原核生物的基因表達(dá)調(diào)控調(diào)控

1、第九章 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控調(diào)控第一節(jié) 轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控一、乳糖操縱子1961年Jacob和Monod，提出了操縱子模型。操縱子是原核生物基因表達(dá)和調(diào)控的單元。典型的操縱子包括一組結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄所需的順式作用序列，這些序列包括啟動子（promoter）、操縱基因（operator）以及其他與轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的序列。一個操縱子的所有結(jié)構(gòu)基因均由同一啟動子起始轉(zhuǎn)錄并受到相同調(diào)控元件的調(diào)節(jié)，所以從結(jié)構(gòu)上可以把它們看作一個整體。操縱子的結(jié)構(gòu)基因編碼在某一特定代謝途徑中起作用的酶，它們被轉(zhuǎn)錄成一條多順反子mRNA，這是原核生物的典型特征。 1、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)乳糖操縱子具有三個結(jié)構(gòu)基因：lacZ編

2、碼半乳糖苷酶，它可將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖；lacY編碼乳糖轉(zhuǎn)移酶，該蛋白插入細(xì)胞膜中，將乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)；lacA編碼硫代半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶，該酶的作用是消除同時被乳糖轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)的硫代半乳糖苷對細(xì)胞造成的毒性。2、乳糖操縱子的阻遏與誘導(dǎo)lacI編碼的阻遏蛋白以四聚體的形式與操縱基因結(jié)合，關(guān)閉三個結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。由于阻遏蛋白偶爾會脫離操縱子基因，所以操縱子的轉(zhuǎn)錄并非完全關(guān)閉，仍會有本底水平的表達(dá)，細(xì)胞內(nèi)會有幾個分子的半乳糖苷酶和透性酶。當(dāng)培養(yǎng)基中加入乳糖后，細(xì)胞中所含的少量的透性酶，使細(xì)胞能夠吸收乳糖，半乳糖苷酶則催化一些乳糖轉(zhuǎn)化為異乳糖。異乳糖可作為誘導(dǎo)物結(jié)合到阻遏蛋白上，從而引起

3、阻遏物四聚體構(gòu)象的變化，降低了阻遏蛋白與操縱基因的親和力，導(dǎo)致阻遏蛋白從操縱序列上脫離下來。RNA聚合酶迅速開始lacZYA基因的轉(zhuǎn)錄。3、葡萄糖對lac操縱子表達(dá)的影響葡萄糖是細(xì)菌優(yōu)先利用的糖類。當(dāng)葡萄糖和其他糖類（比如乳糖）同時存在時，細(xì)菌只利用葡萄糖而不代謝別的糖類。因此，乳糖操縱子只有在乳糖存在，同時葡萄糖缺乏時才會高水平表達(dá)。原因是乳糖操縱子除了受阻遏蛋白的調(diào)節(jié)，還要受到分解代謝活化子蛋白（catabolic activator protein，CAP）的調(diào)節(jié)。二、色氨酸操縱子在一些操縱子中，阻遏蛋白自身并不能與操縱基因結(jié)合，關(guān)閉結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。它們需要首先與稱作輔阻遏物(corep

4、ressor)的小分子物質(zhì)結(jié)合后才能與操縱基因結(jié)合。在大腸桿菌中，參與很多氨基酸和維生素合成的酶的表達(dá)就是以這種方式受到調(diào)控的。1、色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)Trp操縱子包括5個結(jié)構(gòu)基因（trpA、B、C、D、E），這5個基因由共同的啟動子（Ptrp）起始轉(zhuǎn)錄，形成一條多順反子mRNA。它們編碼的酶是由分支酸合成色氨酸所必需的。像許多氨基酸生物合成操縱子一樣，當(dāng)細(xì)胞缺乏生物合成途徑的終產(chǎn)物色氨酸時，這些基因協(xié)同表達(dá)。2、Trp操縱子的負(fù)調(diào)控Trp操縱子負(fù)調(diào)控系統(tǒng)中的調(diào)控蛋白是由TrpR基因編碼的阻遏蛋白。色氨酸阻遏物必需與色氨酸相結(jié)合才能成為有活性的阻遏物，與操縱基因結(jié)合關(guān)閉trp mRNA的轉(zhuǎn)錄。因

5、此，在這個系統(tǒng)中，起輔阻遏物作用的是trp操縱子所編碼酶的終產(chǎn)物。當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸含量較高時，它與色氨酸阻遏蛋白結(jié)合，并使之與操縱區(qū)DNA緊密結(jié)合；當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸供應(yīng)不足時，阻遏蛋白失去色氨酸并從操縱區(qū)上解離，trp操縱子去阻遏。三、全局調(diào)節(jié)CAP是一種全局性的調(diào)節(jié)子，可以激活乳糖操縱子、半乳糖操縱子和麥芽糖操縱子的表達(dá)。當(dāng)CAP與cAMP結(jié)合后，cAMP-CAP形成二聚體，結(jié)合至啟動子的上游識別位點(diǎn)，協(xié)作RNA聚合酶與啟動子結(jié)合。cAMP是一種全局性的調(diào)節(jié)信號。當(dāng)培養(yǎng)基中的葡萄糖被耗盡時，細(xì)胞內(nèi)cAMP的水平升高，與CAP結(jié)合，激活代謝乳糖、半乳糖和麥芽糖的操縱子。因此，激活代謝某種糖份（

6、比如乳糖）的基因既需要特異性的信號（乳糖的存在），也需要全局性的信號（cAMP）。受一種調(diào)節(jié)蛋白調(diào)控的一組基因或操縱子稱為調(diào)節(jié)子（regulon），這些基因或操縱子可以位于一條染色體的不同位置上。四、不同因子對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控在轉(zhuǎn)錄起始過程中，因子的作用是負(fù)責(zé)識別啟動子的共有序列，并參與圍繞10區(qū)打開DNA雙鏈的過程。包括大腸桿菌在內(nèi)的許多細(xì)菌能產(chǎn)生一系列識別不同類型啟動子的因子。當(dāng)環(huán)境條件需要細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)模式發(fā)生較大改變時，細(xì)菌會利用一種特定的因子來指導(dǎo)RNA聚合酶結(jié)合到不同的啟動子序列上，轉(zhuǎn)錄不同類型的基因。 五、雙組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)雙組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)（two-component regulatory

7、system）是由兩個組分構(gòu)成的基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)。第一種組分是應(yīng)答調(diào)節(jié)子（response regulator），應(yīng)答調(diào)節(jié)子是一種DNA結(jié)合蛋白，磷酸化后與DNA結(jié)合，激活或者抑制轉(zhuǎn)錄。第二種組分是跨膜的感應(yīng)蛋白激酶（sensor kinase），當(dāng)感受到一個特定信號（通常是環(huán)境刺激，有時也可以是內(nèi)部信號）時，感應(yīng)蛋白激酶的構(gòu)象發(fā)生變化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的自體磷酸化，并把磷酸基團(tuán)傳遞給DNA結(jié)合蛋白。第二節(jié) 轉(zhuǎn)錄起始后調(diào)控一、弱化子研究表明色氨酸操縱子兩種機(jī)制的調(diào)控。如果trp操縱子只受trpR編碼的阻遏物調(diào)控，那么在缺乏或存在色氨酸時，trpR突變使trp操縱子表達(dá)的酶量應(yīng)該是相同的。可是，在tr

8、pR缺失突變體中，培養(yǎng)基中缺乏色氨酸比有色氨酸存在時操縱子的表達(dá)水平更高，說明色氨酸操縱子除受Trp阻遏物調(diào)控外，還受另一機(jī)制的調(diào)控。當(dāng)Trp阻遏物對trp操縱子的阻遏作用被解除，但細(xì)胞內(nèi)仍有一定濃度的色氨酸時，第二種調(diào)控機(jī)制使trp操縱子的轉(zhuǎn)錄在抵達(dá)trpE之前被提前終止，這種現(xiàn)象稱為弱化作用。1、前導(dǎo)RNA的結(jié)構(gòu)在trp mRNA5端trpE基因的起始密碼子前有一個長162 bp的mRNA片段被稱作前導(dǎo)區(qū)（leader RNA），前導(dǎo)序列具有下列明顯的特征： （1）含有一個閱讀框，編碼一個由14個氨基酸殘基構(gòu)成的前導(dǎo)肽。前導(dǎo)肽第10和第11位上有兩個相鄰的色氨酸密碼子。（2）前導(dǎo)區(qū)有4個分

9、別以1、2、3和4表示的序列，它們之間能夠以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對。在沒有其他因素介入的情況下，1區(qū)和2區(qū)配對，3區(qū)和4區(qū)配對形成兩個莖環(huán)結(jié)構(gòu)。第二種配對方式是2區(qū)和3區(qū)配對形成一個莖環(huán)結(jié)構(gòu)。2、弱化作用當(dāng)細(xì)胞中的色氨酸濃度較高時，核糖體會順利通過前導(dǎo)區(qū)兩個相鄰的色氨酸密碼子，抵達(dá)到2區(qū)，1區(qū)和2區(qū)被部分覆蓋，這時，4區(qū)的合成剛剛結(jié)束。于是，34區(qū)形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，34莖環(huán)結(jié)構(gòu)后面緊接著7個連續(xù)的U，從而形成一個典型的終止子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄提前終止。所以，弱化作用形成的原因是當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的色氨酸水平較高時，trp mRNA的前導(dǎo)區(qū)會形成一個終止子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄在弱化子區(qū)結(jié)束，釋放出一個由139個核苷

10、酸構(gòu)成的先導(dǎo)序列。當(dāng)色氨酸缺乏時，幾乎沒有攜帶色氨酸的色氨酰-tRNA，翻譯將在兩個色氨酸密碼子處停頓，核糖體占拒1區(qū)，使2區(qū)和3區(qū)自由配對，形成23莖環(huán)結(jié)構(gòu)。23莖環(huán)結(jié)構(gòu)的形成使34莖環(huán)結(jié)構(gòu)不能形成，轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進(jìn)行，直到將trp操縱子中的結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄。二、核糖體蛋白的自體控制核糖體蛋白合成速率的調(diào)控是一種自體調(diào)控（autoregulation）?；虮磉_(dá)的自體調(diào)控是指一個基因的表達(dá)產(chǎn)物反過來抑制自身基因的表達(dá)，這實(shí)際上也是一種反饋機(jī)制。自體調(diào)控可以在基因表達(dá)的不同水平上進(jìn)行，但是對核糖體蛋白合成的調(diào)控主要是發(fā)生在翻譯水平上的自體調(diào)控。操縱子的一個核糖體蛋白基因的編碼產(chǎn)物與mRNA的翻譯起

11、始區(qū)結(jié)合以后就會抑制其自身以及操縱子上其他核糖體蛋白質(zhì)的翻譯。三、嚴(yán)緊反應(yīng)大腸桿菌缺乏某種氨基酸，不但會使蛋白質(zhì)的合成終止，也會導(dǎo)致rRNA和tRNA合成被抑制，而一些與氨基酸合成和運(yùn)輸有關(guān)的基因被誘導(dǎo)表達(dá)。這種由氨基酸饑餓引起的基因表達(dá)模式的變化稱為嚴(yán)緊反應(yīng)（stringent response）。嚴(yán)緊反應(yīng)是由兩種特殊的核苷酸（ppGpp和pppGpp）引發(fā)的，最初因它們的電泳遷移率和一般的核苷酸不同，被稱為“魔斑I”和“魔斑II”。這兩種核苷酸通稱為（p）ppGpp。四、反義RNA反義RNA是與mRNA互補(bǔ)的RNA分子，由獨(dú)立的基因編碼，可被用于基因表達(dá)調(diào)控。反義RNA被合成后，與mRNA

12、的互補(bǔ)區(qū)退火，阻止mRNA與結(jié)合核糖體結(jié)合，因而阻斷了mRNA的翻譯。細(xì)菌鐵蛋白被細(xì)菌用來儲存細(xì)胞中剩余的鐵元素。細(xì)菌鐵蛋白由bfr基因編碼，它的合成受反義RNA的調(diào)控。反義RNA由anti-bfr基因編碼。反義基因的序列與其調(diào)節(jié)的基因序列相似，但要短一些，這是因?yàn)橹恍枰恍《畏戳xRNA就可以封閉mRNA。bfr基因的轉(zhuǎn)錄不受細(xì)胞內(nèi)鐵濃度的影響。然而，反義bfr基因的轉(zhuǎn)錄受到調(diào)節(jié)蛋白Fur（Ferric Uptake Regulator）的控制。Fur能夠感應(yīng)細(xì)胞內(nèi)鐵的水平。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)有充足的鐵時，F(xiàn)ur作為抑制蛋白關(guān)閉一組使細(xì)胞能夠適應(yīng)缺鐵環(huán)境的操縱子，其中包括幾種鐵元素吸收系統(tǒng)，它們能夠使細(xì)

13、胞吸收痕跡水平的鐵。另外，F(xiàn)ur也關(guān)閉反義bfr基因，細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)菌鐵蛋白。在低鐵條件下，反義bfr基因被轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生反義RNA，阻止細(xì)菌鐵蛋白的合成。第三節(jié) DNA重排對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）是一種與大腸桿菌密切相關(guān)的細(xì)菌，被攝入后能夠引起嘔吐和腹瀉。鞭毛蛋白是鼠傷寒沙門氏菌的一種主要抗原。鼠傷寒沙門氏菌能夠表達(dá)兩種類型的鞭毛蛋白，H1和H2。這兩種鞭毛蛋白分別由染色體上相距甚遠(yuǎn)的兩個基因編碼，但是任何一個沙門氏菌細(xì)胞只會表達(dá)一種類型的鞭毛蛋白。當(dāng)一群細(xì)胞生長、增殖時，其中的一些子代細(xì)胞會自發(fā)地改變其鞭毛蛋白的類型，即H1型鞭毛轉(zhuǎn)變成H2型鞭

14、毛，或者H2型鞭毛轉(zhuǎn)變成H1型鞭毛，這一過程稱為相變（phase variation）。相變可以保護(hù)細(xì)菌抵抗脊椎動物宿主的免疫系統(tǒng)的進(jìn)攻。如果宿主產(chǎn)生了針對一種鞭毛蛋白的抗體，發(fā)生相變的細(xì)菌仍能生存和增殖，直到免疫系統(tǒng)對新型的鞭毛蛋白產(chǎn)生免疫應(yīng)答。H2操縱子有兩個結(jié)構(gòu)基因，H2和rH1，rH1的編碼產(chǎn)物專一性抑制H1基因的表達(dá)。因此，當(dāng)H2操縱子表達(dá)時，H1基因的轉(zhuǎn)錄被rH1阻遏蛋白抑制。H2操縱子能否表達(dá)與其上游一段995 bp序列的方向有關(guān)。該片段含有一個完整的Hin基因，以及H2操縱子的啟動子,它的兩個末端為14 bp的倒轉(zhuǎn)重復(fù)序列。當(dāng)H2啟動子以53方向存在時，H2操縱子表達(dá)，產(chǎn)生H2鞭毛蛋白和rH1阻遏蛋白。大約細(xì)菌細(xì)胞每分裂1 000次，這一片段會發(fā)生一