基因表達(dá)的調(diào)控

本章內(nèi)容簡(jiǎn)介

一、基因表達(dá)調(diào)控的基本概念與原理

二、乳糖操縱子的調(diào)控模式

三、色氨酸操縱子的調(diào)控模式

一、基因表達(dá)調(diào)控的基本概念與原理

1.基本概念：

基因表達(dá)(gene expression)：從DNA到蛋白質(zhì)的過(guò)程稱為基因表達(dá)，基因表達(dá)的實(shí)質(zhì)就是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯。

基因表達(dá)的調(diào)控(gene regulation or genecontrol) ：對(duì)基因表達(dá)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控。

2.基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性

基因表達(dá)的時(shí)間特異性(temporalspecificity)是指特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按照特定的時(shí)間順序發(fā)生，以適應(yīng)細(xì)胞或個(gè)體特定分化、發(fā)育階段的需要。故又稱為階段特異性。

基因表達(dá)的空間特異性（spatialspecificity）是指多細(xì)胞生物個(gè)體在某一特定生長(zhǎng)發(fā)育階段，同一基因的表達(dá)在不同的細(xì)胞或組織器官不同，從而導(dǎo)致特異性的蛋白質(zhì)分布于不同的細(xì)胞或組織器官。故又稱為細(xì)胞特異性或組織特異性。

3.基因表達(dá)的方式

組成性基因表達(dá)（constitutive geneexpression）是指在個(gè)體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)進(jìn)行的基因表達(dá)。其基因表達(dá)產(chǎn)物通常是對(duì)生命過(guò)程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。這類基因通常被稱為管家基因（housekeepinggene）。

誘導(dǎo)表達(dá)（induction）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。

阻遏表達(dá)（repression）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因。

基因表達(dá)的生物學(xué)意義

（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖。

（二）維持個(gè)體發(fā)育與分化。

4. 基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)方面

4.1轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptional regulation)

4.2轉(zhuǎn)錄水平后的調(diào)控(post-transcriptional regulation)

1）mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(differentialprocessing of RNA transcript)

2）翻譯水平上的調(diào)控(differentialtranslation of mRNA)

原核生物基因表達(dá)的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平

真核生物基因表達(dá)的調(diào)控可發(fā)生在基因表達(dá)的各個(gè)水平

4.3 其它影響因素

原核生物中，營(yíng)養(yǎng)狀況(nutritionalstatus)和環(huán)境因素(environmentalfactor)對(duì)基因表達(dá)起著舉足輕重的影響。

在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormonelevel)和發(fā)育階段(developmentalstage)是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段，營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。

5.基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素：

5.1順式作用元件：

順式作用元件（cis-actingelement）又稱分子內(nèi)作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的特殊順序。

在原核生物中，大多數(shù)基因表達(dá)通過(guò)操縱子模型進(jìn)行調(diào)控，其順式作用元件主要由啟動(dòng)基因、操縱基因和調(diào)節(jié)基因組成。

在真核生物中，與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的順式作用元件主要有啟動(dòng)子（promoter）、增強(qiáng)子（enhancer）和沉默子（silencer）。

5.2反式作用因子：

反式作用因子（trans-actingfactor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的蛋白質(zhì)因子。

原核生物中的反式作用因子主要分為特異因子、激活蛋白和阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子通常稱為轉(zhuǎn)錄因子。

5.3順式作用元件與反式作用因子的相互作用：

大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白在與DNA結(jié)合之前，需先通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體或多聚體，然后再通過(guò)識(shí)別特定的順式作用元件，而與DNA分子結(jié)合。這種結(jié)合通常是非共價(jià)鍵結(jié)合。

Ⅰ原核生物轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

1操縱子

2弱化子 (衰減子)

3降解物

4應(yīng)急反應(yīng)

Ⅱ原核生物的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控

1. 操縱子的調(diào)控模式

1.1 基本概述

1.2 乳糖操縱子的調(diào)控模式

1.3 色氨酸操縱子的調(diào)控模式

1.4 其他操縱子的調(diào)控機(jī)制

1.1 操縱子概述

提出：法國(guó)Jacob與Monod（1961年）

概念

操縱子（operon）：指的是一組功能上相關(guān)的基因，它是由啟動(dòng)區(qū)（promoter）、操縱區(qū)（operator）和結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）三部分組成。

所謂的操縱子理論是認(rèn)為在DNA分子上分布有調(diào)節(jié)基因、啟動(dòng)子、操縱區(qū)和一群功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因區(qū)。

乳糖操縱元

典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)兩部分?？刂茀^(qū)由各種調(diào)控基因所組成，而信息區(qū)則由若干結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起構(gòu)成。

概念

結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)：編碼蛋白質(zhì)的基因。

操縱區(qū)（operator）:是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動(dòng)子鄰近或與啟動(dòng)子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱子序列上，會(huì)影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。

調(diào)控基因（regulatorygene）：是編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。

與操縱子結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為阻遏蛋白（repressiveprotein），其介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為負(fù)性調(diào)控（negativeregulation）；

與操縱子結(jié)合后能增強(qiáng)或啟動(dòng)其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為激活蛋白（activatingprotein），所介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為正性調(diào)控（positiveregulation）。

1.2乳糖操縱子的調(diào)控模式

乳糖操縱子(lactoseoperon)的組成

lac 體系受調(diào)控的證據(jù)

乳糖操縱子的調(diào)控

乳糖對(duì)lac 體系的影響

葡萄糖對(duì)lac 體系的影響

CAP & cAMP

lac體系受調(diào)控的證據(jù)

乳糖添加實(shí)驗(yàn)

同位素示蹤

乳糖操縱子的本底水平表達(dá)

在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成（大約每個(gè)世代中有1～5個(gè)mRNA分子），這種合成被稱之為本底水平的永久型合成（backgroundlevel constitutivesynthesis）。由于阻遏物的結(jié)合并不是絕對(duì)緊密的，即使在它與操縱基因緊密結(jié)合時(shí)，也會(huì)偶爾掉下來(lái)；這時(shí)啟動(dòng)子的障礙被解除，RNA聚合酶開(kāi)始轉(zhuǎn)錄。

乳糖操縱子的調(diào)控

乳糖操縱子的阻遏：

B. 葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響

C.CAP與CAP結(jié)合位點(diǎn)

CAP的通用名稱:分解代謝基因激活蛋白（catabolicgene activator protein）

含有CAP結(jié)合位點(diǎn)的操縱子：乳糖操縱元（lacoperon）、阿拉伯糖操縱元（araoperon）、半乳糖操縱元（galoperon）（見(jiàn)課本206頁(yè)）

CAP也起類似的正性調(diào)控作用。

lac操縱子DNA的調(diào)控區(qū)域(P、O區(qū))

氨基酸合成的操縱子

1.3 色氨酸操縱子(tryptophaneoperon)的調(diào)控模式

屬于一種負(fù)性調(diào)控的、可阻遏的操縱子（repressibleoperon），即這操縱子通常是開(kāi)放轉(zhuǎn)錄的，有效應(yīng)物（色氨酸為阻遏劑）作用時(shí)則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。

不受葡萄糖或cAMP-CAP的調(diào)控。

1.3 色氨酸操縱子的調(diào)控模式

Atrp操縱子的組成

Btrp操縱子的阻遏系統(tǒng)

C衰減子及其作用

D 前導(dǎo)肽

Etrp操縱子的弱化機(jī)制

trp操縱子的阻遏系統(tǒng)

衰減子及其作用

弱化作用(attenuation)：當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度、但還沒(méi)有高到能夠活化R使其起阻遏作用的程度時(shí)，產(chǎn)生色氨酸合成酶類的量已經(jīng)明顯降低，而且產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)。

先導(dǎo)序列起到隨色氨酸濃度升高降低轉(zhuǎn)錄的作用，這段序列就稱為衰減子或弱化子（attenuator）。

在trp操縱元中，對(duì)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控起到粗調(diào)的作用，而衰減子起到細(xì)調(diào)的作用。

前導(dǎo)肽

見(jiàn)課本213頁(yè)

色氨酸濃度低

——trp操縱元就處于開(kāi)放狀態(tài)

色氨酸濃度增高

——轉(zhuǎn)錄減弱

Trp 操縱子小結(jié)

1.4 其它操縱子的調(diào)控機(jī)制

半乳糖操縱子(galactose operon)

阿拉伯糖操縱子（arabinoseoperon）

半乳糖操縱子(galactose operon)

包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：

異構(gòu)酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)

半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galactosetransferase, galT)，

半乳糖激酶(galactose kinase,galk)

特點(diǎn)：

有兩個(gè)啟動(dòng)子，其mRNA可從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)錄

有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游-67--53，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部

阿拉伯糖操縱子（arabinoseoperon）

阿拉伯糖操縱子(arabinoseoperon)，在葡萄糖饋乏時(shí)，它能利用阿拉伯糖作為能源。

阿拉伯糖操縱子由araB，araA及araD基因組成。

II.轉(zhuǎn)錄后調(diào)控 （見(jiàn)課本）

翻譯起始的調(diào)控

稀有密碼子對(duì)翻譯的影響

重疊基因?qū)Ψg的影響

RNA高級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)翻譯的影響

魔斑核苷酸水平對(duì)翻譯的影響

本章掌握重點(diǎn)內(nèi)容

基因表達(dá)調(diào)控的概念、特點(diǎn)和基本原理。

乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)及其組遏蛋白的負(fù)性調(diào)控和CAP正性調(diào)控機(jī)理。

色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制。

基本概念：

基因表達(dá)激活蛋白組遏蛋白順式作用元件反式作用因子操縱基因衰減子

選擇題：

1. Lac操縱子的誘導(dǎo)劑是B

A．葡萄糖B．別乳糖C．阿拉伯糖O．絲氨酸 E．色氨酸

. Ara操縱子的誘導(dǎo)劑是

2就當(dāng)前認(rèn)識(shí)，基因表達(dá)調(diào)控最主要的環(huán)節(jié)是：

A、DNA復(fù)制B、RNA轉(zhuǎn)錄激活C、RNA轉(zhuǎn)錄后加工

D、RNA轉(zhuǎn)錄后轉(zhuǎn)運(yùn)E 、翻譯及翻譯后加工
（北京醫(yī)科大學(xué)1999年生化）

3.對(duì)自身基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控的特異DNA序列是

A．順式作用因子B．反式作用因子

C．順式作用元件D．反式作用元件

4.由某一基因表達(dá)后，對(duì)另一基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控的因子是

3.如果操縱子的基因突變?nèi)笔?/b>

A、操縱子將不被轉(zhuǎn)錄B、操縱子將繼續(xù)被轉(zhuǎn)錄

C、操縱子的阻遏蛋白將繼續(xù)合成D、將無(wú)誘導(dǎo)物E、以上都不是

是非題

調(diào)節(jié)基因一般都位于operon附近,這種構(gòu)造有利于調(diào)節(jié)基因?qū)?/b>operon的控制.（）

（中科院上海生化所2001）

填空題：

操縱子包括_______,__________和__________.

（北師大1999）

選擇題

分解代謝基因活化蛋白(CAP)對(duì)乳糖操縱子表達(dá)是

A正性調(diào)控B正、負(fù)性調(diào)控C負(fù)性調(diào)控

D無(wú)調(diào)控作用E可有可無(wú)（1995年北醫(yī)試題）

簡(jiǎn)答題：

簡(jiǎn)述乳糖操縱子的正、負(fù)調(diào)控(2002年中國(guó)農(nóng)科院)

什么是正調(diào)控與負(fù)調(diào)控，試舉例說(shuō)明。(1996年中國(guó)農(nóng)科院)

以乳糖操縱子為例說(shuō)明什么是基因的表達(dá)與阻遏？（8分）(1997第四軍醫(yī)大學(xué))

選擇題

下列哪個(gè)操縱元中沒(méi)有衰減子序列？

A trp操縱元

B lac操縱元

C his操縱元

D thr操縱元

是非題：

細(xì)菌中衰減子的作用方式是用翻譯的手段來(lái)控制轉(zhuǎn)錄.（）

思考：

細(xì)菌的Trp操縱子中為什么除需要阻遏體系外還需要弱化子系統(tǒng)？