第七章 原核生物基因表达的调控

第七讲原核生物的基因调控科学家把这个从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)。

要了解动、植物发展发育的规律、形态布局特征和生物学功能，就必需弄清楚基因表达调控的时间和空间概念，掌握了基因表达调控的奥秘，我们手中就有了一把揭示生物学微妙的金钥匙。

基因表达调控主要暗示在以下几个方面：①转录程度上的调控(transcriptional regulation)；②mRNA加工成熟程度上的调控(differential processing of RNAtranscript)；③翻译程度上的调控(differential translation of mRNA).原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)和环境因素(environmental factor)对基因表达起着举足轻重的影响。

在真核生物尤其是高等真核生物中，激素程度(hormone level)和发育阶段(developmental stage)是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。

二、基因表达调控的底子道理〔一〕基因表达的多级调控基因的布局活化、转录起始、转录后加工及转运、mRNA降解、翻译及翻译后加工及蛋白质降解等均为基因表达调控的控制点。

可见，基因表达调控是在多级程度长进行的复杂事件。

此中转录起始是基因表达的底子控制点。

四个底子的调控点：〔1〕基因布局的活化。

DNA表露碱基后RNA聚合酶才能有效结合。

活化状态的基因暗示为：1.对核酸酶敏感；2.结合有非组蛋白及修饰的组蛋白；3.低甲基化。

〔2〕转录起始。

最有效的调节环节，通过DNA元件与调控蛋白彼此作用来调控基因表达。

〔3〕转录后加工及转运。

RNA编纂、剪接、转运。

〔4〕翻译及翻译后加工。

翻译程度可通过特异的蛋白因子阻断mRNA 翻译翻译后对蛋白的加工、修饰也是底子调控环节。

原核生物基因表达的调控1-4（精）原核生物基因表达的调控原核生物基因表达的调控可以在 DNA 复制、转录和翻译三个不同层次进行表达调控。

其中, 转录水平的调控是最主要的,也是最经济,最有效的方式。

但转录生成mRNA 以后,再在翻译或翻译后水平进行微调,是对转录调控的有效补充,例如:λ噬菌体的后期基因是长达26kb 的一个片段, 作为一个单位转录成多顺反子mRNA 。

然而不同基因编码的蛋白质用量不同, 相差可达千倍, 这就需要通过翻译再进行调节。

在翻译调控方面, mRNA 的寿命、 mRNA 本身所形成二级结构都可影响到翻译的进行。

除此之外,有些基因的产物也可通过与其mRNA 的结合,控制这种蛋白质的继续合成,如释放因子 RF2和核糖体蛋白质的自体调控。

另外,在不良营养条件下,由于氨基酸的缺乏, 也可使细胞内蛋白质的合成受到抑制, 出现严谨反应。

总之,由于存在翻译水平的调控,使得原核生物基因表达调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化。

翻译的过程可分为三种不同的阶段―起始, 延伸和终止。

现在了解相对较多的翻译水平的调控包括:mRNA 翻译水平差异的调控, 翻译起始的调控,翻译阻遏作用,蛋白质合成的自体调控,反义RNA 的作用等几个方面。

1. mRNA 翻译水平差异的调控mRNA 的翻译能力主要受控于 5' 端的结合序列 (SD 序列。

SD序列是位于起始密码子上游约4~7个核苷酸之前的一段富含嘌呤的5' … AGGAGG … 3' 短小序列, 它可以与16S rRNA 3' … UCCUCC … 5'完全互补。

SD 序列与 16S rRNA 3'端的相应序列配对对于翻译的起始是很重要的。

强的控制部位造成翻译起始频率高, 反之则翻译频率低。

此外, mRNA 采用的密码系统也会影响其翻译速度。

大多数氨基酸由于密码子的简并性且具有不只一种密码子,它们对应的tRNA 的丰度也差别很大, 因此采用常用密码子的 mRNA 翻译速度快, 而稀有密码子比例高的 mRNA 翻译速度慢。

第七章基因的表达与调控（上）——原核基因表达调控模式（一）基本概念1．基因表达：细胞在生命过程中，把蕴藏在DNA中的遗传信息经过转录和翻译，转变成为蛋白质或功能RNA分子的过程称为基因表达。

2．基因表达调控：围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都统称为基因表达调控。

rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA 的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。

3．组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。

如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的表达。

管家基因：某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因。

管家基因无论表达水平高低，较少受到环境因素的影响。

在基因表达研究中，常作为对照基因适应型表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。

应环境条件变化基因表达水平增高或从无到有的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低或变为不表达的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。

4．结构基因：编码蛋白质或功能性RNA的任何基因。

所编码的蛋白质主要是组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、具有催化活性的酶和调节蛋白等。

原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。

结构基因簇由单一启动子共同调控。

调节基因：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。

①调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。

②调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式（启动或增强基因表达活性调节靶基因，也能以负调控的方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。

操纵子：由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录受操纵基因的控制。

（二）原核基因调控的分类和主要特点一、原核生物的基因调控特点：（1）基因调控主要发生在转录水平上，形式主要是操纵子调控.（2）有时也从DNA水平对基因表达进行调控，实质是基因重排。

7原核生物基因表达调控7.1基因表达的调控7.2转录水平的调控7.3翻译水平的调控7.1基因表达的调控基因表达包括：①基因经转录、翻译产生有生物活性的蛋白质的过程。

②rRNA 或tRNA 的基因经转录和加工产生成熟的rRNA 或tRNA 的过程。

生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞内的DNA （或RNA ）分子中的。

随着个体的发育，DNA 有序地将遗传信息，通过转录和翻译的过程转变成蛋白质，执行各种生理生化功能，完成生命的全过程。

从DNA 到蛋白质或RNA 的过程，叫做基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation 或gene control)。

原核生物基因表达调控的层次DNA水平的调控：通过DNA重排等机制来调节基因表达。

转录水平的调控：调控DNA模板上转录特异mRNA的速度，这是生物在进化过程中选择的最经济的调控方式。

翻译水平的调控：mRNA合成后，通过控制多肽链的形成速度调控。

原核中，操纵子是调控表达的基本单位，调控主要在转录水平。

7.1.1基因表达适应环境的变化生物只有适应环境才能生存，当环境条件变化时，生物体就要改变自身基因表达状况，以调整体内执行相应功能蛋白质的种类和数量，从而改变自身的代谢、活动等以适应环境。

细胞中有些蛋白质的数量几乎不受环境变化影响，称为组成性蛋白，如糖酵解中的酶。

随环境变化而变化的蛋白为适应性蛋白，这是由基因表达调控的。

①组成性表达(constitutive expression) 指不随环境变化而变化的基因表达。

组成性表达的产物为组成性蛋白，是细胞或生物体整个生命过程中必不可少的，这类基因可称为看家基因(housekeeping gene)。

基因表达几乎不受环境影响的原因可能是由于操纵子或调节基因突变造成的：即形成的有活性的阻遏蛋白不能与操纵子结合，或不能形成有活性的阻遏蛋白。

这类基因中大多数是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的，是细胞基本的基因表达，这是生物在进化过程中形成的遗传特性。

原核生物基因表达的调控一、名词解释1、Operon操纵子：一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵基因，加上启动子构成一个操纵单元，这个单元称为操纵子。

在操纵子中，结构基因产生mRNA并作为模板合成蛋白质；而调节基因则产生一种阻遏蛋白与操纵基因相互作用；阻遏蛋白与操纵基因结合从而阻碍了结构基因转录成为mRNA；在诱导过程中，诱导物通过与阻遏蛋白相结合而阻止阻遏蛋白与操纵基因结合。

2. CAP：环腺苷酸（cAMP）受体蛋白CRP（cAMP receptor protein ），cAMP与CRP结合后所形成的复合物称激活蛋白CAP（cAMP activated protein ）3．Attenuator弱化子：在操纵区与结构基因之间的一段可以终止转录作用的核苷酸序列。

4. 魔斑：当细菌生长过程中，遇到氨基酸全面缺乏时，细菌将会产生一个应急反应，停止全部基因的表达。

产生这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸（pppGpp）。

PpGpp与pppGpp的作用不只是一个或几个操纵子，而是影响一大批，所以称他们是超级调控子或称为魔斑。

5. 上游启动子元件：是指对启动子的活性起到一种调节作用的DNA序列，-10区的TA TA、-35区的TGACA及增强子，弱化子等。

二、填空题1．启动子中的元件通常可以分为两种：（）和（）。

2. 因表达正调控系统中，加入调节蛋白后，基因表达活性被，这种调节蛋白被称为。

在负调控系统中，加入调节蛋白后，基因表达活性被，这种调节蛋白被称为。

3. 糖对细菌有双重作用；一方面（）；另一方面（）。

所以需要一个不依赖于cAMP—CRP的启动子S2进行本底水平的永久型合成；同时需要一个依赖于cAMP—CRP的启动子S1对高水平合成进行调节。

有G时转录从（）开始，无G时转录从（）开始。

三、选择题1、如果在没有----- -----存在时基因是表达的，加入这种----- ----后，基因的活性被关闭，这种控制系统叫做负调控系统。

原核生物基因表达调控的方式
1.DNA、染色体水平调控：基因丢失、基因修饰、基因重排、基因扩增、染色体结构变化。

2.转录水平调控（主要调控方式）：转录起始、延伸、终止均有影响。

原核生物借助于操纵子，真核生物通过顺式作用元件和反式作用因子相互作用进行调控。

3.转录后水平调控：主要指真核生物原初转录产物经过加工成为成熟的mRNA，包括加帽、加尾、甲基化修饰等。

4.翻译水平调控：对mRNA稳定性的调控、反义RNA对翻译水平的调控等。

5.翻译后水平调控：蛋白质的剪切、化学修饰（磷酸化、乙酰化、糖基化等）、转运等。

6.mRNA降解的调控。

因此只有在没有葡萄糖的时候，同时又有半乳糖的时候，启动子1才是开放的为什么gal 操纵子需要两个转录起始位点？（涉及半乳糖在细胞代谢中的双重功能）半乳糖两个作用： 可以作为唯一碳源供细胞生长; 与之相关的物质--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal ）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。

而启动子也有两个： galP1起始的转录——无内源葡萄糖、有外源半乳糖时进行，以保证碳源的供应。

galP2起始的转录——有内源葡萄糖、无外源半乳糖时进行，以保证细胞壁的合成需要。

生理功能（可以理解为生物学意义？）无论从必要性和经济性考虑，都要有一个不依赖于cAMP-CAP 的启动子(s2) 进行本底水平的组成型合成，以及一个依赖于cAMP-CAP 的启动子(s1),进行高水平的调节，这样既可以满足细胞最基本的需要（细胞壁），又可以满足在没有葡萄糖而有半乳糖时，细胞能够利用半乳糖进行生长。

进一步解释:gal P2是不依赖于cAMP-CRP 的，相反： cAMP-CRP 对gal P2还起到一种抑制作用，这是因为其与结合位点的结合，会影响到RNA 聚合酶对gal P2的利用。

因此教材上（page257）认为：只有S2活性完全被抑制时，（S1）的调控作用才是有效的。

7.4.2 阿拉伯糖操纵子（arabinose operon)araB 基因、araA 基因和araD, 形成一个基因簇，简写为araBAD三个基因的表达受到ara 操纵子中araC 基因产物AraC 蛋白的调控。

C 蛋白有三个结合位点O2、O1和 I 。

I BADCRPO2O1C结构基因调节基因P BADaraC 基因是araBAD 的调节基因L核酮糖激酶L阿拉伯糖异构酶L核酮糖-5-磷酸-4-差相异构酶结合到ara I 的时候，由于araBAD的启动子本身与ara I有部分重叠，另外还可以引起上游序列回折弯曲，使得AraC同时与O2结合，从而使CRP 聚合酶也不能结合到启动子上，araBAD基因不转录。

原核⽣物基因表达调控概述原核⽣物基因表达调控概述基因表达调控是⽣物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。

1.基因表达调控意义在⽣命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋⽩质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，⽽与⽣物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭⽽不来表达。

2.原核基因表达调控特点原核⽣物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终⽌的每⼀步骤中。

这种调控多以操纵⼦为单位进⾏，将功能相关的基因组织在⼀起，同时开启或关闭基因表达即经济⼜有效，保证其⽣命活动的需要。

调控主要发⽣在转录⽔平，有正、负调控两种机制在转录⽔平上对基因表达的调控决定于DNA的结构，RNA 聚合酶的功能、蛋⽩质因⼦及其他⼩分⼦配基的相互作⽤。

细菌的转录和翻译过程⼏乎在同⼀时间内相互偶联。

细胞要控制各种蛋⽩质在不同时期的表达⽔平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是⼀条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋⽩质的⼩分⼦物质消耗，这是⽣物长期进化过程中⾃然选择的结果，这种控制称为转录⽔平调控。

（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括⼀些与翻译有关的酶及其复合体分⼦缔合的装配速度等过程。

这种蛋⽩质合成及其基因表达的控制称为翻译⽔平的调控。

⼆.原核⽣物表达调控的概念（1）细菌细胞对营养的适应细菌必须能够⼴泛适应变化的环境条件。

这些条件包括营养、⽔分、溶液浓度、温度，pH等。

⽽这些条件须通过细胞内的各种⽣化反应途径，为细胞⽣长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的⼩分⼦化合物。

（2）顺式作⽤元件和反式作⽤元件基因活性的调节主要通过反式作⽤因⼦与顺式作⽤元件的相互作⽤⽽实现。

反式作⽤因⼦的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同⼀个DNA分⼦上。