第7章1基因的表達(dá)調(diào)控原核精簡(jiǎn)

第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控概述第二節(jié)原核細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控第三節(jié)真核細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控本章主要內(nèi)容目前一頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)第一節(jié)基因表達(dá)調(diào)控概述1.1基因表達(dá)調(diào)控的概念1.2基因表達(dá)調(diào)控的元件和作用方式1.3基因表達(dá)調(diào)控的策略概述目前二頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)1.1基因表達(dá)調(diào)控的概念基因表達(dá)(geneexpression)是指基因通過轉(zhuǎn)錄和翻譯而產(chǎn)生其蛋白質(zhì)產(chǎn)物，或轉(zhuǎn)錄后直接產(chǎn)生其RNA產(chǎn)物(如tRNA，rRNA等)的過程。目前三頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)真核細(xì)胞基因表達(dá)目前四頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)基因表達(dá)調(diào)控的必要性細(xì)菌基因組一般編碼約4,000個(gè)基因，人的基因組中含有30,000多個(gè)基因。設(shè)想一下如果這么多的基因同時(shí)表達(dá)會(huì)出現(xiàn)什么樣的情況?目前五頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)細(xì)菌中蛋白質(zhì)合成的延伸因子是細(xì)菌中最豐富的蛋白血紅蛋白只在紅細(xì)胞中存在DNA修復(fù)系統(tǒng)的酶需要量很少有些基因(如決定細(xì)胞性質(zhì)的基因)只在某一些或幾個(gè)細(xì)胞中表達(dá)目前六頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)發(fā)育調(diào)節(jié)基因bithorax表達(dá)模式的改變結(jié)果果蠅發(fā)育中基因的正常表達(dá)改變的結(jié)果目前七頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)Hutchinson-Gilfordsyndrome目前八頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)目前九頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)目前十頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)agWildtype目前十一頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)1.2基因表達(dá)調(diào)控的元件和作用方式持家基因，看家基因，組成型表達(dá)基因，常備基因。理論上在所有的細(xì)胞中都能進(jìn)行正常表達(dá)，并為所有類型細(xì)胞的生命活動(dòng)提供基本功能的基因，其產(chǎn)物在不同細(xì)胞中的濃度大體保持一致，不易受環(huán)境條件的影響。有其機(jī)密的調(diào)控機(jī)制以保持基因的表達(dá)水平保持在恒定狀態(tài)。目前十二頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)奢侈基因(luxurygene)又叫可調(diào)節(jié)基因，是在特殊的細(xì)胞類型中為特化功能蛋白質(zhì)編碼的基因，其表達(dá)和調(diào)控機(jī)制都受到環(huán)境條件的影響。目前十三頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)奢侈基因(luxurygene)在不同時(shí)期和不同條件下基因表達(dá)的開啟或關(guān)閉以及基因活性的增加或減弱等，是受到調(diào)節(jié)控制的，這種控制被稱為基因表達(dá)的調(diào)控。目前十四頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)基因的阻遏---與誘導(dǎo)相反，某種信號(hào)使得基因的表達(dá)水平降低(或叫下降、下調(diào))，基因的產(chǎn)物減少。這個(gè)過程叫做“阻遏”(repression)。基因的誘導(dǎo)－指某種信號(hào)使得基因的表達(dá)水平提高(或叫上升、上調(diào))，基因的產(chǎn)物增多。這個(gè)過程叫做“誘導(dǎo)(induction)。目前十五頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)指編碼蛋白質(zhì)或RNA的任何基因。它們編碼功能各異的蛋白質(zhì)和RNA，作為酶、細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)以及調(diào)節(jié)蛋白等。目前十六頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)調(diào)節(jié)基因(regulatorgene)是參與其他基因表達(dá)調(diào)控的基因，編碼的產(chǎn)物是RNA或蛋白質(zhì)。目前十七頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物(RNA或蛋白)通過與特定的DNA序列結(jié)合來調(diào)節(jié)其他基因的表達(dá)。可以使基因的表達(dá)上升(正調(diào)控，positiveregulation)或下降(負(fù)調(diào)控，negativeregulation)。目前十八頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)激活蛋白(activator)，或叫做激活子，是由調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白，可以開啟結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄因子就是屬于激活蛋白。目前十九頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)阻遏蛋白(repressor)，由調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白，由本身或與輔阻遏物一起阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。目前二十頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)激活蛋白與阻遏蛋白對(duì)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控目前二十一頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的蛋白結(jié)合的DNA序列種類很多，如啟動(dòng)子、終止子、增強(qiáng)子、衰減子、沉默子和各種應(yīng)答元件等。目前二十二頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)正調(diào)控系統(tǒng)在一個(gè)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的體系中，調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白是激活蛋白，這樣的基因表達(dá)調(diào)節(jié)體系叫正調(diào)控系統(tǒng)。目前二十三頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)在正調(diào)控系統(tǒng)中，基因開啟轉(zhuǎn)錄的必要條件是要有調(diào)節(jié)蛋白的存在，否則基因就無(wú)法轉(zhuǎn)錄。如真核基因轉(zhuǎn)錄時(shí)，僅有RNA聚合酶是不夠的，還必須有轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)節(jié)蛋白存在。目前二十四頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)負(fù)調(diào)控系統(tǒng)在基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控中，調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白是阻遏蛋白，本身或與輔阻遏物一起阻止結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，這樣調(diào)節(jié)系統(tǒng)叫負(fù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。但當(dāng)有誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合后，阻遏蛋白就會(huì)失去活性使結(jié)構(gòu)基因得以轉(zhuǎn)錄。目前二十五頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)在負(fù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，基因一般是不轉(zhuǎn)錄的，因?yàn)檗D(zhuǎn)錄被阻遏蛋白抑制。基因開啟轉(zhuǎn)錄的必要條件是除去阻遏蛋白。目前二十六頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)1.3基因表達(dá)調(diào)控的策略概述原核生物的基因表達(dá)主要取決于環(huán)境因素的誘導(dǎo)及細(xì)胞對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)。原核生物是單細(xì)胞生物，直接生活在復(fù)雜多變的環(huán)境中，食物供應(yīng)毫無(wú)保障。目前二十七頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)為了維持自身的生存和繁衍，必須不斷地通過對(duì)自身基因的表達(dá)調(diào)節(jié)以適應(yīng)環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)條件和應(yīng)付各種不利的理化因素。目前二十八頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)真核生物的基因表達(dá)則十分復(fù)雜，其調(diào)控系統(tǒng)也更為完善。真核生物的代謝途徑和食物來源都是比較穩(wěn)定的，但它們的絕大多數(shù)都是多細(xì)胞的復(fù)雜有機(jī)體。目前二十九頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)真核生物在個(gè)體發(fā)育過程中出現(xiàn)細(xì)胞分化，形成組織和器官。真核生物中基因表達(dá)調(diào)控的明顯特征是能在特定時(shí)間和特定細(xì)胞中激活特定基因的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)分化和發(fā)育，并使組織和器官保持正常功能。目前三十頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)盡管許多主要的基因調(diào)控方式是原核生物和真核生物共同具有的，但它們?cè)谡{(diào)控策略上有明顯的不同，在調(diào)控方式上也存在區(qū)別。目前三十一頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)原核生物的基因表達(dá)調(diào)控可以在DNA、轉(zhuǎn)錄和翻譯三個(gè)不同的層次上進(jìn)行，但轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控是最主要的，尤其是轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控，這是最經(jīng)濟(jì)最有效的調(diào)節(jié)方式。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控的主要策略目前三十二頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)操縱子是原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要形式原核生物的基因一般成簇排列構(gòu)成一個(gè)操縱子，一個(gè)操縱子中的每個(gè)基因都受單一啟動(dòng)子的調(diào)控。目前三十三頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)目前三十四頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)1937年，Monod發(fā)現(xiàn)細(xì)菌二次生長(zhǎng)曲線1951年開始與Jacob合作研究1961年在法國(guó)的《分子生物學(xué)》發(fā)表《蛋白質(zhì)合成過程中的調(diào)節(jié)機(jī)制》，提出操縱子學(xué)說。1965年獲得諾貝爾獎(jiǎng)目前三十五頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)原核細(xì)胞的DNA沒有核膜包裹，因此轉(zhuǎn)錄和翻譯是耦聯(lián)的。這是原核生物中衰減子負(fù)調(diào)控的基礎(chǔ)。很多調(diào)節(jié)氨基酸或核苷酸合成代謝的操縱子存在衰減子結(jié)構(gòu)。目前三十六頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)原核生物中轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控形式除了操縱子以外，還有其他形式，例如通過DNA重排、sigma因子的更換和分解代謝的阻遏來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的起始，通過衰減子調(diào)控轉(zhuǎn)錄的終止等。目前三十七頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)在翻譯水平上的調(diào)控包括通過重疊基因、mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)和反義RNA對(duì)翻譯起始的調(diào)控，通過稀有密碼子對(duì)翻譯延伸的調(diào)控，通過嚴(yán)緊反應(yīng)和mRNA的穩(wěn)定性對(duì)翻譯終止的調(diào)控等。目前三十八頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)真核生物的基因表達(dá)調(diào)控的主要策略真核生物的基因表達(dá)和調(diào)控要比原核生物復(fù)雜得多，產(chǎn)生差異的根本原因在于真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特征。目前三十九頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)真核細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控有更多的調(diào)控位點(diǎn)目前四十頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)第二節(jié)原核細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控原核生物基因表達(dá)調(diào)控的幾個(gè)重要特點(diǎn)√多組成操縱子進(jìn)行調(diào)控√以負(fù)調(diào)控為主√基因表達(dá)調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平目前四十一頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)本節(jié)主要內(nèi)容2.1操縱子2.2基因表達(dá)的時(shí)序調(diào)節(jié)2.3生長(zhǎng)速度的調(diào)節(jié)2.4細(xì)菌的SOS反應(yīng)2.5翻譯水平的調(diào)控目前四十二頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)2.1操縱子（operon）操縱子是原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要形式，是原核生物細(xì)胞DNA上的一段區(qū)域，由若干功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因和控制這些基因表達(dá)的元件組成的一個(gè)完整的連續(xù)的功能單位。目前四十三頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)操縱子的活性受到調(diào)節(jié)基因的控制，調(diào)解基因的產(chǎn)物通過與操縱子上的DNA序列相互作用而調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。目前四十四頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白或激活蛋白阻遏蛋白一般與操縱基因結(jié)合，阻礙RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合，從而關(guān)閉結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。激活蛋白一般與啟動(dòng)子上游處的DNA序列結(jié)合，促進(jìn)RNA聚合酶對(duì)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，目前四十五頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)乳糖操縱子（lactoseoperon）調(diào)節(jié)基因LacI，有自己的啟動(dòng)子和終止子。編碼阻遏蛋白乳糖操縱子的組成操縱基因LacO，28bp的DNA序列，不編碼任何產(chǎn)物，可以與阻遏蛋白結(jié)合，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄3個(gè)結(jié)構(gòu)基因ZYA目前四十六頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)阻遏蛋白與操縱基因的結(jié)合目前四十七頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)細(xì)菌的二次生長(zhǎng)曲線當(dāng)細(xì)菌在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)時(shí)，首先利用葡萄糖，待葡萄糖消耗完之后才開始利用乳糖。結(jié)果在葡萄糖消耗完之后細(xì)菌的生長(zhǎng)有個(gè)暫時(shí)的停頓。乳糖操縱子的發(fā)現(xiàn)是從研究細(xì)菌的二次生長(zhǎng)曲線開始的后來發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌利用葡萄糖的酶是組成型表達(dá)的，而利用乳糖的酶是誘導(dǎo)型的。目前四十八頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)細(xì)菌分解乳糖的酶是如何被誘導(dǎo)表達(dá)的呢沒有乳糖時(shí)目前四十九頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)細(xì)菌分解乳糖的酶是如何被誘導(dǎo)表達(dá)的呢？沒有乳糖時(shí)有乳糖時(shí)*Animation目前五十頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)開啟結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，是一個(gè)誘導(dǎo)物，但是真正直接起誘導(dǎo)作用的是異乳糖(allolactose)。誘導(dǎo)物（inducer）在乳糖操縱子中，乳糖可以與阻遏蛋白結(jié)合使之失活，目前五十一頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)異乳糖的來源：是細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的β-半乳糖苷酶催化乳糖形成的產(chǎn)物之一，另一種產(chǎn)物是半乳糖和葡萄糖。目前五十二頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)問題：乳糖操縱子的酶是誘導(dǎo)酶，基因的表達(dá)要受到乳糖的誘導(dǎo)才能開始；那么，這一切該如何解釋呢？可是乳糖在細(xì)胞外，操縱子在細(xì)胞內(nèi)，乳糖要進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)才能開始誘導(dǎo)；而乳糖進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)需要β-半乳糖苷透性酶的作用，但是β-半乳糖苷透性酶卻是乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)基因，沒有乳糖是不能表達(dá)的。目前五十三頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)當(dāng)培養(yǎng)基中沒有乳糖時(shí)，Lac操縱子也是在表達(dá)的，只是水平比較低，其中的β-半乳糖苷每個(gè)細(xì)胞不多于5個(gè)分子。此謂“本底表達(dá)”（為誘導(dǎo)水平的1/1000）。這表明，阻遏蛋白對(duì)操縱子的阻遏是不完全的，有“滲漏”。乳糖操縱子的本底表達(dá)目前五十四頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)本底表達(dá)的少數(shù)結(jié)構(gòu)基因產(chǎn)物的分子在細(xì)胞內(nèi)起著“監(jiān)測(cè)”的作用，當(dāng)細(xì)菌遇到誘導(dǎo)物乳糖時(shí)，即刻將其運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)，在2-3分鐘內(nèi)細(xì)胞內(nèi)的β-半乳糖苷酶就可以達(dá)到5000分子/細(xì)胞，濃度可以達(dá)到細(xì)胞內(nèi)蛋白的5-10%，以便細(xì)菌迅速利用乳糖。目前五十五頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)但是lacmRNA極不穩(wěn)定，半衰期僅有約3分鐘，所以這種誘導(dǎo)能很快逆轉(zhuǎn)。只要誘導(dǎo)物乳糖消失，基因轉(zhuǎn)錄就停止。mRNA在很短的時(shí)間內(nèi)被降解，mRNA含量又回落到誘導(dǎo)前的基礎(chǔ)水平。目前五十六頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)基因工程中，利用乳糖操縱子來表達(dá)外源基因時(shí)，一般不是使用乳糖來誘導(dǎo)基因的表達(dá)，而是利用一種合成的小分子叫IPTG，不被β-半乳糖苷酶水解，其濃度保持不變，可以促使外源基因一直表達(dá)。目前五十七頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)如何解釋葡萄糖效應(yīng)(降解物阻遏)當(dāng)細(xì)菌的培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖，待葡萄糖消耗完畢后才開始利用乳糖。這種現(xiàn)象以前叫“葡萄糖效應(yīng)”，現(xiàn)稱“降解物阻遏（cataboliterepression）”。如何解釋這種現(xiàn)象呢？目前五十八頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)如何解釋“葡萄糖效應(yīng)（降解物阻遏）”？Lac的啟動(dòng)子比較弱，即使操縱子的阻遏蛋白被去除，Lac操縱子的結(jié)構(gòu)基因也不能進(jìn)行強(qiáng)烈的表達(dá)。結(jié)構(gòu)基因的強(qiáng)烈表達(dá)除了要求阻遏蛋白被解除外，還要求有一個(gè)促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)蛋白CRP。CRP結(jié)合在啟動(dòng)子的上游，可以使基因的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)50倍。目前五十九頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)CRP是cAMPreceptorprotein的縮寫，又叫做CAP（catabolitegeneactivatorprotein）,代謝物基因激活蛋白。CRP的活性由cAMP調(diào)節(jié)。當(dāng)CRP結(jié)合了cAMP之后具有活性，結(jié)合在操縱子的啟動(dòng)子上游附近，對(duì)下游結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄有增強(qiáng)作用。目前六十頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)CRP(CAP)的二聚體與DNA的相互作用彎曲的DNA與RNA聚合酶作用部位cAMP結(jié)合部位目前六十一頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)CRP(CAP)的二聚體與DNA的相互作用目前六十二頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)當(dāng)細(xì)胞利用葡萄糖時(shí)，分解產(chǎn)物抑制酰苷酸環(huán)化酶的活性并活化磷酸二酯酶，細(xì)胞內(nèi)的cAMP水平下降，CRP沒有活性，Lac操縱子不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，當(dāng)葡萄糖水平下降，細(xì)菌利用乳糖時(shí)，cAMP水平提高，CRP有活性，引起操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。目前六十三頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)CRP(CAP)對(duì)Lac操縱子的作用目前六十四頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)結(jié)論：乳糖操縱子是一個(gè)雙因子調(diào)節(jié)系統(tǒng)乳糖操縱子的表達(dá)需要2個(gè)調(diào)節(jié)蛋白的共同參與，一個(gè)是正調(diào)節(jié)蛋白CRP（CAP），一個(gè)是負(fù)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白）。當(dāng)阻遏蛋白解除后,沒有CRP,基因也幾乎不轉(zhuǎn)錄當(dāng)只有CRP而阻遏蛋白沒有解除時(shí),基因不轉(zhuǎn)錄只有當(dāng)阻遏解除且CRP存在時(shí)，基因才開始轉(zhuǎn)錄目前六十五頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)遺傳和生化實(shí)驗(yàn)已證實(shí)乳糖操縱子的正確如操縱基因突變，導(dǎo)致阻遏蛋白無(wú)法與之結(jié)合，操縱子處于無(wú)阻遏狀態(tài)，成“組成型表達(dá)”阻遏蛋白基因LacI突變，導(dǎo)致阻遏蛋白失活或缺乏，操縱子的結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄也處于組成型表達(dá)狀態(tài)。目前六十六頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)還有一種突變，使得阻遏蛋白結(jié)構(gòu)變化，失去與誘導(dǎo)物乳糖的結(jié)合位點(diǎn)，結(jié)果使操縱子處于“不可誘導(dǎo)狀態(tài)”。目前六十七頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)受一種調(diào)節(jié)蛋白控制的幾個(gè)操縱子構(gòu)成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)叫做調(diào)節(jié)子。調(diào)節(jié)子(regulon)調(diào)節(jié)子是一種大范圍內(nèi)的基因表達(dá)控制調(diào)節(jié)手段。目前六十八頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)受到降解物阻遏

調(diào)節(jié)的的酶類除了代謝乳糖的酶類外，還有分解半乳糖、阿拉伯糖、麥芽糖等的酶，這些操縱子都受到CRP的調(diào)節(jié)，屬于一個(gè)“調(diào)節(jié)子”。這樣保證在細(xì)胞遇到葡萄糖時(shí)，所有分解其他糖的酶都不表達(dá)，以免造成浪費(fèi)。目前六十九頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)另外，細(xì)菌遇到危機(jī)情況下有許多基因表達(dá)，以便渡過危機(jī)時(shí)刻。這些基因?qū)儆赟OS調(diào)節(jié)子，由基因LexA編碼的阻遏蛋白控制。目前七十頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)色氨酸操縱子（Trpoperon）組成和結(jié)構(gòu)：全長(zhǎng)約7kb調(diào)節(jié)基因trpR：與結(jié)構(gòu)基因相距較遠(yuǎn)，編碼阻遏蛋白

操縱基因：位于結(jié)構(gòu)基因的啟動(dòng)子內(nèi)部，長(zhǎng)21bp

前導(dǎo)序列（leadersequence），162bp，位于結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子之后與結(jié)構(gòu)基因之間，對(duì)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄起調(diào)節(jié)作用。

結(jié)構(gòu)基因：5個(gè)，負(fù)責(zé)編碼色氨酸合成途徑中的3個(gè)酶。目前七十一頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)Trp操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控這里，操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄控制是由阻遏蛋白完成，但阻遏蛋白的活性是由色氨酸來激活的，我們把這里的色氨酸稱為是一個(gè)“輔阻遏物（co-repressor）”當(dāng)細(xì)菌內(nèi)含有足夠多的色氨酸后，2個(gè)分子的色氨酸與2分子的阻遏蛋白結(jié)合，激活阻遏蛋白，阻遏蛋白與操縱基因序列結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的色氨酸缺乏時(shí)，阻遏蛋白沒有活性，結(jié)構(gòu)基因開始轉(zhuǎn)錄，細(xì)菌開始合成色氨酸。目前七十二頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)似乎這個(gè)色氨酸操縱子的控制就是這么簡(jiǎn)單，但是其實(shí)不是。目前七十三頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)a當(dāng)阻遏蛋白沒有活性,結(jié)構(gòu)基因開始轉(zhuǎn)錄時(shí),大部分常常只能轉(zhuǎn)錄出大約140bp的mRNA就停止了后來的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)……b把位于操縱基因后面和結(jié)構(gòu)基因前面的162bp序列中的130-162堿基刪除后，trp操縱子的轉(zhuǎn)錄水平處于無(wú)阻遏的最高水平。

這說明色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄還受到其他因素的調(diào)控。目前七十四頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)Trp操縱子的衰減調(diào)控機(jī)制前導(dǎo)序列（leadersequence）分為4個(gè)部分（1-4）：1為前導(dǎo)區(qū)，編碼一個(gè)14肽，其中有2個(gè)連續(xù)的trp，前導(dǎo)序列中2和3互補(bǔ)，3和4互補(bǔ)，通過互補(bǔ)，可以形成類似終止序列的結(jié)構(gòu)。目前七十五頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)典型的轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)結(jié)構(gòu)目前七十六頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)細(xì)胞內(nèi)色氨酸含量高導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄終止目前七十七頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)細(xì)胞內(nèi)色氨酸含量低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄開始Animation*目前七十八頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)需要注意的幾個(gè)問題1、前導(dǎo)肽的翻譯只有調(diào)節(jié)后面基因轉(zhuǎn)錄的功能,翻譯出來的肽沒有其他生理功能!2、對(duì)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的控制實(shí)際上是通過核糖體在mRNA上停留的位置來實(shí)現(xiàn)的。目前七十九頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)4、真核細(xì)胞中沒有這種衰減調(diào)節(jié)機(jī)制，為什么？3、阻遏蛋白的調(diào)節(jié)類似于開關(guān)式(on/off)的調(diào)節(jié)（粗調(diào)）;而衰減調(diào)節(jié)是一種音量開關(guān)式的調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)），可以使結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的頻率在0－700倍的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，具體大小與細(xì)胞內(nèi)色氨酸含量的高低以及與之偶聯(lián)的翻譯過程有關(guān)。目前八十頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)細(xì)菌內(nèi)許多氨基酸合成的操縱子的調(diào)控都是通過衰減子來完成的。Phe合成的操縱子中有個(gè)15肽,含有7個(gè)phe。Leu操縱子導(dǎo)肽中含有4個(gè)連續(xù)的leu。His操縱子含有7個(gè)連續(xù)his,在his操縱子中,只有衰減調(diào)控這一種途徑,無(wú)阻遏蛋白。例如

目前八十一頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)操縱子系統(tǒng)在基因工程中的應(yīng)用由于乳糖操縱子中的結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)可以通過誘導(dǎo)物對(duì)其調(diào)控。所以乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)被用在基因工程中。將結(jié)構(gòu)基因換成外源目的基因，通過往培養(yǎng)基中添加誘導(dǎo)物，外源基因就可以得到表達(dá)。目前八十二頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)1983年，科學(xué)家將細(xì)菌乳糖操縱子的啟動(dòng)子的-10區(qū)和色氨酸操縱子啟動(dòng)子的-35區(qū)組合起來形成一個(gè)“雜合”的啟動(dòng)子，叫做“tac”，這個(gè)雜合的啟動(dòng)子啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的效率比乳糖啟動(dòng)子高10倍，比色氨酸啟動(dòng)子的效率高5倍。同樣受IPTG誘導(dǎo)，被乳糖抑制子所阻遏。操縱子系統(tǒng)在基因工程中的應(yīng)用目前八十三頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的乳糖操縱子一個(gè)突變體UV5，不需要激活蛋白CRP，只需要添加誘導(dǎo)物乳糖，結(jié)構(gòu)基因就可以高效大量表達(dá)。操縱子系統(tǒng)在基因工程中的應(yīng)用目前八十四頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)比較乳糖操縱子和色氨酸操縱子的相同和不同之處。(他們控制基因轉(zhuǎn)錄的方式策略上有什么不同？阻遏蛋白的作用特點(diǎn)有什么不同？)思考題目前八十五頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)StructureofEcoliRNApolymerase2.2、基因表達(dá)的時(shí)序調(diào)節(jié)目前八十六頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)回憶：細(xì)菌RNA聚合酶中σ因子的作用是什么?E.coli細(xì)胞中主要的σ因子稱為σ70，但E.coli中還有另外一些σ因子能夠識(shí)別其順序與E.coli的主要啟動(dòng)子不同的另一些基因的啟動(dòng)子，并促使核心酶起始轉(zhuǎn)錄其他的基因，使得其他的基因得以表達(dá)。目前八十七頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)因子基因功用-35順序間隔距離-10順序σ70rpoD正常狀態(tài)TTGACA10-18bpTATAATσ32rpoH熱休克CNCTTGAA13-15bpCCCCATNTσErpoE熱休克未知未知未知σ60rpoN氮的利用CTGGNA6bpTTCGAσFfliA鞭毛CTAAA15bpGCCGATAAE.coli的不同σ因子目前八十八頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)E.coli的不同σ因子目前八十九頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)枯草桿菌的σ因子σ因子來源和用途-35順序-10順序σ43營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期TTGACATATAATσ37芽孢形成期應(yīng)用AGGNTTTGGNATTGNTσ32芽孢形成期應(yīng)用AAATCTANTGTTNTAσ29芽孢形成期合成TTNAAACATATTσ28不應(yīng)用于芽孢形成期CTNAAACCGATATgp28SP01中期基因表達(dá)AGGAGATTTNTTTgp33-34SP01晚期基因表達(dá)CGTTAGAGATATT目前九十頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)噬菌體也使用不同的σ因子來調(diào)節(jié)基因的表達(dá)噬菌體侵入細(xì)菌后，首先利用自己攜帶的σ28取代細(xì)菌的σ因子，合成噬菌體的早期基因；其中就含有另外的一個(gè)σ因子，用來開啟中期基因的轉(zhuǎn)錄。目前九十一頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)表達(dá)的中期基因中含有一個(gè)開啟晚期基因表達(dá)的σ因子，同時(shí)負(fù)責(zé)開啟中期基因表達(dá)的σ因子則被降解。通過這種方式，使得噬菌體的各種基因嚴(yán)格按照一定的時(shí)間順序表達(dá)出來，執(zhí)行生理功能，完成噬菌體的一生。目前九十二頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)在以上這些例子中，生物各發(fā)育階段的不同基因的表達(dá)啟動(dòng)是由不同的調(diào)節(jié)蛋白作用于啟動(dòng)子和終止子來調(diào)節(jié)的早期表達(dá)的基因中含有開啟后期基因表達(dá)的調(diào)節(jié)蛋白，后期基因的表達(dá)又同時(shí)關(guān)閉早期基因的表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)基因的“順序表達(dá)”。目前九十三頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)2.3生長(zhǎng)速度的調(diào)節(jié)細(xì)菌在不同的生長(zhǎng)條件下的生長(zhǎng)速度是不同的，大腸桿菌的倍增時(shí)間可以從500分鐘到15分鐘不等。不同的生長(zhǎng)速度是通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)分子的合成速度來實(shí)現(xiàn)的。而蛋白質(zhì)的合成速度決定于細(xì)胞中核糖體的數(shù)量。目前九十四頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)不同生長(zhǎng)速度下大腸桿菌中的某些特征倍增時(shí)間/minDNA分子數(shù)/細(xì)胞核糖體數(shù)/細(xì)胞254.515500502.468001001.742003001.41450目前九十五頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)組成核糖體的蛋白質(zhì)基因以及與合成這些蛋白質(zhì)相關(guān)的基因，DNA引物合成酶基因、RNA聚合酶亞基基因等組成20多個(gè)操縱子，他們協(xié)調(diào)表達(dá)，使復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯過程緊密協(xié)調(diào)，適應(yīng)細(xì)胞生長(zhǎng)速度的需要。目前九十六頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)(1)通過自體調(diào)控，控制組成核糖體的蛋白質(zhì)的量，從而適應(yīng)細(xì)胞的生長(zhǎng)速度。組成核糖體的蛋白質(zhì)一般總與相應(yīng)的rRNA結(jié)合。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)過剩時(shí)，它會(huì)與自身的mRNA結(jié)合，抑制其活性，降低產(chǎn)量，以便與rRNA的量保持一致。這樣，細(xì)胞通過控制rRNA的水平來調(diào)節(jié)生長(zhǎng)速度。目前九十七頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)(2)嚴(yán)謹(jǐn)控制（stringentcontrol）當(dāng)細(xì)菌處于營(yíng)養(yǎng)缺乏的環(huán)境中時(shí)，蛋白質(zhì)合成的原料氨基酸缺乏，這時(shí)細(xì)胞會(huì)關(guān)閉大部分的代謝活動(dòng)，借以渡過艱難時(shí)期，等待環(huán)境營(yíng)養(yǎng)條件的改善。這種現(xiàn)象叫做“嚴(yán)謹(jǐn)控制”。目前九十八頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)嚴(yán)謹(jǐn)控制的結(jié)果是tRNA和rRNA的合成下降很多（降低10－20倍），但mRNA合成的降低程度較?。s3倍），大大降低細(xì)胞的生長(zhǎng)速度。目前九十九頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)引起嚴(yán)謹(jǐn)控制的因素當(dāng)氨基酸缺乏或氨?；?tRNA合成酶失活，都會(huì)引起嚴(yán)謹(jǐn)控制生長(zhǎng)代謝的反應(yīng)。這時(shí)細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)2種不常見的核苷酸：鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp），電泳可以檢測(cè)出來，稱為“魔斑”（magicspots）。又叫“報(bào)警素”。目前一百頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)鳥苷四磷酸（ppGpp）目前一百零一頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)合成這種分子的基因被是relA,產(chǎn)物蛋白質(zhì)叫做“嚴(yán)謹(jǐn)控制因子”(stringentfactor,SF)，細(xì)胞內(nèi)位于核糖體上。在蛋白質(zhì)合成過程中，空載的tRNA進(jìn)入核糖體的A位點(diǎn)會(huì)激活SF的活性，SF將ATP上的焦磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給GDP形成ppGpp,或轉(zhuǎn)移給GTP形成pppGpp。目前一百零二頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)嚴(yán)謹(jǐn)控制因子SF位于核糖體上，空載的tRNA進(jìn)入核糖體的A位會(huì)激活SF的活性。目前一百零三頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)報(bào)警素ppGpp在細(xì)胞內(nèi)的功能報(bào)警素是細(xì)胞內(nèi)的第二信使，是細(xì)胞內(nèi)氨基酸饑餓的信號(hào)。最主要的作用是與RNA聚合酶結(jié)合，降低rRNA的合成，放慢生長(zhǎng)速度。目前一百零四頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)細(xì)胞內(nèi)還有一種蛋白質(zhì)分子叫做SpoT蛋白，可催化ppGpp的降解。細(xì)胞氨基酸饑餓時(shí)，SpoT活性被抑制；促進(jìn)ppGpp的積累；條件恢復(fù)正常后，SpoT迅速降解ppGpp，細(xì)胞的“氨基酸饑餓警報(bào)”解除，細(xì)胞恢復(fù)正常狀態(tài)。目前一百零五頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)報(bào)警素和cAMP相同，在細(xì)胞內(nèi)屬于一種多效的基因表達(dá)的超級(jí)調(diào)控因子。他們影響調(diào)控的基因數(shù)目是非常多的，不是一個(gè)幾個(gè)而是一大批，且從不同的水平上進(jìn)行調(diào)控。目前一百零六頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)2.4、細(xì)菌的SOS反應(yīng)當(dāng)細(xì)菌染色體受到較多的損傷而復(fù)制受阻,或核酸合成時(shí)缺乏核苷酸等時(shí)會(huì)引發(fā)細(xì)胞的一系列反應(yīng)，叫做SOS反應(yīng)。目前一百零七頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)這些反應(yīng)包括DNA修復(fù)能力增強(qiáng)，誘變率提高、細(xì)胞分裂停止等。這時(shí)細(xì)菌會(huì)協(xié)調(diào)體內(nèi)的許多基因活性來應(yīng)付危機(jī),從而渡過難關(guān)。這些眾多基因分布在不同的位置，但屬于同一個(gè)調(diào)節(jié)子。因?yàn)樗鼈兊募せ钷D(zhuǎn)錄受到調(diào)節(jié)蛋白R(shí)ecA和LexA的共同調(diào)節(jié)。目前一百零八頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)細(xì)胞中正常狀態(tài)下參與SOS反應(yīng)的基因是不表達(dá)的，他們被阻遏蛋白LexA所阻遏目前一百零九頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)SOS反應(yīng)的引發(fā)需要將阻遏蛋白LexA除去在單鏈DNA和ATP存在情況下，RecA蛋白被激活而促進(jìn)阻遏蛋白LexA的自身裂解，從而解除抑制，一系列原來被抑制的基因表達(dá)。recA受到LexA的不完全抑制，細(xì)胞內(nèi)有少量的RecA分子。當(dāng)DNA受到損傷出現(xiàn)的單鏈DNA分子時(shí)就可以與之結(jié)合。目前一百一十頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)這些基因包括紫外線損傷修復(fù)基因、單鏈結(jié)合蛋白基因、DNA聚合酶V和VI基因等，這些基因的表達(dá)使得細(xì)菌對(duì)損傷的DNA進(jìn)行修復(fù)（雖然錯(cuò)誤率較高）、減少代謝、抑制細(xì)胞分裂而渡過艱難時(shí)候。SOS反應(yīng)屬于細(xì)菌大范圍基因調(diào)節(jié)控制的例子。目前一百一十一頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)5翻譯水平的調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄形成mRNA后并不一定會(huì)翻譯形成相應(yīng)的蛋白質(zhì)，基因的表達(dá)也可以在翻譯的水平上受到調(diào)節(jié)。如同一操縱子中的幾個(gè)基因雖然是共同轉(zhuǎn)錄的，mRNA水平一致，但他們的產(chǎn)物的量是不同的，這就是依靠翻譯水平進(jìn)行調(diào)節(jié)的。如乳糖操縱子中3個(gè)基因ZYA的表達(dá)水平為1：0.2：0.5。目前一百一十二頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)目前已知的翻譯水平上的調(diào)節(jié)有幾個(gè)方面：不同mRNA翻譯能力的差異、翻譯阻遏的作用、反義RNA的作用等。目前一百一十三頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)a）基因起始密碼子前面的SD序列不同，mRNA與核糖體的結(jié)合程度不同，導(dǎo)致mRNA的翻譯起始頻率不同，最后的蛋白質(zhì)的水平就不同。5.1不同的mRNA的翻譯能力不同目前一百一十四頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)SD序列在翻譯過程中起重要作用，不同基因的SD序列雖然保守，但是不同基因的SD序列有所不同。目前一百一十五頁(yè)\總數(shù)一百二十六頁(yè)\編于四點(diǎn)b)