分子生物学第六章 基因的表达与调控(上)

❖ 原核生物中
❖
营养状况(nutritional status)
❖
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)
❖
发育阶段(developmental stage)
❖
是基因表达调控的最主要手段，营养和
转录水平上调控的其他形式
❖ 另一种类型的蛋白质的合成速率 明显地受环境的影响而改变，被称为 适应型或调节型（adaptive or regulated)蛋白质。
❖ 一般情况下，一个大肠杆菌细胞中只有 15个分子的β-半乳糖苷酶，但若将细胞培养 在只含乳糖的培养基中，每细胞中这个酶的 量可高达几万个分子。
❖ 其他参与糖代谢的酶，氨基酸、核苷酸 合成系统的酶类，其合成速度和总量都随培 养条件的变化而改变。
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，称之为基因表达的空间 特异性。
基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布 差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所 以空间特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。
基因表达调控的生物学意义
❖ 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核） 维持个体发育与分化（真核）
6 基因的表达与调控(上)
——原核基因表达调控模式
❖ 原核生物细胞:
❖
❖
基因和蛋白质种类较少
❖
❖ 如大肠杆菌基因组约为4.60x106bp共有4288个 可读框。
❖
据估计，一个细胞中总共含有107个蛋白质分
子，如果每个基因等同翻译的话，任何一个多肽应
有2500个拷贝。
❖ 但是，这些蛋白质并不是以相同拷贝数存在于 每个细胞中的，有些蛋白质的数目相当固定，另一 些则变化很大。
6．1 原核基因表达调控总论
❖ 基因表达：
❖ 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或gene control)。
❖ rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于 基因表达。
❖ 基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。
❖ 在负转录调控系统中，调节基因的产物是 阻遏蛋白(repressor)，起着阻止结构基因转录 的作用。
❖ 根据其作用特征又可分为:
❖
负控诱导
❖
负控阻遏
❖
二大类。
❖ 在负控诱导系统中， 阻遏蛋白不与效应物 (诱导物)结合时，结构 基因不转录；
❖ 在负控阻遏系统中， 阻遏蛋白与效应物结合 时，结构基因不转录。
❖
细菌中所利用的大多数基本调控机制一般执行
如下规律：
❖ 一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。 是通过调节转录来建立的，也就是说在mRNA的合成 水平上调节。
❖ 实际上，当我们说一个系统处于关闭状态时， 也可能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分子和极少量的蛋白质分子。 表示是基因表达量特别低，很难甚至无法检测。
基因表达的规律 ——时间性和空间性
1、时间特异性（temporal specificity） 按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定
的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特
异性(stage specificity)。
2、空间特异性(spatial specificity)
❖基因表达调控主要表现：
❖ (1)转录水平上的调控
❖
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(transcriptional regulation)；
❖
(2)转录后水平上的调控
❖
(post transcriptional regulation)
❖ 转录后水平上的调控包括:
❖ ①mRNA加工成熟水平上的调控 ❖ (differential processing of RNA transcript)； ❖ ②翻译水平上的调控 ❖ (differential translation of mRNA)。
环境因素的影响力大为下降。
❖ 原核:
❖ ——转录与翻译 过程几乎发生在同一 时间间隔内，转录与 翻译相偶联。
❖ 真核生物:
❖ 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。
6.1.1 原核基因调控机制的类型与特点
❖ 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(negative transcription regulation) ❖ 正转录调控(positive transcription regulation)
指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表 达。
❖ 应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导 (induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)；
❖ 相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象 称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因 (repressible gene)。
❖ 阻遏蛋白作用的部 位是操纵区。
❖ 在正转录调控系统中，调节基因的产物 是激活蛋白(activator)。
❖ 根据激活蛋白的作用性质分为:
❖
正控诱导系统
❖
正控阻遏系统。
❖ 在正控诱导系统 中，效应物分子(诱导 物)的存在使激活蛋白 处于活性状态；
❖ 在正控阻遏系统 中，效应物分子的存 在使激活蛋白处于非 活性状态。
基因表达的方式
组成性表达(constitutive expression) 适应性表达(adaptive expression）
1、组成性表达：
指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达， 通常被称为管家基因(housekeeping gene)。
2、适应性表达
❖ 每个大肠杆菌细胞可以有约15000个核糖体，与 其结合的约50种核糖体蛋白，数量也是十分稳定的。 糖酵解体系的酶含量很大，其数目也极恒定。
❖ 如DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代谢过程 中十分必需的酶或蛋白质，其合成速率不受 环境变化或代谢状态的影响，这一类蛋白质 被称为组成型(constitutive)合成蛋白质。