原核生物基因的表达及其调控

原核生物基因的表达及其调控一种生物的整套遗传密码可以比作一本密码字典 ,该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态 ?结论：必然有一个基因调控系统在发挥作用。第一节 原核生物基因的转录和翻译原核生物的 DNA：单个裸露的 DNA不编码占 5%转录和翻译同一时间，地点进行基因 调 控主要在三个水平上 进 行 : . DNA水平 . 转录 水平 (主 ) . 翻 译 水平 一、转录的起始转录是原核生物基因表达的主要调控点，主要涉及两个方面：1、 RNA合成的酶系；2、 RNA合成起始和终止信号，即 DNA分子上的特定序列。通过 RNA聚合酶、转录因子和启动子的相互作用实现转录调控，改变细胞的表型，从而实现细胞生理状态和环境的变化。（一） RNA聚合酶 (RNA polymerase)：大肠杆菌的 RNA聚合酶：由 5个亚基组成，即 2， 2组成的酶称全酶。 亚基与其他亚基结合较松弛，易从全酶上解离；其余部分 2称为核心酶 (core enzyme)。 亚基作用： 参与启动子的识别和结合以及转录起始复合物的异构化。细胞内哪条 DNA链被转录、转录方向与转录起点的选择都与 亚基有关。 在启动子与终止子之间是一个转录单位，通常将mRNA开始的一个核苷酸定为 o点 (即 +1)由此向右常称为下游(downstream)， 其核苷酸依次编为正序号；起始点左例称为上游 (upstream) 其核苷酸则依次以负号表示紧接起始点左侧的核苷酸为 -1。 离体实验表明： 全酶所转录的RNA和细胞内所转录出的 RNA，其起始点相同，序列相同，若仅用核心酶进行转录，则模板链和起始点的选择都有很大的随意性，而且往往同一段 DNA的两条链都被转录。 由此可见： 亚基对识别 DNA链上的转录信号是不可缺少的，它是核心酶和启动子之间的桥梁。 因子的取代在细胞发育和对环境应答的反应中起主导作用。如在枯草杆菌中就有不同相对分子质量的 因子Figure 9.6 RNA polymerase moves like an inchworm during elongation, when it compresses from the back end and release from the front end.9.2 Transcription is catalyzed by RNA polymeraseRNA聚合酶体积很大，横跨近 60个碱基，而解旋的DNA区域可能不到 17个碱基。当聚合酶按 53方向延伸 RNA链时，解旋的 DNA区域也随之移动。靠近 3端的 DNA不断解旋。同时在 5端重新形成 DNA双链，不断将RNA-DNA杂合链中的RNA链挤出。 （二）启动子 (promoter)： 转录的起始是基因表达的关键阶段，启动子就是连接在基因 3端上游的 DNA序列，其长度从 100 bp到 200 bp不等，是转录起始时 RNA聚合酶识别、结合的特定部位，但其本身并不被转录。原核生物启动子结构含有同源序列。整个启动子包括两个部分：其上游部分是 CAP-cAMP结合位点，下游部分是 RNA聚合酶的进入位点。 二、转录的终止 （一）终止子及其结构： 1、概念： DNA上提供转录停止信号的一段序列称为终止子 (terminator)，是 一个基因的末端或是一个操纵子的末端的一段特定序列。 2、类型：强终止子和弱终止子 强终止子： 不依赖于 Rho蛋白质辅助因子而能实现终止作用，这类终止子属于强终止子； 弱终止子： 依赖于 Rho蛋白质辅助因子才能实现终止作用，这类终止子属于弱终止子。蛋白质辅助因子称为释放因子，通常称为 因子。回文顺序 (Palindromic sequence) 5 GTGAGCTCAC 33 CACTCGAGTG 5画上荷花和尚画书临汉字翰林书所有原核生物的终止子共同的序列特征在转录终止点之前有一段回文结构，因而所产生的 mRNA可形成茎环状的发夹结构，它可使RNA聚合酶的移动停止或减缓。第二节 大肠杆菌乳糖操纵子的正负调控 一、操纵子与操纵子模型 操纵子学说 /操纵子模型： F.Jacob J.Mond（1960） E.coli lac operon( 1965诺贝尔医学生理学奖 ) 操纵子：核酸分子上调控基因转录活性的基本单元，由结构基因、操纵基因（ O） 和启动基因（ P） 组成。promoter structural genes operator启动基因 操纵基因 结构基因操纵子 (operon)模型转录、翻译、合成蛋白结合调节蛋白结合 RNA聚合酶调控（节）蛋白 操纵子RNAR P O structural genesDNAProtein 正调控（正调控（ positive regulation) 负调控负调控 (negative regulation)调控蛋白的作用机制注： R： Regulator P： Promoter O： Operator 正调控与负调控 调节基因 RNA 调节蛋白正调节蛋白激活 +操纵子 结构基因转录、表达 正调节蛋白失活，结构基因不表达 （正控制 /正调节 ） 负调节蛋白激活 +操纵子 结构基因转录、表达 负调节蛋白失活，结构基因表达 （负控制 /负调节 ）阻遏物与辅阻遏物 阻遏物（ repressor）：由调节基因产生的一种变构蛋白，当它与操纵基因结合时，能够抑制转录的进行。 辅阻遏物 (corepressor)： 能够与失活的阻遏蛋白结合，并恢复阻遏蛋白与操纵基因结合能力的物质。诱导调控与非诱导调控根据辅因子（小分子）结合后调控效果，可分： 开启调控系统中结构基因的转录活性 诱导关闭调控系统中结构基因的转录活性 阻遏操纵子调控系统的基本类型v可诱导负控制系统v可诱导正控制系统v可阻遏负控制系统v可阻遏正控制系统 正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。 如：大肠杆菌乳糖代谢的调控需要三种酶参加 : . -半乳糖酶：将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖 . 渗透酶：增加糖的渗透，易于摄取乳糖和半乳糖 . 转乙酰酶： -半乳糖转变成乙酰半乳糖 大量乳糖时：大肠杆菌三种酶的数量急剧增加，几分钟即可达到千倍以上，这三种酶能够成比例地增加 . 乳糖消耗完：这三种酶的合成也即同时停止 .大肠杆菌乳糖操纵子的负调控 (可诱导 )P structural genes OlacZ lacY lacAR-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 -半乳糖苷通透酶半乳糖苷通透酶 -半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷乙酰基转移酶lacZ lacY lacA乳糖操纵子的负控制乳糖操纵子的负控制 -可诱导机制可诱导机制诱导物诱导物阻遏蛋白单体阻遏蛋白单体阻遏蛋白四聚体阻遏蛋白四聚体 四、大肠杆菌乳糖操纵子的正调控当即有大量乳糖又有葡萄糖时， 基因表达将是怎样？ 葡萄糖效应 培养基中有葡萄糖存在时，即使有乳糖存在，不诱导靶基因表达。这样的操纵子称葡萄糖敏感操纵子。这