大学生物遗传学：基因的表达与调控(上) -原核基因表达调控模式

第六章基因的表达与调控(上)－－原核基因表达调控模式6．1原核基因表达调控总论6．2乳糖操纵子与负控诱导系统6．3色氨酸操纵子与负控阻遏系统6．4转录后调控原核生物暴露在环境中，食物供应无保障，只有根据环境条件的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。它有一套准确地调节基因表达和蛋白质合成的机制。如果每个基因等同翻译，每一个多肽应有相同的拷贝数。结论是否定的，基因的表达是被控制的。有些蛋白质的数目相当固定，另一些则变化很大；50种核糖体蛋白数量十分稳定。糖酵解体系的酶数目也极恒定。DNA聚合酶、RNA聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质（组成型合成蛋白）的合成速率不受环境变化或代谢状态的影响。而另一种类型则被称为适应型或调节型(adaptiveorregulated)，这类蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变。例如，一般情况下，一个大肠杆菌细胞中只有15个分子的β-半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每个细胞中这个酶的量可高达几万个分子。其他参与糖代谢的酶，氨基酸、核苷酸合成系统的酶类，其合成速度和总量都随培养条件的变化而改变。细菌中的基本调控机制有如下规律:一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种“开-关”(on-off)活性是通过调节转录来建立的，即通过调节mRNA的合成来实现的。一个系统处于“off”状态时可能是本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞合成1～2个mRNA分子和极少量的蛋白质分子。必须明白所谓“关”实际的意思是基因表达量特别低，或者无法检测。6．1原核基因表达调控总论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到蛋白质的过程，叫做基因表达(geneexpression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(generegulation或genecontrol)。基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念。

基因表达调控在两个水平上体现(1)转录水平上的调控(transcriptionalregulation);(2)转录后水平上的调控(post-transcriptionalregulation)，包括①mRNA加工成熟水平上的调控(differentialprocessingofRNAtranscript);②翻译水平上的调控(differentialtranslationofmRNA)。对于原核生物，以营养状况(nutritionalstatus)和环境因素(environmentalfactor)为主要的基因表达影响因素。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormonelevel)和发育阶段(developmentalstage)是基因表达调控的最主要手段，而营养和环境因素的影响力大为下降。在转录水平上对基因表达调控取决于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。6.1.1原核基因调控机制的类型与特点原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为负转录调控(negativetranscriptionregulation)和正转录调控(Positivetranscriptionregulation)。负转录调控系统在负转录调控系统中，调节基因的物质是阻遏蛋白(repressor)－－阻止结构基因转录。其作用部位是操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。负控诱导系统－－阻遏蛋白不与诱导物结合时，阻遏蛋白与操纵区相结合，结构基因不转录，阻遏蛋白结合上诱导物时，阻遏蛋白与操纵区分离，结构基因转录。负控阻遏系统－－阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。正转录调控系统在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)，激活蛋白结合与DNA的启动子及RNA聚合酶后，转录才会进行。在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性状态，转录进行。在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态，转录不进行。细菌中的转录调控系统可诱导调节基因在特殊物质的作用下，由原来关闭的状态转变为活化状态称为诱导调节。大肠杆菌在只含乳糖的培养基中开始时生长不好；等合成了利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳糖作为碳源的能力时又开始生长。怎样获得这一能力的：在诱导物乳糖的诱导下开动了乳糖操纵子，表达它所编码的3个酶。这3个酶使细菌可以利用乳糖作为碳源。象乳糖操纵子这类基因就是可诱导基因，这类酶被称为诱导酶，这个生化过程被称为酶的诱导合成。可阻遏调节基因平时是开启的，处在产生蛋白质的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌生活中必须有色氨酸，一般情况下，该操纵子开启，生产色氨酸合成酶基因表达正常。如果在细菌培养基中加入色氨酸，细菌可利用它来维持生活而不需要再合成，细菌就在2-3min内关闭该操纵子。某一代谢途径最终产物合成酶的基因可以被这个产物本身所关闭。这种基因被称为可阻遏基因，这些酶被称为可阻遏酶，这个现象被称为可阻遏现象，这些起阻遏作用的小分子被称为阻遏物。可诱导的操纵子是一些编码分解代谢糖和氨基酸的蛋白的基因。这些糖和氨基酸平时含量很少，细菌并不分解利用它们，而是利用一般的能源物质――葡萄糖的水解来提供能源，因此，这些操纵子常常是关闭的。一旦生存条件发生变化，如葡萄糖缺乏而必须利用乳糖作为能源时，就要打开这些基因。可阻遏基因它们是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质(如氨基酸、嘌呤和嘧啶等)的基因，由于这类物质在生命过程中的重要地位，这些基因总是打开着的。只有当细菌生活环境中有充分供应时，才关闭这些基因，停止其合成。弱化子对基因活性的影响在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰-tRNA的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段DNA序列被称为弱化子。当基因转录使转录产物（RNA）到不同长度时，核糖体会在对应的DNA位置上；此时RNA可以形成某种形式的二级结构；由此决定延伸复合物的结合能力，从而决定基因能否继续转录。细菌的应急反应细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿－－氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌会产生一个应急反应－－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。实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧急状况。ppGpp影响RNA聚合酶与这些基因转录起始位点的结合，使基因被关闭。ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们影响一大批操纵子而被称为超级调控因子。6．2乳糖操纵子－－负控诱导系统6.2.1操纵子:操纵子模型是与特殊代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括:结构基因：编码那些在某一特定的生物合成途径中起作用的、其表达被协同调控的酶。调控元件：如操纵序列，是调节结构基因转录的一段DNA序列。调节基因：其产物能够识别调控元件，例如阻抑物，可以结合并调控操纵基因序列。6．2．2乳糖操纵子大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳源的酶只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。大肠杆菌乳糖操纵子(lactoseoperon)包括3个结构基因:Z、Y和A。这三个结构基因被同一个转录单元lacZYA所编码，它有一个启动子Plac。乳糖操纵子的这三个结构蛋白是作为一个多顺反子的mRNA一起表达的。lacZYA转录单元含有一个操纵基因位点0lac，它位于Plac启动子5’端的-5至+21之间。该位点可被乳糖阻抑物相结合。当该蛋白结合到操纵基因上时，便成为转录的强抑制物。乳糖阻抑物被一个独立的调节基因lacI所编码，lacI也是乳糖操纵子的一部分;lacI位于Plac的上游。lacZ编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖。lacY编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌的细胞壁。lacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶。lacI基因编码乳糖阻抑物，当以同亚基四聚体形式存在对具有活性。它对于lac操纵序列结合位点0lac具有很强的亲和力，并且对DNA也有较高的亲和力。Zac操纵序列位点由具有回文结构的28bp碱基组成(回文结构是指当一条链以5’到3’的顺序从左向右读对其DNA序列与它的互补链也以5’至3’的方向从右向左读时完全相同)。操纵序列的这种反向重复对称正好与由四个相同亚基组成的乳糖阻抑物的内部对称相匹配。当乳糖缺乏时，阻抑物占据了操纵序列的结合位点，RNA聚合酶不能通过操纵序列。乳糖阻抑物和RNA聚合酶能够同时结合到乳糖启动子和操纵序列位点上。乳糖阻抑物使聚合酶结合到乳糖启动子上的能力增加了两个数量级。当乳糖阻抑物结合到0lac操纵序列上时，聚合酶是结合到相邻的Plac启动子序列上的，只是不能通过之。当缺少诱导物时，乳糖阻抑物阻碍了几乎全部的lacZYA的转录而使之保持很低的转录水平。将乳糖加入细胞中后，细胞本身所含的低量的透性酶使它能吸收乳糖，β-半乳糖苷酶则催化一些乳糖转化为异乳糖。异乳糖可以作为诱导物结合到乳糖阻抑物上。从而引起阻抑物四聚体构象的变化，从而降低其对乳糖操纵序列的亲和力，乳糖阻抑物从操纵序列上脱离下来可以使聚合酶(已经位于邻近的启动子上)迅速开始lacZYA基因的转录。因此，加入乳糖或合成诱导物如异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)能非常迅速地刺激乳糖操纵子结构基因的转录。若随后将诱导物清除掉则会导致诱导性转录的立即终止，这是因为游离的乳糖阻抑物会立即重新占据操纵序列上的位点，而lacZYARNA的转录物是极不稳定的。Plac启动子不是强启动子。其原因是Plac及其相关的启动子没有强的-35序列，其中一些甚至只有弱的-10的共有序列。为了实现高水平的转录，它们需要一种特定的激活蛋白即cAMP受体蛋白(CRP)的活化。cAMP即环式AMP，其在生物表达调控过程中起着重要作用。葡萄糖的降解代谢会抑制一些操纵子的转录。cAMP在细胞中的增加对这些操纵子的转录是有利的。葡萄糖降解物能抑制细胞内cAMP产生。这是因为ATP是cAMP的直接代谢前体，担任这种转化的酶是腺苷酸环化酶(adenylcyclase)，此酶受葡萄糖代谢降解物的直接抑制从而造成cAMP不能产生。CRP也可称为分解代谢激活蛋白或CAP是以以二聚体形式存在的。当葡萄糖存在时，大肠杆菌不需要像乳糖这样的替代碳源。因此代谢操纵子如乳糖操纵子通常不被激活。原因是当葡萄糖存在时会降低细胞内cAMP的水平，CRP自身不能独立与DNA结合；当葡萄糖缺乏时，大肠杆菌细胞内cAMP水平上升，CRP结合到cAMP上。CRP-cAMP复合物可结合到紧邻RNA聚合酶结合位点上游的乳糖操纵子的启动子Plac上游。能使DNA双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子-RNA聚合酶结构，使转录效率提高50倍。而阻遏物则是一个抗解链蛋白(antimeltingpmte五n)，阻止形成开放结构，从而抑制RNA聚合酶的功能。lac操纵子小结通常情况（葡萄糖供应正常）阻遏蛋白与操纵序列结合，基因不转录。细胞外的乳糖通过透性酶吸收到细胞内；细胞内的β-半乳糖苷酶将乳糖转变为异乳糖。异乳糖结合到乳糖阻抑物上使之从操纵序列上脱离，聚合酶迅速开始lacZYA基因的