第18章 船長(zhǎng)系列：原核基因表達(dá)調(diào)控

1、基因表達(dá)調(diào)控Regulation of Gene Expression第 十八 章環(huán)境大腸桿菌結(jié)果有葡萄糖用葡萄糖有葡萄糖有乳糖用葡萄糖有乳糖無(wú)葡萄糖用乳糖有色氨酸不生成色氨酸無(wú)色氨酸生成色氨酸無(wú)色氨酸也無(wú)其他氨基酸不生成色氨酸第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控原核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1 基因組中很少有重復(fù)序列； 2編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因?yàn)檫B續(xù)編碼，且多為單拷貝基因，但編碼rRNA的基因仍然是多拷貝基因；3 結(jié)構(gòu)基因在基因組中所占的比例（約占50%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真核基因組；4許多結(jié)構(gòu)基因在基因組中以操縱子為單位排列5轉(zhuǎn)錄翻譯同空間進(jìn)行，且時(shí)間幾乎無(wú)差原核生物基因組是具有超螺旋結(jié)構(gòu)的閉合環(huán)狀DNA分子 第二節(jié) 原

2、核基因表達(dá)調(diào)控調(diào)節(jié)的主要環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)錄起始一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)特點(diǎn)（一）因子決定RNA聚合酶識(shí)別特異性(強(qiáng)啟動(dòng)子）（二）操縱子模型的普遍性（三）阻遏蛋白與阻遏機(jī)制的普遍性第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控操縱子是原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本單位 蛋白質(zhì)因子蛋白質(zhì)因子特異特異DNA序列序列編碼序列編碼序列 啟動(dòng)子啟動(dòng)子 操縱元件操縱元件 其他調(diào)節(jié)基因其他調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)原核基因組中，由幾個(gè)功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因及其調(diào)控區(qū)組成一個(gè)基因表達(dá)單位，稱(chēng)為操縱子第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控操縱子，基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位。它由 啟動(dòng)子、操縱基因、結(jié)構(gòu)基因以及能夠調(diào)控其活性的調(diào)控基因組成操縱基因 operat

3、or，是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段 DNA 序列，常與啟動(dòng)子鄰近或與啟動(dòng)子序列重疊第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控01多順?lè)醋?polycistron)：mRNA分子攜帶了幾個(gè)多肽鏈的編碼信息02啟動(dòng)子是RNA聚合酶和各種調(diào)控蛋白作用的部位，是決定基因表達(dá)效率的關(guān)鍵元件03各種原核基因啟動(dòng)序列特定區(qū)域內(nèi)，通常在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游-10及-35區(qū)域存在一些相似序列，稱(chēng)為共有序列04E.coli及一些細(xì)菌啟動(dòng)序列的共有序列在-10區(qū)域是TATAAT，在-35區(qū)域?yàn)門(mén)TGACA05共有序列決定啟動(dòng)序列的轉(zhuǎn)錄活性大小。操縱子模型的普遍性第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控根

4、據(jù)操縱子對(duì)調(diào)節(jié)蛋白的應(yīng)答，可將原核細(xì)胞基因調(diào)控分為， 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控(positive regulation) 和 負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控(negative regulation)。第一節(jié) 基本概念和原理正調(diào)控和負(fù)調(diào)控第一節(jié) 基本概念和原理正調(diào)控和負(fù)調(diào)控第一節(jié) 基本概念和原理如果在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是關(guān)閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被增強(qiáng)或開(kāi)啟，這樣的調(diào)控稱(chēng)為 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。介導(dǎo)正調(diào)控的調(diào)節(jié)蛋白稱(chēng)為 激活蛋白(activating protein)。如果在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性降低或被關(guān)閉，這樣的調(diào)控為 負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。介導(dǎo)負(fù)調(diào)控的調(diào)節(jié)蛋白稱(chēng)為 阻遏蛋白(re

5、pressive protein)調(diào)控的正與負(fù)，指的是結(jié)合到基因調(diào)節(jié)區(qū)域(操縱區(qū))的蛋白質(zhì)的作用第一節(jié) 基本概念和原理 有一些效應(yīng)物，它們能夠與調(diào)控蛋白相結(jié)合改變調(diào)控蛋白的空間構(gòu)象從而改變其對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的影響。第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控操縱子有兩種類(lèi)型誘導(dǎo)操縱子：即誘導(dǎo)基因，這些基因因環(huán)境中某些物質(zhì)的出現(xiàn)而被活化。許多負(fù)責(zé)糖代謝的基因?qū)儆谶@種類(lèi)型。阻遏操縱子：即阻遏基因，一般情況下處于表達(dá)狀態(tài)，但當(dāng)其產(chǎn)物大量出現(xiàn)時(shí)即關(guān)閉，合成氨基酸的操縱子屬于這一類(lèi)型。第一節(jié) 基本概念和原理負(fù)調(diào)控正調(diào)控結(jié)合調(diào)控蛋白和效應(yīng)物的作用， 可以將轉(zhuǎn)錄調(diào)控分為4類(lèi)第一節(jié) 基本概念和原理順式作用元件和反式作用因子共同調(diào)節(jié)一般

6、說(shuō)來(lái)，調(diào)節(jié)序列與被調(diào)控的編碼序列位于同一條DNA鏈上，稱(chēng)為順式作用元件(cis -acting element)。調(diào)節(jié)序列遠(yuǎn)離被調(diào)控的編碼序列，實(shí)際上是其他分子的編碼基因，只能通過(guò)其表達(dá)產(chǎn)物來(lái)發(fā)揮作用，這些蛋白質(zhì)或RNA分子稱(chēng)為反式作用因子(trans-acting factor)。第一節(jié) 基本概念和原理調(diào)節(jié)基因 （regulator gene）轉(zhuǎn)錄生成 mRNA 并翻譯出 調(diào)節(jié)蛋白（regulator protein） ， 該蛋白就是反式作用因子，這一蛋白能夠結(jié)合到 DNA鏈上一段目標(biāo)區(qū)域（target site）從而調(diào)控目標(biāo)區(qū)域下游結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。這個(gè)目標(biāo)區(qū)域的 DNA 就是順式作用元件第

7、一節(jié) 基本概念和原理基因是編碼可擴(kuò)散產(chǎn)物的DNA序列，這種產(chǎn)物可以是蛋白質(zhì)（大多數(shù)），也可以是RNA。編碼產(chǎn)物將從合成地點(diǎn)擴(kuò)散到其他場(chǎng)所起作用。基因產(chǎn)物自由擴(kuò)散至其作用靶位的過(guò)程稱(chēng)反式作用（trans-acting）。順式作用（cis-acting）：不轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌魏涡问剑≧NA或蛋白質(zhì)）只以DNA形式在原來(lái)位置起作用的DNA序列，只影響與其臨近的DNA序列。第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控二 乳糖操縱子 誘導(dǎo)（一）乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu) 弱啟動(dòng)子 調(diào)控區(qū)調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列啟動(dòng)序列I基因基因操縱序列操縱序列 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y： -半乳糖

8、苷酶透性酶半乳糖苷酶透性酶A：-半乳糖苷酶乙酰轉(zhuǎn)移酶半乳糖苷酶乙酰轉(zhuǎn)移酶ZYAOPIDNA第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控（一）乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu)-半乳糖苷酶透性酶乙酰轉(zhuǎn)移酶二 乳糖操縱子 誘導(dǎo)型第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控思考細(xì)菌對(duì)潛在的碳源有偏好，當(dāng)存在葡萄糖時(shí)，其他糖類(lèi)將不被利用。那乳糖操縱子平時(shí)是開(kāi)還是關(guān)呢（假設(shè)大腸桿菌平時(shí)環(huán)境中葡萄糖更多）第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控結(jié)構(gòu)基因簇受到其上游操縱基因lac O的調(diào)控，而 lac O與結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子具有部分重疊第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒(méi)有乳糖存在時(shí)沒(méi)有乳糖存在時(shí)阻

9、遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因阻遏基因二 乳糖操縱子 誘導(dǎo)型思考環(huán)境中沒(méi)有葡萄糖，只有乳糖，細(xì)菌該怎么辦呢第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖乳糖異乳糖異乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶二 乳糖操縱子 誘導(dǎo)型思考基因若想表達(dá)轉(zhuǎn)錄開(kāi)始誘導(dǎo)劑半乳糖苷酶基因得表達(dá)思考沒(méi)有乳糖時(shí)，ZYA只有幾分子，但當(dāng)出現(xiàn)乳糖時(shí)，幾分鐘內(nèi)ZYA可以上千倍增多，可占蛋白質(zhì)的10%。為什么不取個(gè)中間值？思考三個(gè)基因成蔟排列，A是做什么的呢？思考是不是有乳糖且進(jìn)入細(xì)胞就可以使乳糖操縱子開(kāi)放了呢？RNA 聚合酶的發(fā)動(dòng)仍需要一個(gè)正調(diào)控信號(hào)才能激活轉(zhuǎn)錄。

10、這個(gè)蛋白稱(chēng)為正調(diào)控蛋白。對(duì)所有葡萄糖敏感的操縱子而言， 這一正調(diào)控是CAP 因子第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控+ + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP CAP: （catabolite gene activator protein）分解代謝基因活化蛋白二 乳糖操縱子 誘導(dǎo)CRP cAMP receptor protein第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控二 乳糖操縱子 誘導(dǎo)第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控adenylate cyclaseG-思考一個(gè)CAP正性調(diào)節(jié)一個(gè)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)兩者一起如何調(diào)

11、節(jié)？第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控協(xié)同調(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； 如無(wú)CAP存在，即使沒(méi)有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；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。葡萄糖對(duì) lac 操縱子的阻遏作用稱(chēng)分解代謝阻遏(catabolic repression)。 二 乳糖操縱子 誘導(dǎo)第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控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-polOOOOII二 乳糖操縱子 誘導(dǎo)ImRNA-+-+-I+第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控圖圖18-318-

12、3CAPCAP、阻遏蛋白、阻遏蛋白、cAMPcAMP和誘導(dǎo)劑對(duì)和誘導(dǎo)劑對(duì)laclac操縱子的調(diào)節(jié)操縱子的調(diào)節(jié) 第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控CHECK YOUR UNDERSTANDING有一種突變株大腸桿菌在既含有葡萄糖也含有乳糖的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)時(shí)，乳糖操縱子呈現(xiàn)較高水平的表達(dá)。此突變株最有可能思考作為合成蛋白質(zhì)的氨基酸之一，細(xì)菌平時(shí)把合成色氨酸的相關(guān)基因開(kāi)還是關(guān)好呢？第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控Trp OPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 RNA RNA聚合酶聚合酶 色氨酸操縱子色氨酸過(guò)量時(shí)：三色氨酸操縱子 阻遏第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控mRNA OPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 RNA

13、 RNA聚合酶聚合酶 三色氨酸操縱子 阻遏色氨酸操縱子色氨酸缺乏或不足時(shí)：第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控轉(zhuǎn)錄終止階段調(diào)節(jié)（一）不依賴(lài)Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（二）依賴(lài)Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止常見(jiàn)于噬菌體中，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不清楚。 兩段富含GC的反向重復(fù)序列，中間間隔若干核苷酸； 下游含一系列T序列。 終止子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：思考實(shí)驗(yàn)觀(guān)察表明：當(dāng)存在充足的色氨酸時(shí)，終止作用是有效的。但當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度，卻還沒(méi)有高到能夠活化阻遏蛋白使其起阻遏作用的程度時(shí)，產(chǎn)生色氨酸合成酶類(lèi)的量已經(jīng)明顯降低，而且產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)。這又是怎么回事呢？第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控五、轉(zhuǎn)錄翻譯偶聯(lián)調(diào)節(jié) 衰減子衰

14、減是轉(zhuǎn)錄-翻譯的偶聯(lián)調(diào)控色氨酸操縱子（trp operon）除了產(chǎn)物阻遏負(fù)調(diào)控外，還有轉(zhuǎn)錄衰減（attenuation）調(diào)控方式。 第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控轉(zhuǎn)錄-翻譯的偶聯(lián)調(diào)控第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控色氨酸操縱子示意圖廣義衰減區(qū)第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控色氨酸操縱子前導(dǎo)序列第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控色氨酸操縱子前導(dǎo)序列第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控色氨酸操縱子前導(dǎo)序列第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控前導(dǎo)序列第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控Trp 前導(dǎo)mRNA最穩(wěn)定的二級(jí)結(jié)構(gòu)。衰減作用依賴(lài)于12， 34的配對(duì)發(fā)夾結(jié)構(gòu)。34配對(duì)是終止信號(hào)第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控Trp大量時(shí)，核糖體移動(dòng)順利通過(guò)12，

15、34發(fā)夾形成。核糖體順利通過(guò)1翻譯完前導(dǎo)肽，在終止密碼停頓。這樣34發(fā)夾形成，轉(zhuǎn)錄終止，釋放RNApol第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控Trp少的時(shí)候，因?yàn)楸籺RNA攜帶的Trp減少，會(huì)導(dǎo)致核糖體在1處停留，其停留導(dǎo)致12發(fā)夾不能形成，23發(fā)夾結(jié)構(gòu)（衰減結(jié)構(gòu)）形成，而23的形成導(dǎo)致34不能形成，故RNA聚合酶可以一直轉(zhuǎn)錄下去ABCDE第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控衰減子作用第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控前導(dǎo)序列發(fā)揮了隨色氨酸濃度升高而降低轉(zhuǎn)錄的作用，這段序列稱(chēng)衰減子色氨酸濃度決定了核糖體經(jīng)過(guò)前導(dǎo)區(qū)繼續(xù)轉(zhuǎn)錄的能力核糖體在 mRNA 上的位置決定前導(dǎo)序列中終止發(fā)夾結(jié)構(gòu)的生成，從而決定 RNA 聚合酶通過(guò)衰減子的能力第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控思考而當(dāng)其他氨基酸短缺或所有的氨基酸都不足時(shí)，細(xì)菌是打開(kāi)色氨酸操縱子呢還是關(guān)閉呢？第二節(jié) 原核基因表達(dá)調(diào)控核糖體翻譯移動(dòng)的速度更慢，甚至不能占據(jù) 1 區(qū)的序列，結(jié)果有利于 1 和 2 發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成，于是 RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄，等于告訴細(xì)菌：“整個(gè)氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能合成蛋白質(zhì)，不如