第九章微生物基因表达的调控.

DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制(gene expression)-基因转基因转录及翻译的过程。录及翻译的过程。生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过生物基因组中结构基因所携带的遗传信息，经过转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学转录、翻译等一系列过程，合成具有特定的生物学功能和生物学效应的蛋白质的全过程功能和生物学效应的蛋白质的全过程中心法则中心法则(the central dogma)：基因表达是受调控的基因表达是受调控的 不是所有的基因表达都产生蛋白质，不是所有的基因表达都产生蛋白质，rRNA或或tRNA的基因经转录和转录后加工产的基因经转录和转录后加工产生成熟的生成熟的rRNA或或tRNA,也是也是rRNA或或tRNA的的基因表达，因为基因表达，因为rRNA或或tRNA就具有在蛋白就具有在蛋白质翻译方面的功能。质翻译方面的功能。 但是但是基因表达转录翻译基因表达转录翻译 大肠杆菌基因组（约大肠杆菌基因组（约4000个基因个基因)，一般情况下只，一般情况下只有有510%在高水平转录状态，其它基因有的处于较在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，或者暂时不表达。低水平的表达，或者暂时不表达。 人的基因组约含有人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状的基因处于表达状态。态。 生物基因组的遗传信息生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的并不是同时全部都表达出来的在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为共同表达，即为协调表达协调表达(coordinate expression)五、基因表达调控的基本原理五、基因表达调控的基本原理转录水平转录水平的调控的调控transcriptional level: transcriptional level: 转录激活、转录起始转录激活、转录起始; ;转录后水平转录后水平的调控的调控post-transcriptional levelpost-transcriptional level： 转录后加工、运输、转录后加工、运输、mRNAmRNA降解降解; ;翻译水平翻译水平的调控的调控translation leveltranslation level： 翻译的起始翻译的起始; ;翻译后水平翻译后水平的调控的调控post-translation levelpost-translation level 翻译后的加工、转运、多肽链的分解翻译后的加工、转运、多肽链的分解. . 原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控主要在转录水平，其次是主要在转录水平，其次是翻译水平翻译水平。 原核生物的共有序列原核生物的共有序列 原核生物的启动序列，在距离转录起始点原核生物的启动序列，在距离转录起始点10区和区和35区往区往往含有一些重要的往含有一些重要的保守序列（共有序列）保守序列（共有序列）。 10区区：含：含TATAAT序列，又称序列，又称Pribnow盒盒。 35区区：含：含TTGACA序列。序列。RNARNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位 决定转录起始点决定转录起始点共有序列共有序列(consensus sequence) 决定启动决定启动序列的转录活性大小。序列的转录活性大小。某些特异因子（蛋白质）某些特异因子（蛋白质）决定决定RNA聚合酶聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。力。阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)(repressor)的结合位点的结合位点当操纵序列结合有当操纵序列结合有阻遏蛋白阻遏蛋白时，会阻碍时，会阻碍RNARNA聚合酶与启动序列的结合，或是聚合酶与启动序列的结合，或是RNARNA聚合酶聚合酶不能沿不能沿DNADNA向前移动向前移动 ，阻碍转录。，阻碍转录。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列polpol阻遏蛋白阻遏蛋白操纵序列操纵序列 可结合启动序列邻近的可结合启动序列邻近的DNA序列，促进序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚聚合酶活性。合酶活性。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列polpol激活蛋白激活蛋白激活蛋白激活蛋白(activator)有些基因在没有激活蛋白存在时有些基因在没有激活蛋白存在时，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列。聚合酶很少或完全不能结合启动序列。启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列polpol激活蛋白激活蛋白IPOZYamRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP 阻遏基因转录翻译阻遏蛋白阻遏基因转录翻译阻遏蛋白R，R与操纵基因与操纵基因结合，阻止结合在启动子上的结合，阻止结合在启动子上的DDRP前移，结构前移，结构基因基因不被转录不被转录 1 1）无乳糖也无葡萄糖存在时：）无乳糖也无葡萄糖存在时：OO2 2）当无乳糖，有葡萄糖时：）当无乳糖，有葡萄糖时：由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操纵子由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操纵子关闭，另外，由于有葡萄糖，关闭，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，含量低，CAP的正性调节不起作用的正性调节不起作用 总结：总结：所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭所以：无乳糖时，无论有无葡萄糖，操纵子关闭 由于有葡萄糖，由于有葡萄糖，cAMP含量低，含量低，CAP的正性的正性调节不起作用，抑制乳糖操纵子的转录，使细调节不起作用，抑制乳糖操纵子的转录，使细菌只能利用葡萄糖菌只能利用葡萄糖。 3 3）既有乳糖，又有葡萄糖时：）既有乳糖，又有葡萄糖时：O 乳糖与阻遏蛋白结合，乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落纵基因结合的能力而脱落 由于不含葡萄糖，细胞由于不含葡萄糖，细胞内内cAMP含量高，含量高，cAMP与与CAP结合成复合物，与结合成复合物，与DNA结合，并推动结合，并推动DDRP向前移动，促进转录。向前移动，促进转录。 4 4）有乳糖，无葡萄糖时：）有乳糖，无葡萄糖时：mRNARNA-polO 乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白变构，失去与操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的操纵基因结合的能力而脱落，结合在启动子上的DDRP向前移动，结构基因被转录翻译，合成与乳向前移动，结构基因被转录翻译，合成与乳糖代谢有关的酶类从而利用乳糖糖代谢有关的酶类从而利用乳糖所以：有乳糖时，只有没有葡萄糖，操纵子才开放所以：有乳糖时，只有没有葡萄糖，操纵子才开放 有葡萄糖存在，操纵子关闭有葡萄糖存在，操纵子关闭IOO诱导剂诱导剂乳糖操纵子的负调控乳糖操纵子的负调控图图15-4条件条件2:低乳糖低乳糖条件条件3:低乳糖低乳糖条件条件4:高葡萄糖高葡萄糖低低cAMP高乳糖高乳糖 Lac 阻遏蛋白封闭转录时阻遏蛋白封闭转录时, CAP对该系统不发挥作用对该系统不发挥作用条件条件1:低葡萄糖低葡萄糖高高cAMP高乳糖高乳糖Lac 阻遏蛋白阻遏蛋白不不封闭转录时封闭转录时,没有没有CAP存在存在,也也无高效转录活性。无高效转录活性。Lac 阻遏蛋白阻遏蛋白不不封闭转录封闭转录, CAP+ cAMP 加强转录。加强转录。OOOOO图图15-51RNA编辑（编辑（RNA editing）2mRNA 前体的选择性拼接前体的选择性拼接3反义反义RNA的调控的调控反义反义RNA的调控是指真核生物基因组中，某些调的调控是指真核生物基因组中，某些调节基因转录所产生的节基因转录所产生的RNA可与基因组可与基因组DNA或或RNA序列互补，形成杂交体，阻断或减弱基因转序列互补，形成杂交体，阻断或减弱基因转录或翻译的调控机制。这些调节基因所产生的录或翻译的调控机制。这些调节基因所产生的RNA称之为反义称之为反义RNA。转录后水平的调控转录后水平的调控mRNA的加工的加工 原核生物的原核生物的mRNA往往一产生就是成熟的，不需转录后的往往一产生就是成熟的，不需转录后的修饰加工，真核生物基因的初始转录产物则一般缺乏生物活修饰加工，真核生物基因的初始转录产物则一般缺乏生物活性，必须经过性，必须经过剪接加工剪接加工后成为有活性的成熟后成为有活性的成熟mRNA分子，它分子，它们需从细胞核们需从细胞核转移转移到细胞质内，指导蛋白质的合成。到细胞质内，指导蛋白质的合成。 真核生物真核生物mRNA的加工主要包括在的加工主要包括在mRNA的的5末端加末端加“帽帽子子”，在，在3端加上多聚腺苷酸尾巴以及进行端加上多聚腺苷酸尾巴以及进行RNA的剪接。的剪接。 真核生物真核生物RNA的剪接有三类：第一类是依靠内含子的特殊的剪接有三类：第一类是依靠内含子的特殊结构而能自发地进行剪接；第二类是蛋白质（酶）促剪切；结构而能自发地进行剪接；第二类是蛋白质（酶）促剪切；第三类是需要一种细胞核小分子核糖核蛋白参与剪接的方式，第三类是需要一种细胞核小分子核糖核蛋白参与剪接的方式，真核生物真核生物mRNA的剪接就是这种方式。的剪接就是这种方式。 一、真核基因组结构特点一、真核基因组结构特点（一）真核基因组结构庞大（一）真核基因组结构庞大哺乳类动哺乳类动物基因组物基因组DNA 约约 3 10 9 碱基对碱基对编码基因编码基因约约 有有 40000 个，占总长的个，占总长的6 %rDNA等重复基因等重复基因约约 占占 5% 10%（二）单顺反子（二）单顺反子单顺反子单顺反子(monocistron) 即一个编码基因转录生成一个即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。分子，经翻译生成一条多肽链。（三）重复序列（三）重复序列（正向重复、反向重复）（正向重复、反向重复）单拷贝序列（一次或数次）单拷贝序列（一次或数次）高度重复序列（高度重复序列（10106 6 次）次）中度重复序列（中度重复序列（10103 3 10 104 4次）次）多拷贝序列多拷贝序列（四）基因不连续性（四）基因不连续性断裂基因断裂基因（cis-acting element）（trans-acting factor）通过扩散自身表达产通过扩散自身表达产物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达物（酶、调节蛋白）控制其他基因的表达, v 基因表达的调节控制基本上是基因表达的调节控制基本上是反式作用因子反式作用因子与与顺式作用元顺式作用元件件的的相互作用相互作用。v 反式作用因子只识别反式作用因子只识别DNA上非常短的一段序列（顺式元上非常短的一段序列（顺式元件）。件）。Cis-elementTrans-acting factorRegulator RNA polymarase结构基因和调控基因结构基因和调控基因结构基因结构基因（structural genes）：编码蛋白质或：编码蛋白质或RNA的任的任何基因。何基因。z原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。z结构基因簇由单一启动子共同调控。结构基因簇由单一启动子共同调控。调节基因调节基因（regulator genes）：参与其他基因表达调控：参与其他基因表达调控的的RNA或蛋白质的编码基因。或蛋白质的编码基因。调节基因编码的调节基因编码的调节物质调节物质通过与通过与DNA上的特定位点结合控上的特定位点结合控制转录是调控的关键。制转录是调控的关键。调节物与调节物与DNA特定位点的相互作用能以特定位点的相互作用能以正调控方式正调控方式（启动（启动或增强基因表达活性）调节靶基因，也能以或增强基因表达活性）调节靶基因，也能以负调控方式负调控方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。启动子启动子真核基因启动子是真核基因启动子是RNA聚合酶结聚合酶结合位点周围的一组转录控制组件，至合位点周围的一组转录控制组件，至少包括一个少包括一个转录起始点转录起始点以及一个以上以及一个以上的的功能组件功能组件。TATATATA盒盒GCGC盒盒CAATCAAT盒盒增强子增强子(enhancer)指远离转录起始点、决定基因的时间、空指远离转录起始点、决定基因的时间、空间特异性、增强启动子转录活性的间特异性、增强启动子转录活性的DNA序列，序列，其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。其发挥作用的方式通常与方向、距离无关。在转录起始点在转录起始点5或或3侧均能起作用；侧均能起作用；相对于启动子的任一指向均能起作用；相对于启动子的任一指向均能起作用；发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；对异源性启动子也能发挥作用；对异源性启动子也能发挥作用；通常具有一些短的重复顺序。通常具有一些短的重复顺序。 特点特点沉默子沉默子(silencer)某些基因的负性调节元件，当其结合特某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。n同一同一DNA序列可被不同蛋白质识别序列可被不同蛋白质识别n同一蛋白质因子可与多种不同同一蛋白质因子可与多种不同DNA序列发生联系，少序列发生联系，少数是直接结合，多数是蛋白质数是直接结合，多数是蛋白质-蛋白质相互作用后再影蛋白质相互作用后再影响响DNA。n蛋白质蛋白质-蛋白质或蛋白质或DNA-蛋白质的结合，均导致构象上蛋白质的结合，均导致构象上的微细变化，构象变化常是实现调控功能的分子基础。的微细变化，构象变化常是实现调控功能的分子基础。n反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大的可反式作用因子在自身生物合成过程中，有相当大的可变性和可塑性。变性和可塑性。反式作用因子反式作用因子 转录调节因子分类（按功能特性）转录调节因子分类（按功能特性）基本转录因子基本转录因子(general transcription factors)是是RNA聚合酶结合启动子所必需的一组蛋聚合酶结合启动子所必需的一组蛋白因子，决定三种白因子，决定三种RNA(mRNA、tRNA及及rRNA)转录的类别。转录的类别。个别因子，如个别因子，如TFD为通用的，大部分转为通用的，大部分转录调节因子为不同录调节因子为不同RNA聚合酶特有，决定转录聚合酶特有，决定转录的类别的类别 特异转录因子特异转录因子(special transcription factors)能够能够选择性选择性调控某种或某些基因转录表调控某种或某些基因转录表达的蛋白质因子称为特异性转录因子达的蛋白质因子称为特异性转录因子. .为个别为个别基因转录所必需，决定该基因的时间、空间基因转录所必需，决定该基因的时间、空间特异性表达。特异性表达。转录激活因子（转录激活因子（如增强子的结合蛋白如增强子的结合蛋白) )转录抑制因子转录抑制因子( (如沉默子的结合蛋白，或是如沉默子的结合蛋白，或是与其他因子结合，抑制转录的蛋白质）与其他因子结合，抑制转录的蛋白质）真核基因转录调节是真核基因转录调节是复杂的、多样的复杂的、多样的*不同的不同的DNA元件组合可产生多种类型的转录元件组合可产生多种类型的转录调节方式；调节方式；*多种转录因子又可结合相同或不同的多种转录因子又可结合相同或不同的DNA元元件。件。*转录因子与转录因子与DNA元件结合后，对转录激活过元件结合后，对转录激活过程所产生的效果各异，有正性调节或负性调程所产生的效果各异，有正性调节或负性调节之分。节之分。