第七章基因表达调控——原核基因表达调控模式

第一节 原核基因表达调控总论
随着生物个体的发育，DNA分子能有序地将其所 承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统转变成 蛋白质，执行各种生理生化功能。
科学家把从DNA到蛋白质的过程称为基因表达 （gene expression） ，对这个过程的调节就称为基 因表达调控（gene regulation，gene control）。
基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。
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第一节 原核基因表达调控总论
❖ 基因表达调控主要表现在以下二方面： 转录水平上的调控 转录后水平上的调控： mRNA加工成熟水平调控 翻译水平调控
❖ 不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。
原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着举足 轻重的影响。
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。
转录激活 转录抑制
阻遏蛋白 负控诱导 负控阻遏
激活蛋白 正控诱导 正控阻遏
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第一节 原核基因表达调控总论
1. 原核基因调控分类
❖ 大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是σ因子，基 因组序列分析后发现存在6种σ因子，并根据其相对分子质 量的大小或编码基因进行命名，其中σ70是调控最基本的生 理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。
调控元件，如操纵序列，是调节结构基因转录的一段 DNA序列。
调节基因，其产物能够识别调控元件，例如阻抑物，可 以结合并调控操纵基因序列。
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第二节 乳糖操纵子
❖ 大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳源的酶 只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。
❖ 大肠杆菌乳糖操纵子（lactose operon）包括3个结构基 因：Z、Y和A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录的 调控是在启动区和操纵区进行的。
❖ 降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的， 是一种积极的调节方式。
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5.细菌的应急反应
❖ 细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿——氨基酸的 全面匮乏。细菌会产生一个应急反应——停止包括生产各 种RNA、糖、和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。
❖ 实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷 酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。
当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA， 这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。
ppGpp 的 出 现 会 关 闭 许 多 基 因 ， 以 应 付 这 种 紧 急 状 况 。 ppGpp 影响RNA聚合酶与这些基因转录起始位点的结合，使 基因被关闭。
在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和发育阶 段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。
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第一节 原核基因表达调控总论
❖ 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。
❖ 转录与翻译的特点：
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。
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第二节 乳糖操纵子
❖ P为启动子，O为操纵区，lacI编码阻遏子
❖ 3个结构基因各决定一种酶：Z编码β-半乳糖苷酶；Y编码 β-半乳糖苷透过酶；A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶。
β-半乳糖苷酶是一种β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将 乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他β-半乳糖 苷（如苯基半乳糖苷）。
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第一节 原核基因表达调控总论
2. 原核基因调控的主要特点：
❖ 原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可诱导 和可阻遏两大类:
可诱导调节。是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的 作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些 物质的诱导下使基因活化。这类基因中最突出的例子是 大肠杆菌的乳糖操纵子。
β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷透过大 肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。
❖ 属于这种调节方式的有：大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯 丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸 操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧 啶合成操纵子等等。
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4. 降解物对基因活性的调节
❖ 有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、 半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵 子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象 称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。
可阻遏调节。这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白 质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的 积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌中 的色氨酸操纵子。
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3. 弱化子对基因活性的影响
❖ 在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰tRNA的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度 。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号 作用的那一段DNA序列被称为弱化子。
ppGpp与pppGpp的作用范源自十分广泛，它们影响一大批操纵 子而被称为超级调控因子。
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第二节 乳糖操纵子
❖ 1961年，Jacob和Monod提出了操纵子模型，这是与特殊 代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。
❖ 操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括:
结构基因（除调节基因以外的所有基因），编码那些在 某一特定的生物合成途径中起作用的、其表达被协同调 控的酶。
真核生物中，转录产物只有从核内运转到核外， 才能被核糖体翻译成蛋白质。
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第一节 原核基因表达调控总论
1. 原核基因调控分类
❖ 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，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。