基因表达与调控(上).ppt

第六章 基因表达与调控（上）——原核基因表达调控模式 6.1 原核生物基因调控总论 6.2 乳糖操纵子与负控诱导系统 6.3 色氨酸操纵子与负控阻遏系统 6.4 其他操纵子 6.5 固氮基因调控 6.6 转录后调控 自然选择倾向于保留高效率的生命过程。 组成型（constitutive）合成蛋白质： 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，这类蛋白质被称为组成型（constitutive）合成蛋白质。 DNA聚合酶、RNA聚合酶 适应型（调节型adaptive or regulated）合成蛋白:这类蛋白质的合成速率受环境的影响而改变。如大肠杆菌细胞中只有15个分子的—半乳糖苷酶（诱导酶 调控机制规律：一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种“开—关”（on—off）活性是通过调节转录来建立的，也就是说mRNA的合成是可以被调节的。 6.1 原核生物基因调控总论 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）。 基因表达调控主要表现在两个方面： 转录水平上的调控（transcriptional regulation）; 转录后水平上的调控（post-trnscriptional regulation）,包括： mRNA加工成水水平上的调控（differential processing of RNA transcript）; 翻译水平上的调控（ differential translation of mRNA ）。 基因调控的指挥系统：不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。 原核生物: 营养状况（nutritional status） 环境因素（environmental factor） 真核生物： 激素水平（hormone level） 发育水平（developmental stage） 转录水平对基因表达的调控决定于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。 6.1.1 原核基因调控机制的类型和特点 原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制不同分为： 通过特殊代谢物调节的基因活性主要有可诱导和可阻遏两大类： 可诱导调节：是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。 可阻遏调节：这类基因平时都是开启的，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。 作为一般规律，可诱导的操纵子常常是关闭的，一旦某些物质，如葡萄糖缺乏而必须利用乳糖作为能源时，就要打开这些基因。可阻遏基因是一些虎城各种细胞代谢过程中所必需的小分子物质的基因，由于这类物质在生命过程中的重要地位，这些基因总是开着的。 6.1.2 强化子对基因活性的影响 起中止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。其作用为核糖体在基因转录产物上的不同位置，决定了RNA可以形成哪一种形式的二级结构、并由此决定基因能否继续转录的调节方式。其调节作用的信号分子是细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度。 6.1.3 降解物对基因活性的调节 在葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象就是葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。 原因：葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，减少环腺苷酸合成，与它相结合的蛋白质，即环腺苷酸受体蛋白CRP又称为分解代谢物激活蛋白CAP，因找不到配体而不能形成复合物。 6.1.4 细菌的应急反应 当细菌氨基酸全面匮乏，会产生一个应急反应。实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp）。产生这个两种物质的诱导物是空载tRNA。 ppGpp的出现会关闭许多基因，以对付这种紧急情况。它们都是超级调控因子。 6.2 乳糖操纵子负控诱导系统 操纵子学术史法国巴斯德研究所著名科学家Jacob和Monod在1961年首先提出原核生物基因结构及其表达调控的学说。 大肠杆菌乳糖操纵子（lactose operon）包括3个结构基因：Z、Y、A，以及启动子、控制子和阻遏子等，转录时，RNA聚合酶首先与启动区（promoter，P）结合，通过操纵子区（operator，O）向右转录。 6.2.1 酶的诱导——lac体系受调控的证据 实验室研究诱导作用使用两种含硫的乳糖类似物——异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）和巯甲基半乳糖苷（TMG）。另外，在酶的活性分析中常用，发色底物O—硝基半乳糖苷（ON-PG），研究发现，它们都是高效诱导物，因为它们都不是半乳糖苷酶的底物，又称为安慰性诱导物（gratuitous i