基因表达的调控(2).ppt

第十四章 基因表达的调控 原核生物和真核生物都能够根据周围环境 (如温度、营养成分等)的变化，改变自己 的代谢方式。而代谢方式的变化通常可以 通过对基因表达过程的调控得以实现。 机体可以在基因表达过程的任何阶段进行 调控，一般以转录水平上的调控为主。 DNA水平 基因丢失； 基因扩增 基因重排；甲基化修饰； 染色质的结构状态 RNA水平 转录水平调控； RNA的转录后加工； mRNA从核内向胞浆转运； mRNA稳定性 蛋白质水平 翻译过程； 翻译后加工； 蛋白质的稳定性 一、 转录水平的调控操纵子 原核生物的基因调控可以发生在转录和翻 译等不同阶段，但也是以转录水平为主。 原核生物许多功能相关的结构基因，特别 是编码同一代谢途径的酶的基因，一般成 簇排列，能受单一启动子的共同控制，结 果是整簇基因或者都表达或者都不表达。 第一节 原核生物的基因表达调控 1961年，Jacob和Monod提出了细菌基因表 达调控的模型操纵子学说，解释了原 核生物的基因表达在转录水平上是如何调 控的。 操纵子（operon）就是由操纵基因（ operator）以及相邻的若干结构基因所组成 的功能单位。操纵子还包括一个结合RNA 聚合酶的启动子。 操纵基因是位于操纵子前端部分的顺式控 制元件，它能和阻抑蛋白结合，控制结构 基因的转录。阻遏蛋白是调节基因的表达 产物，是参与操纵子调节的反式作用因子 。 原核生物操纵子中的全部结构基因从同一 个启动子开始转录成单个mRNA分子。 1.反式作用因子与顺式作用元件 基因表达的产物(蛋白质或RNA)从合成的 场所扩散到目标场所而发挥作用的过程称 为反式作用（trans-acting），此基因表达 产物被称为反式作用因子（trans-acting factor） 。 反式作用因子通常为的蛋白质或RNA，其 特征为可以从合成地扩散到目标场所发挥 作用。 顺式作用（cis-acting）的概念用于任一不 转变为任何其他形式的DNA序列，它只在 原位发挥DNA序列的作用，仅影响与其物 理上相连的DNA序列的活性。 顺式作用元件（cis-acting factor）是 指对基因表达有调节活性的DNA序列 ，其活性只影响与其自身同处在一个 DNA分子上的基因。顺式作用元件通 常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或 内含子中。 l基因活性的调控主要通过反式作用因子 （通常是蛋白质）和顺式作用元件（通常 在DNA上）相互作用而实现。 2. 结构基因和调节基因 结构基因（structural gene）是编码蛋白质 或RNA的任何基因。结构基因编码大量的 功能各异的蛋白质，如组成细胞和组织的 结构蛋白和酶等。 调节基因（regulator gene）仅指参与其他 基因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因 。调节基因编码的调节物通过与DNA上的 特定位点结合而控制受调节基因的转录是 基因表达调控的关键。 3. 启动子和终止子 位于转录单位开始和结束位置上的DNA序 列，称为启动子（promoter）和终止子（ terminator）。两者都是典型的顺式作用元 件，能受同一类反式作用因子RNA聚合酶 的识别。 4.操纵基因和阻抑蛋白 操纵基因（operator）是与启动子相邻的 顺式作用位点，是阻遏蛋白的靶点。阻遏 蛋白（repressor）是调节基因的产物，与 操纵基因的结合可以阻止受调节基因的表 达。 当阻遏蛋白与操纵基因结合时，就会阻止 RNA聚合酶启动转录，基因的表达就被关 闭。在无阻抑蛋白时，RNA聚合酶可以识 别受调节基因的启动子，使这种基因得到 表达。 5. 转录因子 转录因子（transcription factor ）是转录起 始过程中RNA聚合酶所需要的辅助因子。 转录因子是参与正调控的反式作用因子， 在无转录因子时，RNA聚合酶不能起始转 录。 转录因子通常识别位于基因上游启动子附 近的顺式作用元件。 （一）、乳糖操纵子的结构 乳糖操纵子（lactose operon，lac ）的三个 结构基因成簇排列，编码参与-半乳糖苷 （如乳糖）分解代谢所需的三种蛋白质： lacZ编码-半乳糖苷酶，lacY编码-半乳糖 苷透性酶，lacA编码-半乳糖苷转乙酰基 酶。 lacI基因（调节基因）正好与结构基因相 邻，但它不与结构基因属于同一转录单位 ，它有自己独立的转录单位，含有自己的 启动子和终止子。 lacI编码可扩散的产物，理论上它不必位 于结构基因附近。将lacI基因转移到其他 任何地方都能很好地发挥作用，因此lacI 的表达产物属于反式作用因子。 lacI基因的表达产物称为乳糖操纵子阻遏 蛋白（lac repressor）。它的功能是阻止结 构基因的表达。因此，乳糖操纵子的调控 属于负调控。 阻遏蛋白与lacZYA基因簇开始处的操纵基 因（O lac）结合，阻止RNA聚合酶在启动 子的转录起始而发挥作用。 负调控 negative regulation 在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入 某种调节蛋白质后基因活性就被关闭，这样的控 制系统就叫做负控系统 。 其调节蛋白质叫做阻遏蛋白 两种类型：负控诱导和负控阻遏 正调控 positive regulation 在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入 某种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的控 制系统就叫做正控系统。 其调节蛋白质叫做无辅基诱导蛋白（激活蛋白) 两种类型:正控诱导和正控阻遏系统 诱导 一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下， 由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些 物质的诱导下使基因活化. 可诱导调节 可阻遏调节 一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下， 由原来开启的状态转变为关闭状态，基因的表 达被阻遏 + + + + 转录 无葡萄糖，cAMP浓度高时 有葡萄糖，cAMP浓度低时 lCAP的正调控 ZYAOP DNA CAP CAP CAPCAP CAP CAP cAMP对操纵子转录的激活作用 细菌在富含葡萄糖的培养基上生长的时 候，葡萄糖可以抑制-半乳糖苷酶表达的 一个很重要的因素是葡萄糖降低了细菌 体内cAMP的水平。 生化和遗传学实验证明，cAMP可以结合 到启动子的某个部位而激活操纵子的转 录。 细菌在富含葡萄糖的培养基上生长的时 候，葡萄糖可以抑制-半乳糖苷酶表达的 一个很重要的因素是葡萄糖降低了细菌 体内cAMP的水平。 生化和遗传学实验证明，cAMP可以结合 到启动子的某个部位而激活操纵子的转 录。 cAMP对操纵子转录的激活作用 在细菌中，cAMP与CAP（catabolite activator protein，CAP）二聚体结合形成 二元复合物共同发挥作用。只有cAMP存 在时，CAP才有活性。 CAP是一个正调控因子，在依赖CAP的启 动子上起始转录必须有CAP参与。cAMP 下降，CAP就不能与控制区结合，RNA聚 合酶就不能启动转录。 CAP激活转录有两种方式： 第一种方式是直接作用于RNA聚合酶。 CAP直接作用于RNA聚合酶的亚基，而 且CAP必须与RNA聚合酶在同一个面上才 有活性。 另一种是作用于DNA改变其结构，以协助 RNA聚合酶的结合。在CAP-DNA复合物 中，DNA呈弯曲状态，弯曲点位于二重对 称的中心。CAP结合以后，DNA双螺旋结