第十章 原核生物的基因表达调控

原核生物的基因表达调控11.1原核生物基因表达调控概述基因表达(geneexpression)是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。

既然从DNA到蛋白质的过程称为基因表达，对这个过程的调节就称为基因表达调控（generegulation或genecontrol）。基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。11.1.1基因表达调控的意义基因组(genome)是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。

但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的，大肠杆菌基因组含有约4000个基因，一般情况下只有5－10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达。

不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的组织特异性(tissuespecificity)。

例如肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其它组织细胞，合成的某些酶(如精氨酸酶)为肝脏所特有；胰岛β细胞合成胰岛素；甲状腺滤泡旁细胞(C细胞)专一分泌降血钙素等。细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的，这就是基因表达的阶段特异性(stagespecificity)。

一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息，在个体发育分化的各个阶段，各种基因极为有序地表达，一般在胚胎时期基因开放的数量最多，随着分化发展，细胞中某些基因关闭(turnoff)、某些基因转向开放(turnon)，胚胎发育不同阶段、不同部位的细胞中开放的基因及其开放的程度不一样，合成蛋白质的种类和数量都不相同，显示出基因表达调控在空间和时间上极高的有序性，从而逐步生成形态与功能各不相同、极为协调、巧妙有序的组织脏器。从上所述，不难看出：生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的，不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。

改变基因表达的情况以适应环境，在原核生物、单细胞生物中尤其显得突出和重要，因为细胞的生存环境经常会有剧烈的变化。

例如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，当外界没有葡萄糖时，细菌就要适应环境中存在的其它糖类(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)，开放能利用这些糖的酶类基因，以满足生长的需要。即使是内环境保持稳定的高等哺乳类，也经常要变动基因的表达来适应环境，例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同。所以，基因表达调控是生物适应环境生存的必需。基因表达的模式生物体内的基因调控各不相同，基因表达随环境变化的情况，可以大致把基因表达分成两类：①组成性表达(constitutiveexpression)指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因可称为看家基因(housekeepinggene)，这些基因中不少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，可以看成是细胞基本的基因表达。组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。②适应性表达(adaptiveexpression)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的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。

11.1.2原核基因表达调控的特点与方式基因表达调控主要表现在以下两方面：1．转录水平上的调控（transcriptionalregulation）；2．转录后水平上的调控（post-transcriptionalregulation），包括①

mRNA加工成熟水平上的调控（differentialprocessingofRNAtranscript）；②

翻译水平上的调控（differentialtranslationofmRNA）。原核生物中，营养状况（nutritionalstatus）和环境因素（environmentalfactor）对基因表达起着举足轻重的影响。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，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的调控决定于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。因为细菌mRNA在形成过程中与核糖体混合在一起，所以，细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联（coupledtranscriptionandtranslation）。真核生物中，转录产物（primarytranscript）只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。11.1.3原核基因表达调控的几个重要概念1.细菌细胞对营养的适应2.顺式作用元件和反式作用因子3.结构基因和调节基因4.操纵基因和阻遏蛋白5.组成蛋白和调节蛋白11.2操纵子学说

法国巴斯德研究院的FrancoisJacob与JacquesMonod于1960年在法国科学院院报(ProceedingoftheFrenchAcademyofSciences)上发表了一篇论文，提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。这二个基因为β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)和半乳糖苷透过酶(galactosidepermease)。在此文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因(operator)的概念，他们的操纵子学说(theoryofoperon)使我们得以从分子水平认识基因表达的调控，是一个划时代的突破，因此他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。一、操纵子(operon)

细菌能随环境的变化，迅速改变某些基因表达的状态，这就是很好的基因表达调控的实验模型。人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表达调控分子机理的窗口的。1.操纵子的提出

大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长。

大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使乳糖进入细菌的半乳糖透过酶(lactosepermease)和催化乳糖分解第一步的

－半乳糖苷酶(

-galactosidase)。

在环境中没有乳糖或其他

-半乳糖苷时，大肠杆菌合成

-半乳糖苷酶量极少，加入乳糖2-3分钟后，细菌大量合成

-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时，菌体内的

-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的3%。在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测出细菌中

-半乳糖苷酶活性显著增高的过程。这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控极好的模型。针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的Jocob和Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操纵子（lacoperon）学说。2.操纵子的基本组成

乳糖操纵子模型已被许多研究实验所证实，对其有了更深入的认识，并且发现其他原核生物基因调控也有类似的操纵子组织，操纵子是原核基因表达调控的一种重要的组织形式，大肠杆菌的基因多数以操纵子的形式组成基因表达调控的单元。下面就以乳糖操纵子为例子说明操纵子的最基本的组成元件（elements）。(1)结构基因群

操纵子中被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因(structuralgene,SG)。一个操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达十几个。每个结构基因是一个连续的开放阅读框(openreadingframe),5’端有起始密码ATG，3’端有终止密码TAA、TGA或TAG。各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。

至少在第一个结构基因5’侧具有核糖体结合位点(ribosomebindingsite,RBS)，因而当这段含多个结构基因的DNA被转录成多顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并起始翻译。核糖体沿mRNA移动，在合成完第一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多肽。

乳糖操纵子含有ｚ、ｙ和ａ3个结构基因。ｚ基因长3510bp，编码含1170个氨基酸、分子量为135,000的多肽，以四聚体形式组成有活性的β-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为半乳糖(allolactose)，再分解为半乳糖和葡萄糖；

ｙ基因长780bp，编码有260个氨基酸、分子量为30,000的半乳糖透过酶，促使环境中的乳糖进入细菌；

ａ基因长825bp，编码275氨基酸、分子量为32,000的转乙酰基酶，以二聚体活性形式催化半乳糖的乙酰化。

ｚ基因5’侧具有大肠杆菌核糖体识别结合位点（RBS）特征的Shine-Dalgarno(SD)序列，因而当乳糖操纵子开放时，核糖体能结合在转录产生的mRNA上。由于ｚ、ｙ、ａ三个基因头尾相接，上一个基因的翻译终止密码靠近下一个基因的

翻译起始密码，因而同一个核糖体能沿此转录生成的多顺反子（polycistron）mRNA移动，在翻译合成了上一个基因编码的蛋白质后，不从mRNA上掉下来而继续沿mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质，一气依次合成这基因群所编码所有的蛋白质。(2)启动子

启动子(promoter,P)是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。操纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5＇侧上游，控制整个结构基因群的转录。用RNA聚合酶与分离的一段DNA双链混合，再加入外切核酸酶去水解DNA，结果只有被RNA聚合酶识别结合而被保护的那段DNA不被水解，由此可以测出启动子的范围及其序列。

虽然不同的启动子序列有所不同，但比较已经研究过的上百种原核生物的启动子的序列，发现有一些共同的规律，它们一般长40-60bp，含A-Tbp较多，某些段落很相似的，有保守性，称为共有性序列(consensussequences)。启动子一般可分为识别(R，recognition)、结合(B，binding)和起始(I，initiation)三个区段。

转录起始第一个碱基（通常标记位置为+1）最常见的是A；在-10bp附近有TATAAT一组共有序列，因为这段共有序列是Pribnow首先发现的，称为Pribnow盒（Pribnowbox）；在-35bp处又有TTGACA一组共有序列。

不同的启动子序列不同，与RNA聚合酶的亲和力不同、启动转录的频率高低不同，即不同的启动子起动基因转录的强弱不同，例如：PL、PR、PT7属强启动子，而Plac则是较弱的启动子。(3)操纵区

操纵区（operator）是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。

以前将操纵区称为操纵基因（operatorgene）。但现在基因定义是为蛋白质或RNA编码的核酸序列，而操纵序列并不是编码蛋白质的基因，却是起着调控基因表达强弱的作用，正如启动序列不叫启动基因而称为启动子一样，操纵序列就可称为操纵区。operon译为操纵子，即基因表达操纵的单元之意。

以乳糖操纵子中的操纵区为例，其操纵区（o）序列位于启动子（p）与被调控的基因之间，部分序列与启动子序列重叠。仔细分析操纵区序列，可见这段双链DNA具有回文（palindrome）样的对称性一级结构，能形成十字形的茎环（stemloop）构造。不少操纵区都具有类似的对称性序列，可能与特定蛋白质的结合相关。

阻遏蛋白与操纵区结合，就妨碍了RNA聚合酶与启动子的结合及其后ß-半乳糖苷酶等基因的转录起始，从而阻遏了这群基因的表达。最早只把与阻遏蛋白结合、起阻遏作用的序列称为操纵区，但其后发现有的操纵子中

同一操纵序列与不同构像的蛋白质结合，可以分别起阻遏或激活基因表达的作用，阿拉伯糖操纵子中的操纵序列就是典型的例子。因而凡能与调控蛋白特异性结合、从而影响基因转录强弱的序列，不论其对基因转录的作用是减弱、阻止或增强、开放，都可称为操纵区。（4）调控基因

调控基因(regulatorygene)是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。调控蛋白有：阻遏蛋白(repressiveprotein)：与操纵区结合后能减弱或阻止其调控的基因转录，其介导的调控方式为负调控(negativeregulation)；

激活蛋白(activatingprotein)：与操纵区结合后能增强或起动其调控的基因转录，所介导的调控方式为正调控(positiveregulation)。

某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录的影响，这些特定物质可称为效应物（effector）。有两种：诱导剂(inducer)：能引起诱导发生的分子；阻遏剂或辅助阻遏剂(corepressor)：能导致阻遏发生的分子。

例如在乳糖操纵子中，调控基因lacI位于Plac邻近，有其自身的启动子和终止子，转录方向和结构基因群的转录方向一致，编码产生由347个氨基酸组成的调控蛋白R。在环境没有乳糖存在的情况下，R形成分子量为152,000的活性四聚体，能特异性与操纵区ｏ紧密结合，从而阻止利用乳糖的酶类基因的转录，所以R是乳糖操纵子的阻遏蛋白；

当环境中有足够的乳糖时，乳糖与R结合，使R的空间构像变化，四聚体解聚成单体，失去与操纵区特异性紧密结合的能力，从而解除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因得以转录合成利用乳糖的酶类。在这过程中乳糖就是诱导剂，与R结合起到去阻遏作用(derepression)，诱导了利用乳糖的酶类基因转录开放。

许多调控蛋白都是变构蛋白（allostericprotein），通过与上述类似的方式与效应物结合改变空间构像，从而改变活性，起到调节基因转录表达的作用。二、乳糖操纵子的表达调控

大肠杆菌能以乳糖为唯一碳源生长，这是由于它能产生一套利用乳糖的酶。这些酶受乳糖操纵子的控制。大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌DNA的一个特定区段，由调节基因I，启动基因P，操纵基因O和结构基因Z、Y、A组成。

P区是转录起始时RNA聚合酶的结合部位。O区是阻遏蛋白的结合部位，其功能是控制结构基因的转录。平时I基因经常进行转录和翻译，产生有活性的阻遏蛋白。

Z编码β-半乳糖苷酶；Y编码β-半乳糖苷透过酶；A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶。β-半乳糖苷酶是一种β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。

RNA聚合酶结合部位阻遏物结合部位1.阻遏蛋白的负调控

当大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，lac操纵子处于阻遏状态。此ｉ基因在其自身的启动子Pi控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白R，每个细胞中仅维持约10个分子的阻遏蛋白。R以四聚体形式与操纵子ｏ结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子Plac的结合，阻止了基因的转录起动。R的阻遏作用不是绝对的，R与ｏ偶尔解离，使细胞中还有极低水平的

－半乳糖苷酶及透过酶的生成。

当有乳糖存在时，乳糖受

－半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，与R结合，使R构象变化，R四聚体解聚成单体，失去与ｏ的亲和力，与ｏ解离，基因转录开放，使

－半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加1000倍。这就是乳糖对lac操纵子的诱导作用。乳糖操纵子的控制模型，其主要内容如下：

①Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。

②这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区（P），不能单独起动合成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。

③操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。

④当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。

⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。

当一个mRNA含有编码一个以上蛋白质的编码信息，而且这些蛋白质都是以独立的多肽被翻译时，这样的mRNA称之多顺反子mRNA。多顺反子mRNA在细菌中是很普遍的。多顺反子lacmRNA中的lacZ，lacY，lacA经翻译生成的产物分别为LacZ（β-半乳糖苷酶（β-galactosidase））、LacY（β-半乳糖苷通透酶（β-galactosidepermease））和LacA（β-半乳糖苷转乙酰基酶（thiogalactosidetransacetylase））。

半乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物，人们发现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能被β-半乳糖苷酶水解的β-半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside：IPTG）起着lac操纵子的一个诱导物的作用，所以IPTG常用于诱导含有使用了lac启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。

一些化学合成的乳糖类似物，不受

－半乳糖苷酶的催化分解，却也能与R特异性结合使R构象变化，诱导lac操纵子的开放。例如异丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiog-alactoside，IPTG)就是很强的诱导剂；不被细菌代谢而十分稳定。X-gal（5-溴-4-氯-3-吲哚-β-半乳糖苷）也是一种人工化学合成的半乳糖苷，可被

－半乳糖苷酶水解产生兰色化合物，因此可以用作

－半乳糖苷酶活性的指示剂。IPTG和X-gal都被广泛应用在分子生物学和基因工程的工作中。

lac操纵子受LacI阻遏蛋白调控。在没有诱导剂（乳糖或IPTG）存在时，LacI阻遏蛋白与lac操纵子DNA序列结合得非常紧密，lac基因不能进行转录。当IPTG存在时，IPTG与LacI阻遏蛋白相互作用，形成LacI阻遏蛋白－IPTG复合物，体外研究表明，该复合物对lac操纵基因的亲和性为单独LacI阻遏蛋白的亲和性的千分之一。所以IPTG作为lac基因表达的一个诱导剂，起着转录去阻遏作用。就象（下图）表示的那样，RNA聚合酶的结合部位（lac操纵基因）也是LacI阻遏蛋白的结合部位，实验表明RNA聚合酶和LacI阻遏蛋白对操纵基因序列的结合是相互排斥的。

原核生物基因表达的调控乳糖代谢基因表达调控图解：(没有乳糖时)ＲＰＯ

lacZlacY

lacA调节基因启动子操纵基因结构基因RNA聚合酶信使RNA转录翻译阻抑物与操纵基因结合，结构基因转录受阻．阻抑物原核生物基因表达的调控乳糖代谢基因表达调控图解：(有乳糖时)ＲＰＯ

lacZlacY

lacA调节基因启动子操纵基因结构基因RNA聚合酶信使RNA转录翻译阻抑物与乳糖结合后构象发生了改变，因而不能与操纵基因结合，使得结构基因进行转录。阻抑物乳糖转录半乳糖苷酶酶酶乳糖分解代谢调控过程是一个自我调控过程2.CAP的正调控

细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖分解产生能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。细菌中有一种能与cAMP特异结合的cAMP受体蛋白CRP(cAMPreceptorprotein)，当CRP未与cAMP结合时它是没有活性的，当cAMP浓度升高时，CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，称为CAP(CRP-cAMPactivatedprotein)，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。

在lac操纵子的启动子Plac上游端有一段序列与Plac部分重叠的序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合位点（CAPbindingsite）。CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活性，使转录提高50倍。相反，当有葡萄糖可供分解利用时，cAMP浓度降低，CRP不能被活化，lac操纵子的结构基因表达下降。

由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使lac操纵子转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。lac操纵子的强诱导既需要有乳糖的存在又需要没有葡萄糖可供利用。通过这机制，细菌是优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。

细菌对葡萄糖以外的其他糖（如阿拉伯糖、半乳糖、麦芽糖等）的利用上也有类似对乳糖利用的情况，在含有编码利用阿拉伯糖的酶类基因群的阿拉伯糖操纵子（araoperon）、半乳糖操纵子（galoperon）中也有CAP结合位点，CAP也起类似的正性调控作用。所以CAP的通用名称是分解代谢基因激活蛋白（catabolicgeneactivatorprotein）。

不难看出：CAP结合位点就是一种起正性调控作用的操纵子，CAP则是对转录起正性作用的调控蛋白──激活蛋白，编码CRP的基因也是一个调控基因，不过它并不在lac操纵子的附近，CAP可以对几个操纵子都起作用。从上所述，乳糖操纵子属于可诱导操纵子（inducibleoperon），这类操纵子通常使是关闭的，当受效应物作用后诱导开放转录。这类操纵子使细菌能适应环境的变化，最有效地利用环境能提供的能源底物。乳糖操纵子的诱导

11.4色氨酸操纵子的表达调控

色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担