原核生物的基因表达调控精要.pptVIP

原核生物的基因表达调控 基因表达调控的重要性和形式 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。以E. coli为例，其基因组总共能编码几千种蛋白质，但在正常的生长条件下，一个细胞仅合成600~800种不同的蛋白质。显然，多数基因并没有表达。之所以出现这样的情形，是因为细胞内的基因表达受到严格的调控。实际上，生物体内的基因根据表达的状况可分为两类，一类是管家基因，另一类是奢侈基因。管家基因始终表达，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。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。 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。 原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。 基因表达调控的两种方式 基因的表达模式都可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。因此，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。因此，正调控中的调节蛋白被称为激活蛋白。 在DNA水平的调控 启动子序列对基因表达的调控 DNA重组对DNA表达的调控 DNA重组可以改变控制基因表达的元件与受控基因之间的距离和方向，因而可以成为控制基因表达的一种手段。 在转录水平的调控 转录起始阶段的调控 （1）不同σ因子的选择性使用 （2）操纵子调控模型 （3）几种重要的操纵子 转录终止阶段的调控 （1）抗终止作用 （2）弱化 不同σ因子的选择性使用 原核生物识别启动子序列的是σ因子。不同的σ因子可识别不同的启动子序列，E. coli主要使用σ70。在特殊的条件下，其它类型的σ因子被表达或被激活。这些新的σ因子识别的是其它类型的启动子，其一致序列不同于σ70所识别的启动子，从而指导RNA pol启动一些新基因的表达。这样的调控系统使有机体能够对在特定条件下需要表达的多个基因进行统一的调控。 操纵子模型 第一个被阐明的基因表达调控系统是由法国巴斯德研究所的Francois Jacob和Jacques Monod于1962年提出来的大肠杆菌基因表达的操纵子模型。事实证明，大多数原核生物的基因表达调控都采取这种方式，尽管真核细胞没有操纵子的结构，但模型中的一些基本原理也适用于真核生物。 操纵子模型认为：一些功能相关的结构基因成簇存在，构成所谓的多顺反子，它们的表达作为一个整体受到控制元件的调节。控制元件由启动子、操纵基因）和调节基因组成。调节基因编码调节蛋白，与操作子结合而调节结构基因的表达。 乳糖操纵子 乳糖操纵子属于诱导型操纵子，其天然的诱导物是乳糖的异构体——别乳糖，它既受到负调控，又受到正调控。 乳糖操纵子的负调控 乳糖操纵子的正调控 乳糖对乳糖代谢酶的诱导 如果供大肠杆菌生长的培养基中没有乳糖，那么细胞内参与乳糖分解代谢的三种酶，即β-半乳糖苷酶、乳糖透过酶和巯基半乳糖苷转乙酰酶很少，如每个细胞的β-半乳糖苷酶的平均含量只有0.5个～5个。可是一旦在培养基中加入乳糖或某些乳糖的类似物，则在几分钟内，每个细胞中的β-半乳糖苷酶分子数量骤增，可高达5 000个，有时甚至可占细菌可溶性蛋白的 5％～10％。与此同时，其它两种酶的分子数也迅速提高。由此可见，新合成的β-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰化酶由底物乳糖或其类似物直接诱导产生，乳糖及其相关类似物被称为诱导物。 大肠杆菌乳糖操纵子的结构 1个调节基因（lacI）——位于Plac附近，有其自身的启动子和终止子，转录方向和结构基因的转录方向相反，呈低水平的组成型表达，编码阻遏蛋白 1个操纵基因（lacO）—— 位于Plac和lacZ基因之间，为阻遏蛋白结合的位点 1个启动子（Plac） 3个结构基因（lacZ、lacY和lacA）组成。lacZ编码