第四章環(huán)境與基因表達調(diào)控

1、第四章第四章 環(huán)境與基因表達調(diào)控環(huán)境與基因表達調(diào)控u逆境休克與基因表達u細菌的逆境反應機制u芽孢形成與基因表達u雙組分信號傳導系統(tǒng)與基因表達u群體感應與基因表達第一節(jié) 逆境休克與基因表達一、逆境類型與熱休克1. 逆境及其類型逆境或脅迫（stress）：影響生物生存、生長發(fā)育的各種環(huán)境因子。物理因子：溫度、光照、聲音、磁場等；化學因子：PH值、溶氧量、鹽度、氨氮含量等；2. 熱休克與熱休克蛋白熱休克與熱休克蛋白熱休克現(xiàn)象：n 熱休克蛋白 Heat Shock Proteins (HSPs)：是在從細菌到哺乳動物中廣泛存在一類熱應急蛋白質(zhì)。n 高溫、寒冷、缺氧、饑餓、抗原刺激等就會由熱激發(fā)合成此種

2、蛋白。n 許多熱休克蛋白具有分子伴侶活性伴侶活性。按照蛋白的大小，熱休克蛋白共分為五類，分別為HSP100，HSP90，HSP70，HSP60 以及sHSPs。二、HSP的功能u許多HSP是蛋白質(zhì)生物合成中的分子伴侶。分子伴侶？u提高細胞的應激能力、特別是耐熱能力。u對細胞的保護作用：熱休克蛋白的表達，產(chǎn)生對熱及其他逆境的廣譜耐受，達到保護細胞的作用。u調(diào)節(jié)Na-K -ATP酶的活性： HSP的產(chǎn)生，能部分恢復Na-K -ATP酶的活性。免疫作用免疫作用：針對自身免疫性疾病有保護作用。抗細胞凋亡作用抗細胞凋亡作用：熱應激等導致細胞凋亡，而應激激酶是細胞凋亡必須的，HSP可以抑制應激激酶的活性，

3、減少細胞凋亡。抗氧化作用抗氧化作用：抗氧化就是任何以低濃度存在就能有效抑制自由基的氧化反應的物質(zhì)，其作用機理可以是直接作用在自由基，或是間接消耗掉容易生成自由基的物質(zhì)，防止發(fā)生進一步反應。三、熱休克蛋白的表達調(diào)控機制三、熱休克蛋白的表達調(diào)控機制正常生理條件下，HSP處于本底表達狀態(tài)。應激條件下，HSP表達上調(diào)。Cooper等1975年發(fā)現(xiàn)32因子，參與RNA聚合酶識別HSP啟動子。DnaK是發(fā)現(xiàn)的第一個HSP負調(diào)控因子。 DnaK基因突變，HSP表達上升。第二節(jié) 細菌的逆境反應機制環(huán)境不利時，會誘導細菌產(chǎn)生大量逆境脅迫蛋白。分為普通脅迫蛋白（GSP）和特異性脅迫蛋白（SSP）。一、E.coli

4、逆境反應機制已發(fā)現(xiàn)細菌中有一些普通和特異性的脅迫蛋白，遭受環(huán)境脅迫時，起保護作用。如HSP。二、枯草桿菌逆境反應機制環(huán)境不利時，枯草桿菌會表達GSP和SSP以應對逆境。三、囚徒困境（Prioner Dilemma）n細菌根據(jù)環(huán)境脅迫的深度時，在芽孢或感受態(tài)選取比較適合的生存方式。第四節(jié) 芽孢的形成與基因表達 芽孢（芽孢（bacterial spore ）：是細菌細胞內(nèi)形成的一個圓形或橢圓形，厚壁，含水量低，抗逆性（抗熱、抗化學物質(zhì)、抗輻射等）強的休眠體構造 。一、芽孢形成中的重要形態(tài)變化一、芽孢形成中的重要形態(tài)變化1. 不對稱分裂對幾種突變菌體的研究發(fā)現(xiàn)：Spo0A、Spo0H、SpoII A

5、、 SpoII G對于芽孢的形成起重要作用。2. 裹吞作用F和E因子的活化，還涉及SpoII D、 SpoII M、 SpoII P等因子的參與。二、不同時期基因表達二、不同時期基因表達u前芽孢的基因表達研究表明：F因子可以打開48個基因的表達E因子能夠激活81個基因，抑制27個基因的表達。u母細胞中的基因表達母細胞中，特異性激活的基因達383個，占枯草芽孢桿菌基因組的9%。由E 、K因子及3個DNA結合蛋白SpoIIID、GerR和GerE控制。三、芽孢形成中的三、芽孢形成中的因子因子u因子之間的聯(lián)系因子之間的聯(lián)系 F因子與E因子; G因子與E因子u因子的活化機制因子的活化機制 F與E因子通

6、過切割方式活化。抗因子SpoII AB可抑制芽孢形成F因子G因子。第四節(jié)第四節(jié) 雙組份信號傳導系統(tǒng)對基因表達的調(diào)節(jié)雙組份信號傳導系統(tǒng)對基因表達的調(diào)節(jié)一、雙組份信號傳導系統(tǒng)及其基本組分概念：雙組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)由感受蛋白和調(diào)節(jié)蛋白組成。感應蛋白主要是激酶，調(diào)節(jié)蛋白通常是轉(zhuǎn)錄激活蛋白。它們由兩個不同的基因編碼，這兩個基因通常是相鄰的，而且常組成一個操縱子。細菌雙組份信號傳導系統(tǒng)組氨酸激酶傳導蛋白（HK，HPK）效應調(diào)節(jié)蛋白（RR）信號傳導中，都涉及到磷酸基團的轉(zhuǎn)移。1. HPK：是一個跨膜受體，含N端的胞外感受區(qū)，C端的胞內(nèi)信號區(qū)。細菌中有很多個家族，而真核生物只有1中。2. 響應調(diào)節(jié)蛋白響應調(diào)節(jié)蛋白二

7、、雙組分傳導模式u信號輸入uHPK自身磷酸化uRR磷酸化u信號輸出三、大腸桿菌的滲透壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)三、大腸桿菌的滲透壓調(diào)節(jié)系統(tǒng) 是眾多E.coli雙組份調(diào)控系統(tǒng)之一。Envz-OmpR系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)OmpF和OmpC的基因表達調(diào)控著細胞對滲透壓脅迫的影響過程。四、細菌的趨化性調(diào)控系統(tǒng)四、細菌的趨化性調(diào)控系統(tǒng)非代謝依賴趨化代謝依賴趨化細菌的趨化性是通過受體蛋白對環(huán)境信號的感知，調(diào)整鞭毛運動方向來尋找適于生成的環(huán)境。在E.coli中，是通過兩極的受體復合體和鞭毛馬達復合體兩個大分子復合體來調(diào)節(jié)的。第五節(jié) 群體感應與基因表達一、QS現(xiàn)象及其特點群體感應（群體感應（quorum sensing，QS）：u

8、細菌能自發(fā)產(chǎn)生、釋放一些特定的信號分子，并能感知其濃度變化，調(diào)節(jié)微生物的群體行為。u近年來的研究證明細菌之間存在信息交流。自誘導物質(zhì)(autoinducer,AI)的信號分子，達到一個臨界濃度時，能啟動菌體中相關基因的表達，調(diào)控細菌的生物行為。這一感應現(xiàn)象只有在細菌密度達到一定閾值后才會發(fā)生。 Vibrio fischeri 是一種海洋弧菌。它的發(fā)光機制是最早發(fā)現(xiàn)的群體感應現(xiàn)象。uQS系統(tǒng)基本類型：AHL（酰基高絲氨酸內(nèi)酯）類分子作為信號分子（AI）：G寡肽類分子作為信號分子：GAI-2作為信號分子：部分 G和GQS系統(tǒng)的多樣性系統(tǒng)的多樣性l 分布多樣性l 信號分子多樣性l 信號分子產(chǎn)生多樣性l 信號分子運輸多樣性l 響應多樣性QS系統(tǒng)的復雜性系統(tǒng)的復雜性u信號分子功能的復雜性u系統(tǒng)組成的復雜性u不同QS系統(tǒng)之間關系的復雜性二、二、QS系統(tǒng)的信號分子系統(tǒng)的信號分子AHL