第五章 原核基因表达调控思维导图

分子生物学 原核基因表达调控，包含基因表达特点、基因表达调控特点、转录水平的调控等。

原核基因表达调控

• 基因表达特点
  • 基因表达具有条件特异性
    • 许多基因（可诱导基因和可抑制基因）的表达水平受营养状况和环境因素影响
  • 基因转录多以操纵子为单位
    • 由一个启动子、一个操纵基因及其所控制的一组功能相关的结构基因等组成
  • 基因转录的特异性由σ因子决定
  • 转录与翻译偶联
• 基因表达调控特点
  • 基因表达在多环节受到调控
    • 转录（特别是转录起始和延伸）是基因表达调控最重要的环节
  • 转录因子都是DNA结合蛋白
  • 转录因子的效应包括负调控和正调控
    • 负调控：阻遏蛋白
    • 正调控：激活蛋白
    • 原核生物以负调控为主
  • 存在协同调控机制
  • 存在衰减调控机制
  • 存在应急反应调控机制
• 转录水平的调控
  • 对RNA合成的调控
  • 调控要素
    • 顺式作用元件——DNA
      • 启动子、终止子
        • 启动子：能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。
        • 终止子：给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列
      • 操纵基因
        • 常与启动子邻近或与启动子序列重叠
        • 是阻遏蛋白的结合位点
        • 阻遏蛋白与操纵基因结合，就妨碍了RNA聚合酶与启动子的结合，从而阻遏了结构基因的转录
      • 激活蛋白结合位点
        • 常位于启动子上游
        • 是激活蛋白的结合位点
        • 激活蛋白与该位点结合时，可增强RNA聚合酶的转录启动活性
    • 反式作用元件——调节蛋白
      • 阻遏蛋白
        • 阻遏物、负调控因子
        • 与操纵基因结合，可使RNA聚合酶不能与启动子结合，或结合后不能启动转录
        • 介导负调控
      • 激活蛋白
        • 激活物、正调控因子
        • 与激活蛋白结合位点结合，可增强RNA聚合酶的转录启动活性
        • 介导正调控
    • 效应物
      • 诱导物
        • 使操纵子表达的效应物
          • 钝化阻遏蛋白→负调控诱导
          • 活化激活蛋白→正调控诱导
      • 辅阻遏物
        • 使操纵子关闭的效应物
          • 活化阻遏蛋白→负调控阻遏
          • 钝化激活蛋白→正调控阻遏
  • 起始调控（启动子调控）
    • 操纵子水平转录起始调控
      • 阻遏蛋白负调控系统
        • 诱导性操纵子（乳糖操纵子，分解代谢）
          • 有乳糖，调节基因编码的阻遏蛋白有活性，结合操纵基因，基因关闭
          • 无乳糖，调节基因编码的阻遏蛋白失去活性，不能结合操纵基因，基因表达
        • 阻遏性操纵子（色氨酸操纵子，合成代谢）
          • 无trp，阻遏蛋白无活性，不能结合操纵基因，基因开启
          • 大量trp，trp与阻遏蛋白结合，再结合操纵基因，基因关闭
      • cAMP-CAP正调控系统
        • 重点概念
          • CAP：分解代谢基因激活蛋白，又称CRP(CAMP受体蛋白)，是一些启动子起始转录必需的正调控因子
          • CAP site：CAP结合位点
          • cAMP：环腺苷酸，细胞内的第二信使，诱导物
        • 葡萄糖效应：细菌优先利用葡萄糖作为碳源
          • CAP-cAMP复合物促进转录
          • cAMP水平与葡萄糖水平呈负相关
        • 调控
          • 降低cAMP活性，CAP处于失活状态
          • cAMP-CAP与DNA上的CAP位点结合乳糖操纵子才能打开，基因才能表达
          • 葡萄糖通过代谢产物抑制腺苷酸环化酶活性，从而降低 cAMP 含量，使得 CAP 不能结合到 DNA 上，乳糖操纵子关闭，基因不表达， β﹣半乳糖苷酶含量低，不利用乳糖。
        • 乳糖操纵子双重调控：同时受到正、负两个系统的调控，只有当 cAMP - CAP 结合到 CAP 结合位点，且阻遏蛋白脱离操纵基因时，才能开始结构基因的表达
  • 终止调控（衰减子调控）
    • 转录与翻译的偶联是衰减调控的基础
    • 概念
      • 衰减作用：通过操纵子前导区内的衰减子来实现的一种负调控机制，它可以使正在进行的转录停止。只存在于原核生物中
      • 衰减子：DNA中可导致转录过早终止的一段核苷酸序列(123-150区）
      • 前导肽：是一个由14个氨基酸组成的多肽，其中含有两个色氨酸trp
    • 调控
      • 色氨酸浓度低→通读
      • 色氨酸浓度高→衰减
      • 其他/所有的氨基酸短缺→衰减
    • 色氨酸操纵子双重负调控：抑制调控和衰减调控相辅相成
      • 环节:前者作用于转录起始环节，后者作用于转录延伸环节
      • 信号:前者为色氨酸水平;后者为色氨酰tRNA水平
      • 特点:前者有效、经济;后者细微、迅速
  • 阿拉伯操纵子
    • 结构基因
      • araBAD
    • 调控元件
      • 两个启动子
        • araBAD的启动子araPBAD
        • araC的启动子araPC
      • 四个其他调控元件araO2、araO1、araI1、araI2
    • 调控机制
      • 无阿拉伯糖:调节蛋白结合与I1和O2,阻断阿拉伯糖基因的转录，产生负调控效应
      • 有阿拉伯糖:调节蛋白转换为一个与I1 和I2,结合的激活物，激活阿拉伯糖基因转录。起始转录还需要CAMP-CRP的共同参与。产生正调控效应
    • 特点
      • AraC有双功能，其既是阻遏蛋白，又是激活蛋白
      • 既可以发挥负调控作用，又可以发挥正调控作用
      • AraC本身也受自体调控
  • 严谨调控
    • 细菌的应急反应
    • 引发条件
      • 细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿一一氨基酸的全面匮乏。
    • 应急反应
      • 停止包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程
    • 调控机制
      • 诱导物：空载tRNA
      • 应急信号：魔斑核苷酸
      • 机理:空载tRNA对蛋白质和RNA的合成速度进行调控
• 翻译水平的调控
  • mRNA稳定性对翻译的影响
    • 细菌的繁殖周期是20-30分钟，需要快速合成或降解mRNA以适应环境变化
    • 大多数细菌mRNA寿命很短
    • mRNA寿命受RNA结合蛋白调控
  • 5‘UTR对翻译的影响
    • SD序列：mRNA起始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列(9-12bp)
    • 核糖开关：是mRNA上能够与自由代谢产物或其他小分子配体结合而引起mRNA构象变化，从而调控基因表达的RNA结构元件
    • 顺势调控：适体域和小分子相结合所产生的自身形状变化
    • 反式调控: 与反义的RNA或DNA片段相连后所产生的自身形状变化
  • 反义RNA的调节作用
    • 转录产生反义RNA的基因称为反义基因
    • 把这类干扰mRNA作用的互补RNA称为micRNA，即反义RNA
    • 通过互补RNA序列与特定靶mRNA结合而起负调控作用
  • 稀有密码子对翻译的影响
    • 使用稀有密码子频率较高的蛋白，其表达率较低
    • 在细胞内使用稀有密码子频率较高的蛋白大多是一些调控蛋白，而结构基因使用稀有密码子的频率较低
  • 重叠基因对翻译的影响
    • 重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制
    • 偶联翻译是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段
  • 其他的翻译水平调控方式
    • 核糖体移码
    • 核糖体跳码
    • 核糖体拯救
• 基因表达调控的共性知识
  • 基因表达概念
    • 典型的基因表达是基因经过转录和翻译产生有生物活性的蛋白质的过程。
      • 有些基因只转录不翻译。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。
  • 基因表达方式
    • 组成性表达
      • 定义：很少受内外环境因素的影响，仅受启动子及RNA聚合酶影响在个体发育的任意阶段都能在所有细胞中持续表达，在生命全过程都是必需的。
      • 基因：管家基因
      • 种类
        • 有些基因产物，如tRNA,rRNA,RNA pol
        • 参与基本代谢有关的酶
        • 几乎都是细胞的基本组分
    • 组织特异性表达
      • 定义：指环境变化容易使其表达水平变动的一类基因表达
      • 诱导性表达
        • 应环境条件变化基因表达水平增加的现象称为诱导
        • 可诱导基因
      • 抑制性表达
        • 随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏
        • 可抑制基因
    • 协同表达
      • 定义：在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，均需协调一致，共同表达，即为协同表达
      • 原核生物操纵子及调节子的表达均属协同表达
  • 基因表达规律
    • 时间特异性
      • 定义：按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。
        • 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性
    • 空间特异性
      • 定义：在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性,又称细胞或组织特异性
  • 基因表达调控
    • 定义：机体各种细胞中含有的相同遗传信息(相同的结构基因)，根据机体的不同发育阶段、不同的组织细胞及不同的功能状态，选择性、程序性地表达特定数量的特定基因的过程。
    • 调控因子
      • DNA序列
      • 蛋白质
      • 小分子RNA
    • 调控机理
      • 核酸分子间的互作
      • 核酸与蛋白质分子间的互作
      • 蛋白质分子间的互作
    • 调控元件
      • 顺式作用元件
        • 本身不编码任何蛋白质，仅仅提供一个作用位点，要与反式作用因子相互作用而起作用。
        • 存在于基因旁侧序列中能影响基因表达的序列，包括启动子、增强子调控序列和可诱导元件等，它们的作用是参与基因表达的调控。
      • 反式作用元件
        • 能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上，从而参与调控靶基因转录效率的蛋白质。
    • 调控水平
    • 基本调控点
      • 基因的结构活化
      • 转录起始
        • 最重要的阶段
      • 转录后加工及转运
      • 翻译及翻译后加工
  • 生物学意义
    • 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）
    • 维持个体发育和分化（真核）