【正文】 第六講 原核基因表達(dá)調(diào)控 緒論 一、原核基因表達(dá)調(diào)控總論 二、乳糖操縱子的調(diào)控模式 三、 色氨酸操縱子的調(diào)控模式 四、 其他操縱子的調(diào)控機(jī)制 五、 原核生物的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控 緒論：基因表達(dá)調(diào)控的現(xiàn)象和概念 ? （一）、基因表達(dá)調(diào)控是生命的必需 ? 基因表達(dá) (gene expression)是指儲(chǔ)存遺傳信息的基因經(jīng)過(guò)一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個(gè)過(guò)程。典型的基因表達(dá)是基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過(guò)程。rRNA或 tRNA的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工產(chǎn)生成熟的 rRNA或 tRNA,也是 rRNA或 tRNA的基因表達(dá)，因?yàn)?rRNA或 tRNA就具有在蛋白質(zhì)翻譯方面的功能。 ? 基因表達(dá)的組織特異性： ? 基因組 (genome)是指含有一個(gè)生物體生存、發(fā)育、活動(dòng)和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸。 ? 生物基因組的遺傳信息并不是同時(shí)全部都表達(dá)出來(lái)的，即使極簡(jiǎn)單的生物 (如最簡(jiǎn)單的病毒 )，其基因組所含的全部基因也不是以同樣的強(qiáng)度同時(shí)表達(dá)的。 ? 大腸桿菌基因組含有約 4000個(gè)基因，一般情況下只有 5－ 10%在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達(dá)，有的就暫時(shí)不表達(dá)。 ? 哺乳類基因組更復(fù)雜，人的基因組約含有 10萬(wàn)個(gè)基因，但在一個(gè)組織細(xì)胞中通常只有一部分基因表達(dá)，多數(shù)基因處在沉靜狀態(tài)，典型的哺乳類細(xì)胞中開放轉(zhuǎn)錄的基因約在 1萬(wàn)個(gè)上下，即使蛋白質(zhì)合成量比較多、基因開放比例較高的肝細(xì)胞，一般也只有不超過(guò) 20%的基因處于表達(dá)狀態(tài)。 ? 不同組織細(xì)胞中不僅表達(dá)的基因數(shù)量不相同，而且基因表達(dá)的強(qiáng)度和種類也各不相同，這就是基因表達(dá)的組織特異性 ? 基因表達(dá)的階段特異性 ? 細(xì)胞分化發(fā)育的不同時(shí)期，基因表達(dá)的情況是不相同的，這就是基因表達(dá)的階段特異性。 ? 一個(gè)受精卵含有發(fā)育成一個(gè)成熟個(gè)體的全部遺傳信息，在個(gè)體發(fā)育分化的各個(gè)階段，各種基因極為有序地表達(dá)，一般在胚胎時(shí)期基因開放的數(shù)量最多，隨著分化發(fā)展，細(xì)胞中某些基因關(guān)閉 (turn off)、某些基因轉(zhuǎn)向開放 (turn on)，胚胎發(fā)育不同階段、不同部位的細(xì)胞中開放的基因及其開放的程度不一樣，合成蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量都不相同，顯示出基因表達(dá)調(diào)控在空間和時(shí)間上極高的有序性，從而逐步生成形態(tài)與功能各不相同、極為協(xié)調(diào)、巧妙有序的組織臟器。即使是同一個(gè)細(xì)胞，處在不同的細(xì)胞周期狀態(tài)，其基因的表達(dá)和蛋白質(zhì)合成的情況也不盡相同。 ? 例：昆蟲變態(tài)過(guò)程的各種基因表達(dá) 植物開花有關(guān)的基因表達(dá) 人類青春發(fā)育有關(guān)的基因表達(dá) ? 從上所述，不難看出：生物的基因表達(dá)不是雜亂無(wú)章的，而是受著嚴(yán)密、精確調(diào)控的，盡我們現(xiàn)在對(duì)調(diào)控機(jī)理的奧妙所知還不多，但已經(jīng)可以認(rèn)識(shí)到，不僅生命的遺傳信息是生物生存所必需的，而且遺傳信息的表達(dá)調(diào)控也是生命本質(zhì)所在。 （二）基因表達(dá)適應(yīng)環(huán)境的變化 ? ①組成性表達(dá)：指不大受環(huán)境變動(dòng)而變化的一類基因表達(dá)。其中某些基因表達(dá)產(chǎn)物是細(xì)胞或生物體整個(gè)生命過(guò)程中都持續(xù)需要而必不可少的，這類基因可稱為看家基因，這些基因中不少是在生物個(gè)體其它組織細(xì)胞、甚至在同一物種的細(xì)胞中都是持續(xù)表達(dá)的，可以看成是細(xì)胞基本的基因表達(dá)。組成性基因表達(dá)也不是一成不變的，其表達(dá)強(qiáng)弱也是受一定機(jī)制調(diào)控的。 ? 組成性表達(dá)產(chǎn)物為組成蛋白，其數(shù)量不受外界環(huán)境影響。如大腸肝菌中控制葡萄糖降解的酶類。 返回首頁(yè) ? ②適應(yīng)性表達(dá)：指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類基因表達(dá)。應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因；相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因。 ? 適應(yīng)性表達(dá)產(chǎn)物為調(diào)節(jié)蛋白。它們決定著何時(shí)誘導(dǎo)酶或阻遏酶可以合成。分正調(diào)節(jié)蛋白（激活蛋白）與負(fù)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白）。 一、原核基因表達(dá)調(diào)控總論 細(xì)菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)的適應(yīng)： 原核生物和單細(xì)胞真核生物直接暴露在變幻莫測(cè)的環(huán)境中，食物供應(yīng)毫無(wú)保障，只有能根據(jù)環(huán)境條件的改變合成各種不同的蛋白質(zhì)，使代謝過(guò)程適應(yīng)環(huán)境的變化，才能維持自身的生存和繁衍。自然選擇傾向于保留高效率的生命過(guò)程。在一個(gè)每30min增殖一倍的 109細(xì)菌群體中，若有一個(gè)細(xì)菌變成了 ，大約經(jīng)過(guò) 80天的連續(xù)生長(zhǎng)后，這個(gè)群體中的%都將具有 速度。 ? 一個(gè)大腸桿菌細(xì)胞中約有 25003000個(gè)基因。估計(jì)正常情況下，可帶有 107個(gè)蛋白質(zhì)，平均每個(gè)基因產(chǎn)生 3000多個(gè)蛋白質(zhì)分子。但大腸桿菌中一般帶有 15,00030,000個(gè)核糖體，有 50余種核糖體結(jié)合蛋白，數(shù)量也很驚人。此外，負(fù)責(zé)糖酵解系統(tǒng)的蛋白質(zhì)數(shù)量也很大。而象半乳糖苷酶等誘導(dǎo)酶，其含量可少至每細(xì)胞僅 15個(gè)分子。 組成型合成蛋白質(zhì) 適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型蛋白質(zhì) ? 基因表達(dá)調(diào)控的途徑： ? 一個(gè)體系在需要時(shí)被打開，不需要時(shí)被關(guān)閉。這種 開 關(guān) （ onoff）活性是通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄來(lái)建立的，也就是說(shuō) mRNA的合成是可以被調(diào)節(jié)的。當(dāng)我們說(shuō)一個(gè)系統(tǒng)處于 off狀態(tài)時(shí)，也有本底水平的基因表達(dá)，常常是每世代每個(gè)細(xì)胞只合成 1或 2個(gè) mRNA分子。所謂 關(guān) 實(shí)際的意思是基因表達(dá)量特別低，很難甚至無(wú)法檢測(cè)。 科學(xué)家把這個(gè)從 DNA到蛋白質(zhì)的過(guò)程稱為基因表達(dá) (gene expression)，對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控 (gene regulation或 gene control)。要了解動(dòng)、植物生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和生物學(xué)功能，就必須弄清楚基因表達(dá)調(diào)控的時(shí)間和空間概念，掌握基因表達(dá)調(diào)控的秘密， ? 基因表達(dá)調(diào)控（控制蛋白質(zhì)合成）主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)途徑： （ 1） 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控：控制細(xì)胞從其 DNA模板上轉(zhuǎn)錄生成特異性 mRNA的速度 ? （ 2）轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控：控制從 mRNA翻譯成蛋白質(zhì)的速度 ? ② mRNA加工成熟水平上的調(diào)控 ? ③ 翻譯水平上的調(diào)控 ? 原核生物中，營(yíng)養(yǎng)狀況和環(huán)境因素對(duì)基因表達(dá)起著舉足輕重的影響。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和發(fā)育階段是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段，營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。 返回首頁(yè) 原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn) ? 正調(diào)控系統(tǒng) ? 調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是 激活蛋白 ? 根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)，又可分為 可誘導(dǎo)的正調(diào)控 和 可阻遏的正調(diào)控 。 ? 負(fù)調(diào)控系統(tǒng) ? 調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是 阻遏蛋白 。 ? 根據(jù)其作用特征又可分為 可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控 和 可阻遏的負(fù)調(diào)控 。 二、乳糖操縱子 (lac)的調(diào)控模式 ? (一 )操縱子的提出 ? 大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長(zhǎng)繁殖。當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先使用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)短時(shí)間的適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式