第章原核基因表達(dá)調(diào)控上

概述1基本概念1.1順式作用元件和反式作用因子反式作用因子（trans-actingfactor）其基因產(chǎn)物將從合成的場所擴(kuò)散到其發(fā)揮作用的其他場所，游離的基因產(chǎn)物擴(kuò)散至目標(biāo)場所的過程為反式作用(trans-acting）。調(diào)控轉(zhuǎn)錄的各種蛋白因子總稱反式作用因子。其編碼基因與其識別或結(jié)合的靶核苷酸序列不在同一個(gè)DNA分子上。順式作用元件(cis-actingelement)是指對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，它作為一種原位（insitu）順序，其活性只影響與其自身處在同一個(gè)DNA分子上的基因；同時(shí)，這種DNA序列通常不編碼蛋白質(zhì)，多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中。簡單的說，順式作用元件是指影響自身基因表達(dá)活性的DNA序列（如轉(zhuǎn)錄啟動子和增強(qiáng)子）。目前一頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)概述1基本概念1.2結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因(structrualgene)是編碼蛋白質(zhì)或RNA的任何基因。結(jié)構(gòu)基因編碼著大量功能各異的蛋白質(zhì)，所編碼的蛋白質(zhì)有結(jié)構(gòu)蛋白和酶等。

調(diào)節(jié)基因(regulatorgene)是參與其他基因表達(dá)調(diào)控的蛋白質(zhì)編碼基因，表達(dá)產(chǎn)物是調(diào)節(jié)蛋白，屬于反式作用因子。目前二頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)2.基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性時(shí)間特異性：按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，這是基因表達(dá)的時(shí)間特異性。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。空間特異性：在個(gè)體生長全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn)，這就是基因表達(dá)的空間特異性，又稱細(xì)胞特異性或組織特異性。概述生物學(xué)意義：適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖；維持個(gè)體發(fā)育與分化。目前三頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)3.基因表達(dá)的方式組成性表達(dá)(constitutiveexpression)

某些基因產(chǎn)物對生命全過程是必需的或必不可少的。這類基因在一個(gè)生物個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為管家基因(housekeepinggene，持家基因)。管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個(gè)體各個(gè)生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達(dá)，或變化很小。這類基因表達(dá)視為基本的或組成性基因表達(dá)。概述目前四頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)概述3.基因表達(dá)的方式適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型表達(dá)(adaptiveorregulatoryexpression)有一些基因表達(dá)極易受環(huán)境變化影響而改變，稱為適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型表達(dá)。在特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)的基因被激活，基因表達(dá)產(chǎn)物增加，這種基因是可誘導(dǎo)的，稱為誘導(dǎo)。相反，如果基因?qū)Νh(huán)境信號應(yīng)答時(shí)被抑制，基因表達(dá)產(chǎn)物水平降低的，稱為阻遏。目前五頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)4.基因的表達(dá)調(diào)控：轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptionalregulation)mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(differentialprocessingofRNAtranscript)翻譯水平上的調(diào)控(differentialtranslationofmRNA)概述目前六頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)第一節(jié)原核基因表達(dá)調(diào)控的類型目前七頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)1.操縱子——原核轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要形式在細(xì)菌基因組中，編碼一組在功能上相關(guān)的蛋白質(zhì)的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因，與共同的控制位點(diǎn)組成一個(gè)基因表達(dá)的協(xié)同單位，稱為操縱子(operon)。RPOS1S2Sn調(diào)節(jié)基因啟動子操縱基因結(jié)構(gòu)基因…………..結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄翻譯阻遏蛋白激活蛋白操縱子及其調(diào)節(jié)基因示意圖調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄目前八頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)2.阻遏物和激活物細(xì)菌的操縱子受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的調(diào)控，該產(chǎn)物通常是一種蛋白，這種蛋白稱為基因調(diào)控的阻遏物或激活物。阻遏物（repressor）：結(jié)合于操縱子的操縱基因上阻礙RNA聚合酶通過操縱基因而關(guān)閉操縱子的轉(zhuǎn)錄。激活物（activator）：結(jié)合于啟動子－35區(qū)上游，它與結(jié)合在啟動子上的RNA聚合酶作用，開啟啟動子促進(jìn)操縱子的轉(zhuǎn)錄。

目前九頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)3.正調(diào)控和負(fù)調(diào)控基因在負(fù)控制的情況下可被阻遏蛋白關(guān)閉掉，當(dāng)阻遏蛋白缺乏或失活時(shí)基因才能打開?；蛟谡{(diào)控的情況下只有在激活蛋白處于活化狀態(tài)時(shí)才能表達(dá)。4.基因的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)與阻遏調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)蛋白是否具有活性有時(shí)取決于一個(gè)小分子物質(zhì)結(jié)合，能夠結(jié)合于蛋白質(zhì)并改變其性質(zhì)的小分子物質(zhì)稱作效應(yīng)物（effectors）。目前十頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)4.基因的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)與阻遏調(diào)節(jié)

根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)基因表達(dá)的小分子所作出反應(yīng)的特點(diǎn)，分為可誘導(dǎo)（inducible）和可阻遏（repressible）兩類?？烧T導(dǎo)操縱子只有在小分子誘導(dǎo)物（inducer）存在的情況下才有功能；可阻遏的操縱子只有在小分子輔阻遏物（corepressor）缺乏的情況下才有功能。術(shù)語：操縱子的活性狀態(tài)稱為去阻遏（derepressed），與“被誘導(dǎo)”的意思相同。若操縱子發(fā)生突變而不能去阻遏的話有時(shí)被稱為超阻遏（super-repressed），也就是“不可誘導(dǎo)”的意思。目前十一頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)4.基因的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)與阻遏調(diào)節(jié)

無論是正控制還是負(fù)控制都是通過利用調(diào)節(jié)蛋白與小分子誘導(dǎo)物或輔阻遏物之間的相互作用來完成誘導(dǎo)和阻遏。以下4種相似的控制類型，每一個(gè)誘導(dǎo)物使阻遏物失活或活化激活蛋白時(shí)產(chǎn)生誘導(dǎo)；當(dāng)輔阻遏物活化阻礙蛋白或使激活蛋白失活時(shí)產(chǎn)生阻遏。目前十二頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)目前十三頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)負(fù)控阻遏系統(tǒng)正控阻遏系統(tǒng)目前十四頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)5.原核操縱子的主要形式調(diào)節(jié)分解代謝的操縱子：都是屬于誘導(dǎo)型，并同時(shí)受到cAMP-CAP的調(diào)節(jié)。分解代謝的底物常為小分子誘導(dǎo)物，不具衰減作用。調(diào)節(jié)合成代謝的操縱子：都屬于阻遏型，因是合成代謝，因此不受cAMP-CAP的影響。具有衰減子的操縱子：如trp,his,phe,leu,thr,和ilv，最終產(chǎn)物為輔阻遏物。目前十五頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式

大腸桿菌乳糖操縱子(lactoseoperon)包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：Z、Y和A，以及啟動子、控制子和阻遏子等。轉(zhuǎn)錄時(shí)，RNA聚合酶首先與啟動區(qū)(promoter，P)結(jié)合，通過操縱區(qū)(operator，O)向右轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄從O區(qū)的中間開始，按Z→Y→A方向進(jìn)行，每次轉(zhuǎn)錄出來的一條mRNA上都帶有這3個(gè)基因。轉(zhuǎn)錄的調(diào)控是啟動區(qū)和操縱區(qū)進(jìn)行的。目前十六頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式目前十七頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)Z編碼的β-半乳糖苷酶是一種β-半乳糖苷鍵的專一性酶，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，還能水解其他β-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。Y編碼β-半乳糖苷透過酶的作用是使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。A編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶的作用是把乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式目前十八頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)1.酶的誘導(dǎo)-lac體系受調(diào)控的證據(jù)

在不含乳糖及β-半乳糖苷的培養(yǎng)基中，lac+基因型每個(gè)大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)大約只有1-2個(gè)酶分子。如果在培養(yǎng)基中加入乳糖，酶的濃度很快達(dá)到細(xì)胞總蛋白量的6%或7%，每個(gè)細(xì)胞中可有超過105個(gè)酶分子。第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式目前十九頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式目前二十頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式安慰性誘導(dǎo)物(gratuitousinducer)目前二十一頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式分離到在有誘導(dǎo)物或沒有誘導(dǎo)物的情況下都能產(chǎn)生lacmRNA的突變體，這種失去調(diào)節(jié)能力的突變體稱為永久型突變體，為分兩類：I型：野生型為I+，突變型為I-O型：野生型為O+，突變型為Oc。目前二十二頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式I+→I-或O+→Oc后，Z、Y、A結(jié)構(gòu)基因均表現(xiàn)為永久表達(dá)，所以I基因被稱為調(diào)節(jié)基因(regulatorygene)。研究發(fā)現(xiàn)，I基因是一個(gè)產(chǎn)生阻遏物的調(diào)節(jié)基因，其產(chǎn)物使體系關(guān)閉。I-突變體由于不能產(chǎn)生阻遏物，使細(xì)胞成為lac永久表達(dá)型。I-/I+局部二倍體由于帶有一個(gè)正常阻遏物，使細(xì)胞中的lac仍然被抑制。目前二十三頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式遺傳學(xué)圖譜分析指出，Oc突變位于I與Z之間。所以，lac體系的4個(gè)基因的序列為IOZY。通過這些觀察，Jacob和Monod推斷Oc突變代表DNA鏈上的一個(gè)位點(diǎn)或一個(gè)非編碼區(qū)域，而不是一個(gè)基因，因?yàn)榭删幋a的基因具有互補(bǔ)性，而Oc沒有這一特性。O決定相鄰Z基因的產(chǎn)物是誘導(dǎo)型合成還是永久型合成，O區(qū)域稱為操縱基因。目前二十四頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式2.操縱子模型乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)目前二十五頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式目前二十六頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式目前二十七頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP目前二十八頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)RNAPol.TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.Yipee…!目前二十九頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!目前三十頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)目前三十一頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)3.Lac操縱子的本底水平表達(dá)

因?yàn)檎T導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而運(yùn)轉(zhuǎn)誘導(dǎo)物需要透過酶。在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量（1-5個(gè)mRNA分子）lacmRNA合成——本底水平組成型合成。第一節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式目前三十二頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式β-半乳糖苷酶目前三十三頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)誘導(dǎo)物的加入和去除對lacmRNA的影響目前三十四頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)目前三十五頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)誘導(dǎo)：基因被打開誘導(dǎo)物和阻遏物稱為調(diào)節(jié)操縱子的開關(guān)β-半乳糖苷酶透過酶乙酰轉(zhuǎn)移酶目前三十六頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)4.葡萄糖對lac操縱子的影響--代謝物阻遏效應(yīng)

葡萄糖對lac操縱子表達(dá)的抑制作用是間接的。一種大腸桿菌突變株，它正常的糖酵解過程受阻，葡萄糖-6-磷酸不能轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，該菌株能在有葡萄糖存在的情況下被誘導(dǎo)合成lacmRNA。第一節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式目前三十七頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)5.cAMP與代謝物激活蛋白第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式目前三十八頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)研究證實(shí)，葡萄糖所引起的代謝物抑制現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是該代謝物降低了細(xì)胞中cAMP的含量。第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式目前三十九頁\總數(shù)五十頁\編于十二點(diǎn)cAMP是由腺苷酸環(huán)化酶催化合成，其活性受到代謝物激活蛋白的影響。大腸桿菌中代謝物激活蛋白CRP，由Crp基因編碼，能與cAMP形成復(fù)合物。CRP又稱降解物基因活化蛋白（cataboliteactivatorprotein，CAP）。第二節(jié)乳糖操縱子的調(diào)控模式目前四十頁\總數(shù)五十