第八章原核生物的基因表達調控

第八章原核生物的基因

表達調控主要內容第一節(jié)基因表達調控概述第二節(jié)乳糖操縱子第三節(jié)色氨酸操縱子第四節(jié)其他操縱子基因表達的概念*基因組(genome)一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因?！彩侵负幸粋€生物體生存、發(fā)育、活動和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸。是指儲存遺傳信息的基因經過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個過程。典型的基因表達是基因經過轉錄、翻譯，產生有生物活性的蛋白質的過程?；虮磉_(geneexpression)大腸桿菌基因組（約4000個基因)，一般情況下只有5－10%在高水平轉錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達，或者暫時不表達。人的基因組約含有10萬個基因，但在一個組織細胞中通常只有一部分基因表達，多數(shù)基因處在沉靜狀態(tài)，典型的哺乳類細胞中開放轉錄的基因約在1萬個上下，即使蛋白質合成量比較多、基因開放比例較高的肝細胞，一般也只有不超過20%的基因處于表達狀態(tài)。生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達出來的基因表達的時間性及空間性☆

時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性(temporalspecificity)。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)?！?/p>

空間特異性基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性(spatialspecificity)?；虮磉_的方式按對刺激的反應性，基因表達的方式分為：☆

組成性表達某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。管家基因無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為組成性基因表達(constitutivegeneexpression)。基本的基因表達只受到啟動序列或者啟動子與RNA聚合酶相互作用的影響組成性基因表達也是相對的，而不是一成不變的，其表達強弱也是受一定機制調控的。☆

誘導和阻遏表達適應性表達(adaptiveexpression)指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。

改變基因表達的情況以適應環(huán)境，例如與適宜溫度下生活相比較，在冷或熱環(huán)境下適應生活的動物，其肝臟合成的蛋白質圖譜就有明顯的不同；長期攝取不同的食物，體內合成代謝酶類的情況也會有所不同。所以，基因表達調控是生物適應環(huán)境生存的必需。是指在特定環(huán)境因素刺激下，可誘導基因被激活，從而使基因的表達產物增加。如:DNA發(fā)生損傷時，修復酶的誘導激活。誘導表達（induction）在特定環(huán)境信號刺激下，相應的基因被激活，基因表達產物增加，這種基因稱為可誘導基因。如果基因對環(huán)境信號應答是被抑制，這種基因是可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產物水平降低的過程稱為阻遏。阻遏(repression)如：周圍有充足的葡萄糖，細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類的酶類，如乳糖操縱子被阻遏、關閉。在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調一致、共同表達，即為協(xié)調表達(coordinateexpression)，這種調節(jié)稱為協(xié)調調節(jié)(coordinateregulation)。基因激活轉錄起始轉錄后加工mRNA降解蛋白質降解等蛋白質翻譯翻譯后加工修飾轉錄水平的基因表達調控最重要基因表達的多級調控基因表達調控的生物學意義（一）適應環(huán)境、維持生長和增殖（二）維持個體發(fā)育與分化原核生物基因表達調控的特點主要是適應性調節(jié)主要是轉錄水平的調節(jié)以操縱子為單位，有正、負調控兩種機制分解代謝：碳源首先是葡萄糖，其它碳源必須先分解為葡萄糖，才能利用。合成代謝：當培養(yǎng)基中含某種氨基酸時，有關這種氨基酸生物合成的酶類幾乎完全缺失。細菌細胞對營養(yǎng)的適應：

F·雅各布（FrancoisJacob1920～）法國生物化學家、分子生物學家

J·L·莫諾（JacquesL.Monod1910～1976）法國生物學家

操縱子(operon)

機制大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖，當培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時，細菌優(yōu)先使用葡萄糖，當葡萄糖耗盡，細菌停止生長，經過短時間所以適應，就能利用乳糖，細菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長。結構基因（structuralgene,SG）：編碼蛋白質蛋白質多肽鏈和功能RNA的基因。在細菌基因組中，編碼功能相關的結構基因通常成簇排列在一起，共轉錄到一條mRNA分子上，由同一個控制元件和啟動子驅動調節(jié)基因（regulatorygene）：編碼能與操縱序列結合的調控蛋白的基因。調節(jié)蛋白與DNA上特定位點結合控制轉錄

操縱子：在代謝途徑中功能密切相關的一組蛋白質編碼的結構基因區(qū)域加上其調控區(qū)域組成的控制單元。激活物結合位點——阻遏蛋白(repressor)的結合位點當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白

操縱序列

其他調節(jié)序列、調節(jié)蛋白例如激活蛋白(activator)可結合啟動序列鄰近的DNA序列，促進RNA聚合酶與啟動序列的結合，增強RNA聚合酶活性。啟動序列編碼序列操縱序列pol激活蛋白有些基因在沒有激活蛋白存在時，RNA聚合酶很少或完全不能結合啟動序列。啟動序列編碼序列操縱序列pol激活蛋白圖

轉錄水平的負調控與正調控

操縱子調控系統(tǒng)的基本類型第二節(jié)乳糖操縱子☆

乳糖操縱子的結構☆

乳糖操縱子的負調節(jié)機制☆

乳糖操縱子的正調節(jié)機制

乳糖操縱子的結構mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏基因乳糖操縱子的負調節(jié)機制mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶

別乳糖是lac操縱子轉錄的活性誘導物，人們發(fā)現(xiàn)一個合成的、結構上類似于別乳糖、不能被β-半乳糖苷酶水解的β-半乳糖苷異丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside：IPTG）起著lac操縱子的一個誘導物的作用，所以IPTG常用于誘導含有使用了lac啟動子的質粒載體的細菌中的重組蛋白的表達。

lac

操縱子受LacI阻遏蛋白調控。在沒有誘導劑（乳糖或IPTG）存在時，LacI阻遏蛋白與lac

操縱子DNA序列結合得非常緊密，lac

基因不能進行轉錄。當IPTG存在時，IPTG與LacI阻遏蛋白相互作用，形成LacI阻遏蛋白－IPTG復合物，體外研究表明，該復合物對lac

操縱基因的親和性為單獨LacI阻遏蛋白的親和性的千分之一。所以IPTG作為lac基因表達的一個誘導劑，起著轉錄去阻遏作用。RNA聚合酶的結合部位（lac操縱基因）也是LacI阻遏蛋白的結合部位，實驗表明RNA聚合酶和LacI阻遏蛋白對操縱基因序列的結合是相互排斥的。

阻遏物有2個結合位點：一個是誘導物結合位點，另一個是操縱基因結合位點。當誘導物在相應位點結合時，它改變了阻遏蛋白的構象，干擾了另一位點的活性。這種類型的調控叫變構調控。阻遏物阻遏蛋白的結構：N端1～59aa－頭部片段，與操縱基因DNA的大溝結合；核心區(qū)：有6個折疊，誘導物就結合在兩個核心區(qū)之間的裂縫中；C端為兩組亮氨酸拉鏈，形成四聚體。阻遏蛋

白單體

的三級

結構lac操縱子可誘導的負調控乳糖操縱子的正調節(jié)機制細菌優(yōu)先利用葡萄糖作為碳源，抑制其他糖類代謝的操縱子表達，如果有葡萄糖存在，即使有乳糖等其它誘導物碳源的存在，也優(yōu)先利于葡萄糖。CAP的正性調節(jié):CAP蛋白是一個同二聚體，具有DNA結合域和cAMP結合位點。當沒有葡萄糖存在時，由于cAMP的濃度受葡萄糖代謝的調節(jié)，cAMP濃度表現(xiàn)為較高，這時cAMP與CAP蛋白結合形成cAMP-–CAP復合物。此復合物可結合劑lac啟動基因上游附近的CAP位點上，從而可增強轉錄達50倍之多。葡萄糖分解代謝降低cAMP水平，使得其他分解代謝受阻。

CAP的正性調節(jié)

當培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時，cAMP濃度較低，cAMP與CAP蛋白不能形成復合物，也就不能結合到CAP位點，lac基因的轉錄水平較低。由此可見，對lac操縱子來說CAP是正性調節(jié)因素，lac阻遏蛋白是負性調節(jié)因素。CAP對RNA聚合酶的作用直接作用于RNA聚合酶，作用于DNA，改變其結構，以協(xié)助RNA聚合酶結合與DNA結合后引起DNA呈程90度彎曲使CAP能與啟動子上的RNA接觸乳糖操縱子調控方式的比較與變構物結合無活性有活性負調控正調控調節(jié)蛋白阻遏蛋白CAP變構物別乳糖，乳糖cAMP基因位點

O基因CAP位點結合于基因位點基因關閉基因開放未結合于基因位點

基因開放基因關閉不與變構物結合

有活性無活性只有在無glu而有誘導物存在是，cAMP－CAP正調控和可誘導的lac負調控同時起作用，細菌才利用lac協(xié)調調節(jié)(coordinateregulation)負性調節(jié)與正性調節(jié)協(xié)調合作阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP不發(fā)揮作用如沒有CAP加強轉錄，即使阻遏蛋白從P上解聚仍無轉錄活性葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌優(yōu)先利用葡萄糖葡萄糖可降低cAMP濃度，阻礙其與CAP結合從而抑制轉錄

結論：lac操縱子強的誘導作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖第三節(jié)色氨酸操縱子☆

trp操縱子的結構☆

啟動子調控——阻遏系統(tǒng)☆

弱化子（衰減子）調控trp操縱子的結構：結構基因（E、D、C、B、A）分別編碼從分支氨酸起始合成色氨酸途徑的酶或酶亞基調控區(qū)域，包括啟動子區(qū)（P）、操縱區(qū)（O）、前導肽編碼區(qū)（L）和弱化子區(qū)（a）在trpA之后有兩個終止信號t和t′，其中t′為因子所識別，因此因子也參與了調控。Trp操縱子的調節(jié)基因（trpR）產生輔阻遏蛋白，遠離trp操縱子。trp操縱子的結構特點阻遏物基因trpR（89′）和結構基因trpEDCBA）不緊密連鎖；操縱基因在啟動子區(qū)域內啟動子、操縱基因不直接和結構基因毗鄰，而和前導順序直接相聯(lián)有衰減子結構，在合成代謝的操縱子的前導區(qū)內，可以輔助阻遏作用進行轉錄調控啟動子調控——阻遏系統(tǒng)色氨酸阻遏蛋白（TrpR）

兩個亞基的二聚體，一個中心區(qū)域（18個堿基回文序列），兩個DNA解讀頭部（梭基端形成）色氨酸構象變化結合DNA色氨酸操縱子的可阻遏調控TrpR單獨是不能與操縱基因結合的，只有與色氨酸結合后，構象發(fā)生改變，或為具有活性的阻遏物與操縱基因結合，使RNAPol不能和啟動子結合而抑制了轉錄。色氨酸就稱為輔阻遏物（corepressor）色氨酸操縱子的兩種調控方式粗調：可阻遏的負調控，即由輔阻遏物（色氨酸）和阻遏蛋白R構成的活性阻遏復合物結合到操縱基因上，由于操縱基因和啟動子的重疊，造成RNA聚合酶受阻，操縱子不能轉錄，控制轉錄的起始。細調：衰減系統(tǒng)，通過核糖體對mRNA前導序列的結合，是否形成終止子結構對轉錄終止進行調控，控制轉錄是否進行下去。Trp

Trp

高時Trp

低時mRNAOPtrpR調節(jié)區(qū)結構基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶?色氨酸操縱子可阻遏的負調控弱化子（衰減子）調控

測序發(fā)現(xiàn)，在第一個結構基因（trpE）的5′-端有一個長160bp的前導序列（leadersequence）。當此序列缺失130~160bp時，mRNA總是最高水平的。而當trp存在時，mRNA的表達水平降低。前導序列能編碼出一個內含兩個并連的trp的14肽，由于這兩個trp的合成速度能控制核糖體在mRNA上的移動，使得前導序列的轉錄產物mRNA可形成特殊的結構，類似轉錄終止信號，因此編碼該結構區(qū)域的基因被稱為弱化子（衰減子）。前導序列的特點某些區(qū)段富含GC，GC區(qū)段易形成莖環(huán)二級結構，末端有8個U的區(qū)段構成一個不依賴于ρ因子的終止信號，能使mRNA合成提前終止，產生139個核苷酸長度的前導RNA。前導序列中在10、11位有并列兩個色氨酸密碼子含4個互補區(qū)段，1和2、2和3、3和4均能互補配對形成發(fā)夾結構A、B和C。其中1區(qū)處于14個氨基酸的前導肽序列中。若形成A、C發(fā)夾結構，則轉錄終止，若形成B發(fā)夾結構，則轉錄繼續(xù)，而發(fā)夾結構形成那種形式取決于外界trp含量。UUUU……UUUU……調節(jié)區(qū)結構基因trpROP前導序列衰減子區(qū)域UUUU……前導mRNA1234衰減子結構

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結構能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp

密碼子

UUUU……UUUU……34UUUU3’34核糖體前導肽前導mRNA1.當色氨酸濃度高時轉錄衰減機制

125’

trp

密碼子衰減子結構就是終止子可使轉錄前導DNAUUUU3’

RNA聚合酶終止UUUU……342423UUUU……核糖體前導肽前導mRNA15’

trp

密碼子

結構基因前導DNA

RNA聚合酶2.當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關結構基因被轉錄序列3、4不能形成衰減子結構衰減效應在色氨酸濃度未達到能起阻遏作用時，從trpP起始轉錄，RNA聚合酶沿DNA轉錄合成mRNA，同時，核糖體就結合到新生成的mRNA核糖體結合位點上，開始翻譯。當色氨酸濃度低時，tRNA

trp-色氨酸量就少，使核糖體沿mRNA翻譯移動的速度慢，趕不上RNA聚合酶沿DNA移動轉錄的速度，這時核糖體占據(jù)前導序列1區(qū)域，使不能生成發(fā)夾結構A，于是2和3區(qū)域配對就形成發(fā)夾結構B，阻止了C生成終止信號的結構，RNA聚合酶得以沿DNA前進，繼續(xù)去轉錄，trp操縱元就處于開放狀態(tài)。

當色氨酸濃度低時：當色氨酸濃度高時：當色氨酸濃度低時，tRNA

trp-色氨酸量就少，使核糖體沿mRNA翻譯移動的速度慢，趕不上RNA聚合酶沿DNA移動轉錄的速度，這時核糖體占據(jù)前導序列1區(qū)域，使不能生成發(fā)夾結構A，于是2和3區(qū)域配對就形成發(fā)夾結構B，阻止了C生成終止信號的結構，RNA聚合酶得以沿DNA前進，繼續(xù)去轉錄，trp操縱元就處于開放狀態(tài)。當色氨酸濃度增高時，tRNA

trp-色氨酸濃度隨之升高，核糖體沿mRNA翻譯移動的速度加快，占據(jù)1和2區(qū)域，1和2、2和3配對的機會減少，3和4配對就形成具有終止結構C莖環(huán)，RNA聚合酶終止轉錄，于是已經開始的轉錄就減弱。細菌其他氨基酸合成系統(tǒng)的許多操縱子（如組氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸等操縱子）中也有類似的衰減子存在。阻遏蛋白的負調控作用只能使轉錄不起始，對于已經開始了的轉錄，則只能通過衰減作用使基因的表達停頓下來。衰減作用在原核生物中普遍存在衰減機制在控制基因產物的量和產物種類的配比上起著快速靈敏的調節(jié)作用，使操縱基因表達更為精密、高效。衰減作用的生物學意義一、阿拉伯糖操縱子(araO)二、組氨酸操縱子（hutO）第四節(jié)、其它操作子的調控阿拉伯糖操縱子是調控阿拉伯糖分解代謝所需酶系的操縱子。它具有正調控和負調控的功能。參與阿拉伯糖分解代謝的酶系共有三個操縱子編碼，這三個操縱子分別是：araBAD、araE和araF。它們由一個共同的araC基因產物進行調控。

araBAD：包括三個基因：araB、araA和araD。分別編碼L-核酮糖激酶、L-阿拉伯糖異構酶和L-核酮糖-5-磷酸-4-表面異構酶。

araE和araF：編碼膜結合蛋白，與阿拉伯糖的結合與轉運有關。阿拉伯糖操縱子（Arabinose

operon）結構與功能

C蛋白具有雙功能：它與araO1(-100~-144bp)結合，起阻遏作用，包括其自身的表達；C與阿拉伯糖結合形成Cind復合物，即誘導型C蛋白。它結合與araI

區(qū)（-40—-78bp），使RNA聚合酶結合于PBAD

位點（+40bp），轉錄B、A和D三個基因。

C蛋白的兩種狀態(tài)：Cind和Crep

，功能不同，結合的位點也不同。前者結合于araI，后者結合于araO1和araO2C蛋白還可以調節(jié)分散的基因：araE和araF。有兩個啟動子：PC和PBAD

。

PC啟動子與araO1

重疊。調控方式☆

當存在Ara和Glu時，araC轉錄少量C蛋白并與araO1結合，反饋性抑制araC的轉錄。☆當有Ara而無Glu時，Ara可作為糖源。此時Ara與少量的C蛋白結合，形成誘導型C蛋白----Cind，它作為正調控因子與araI

結合，促進了araPBAD

的轉錄，產生了3種酶，促進Ara的分解?！町敓oAra或用完后，C蛋白（Crep

）與araO1結合，阻礙RNA聚合酶在此區(qū)域結合，關閉操縱子；或與araI

和araO2結合，形成環(huán)狀，阻遏了PBAD和PC啟動。表

ara操縱子的調控條件表達有Ara有Glu,無CAParaC本底轉錄→少量Crep結合O1→阻止轉錄無Glu,有CAPAra+C→Cind→araI→araPBAD

的轉錄無AraCrepCrep過量→結合O1阻遏araPC或結合O1和

O2成環(huán)，阻遏PC或PBAD與His降解代謝有關的兩組酶類被稱為hut酶(histidineutilizingenzyme)，控制這些酶合成的操縱子被稱為hutoperon。由一個多重調節(jié)的操縱子控制，有兩個啟動子，兩個操縱區(qū)及兩個正調節(jié)蛋白。

Hut操縱子共編碼4種酶和一個阻遏物。4種酶分別由hutG、hutH、hutI及hutU基因編碼，阻遏物則由hutC基因編碼。在產氣克氏菌中，以上基因構成兩個轉錄單位，hutI、hutG、hutC和hutU、hutH分別被轉錄合成兩條mRNA長鏈。這兩個轉錄單位各自都有一個啟動子和一個操縱區(qū)，其轉錄過程都是從左向右進行的，hutC阻遏物能與每個操縱區(qū)相結合。組氨酸操縱子無論以組氨酸作為唯一碳源或氮源，hut操縱子都會處于有活性狀態(tài)。Hut操縱子的每一個啟動子上都有cAMP-CAP結合位點，當碳供應匱乏時，能合成cAMP，出現(xiàn)cAMP-CAP復合物，并與操縱區(qū)上的相應位點結合，誘發(fā)基因轉錄。雖然尚不清楚氮源缺乏時的信號是什么，但它很可能也是一個正效應子。翻譯起始的調控重疊核苷酸與翻譯調控翻譯水平的自我調控二級結構對翻譯起始的調控反義RNA的調控作用mRNA穩(wěn)定性對翻譯的調控翻譯的延伸調控稀有密碼子的調控第五節(jié)翻譯水平上的調控

在原核生物常常出現(xiàn)操縱子中相鄰的基因有少量的DNA順序發(fā)生重疊，這不僅