原核生物的因表达调控.pptVIP

第四十二章 原核生物的基因表达调控 提纲 在DNA水平上的调控 在转录水平上的调控 转录起始水平上的调控 转录终止水平上的调控 在翻译水平上的调控 环境信号诱发的基因表达调控 在基因组水平上的全局调控 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 基因的拷贝数 启动子序列对基因表达的调控 DNA重组对DNA表达的调控：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 不同σ因子的选择性使用 操纵子调控模型 几种重要的操纵子 转录终止阶段的调控 抗终止作用 弱化 不同σ因子的选择性使用 细菌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对在特定条件下才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0.5～5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β-半乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖异构化为别乳糖，绝大多数乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY基因编码半乳糖透过酶，其功能是使环境中的β-半乳糖苷能透过细胞壁和细胞膜进入细胞内；lacA基因编码转乙酰基酶。转录时，RNA聚合酶首先与Plac结合，通过lacO向右，按lacZ→lacY→lacA方向进行转录，每次转录出来的一条mRNA上都带有这3个基因。 乳糖操纵子的正调控 葡萄糖效应——在有葡萄糖存在时，细菌优先利用环境中的葡萄糖，即使有诱导物乳糖的存在，乳糖操纵子也处于被抑制的状态，直到葡萄糖被消耗完后才能解除抑制，这时细菌才开始利用乳糖进行生长。这说明乳糖的存在仅仅是乳糖操纵子开放的必要条件，但还不是充要条件。 同时有乳糖和葡萄糖的情况下，乳糖操纵子也不能正常开放呢的原因是乳糖操纵子的开放还需要一种称为cAMP受体蛋白（CRP）的激活蛋白的正调控。只有在负调控不起作用、正调控起作用的条件下，乳糖操纵子才能开放。 为什么乳糖操纵子既要受到负调控，又要受到正调控？ 一是使细胞能够优先利用葡萄糖，而优先利用葡萄糖对细胞来说是有