原核基因表达调控-1分子生物学

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1、一 基因表达调控总论 二 转录水平的调控 三 转录后水平的调控,原核生物基因表达的调控,基因表达(gene expression)是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。 典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。 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不具有在蛋白质翻译方面的功能。,一、 基因表达调控总论,每一种生物的基因组都含有一定数目的基因，但这些基因在一个细胞里并不都会表达，那些表达的基因表达的强度也不一定相同。例如：E.Coli，人 细胞内的基因表

2、达受到严格的调控 一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种“开-关“（on-off）活性是通过调节转录来建立的，也就是说mRNA的合成是可以被调节的。当我们说一个系统处于“off“状态时，也有本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成1或2个mRNA分子。所谓“关“实际的意思是基因表达量特别低，很难甚至无法检测。,基因表达调控就是对基因产物的合成进行控制的机制.,一个细胞可能仅含有20个拷贝乳糖操纵子阻遏蛋白，但是它可能会需要超过100 000个拷贝的EF-Tu参与蛋白质的合成。 在另外一些情况下，单细胞有机体调控基因表达是为了应答环境条件（例如，温度，渗透压或者是否存在某种营养物质）

3、的改变或者细胞内部的生理状况（例如为细胞分裂做准备）的变化。与细胞适应过程有关的酶或者蛋白质通常是不存在的，只有在需要的时候才被合成。,原核生物和单细胞真核生物是单细胞生物，一般生活在多变的环境中，需要随时根据环境条件的变化调整自身基因的表达，以使代谢过程能够适应环境的变化，从而更好地生存和繁衍。 自然选择倾向于保留高效率的生命过程。在一个每30min增殖一倍的109细菌群体中，若有一个细菌变成了29.5min增殖一倍，大约经过80天的连续生长后，这个群体中的99.9%都将具有29.5min增殖一倍的生长速度。,实际上，生物体内的基因根据表达的状况可分为两类，一类是看家基因（house-kee

4、ping gene)，另一类是奢侈基因(luxury gene) 。看家基因始终表达，表达的量也相对恒定，因此又称为组成型基因，奢侈基因只是在特定的时段里或者在需要的时候才表达，也称为组织特异型基因。不管是管家基因还是奢侈基因，表达都受到调控，只是调控的方式不一样。,细胞中有些蛋白质的数量几乎不受环境变化影响，称为组成性蛋白；如，组蛋白、糖酵解中的酶蛋白、线粒体蛋白等。 有些蛋白质的数量随环境变化而变化，这些蛋白称为适应性蛋白；这是由基因表达调控的。,组成型合成蛋白质,适应型或调节型蛋白质,基因表达的方式,指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过

5、程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。持家基因（house-keeping gene）。 组成型基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。,1、组成型表达（constitutive gene expression）,2、适应性表达(adaptive expression) 指环境的变化容易使其表达水平改变的一类基因表达。,诱导（induction）：是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。 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）：是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因

6、的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。 色氨酸 色氨酸合成酶系,在原核和单细胞真核生物中，通过改变基因表达适应环境，对于细胞的生存非常重要。 如有充足的葡萄糖，细菌就可利用葡萄糖作能源和碳源；当没有葡萄糖时，细菌就要适应环境中存在的其它糖类(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)，开放能利用这些糖类的酶的基因，以满足生长的需要。,即使室内环境保持稳定的高等哺乳类，也经常要变动基因的表达来适应环境。例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同。 长期摄取不同的食物，体内合成代谢酶类的情况也会有所不同。 基因表达调控是生物适应环境生存所必需的。,基因表达调

7、控主要表现在以下几个方面： 转录水平上的调控(transcriptional regulation)； mRNA加工成熟水平上的调控(differential processing of RNA transcript)； 翻译水平上的调控(differential translation of mRNA). 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。在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

8、段，营养和环境因素的影响力大为下降。,基因表达是一个多步骤的过程，表达的产物是具有一定功能的蛋白质。基因表达的每一环节以及表达产物的稳定性均可作为调控的位点，理论上，一种基因表达的调控可以在多种水平上展开，包括DNA水平、转录水平、转录后加工水平、翻译水平、翻译后加工水平等。但在所有调控方式中，从节省能量的角度来看，对基因表达关闭的越早越好，这样不至于将能量浪费在mRNA和蛋白质的合成上。就这一点而言，转录的起始阶段是最佳调控位点。,基因表达调控的环节 多级调控,基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为转录水平（基因激活及转录起始），转录后水平（加工及转

9、运），翻译水平及翻译后水平，但以转录水平的基因表达调控最重要。,转录水平的调控是调控DNA模板上转录特定mRNA的速度，通常主要是对转录起始的调控；有时也可对转录终止过程进行调控，一般对延伸过程不容易进行调控。,在真核细胞中，也可以对mRNA的加工过程，包括修饰、剪接和运输等进行调控。而在原核细胞中mRNA一旦合成，就可用于指导蛋白质的合成，无需加工，因此，无法在这一步骤进行调控。,翻译水平的调控，也象转录水平的调控一样，通常是通过对起始阶段和终止阶段的调控实现的。,顺式作用元件（cis-acting element）: 位于基因的旁侧，可调控影响基因表达的核酸序列。包括启动子、增强子、应答元

10、件等。其活性只影响与其自身同处于一个DNA分子上的基因。其本身并不编码蛋白质，可以与反式作用因子相互作用参与基因表达调控。 反式作用因子（trans-acting factor）: 参与调控基因转录效率的蛋白质因子，可以直接或间接识别或者结合顺式作用元件核心序列，可对基因表达产生激活或阻遏的作用。,顺式作用元件与反式作用因子,结构基因（structural gene） 编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和RNA的基因。 调控基因（regulator gene） 编码蛋白质或RNA来调节其他基因表达的基因。,结构基因与调控基因,阻遏物（repressor）: 阻止基因表达的蛋白质，可与操纵基因结

11、合来阻止转录或结合RNA来阻止蛋白质的翻译。 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。 操纵子（operon）: 细菌基因表达和调控的单位，包括结构基因和能被调控基因产物识别的 DNA控制元件。,阻遏物、操纵基因与操纵子,诱导 (induction)： 通过小分子诱导物参与, 使阻遏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遏物来实现基因或操纵子不表达的调控。,诱导与阻遏,二、 转录水平的调控,1. 转录调控的原理 2. 原核生物转录调控的操纵子学说 3.

12、 乳糖操纵子的调控,1. 转录调控的原理,基因表达由调控蛋白控制 基因常常由外部信号控制；这些信号由调控蛋白传递给基因。 调节蛋白通常都是DNA结合蛋白，它们识别受其控制的基因上或基因附近的特异位点。,1.1 基因表达调控的两种方式,根据控制的效果分为正调控和负调控。如果是在转录水平的调控，这两种调控模式一般都涉及到特定的调节蛋白与DNA特定序列之间的相互作用。一般将与调节蛋白结合的特定DNA序列称为顺式作用元件，而对于原核生物来说，这样的顺式作用元件经常被称为操纵基因。 如果是负调控，则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活的情况下，基因正常表达。一旦存在调节蛋白或者调节蛋白被激活，基因则不能表达。

13、负调控中的调节蛋白被称为阻遏蛋白； 如果是正调控，则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活的情况下，基因不表达或者表达量不足。一旦有调节蛋白或者调节蛋白被激活，基因才能表达或者大量表达。正调控中的调节蛋白被称为激活蛋白。,正调控与负调控模式的比较,调控类型与特点,正调控系统 调节基因的产物是激活蛋白 根据激活蛋白的作用性质，又可分为可诱导的正调控和可阻遏的正调控。,1. 原核基因调控机制的类型与特点,负调控系统 调节基因的产物是阻遏蛋白。 根据其作用特征又可分为可诱导的负调控和可阻遏的负调控。,原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为负转录调控和正转录调控。 在负转录调控系统中

14、，调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor)。根据其作用特征又可分为负控诱导系统和负控阻遏系统二大类。 在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)。也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导系统和正控阻遏系统。,1. 3 调控蛋白对转录起始的调控,无调控蛋白存在时，RNA聚合酶只是微弱的结合在启动子上。这是因为该启动子组分不完整。 当聚合酶结合了启动子时，它会自动的经由封闭复合体到开放复合体的转变而起始转录。这导致基因的组成型表达（constitutive expression）或称为本底水平（basal level）表达。这种情况下RNA聚合酶的结合是限速步骤(图16

15、-1a),阻遏物控制某一基因的起始转录，是通过其结合到RNA聚合酶结合的位点，以阻碍聚合酶结合到启动子上，从而而阻止转录（图16-1b）。 DNA上阻遏物结合的位点称为操纵基因。,活化子通过协助聚合酶结合到启动子上从而激活该启动子开始的转录。 活化子以其一个表面结合到启动子附近的某一DNA位点；同时以另一表面与RNA聚合酶相互作用，将聚合酶带到启动子（图16-1c）。 活化子与RNA聚合酶的相互作用，以及活化子与DNA的相互作用，只起到黏合作用：活化子只是将酶带到启动子附近。,一些活化子通过协助聚合酶结合到启动子上从而激活转录的开始,某些活化子通过变构和调控RNA聚合酶或DNA的构象改变而起作

16、用,在有些情况下，RNA聚合酶不需要协助就可以结合在DNA上并形成稳定的闭合复合体，但是这一闭合复合体却不能自动转变为开放复合体（图16-2a）。在这种启动子上，必须由活化子刺激闭合复合体转变为开放复合体，因此，这一转变就是限速步骤。,活化子与稳定的闭合复合体相互作用诱导构象发生改变，引起闭合复合体向开发复合体的转变。,前面所述的DNA结合蛋白（调节蛋白和RNA聚合酶）的相互作用，是假定这些蛋白结合在DNA上的临近的位点。 有些相互作用的蛋白质结合在DNA上相距较远的位点，在这种情况下，为了使蛋白质相互作用，结合位点之间的DNA就会环化，使蛋白结合位点彼此靠近,1.4 远程激活和DNA环化,远程调控,活化子结合位点一般位于启动子上游（150bp-1kb或更远）也能发挥作用。 抑制子相互作用使DNA形成环化的情况也不少。 DNA上相距较远的位点通过环化靠近的方式之一是在这些DNA序列上再结合其它蛋白质。,如在活化子结合位点和启动子之间另有蛋白结合，使DNA弯曲，协助活化子和聚合酶相互作用。,Jacob和Monod等人对E. coli利用乳糖的适应现象进行研究，1961年提出乳糖操纵子(lac operon)学说。,