基因的表达与调控

1、基因的表达与调控原核基因表达调控 真核基因表达调控原核基因表达调控 组成变化n组成型合成蛋白质 (constitutive) n合成速率不受环境变化或代谢状态的影响：如DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代谢过程中十分必需的酶或蛋白质，其n适应型或调节型合成蛋白质 (adaptive or regulated) n合成速率明显地受环境的影响而改变 真核与原核生物转录及翻译调控的总体特征比较 转录水平 转录后水平 mRNA加工成熟 翻译水平 细菌中转录调控体系 正控阻遏系统 正控诱导系统负控阻遏系统负控诱导系统阻遏蛋白阻遏蛋白 负转录调控系统 正转录调控系统 激活蛋白激活蛋白 阻遏蛋白与效应阻遏蛋白

2、与效应物结合时，结构物结合时，结构基因不转录。基因不转录。 阻遏蛋白不与效阻遏蛋白不与效应物应物(诱导物诱导物)结结合时，结构基因合时，结构基因不转录；不转录； 效应物分子效应物分子(诱导物诱导物)的存在使激活蛋白的存在使激活蛋白处于活性状态处于活性状态 效应物分子的存效应物分子的存在使激活蛋白处在使激活蛋白处于非活性状态于非活性状态 大肠杆菌中的因子4个结构域 n因子都含有4个保守区 因子因子编码基因编码基因主要功能主要功能705438322824rpoDrpoNrpoHrpoSropFrpoE参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控参与对数生长期和大多数碳代谢过程基因的调控参与多数氮源利

3、用基因的调控参与多数氮源利用基因的调控分裂间期特异基因的表达调控分裂间期特异基因的表达调控热休克基因的表达调控热休克基因的表达调控鞭毛裆化相关基因的表达调控鞭毛裆化相关基因的表达调控过度热休克基因的表达调控过度热休克基因的表达调控特殊代谢物调节 n可诱导调节n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。n可阻遏调节n基因平时都是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌生活中必须有色氨酸，一般情况下，该操纵子是开启的。如果在细菌培养基中加人色氨酸，使之能利用培养基

4、中的色氨酸来维持生活而不需要再费力去合成，细菌往往能在23min内完全关闭该操纵子。大肠杆菌在含有葡萄糖的培养基中生长良好，在只含乳糖的培养基中开始时生长不好，直到合成了利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳糖作为碳源的能力才开始生长。弱化子对基因活性的影响 n属于这种调节方式的有大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等等。n在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰tRNA的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰tRNA的浓度。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段核苷酸被

5、称为弱化子。 降解物对基因活性的调节 细菌的应急反应 乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统 n法国巴斯德研究所著名科学家Jacob和Monod在1961年首先提出 负控诱导系统阻遏蛋白不与效应物阻遏蛋白不与效应物(诱导物诱导物)结合时，结结合时，结构基因不转录；构基因不转录； lac操纵子大肠杆菌乳糖操纵子 n3个结构基因：Z、Y和A，以及启动子、控制子和阻遏子 nZ编码半乳糖苷酶；nY编码半乳糖苷透过酶；nA编码半乳糖苷乙酰基转移酶 半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他半乳糖苷(如苯基半乳糖苷)。 使外界的半乳糖苷(如乳糖)透过大肠杆菌细胞壁和原生

6、质膜进入细胞内 把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖 酶的诱导lac体系受调控的证据 n乳糖确实能激发lac mRNA的合成n安慰性诱导物n同位素示踪实验lac体系的“开关”特性加入乳糖以后，1 min内出现如lac mRNA，稍后即产生半糖苷酶和透过酶。当移去乳糖之后；lac mRNA总量立即下降，两种酶活，性却由于蛋白质半衰期较长而在相当长时期内维持恒定安慰性诱导物 n实验室里常常使用两种含硫的乳糖类似物n异丙基巯基半乳糖苷(IPTG)n巯甲基半乳糖苷(TMG)n在酶活性分析中常用，发色底物O硝基半乳糖苷(ONPG) 操纵子模型及其影响因子 操纵子模型nJacob和Mon

7、od(1)Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反于的mRNA分子所编码(2)该mRNA分子的启动区(P)位于阻遏基因(I)与操纵区(O)之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达(3)操纵区是DNA上的一小段序列(仅为26bp)，是阻遏物的结合位点(4)当阻遏物与操纵区相结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制；(5)诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区相结合，从而激发lac mRNA的合成。有诱导物存在时，操纵区没有被阻祖遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的转录负负控控诱诱导导系系统统1lac操纵子的本底水平表达2大肠杆菌对乳糖的反应3阻遏物lac I基因产

8、物及功能4葡萄糖对lac操纵于的影响5cAMP与代谢物激活蛋白lac操纵子的本底水平表达n在非诱导状态下有少量的lac mRNA合成(大约每个世代中有1-5个mRNA分子)，这种合成被称之为本底水平的组成型合成(baekgound level constitutive synthesis)。n由于阻遏物的结合并不是绝对紧密的，即使在它与操纵基因紧密结合时，也会偶尔掉下来；这时启动子的障碍被解除，RNA聚合酶开始转录 大肠杆菌对乳糖的反应阻遏物lac I基因产物及功能n现已查明，如操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下组成型合成的，该阻遏蛋白有4个相同的亚基，每个亚基均含有347个氨基酸残基，并

9、能与1分子IPTG结合。n未经分级分离的细胞提取物的结合能力大约为每细胞结合20-40个IPTG分子，因此推测每个细胞中有5-10个阻遏物分子。观察发现在I-突变株细胞提取物中缺少阻遏物，从而证明与IPTG结合的物质确实是蛋白质。n当I基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中就不可诱导。葡萄糖对lac操纵于的影响n半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖(半乳糖将在gal操纵子的作用下再转化成葡萄糖)。n如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发lac操纵子。n葡萄糖对lac操纵子表

10、达的抑制是间接的。n有一个大肠杆菌突变体，它在糖酵解途径中不能将葡萄糖6磷酸转化为下一步代谢中间物，这些细菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导合成。所以，我们说不是葡萄糖而是它的某些降解产物抑制lac mRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称之为代谢物阻遏效应(catabolite repression)。cAMP与代谢物激活蛋白n广泛存在于动、植物组织中的cAMP是在腺苷酸环化酶的作用下由ATP转变而来的，在真核生物的激素调节过程中起着重要作用。n在大肠杆菌中，cAMP的浓度受到葡萄糖代谢的调节。n缺乏碳源cAMPn葡萄糖cAMPn如果培养基中只有甘油或乳糖等不进行糖酵解途径的碳源，cAM

11、P的浓度也会很高，n因此推测糖酵解途径中位于葡萄糖6磷酸与甘油之间的某些代谢产物是腺苷酸环化酶活性的抑制剂。 cAMPCRP复合物ncAMPCRP复合物是激活lac的重要组成部分，细菌对于此复合物的需要是独立的，与阻遏体系无关，转录必须有cAMPCRP复合物结合在DNA的启动子区域上。 ncAMPCRP是一个不同于阻遏物的正调控因子，而lac操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下实现的。 CRPcAMP结合位点存在序列特异性 cAMPCRPncAMPCRP复合物与启动子区的结合是lac mRNA合成起始所必需的，因为这个复合物结合于启动子上游，能使DNA双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的

12、开放型启动子RNA聚合酶结构n阻遏物则是一个抗解链蛋白(antimehin gprotein)，阻止形成开放结构，从而抑制RNA聚合酶的功能。lac操纵子操纵子DNA的调控区域的调控区域P、O区区n已经分离得到含有lac操纵子的DNA片段，发现P区(即启动子区)一般是从I基因结束到mRNA转录起始位点下游510bp，而O区(即阻遏物结合区)位于-7+28位，该区的碱基序列有对称性，其对称轴在+11位碱基对。n分别列举了gal，araH，trp，trpR和lac五个操纵子中P区及O区的相对位置。实验表明，阻遏物与O区的结合影响了RNA聚合酶与启动区结合形成转录起始复合物的效率。n分解物基因激活蛋

13、白分解物基因激活蛋白(catobolite gene activation protein，CAP) ncAMP受体蛋白受体蛋白(cAMP receptor protieinCRP) 色氨酸操纵子与负控阻遏系统 trpE和trpG编码邻氨基苯甲酸合酶，trpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶，trpF编码异构酶，trpC编码吲哚甘油磷酸合酶，trpA和trpB则分别编码色氨酸合酶的O和P亚基。 trpE和trpG融合成一个功能基因trpC和trpB也融合成一个基因 pabA，pabB基因分别编码ADC聚合酶的两个亚基pabC基因编码ADC裂解酶ubiC基因编码分枝酸裂解酶entC基因编码异构分枝

14、酸聚合酶 trp操纵子的阻遏系统 trp操纵子结构 弱化作用n阻遏作用n阻遏操纵机制对色氨酸来说只是一个一级开关，主管转录是否启动，相当于trp操纵子的粗调开关。 n弱化作用 n通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的 典型的终止子特点 前导肽n衰减作用需要负载tRNATrp参与，这意味着前导序列的某些部分被翻译了。分析前导序列发现，它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA；如果翻译起始于AUG，应该产生一个含有14个氨基酸的多肽。这个假设的多肽(还未实际观察到)被称为前导肽。n有证据表明事实上可能存在这个多肽，因为在该AUG位点5上游端有一个核糖体结合位点，而前导肽编码区与trpE基

15、因5端融合可产生一种融合蛋白质，该蛋白质具有与前导肽同样的N末端序列。n前导序列具有一个非常有意义的特点，在其第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。mRNA前导区的序列n转录的弱化理论认为mRNA转录的终止是通过前导肽基因的翻译来调节的。因为在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子，所以这个前导肽的翻译必定对tRNATM的浓度敏感。n当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的tRNATrp也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区(或停留在两个相邻的Trp密码子处)，这时的前导区结构是23配对，不形成34配对的终止结构，所以转录可继续进

16、行，直到将trp操纵子中的结构基因全部转录。n而当培养基中色氨酸浓度高时，核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前，核糖体就到达2区，这样使23不能配对，34区可以自由配对形成茎环状终止子结构，转录停止，trp操纵子中的结构基因被关闭而不再合成色氨酸其他操纵子gal半乳糖操纵子 n3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖1磷酸。n异构酶(UDP-galaetose-4-epimerase，galE)n半乳糖磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galaetoal-transferase，galK)n半乳糖激酶(galaetose kinase，galK)n半乳糖操纵子的调节基因是galR n当有cAM

17、PCRP时，转录从S1开始n当无cAMPCRP时，转录从S2开始。 现在设想只有S1一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于cAMPCRP，当培养基中有葡萄糖存在时就不能合成异构酶。假如惟一的启动于是S2，那么，即使在有葡萄糖存在的情况下，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，这无疑是一种浪费。所以，无论从必要性或经济性考虑，都需要一个不依赖于cAMPCRP的启动子(S2)进行本底水平的组成型合成，以及一个依赖于cAMPCRP的启动子(S1)对高水平合成进行调节。这就是说，只有在S2活性完全被cAMPCRP抑制时，调控作用才是有效的。ara阿拉伯糖操纵子 在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因

18、：araB、araA和araD，形成一个基因簇，简写为araBADara操纵子表达调控n(b)当体系中葡萄糖水平较高，阿拉伯糖水平较低时，AraC蛋白与操纵区O2以及ara I C诱导因子结合区上半区相结合，形成DNA回转结构，araBAD基因不表达；n (a)当细胞内没有AraC蛋白时，由Pc启动于起始araC基因转录；n(c)当体系中有阿拉伯糖但无葡萄糖存在时，AraC与阿拉伯糖相结合，改变构象成为激活蛋白，AraC同源体分别与araO1和aral区相结合，DNA回转结构被破坏。RNA聚合酶在AraC蛋白和CRPcAMP的共同作用下起始PBAD所调控的结构基因表达。营养状况对ara操纵子活

19、性的影响 n培养基含有葡萄糖， cAMPCRP没有与操纵区位点相结合，AraC蛋白处于Pr形式并与操纵区A位点结合，RNA聚合酶不能与Pc结合araC基因虽然仍有转录，但受到抑制，只有少量AraC蛋白形成，整个系统几乎处于静止状态。它虽然不是完全关闭，但是尽可能地关闭了。 n没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖，因为没有诱导物，尽管有cAMPCRP与操纵区位点相结合，AraC蛋白仍以Pr形式为主，无法与操纵区B位点相结合，无araBAD mRNA转录 阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答n参与SOS DNA修复系统的许多基因虽然分散在染色体的各个部位，但都同时受LexA阻遏蛋白的抑制，平时表达水平

20、很低。SOS体系的诱导表达过程其实就是把IexA阻遏蛋白从这些基因的上游调控区移开的过程。 信号转导(signa ltransduction)n最简单的细胞信号系统称为二组分系统(twocomponent systems)，n位于细胞质膜上的传感蛋白(sensorprotein)，因该蛋白质具有激酶活性，所以又称传感激酶n位于细胞质中的应答调节蛋白(response regulator protein)。n传感激酶常在与膜外环境的信号反应过程中被磷酸化，再将其磷酰基团转移到应答调节蛋白上，磷酸化的应答调节蛋白即成为阻遏或诱导蛋白，通过对操纵子的阻遏或激活作用调控下游基因表达 多启动子调控的操纵

21、子 nrRNA操纵子操纵子n核糖体蛋白核糖体蛋白SI操纵子操纵子n DnaQ蛋白操纵子蛋白操纵子固氮基因调控 生物固氮n地球上的动植物共含氮约1.51010T，n每年通过硝化细菌以气态氮的形式释放到大气中的氮就有21085108Tn全世界氮肥厂每年生产的化肥仅含氮约108T nN2? n1kg/cm2=10T/m2n10*(6 378.1 *103)3*4/3*3.14*78%=8*1021T根瘤的产生n根瘤菌在豆科植物根际的生长以及与寄主植物根毛幼嫩部位的接触是感染发生的第一步 n根瘤菌能产生一定量的寡聚糖来刺激植物凝血素的分泌，由基因型所决定的根瘤菌寄主范围，可能受到植物基因组的影响，因为

22、特定的植物凝血素只能识别特定的细菌表面受体。 固氮酶 n铁钼蛋白(FeMoprotein) nnifD 2亚基 nnifK 2亚基 n铁蛋白(Feprotein)nnifH 2亚基n固氮酶铁钼辅基(FeMoCo)n1molMo : 6molFe : 8molS i23e8232P32ADPH2NH32ATPH8N-与固氮有关的基因及其调控n形成固氮根瘤有关的许多基因都位于染色体外的大质粒上n根瘤菌的突变体不能使植物形成根瘤(nod-)n不能使植物固氮(fix-) n根瘤菌的寄主范围也是由质粒决定的 nifA基因nifA基因控制了整个固氮酶系统的表达和活性转录后调控 转录生成mRNA以后，再在翻

23、译或翻译后水平进行“微调”，是对转录调控的补充，它使基因表达的调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化。 翻译起始的调控n遗传信息翻译成多肽链起始于mRNA上的核糖体结合位点(RBS)。n所谓RBS，是指起始密子AUG上游的一段非翻译区。在RBS中有SD(ShineDalgarno)序列，长度一般为5个核苷酸，富含G、A，该序列与核糖体16SrRNA的3端互补配对，促使核糖体结合到mRNA上，有利于翻译的起始。nRBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码AUG之间的距离。SD与AUG之间相距一般以410个核苷酸为佳，9个核苷酸最佳。nmRNA的二级结构也是翻译起始调控的重要因素。n因为核糖体的30S亚基必须与mRNA结合，要求mRNA 5端有一定的空间结构。SD序列