β-半乳糖苷酶和透過酶)

↓乳糖在透過酶作用下，lac進入細胞，又在β半乳糖苷酶作用下乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

異乳糖↓異乳糖與結(jié)合在操縱區(qū)上的阻遏物結(jié)合導致

阻遏物失活↓lacmRNA開始合成

3.阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能□lacI基因產(chǎn)物為阻遏蛋白，由4個一致亞基，每個亞基均含有347AA,并能與1分子IPTG結(jié)合?！鮨ac阻遏物mRNA是在弱啟動子控制下永久合成的?！醍擨基因由弱啟動子突變成強啟動子，細胞內(nèi)不能產(chǎn)生足夠的誘導物來戰(zhàn)勝阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在這些突變體中不可誘導。

4.葡萄糖對lac操縱子的影響β-半乳糖苷酶

lac——————→G+gal

gal操縱子

G

G耗盡

□將G和lac同時參與培養(yǎng)基，大腸桿菌在耗盡外源G之前不會誘發(fā)lac操縱子

□G對lac操縱子表達的抑制是間接的證據(jù)：一個大腸桿菌突變株，他在EMP途徑中不能將G-6-P轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，這些細菌的lac基因能在葡萄糖存在時被誘導

合成。□代謝物阻遏效應(葡萄糖效應)葡萄糖的某些降解產(chǎn)物(不是葡萄糖)抑制lacmRNA合成的現(xiàn)象(或：有葡萄糖存在時，不管誘導物存在與否，操縱子都沒有轉(zhuǎn)錄活性，結(jié)構(gòu)基因都不表達)

5.cAMP與代謝物激活蛋白(lac操縱子的正調(diào)理)□在大腸桿菌中，cAMP的濃度受G代謝的調(diào)理1)將細菌放在缺乏碳源的培養(yǎng)基中，細胞內(nèi)cAMP濃度就高；2)假使在含G培養(yǎng)基中，細胞內(nèi)cAMP濃度就低；3)假使培養(yǎng)基中只有甘油或乳糖等不進行EMP途徑(甘油其實可進入EMP途徑)

的碳源，細胞內(nèi)cAMP濃度也會很高。

說明：在EMP途徑中位于G-6-P與甘油之間的某些代謝產(chǎn)物是cAMP酶的抑制劑□大腸桿菌中的代謝物激活蛋白(CAP),或稱為cAMP-受體蛋白(CRP),由Crp基因編碼，能與cAMP形成復合物cAMP-CRP?！魿rp和cAMP酶基因突變的細菌都不能合成lacmRNACRP和cAMP(兩者單獨不起作用)都是合成lacmRNA所必需的！

□G會降低細胞內(nèi)cAMP的水平。當G缺乏時，大腸桿菌細胞內(nèi)cAMP上升，CRP結(jié)合到cAMP上。CRP-cAMP結(jié)合到緊鄰RNAPol結(jié)合位點上游的

lac操縱子Plac上。CRP的結(jié)合引起DNA鏈發(fā)生90度彎曲，這加強RNAPol與啟動子的結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄效率提高50倍?！跫毦鷮?/p>