基因的表達(dá)和調(diào)控

基因的表達(dá)和調(diào)控基因的表達(dá)和調(diào)控第1頁概述基因表示調(diào)控DNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制基因表示——基因轉(zhuǎn)錄及翻譯過程。rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA過程也屬于基因表示基因的表達(dá)和調(diào)控第2頁對(duì)基因表示過程調(diào)整稱為基因表示調(diào)控（gene

regulation或genecontrol）?；虮硎痉绞?/p>

組成性表示(constitutiveexpression)

適應(yīng)性表示(adaptiveexpression）基因的表達(dá)和調(diào)控第3頁組成性表示：

一些基因在一個(gè)個(gè)體幾乎全部細(xì)胞中連續(xù)表示，通常被稱為看家基因(housekeepinggene)。

組成性基因表示不是一成不變，其表示強(qiáng)弱也受一定機(jī)制調(diào)控。指不大受環(huán)境變動(dòng)而改變一類基因表示?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第4頁

適應(yīng)性表示

指環(huán)境改變輕易使表示水平變動(dòng)一類基因表示。適應(yīng)環(huán)境條件改變基因表示水平增高現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)，這類基因被稱為可誘導(dǎo)基因(induciblegene)；隨環(huán)境條件改變而基因表示水平降低現(xiàn)象稱為阻遏，對(duì)應(yīng)基因被稱為可阻遏基因(repressiblegene)。

基因的表達(dá)和調(diào)控第5頁基因表示規(guī)律——時(shí)間性及空間性時(shí)間特異性(temporalspecificity)一些基因表示嚴(yán)格按特定時(shí)間次序生，稱之為基因表示時(shí)間特異性。

多細(xì)胞生物基因表示時(shí)間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。

基因的表達(dá)和調(diào)控第6頁ζ(zeta),ψ(psai)基因的表達(dá)和調(diào)控第7頁骨髓卵黃囊脾肝臟骨髓基因的表達(dá)和調(diào)控第8頁空間特異性(spatialspecificity)在個(gè)體生長(zhǎng)全過程，某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不一樣組織空間次序出現(xiàn)空間特異性又稱細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。同形異位現(xiàn)象:果蠅頭部長(zhǎng)觸角部位長(zhǎng)出腳來同形異位盒基因(homeobox):高度保守一段核苷酸序列（180bp），控制胚胎發(fā)育基因的表達(dá)和調(diào)控第9頁基因的表達(dá)和調(diào)控第10頁基因表示普通規(guī)律：在需要時(shí)表示——開(turnon)，不需要時(shí)不表示——關(guān)(turnoff)?！瓣P(guān)”：基因表示量尤其低生物基因表示受著嚴(yán)密和準(zhǔn)確調(diào)控，基因表示調(diào)控是生命本質(zhì)所在，是生物適應(yīng)環(huán)境生存必定結(jié)果?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第11頁基因表示調(diào)控生物學(xué)意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖維持個(gè)體發(fā)育與分化基因表示調(diào)控步驟：基因活化、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、翻譯、翻譯后加工基因的表達(dá)和調(diào)控第12頁基因的表達(dá)和調(diào)控第13頁一、原核基因表示調(diào)控總論(1)轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控;(2)轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)控;①

mRNA加工成熟水平上調(diào)控②

翻譯水平上調(diào)控基因的表達(dá)和調(diào)控第14頁原核生物中，營(yíng)養(yǎng)情況（nutritionalstatus）和環(huán)境原因（environmentalfactor）對(duì)基因表示起著舉足輕重影響。在轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)基因表示調(diào)控決定于DNA結(jié)構(gòu)、RNA聚合酶功效、蛋白因子及其它小分子配基相互作用?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第15頁1961年，Monod和Jacob提出操縱子學(xué)說FrancisJacob

JacquesMonod

轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控機(jī)制：獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)基因的表達(dá)和調(diào)控第16頁操縱子：是基因表示調(diào)整單位，由開啟子（開啟基因）、操縱區(qū)（操縱基因）及其所控制一組功效上相關(guān)結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱區(qū)受調(diào)整基因產(chǎn)物控制。多個(gè)結(jié)構(gòu)基因操縱區(qū)基因的表達(dá)和調(diào)控第17頁乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖苷透性酶?-半乳糖苷酶操縱位點(diǎn)乳糖操縱子結(jié)構(gòu)調(diào)整基因基因的表達(dá)和調(diào)控第18頁（1）依據(jù)操縱子對(duì)調(diào)整蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）應(yīng)答機(jī)制不一樣，可分為：正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控

1、原核基因調(diào)控分類基因的表達(dá)和調(diào)控第19頁調(diào)整基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控：調(diào)整蛋白是激活蛋白在沒有調(diào)整蛋白存在時(shí)結(jié)構(gòu)基因是關(guān)閉，加入調(diào)整蛋白質(zhì)后基因轉(zhuǎn)錄被開啟，稱為正轉(zhuǎn)錄調(diào)控?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第20頁調(diào)整基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控：調(diào)整蛋白是阻遏蛋白在沒有調(diào)整蛋白存在時(shí)結(jié)構(gòu)基因是表示，加入調(diào)整蛋白質(zhì)后基因表示被關(guān)閉，稱為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第21頁可誘導(dǎo)調(diào)整：結(jié)構(gòu)基因在特殊代謝物或化合物作用下，由原來關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)。比如：大腸桿菌乳糖操縱子

結(jié)構(gòu)基因表示還受一些小分子物質(zhì)（效應(yīng)物）調(diào)控。（2）依據(jù)操縱子對(duì)效應(yīng)物應(yīng)答機(jī)制不一樣，分為可誘導(dǎo)調(diào)整和可阻遏調(diào)整兩大類：基因的表達(dá)和調(diào)控第22頁調(diào)整基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白調(diào)整基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白誘導(dǎo)物mRNA酶蛋白可誘導(dǎo)調(diào)整某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第23頁可阻遏調(diào)整：基因平時(shí)是開啟，處于產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶工作過程中，因?yàn)橐恍┨厥獯x物或化合物積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因表示。例：色氨酸操縱子基因的表達(dá)和調(diào)控第24頁調(diào)整基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白輔阻遏物mRNA酶蛋白可阻遏調(diào)整調(diào)整基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因無活性阻遏蛋白基因的表達(dá)和調(diào)控第25頁

（3）在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)整基因產(chǎn)物是阻遏蛋白，起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄作用。依據(jù)其作用特征又可分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏：在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第26頁基因的表達(dá)和調(diào)控第27頁

(4)σ因子參加大腸桿菌基因表示調(diào)控

存在6種σ因子，其中σ70是調(diào)控最基礎(chǔ)生理功效如碳代謝、生物合成等基因轉(zhuǎn)錄所必須。

除參加氮代謝σ54外，其它5種σ因子在結(jié)構(gòu)上含有同源性，所以統(tǒng)稱σ70家族?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第28頁大腸桿菌中各種σ因子比較σ因子編碼基因主要功效σ70rpoD參加對(duì)數(shù)生長(zhǎng)久和大多數(shù)碳代謝過程基因調(diào)控σ54rpoN參加多數(shù)氮源利用基因調(diào)控σ38rpoH分裂間期特異基因表示調(diào)控σ32rpoS熱休克基因表示調(diào)控σ28rpoF鞭毛趨化相關(guān)基因表示調(diào)控σ24rpoE過分熱休克基因表示調(diào)控基因的表達(dá)和調(diào)控第29頁全部σ因子都含有4個(gè)保守區(qū)，其中第2個(gè)和第4個(gè)保守區(qū)參加結(jié)合開啟區(qū)DNA，第2個(gè)保守區(qū)另一個(gè)別還參加雙鏈DNA解開成單鏈過程。不一樣σ因子結(jié)合DNA序列及結(jié)合次序不完全相同?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第30頁2、原核基因調(diào)控主要特點(diǎn)經(jīng)過特殊代謝物調(diào)整基因活性主要有可誘導(dǎo)和可阻遏兩大類（1）可誘導(dǎo)調(diào)整：（2）可阻遏調(diào)整：規(guī)律：可誘導(dǎo)基因總是一些編碼糖和氨基酸分解代謝蛋白基因。而可阻遏基因是一些合成各種細(xì)胞代謝過程中所必須小分子物質(zhì)（如氨基酸、嘌呤和嘧啶等）基因?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第31頁3、弱化子對(duì)基因活性影響

屬于這種調(diào)整方式有大腸桿菌色氨酸操縱子、苯丙氨酸操縱子、蘇氨酸操縱子、異亮氨酸操縱子等。起信號(hào)作用是有特殊負(fù)載氨基酰-tRNA濃度，在色氨酸操縱子中就是色氨酰-tRNA濃度。當(dāng)操縱子被阻遏，RNA合成被終止時(shí)，起終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)作用一段核苷酸被稱為弱化子?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第32頁基因的表達(dá)和調(diào)控第33頁

4、降解物對(duì)基因活性調(diào)整有葡萄糖存在情況下，即使在細(xì)菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麥芽糖等誘導(dǎo)物，與其相對(duì)應(yīng)操縱子也不會(huì)開啟，產(chǎn)生出代謝這些糖酶來，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)或稱為降解物抑制作用?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第34頁基因的表達(dá)和調(diào)控第35頁5、細(xì)菌應(yīng)急反應(yīng)

細(xì)菌在緊急情況，如氨基酸全方面匱乏時(shí)。會(huì)產(chǎn)生應(yīng)急反應(yīng)，包含生產(chǎn)各種RNA、糖、脂肪和蛋白質(zhì)在內(nèi)幾乎全部生物化學(xué)反應(yīng)過程均被停頓。實(shí)施這一應(yīng)急反應(yīng)信號(hào)是鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp）。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)誘導(dǎo)物是空載tRNA?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第36頁氨基酸饑餓時(shí)，細(xì)胞中存在大量不帶氨基酸t(yī)RNA，這種空載tRNA會(huì)激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp會(huì)關(guān)閉許多基因，同時(shí)也會(huì)打開一些合成氨基酸基因，以應(yīng)付緊急情況。ppGpp與pppGpp作用范圍十分廣泛，不只影響一個(gè)或幾個(gè)操縱子，影響一大批操縱子，是超級(jí)調(diào)控因子?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第37頁二、乳糖操縱子(lacoperon)乳糖操縱子結(jié)構(gòu)酶誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控證據(jù)乳糖操縱子調(diào)控模型影響因子Lac操縱子中其它問題基因的表達(dá)和調(diào)控第38頁乳糖操縱子結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)和調(diào)控第39頁Z編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y編碼β-半乳糖苷透過酶：使外界β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。A編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：將乙酰輔酶A上乙?；D(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。基因的表達(dá)和調(diào)控第40頁1、酶誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控證據(jù)基因的表達(dá)和調(diào)控第41頁乳糖誘導(dǎo)作用中酶是由前體轉(zhuǎn)化而來，還是新合成？培養(yǎng)基（35S-aa,無乳糖）→E.coli繁殖→培養(yǎng)基（無35S-aa,加入乳糖）→β-gal(無35S)分解底物酶只有在底物存在時(shí)才出現(xiàn)！基因的表達(dá)和調(diào)控第42頁撫慰誘導(dǎo)物：假如某種物質(zhì)能夠誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質(zhì)被稱為撫慰誘導(dǎo)物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）；TMG（巰甲基半乳糖苷）；ONPG（O-硝基半乳糖苷）?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第43頁2、乳糖操縱子模型及其影響因子基因的表達(dá)和調(diào)控第44頁乳糖操縱子模型（1）（2）（3）（4）當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，lacmRNA轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。基因的表達(dá)和調(diào)控第45頁

（5）誘導(dǎo)物經(jīng)過與阻遏物結(jié)合，改變它三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA合成?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第46頁（1）lac操縱子本底水平表示誘導(dǎo)物+阻遏物乳糖異構(gòu)乳糖半乳糖苷酶+

透過酶？阻遏物L(fēng)acmRNA本底水平組成型合成。其它問題：基因的表達(dá)和調(diào)控第47頁

培養(yǎng)基：甘油按照lac操縱子本底水平表示，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)有幾個(gè)分子β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透過酶；基因的表達(dá)和調(diào)控第48頁透過酶進(jìn)入細(xì)胞β-半乳糖苷酶異構(gòu)乳糖誘導(dǎo)物誘導(dǎo)lacmRNA合成大量乳糖進(jìn)入細(xì)胞多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）異構(gòu)乳糖少許乳糖培養(yǎng)基：加入乳糖乳糖消耗完后，lacmRNA合成被抑制（2）大腸桿菌對(duì)乳糖反應(yīng)基因的表達(dá)和調(diào)控第49頁（3）阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功效

Lac操縱子阻遏物mRNA是由弱開啟子控制下組成型合成，每個(gè)細(xì)胞中有5-10個(gè)阻遏物分子。當(dāng)I基因由弱開啟子突變成強(qiáng)開啟子，細(xì)胞內(nèi)不可能產(chǎn)生足夠誘導(dǎo)物克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)lac操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第50頁組成型突變：lacI-

基因的表達(dá)和調(diào)控第51頁阻遏蛋白結(jié)構(gòu)38KD，4聚體，一個(gè)亞基結(jié)合一個(gè)IPTG分子LacI組成型轉(zhuǎn)錄含有二重性阻止轉(zhuǎn)錄（與lacO結(jié)合）開始轉(zhuǎn)錄（與誘導(dǎo)物結(jié)合）基因的表達(dá)和調(diào)控第52頁（4）葡萄糖對(duì)lac操縱子影響假如將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入培養(yǎng)基中，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導(dǎo)；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會(huì)誘導(dǎo)lac操縱子表示分解乳糖所需三種酶?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第53頁葡萄糖對(duì)lac操縱子表示抑制是間接。比如，有一個(gè)大腸桿菌突變體，它在糖酵解路徑中不能將葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，這些細(xì)菌lac基因能在葡萄糖存在時(shí)被誘導(dǎo)合成，說明不是葡萄糖而是它一些降解產(chǎn)物抑制lacmRNA合成，葡萄糖這種效應(yīng)成為代謝物阻遏效應(yīng)?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第54頁（5）cAMP與代謝物激活蛋白葡萄糖抑制lacmRNA轉(zhuǎn)錄：可阻止誘導(dǎo)物引發(fā)阻遏物失活效應(yīng)；僅去掉阻遏物并不能開啟lac基因表示,有其它原因參加。

cAMP:環(huán)化腺苷酸

CAP,cataboliteactivatorprotein由crp編碼。CRP:環(huán)腺苷酸受體蛋白(cAMPreceptorprotein)基因的表達(dá)和調(diào)控第55頁ATP腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺甘酸）

大腸桿菌中：無葡萄糖，cAMP濃度高；有葡萄糖，cAMP濃度低。推測(cè)糖酵解路徑中位于葡萄糖－6－磷酸與甘油之間一些代謝產(chǎn)物是腺苷酸環(huán)化酶抑制劑?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第56頁CRP結(jié)合位點(diǎn)CRP為二聚體，45KD，被cAMP激活結(jié)合位點(diǎn)～22bpI-70~-50

II-50~-40基因的表達(dá)和調(diào)控第57頁基因的表達(dá)和調(diào)控第58頁ZYAOPDNA調(diào)控區(qū)CRP結(jié)合位點(diǎn)開啟序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透過酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶cAMP—CRP復(fù)合物基因的表達(dá)和調(diào)控第59頁基因的表達(dá)和調(diào)控第60頁

CRP結(jié)合對(duì)DNA構(gòu)型影響DNA彎曲；彎曲點(diǎn)位于CAP結(jié)合位點(diǎn)二重對(duì)稱中心；彎曲有利于形成穩(wěn)定開放型開啟子－RNApol結(jié)構(gòu)?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第61頁基因的表達(dá)和調(diào)控第62頁基因轉(zhuǎn)錄對(duì)cAMP—CRP系統(tǒng)依賴性，與開啟子本身效率相關(guān)。cAMP-CRP復(fù)合物結(jié)合，使富含GC區(qū)域雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，因而-10區(qū)熔解溫度降低，促進(jìn)開放型開啟子復(fù)合物形成?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第63頁CRP激活轉(zhuǎn)錄方式CAP直接作用于RNApola亞基：缺失RNApola亞基—C末端時(shí)，失去受CAP激活能力?；虻谋磉_(dá)和調(diào)控第64頁

當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CRP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。如無CRP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。cAMP—CRP復(fù)合物與開啟子區(qū)結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需。協(xié)調(diào)調(diào)整葡萄糖對(duì)lac操縱子阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

基因的表達(dá)和調(diào)控第65頁TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP基因的表達(dá)和調(diào)控第66頁TheLacOperon:

WhenGlucoseAndLactoseArePresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great,Icantranscribe!Sometranscriptionoccurs,butataslowrateThislactosehasbentmeoutofshape基因的表達(dá)和調(diào)控第67頁TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!基因的表達(dá)和調(diào)控第68頁TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMP