第七章基因的表达与调控(上)原核基因表达调控模式

1、第七章 基因的表达与调控(上) 原核基因表达调控模式Contents基因表达调控的基本概念原核基因调控机制乳糖操纵子色氨酸操纵子其他操纵子转录后水平上的调控第一节 基因表达调控的基本概念一、基因表达的概念基因表达：从DNA到蛋白质的过程，即基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为基因表达调控 。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达基因表达调控环节1、转录水平上的调控（transcriptional regulation） 调节mRNA的合成2、转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation） mRNA加工成熟水平上的调控 翻译水平

2、上的调控基因表达调控的指挥系统原核生物中营养状况和环境因素真核生物中激素水平和发育阶段营养和环境因素的影响力大为下降11 组成性表达(constitutive expression) 适应性表达(adaptive expression）二、基因表达的方式 1、组成性表达： 指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。组成型合成蛋白质(constitutive)合成不受环境或代谢状态影响的蛋白质，例如 DNA聚合酶、RNA聚合酶等 2、适应性表达 指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境

3、条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。 调节型/适应型蛋白(adaptiveorregulated)受环境变化或代谢状态影响的蛋白质例如 大肠杆菌的-半乳糖苷酶在普通细胞培养条件下只有15个分子/细胞；在只含乳糖的培养基中高达几万个分子/细胞4三、基因表达的规律 时间性和空间性1、时间特异性（temporal specificity）按功能需要，某一特定基因的表达严格按

4、特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。 2、空间特异性(spatial specificity)基因表达伴随空间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性。四、基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）维持个体发育与分化（真核）Contents基因表达调控的基本概念原核基因调控机制乳糖操

5、纵子色氨酸操纵子其他操纵子转录后水平上的调控第二节 原核基因调控机制内容提要操纵子学说原核基因调控机制的类型与特点转录水平上调控的其他形式 Jacob and Monod一、操纵子学说1、操纵子模型的提出1961年，法国Monod和Jacob提出获1965年诺贝尔生理学和医学奖2、操纵子的定义操纵子（operon）：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。编码序列 启动序列 操纵序列 其他调节序列(promoter)(operator) 结构基因（structural gene） 编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和RN

6、A的基因。 调节基因（regulator gene） 编码蛋白质或RNA来调节其他基因表达的基因。操纵基因（operator) DNA上的一个位点，阻遏物能与之结合抑制相邻启动子起始转录。结构基因操纵区启动区1、根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的应答，可分为： 正转录调控 负转录调控 二、原核基因调控机制的类型与特点正控诱导正控阻遏负控诱导负控阻遏调节基因操纵基因结构基因激活蛋白正转录调控正转录调控如果在没有调节蛋白（激活蛋白）质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白负转录调控负转录调控在没有调节蛋白质（阻遏

7、蛋白）存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。2、根据操纵子对某些能调节它们的小分子的应答，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类：诱导 (induction)： 通过小分子诱导物参与, 使阻抑物失活或活化激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控 。阻遏(repression): 通过小分子辅阻遏物参与,使激活剂失活或活化阻抑物来实现基因或操纵子不表达的调控。可诱导调节：指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（诱导物）的诱导下使基因活化。 例：大肠杆菌的乳糖操纵子 在诱导物乳糖的诱导下开启了乳糖操纵子调节基因操

8、纵基因结构基因阻遏蛋白调节基因操纵基因结构基因阻遏蛋白诱导物mRNA酶蛋白酶合成的诱导操纵子模型诱导物如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。可阻遏调节：基因平时是开启的，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（阻遏物）而将其关闭，阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子 因为色氨酸的存在而关闭酶合成的阻遏操纵子模型调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白调节基因操纵基因结构基因辅阻遏物辅阻遏物如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。3、在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的

9、作用。 根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。负控诱导和负控阻遏系统16非活性阻遏蛋白基因表达非活性阻遏蛋白效应物/诱导物基因表达阻遏蛋白阻遏基因转录负控诱导系统调节基因负控阻遏系统调节基因操纵区活性阻遏蛋白效应物/辅阻遏物阻遏基因转录4、在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。 根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物

10、）的存在使激活蛋白处于非活性状态。正控诱导系统和正控阻遏系统18活性激活蛋白非活性激活蛋白阻遏基因转录RNA聚合酶活性激活蛋白基因表达效应物/辅阻遏物阻遏基因转录非活性激活蛋白正控阻遏系统调节基因正控诱导系统调节基因效应物/诱导物基因表达三、转录水平上调控的其他形式1、因子的更换 在E.coli中, 当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。因子因子是RNA聚合酶的一部分，主要的作用是在DNA转录过程中识别模板DNA启动子因子主要与启动子的-10区（TATA区或Pribnow区）和-35区（CAAT区）结合20参与调控的因子因子7054383

11、22824编码基因RpoDRpoNRpoSRpoHRpoFRpoE22主要调控过程对数生长期和大多数碳代谢过程氮源利用分裂间期特异基因热休克基因鞭毛趋化相关基因过度热休克基因纠正课本P250页表7-223上游调控元件上游调控元件TTGACATTGACA N17TATAAT N58N68 TTGCA N79-35区-10区-24区-12区参与调控的因子结合启动子依赖于核心酶可在无核心酶时独立结合到启动子上举例：热休克基因的调控大肠杆菌在37 C 下生长最好当温度增加到46 C 时，大肠杆菌几乎停止生长，此时产生大量热激蛋白（heat-shockprotein），占所有蛋白的30%。2425热激蛋

12、白的种类和作用（1）分子伴侣修复因高温错误折叠的蛋白 折叠错误的蛋白分子伴侣（2）蛋白酶降解无法修复的蛋白无法修复的蛋白蛋白片段蛋白酶32(RpoH)对热激基因的调控:50 C27错误折叠的蛋白质激活热激基因高温下，分子伴侣结合错误折叠蛋白，释放RpoH，从而RpoH激活热激基因RpoH分子伴侣2、弱化子对基因活性的影响（在色氨酸操纵子详述）3、降解物对基因活性的调节（葡萄糖效应或降解物抑制作用）4、细菌的应急反应（空载tRNA诱导产生ppGpp和pppGpp）3、降解物抑制作用调节低水平高水平降解物抑制作用葡萄糖存在下，即使在细菌培养基中加入乳糖，半乳糖，阿拉伯糖，麦芽糖等诱导物，相应启动子也不会启动原因:葡萄糖是方便的能源，细菌无需开启一些不常用的基因去利用乳糖降解物是指“葡萄糖”，葡萄糖是乳糖的降解物又称葡萄糖效应364、细菌的应急反应氨基酸的全面匮乏细菌产生应急反应生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质的几乎全部生化反应均被停止应急信号鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp） ppGpp和pppGpp的诱导物是空载t