第六章原核基因表達(dá)調(diào)控

一、原核基因表達(dá)調(diào)控總論二、乳糖操縱子的調(diào)控模式三、色氨酸操縱子的調(diào)控模式四、其他操縱子的調(diào)控機(jī)制五、原核生物的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控第七章原核基因表達(dá)調(diào)控模式基因表達(dá)：基因組：是指含有一個(gè)生物體生存、發(fā)育、活動(dòng)和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸。生物基因組的遺傳信息并不是同時(shí)全部都表達(dá)大腸桿菌:約3000個(gè)基因，一般情況下只有5－10%在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)。高等類:果蠅1.36萬(wàn)個(gè)、線蟲1.95萬(wàn)個(gè)、人類2.5萬(wàn)個(gè)以下、稻米4.5萬(wàn)個(gè)、玉米5萬(wàn)個(gè)、擬南芥2.7萬(wàn)。不同組織細(xì)胞中不僅表達(dá)的基因數(shù)量不相同，而且表達(dá)強(qiáng)度和種類也不相同，這就是基因表達(dá)的組織特異性基因表達(dá)的階段特異性:空間和時(shí)間上極高的有序性，一般在胚胎時(shí)期基因開(kāi)放的數(shù)量最多。SAGE（serialanalysisofgeneexpression）：家蠶卵、幼蟲、蛹、成蟲等4個(gè)不同發(fā)育時(shí)期的SAGE表達(dá)庫(kù)，經(jīng)測(cè)序分別得到69100、62232、63966和62666個(gè)基因標(biāo)簽序列，其中特異標(biāo)簽數(shù)目依次為17718、13243、14044和15224。中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所，黃健華等《蠶業(yè)科學(xué)》，2005年第31卷第4期同一個(gè)細(xì)胞，處在不同的細(xì)胞周期狀態(tài)，其基因的表達(dá)和蛋白質(zhì)合成的情況也不盡相同.基因表達(dá)適應(yīng)環(huán)境的變化：①組成性表達(dá)(constitutiveexpression)指不大受環(huán)境變動(dòng)而變化的一類基因表達(dá)。看家基因(housekeepinggene)。組成性基因表達(dá)也不是一成不變的，其表達(dá)強(qiáng)弱也是受一定機(jī)制調(diào)控的。②適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression)指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類基因表達(dá)。應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)(induction)，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因(induciblegene)；相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。返回首頁(yè)組成型合成蛋白質(zhì)適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型蛋白質(zhì)一、原核基因表達(dá)調(diào)控總論基因表達(dá)遺傳信息從DNA到蛋白質(zhì)的過(guò)程稱為基因表達(dá)(geneexpression)，對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就為基因表達(dá)調(diào)控(generegulation或genecontrol)。原核基因表達(dá)的特點(diǎn)

原核生物中，營(yíng)養(yǎng)狀況和環(huán)境因素對(duì)基因表達(dá)起著舉足輕重的影響。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和發(fā)育階段是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段。

基因的“開(kāi)-關(guān)”活性是通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄來(lái)建立的當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)處于“關(guān)"狀態(tài)時(shí)，也有本底水平的基因表達(dá)，常常是每世代每個(gè)細(xì)胞只合成1或2個(gè)mRNA分子。所謂"關(guān)"實(shí)際的意思是基因表達(dá)量特別低，很難甚至無(wú)法檢測(cè)。

基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：返回首頁(yè)（1）轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（2）轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控mRNA加工成熟水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)正調(diào)控系統(tǒng)：調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)，又可分為可誘導(dǎo)的正調(diào)控和可阻遏的正調(diào)控。負(fù)調(diào)控系統(tǒng):調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白。根據(jù)其作用特征又可分為可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控和可阻遏的負(fù)調(diào)控。二、乳糖操縱子(lac)的調(diào)控模式(一)

lac的功能

E.coli可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長(zhǎng)繁殖。大腸桿菌二階段生長(zhǎng)現(xiàn)象lacZE.coli利用乳糖至少需要兩個(gè)酶：促使乳糖進(jìn)入細(xì)菌的乳糖透過(guò)酶;催化乳糖分解第一步的LacZ(圖)z、y和a型是結(jié)構(gòu)基因，p是轉(zhuǎn)錄z、y、a所需要的啟動(dòng)子，調(diào)控基因ｉ編碼合成調(diào)控蛋白R(shí)，R能與O（操縱序列）結(jié)合而阻礙從P開(kāi)始的基因轉(zhuǎn)錄乳糖能改變R結(jié)構(gòu)使其不能與O

結(jié)合，因而乳糖濃度增高時(shí)基因就開(kāi)放，轉(zhuǎn)錄合成所編碼的酶類，這樣E.coli就能適應(yīng)外界乳糖供應(yīng)的變化而改變利用乳糖的狀況。(二）lacZ的結(jié)構(gòu)(三）lacZ的開(kāi)、關(guān)調(diào)節(jié)Jacob和Monod根據(jù)對(duì)lacZ,Y,A基因突變體的研究，于1961年提出了操縱子學(xué)說(shuō)。要點(diǎn):一個(gè)或幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因與一個(gè)調(diào)節(jié)基因和一個(gè)操縱位點(diǎn)組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元。這個(gè)單元就稱其為操縱子。（四）操縱子（operon）學(xué)說(shuō)（五）操縱子/元(operon)的基本組成1、乳糖操縱子模型的主要內(nèi)容和表達(dá)調(diào)控：操縱子三要素：結(jié)構(gòu)、功能、開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順?lè)醋泳幋a；結(jié)構(gòu)基因Z、Y編碼的酶使細(xì)菌能夠利用乳糖；啟動(dòng)區(qū)P位于阻遏基因I與操縱區(qū)O之間；操縱區(qū)是DNA上的一小段序列，是阻遏物結(jié)合的位點(diǎn)；當(dāng)阻遏物與操縱區(qū)結(jié)合時(shí)，lac的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制；乳糖作為誘導(dǎo)物與阻遏物結(jié)合，改變其三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)結(jié)合，使lacmRNA能夠合成。2、結(jié)構(gòu)基因：操縱元中編碼蛋白質(zhì)的基因。一個(gè)操縱元中含有2個(gè)以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達(dá)十幾個(gè)。每個(gè)結(jié)構(gòu)基因是一個(gè)連續(xù)的開(kāi)放讀框，5′端有翻譯起始碼ATG，3′端有翻譯終止碼。各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜接、串連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群。至少在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因5′側(cè)具有RBS。在合成完第一個(gè)編碼的多肽后，核糖體可以不脫離mRNA而繼續(xù)翻譯合成下一個(gè)基因編碼的多肽。3、啟動(dòng)子及其測(cè)定操縱元至少有一個(gè)啟動(dòng)子，一般在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因5′側(cè)上游，控制整個(gè)結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。用RNA聚合酶與分離的一段DNA雙鏈混合，再加入外切核酸酶去水解DNA，由此可以測(cè)出啟動(dòng)子的范圍及其序列。

4、操縱區(qū)操縱區(qū)是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動(dòng)子鄰近或與啟動(dòng)子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱區(qū)上，會(huì)影響其下游基因轉(zhuǎn)錄。舉乳糖操縱元中的操縱子為例，如圖所示，其操縱子(o)序列位于啟動(dòng)子(p)與被調(diào)控的基因之間，部分序列與啟動(dòng)子序列重疊。仔細(xì)分析該操縱子序列，可見(jiàn)這段雙鏈DNA具有回文對(duì)稱結(jié)構(gòu)，能形成十字形的莖環(huán)構(gòu)造。不少操縱子都具有類似的對(duì)稱性序列，可能與特定蛋白質(zhì)的結(jié)合相關(guān)。5、調(diào)控基因調(diào)控基因(rg)是編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。與操縱子結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為阻遏蛋白(RP)，其介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為負(fù)性調(diào)控；與操縱子結(jié)合后能增強(qiáng)或起動(dòng)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為激活蛋白(AP)，所介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為正性調(diào)控。某些特定的物質(zhì)能與調(diào)控蛋白結(jié)合，使調(diào)控蛋白的空間構(gòu)像發(fā)生變化，從而改變其對(duì)基因錄的影響，這些特定物質(zhì)可稱為效應(yīng)物，其中凡能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子稱為誘導(dǎo)劑，能直接或間接導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子稱為阻遏劑或輔助阻遏劑。6、終止子在一個(gè)操縱元中至少在構(gòu)基因群最后一個(gè)基因的后面有一個(gè)終止子。每一個(gè)操縱元以上5種元件是必定含有的。

7、安慰性誘導(dǎo)物一些化學(xué)合成的乳糖類似物，不受1acZ的催化分解，卻也能與R特異性結(jié)合，使R構(gòu)象變化，誘導(dǎo)1ac操縱元的開(kāi)放。例如異丙基硫代半乳糖苷(IPTG)就是很強(qiáng)的誘導(dǎo)劑，不被細(xì)胞代謝而十分穩(wěn)定。X－gal(5－溴－4－氯－3－吲哚－β－半乳糖苷)也是一種人工化學(xué)合成的半乳糖苷，可被1acZ水解產(chǎn)生蘭色化合物，因此可以用作1acZ活性的指示劑。8、葡萄糖對(duì)操縱元的影響和cAMP的正性調(diào)控cAMP受體蛋白CRP與cAMP結(jié)合并發(fā)生空間構(gòu)象的變化而活化，稱為CAP，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合。在P1ac上游端有一段與P1ac部分重疊的序列，能與CAP特異結(jié)合，稱為CAP結(jié)合位點(diǎn)。CAP與這段序列結(jié)合時(shí)，可增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，使轉(zhuǎn)錄提高50倍。在原核生物中cAMP被認(rèn)為是直接活化RNA聚合酶以促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，即通過(guò)該酶的δ因子的磷酸化來(lái)實(shí)現(xiàn)促進(jìn)mRNA轉(zhuǎn)錄。細(xì)菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)：葡萄糖（+）：cAMP生成少而分解多，cAMP含量降低，CRP非活性；葡萄糖（-）：cAMP生成多而分解少，cAMP含量升高，CRP活性兩套機(jī)制：偶聯(lián)還是獨(dú)立？CAP激活蛋白，結(jié)合于CAP結(jié)合位點(diǎn)，編碼CRP的基因并不在1ac操縱元的附近；乳糖誘導(dǎo)通過(guò)去阻遏作用，改變操縱區(qū)O返回首頁(yè)綜合結(jié)果？？？葡萄糖和乳糖共存：優(yōu)先使用哪一種？葡萄糖（+）：CRP非活性；乳糖（+）：可以誘導(dǎo)表達(dá)。綜合結(jié)果P1ac是弱啟動(dòng)子，單純因乳糖的去阻遏使1ac操縱元轉(zhuǎn)錄，還不能使細(xì)胞很好利用乳糖，必須同時(shí)有CAP來(lái)加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，才能合成足夠的酶來(lái)利用乳糖。1ac操縱元的強(qiáng)誘導(dǎo)既需要有乳糖的存在，又需要沒(méi)有葡萄糖可供利用。通過(guò)這種機(jī)制，細(xì)菌優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無(wú)葡萄糖而又有乳糖時(shí)，細(xì)菌才去充分利用乳糖。細(xì)菌通常需要自己合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時(shí)，細(xì)菌就會(huì)充分利用外界的色氨酸。色氨酸操縱子負(fù)責(zé)色氨酸的生物合成，當(dāng)培養(yǎng)基中有足夠的色氨酸時(shí)，這個(gè)操縱子自動(dòng)關(guān)閉，缺乏色氨酸時(shí)操縱子被打開(kāi)，trp基因表達(dá).色氨酸或與其代謝有關(guān)的某種物質(zhì)在阻遏過(guò)程中起作用。由于trp體系參與生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CAP的調(diào)控。三、色氨酸操縱子的調(diào)控模式色氨酸的合成分5步完成。每個(gè)環(huán)節(jié)需要一種酶，編碼這5種酶的基因緊密連鎖在一起，被轉(zhuǎn)錄在一條多順?lè)醋觤RNA上，分別以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表。產(chǎn)生阻遏物的基因是trpR，該基因距trp基因簇很遠(yuǎn)，后者在大腸桿菌染色體圖上25min處，而前者則位于90min處。。1、色氨酸操縱元的結(jié)構(gòu)與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控

trp操縱子的阻遏系統(tǒng)trpR基因突變常引起trpmRNA的永久型合成。除非培養(yǎng)基中有色氨酸，否則R不會(huì)與操縱區(qū)結(jié)合。R與色氨酸相結(jié)合形成有活性的阻遏物，與操縱區(qū)結(jié)合并使之關(guān)閉轉(zhuǎn)錄trpmRNA。因此R被稱為輔阻遏蛋白2、衰減子及其作用色氨酸操縱元中的衰減子結(jié)構(gòu)及其調(diào)控示意圖實(shí)驗(yàn)觀察表明：當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度，但還沒(méi)有高到能夠活化R使其起阻遏作用的程度時(shí)，產(chǎn)生色氨酸合成酶類的量已經(jīng)明顯降低，而且產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)。前導(dǎo)區(qū)序列特點(diǎn)與弱化作用三種不同情況下A、B、C形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的狀態(tài)實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)色氨酸達(dá)一定濃度時(shí)，轉(zhuǎn)錄會(huì)終止在先導(dǎo)序列(L)162bp。L中含有編碼由14個(gè)氨基酸短肽的開(kāi)放讀框，其中有2個(gè)色氨酸相連，在此讀框前有RBS序列;

L的后半段含有3對(duì)反向重復(fù)序列，都能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu);后面緊跟一串A。在[trp]

未達(dá)到能起阻遏作用時(shí)，起始轉(zhuǎn)錄，RNA聚合酶沿DNA轉(zhuǎn)錄合成mRNA，同時(shí)核糖體結(jié)合到新生的mRNA上開(kāi)始翻譯。當(dāng)[trp]低時(shí)，生成的tRNAtrp少，能供給核糖體合成短肽的幾率低，使核糖體移動(dòng)的速度慢，趕不上RNA聚合酶沿DNA移動(dòng)轉(zhuǎn)錄的速度，這時(shí)核糖體占據(jù)1區(qū)，生成2-3發(fā)夾結(jié)構(gòu)，4區(qū)獨(dú)立，不形成終止結(jié)構(gòu)，繼續(xù)去轉(zhuǎn)錄其后trpE等基因，trp操縱元就處于開(kāi)放狀態(tài)。當(dāng)[trp]增高時(shí)，tRNAtrp隨之升高，核糖體移動(dòng)的速度加快，占據(jù)、2區(qū)，只能生成3-4發(fā)夾結(jié)構(gòu)，這是典型的終止結(jié)構(gòu)，于是轉(zhuǎn)錄減弱。激酶KUDP轉(zhuǎn)移酶T差向異構(gòu)酶E半乳糖半乳糖+葡萄糖半乳糖-1-磷酸乳糖UDP-葡萄糖UDP-半乳糖葡萄糖UDP轉(zhuǎn)移酶T細(xì)胞壁四、其他操縱子的調(diào)控機(jī)制1．半乳糖操縱子galEgalTgalkgalRPOP包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：

異構(gòu)酶(galE)，

半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galT)，

半乳糖激酶(galk)。

這3個(gè)酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖-1-磷酸。GalR與galE、T、K及操縱區(qū)O等離得很遠(yuǎn)，而galR產(chǎn)物對(duì)galO的作用與lacI-lacO的作用相同。gal操縱子的特點(diǎn)：

①有兩個(gè)啟動(dòng)子，相距僅5bp,每個(gè)啟動(dòng)子擁有各自的RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)S1和S2。其mRNA可從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)錄；

②有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游-67--53，一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。從S1起始的轉(zhuǎn)錄只有在培養(yǎng)基中無(wú)葡萄糖時(shí)進(jìn)行，RNA聚合酶與S1的結(jié)合需要半乳糖、CAP和較高濃度的cAMP。從S2起始的轉(zhuǎn)錄完全依賴于葡萄糖，cAMP-CAP能抑制S2。當(dāng)有cAMP-CAP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S1開(kāi)始，當(dāng)無(wú)cAMP-CAP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S2開(kāi)始。雙啟動(dòng)子的生理功能半乳糖不僅可以作為唯一碳源供細(xì)胞生長(zhǎng)，而且與之相關(guān)的物質(zhì)--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大腸桿菌細(xì)胞壁合成的前體。在沒(méi)有外源半乳糖的情況下，UDP-gal是通過(guò)半乳糖差向異構(gòu)酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，該酶是galE基因的產(chǎn)物。如果只有S1，那么當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時(shí)就不能合成異構(gòu)酶。如果只有S2，那么，即使在葡萄糖存在的情況下，半乳糖也將使操縱子處于充分誘導(dǎo)狀態(tài)，這無(wú)疑是一種浪費(fèi)。2、阿拉伯糖操縱子ara操縱子的結(jié)構(gòu)araBAD和araC的轉(zhuǎn)錄是分別在DNA的兩條鏈上反向進(jìn)行的AraC蛋白的正、負(fù)調(diào)節(jié)作用ara操縱子的調(diào)控有三個(gè)特點(diǎn)：第一，araC表達(dá)受到AraC的自動(dòng)調(diào)控。第二，AraC即可充當(dāng)阻遏物，也可作為激活劑。第三，AraC與CAP結(jié)合可充分誘導(dǎo)ara操縱子。AraC蛋白的兩種異構(gòu)體：Pr

Pi

兩種異構(gòu)體的量處在動(dòng)態(tài)的平衡之中營(yíng)養(yǎng)狀況對(duì)ara操縱子活性的影響

●有葡萄糖時(shí)，不轉(zhuǎn)錄●無(wú)葡萄糖，也無(wú)阿拉伯糖時(shí)，不轉(zhuǎn)錄●無(wú)葡葡糖，有阿拉伯糖時(shí)，araBAD基因表達(dá)Sos應(yīng)答（P260）

多啟動(dòng)子調(diào)控的操縱子（P262)

固氮基因調(diào)控(略)返回首頁(yè)五、轉(zhuǎn)錄水平的其他調(diào)控方式δ因子的調(diào)控（P270）組蛋白類似蛋白調(diào)節(jié)作用:H-NS蛋白非特異結(jié)合DNA抑制轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的作用抗終止因子的調(diào)節(jié)作用（P271）：

Nus蛋白:NusA可以結(jié)合核心酶，當(dāng)結(jié)合NusA的核心酶遇到終止序列時(shí)，NusB/S10就會(huì)在NusG的幫助下實(shí)現(xiàn)抗終止。六、原核生物的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控1、翻譯起始的調(diào)控SD序列與起始密碼子間的距離影響RBS的結(jié)合強(qiáng)度翻譯的阻遏2、稀有密碼子對(duì)翻譯的影響研究dnaG序列發(fā)現(xiàn)其中含有不少稀有密碼子。許多調(diào)控蛋白如LacI、AraC、TrpR等在細(xì)胞內(nèi)含量也很低，編碼這些蛋白的基因中密碼子的使用頻率和dnaG相似，而明顯不同于非調(diào)節(jié)蛋白。同一個(gè)操縱子：dnaG

（編碼引物酶）和rpoD（編碼δ

亞基）及rpsU（30S核糖體上的S21б蛋白）拷貝數(shù)AUU/%AUC/%AUA/%S21б蛋白4000037621δ

亞基280026740引物酶503632323、重