第四章环境与基因表达调控

1、第四章第四章 环境与基因表达调控环境与基因表达调控u逆境休克与基因表达u细菌的逆境反应机制u芽孢形成与基因表达u双组分信号传导系统与基因表达u群体感应与基因表达第一节 逆境休克与基因表达一、逆境类型与热休克1. 逆境及其类型逆境或胁迫（stress）：影响生物生存、生长发育的各种环境因子。物理因子：温度、光照、声音、磁场等；化学因子：PH值、溶氧量、盐度、氨氮含量等；2. 热休克与热休克蛋白热休克与热休克蛋白热休克现象：n 热休克蛋白 Heat Shock Proteins (HSPs)：是在从细菌到哺乳动物中广泛存在一类热应急蛋白质。n 高温、寒冷、缺氧、饥饿、抗原刺激等就会由热激发合成此种

2、蛋白。n 许多热休克蛋白具有分子伴侣活性伴侣活性。按照蛋白的大小，热休克蛋白共分为五类，分别为HSP100，HSP90，HSP70，HSP60 以及sHSPs。二、HSP的功能u许多HSP是蛋白质生物合成中的分子伴侣。分子伴侣？u提高细胞的应激能力、特别是耐热能力。u对细胞的保护作用：热休克蛋白的表达，产生对热及其他逆境的广谱耐受，达到保护细胞的作用。u调节Na-K -ATP酶的活性： HSP的产生，能部分恢复Na-K -ATP酶的活性。免疫作用免疫作用：针对自身免疫性疾病有保护作用。抗细胞凋亡作用抗细胞凋亡作用：热应激等导致细胞凋亡，而应激激酶是细胞凋亡必须的，HSP可以抑制应激激酶的活性，

3、减少细胞凋亡。抗氧化作用抗氧化作用：抗氧化就是任何以低浓度存在就能有效抑制自由基的氧化反应的物质，其作用机理可以是直接作用在自由基，或是间接消耗掉容易生成自由基的物质，防止发生进一步反应。三、热休克蛋白的表达调控机制三、热休克蛋白的表达调控机制正常生理条件下，HSP处于本底表达状态。应激条件下，HSP表达上调。Cooper等1975年发现32因子，参与RNA聚合酶识别HSP启动子。DnaK是发现的第一个HSP负调控因子。 DnaK基因突变，HSP表达上升。第二节 细菌的逆境反应机制环境不利时，会诱导细菌产生大量逆境胁迫蛋白。分为普通胁迫蛋白（GSP）和特异性胁迫蛋白（SSP）。一、E.coli

4、逆境反应机制已发现细菌中有一些普通和特异性的胁迫蛋白，遭受环境胁迫时，起保护作用。如HSP。二、枯草杆菌逆境反应机制环境不利时，枯草杆菌会表达GSP和SSP以应对逆境。三、囚徒困境（Prioner Dilemma）n细菌根据环境胁迫的深度时，在芽孢或感受态选取比较适合的生存方式。第四节 芽孢的形成与基因表达 芽孢（芽孢（bacterial spore ）：是细菌细胞内形成的一个圆形或椭圆形，厚壁，含水量低，抗逆性（抗热、抗化学物质、抗辐射等）强的休眠体构造 。一、芽孢形成中的重要形态变化一、芽孢形成中的重要形态变化1. 不对称分裂对几种突变菌体的研究发现：Spo0A、Spo0H、SpoII A

5、、 SpoII G对于芽孢的形成起重要作用。2. 裹吞作用F和E因子的活化，还涉及SpoII D、 SpoII M、 SpoII P等因子的参与。二、不同时期基因表达二、不同时期基因表达u前芽孢的基因表达研究表明：F因子可以打开48个基因的表达E因子能够激活81个基因，抑制27个基因的表达。u母细胞中的基因表达母细胞中，特异性激活的基因达383个，占枯草芽孢杆菌基因组的9%。由E 、K因子及3个DNA结合蛋白SpoIIID、GerR和GerE控制。三、芽孢形成中的三、芽孢形成中的因子因子u因子之间的联系因子之间的联系 F因子与E因子; G因子与E因子u因子的活化机制因子的活化机制 F与E因子通

6、过切割方式活化。抗因子SpoII AB可抑制芽孢形成F因子G因子。第四节第四节 双组份信号传导系统对基因表达的调节双组份信号传导系统对基因表达的调节一、双组份信号传导系统及其基本组分概念：双组分调节系统由感受蛋白和调节蛋白组成。感应蛋白主要是激酶，调节蛋白通常是转录激活蛋白。它们由两个不同的基因编码，这两个基因通常是相邻的，而且常组成一个操纵子。细菌双组份信号传导系统组氨酸激酶传导蛋白（HK，HPK）效应调节蛋白（RR）信号传导中，都涉及到磷酸基团的转移。1. HPK：是一个跨膜受体，含N端的胞外感受区，C端的胞内信号区。细菌中有很多个家族，而真核生物只有1中。2. 响应调节蛋白响应调节蛋白二

7、、双组分传导模式u信号输入uHPK自身磷酸化uRR磷酸化u信号输出三、大肠杆菌的渗透压调节系统三、大肠杆菌的渗透压调节系统 是众多E.coli双组份调控系统之一。Envz-OmpR系统通过调节OmpF和OmpC的基因表达调控着细胞对渗透压胁迫的影响过程。四、细菌的趋化性调控系统四、细菌的趋化性调控系统非代谢依赖趋化代谢依赖趋化细菌的趋化性是通过受体蛋白对环境信号的感知，调整鞭毛运动方向来寻找适于生成的环境。在E.coli中，是通过两极的受体复合体和鞭毛马达复合体两个大分子复合体来调节的。第五节 群体感应与基因表达一、QS现象及其特点群体感应（群体感应（quorum sensing，QS）：u

8、细菌能自发产生、释放一些特定的信号分子，并能感知其浓度变化，调节微生物的群体行为。u近年来的研究证明细菌之间存在信息交流。自诱导物质(autoinducer,AI)的信号分子，达到一个临界浓度时，能启动菌体中相关基因的表达，调控细菌的生物行为。这一感应现象只有在细菌密度达到一定阈值后才会发生。 Vibrio fischeri 是一种海洋弧菌。它的发光机制是最早发现的群体感应现象。uQS系统基本类型：AHL（酰基高丝氨酸内酯）类分子作为信号分子（AI）：G寡肽类分子作为信号分子：GAI-2作为信号分子：部分 G和GQS系统的多样性系统的多样性l 分布多样性l 信号分子多样性l 信号分子产生多样性l 信号分子运输多样性l 响应多样性QS系统的复杂性系统的复杂性u信号分子功能的复杂性u系统组成的复杂性u不同QS系统之间关系的复杂性二、二、QS系统的信号分子系统的信号分子AHL