第六章 基因表達調(diào)控(一)

人工基因組的設(shè)計與合成李炳志bzli@2013-031中心法則蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復制DNARNA復制2第六章

基因表達調(diào)控(一)李炳志bzli@2013-033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4基因表達與調(diào)控基因表達(geneexpression)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（generegulation或genecontrol）?；虮磉_調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學研究的中心課題。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄生成RNA的過程也屬于基因表達。5基因表達的方式組成型表達constitutiveexpression適應(yīng)型表達adaptiveexpressionregulatedgeneexpression協(xié)調(diào)表達coordinateexpression6組成型表達管家基因（housekeepinggene）在一個生物個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達的基因。組成型基因表達（constitutivegeneexpression）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乎全部組織中持續(xù)表達或變化很小。7適應(yīng)型表達

指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。誘導表達Inductionexpression

基因表達水平應(yīng)環(huán)境條件變化增高的現(xiàn)象。這類基因被稱為可誘導的基因induciblegene；阻遏表達Repression expression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repressiblegene8協(xié)調(diào)表達（coordinatedexpression）在一定機制控制下，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)（coordinated

regulation）9基因表達的時間性與空間性時間特異性：單細胞生物個體的生長過程，及在不同外環(huán)境下的生長狀態(tài)，均伴隨各種基因表達的改變。多細胞在個體發(fā)育的不同階段，及處于不同內(nèi)環(huán)境下，細胞基因表達方式也存在變化?？臻g特異性：多細胞生物中，組成不同組織器官的細胞，其基因表達方式有很大差別。10原核基因表達調(diào)控①轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控；②轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控：mRNA加工成熟水平上的調(diào)控；翻譯水平上的調(diào)控。11操縱子學說Jacob和Monod因提出操縱子學說和信使RNA而于1965年諾貝爾生理學獎。12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。13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。14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。15操縱基因（Operator）操縱子中能與調(diào)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。16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。17

正調(diào)控（positivecontrol）:

調(diào)控因子通過與啟動子元件結(jié)合來激活基因的表達。負調(diào)控（negativecontrol）:

阻抑物與操縱基因結(jié)合來阻止基因的表達。正調(diào)控與負調(diào)控18誘導(induction)：通過小分子誘導物參與,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。阻遏(repression):

通過小分子輔阻遏物參與,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。誘導與阻遏19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)誘導劑：能引起誘導發(fā)生的分子；阻遏劑：能引起阻遏發(fā)生的分子；20操縱子的類型根據(jù)作用方式分：誘導型：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。有些有弱化子存在，產(chǎn)物一般為阻遏物。21調(diào)控類型與特點22乳糖操縱子-Lacoperon大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌DNA的一個特定區(qū)段，由調(diào)節(jié)基因I，操縱基因O和結(jié)構(gòu)基因Z、Y、A組成。23乳糖操縱子-Lacoperon大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌DNA的一個特定區(qū)段，由調(diào)節(jié)基因I，操縱基因O和結(jié)構(gòu)基因Z、Y、A組成。2425乳糖不存在時26乳糖存在時27誘導物

別乳糖是lac操縱子轉(zhuǎn)錄的活性誘導物，發(fā)現(xiàn)一個合成的、結(jié)構(gòu)上類似于別乳糖、不能被β-半乳糖苷酶水解的異丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside：IPTG）起著lac操縱子的一個誘導物的作用，所以IPTG常用于誘導含有使用了lac啟動子的質(zhì)粒載體的細菌中的重組蛋白的表達。28誘導物29操縱子對誘導劑的響應(yīng)30

通過去阻遏調(diào)控lac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lac操縱子的轉(zhuǎn)錄誘導作用。分解物基因激活蛋白（catabolicgene-activatorprotein:CAP）可以部分調(diào)控細菌對糖的代謝。在有乳糖存在，而且葡萄糖水平低時，CAP可以激活象lac操縱子那樣的操縱子的轉(zhuǎn)錄。

當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CAP是lac操縱子的一個激活劑，并且起始了正調(diào)控轉(zhuǎn)錄。cAMP的作用象個調(diào)節(jié)器，它與CAP結(jié)合正向調(diào)控CAP的DNA結(jié)合活性。Lac操縱子的正調(diào)控31cAMP生成adenylatecyclaseATP

cAMP32CRP的活性控制葡萄糖與cAMP的濃度負相關(guān)，并通過cAMP調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。33Lac操縱子的正調(diào)控34乳糖操縱子調(diào)控總圖35TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP36TheLacOperon:

WhenGlucoseAndLactoseArePresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great,Icantranscribe!Sometranscriptionoccurs,butataslowrateThislactosehasbentmeoutofshape37TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!38TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!39色氨酸操縱子色氨酸操縱子（tryptophanoperon,trpoperon）就是負責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5種蛋白的多順反子mRNA的表達。4041操縱基因和啟動子重疊42(1)輔阻遏蛋白對trp操縱子表達的調(diào)控

輔阻遏蛋白（trpR的產(chǎn)物）通過與操縱基因的結(jié)合與否來控制結(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受到色氨酸水平的控制，色氨酸與輔阻遏蛋白結(jié)合則激活了輔阻遏蛋白，這樣輔阻遏蛋白就可與操縱區(qū)DNA結(jié)合，關(guān)閉trp操縱子的表達。trp操縱子的阻遏系統(tǒng)43trpB色氨酸缺乏時44色氨酸充足時45弱化子

在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前有一個長162bp的mRNA片段被稱為前導區(qū)，其中123～150位堿基序列如果缺失，trp基因表達可提高6-10倍，而且無論是在阻遏細胞內(nèi)還是在永久性突變的細胞內(nèi)都是這樣。當mRNA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)域終止，產(chǎn)生一個僅有140個核苷酸的RNA分子，終止trp基因轉(zhuǎn)錄，這就是123～150區(qū)序列缺失會提高trp基因表達的原因。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)域就被稱為弱化子。

46操縱基因和結(jié)構(gòu)基因中間有一段前導區(qū)，123～150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47前導肽實驗表明衰減作用需要負載tRNATrp參與，這意味著前導序列的某些部分被翻譯了。分析前導序列發(fā)現(xiàn)，它包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA；如果翻譯起始于AUG，應(yīng)該產(chǎn)生一個含有14個氨基酸的多肽。這個假設(shè)的多肽（還未實際觀察到）被稱為前導肽。

48前導序列具有一個非常有意義的特點，在其第10和第11位上有相鄰的兩個色氨酸密碼子。這一點很重要，因為組氨酸操縱子中，也具有弱化子，也具有一個類似的能編碼前導肽的堿基序列，此序列中含有7個相鄰的組氨酸密碼子。苯丙氨酸操縱子中同樣存在弱化子結(jié)構(gòu)，其前導序列中也有7個苯丙氨酸密碼子。這些密碼子參與了trp及其他操縱子中的轉(zhuǎn)錄弱化機制。4950trp操縱子的衰減調(diào)控系統(tǒng)trp操縱子的另一種轉(zhuǎn)錄調(diào)控是稱之衰減作用（attenuation）的調(diào)控機制，這是一種將翻譯與轉(zhuǎn)錄聯(lián)系在一起的新的轉(zhuǎn)錄調(diào)控形式。細胞內(nèi)Trp-tRNATrp濃度決定核糖體是否停留在trpm