1、第二节第二节 遗传信息的表达遗传信息的表达 一、真核生物基因的转录及其调控一、真核生物基因的转录及其调控二、原核生物基因的转录及其调控二、原核生物基因的转录及其调控三、翻译过程中的调控三、翻译过程中的调控四、调控信号与系统性调控四、调控信号与系统性调控主要调控机制的调控模型图8.5一、真核生物的基因转录及其调控一、真核生物的基因转录及其调控1.1.真核生物的基因转录常见启动子常见启动子是位于转录起始位点上游2530个碱基对的TATA盒；另一些基因则含有一个与转录起始位点重叠的起始元件。RNA聚合酶聚合酶催化合成的是 Pre-RNA，它必须经过加工才形成成熟 mRNA。Pre-RNA的加工在细胞
2、核中进行，主要加工步骤：5端加帽、3端加尾、剪接去除插入子等。发生在pre-mRNA转录的早期，当新生RNA分子长度达到2530核苷酸时，加帽酶使新生转录物的5端第一个核苷酸(A或G)g位的磷酸水解，并加上7-甲基鸟苷三磷酸。2.5端加帽反应和帽子结构图8.8帽子结构：5端第一个核苷酸是7-甲基鸟苷三磷酸，它以5三磷酸酯键与第二个核苷酸的5端相连，而不是通常的3,5磷酸二酯键。甲基3.3端的加尾过程 3端加poly(A)发生于插入子剪切之前。Pre-mRNA的尾部具有非编码区，其3端约20个核苷酸之前有一个称为多聚多聚A A位点位点的序列AAUAAA。特异性的核酸内切酶识别多聚(A)位点后，切
3、除其后面的20个核苷酸并产生3端游离羟基。在poly(A)聚合酶的作用下，20250个腺嘌呤核苷酸被加到3端，产生poly(A)。pre-mRNA中有编码和不编码蛋白质的序列相间排列，其中不编码蛋白质的序列被称为插入子插入子；编码蛋白质的序列被称为表达子表达子。4.剪接去除插入子插入子的切除和表达子的拼接自参考书25.真核生物基因转录的调控真核生物基因表达的调控作用可能发生在转录、mRNA修饰和稳定、翻译、mRNA的转运和降解等各个步骤。真核细胞中基因表达的调控信号包括两类：一类是激素和蛋白质分子，另一类是外环境因素。二、原核生物基因的转录及其调控二、原核生物基因的转录及其调控1.细菌的基因转
4、录过程mRNA不需要加工，转录与翻译同步。启动子启动子：在10和35区具有特征性的序列，被不同的因子所识别。多顺反子多顺反子：功能相关的多个基因往往聚集成一个操纵子，处于同一个转录单元中。细菌的转录和翻译同步进行图片来自参考书22.因子参与的转录调控细菌RNA聚合酶的核心酶的功能对任何基因都一样，而因子才是选择转录对象的关键亚基。每一种因子识别的启动子在10和35区都具有特征性的序列。10和35区不仅被不同的因子所识别，而且是决定启动子强度。例：大肠杆菌在正常生长条件下，分子量为70 kDa的70指导RNA聚合酶的活动；当细胞需要进行趋化移动时，就产生分子量为28 kDa的28启动鞭毛和趋化蛋
5、白的合成；如果环境温度突然上升，细胞会产生分子量32 kDa 的32启动热休克蛋白基因的转录以保护细胞不受高温伤害，并清除已变性的蛋白。3.操纵子和转录的正、负调节在原核细胞中，几个功能相近或相关的结构基因经常有序地排列在一起，并被转录在同一个RNA分子上；这种由一个转录控制区和1至多个结构基因组成的一个完整的转录单元称为操纵子操纵子。有些基因需要在活化蛋白活化蛋白结合到DNA的特定位点后才能有效表达；由活化蛋白激活或促进基因转录的调控方法叫做转录的正调节正调节。由阻遏蛋白阻遏蛋白结合到DNA的特定位点上，对转录的起始发生阻遏或解阻遏作用，这种调控方法被称为转录的负调节负调节。例：乳糖操纵子的
6、结构 图8.6其中有两个调控基因：（1）阻遏蛋白的结合位点Oprator，乳糖参与负调节；（2）激活蛋白CAP的结合位点，cAMP参与正调节。参考书1衰减作用是通过衰减子使已经开始的转录提早终止，从数量上减少完整mRNA的产生。图8.7 4.衰减作用三、翻译过程中的调控三、翻译过程中的调控固定式的调控：包含在DNA序列之内，如稀有密码子和重叠基因等，其调控不受环境影响。非固定式的调控：作用受环境因素的影响，与DNA序列无关。稀有密码子出现频率基因的重叠排列SD序列、与起始密码子的间距mRNA形成的二级结构反义RNA的存在 影响翻译速度的因素四、调控信号与系统性调控四、调控信号与系统性调控微生物
7、必须对生存条件的变化迅速作出反应；必须与其它个体或群体进行竞争，获取并有效地利用营养物质。必须能够产生、感应、传递信号，同时对多个相关的操纵子进行系统性调控。1.葡萄糖效应及其机理当培养基中同时有葡萄糖、乳糖、阿拉伯糖、麦芽糖存在时，大肠杆菌首先利用葡萄糖，直到葡萄糖快要消耗完毕，其它糖的代谢才能开始，这种由葡萄糖的代谢抑制其它糖代谢现象称为代谢抑制（catabolite repression）或葡萄糖效应。代谢抑制机理细胞大量摄入并代谢葡萄糖，cAMP的含量随之降低，使受cAMP正调控的乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子、麦芽糖操纵子等都不能被激活。缺乏葡萄糖，或者人为地向培养基中加入cAMP，细胞
8、中cAMP的浓度升高，产生的cAMP-CAP复合体与DNA结合，激活代谢乳糖、阿拉伯糖、麦芽糖的操纵子。2.严紧反应 细菌在生长过程中如果得不到足够的氨基酸，细胞内鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)的含量迅速上升；与此同时，RNA的合成速率迅速降低，蛋白质的合成也随之下降，从而细胞处于低速代谢和缓慢生长状态。当环境中出现足够的氨基酸时，pppGpp和ppGpp被迅速降解，RNA和蛋白质的合成很快恢复。这是在困难时期获得生存的策略，被称为严紧反应严紧反应（stringent control）。3.菌量感应系统 有些细菌具有一种能够感应自身细胞群体密度并对其作出相应的应答反应的调
9、控系统。这些细菌在生长过程中释放某种信号分子，当细胞群体密度达到了一个临界水平时，信号分子积累到起诱导作用的浓度，从而激活目标操纵子，这种调控叫做菌量感应作用菌量感应作用(quorum sensing)。4.双组分磷酸接力系统 双组分磷酸接力系统又名双组分信号传导系统，是一种通过磷酰基团的转移来传导信号，并控制基因转录的调节系统。双组分是：传感蛋白激酶、应答调节蛋白。双组分系统广泛存在于细菌中，也存在于真核微生物中；高等真核生物也利用磷酸化这一信号传导机制传递信号。例：枯草杆菌调控芽孢形成的双组分磷酸接力系统 在营养生长阶段，枯草杆菌RNA聚合酶利用A 对与其营养生长有关的基因进行转录；KinA、B、C、D等对环境信号进行传感反应的蛋白激酶，在营养细胞中以非磷酸化的形式存在。当这些激酶感应到不适于生长的信号时发生磷酸化；磷酸化的KinA等将磷酸基团转移到SpoOF；SpoOF将磷酸基团传递给SpoOB；SpoOB再将磷酸基团传递给SpoOA。磷酸化的SpoOA能与abrB基因的启动子结合并阻遏abrB基因的表达，AbrB是许多基因表达的抑制蛋白；图8.8磷酸化的SpoOA能够激活F、E 等Sigma因子的合成。当细胞内的部分A被F、E 取代时，芽孢开始形成，负责芽孢形成后期基因的转录的G和K逐渐产生。
