第九章 微生物基因表达的调控

第九章微生物基因表达的调控概述(Introduction)基因表达(geneexpression)--基因转录及翻译的过程。生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的蛋白质的全过程中心法则(thecentraldogma)：基因表达是受调控的不是所有的基因表达都产生蛋白质，rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。但是基因表达＝转录＋翻译

大肠杆菌基因组（约4000个基因)，一般情况下只有5－10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，或者暂时不表达。人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的基因表达的时间性及空间性

(temporalandspatialspecificity)时间特异性(temporalspecificity)某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生Hb(hemoglobin)α珠蛋白基因簇：ζ（胚胎型）、αβ珠蛋白基因簇：ε（胚胎型）、γ（胎儿型）、β、δζ2ε2→α2γ2→α2β2空间特异性(spatialspecificity)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同形异位现象(homeosis):果蝇头部长触角部位长出脚来同形异位盒基因(homeobox):高度保守的一段核苷酸序列（180bp）,控制胚胎发育的基因基因表达的方式-1组成性基因表达(constitutivegeneexpression)：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。——管家基因与奢侈基因产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因也称为看家基因(house-keepinggene)；管家基因--在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。

奢侈基因（luxurygene）—只在特定的细胞类型中表达的基因基因表达的方式-2适应性表达(adaptiveexpression)：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。诱导和阻遏表达诱导（induction）--可诱导基因在特定环境信号刺激下表达增强的过程。DNA损伤→修复酶基因激活乳糖→利用乳糖的三种酶表达阻遏（repression）--可阻遏基因表达产物水平降低的过程色氨酸—色氨酸合成酶系基因表达的方式-3协调表达协调表达

在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为协调表达(coordinateexpression)基因表达的调控方式:阻遏负调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达(相应蛋白质降低)促进正调控:调控蛋白+DNA序列基因的表达

(相应蛋白质增加)五、基因表达调控的基本原理基因表达的多级调控转录水平的调控transcriptionallevel:转录激活、转录起始;转录后水平的调控post-transcriptionallevel：转录后加工、运输、mRNA降解;翻译水平的调控translationlevel：翻译的起始;翻译后水平的调控post-translationlevel翻译后的加工、转运、多肽链的分解.基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖维持个体发育与分化原核生物中，营养状况（nutritionalstatus）和环境因素（environmentalfactor）对基因表达起着举足轻重的影响。真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平（hormonelevel）和发育阶段（developmentalstage）是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。

原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是翻译水平。因为细菌mRNA在形成过程中与核糖体混合在一起，所以，细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联（coupledtranscriptionandtranslation）。真核生物中，转录产物（primarytranscript）只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。

原核生物的共有序列

原核生物的启动序列，在距离转录起始点－10区和－35区往往含有一些重要的保守序列（共有序列）。

－10区：含TATAAT序列，又称Pribnow盒。

－35区：含TTGACA序列。RNA聚合酶结合部位决定转录起始点共有序列(consensussequence)

决定启动序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。——阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白操纵序列

可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。启动序列编码序列操纵序列pol激活蛋白激活蛋白(activator)有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。启动序列编码序列操纵序列pol激活蛋白操纵子模型的提出

—莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)

获1965年诺贝尔生理学和医学奖第一节转录水平的调控(controloftranscription)操纵子（operon）：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）.一个操纵子=编码序列（2-6）+启动序列+操纵序列+(其他调节序列)DiscoveryofOperon1940年，Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。文献：细胞中存在两种酶，即组成酶与适应酶（诱导酶）。1947年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化中的意义”。1951年，Monod与Jacob合作。发现两对基因：Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关；I基因：决定细胞对诱导物的反应。Szilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。Jacob：结构基因旁有开关基因（即操纵基因），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。乳糖操纵子的发现：细菌以葡萄糖为能量来源葡萄糖充分时：

与葡萄糖代谢有关的酶基因---表达

与其他糖代谢有关的酶基因---关闭葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）：

与乳糖代谢有关的酶基因---表达

与葡萄糖代谢有关的酶基因---关闭IPOZYa调控基因控制位点结构基因DNA阻遏蛋白启动序列cAMP-CAP结合位点操纵序列β半乳糖苷酶通透酶乙酰基转移酶乳糖操纵子（lactoseopron）结构RNA聚合酶结合位点mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时阻遏蛋白的负性调节阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP:分解物基因激活物蛋白—可促进乳糖利用，但须与cAMP结合才有活性阻遏基因转录翻译阻遏蛋白R，R与操纵基因结合，阻止结合在启动子上的DDRP前移，结构基因不被转录

1）无乳糖也无葡萄糖存在时：OO2）当无乳糖，有葡萄糖时：由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操纵子关闭，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性调节不起作用总结：所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性调节不起作用，抑制乳糖操纵子的转录，使细菌只能利用葡萄糖。

3）既有乳糖，又有葡萄糖时：O乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落由于不含葡萄糖，细胞内cAMP含量高，cAMP与CAP结合成复合物，与DNA结合，并推动DDRP向前移动，促进转录。4）有乳糖，无葡萄糖时：mRNARNA-polO乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的DDRP向前移动，结构基因被转录翻译，合成与乳糖代谢有关的酶类从而利用乳糖所以：有乳糖时，只有没有葡萄糖，操纵子才开放有葡萄糖存在，操纵子关闭IOOρ诱导剂乳糖操纵子的负调控图15-4

CAP-cAMP复合物在乳糖操纵子表达中的作用---正调控条件2:低乳糖条件3:低乳糖条件4:高葡萄糖低cAMP高乳糖Lac阻遏蛋白封闭转录时,CAP对该系统不发挥作用条件1:低葡萄糖高cAMP高乳糖Lac阻遏蛋白不封闭转录时,没有CAP存在,也无高效转录活性。Lac阻遏蛋白不封闭转录,CAP+cAMP加强转录。OOOOO图15-5协调调节(coordinateregulation)负性调节与正性调节协调合作阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性☆葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转录结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖IPTG(异丙基硫代半乳糖苷)极强的诱导剂1．RNA编辑（RNAediting）2．mRNA前体的选择性拼接3．反义RNA的调控反义RNA的调控是指真核生物基因组中，某些调节基因转录所产生的RNA可与基因组DNA或RNA序列互补，形成杂交体，阻断或减弱基因转录或翻译的调控机制。这些调节基因所产生的RNA称之为反义RNA。转录后水平的调控mRNA的加工原核生物的mRNA往往一产生就是成熟的，不需转录后的修饰加工，真核生物基因的初始转录产物则一般缺乏生物活性，必须经过剪接加工后成为有活性的成熟mRNA分子，它们需从细胞核转移到细胞质内，指导蛋白质的合成。真核生物mRNA的加工主要包括在mRNA的5’末端加“帽子”，在3’端加上多聚腺苷酸尾巴以及进行RNA的剪接。

真核生物RNA的剪接有三类：第一类是依