本文格式為Word版，下載可任意編輯——基因的表達(dá)與調(diào)控(上)

第七章基因的表達(dá)與調(diào)控(上)

——原核基因表達(dá)調(diào)控模式

主要內(nèi)容

1.原核基因表達(dá)調(diào)控總論2.乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)3.色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)4.轉(zhuǎn)錄水平的其他調(diào)控方式5.轉(zhuǎn)錄后調(diào)控

7.1原核基因表達(dá)調(diào)控總論□基因表達(dá)(geneexpression):從DNA到蛋白質(zhì)或功能RNA的過(guò)程□基因表達(dá)調(diào)控(generegulation或genecontrol)對(duì)基因表達(dá)過(guò)程的調(diào)理

□基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：1.轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控(transcriptionalregulation)2.轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控(past-transcriptionalregulation)1)mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(differentialprocessingofRNAtrscript)2)翻譯水平上的調(diào)控□原核生物中，營(yíng)養(yǎng)狀況(nutritionalstatus)和環(huán)境因素(enviromentalfactor)對(duì)基因表達(dá)起著舉足輕重的影響；在真核生物中特別是高等真核生物激素水平(hormonelevel)和發(fā)育階段(developmentalstage)是基因表達(dá)調(diào)控的最主要的手段。

7.1.1原核基因調(diào)控分類□負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控(negativetranscriptionregulation)調(diào)解基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白(repressor),起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作

用根據(jù)其特征又分為：1)負(fù)控誘導(dǎo)：阻遏蛋白(活性)不與效應(yīng)物(誘導(dǎo)物)結(jié)合時(shí)，

結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。2)負(fù)控阻遏：阻遏蛋白(非活性)與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)(阻遏蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚誀顟B(tài))結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。□正轉(zhuǎn)錄調(diào)控(positivetranscriptionregulation)調(diào)解基因的產(chǎn)物是激活蛋白(activator)1)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)：誘導(dǎo)物的存在使激活蛋白處于活化狀態(tài)2)正控阻遏系統(tǒng)：效應(yīng)物的存在使激活蛋白處于非活化狀態(tài)

負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)

正控誘導(dǎo)系統(tǒng)

負(fù)控阻遏系統(tǒng)

正控阻遏系統(tǒng)

7.1.2原核基因調(diào)控的主要特點(diǎn)1.可誘導(dǎo)調(diào)理指一些基因在特別的代謝物或化合物的作用下，由原來(lái)關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化。例子：大腸桿菌的lac操縱子可誘導(dǎo)基因；可誘導(dǎo)酶；酶的誘導(dǎo)合成2.可阻遏調(diào)理這類基因平日都是開(kāi)啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過(guò)程中，由于一些特別代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。例子：大腸桿菌的Trp操縱子

可阻遏基因；可阻遏酶；可阻遏現(xiàn)象；阻遏物□一般規(guī)律：可誘導(dǎo)的操縱子總是一些編碼糖和AA分解代謝蛋白的基因，這些操縱子往往是關(guān)閉的；可阻遏基因正好相反，他們是一些合成各種細(xì)胞代謝過(guò)程中所必需的小分子物質(zhì)的基因，這些基因往往是開(kāi)啟的。

7.1.3弱化子對(duì)基因活性的影響在這種調(diào)理方式中，起信號(hào)作用的是有特別負(fù)載的AA-tRNA的濃度，

是轉(zhuǎn)錄調(diào)理中的微調(diào)整。當(dāng)操縱子被阻遏，RNA合成被終止時(shí)

,起終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)作用的那一段核苷酸被稱為弱化子。例子：Trp操縱子的弱化作用7.1.4降解物對(duì)基因活性的調(diào)理在葡萄糖存在的狀況下，即使在細(xì)菌培養(yǎng)基中參與乳糖、半乳糖等誘導(dǎo)物，與其對(duì)應(yīng)的操縱子也不會(huì)啟動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生出代謝這些糖的酶，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)或降解物抑制效應(yīng)。降解物抑制作用是通過(guò)提高轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度來(lái)調(diào)理基因表達(dá)的。7.1.5細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)

應(yīng)急反應(yīng)的信號(hào)：ppGpp和pppGpp。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物是空載tRNA。

7.2乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)□操縱子模型操縱子：基因表達(dá)的協(xié)同單位。指原核生物中由一個(gè)或多個(gè)相關(guān)基因以及轉(zhuǎn)錄翻譯調(diào)控元件組成的基因表達(dá)單元。操縱子學(xué)說(shuō)：關(guān)于原核基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控的學(xué)說(shuō)□法國(guó)巴斯德研究所Jacob和Monod在1961年提出□操縱子的組成

1)結(jié)構(gòu)基因2)調(diào)理基因(I)3)控制部位：可接受調(diào)理基因產(chǎn)物的調(diào)理。包括啟動(dòng)子(P區(qū))和操縱基因(O區(qū))。

調(diào)理基因

控制部位

結(jié)構(gòu)基因

7.2.1乳糖操縱子模型1)Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順販子的mRNA分子所編碼

Z基因：編碼β-半乳糖苷酶Y基因：編碼β-半乳糖苷透過(guò)酶A基因：編碼β-半乳糖乙酰基轉(zhuǎn)移酶2)該mRNA分子的啟動(dòng)區(qū)(P)位于阻遏基因(I)與操縱區(qū)(O)之間，不能單獨(dú)起始半乳糖苷酶和透過(guò)酶的高效表達(dá)3)操縱區(qū)(O)是DNA上的一小段序列(僅為26bp),是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。4)當(dāng)阻遏物與操縱區(qū)結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。5)誘導(dǎo)物通過(guò)與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成

□這一模型僅解釋了lac體系的負(fù)控系統(tǒng)，在lac操縱子同樣存在正調(diào)控！

β-半乳糖苷酶

透過(guò)酶

乙酰基轉(zhuǎn)移酶

7.2.2lac操縱子的影響因子1.lac操縱子的本底水平表達(dá)□問(wèn)題：1)誘導(dǎo)物需要穿過(guò)細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要透過(guò)酶，透過(guò)酶的合成又需要誘導(dǎo)。第一個(gè)誘導(dǎo)物是如何到達(dá)細(xì)胞的？2)乳糖(G-1,4-gal)并不與阻遏物結(jié)合，真正的誘導(dǎo)物是異乳糖(G-1,6-gal)而異乳糖是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。乳糖誘導(dǎo)β-半乳糖苷酶的合成需要β-半乳糖苷酶的預(yù)先存在！□對(duì)這一現(xiàn)象的解釋：

在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成(大約每個(gè)世代中有1-5個(gè)mRNA分子)這種合成被稱為本底水平的永久型合成

□研究誘導(dǎo)作用時(shí)很少適用乳糖，而用乳糖類似物1)異丙基巰基半乳糖苷(IPTG)

2)巰甲基半乳糖苷(TMG)3)在酶活性分析中，常用顯色底物O-硝基半乳糖苷(ONPG)□他們都是高效誘導(dǎo)物，但不是半乳糖苷酶的底物，因此稱為安慰性

誘導(dǎo)物

2.大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)本底水平表達(dá)(幾個(gè)分子的β-半乳糖苷酶和透過(guò)酶)

↓乳糖在透過(guò)酶作用下，lac進(jìn)入細(xì)胞，又在β半乳糖苷酶作用下乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

異乳糖↓異乳糖與結(jié)合在操縱區(qū)上的阻遏物結(jié)合導(dǎo)致

阻遏物失活↓lacmRNA開(kāi)始合成

3.阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能□lacI基因產(chǎn)物為阻遏蛋白，由4個(gè)一致亞基，每個(gè)亞基均含有347AA,并能與1分子IPTG結(jié)合。□lac阻遏物mRNA是在弱啟動(dòng)子控制下永久合成的。□當(dāng)I基因由弱啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)不能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來(lái)戰(zhàn)勝阻遏狀態(tài)，整個(gè)lac操縱子在這些突變體中不可誘導(dǎo)。

4.葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響β-半乳糖苷酶

lac——————→G+gal

gal操縱子

G

G耗盡

□將G和lac同時(shí)參與培養(yǎng)基，大腸桿菌在耗盡外源G之前不會(huì)誘發(fā)lac操縱子

□G對(duì)lac操縱子表達(dá)的抑制是間接的證據(jù)：一個(gè)大腸桿菌突變株，他在EMP途徑中不能將G-6-P轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，這些細(xì)菌的lac基因能在葡萄糖存在時(shí)被誘導(dǎo)

合成。□代謝物阻遏效應(yīng)(葡萄糖效應(yīng))葡萄糖的某些降解產(chǎn)物(不是葡萄糖)抑制lacmRNA合成的現(xiàn)象(或：有葡萄糖存在時(shí)，不管誘導(dǎo)物存在與否，操縱子都沒(méi)有轉(zhuǎn)錄活性，結(jié)構(gòu)基因都不表達(dá))

5.cAMP與代謝物激活蛋白(lac操縱子的正調(diào)理)□在大腸桿菌中，cAMP的濃度受G代謝的調(diào)理1)將細(xì)菌放在缺乏碳源的培養(yǎng)基中，細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度就高；2)假使在含G培養(yǎng)基中，細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度就低；3)假使培養(yǎng)基中只有甘油或乳糖等不進(jìn)行EMP途徑(甘油其實(shí)可進(jìn)入EMP途徑)

的碳源，細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度也會(huì)很高。

說(shuō)明：在EMP途徑中位于G-6-P與甘油之間的某些代謝產(chǎn)物是cAMP酶的抑制劑□大腸桿菌中的代謝物激活蛋白(CAP),或稱為cAMP-受體蛋白(CRP),由Crp基因編碼，能與cAMP形成復(fù)合物cAMP-CRP。□Crp和cAMP酶基因突變的細(xì)菌都不能合成lacmRNACRP和cAMP(兩者單獨(dú)不起作用)都是合成lacmRNA所必需的！

□G會(huì)降低細(xì)胞內(nèi)cAMP的水平。當(dāng)G缺乏時(shí)，大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)cAMP上升，CRP結(jié)合到cAMP上。CRP-cAMP結(jié)合到緊鄰RNAPol結(jié)合位點(diǎn)上游的

lac操縱子Plac上。CRP的結(jié)合引起DNA鏈發(fā)生90度彎曲，這加強(qiáng)RNAPol與啟動(dòng)子的結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄效率提高50倍。□細(xì)菌對(duì)