【正文】 第六章 基因的表達與調(diào)控 (上 ) —— 原核基因表達調(diào)控模式 D N A R N A 蛋 白 質(zhì)復 制轉(zhuǎn) 錄 翻 譯逆 轉(zhuǎn) 錄R N A復 制Contents 基因表達調(diào)控的基本概念 原核基因調(diào)控機制 乳糖操縱子 色氨酸操縱子 其他操縱子 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 第一節(jié) 基因表達調(diào)控的基本概念 一、基因表達的概念 隨著生物個體的發(fā)育， DNA分子能有序地將其所承載的遺傳信息，通過密碼子 反密碼子系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，執(zhí)行各種生理生化功能。 科學家把從 DNA到蛋白質(zhì)的過程稱為 基因表達（ gene expression） 對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為 基因表達調(diào)控（ gene regulation或 gene control） rRNA、 tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成 RNA的過程也屬于基因表達 組成性表達 (constitutive expression) 適應(yīng)性表達 (adaptive expression） 二、基因表達的方式 組成性表達： 指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達 。 某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為 管家基因 (housekeeping gene)。 適應(yīng)性表達 指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。 ? 應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達水平增高的現(xiàn)象稱為誘導 (induction)，這類基因被稱為 可誘導的基因(inducible gene)； ? 相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏 (repression)，相應(yīng)的基因被稱為 可阻遏的基因 (repressible gene)。 三、基因表達的規(guī)律 —— 時間性和空間性 時間特異性（ temporal specificity） 按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的 時間特異性 。 多細胞生物基因表達的時間特異性又稱 階段特異性 (stage specificity)。 空間特異性 (spatial specificity) 基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異 ， 實際上是由細胞在器官的分布決定的 ，所以空間特異性又稱 細胞或組織特異性 (cell or tissue specificity)。 在個體生長全過程 ， 某種基因產(chǎn)物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn) ， 稱之為基因表達的空間特異性 。 四、基因表達調(diào)控的生物學意義 ? 適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖 （原核、真核） ? 維持個體發(fā)育與分化 （真核） 第二節(jié) 原核基因調(diào)控機制 內(nèi)容提要： 原核基因表達調(diào)控環(huán)節(jié) 操縱子學說 原核基因調(diào)控機制的類型與特點 轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式 一、基因表達調(diào)控環(huán)節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控 （ transcriptional regulation） 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 （ posttranscriptional regulation） ① mRNA加工成熟水平上的調(diào)控 ② 翻譯水平上的調(diào)控 ③ 蛋白質(zhì)加工水平的調(diào)控 二、操縱子學說 操縱子模型的提出 1961年， Monod和 Jacob提出 獲 1965年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎 Jacob and Monod 操縱子的定義 操縱子 ： 是基因表達的協(xié)調(diào)單位，由啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。 根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白） 的應(yīng)答，可分為： 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控 負轉(zhuǎn)錄調(diào)控 三、 原核基因調(diào)控機制的類型與特點 調(diào)節(jié)基因 操縱基因 結(jié)構(gòu)基因 阻遏蛋白 激活蛋白 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控 負轉(zhuǎn)錄調(diào)控 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控 如果在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是關(guān)閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開啟，這樣的調(diào)控叫 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控 。 調(diào)節(jié)基因 操縱基因 結(jié)構(gòu)基因 阻遏蛋白 激活蛋白 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控 負轉(zhuǎn)錄調(diào)控 負轉(zhuǎn)錄調(diào)控 在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是表達的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負轉(zhuǎn)錄調(diào)控 。 ? 可誘導調(diào)節(jié) ：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導下使基因活化。 例： 大腸桿菌的乳糖操縱子 分解代謝蛋白的基因 根據(jù)操縱子對某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應(yīng)答，可分為 可誘導調(diào)節(jié) 和 可阻遏調(diào)節(jié) 兩大類： 調(diào)節(jié)基因 操縱基因 結(jié)構(gòu)基因 阻遏蛋白 調(diào)節(jié)基因 操縱基因 結(jié)構(gòu)基因 阻遏蛋白 誘導物 mRNA 酶蛋白 酶合成的誘導操縱子模型 誘導物 如果某種物質(zhì)能夠促使細菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質(zhì)就是誘導物。 ? 可阻遏調(diào)節(jié)： 基因平時是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達。 例： 色氨酸操縱子 合成代謝蛋白的基因 酶合成的阻遏操縱子模型 調(diào)節(jié)基因 操縱基因 結(jié)構(gòu)基因 mRNA 酶蛋白 調(diào)節(jié)基因 操縱基因 結(jié)構(gòu)基因 輔阻遏物 輔阻遏物 如果某種物質(zhì)能夠阻止細菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。 在 負轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng) 中 ， 調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是 阻遏蛋白 （ repressor） ， 起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用 。 根據(jù)其作用特征又可分為 負控誘導 和 負控阻遏 ： ? 在 負控誘導 系統(tǒng)中 ， 阻遏蛋白與效應(yīng)物 （ 誘導物 ）結(jié)合時 ， 結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄； ? 在 負控阻遏 系統(tǒng)中 ， 阻遏蛋白與效應(yīng)物 （ 輔阻遏物 ）結(jié)合時 ， 結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄 。 在 正轉(zhuǎn)錄調(diào)控 系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是 激活蛋白 （ activator）。 根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為 正控誘導 和 正控阻遏 ? 在 正控誘導 系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導物）的存在使激活蛋白處于活性狀； ? 在 正控阻遏 系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（ 輔阻遏物） 的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài) 。 正控誘導 正控阻遏 四、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式 σ 因子的更換 在 ,當細胞從基本的轉(zhuǎn)錄機制轉(zhuǎn)入各種特定基因表達時，需要不同的 ?因子指導 RNA聚合酶與各種啟動子結(jié)合。 大腸桿菌中的各種 σ 因子比較 σ 因子 編碼基因 主要功能 σ 70 rpoD 參與對數(shù)生長期和大多數(shù)碳代謝過程基因的調(diào)控 σ 54 rpoN 參與多數(shù)氮源利用基因的調(diào)控 σ 38 rpoH 分裂間期特異基因的表達調(diào)控 σ 32 rpoS 熱休克基因的表達調(diào)控 σ 28 rpoF 鞭毛趨化相關(guān)基因的表達調(diào)控 σ 24 rpoE 過度熱休克基因的表達調(diào)控 ? 溫度較高 ,誘導產(chǎn)生各種熱休克蛋白 由 σ 32參與構(gòu)成的 RNA聚合酶與熱休克應(yīng)答基因啟動子結(jié)合 ,誘導產(chǎn)生大量的熱休克蛋白 ,適應(yīng)環(huán)境需要 ? 枯草芽孢桿菌芽孢形