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1、第九章 微生物基因表达的调控,概述(Introduction),基因表达(gene expression)-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(the central dogma)：,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510%在高水
2、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(temporal and spatial specificity),时间特异性(temporal specificity)某一基因的表达严格按特定的时间顺序发生 Hb(hemoglobin)珠蛋白基因簇：（胚胎型）、珠蛋白基因簇：
3、（胚胎型）、（胎儿型）、22 22 22,空间特异性(spatial 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(constitutive gene expression)：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-keeping gene)；管家基因-在一个生
4、物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。奢侈基因（luxury gene）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(adaptive expression)：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(coor
5、dinate expression),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transcriptional level:转录激活、转录起始;转录后水平的调控post-transcriptional level：转录后加工、运输、mRNA降解;翻译水平的调控translation level：翻译的起始;翻译后水平的调控post-translation level 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
6、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（nutritional status）和环境因素（environmental factor）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（hormone level）和发育阶段（developmental stage）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
7、乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联（coupled transcription and translation）。,真核生物中，转录产物（primary transcript）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(consensus sequence)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
8、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。,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。,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。,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(control of transcription),操纵子（operon）：原核生物中几个功能相关的结
9、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),Discovery of Operon,1940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-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
10、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,I,P,O,Z,Y,a,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,半乳糖苷酶,通透酶,乙酰基转移酶,乳糖操纵子（lactose opron）结构,RNA聚合酶结合
11、位点,没有乳糖存在时,阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,无葡萄糖，cAMP浓度高时,有葡萄糖，cAMP浓度低时,CAP的正性调节,CAP: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：,2）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
12、菌只能利用葡萄糖。,3）既有乳糖，又有葡萄糖时：,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：,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,I,O,O,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
13、,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。,O,O,O,O,O,图15-5,协调调节(coordinate regulation)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
14、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,1RNA编辑（RNA editing）2mRNA 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
15、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：第一类是依靠内含子的特殊结构而能自发地进行剪接；第二类是蛋白质（酶）促剪切；第三类是需要一种细胞核小分子核糖核蛋白参与剪接的方式，真核生物mRNA的剪接就是这种方式。,翻译水平的调控,mRNA的稳定性：mRNA的降解速度受细菌的生理状态、环境因素及mRNA结构的影响。翻译产物对翻译的影响小分子RNA的调控作用mRNA干扰性互补RNA（micRNA)或反义RNA(antisense RNA）调整基因表达产物的类型低水平表达基因的控制,真核生物基因表达的调控,
16、DNA水平的调控转录水平的调控转录后水平的调控翻译水平的调控翻译后水平的调控,真核基因组结构特点,真核基因组结构庞大 3109bp单顺反子含有大量重复序列 基因不连续性 内含子 外显子非编码区较多 多于编码序列(9:1),一、真核基因组结构特点,（一）真核基因组结构庞大,（二）单顺反子,单顺反子(monocistron)即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。,（三）重复序列（正向重复、反向重复）,（四）基因不连续性断裂基因,基本概念顺式作用元件和反式作用因子基因活性的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）与顺式作用元件（通常在DNA上）相互作用而实现。顺式作用元件（c
17、is-acting element）：对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中，如启动子。反式作用因子（trans-acting factor）：通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达,如转录因子；其编码基因与其识别或结合靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上,基因表达的调节控制基本上是反式作用因子与顺式作用元件的相互作用。反式作用因子只识别DNA上非常短的一段序列（顺式元件）。,结构基因和调控基因结构基因（structural genes）：编码蛋白质或RNA的任何基因。原核生物的结构基因一般成
18、簇排列，真核生物独立存在。结构基因簇由单一启动子共同调控。调节基因（regulator genes）：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控方式（启动或增强基因表达活性）调节靶基因，也能以负调控方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。,启动子和终止子,启动子(promoter,P)：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。终止子（terminator，T）：给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。启动子和终止子属于顺式作用元件，而RNA聚合酶为反式作
19、用因子。,启动子,真核基因启动子是RNA聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。,增强子(enhancer),指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。,在转录起始点5或3侧均能起作用；相对于启动子的任一指向均能起作用；发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；对异源性启动子也能发挥作用；通常具有一些短的重复顺序。,特点,增强子,沉默子(silencer),某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。,同一DNA序列可被不同蛋白质识别同一蛋白质因子可与多种
20、不同DNA序列发生联系，少数是直接结合，多数是蛋白质-蛋白质相互作用后再影响DNA。蛋白质-蛋白质或DNA-蛋白质的结合，均导致构象上的微细变化，构象变化常是实现调控功能的分子基础。反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大的可变性和可塑性。,反式作用因子,操纵基因和阻抑蛋白,操纵基因（operator gene）：能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，当调控蛋白结合在操纵基因序列上，会影响其下游基因转录的强弱。与操纵基因结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白（repressive protein），其介导的调控方式称为负性调控（negative regulation）；细菌
21、通常为负调控；与操纵基因结合后能增强或起动其调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白（activating protein），所介导的调控方式称为正性调控（positive regulation）。,转录因子,转录因子：转录起始过程中，RNA聚合酶所需要的辅助因子。转录因子参与正调控的反式作用因子。正调控和负调控的共同点：调控蛋白都是反式作用因子。,转录调节因子分类（按功能特性）,基本转录因子(general transcription factors),是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及rRNA)转录的类别。个别因子，如TFD为通用的，大部分转录调节
22、因子为不同RNA聚合酶特有，决定转录的类别,特异转录因子(special transcription factors),能够选择性调控某种或某些基因转录表达的蛋白质因子称为特异性转录因子.为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。,转录激活因子（如增强子的结合蛋白),转录抑制因子(如沉默子的结合蛋白，或是与其他因子结合，抑制转录的蛋白质）,真核基因转录调节是复杂的、多样的,*不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录调节方式；,*多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元件。,*转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。,反式作用因子特点,三个功能结构域：DNA识别结合域；转录活性域；结合其他蛋白的结合域能识别并结合顺式作用元件(cis-acting element)正调控与负调控,功能结构域,反式作用因子结构域的模式,DNA结合域(DNA-banding domain)锌指结构(zinc finger motif)同源结构域(homodomain,HD)：螺旋-回折-螺旋(helix-turn-helix)亮氨酸拉链结构(leucine zipper)螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix,HLH)碱性螺旋(alkaline-helix),
