【正文】 第七章 基因的表達(dá)與調(diào)控 (上 ) —— 原核基因表達(dá)調(diào)控模式 D N A R N A 蛋 白 質(zhì)復(fù) 制轉(zhuǎn) 錄 翻 譯逆 轉(zhuǎn) 錄R N A復(fù) 制基因表達(dá)調(diào)控的基本概念 原核基因調(diào)控機(jī)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(dá)調(diào)控的基本概念 一、基因表達(dá)的概念 gene expression ： 基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。對(duì)這個(gè)過程的調(diào)節(jié)就稱為 gene regulation 。 rRNA、 tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成 RNA的過程也屬于基因表達(dá) 組成性表達(dá) (constitutive expression) 適應(yīng)性表達(dá) (adaptive expression） 二、基因表達(dá)的方式 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) 。 某些基因在一個(gè)個(gè)體的幾乎所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)，通常被稱為 管家基因 (housekeeping gene)。 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) (induction)，這類基因被稱為 可誘導(dǎo)的基因(inducible gene)； ? 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 (repression)，相應(yīng)的基因被稱為 可阻遏的基因 (repressible gene)。 三、基因表達(dá)的規(guī)律 —— 時(shí)間性和空間性 時(shí)間特異性（ temporal specificity） 按功能需要，某一特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按特定的時(shí)間順序發(fā)生，稱之為基因表達(dá)的 時(shí)間特異性 。 多細(xì)胞生物基因表達(dá)的時(shí)間特異性又稱 階段特異性 (stage specificity)。 β 珠蛋白基因的正確表達(dá)主要依賴于兩種類型的調(diào)控元件：位于基因簇 5′ 端的位點(diǎn)控制區(qū) (Locus Control Region， LCR)以及各珠蛋白基因的啟動(dòng)子等近端調(diào)控序列。 LCR由 4個(gè) DNase 高敏位點(diǎn) (539。HS1539。HS4)構(gòu)成，每個(gè) HS的活性又都集中在核心序列上。研究發(fā)現(xiàn)。 ... 間隔序列 (IVS) 空間特異性 (spatial specificity) 基因表達(dá)伴隨時(shí)間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異 ， 實(shí)際上是由細(xì)胞在器官的分布決定的 ，所以空間特異性又稱 細(xì)胞或組織特異性 (cell or tissue specificity)。 在個(gè)體生長全過程 ， 某種基因產(chǎn)物在個(gè)體按不同組織空間順序出現(xiàn) ， 稱之為基因表達(dá)的空間特異性 。 四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義 ? 適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖 （原核、真核） ? 維持個(gè)體發(fā)育與分化 （真核） 第二節(jié) 原核基因調(diào)控機(jī)制 內(nèi)容提要： 原核基因表達(dá)調(diào)控環(huán)節(jié) 操縱子學(xué)說 原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn) 轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式 一、原核基因表達(dá)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 二、操縱子學(xué)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(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) Jacob and Monod 操縱子的定義 操縱子 ： 是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動(dòng)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(duì)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(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控 三、 原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn) 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(fù)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(shí)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(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控 負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控 在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。 ? 可誘導(dǎo)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(dǎo)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(duì)某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應(yīng)答，可分為 可誘導(dǎo)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(dǎo)物 mRNA 酶蛋白 酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型 誘導(dǎo)物 如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物。 ? 可阻遏調(diào)節(jié)（ P197）： 基因平時(shí)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(dá)。 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 輻阻遏物 如果某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)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(fù)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(fù)控誘導(dǎo) 和 負(fù)控阻遏 ： ? 在 負(fù)控誘導(dǎo) 系統(tǒng)中 ， 阻遏蛋白與效應(yīng)物 （ 誘導(dǎo)物 ）結(jié)合時(shí) ， 結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄； ? 在 負(fù)控阻遏 系統(tǒng)中 ， 阻遏蛋白與效應(yīng)物 （ 輔阻遏物 ）結(jié)合時(shí) ， 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(dǎo) 和 正控阻遏 ? 在 正控誘導(dǎo) 系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)； ? 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) 。 四、轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控的其他形式 σ 因子的更換 在 ,當(dāng)細(xì)胞從基本的轉(zhuǎn)錄機(jī)制轉(zhuǎn)入各種特定基因表達(dá)時(shí)，需要不同的 ?因子指導(dǎo) RNA聚合酶與各種啟動(dòng)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(duì)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(dá)調(diào)控 σ 32 rpoS 熱休克基因的表達(dá)調(diào)控 σ 28 rpoF 鞭毛趨化相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控 σ 24 rpoE 過度熱休克基因的表達(dá)調(diào)控 ? 溫度較高 ,誘導(dǎo)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(dòng)子結(jié)合 ,誘導(dǎo)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成 有序的 σ 因子的替換 ,RNA聚合酶識(shí)別不同基因的啟動(dòng)子 ,使芽孢形成有關(guān)的基因有序地表達(dá) 降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié) 弱化子對(duì)基因活性的影響 第三節(jié) 乳糖操縱子 (lac operon) 內(nèi)容提要： 乳糖操縱子的結(jié)構(gòu) 酶的誘導(dǎo) —— lac體系受調(diào)控的證據(jù) 乳糖操縱子調(diào)控模型 影響因子 Lac操縱子中的其他問題 一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu) ? Z編碼 β 半乳糖苷酶： 將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖 ? Y編碼 β 半乳糖苷透過酶： 使外界的 β 半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。 ? A編碼 β 半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶： 乙酰輔酶 A上的乙?；D(zhuǎn)到 β 半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。 二、酶的誘導(dǎo) —— lac體系受調(diào)控的證據(jù) ? 安慰誘導(dǎo)物： 如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物，如 IPTG（ 異丙