第六章基因表達調(diào)控(一)

1、BAG-TJU人工基因組的設(shè)計與合成人工基因組的設(shè)計與合成李炳志2014-03BAG-TJU中心法則蛋白質(zhì)翻譯翻譯轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制DNADNARNARNA復(fù)制復(fù)制BAG-TJU第六章第六章 基因表達調(diào)控基因表達調(diào)控( (一一) )李炳志2014-03BAG-TJU第六章 基因表達調(diào)控 基本概念 原核表達調(diào)控 真核表達調(diào)控BAG-TJU6.16.1基本概念基本概念 基因表達(gene expression) 是指儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個過程。對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達調(diào)控（gene regulation或gene control）?；虮磉_調(diào)控是現(xiàn)階

2、段分子生物學(xué)研究的中心課題。 rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄生成RNA的過程也屬于基因表達。BAG-TJU基因表達的方式基因表達的方式 組成型表達 constitutive expression 適應(yīng)型表達 adaptive expression regulated gene expression 協(xié)調(diào)表達 coordinate expressionBAG-TJU組成型表達 管家基因管家基因（housekeeping gene）在一個在一個生物個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達的生物個體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達的基因?；?。 組成型基因表達組成型基因表達（constitutive gene expr

3、ession）管家基因的表達方式，較管家基因的表達方式，較少受環(huán)境影響，在個體各生長階段的幾少受環(huán)境影響，在個體各生長階段的幾乎全部組織中持續(xù)表達或變化很小。乎全部組織中持續(xù)表達或變化很小。BAG-TJU適應(yīng)型表達適應(yīng)型表達 指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。一類基因表達。誘導(dǎo)表達誘導(dǎo)表達Induction expression 基因表達水平應(yīng)環(huán)境條件變化增高的現(xiàn)象基因表達水平應(yīng)環(huán)境條件變化增高的現(xiàn)象。這類基這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因因被稱為可誘導(dǎo)的基因inducible gene；阻遏阻遏表達表達 Repressionexpression基因表

4、達水平隨環(huán)境條件變化降低的現(xiàn)象。相應(yīng)基因表達水平隨環(huán)境條件變化降低的現(xiàn)象。相應(yīng)的基因稱為可阻遏的基因的基因稱為可阻遏的基因repressible geneBAG-TJU 協(xié)調(diào)表達協(xié)調(diào)表達（coordinated expression）在在一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達方式，均需基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)一致，共同表達，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)一致，共同表達，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)（coordinated regulation）BAG-TJU基因表達的時間性與空間性基因表達的時間性與空間性 時間特異性： 單細(xì)胞生物個體的生長過程，及

5、在不同外環(huán)境下的生長狀態(tài)，均伴隨各種基因表達的改變。 多細(xì)胞在個體發(fā)育的不同階段，及處于不同內(nèi)環(huán)境下，細(xì)胞基因表達方式也存在變化。 空間特異性： 多細(xì)胞生物中，組成不同組織器官的細(xì)胞，其基因表達方式有很大差別。BAG-TJU 正調(diào)控（正調(diào)控（positive control）: 調(diào)控因子通調(diào)控因子通過與啟動子元件結(jié)合來激活基因的表達。過與啟動子元件結(jié)合來激活基因的表達。負(fù)調(diào)控（負(fù)調(diào)控（negative control）: 阻抑物與操阻抑物與操縱基因結(jié)合來阻止基因的表達?？v基因結(jié)合來阻止基因的表達。正正調(diào)控與負(fù)調(diào)控調(diào)控與負(fù)調(diào)控BAG-TJU誘導(dǎo)誘導(dǎo) (induction)： 通過小分子誘導(dǎo)物參與

6、通過小分子誘導(dǎo)物參與, 使阻抑物失活或活化使阻抑物失活或活化激活劑來實現(xiàn)對基因或操縱子表達的調(diào)控激活劑來實現(xiàn)對基因或操縱子表達的調(diào)控 。阻遏阻遏(repression): 通過小分子輔阻遏物參與通過小分子輔阻遏物參與,使激活劑失活或活化使激活劑失活或活化阻抑物來實現(xiàn)基因或操縱子不表達的調(diào)控。阻抑物來實現(xiàn)基因或操縱子不表達的調(diào)控。誘導(dǎo)誘導(dǎo)與阻遏與阻遏BAG-TJU幾個概念 阻遏蛋白：能與操縱基因結(jié)合減弱或阻止基因表達的蛋白； 誘導(dǎo)蛋白：能與操縱基因結(jié)合加強或起始基因表達的蛋白； 效應(yīng)物：能與調(diào)控蛋白結(jié)合，改變其構(gòu)象并影響轉(zhuǎn)錄的物質(zhì) 誘導(dǎo)劑：能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子； 阻遏劑：能引起阻遏發(fā)生的分子；B

7、AG-TJU調(diào)控調(diào)控類型與特點類型與特點BAG-TJU6.26.2原核基因表達調(diào)控原核基因表達調(diào)控 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控；轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控； 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控：轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控：a.a.mRNAmRNA加工成熟水平上的調(diào)控加工成熟水平上的調(diào)控 ；b.b.翻譯水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控 。BAG-TJU操縱子學(xué)說 Jacob和Monod因提出操縱子學(xué)說和信使RNA而于1965年諾貝爾生理學(xué)獎。BAG-TJU操縱子的類型根據(jù)作用方式分： 誘導(dǎo)型：調(diào)節(jié)分解代謝相關(guān)的操縱子，受cAMP-CAP調(diào)節(jié)。分解代謝的底物常為小分子誘導(dǎo)物； 阻遏型：調(diào)節(jié)合成代謝相關(guān)的操縱子，不受cAMP-CAP影響。有些有弱

8、化子存在，產(chǎn)物一般為阻遏物。BAG-TJU操縱子組成 操縱子是原核生物基因表達調(diào)控的基本功能單位，基本結(jié)構(gòu)包括：結(jié)構(gòu)基因、啟動子、調(diào)控序列、終止子等。 原核生物基因多以操縱子形式組成調(diào)控單元，共同開啟或關(guān)閉，形成多順反子mRNA。BAG-TJU結(jié)構(gòu)基因群一個操縱子常含有2個以上的結(jié)構(gòu)基因，每個基因為一個開放讀碼框，分別有翻譯起始密碼子和終止密碼子，首尾相連。共用核糖體結(jié)合位點。BAG-TJU啟動子一個操縱子至少有一個啟動子，分三段：識別區(qū)、結(jié)合區(qū)和起始區(qū)。啟動子序列差異決定了和RNA聚合酶的親和力，影響了啟動子的啟動頻率，即啟動子的強弱。BAG-TJU操縱基因（Operator）操縱子中能與調(diào)

9、控蛋白特異性結(jié)合的DNA序列。操縱基因常與啟動子部分重合或鄰近，調(diào)控蛋白的結(jié)合常影響下游基因的轉(zhuǎn)錄。BAG-TJU調(diào)控基因編碼能與操縱基因特異性結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。BAG-TJU乳糖操縱子-Lac operon 大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌DNA的一個的一個特定區(qū)段，由特定區(qū)段，由調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因I，操縱基因，操縱基因O和結(jié)和結(jié)構(gòu)基因構(gòu)基因Z、Y、A組成。組成。BAG-TJU乳糖操縱子-Lac operon 大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌DNA的一個的一個特定區(qū)段，由特定區(qū)段，由調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因I，操縱基因，操縱基因O和結(jié)和結(jié)構(gòu)基因構(gòu)基因

10、Z、Y、A組成。組成。BAG-TJUBAG-TJU乳糖不存在時BAG-TJU乳糖存在時BAG-TJU誘導(dǎo)物 別乳糖別乳糖是是lac操縱子轉(zhuǎn)錄的活性誘導(dǎo)物，發(fā)操縱子轉(zhuǎn)錄的活性誘導(dǎo)物，發(fā)現(xiàn)一個合成的、結(jié)構(gòu)上類似于別乳糖、不能現(xiàn)一個合成的、結(jié)構(gòu)上類似于別乳糖、不能被被-半乳糖苷酶水解的半乳糖苷酶水解的異丙基硫代半乳糖苷異丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）起著起著lac操縱子的一個誘導(dǎo)物的作用，所以操縱子的一個誘導(dǎo)物的作用，所以IPTG常用常用于誘導(dǎo)含有使用了于誘導(dǎo)含有使用了lac啟動子的質(zhì)粒載體的細(xì)啟動子的質(zhì)粒載體的細(xì)菌中的重組蛋白的表達。菌中的重組蛋白

11、的表達。 BAG-TJU誘導(dǎo)物BAG-TJU操縱子對誘導(dǎo)劑的響應(yīng)BAG-TJU 通過去阻遏調(diào)控通過去阻遏調(diào)控lac操縱子只是調(diào)控的一種方式，另一操縱子只是調(diào)控的一種方式，另一調(diào)控系統(tǒng)也可起到調(diào)控系統(tǒng)也可起到lac操縱子的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)作用。操縱子的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)作用。分解物基因分解物基因激活蛋白（激活蛋白（catabolic gene-activator protein: CAP,因為需要因為需要cAMP激活，所以也成為激活，所以也成為cAMP激活蛋白，即激活蛋白，即CRP）可以部可以部分調(diào)控細(xì)菌對糖的代謝。在有乳糖存在，而且葡萄糖水平分調(diào)控細(xì)菌對糖的代謝。在有乳糖存在，而且葡萄糖水平低時，低時，CAP可

12、以激活象可以激活象lac操縱子那樣的操縱子的轉(zhuǎn)錄。操縱子那樣的操縱子的轉(zhuǎn)錄。 當(dāng)葡萄糖和乳糖都存在時，即使阻遏物不結(jié)合，轉(zhuǎn)錄當(dāng)葡萄糖和乳糖都存在時，即使阻遏物不結(jié)合，轉(zhuǎn)錄也是非常弱的。然而當(dāng)葡萄糖濃度降低，而乳糖仍然存在也是非常弱的。然而當(dāng)葡萄糖濃度降低，而乳糖仍然存在時，轉(zhuǎn)錄激烈增加。這是由于時，轉(zhuǎn)錄激烈增加。這是由于CAP是是lac操縱子的一個激活操縱子的一個激活劑劑，并且起始了正調(diào)控轉(zhuǎn)錄。，并且起始了正調(diào)控轉(zhuǎn)錄。cAMP的作用象個調(diào)節(jié)器，的作用象個調(diào)節(jié)器，它與它與CAP結(jié)合正向調(diào)控結(jié)合正向調(diào)控CAP的的DNA結(jié)合活性。結(jié)合活性。Lac 操縱子的正調(diào)控BAG-TJUcAMP生成 adeny

13、late cyclaseATP cAMPBAG-TJUCap的的活性控制活性控制葡萄糖與cAMP的濃度負(fù)相關(guān)，并通過cAMP調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。BAG-TJULac 操縱子的正調(diào)控BAG-TJU乳糖操縱子調(diào)控總圖BAG-TJUThe Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo

14、 wayJose!CAPBAG-TJUThe Lac Operon:When Glucose And Lactose Are PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great, I can transcribe!Some transcription occurs, but at a slow rateThis lactose has bent me out

15、 of shapeBAG-TJUThe Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!BAG-TJUThe Lac O

16、peron:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through!BAG-TJU6.3色氨酸操縱子

17、色氨酸操縱子（色氨酸操縱子（tryptophan operon, trp operon）就是負(fù)責(zé)色氨酸合成的操縱子。）就是負(fù)責(zé)色氨酸合成的操縱子。trp操縱子是由一個啟動子和一個操縱基因操縱子是由一個啟動子和一個操縱基因區(qū)組成，該操縱基因區(qū)控制一個編碼色氨區(qū)組成，該操縱基因區(qū)控制一個編碼色氨酸生物合成需要的酸生物合成需要的5種蛋白的多順反子種蛋白的多順反子mRNA的表達。的表達。BAG-TJUBAG-TJU操縱基因和啟動子重疊BAG-TJU (1) 輔阻遏蛋白對輔阻遏蛋白對trp操縱子表達的調(diào)控操縱子表達的調(diào)控 輔阻遏蛋白輔阻遏蛋白（trpR的產(chǎn)物）通過與操縱基因的結(jié)合與的產(chǎn)物）通過與操縱基因

18、的結(jié)合與否來控制結(jié)構(gòu)基因是否被轉(zhuǎn)錄。否來控制結(jié)構(gòu)基因是否被轉(zhuǎn)錄。 (2) 輔阻遏蛋白的活性控制輔阻遏蛋白的活性控制 輔阻遏蛋白的活性受到輔阻遏蛋白的活性受到色氨酸水平色氨酸水平的控制，色氨酸與的控制，色氨酸與輔阻遏蛋白結(jié)合則激活了輔阻遏蛋白，這樣輔阻遏蛋白輔阻遏蛋白結(jié)合則激活了輔阻遏蛋白，這樣輔阻遏蛋白就可與操縱區(qū)就可與操縱區(qū)DNA結(jié)合，關(guān)閉結(jié)合，關(guān)閉trp操縱子的表達。操縱子的表達。trp操縱子的阻遏系統(tǒng)操縱子的阻遏系統(tǒng)BAG-TJUtrpB色氨酸缺乏時BAG-TJU色氨酸充足時BAG-TJU弱化子 在在trp mRNA 5 端端trpE基因的起始密碼前有一個長基因的起始密碼前有一個長162

19、bp的的mRNA片段被稱為前導(dǎo)區(qū)片段被稱為前導(dǎo)區(qū)，其中，其中123150位堿基序列如果缺失，位堿基序列如果缺失，trp基因表達可提高基因表達可提高6-10倍，倍，而且無論是在阻遏細(xì)胞內(nèi)還是在永久性突變的細(xì)而且無論是在阻遏細(xì)胞內(nèi)還是在永久性突變的細(xì)胞內(nèi)都是這樣。當(dāng)胞內(nèi)都是這樣。當(dāng)mRNA合成起始以后，除非培合成起始以后，除非培養(yǎng)基中完全沒有色氨酸，轉(zhuǎn)錄總是在這個區(qū)域終養(yǎng)基中完全沒有色氨酸，轉(zhuǎn)錄總是在這個區(qū)域終止，產(chǎn)生一個僅有止，產(chǎn)生一個僅有140個核苷酸的個核苷酸的RNA分子分子，終止，終止trp基因轉(zhuǎn)錄，這就是基因轉(zhuǎn)錄，這就是123150區(qū)序列缺失會提高區(qū)序列缺失會提高trp基因表達的原因?；?/p>

20、因表達的原因。因為轉(zhuǎn)錄終止發(fā)生在這一區(qū)因為轉(zhuǎn)錄終止發(fā)生在這一區(qū)域，并且這種終止是被調(diào)節(jié)的，這個區(qū)域就被稱域，并且這種終止是被調(diào)節(jié)的，這個區(qū)域就被稱為為弱化子弱化子。 BAG-TJU 操縱基因和結(jié)構(gòu)基因中間有一段前導(dǎo)區(qū)， 123150位堿基序列可調(diào)節(jié)操縱子的轉(zhuǎn)錄。有色氨酸存在時，轉(zhuǎn)錄總是產(chǎn)生一個僅有140個核苷酸的RNA分子，不轉(zhuǎn)錄色氨酸合成基因。先導(dǎo)序列隨著色氨酸濃度增高而降低合成基因轉(zhuǎn)錄。這段序列稱為弱化子。弱化子BAG-TJU前前 導(dǎo)導(dǎo) 肽肽 實驗表明衰減作用需要負(fù)載實驗表明衰減作用需要負(fù)載tRNATrp參與，參與，這意味著前導(dǎo)序列的某些部分被翻譯了。這意味著前導(dǎo)序列的某些部分被翻譯了。分

21、析前導(dǎo)序列發(fā)現(xiàn)，它包括起始密碼子分析前導(dǎo)序列發(fā)現(xiàn)，它包括起始密碼子AUG和終止密碼子和終止密碼子UGA；如果翻譯起始于；如果翻譯起始于AUG，應(yīng)該產(chǎn)生一個含有，應(yīng)該產(chǎn)生一個含有14個氨基酸的多個氨基酸的多肽。這個假設(shè)的多肽（還未實際觀察到）肽。這個假設(shè)的多肽（還未實際觀察到）被稱為被稱為前導(dǎo)肽前導(dǎo)肽。 BAG-TJU 前導(dǎo)序列具有一個非常有意義的特點，在其前導(dǎo)序列具有一個非常有意義的特點，在其第第10和和第第11位位上有相鄰的上有相鄰的兩個色氨酸密碼子兩個色氨酸密碼子。這一點很重。這一點很重要，因為要，因為組氨酸操縱子組氨酸操縱子中，也具有弱化子，也具有中，也具有弱化子，也具有一個類似的能編碼前導(dǎo)肽的堿基序列，此序列中含一個類似的能編碼前導(dǎo)肽的堿基序列，此序列中含有有7個相鄰的組氨酸密碼子。個相鄰的組氨酸密碼子。苯丙氨酸操縱子苯丙氨酸操縱子中同中同樣存在弱化子結(jié)構(gòu)，其前導(dǎo)序列中也有樣存在弱化子結(jié)構(gòu)，其前導(dǎo)序列中也有7個苯丙氨個苯丙氨酸密碼子。這些密碼子參與了