第16章 基因表达的调控

第16章基因表达的调控本章的主要内容:原核生物基因表达调控的要点；操纵子学说的主要内容；乳糖操纵子的主要调控方式；色氨酸操纵子的主要调控方式；真核生物基因表达调控的要点。IntroductionActivationofgenestructure(chromosome)

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Initiationandterminationoftranscription↓Processingthetranscript↓Transporttocytoplasm

↓TranslationofmRNAStagesofregulation调控位点:Prokaryoticcell原核

Eukaryoticcell真核

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☆◆◆◆◆◆第一节转录水平的调控一、操纵子模型

由法国科学家Jacob和Monod于1960年提出的一个有关原核基因表达调控的模型。获得1965年诺贝尔生理学奖。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1965."fortheirdiscoveriesconcerninggeneticcontrolofenzyme"（一）基本概念

顺式作用元件（cis-actingelement）：DNA元件是指DNA上的一段序列，它只能作用于同一条DNA，故称为顺式作用元件。

结构基因（structuralgene）：编码细胞必需的蛋白，如酶和结构蛋白的基因，叫结构基因。

调节基因（regulatorygene）：编码的产物能够调节其他基因的表达，这样的基因叫调节基因。

调节蛋白（regulatoryprotein）：调节基因的表达产物，叫调节蛋白。由于调节蛋白能够自由地与其相应的结合位点结合，故又称为反式作用因子（trans-actingelement）。包括正调节蛋白（又叫激活蛋白activator）；负调节蛋白，又叫阻遏蛋白(repressor)。

可诱导基因（induciblegene）：当培养基中加入诱导物时，可以诱导相应基因的表达，这些基因就叫可诱导基因。

组成型基因（constitutivegene）：为了维持细菌或细胞的基本生命需要，总是在不断表达的基因，叫组成型基因。

组成蛋白（constitutiveproteins）：在细胞内有许多蛋白质，其数量几乎不受外界环境的影响。这些蛋白质称为组成蛋白质。组成蛋白质合成的速度是遗传上规定的，由于（1）启动子的天然效率，靠它以制造mRNA；（2）核糖体阅读信使的速度；（3）其信使被核酸酶降解的敏感性。

正调控（positivecontrol）：在操纵子中，结构基因本来不表达，可当加入调节蛋白时，使该结构基因进行表达。这样的调控叫正调控。

负调控（negativecontrol）：在操纵子中，结构基因本来是表达的，当加入调节蛋白时，使该结构基因不表达。这样的调控叫负调控。（二）乳糖操纵子的结构Figure10.4Thelacoperonoccupies~6000bpofDNA.AttheleftthelacI

genehasitsownpromoterandterminator.TheendofthelacIregionisadjacenttothepromoter,P.Theoperator,O,occupiesthefirst26bpofthelonglacZ

gene,followedbythelacYandlacAgenesandaterminator.lacZ

codesfortheenzymeβ-galactosidase(β-半乳糖苷酶),whoseactiveformisatetramerof~500kDa.Theenzymebreaksaβ-galactosideintoitscomponentsugars.Forexample,lactoseiscleavedintoglucoseandgalactose.

lacY

codesfortheβ-galactosidepermease（β-半乳糖苷透过酶）,a30kDamembrane-boundproteinconstituentofthetransportsystem.Thistransportsβ-galactosidesintothecell.

lacA

codesforβ-galactosidetransacetylase（β-半乳糖苷乙酰转移酶）,anenzymethattransfersanacetylgroupfromacetyl-CoAtoβ-galactosides.（三）乳糖操纵子学说（LacOperonTheory）

一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵基因组成一个操纵子。调节基因编码调节蛋白，调节蛋白与操纵基因结合，从而调控结构基因的表达。乳糖为诱导物。当有乳糖存在时，乳糖与有活性的调节蛋白（阻遏物）结合时，阻遏物失活，则不能与操纵基因结合，解除对β-半乳糖苷酶基因（结构基因）的抑制，开始表达。如果去掉乳糖时，阻遏物又恢复其活力，与操纵基因DNA结合，将β-半乳糖苷酶基因关闭。但这种关闭或开启并不是100%。Figure10.7Repressormaintainsthelacoperonintheinactiveconditionbybindingtotheoperator;additionofinducerreleasestherepressor,andtherebyallowsRNApolymerasetoinitiatetranscription.（四）调控类型

正调控（positivecontrol）：

在操纵子中，结构基因本来不表达，可当加入调节蛋白（无辅基诱导蛋白）时，使该结构基因进行表达。这样的调控叫正调控。负调控（negativecontrol）：在操纵子中，结构基因本来是表达的，当加入调节蛋白（阻遏蛋白）时，使该结构基因不表达。这样的调控叫负调控。

1.

可诱导的调控：在可诱导的操纵子中，加入对基因表达有调节作用的小分子物质（诱导物），则开启基因的转录活性。

2.

可阻遏的调控：在可阻遏的操纵子中，加入对基因表达有调节作用的小分子物质（辅阻遏物），则关闭基因的转录活性。Figure10.3Inpositivecontrol,trans-actingfactorsmustbindtocis-actingsitesinorderforRNApolymerasetoinitiatetranscriptionatthepromoter.Inaeukaryoticsystem,astructuralgeneiscontrolledindividually.Figure10.2Innegativecontrol,atrans-actingrepressorbindstothecis-actingoperatortoturnofftranscription.Inprokaryotes,multiplegenesarecontrolledcoordinately.

Figure10.21Controlcircuitsareversatileandcanbedesignedtoallowpositiveornegativecontrolofinductionorrepression.（五）操纵基因的结构Figure10.11Thelacoperatorhasasymmetricalsequence.Thesequenceisnumberedrelativetothestartpointfortranscriptionat+1.Theregionsofdyadsymmetryareindicatedbytheshadedblocks.Figure10.20Operatorsmaylieatvariouspositionsrelativetothepromoter.（六）操纵基因的位置Figure9.10RNApolymeraseinitiallycontactstheregionfrom-55to+20.Whensigmadissociates,thecoreenzymecontractsto-30;whentheenzymemovesafewbasepairs,itbecomesmorecompactlyorganizedintothegeneralelongationcomplex.

第二节操纵子的其他调控形式阿拉伯糖操纵子半乳糖操纵子氨基酸操纵子（色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等十几种）核苷酸操纵子色氨酸（Trp）操纵子:

目前，有多种氨基酸操纵子的结构已研究清楚，如色氨酸、苏氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等十余种。我们仅讨论Trp操纵子的基因表达调控。

Trp操纵子是合成代谢途径中最具代表性的例子。它控制着5个结构基因（编码3种酶）的表达，分别为trpE，D（邻氨基苯甲酸合成酶），C（吲哚甘油硼酸合成酶），B、A（色氨酸合成酶B链和A链）。当色氨酸少或缺乏时，这5个邻近的基因才开始转录成mRNA。

由于Trp操纵子是一个合成体系，与糖的分解代谢无关，所以，与Glu的存在与否没有关系。Figure10.41Thetrpoperonconsistsoffivecontiguousstructuralgenesprecededbyacontrolregionthatincludesapromoter,operator,leaderpeptidecoding