第十章原核基因表達(dá)調(diào)控

原核生物基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)(geneexpression)：是指儲存遺傳信息的基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯合成特定蛋白質(zhì)，進(jìn)而發(fā)揮其生物功能的整個(gè)過程。也即基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達(dá)?；虮磉_(dá)調(diào)控(geneexpressionregulation):對基因表達(dá)過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控。組成性表達(dá)(constitutiveexpression)適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression）基因表達(dá)的方式概念：又稱組成性基因表達(dá)(constitutivegeneexpression),是指在個(gè)體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)進(jìn)行的基因表達(dá)。其基因表達(dá)產(chǎn)物通常是對生命過程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。這類基因通常被稱為管家基因（housekeepinggene）。

特點(diǎn)：不易受環(huán)境變化影響，表達(dá)產(chǎn)物是整個(gè)生命過程中都持續(xù)需要的，是細(xì)胞存活所必須的；表達(dá)水平較恒定。意義：維持生命活動組成性表達(dá)概念：指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動的一類基因表達(dá)。誘導(dǎo)：隨環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)(induction)，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因(induciblegene)；阻遏：隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。特點(diǎn)：受環(huán)境變化影響意義：適應(yīng)環(huán)境適應(yīng)性表達(dá)基因表達(dá)的時(shí)間性和空間性時(shí)間特異性(temporalspecificity)：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，稱之為基因表達(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(stagespecificity)?？臻g特異性(spatialspecificity)是指多細(xì)胞生物個(gè)體在某一特定生長發(fā)育階段，同一基因的表達(dá)在不同的細(xì)胞或組織器官中，從而導(dǎo)致特異性的蛋白質(zhì)分布于不同的細(xì)胞或組織器官。故又稱為細(xì)胞特異性或組織特異性(cellortissuespecificity)。

基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（原核、真核）維持個(gè)體發(fā)育與分化（真核）原核生物基因調(diào)控一般執(zhí)行如下規(guī)律一個(gè)體系需要時(shí)被打開，不需要時(shí)被關(guān)閉。基因的開與關(guān)是相對的。開-關(guān)的活性可以通過轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)。原核生物主要受到營養(yǎng)狀況和環(huán)境因素的影響真核生物主要是受發(fā)育階段和激素水平的影響基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素

——順式作用元件和反式作用因子在基因轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控都是特定的蛋白質(zhì)分子和特定的DNA序列兩個(gè)因素相互作用的結(jié)果。起調(diào)控作用的DNA序列稱為順式作用元件或順式調(diào)控元件。與這些DNA序列相互作用的蛋白質(zhì)稱為反式作用因子。順式作用元件（cis-actingelement）：又稱分子內(nèi)作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的特殊序列。在原核生物中，大多數(shù)基因表達(dá)通過操縱元模型進(jìn)行調(diào)控，其順式作用元件主要由啟動子、操縱子和調(diào)節(jié)基因組成。在真核生物中，與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的順式作用元件主要有啟動子(promoter)、增強(qiáng)子(enhancer)和沉默子(silencer)。沉默子(silencer)：可降低基因啟動子轉(zhuǎn)錄活性的一段DNA順式元件。與增強(qiáng)子作用相反。反式作用因子（trans-actingfactor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的蛋白質(zhì)因子。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達(dá)到對特定基因進(jìn)行調(diào)控的目的。原核生物中的反式作用因子主要分為特異因子、激活蛋白和阻遏蛋白。真核生物中的反式作用因子通常稱為轉(zhuǎn)錄因子。反式作用因子也是基因產(chǎn)物。順式作用元件與反式作用因子

之間的相互作用大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白在與DNA結(jié)合之前，需先通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體或多聚體，然后再通過識別特定的順式作用元件，而與DNA分子結(jié)合。這種結(jié)合通常是非共價(jià)鍵結(jié)合。轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（

negativetranscriptionregulation)

調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（positivetranscriptionregulation)

調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白使阻遏蛋白失活或使激活蛋白激活，從而實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)。使阻遏蛋白激活或使激活蛋白失活，從而實(shí)現(xiàn)阻遏。誘導(dǎo)物(inducer)輔阻遏物(co-repressor)誘導(dǎo)物(inducer)阻遏蛋白阻遏作用誘導(dǎo)物去阻遏作用去阻遏作用阻遏蛋白輔阻遏物(co-repressor)阻遏作用輔阻遏物負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)控誘導(dǎo)阻遏蛋白不與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)基因不轉(zhuǎn)錄。負(fù)控阻遏阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)，基因不轉(zhuǎn)錄。正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正控誘導(dǎo)有效應(yīng)物時(shí)，激活蛋白處于活性狀態(tài)基因轉(zhuǎn)錄。正控阻遏有效應(yīng)物時(shí)，激活蛋白處于無活性狀態(tài)基因不轉(zhuǎn)錄。負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏正控誘導(dǎo)正控阻遏轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控操縱子(operon)

概念：

在原核生物中，若干結(jié)構(gòu)基因可串聯(lián)在一起，其表達(dá)受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控，這種基因的組織形式稱為操縱子。發(fā)現(xiàn)：

1961年JacobandMonod---乳糖操縱子模型細(xì)菌轉(zhuǎn)錄調(diào)控的最初概念操縱子(operon)的基本組成結(jié)構(gòu)基因、調(diào)節(jié)基因、操縱元件lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacIControlelementStructuralgenes結(jié)構(gòu)基因：可編碼非調(diào)控RNA或蛋白質(zhì)的一段DNA序列（除調(diào)節(jié)基因以外的所有基因）。特點(diǎn)：（1）含有2個(gè)以上的基因（2）各結(jié)構(gòu)基因串連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI（3）多個(gè)結(jié)構(gòu)基因的DNA被轉(zhuǎn)錄成多順反子mRNA（4）每個(gè)結(jié)構(gòu)基因是一個(gè)連續(xù)的開放讀框（5）至少在第一個(gè)開放讀框5’側(cè)具有核糖體結(jié)合位點(diǎn)，核糖體識別并結(jié)合RBS，起始翻譯。UAAAUGAUGUAA…...3’調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）其產(chǎn)物參與調(diào)控其他結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacImRNA特點(diǎn)：可在結(jié)構(gòu)基因群附近、也可遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)基因不僅對同一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因起作用，而且能對不同DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因起作用調(diào)控蛋白：類型：a、阻遏蛋白（repressiveprotein）與操縱元件結(jié)合后能減弱或阻止所調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白b、激活蛋白（activatingprotein）與操縱元件結(jié)合后能增強(qiáng)或啟動所調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白 操縱元件（operator）：是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動子鄰近或與啟動子序列重疊特點(diǎn)：（1）與啟動子鄰近或與啟動子部分序列重疊（2）具有回文結(jié)構(gòu)，能形成十字形結(jié)構(gòu)。（3）與不同構(gòu)像的蛋白質(zhì)結(jié)合，可以分別起阻遏或激活基因表達(dá)的作用

lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI乳糖操縱子(Lacoperon)1940年，Monod發(fā)現(xiàn)：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時(shí)，細(xì)菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗盡后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細(xì)菌的生長會出現(xiàn)停頓，即產(chǎn)生“二次生長曲線”。操縱子學(xué)說乳糖對

－半乳糖苷酶的合成有誘導(dǎo)作用。葡萄糖對

－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI組成：3種元件由1個(gè)調(diào)節(jié)基因，3個(gè)結(jié)構(gòu)基因、控制元件、ZYAOPLac結(jié)構(gòu)基因LacIPlacI調(diào)控基因β半乳糖苷酶β半乳糖苷透性酶β半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶阻遏蛋白催化β-半乳糖苷水解將β-半乳糖苷轉(zhuǎn)入細(xì)胞將乙酰CoA的乙?；D(zhuǎn)移到β-半乳糖苷上啟動子(lacP)操縱元件（lacO）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和功能1、結(jié)構(gòu)基因（1）lacZ：編碼b

－半乳糖苷酶

（使乳糖水解）（2）lacY：編碼b

－半乳糖苷透過酶（使b

－半乳糖苷透過細(xì)胞壁、質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)）（3）lacA：編碼b

－半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶（將乙?；D(zhuǎn)移到b

－半乳糖苷上）4、調(diào)節(jié)基因lacI：編碼阻遏蛋白（repressiveprotein）亞基

四聚體存在時(shí)具有活性，與Olac具有很強(qiáng)的親和力lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI5、操縱元件操縱元件Olac（1）28bp的回文結(jié)構(gòu)，可形成十字形結(jié)構(gòu)（2）這種結(jié)構(gòu)正好與由四個(gè)相同亞基組成的阻遏蛋白相匹配。啟動子：Plac：控制

lacZ,lacY,lacA，多順反子的mRNA；PlacI終止子

lacO是-5至+21的序列，與啟動子右末端重疊lacO的序列，以+11為對稱軸具有反向重復(fù)序列乳糖操縱子的表達(dá)調(diào)控1、阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控沒有乳糖時(shí)，1ac操縱子處于阻遏狀態(tài)。LacI基因在自身的啟動子PLacI控制下，產(chǎn)生阻遏蛋白R。R以四聚體形式與操縱子OLac結(jié)合，阻礙RNA聚合酶與啟動子PLac的結(jié)合。當(dāng)有乳糖存在時(shí)，乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白四聚體解聚成單體，失去與OLac的親和力，與OLac解離，基因轉(zhuǎn)錄開放。安慰誘導(dǎo)物（gratuitousinducer）：能高效誘導(dǎo)酶的合成但不被所誘導(dǎo)的酶分解的分子。誘導(dǎo)物：IPTG（異丙基硫代半乳糖苷），TMG（巰甲基半乳糖苷），顯色底物：ONPG（O-硝基半乳糖苷）2、CAP的正調(diào)控

cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)，當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖供給能量時(shí)，cAMP含量降低；無葡萄糖時(shí)，cAMP含量升高。cAMPreceptorprotein(CRP)CRPisatranscriptionalactivatorwhichisactivatedbybindingtocAMP.CRP結(jié)合cAMP后有活性，是一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活因子However,itisonlyactivewhencAMPbound,andcAMPiscontrolledbyglucose.CRP只有結(jié)合cAMP后才有活性，cAMP受到葡萄糖的控制。CRPactivatormediatestheglobalregulationofgeneexpressionfromcatabolicoperonsinresponseto

glucoselevels.CRP激活因子參與對葡萄糖水平應(yīng)答的分解代謝操縱子的基因表達(dá)的全局調(diào)控

cAMP與CRP結(jié)合變?yōu)镃AP，并以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合。

CAP與DNA位點(diǎn)結(jié)合后，造成模板DNA發(fā)生大于90度彎曲有利于轉(zhuǎn)錄起始。由于P1ac是弱啟動子，沒有強(qiáng)的-35區(qū)，只有弱的-10區(qū)，單純因乳糖的存在去阻遏使1ac操縱子轉(zhuǎn)錄開放，還不能使細(xì)胞很好利用乳糖。為達(dá)到高水平的轉(zhuǎn)錄，必須同時(shí)有CAP來加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，細(xì)菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。1ac操縱子的強(qiáng)誘導(dǎo)既需要有乳糖的存在，又需要沒有葡萄糖可供利用，通過CAP的正調(diào)控作用，細(xì)菌才能充分利用乳糖。ThePlacisaweakpromoter,lackingastrong–35and–10consensussequences.Highlevelexpressionfromthispromoterrequirestheactivityofthespecificactivator,CRP.WhenglucoseispresentThelevelofcAMPislowincell,andCRPexistsasadimerwhichcan’tbindtoDNAtoregulatetranscription.有葡萄糖時(shí)候，cAMP含量低，CRP以二聚體形式存在，不能獨(dú)立結(jié)合DNA調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄WhenglucoseisabsentThelevelofcAMPincreaseandCRPbindtocAMP.TheCRP-cAMPcomplexbindstoPlacjustupstreamfromthesiteforRNApolymerase.Inducesa90°bendinDNAwhichenhancesRNApolymerasebindingtothepromoterandthusthetranscriptionby

50-fold.無葡萄糖時(shí)，cAMP含量升高，結(jié)合CRP。CRP-cAMP復(fù)合物結(jié)合到緊鄰RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)的上游.其結(jié)合引起DNA鏈發(fā)生大于90°的彎曲，增強(qiáng)了RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合，提高轉(zhuǎn)錄效率50倍。CABSummaryA:

RNApolymeraseB:

lacrepressor

C:

CRP-cAMP5.lac操縱子正負(fù)調(diào)控的協(xié)調(diào)作用負(fù)調(diào)控：受乳糖和阻遏蛋白調(diào)節(jié)正調(diào)控：受cAMP和CAP調(diào)節(jié)兩種調(diào)控機(jī)制根據(jù)存在的C源性質(zhì)和水平協(xié)調(diào)的調(diào)節(jié)lac操縱子的表達(dá)。無乳糖:阻遏蛋白結(jié)合于操縱基因，轉(zhuǎn)錄不能起始。有乳糖，有葡萄糖:cAMP↓，CAP失活，不能激活基因轉(zhuǎn)錄，lac操縱子本底水平轉(zhuǎn)錄。有乳糖:阻遏蛋白失活，轉(zhuǎn)錄起始。無葡萄糖:CAP活化，激活基因轉(zhuǎn)錄，lac操縱子高水平轉(zhuǎn)錄。分解代謝阻遏作用（cataboliterepression）：在細(xì)胞中，優(yōu)先利用葡萄糖作碳源，而不使用其他糖類這種選擇，是由葡萄糖的分解代謝物控制的。TheCRP(alsocalledCAP)proteincanbindatdifferentsitesrelativetoRNApolymerase.Supp.TheTrpOperon（色氨酸操縱子）色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，一般的環(huán)境難以給細(xì)菌提供足夠的色氨酸，細(xì)菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過許多步驟合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時(shí)，細(xì)菌就會充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負(fù)擔(dān)。細(xì)菌所以能做到這點(diǎn)是因?yàn)橛猩彼岵倏v子（trpoperon）的調(diào)控。1.Thetrpoperonencodesfivestructuralgenesrequiredfortryptophansynthesis.2.Itencodesasignaltranscription(7kb,polycistron)downstreamofOtrp.3.Thesegenesareco-ordinatelyexpressedwhentryptophanisinshortsupplyinthecell.ABCTheTrprepressor（色氨酸阻遏物）合成色氨酸所需要酶類的基因E、D、C、B、A等頭尾相接串連排列組成結(jié)構(gòu)基因群，受其上游的啟動子Ptrp和操縱子Otrp的調(diào)控，調(diào)控基因trpR的位置遠(yuǎn)離P-O-結(jié)構(gòu)基因群，在其自身的啟動子作用下，以組成性方式低水平表達(dá)其編碼分子量為47KD的調(diào)控蛋白阻遏蛋白R，R并沒有與O結(jié)合的活性，當(dāng)環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時(shí)，R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化，就能夠與ｏ特異性親和結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。Trp

repressor

isencoded

byaseparateoperon

trpR,andspecificallyinteractswithOtrp,apalindromeof18bp,andoverlapswiththePtrpsequencebetweenbase–21and+3)

色氨酸阻遏物由trpR編碼，與操縱元件特異性結(jié)合。結(jié)合位點(diǎn)與Ptrp在-21-+3區(qū)有重疊2.TherepressorcanonlybindtotheoperatorOtrpwhenitiscomplexedwithtryptophan.Therefore,tryisaco-repressorandinhibitsitsownsynthesisthroughend-productinhibition(negativefeed-backregulation). 阻遏蛋白只有結(jié)合色氨酸后才能與Otrp結(jié)合。色氨酸操縱子編碼的酶的終端產(chǎn)物色氨酸作為共阻遏因子通過終產(chǎn)物抑制自身的合成。3.Therepressorreducestranscriptioninitiationbyaround70-fold,whichismuchsmallerthanthebindingoflacrepressor. 阻遏蛋白的阻遏作用是轉(zhuǎn)錄起始降低70倍。4.TherepressorisadimeroftwosubunitswhichhasastructurewithacentralcoreandtwoflexibleDNA-readingheads(carboxyl-terminalofeachsubunit)trpoperon色氨酸操縱子屬于一種負(fù)性調(diào)控的、可阻遏的操縱子（repressibleoperon），即這操縱子通常是開放轉(zhuǎn)錄的，有效應(yīng)物（色氨酸為輔阻遏物）作用時(shí)則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。細(xì)菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都屬于這種類型，其調(diào)控可使細(xì)菌處在生存繁殖最經(jīng)濟(jì)最節(jié)省的狀態(tài)。

Theattenuator（衰減子）當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度、但還沒有高到能夠活化R使其起阻遏作用的程度時(shí)，產(chǎn)生色氨酸合成酶類的量已經(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)。研究發(fā)現(xiàn)這種調(diào)控現(xiàn)象與色氨酸操縱子特殊的結(jié)構(gòu)有關(guān)。Repressordoesnotaccountforalltheregulation； 阻遏蛋白DeletionofasequencebetweentheoperatorandtrpEgenecodingregion(attenuator)increaseboththebasalandtheactivated(derepressed)levelsoftranscription.

Otrp和trpE之間序列的缺失導(dǎo)致基因基本轉(zhuǎn)錄水平和活化后的轉(zhuǎn)錄水平的上升。LiesattheendofthetranscribedleadersequencethatprecedesthetrpEinitiatorcodon.弱化子位于trpE起始密碼子前面162nt的轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)序列的末端2.Isaρ-independentterminatorsite(GC-richpalindrome)f0llowedbyeightsuccessiveUresidues.弱化子是一個(gè)不依賴于ρ因子的終止子，在一段富含GC的回文結(jié)構(gòu)后是8個(gè)連續(xù)的U殘基3.Actsasahighlyefficienttranscriptionterminatorifthehairpinstructureisformed,andonlyaveryshorttransciptissynthesized. 如果這段序列能在RNA轉(zhuǎn)錄物中形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，就可以作為一個(gè)高效的轉(zhuǎn)錄終止子。LeaderRNAstructure（先導(dǎo)RNA的結(jié)構(gòu)）Complementary3:4terminationoftranscription

Complementary2:3ElongationoftranscriptionTheleadersequencecontainsfourregions(sequence1,2,3,4)ofcomplementarysequencethatcanformdifferentstructuresfreeleaderRNAtrp前導(dǎo)區(qū)的堿基序列已經(jīng)全部測定，發(fā)現(xiàn)完整的前導(dǎo)序列可分為1、2、3、4區(qū)域，這四個(gè)區(qū)域的片段能以兩種不同的方