基因表達(dá)與調(diào)控

1、第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控第三節(jié)第三節(jié) 操縱子類型操縱子類型第第2章章 原核生物基因表達(dá)調(diào)控原核生物基因表達(dá)調(diào)控 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 （Introduction）、 原核生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，相關(guān)的應(yīng)答原核生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，相關(guān)的應(yīng)答是基因表達(dá)的結(jié)果是基因表達(dá)的結(jié)果、 基因表達(dá)的調(diào)控涉及基因表達(dá)的調(diào)控涉及RNA轉(zhuǎn)錄的開(kāi)轉(zhuǎn)錄的開(kāi)/關(guān)，數(shù)量，選擇性加工關(guān)，數(shù)量，選擇性加工蛋白質(zhì)翻譯速率，數(shù)量，加工與蛋白質(zhì)翻譯速率，數(shù)量，加工與 降解和分泌降解和分泌調(diào)控機(jī)理上調(diào)控機(jī)理上調(diào)控層次上調(diào)控層次上核酸分子間的互作核酸分子間的互作核酸與蛋白質(zhì)分子間的互作核酸與蛋白質(zhì)分子間

2、的互作蛋白質(zhì)分子間的互作蛋白質(zhì)分子間的互作轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄水平后轉(zhuǎn)錄水平后轉(zhuǎn)錄水平翻譯水平翻譯水平后翻譯水平后翻譯水平、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控是最為經(jīng)濟(jì)、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控是最為經(jīng)濟(jì), 靈活，又是最為重要，復(fù)雜的調(diào)控靈活，又是最為重要，復(fù)雜的調(diào)控在復(fù)雜的基因組內(nèi)，確定需要基因轉(zhuǎn)錄的起始位點(diǎn)在復(fù)雜的基因組內(nèi)，確定需要基因轉(zhuǎn)錄的起始位點(diǎn)精細(xì)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的水平精細(xì)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的水平, 以保證生物體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)以保證生物體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)保證保證RNA polymerase 的進(jìn)行式轉(zhuǎn)錄（不中斷，準(zhǔn)確終止）的進(jìn)行式轉(zhuǎn)錄（不中斷，準(zhǔn)確終止）、 生物遺傳信息的概念生物遺傳信息的概念Genome DNA10%; 結(jié)構(gòu)基因的

3、編碼序列結(jié)構(gòu)基因的編碼序列 triplet codon90%; 重復(fù)，間隔，調(diào)節(jié)序列重復(fù)，間隔，調(diào)節(jié)序列 基因選擇性表達(dá)指令基因選擇性表達(dá)指令 重要的遺傳信息重要的遺傳信息遺傳信息的兩大類別遺傳信息的兩大類別II類；特定類；特定DNA seq. + 特定蛋白質(zhì)特定蛋白質(zhì)/ 核酸結(jié)合核酸結(jié)合基因表達(dá)的指令基因表達(dá)的指令 gene on / offI類；類；DNA seq. RNA seq. (codon) aa seq. protein phenotype、 遺傳信息表達(dá)的方式遺傳信息表達(dá)的方式 組成型表達(dá)（組成型表達(dá)（constitutive expression）Housekeeping g

4、eneHousekeeping gene 誘導(dǎo)型表達(dá)誘導(dǎo)型表達(dá) （inducible expression by signaling molecular）Luxury geneLuxury gene操縱子：?jiǎn)?dòng)子、操縱基因、結(jié)構(gòu)基因和終止子結(jié)構(gòu)基因：編碼蛋白質(zhì)或RNA的任何基因調(diào)節(jié)基因：參與其他基因表達(dá)調(diào)控的RNA 和蛋白質(zhì)的編碼基因 阻遏物和激活物（調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白）HTH結(jié)構(gòu)正調(diào)控：調(diào)節(jié)蛋白與DNA特定位點(diǎn)的相互作用，啟動(dòng)或增強(qiáng)操縱子的轉(zhuǎn)錄活性負(fù)調(diào)控誘導(dǎo)物：能夠結(jié)合在阻遏物或激活物上啟動(dòng)操縱子的轉(zhuǎn)錄的效應(yīng)物共阻遏物：能夠結(jié)合在阻遏物上關(guān)閉操縱子的轉(zhuǎn)錄活性的效應(yīng)物、幾個(gè)基本概念、幾個(gè)基

5、本概念誘導(dǎo)物引起正調(diào)控誘導(dǎo)物引起正調(diào)控共阻遏物引起負(fù)調(diào)控共阻遏物引起負(fù)調(diào)控第二節(jié)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄是遺傳信息由DNA轉(zhuǎn)換到RNA的過(guò)程。作為蛋白質(zhì)生物合成的第一步，轉(zhuǎn)錄是mRNA以及非編碼RNA（tRNA、rRNA等）的合成步驟。、細(xì)菌的、細(xì)菌的RNA 聚合酶：聚合酶：個(gè)亞基組成，分子量為個(gè)亞基組成，分子量為480kD，2 , 2 組成核心酶，組成核心酶， 亞基主要功亞基主要功能是參與啟動(dòng)子的識(shí)別和結(jié)合以及轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物能是參與啟動(dòng)子的識(shí)別和結(jié)合以及轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的異構(gòu)化，體積大，橫跨的異構(gòu)化，體積大，橫跨60個(gè)堿基。個(gè)堿基。、啟動(dòng)子、啟動(dòng)子TTGACATATAATA/G16-19bp5-9b

6、p核心酶核心酶 因子因子-35區(qū)（識(shí)別部位）區(qū)（識(shí)別部位）-10區(qū)（結(jié)合部位）轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)區(qū)（結(jié)合部位）轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)、上游激活序列和操縱基因、上游激活序列和操縱基因UAS Operator 與啟動(dòng)子重疊與啟動(dòng)子重疊激活蛋白激活蛋白R(shí)NApolRNApol阻遏物阻遏物、轉(zhuǎn)錄過(guò)程、轉(zhuǎn)錄過(guò)程識(shí)別-35區(qū)核心酶結(jié)合在-10區(qū)DNA雙鏈打開(kāi)1個(gè)三磷酸核苷酸（A或G）與模板鏈結(jié)合構(gòu)成RNA的5端以磷酸二酯鍵的形式與第二個(gè)核苷酸結(jié)合，形成69個(gè)核苷酸， 因子釋放形成轉(zhuǎn)錄泡 RNA-DNA雜合鏈在多種生物體細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了不同的在多種生物體細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了不同的因子因子，根據(jù)，根據(jù)其分子量來(lái)命名，例如其分子量來(lái)命名，

7、例如E.coli中有中有70 和和32，正常情況下正常情況下70 負(fù)責(zé)多種基因的轉(zhuǎn)錄；負(fù)責(zé)多種基因的轉(zhuǎn)錄；32少量少量存在，熱激條件下，存在，熱激條件下， 32含量增加，促進(jìn)熱激蛋含量增加，促進(jìn)熱激蛋白基因的轉(zhuǎn)錄。白基因的轉(zhuǎn)錄。分子伴侶分子伴侶：正常細(xì)胞中指導(dǎo)新合成的蛋白質(zhì)的：正常細(xì)胞中指導(dǎo)新合成的蛋白質(zhì)的折疊；熱激后與變性蛋白結(jié)合，指導(dǎo)它們重新折疊；熱激后與變性蛋白結(jié)合，指導(dǎo)它們重新折疊而使它們恢復(fù)生物活性。折疊而使它們恢復(fù)生物活性。、 因子與轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控因子與轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控、終止子：強(qiáng)終止子和弱終止子、終止子：強(qiáng)終止子和弱終止子轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)之前有7-20bp反向重復(fù)序列，產(chǎn)生的mRNA可以形成

8、莖環(huán)狀的發(fā)夾結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)的序列結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)的序列結(jié)構(gòu)：GTCAAAAGCCTCCGGTCGGAGGCTTTTGACTCAGTTTTCGGAGGCCAGCCTCCGAAAACTGA其反向重復(fù)序列富含GC，下游常有個(gè)，轉(zhuǎn)錄后含有相對(duì)應(yīng)的，是使RNA聚合酶脫離模板的信號(hào)。）不依賴因子的終止子（強(qiáng)終止子）強(qiáng)終止子）不依賴于 因子的終止子轉(zhuǎn)錄終止模型被轉(zhuǎn)錄的RNA可以在終止子處形成莖環(huán)狀的RNA-RNA發(fā)莢結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性比RNA-DNA雜合鏈穩(wěn)定性高，可以把RNA聚合酶和RNA都從DNA鏈上脫離下來(lái)，從而終止轉(zhuǎn)錄。）依賴于因子的終止子（弱終止子弱終止子） 因子有RNA結(jié)合位點(diǎn)和ATP結(jié)合位點(diǎn)

9、，以六聚體形式起作用，可以輔助轉(zhuǎn)錄終止 因子只引起沒(méi)有正在進(jìn)行翻譯的RNA合成終止 因子是RNA-dependent ATPase，需要RNA存在 因子能使RNA-DNA雜合雙鏈解旋 因子結(jié)合在RNA的不被核糖體翻譯的rut位點(diǎn)，利用水解ATP的能量沿著RNA鏈按53方向移動(dòng)； 當(dāng)RNA聚合酶遇到終止子暫停轉(zhuǎn)錄時(shí)， 因子可以在終止子處追趕上RNA聚合酶，并躋身于轉(zhuǎn)錄泡的RNA-DNA雜合鏈中； 因子的RNA-DNA解旋酶活性使RNA-DNA雜合鏈解旋，使RNA聚合酶從DNA上釋放出來(lái)，轉(zhuǎn)錄終止，RNA鏈和因子也釋放出來(lái)。依賴于 因子的終止子轉(zhuǎn)錄終止模型基因表達(dá)的極性效應(yīng)：基因表達(dá)的極性效應(yīng)：在

10、某一條件下，同一轉(zhuǎn)錄單元里由于一個(gè)基因在某一條件下，同一轉(zhuǎn)錄單元里由于一個(gè)基因的無(wú)義突變，阻礙了下游相鄰基因表達(dá)的效應(yīng)，稱的無(wú)義突變，阻礙了下游相鄰基因表達(dá)的效應(yīng)，稱為基因表達(dá)的極性效應(yīng)。為基因表達(dá)的極性效應(yīng)。在發(fā)生無(wú)義突變時(shí)，無(wú)義突變使翻譯提前終止，在發(fā)生無(wú)義突變時(shí)，無(wú)義突變使翻譯提前終止，核糖體提前釋放，核糖體提前釋放，因子就有機(jī)會(huì)趕上因子就有機(jī)會(huì)趕上RNApol，從，從而引起轉(zhuǎn)錄的終止。而引起轉(zhuǎn)錄的終止。抗終止作用？lacI P O lacZ lacY lacA大腸桿菌乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)模型：大腸桿菌乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)模型：半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶半乳

11、糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶阻遏物阻遏物第三節(jié)操縱子類型第三節(jié)操縱子類型operon concept 控制某一代謝途徑的相關(guān)基因控制某一代謝途徑的相關(guān)基因, 緊密連鎖地排列在一起緊密連鎖地排列在一起, 受同一操縱子控制受同一操縱子控制 各結(jié)構(gòu)基因按一定比例協(xié)調(diào)翻譯各結(jié)構(gòu)基因按一定比例協(xié)調(diào)翻譯 ( Z : Y : A = 5 : 2 : 1 ) 具有極性突變效應(yīng)具有極性突變效應(yīng) P & O基因基因(cis)緊密連鎖緊密連鎖 或或 彼此重疊彼此重疊 I 基因基因(trans) 位點(diǎn)不固定位點(diǎn)不固定Lac operon I p o Z Y A、乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控、乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控 I gene activ

12、e repressorbinding on Operator38 kd / monomertetramer 152 kdO gene (operator)O gene (operator)mRNA startpoint RNA polymerase binding Repressor bindingObstruction?Obstruction?Competition?Competition?O gene (operator) O gene (operator) cis-action factorcis-action factorrepressionrepressionO gene (oper

13、ator)O gene (operator)Repressor 對(duì)重疊位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)力下降對(duì)重疊位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)力下降有利于有利于RNA polymerase 的結(jié)合的結(jié)合O gene (operator) O gene (operator) cis-action factorcis-action factormRNA startpointunwinding RNA polymerase binding Repressor bindingO & P overlap repressor & RNA polymerase bindat sites that overlap around th

14、e start point of Lac operonrepressor & RNA polymerase 對(duì)重疊位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)重疊位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)-調(diào)控機(jī)理調(diào)控機(jī)理Inducer (lactose) 與與repressor 特異結(jié)合特異結(jié)合tetramer 變構(gòu)變構(gòu) 特異結(jié)合力下降特異結(jié)合力下降1000X作用于作用于 O 位點(diǎn)上的位點(diǎn)上的repressor 變構(gòu)變構(gòu) 脫離脫離O位位作用于游離的作用于游離的repressor operon onrepessor tetramer與與operator發(fā)生特異結(jié)合發(fā)生特異結(jié)合 operon off 變構(gòu)變構(gòu) 失去結(jié)合于失去結(jié)合于O位的能力位的能力 (a

15、) No lactose; repression. (b) Presence of lactose, derepression. Lac. Operon structureLac. Operon structure、乳糖操縱子的正調(diào)控、乳糖操縱子的正調(diào)控：cAMP controlcAMP control (universal controlling system)Lac operon open but no transcriptsGlucoseGlucoseLactoseLactoseE.coliWhy?ATPppp c AcAMPp c A 5-AMPp c AI (crp gene)(cA

16、MP reccept protein)(or catabilite gene activator protein)cAMPase (-)phosphodiesterase (+)+GlucoseGlucoseLac.Operon I P OStimulation of -galactosidase synthesis by cAMP withwild-type and mutant CAP Pastan 1970 P. N. A. S. 480-487, June 66 (2)CAP-cAMP complex is important in lac operontranscriptionCAP

17、 plus cAMP allow formation of an open promoter complexThe lac control region. just upstream of the operator, contains the activator site, or CAP binding site, on the left (yellow) and the promoterThe CAP-cAMP dimer binds to its activator site on the DNA, and the -CTD interacts with a specific site on the CAP protein This strengthens binding between polymerase and promoter., Hypothesis for CAP-cAMP activation of la