第八章 基因的表達(dá)與調(diào)控(上)1

第八章基因的表達(dá)與調(diào)控(上)原核基因表達(dá)調(diào)控模式自然選擇傾向于保留高效率的生命過程。在每30分鐘增殖一次的109細(xì)菌群體中，若一個(gè)細(xì)菌變成29.5分鐘增殖，經(jīng)過80天的連續(xù)生長(zhǎng)后，這個(gè)群體中的99.9%都將具有29.5分鐘增殖一倍的生長(zhǎng)速度。原核生物細(xì)胞的基因和蛋白質(zhì)種類較少，如大腸桿菌基因組約為4.20×106bp共有4288個(gè)開放讀碼框。據(jù)估計(jì)，一個(gè)細(xì)胞中總共含有107個(gè)蛋白質(zhì)分子。每個(gè)大腸桿菌細(xì)胞有約15000個(gè)核糖體，50種核糖體蛋白、糖酵解體系的酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代謝過程中必需的，其合成速率不受環(huán)境變化或代謝狀態(tài)的影響，這一類蛋白質(zhì)被稱為永久型（constitutive）合成的蛋白質(zhì)。另一類則被稱為適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型(adaptiveorregulated)，因?yàn)檫@類蛋白質(zhì)的合成速率明顯地受環(huán)境的影響而改變。如大腸桿菌細(xì)胞中一般只有15個(gè)β-半乳糖苷酶，但若將細(xì)胞培養(yǎng)在只含乳糖的培養(yǎng)基中，每細(xì)胞中這個(gè)酶的量可高達(dá)幾萬(wàn)個(gè)分子。隨著生物個(gè)體的發(fā)育，DNA分子能有序地將其所承載的遺傳信息，通過密碼子-反密碼子系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，執(zhí)行各種生理生化功能。科學(xué)家把從DNA到蛋白質(zhì)的過程稱為基因表達(dá)（geneexpression），對(duì)這個(gè)過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控（generegulation或genecontrol）。8.1原核基因表達(dá)調(diào)控總論圖8-1基因表達(dá)DNA分子有序地將其所承載的遺傳信息，通過密碼子-反密碼子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)分子，這個(gè)過程稱為基因表達(dá)?；虮磉_(dá)的第一步是由RNA聚合酶拷貝DNA雙鏈中的模板鏈，生成與該序列完全互補(bǔ)（除了T被置換成U之外）的RNA鏈?；虮磉_(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下二方面：☆轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptionalregulation)；☆轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控(post-transcriptionalregulation)，包括mRNA加工成熟水平調(diào)控(differentialprocessingofRNAtranscript)以及翻譯水平調(diào)控(differentialtranslationofmRNA)。細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄與翻譯過程幾乎發(fā)生在同一時(shí)間間隔內(nèi)，轉(zhuǎn)錄與翻譯相耦聯(lián)（coupledtranscriptionandtranslation）。真核生物中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（primarytranscript）只有從核內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)到核外，才能被核糖體翻譯成蛋白質(zhì)（圖8-2）。原核生物的基因調(diào)控主要是轉(zhuǎn)錄調(diào)控，包括負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控和正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白（repressor），阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。根據(jù)其作用特征又分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏二大類。在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白作用于操縱區(qū)。在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白（activator）。根據(jù)其作用特性分為正控誘導(dǎo)系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)。在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；在正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。σ因子在結(jié)構(gòu)上具有同源性，所以統(tǒng)稱σ70家族，含有4個(gè)保守區(qū)（圖8-4），其中第2個(gè)和第4個(gè)保守區(qū)參與結(jié)合啟動(dòng)區(qū)DNA，第2個(gè)保守區(qū)的另一部分還參與雙鏈DNA解開成單鏈的過程。參與大腸桿菌中基因表達(dá)調(diào)控最常見的蛋白質(zhì)可能是σ因子圖8-4大腸桿菌中的σ因子大腸桿菌中的σ因子（以σ70為例）主要包括4個(gè)結(jié)構(gòu)域，其中第2個(gè)和第4個(gè)保守區(qū)參與結(jié)合啟動(dòng)區(qū)DNA，第2個(gè)保守區(qū)的另一部分還參與雙鏈DNA解開成單鏈的過程。σ因子特異性結(jié)合DNA上的-35區(qū)和-10區(qū)。σ70因子特異性結(jié)合DNA上的-35區(qū)和-10區(qū)，而σ54因子識(shí)別并與DNA上的-24和-12區(qū)相結(jié)合。在與啟動(dòng)子結(jié)合的順序上，σ70類啟動(dòng)子在核心酶結(jié)合到DNA鏈上之后才能與啟動(dòng)子區(qū)相結(jié)合，而σ54則類似于真核生物的TATA區(qū)結(jié)合蛋白（TBP），可以在無(wú)核心酶時(shí)獨(dú)立結(jié)合到啟動(dòng)子上。原核基因表達(dá)調(diào)控的主要特點(diǎn)主要分為：可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和可阻遏調(diào)節(jié)可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)：是指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來(lái)關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，及在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化。

大腸桿菌的乳糖操縱子可阻遏調(diào)節(jié)：這類基因平時(shí)都是開啟的，處于產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作工程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。

大腸桿菌的色氨酸操縱子弱化子對(duì)基因活性的影響當(dāng)操縱子被阻遏，RNA合成終止時(shí)，起終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)作用的那一段核苷酸被稱為弱化子特殊負(fù)載的氨基酰-tRNA降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)

有葡萄糖存在的情況下，即使在細(xì)菌培養(yǎng)基中加入乳糖，半乳糖，阿拉伯糖或麥芽糖等誘導(dǎo)物，與其相對(duì)應(yīng)的操縱子也不會(huì)啟動(dòng)，產(chǎn)生出代謝這些糖的酶來(lái)。這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)細(xì)菌有時(shí)會(huì)碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓，及氨基酸全面匱乏，為了緊縮開支，渡過難關(guān)，細(xì)菌將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)急反應(yīng)，包括生產(chǎn)各種RNA，糖，脂肪和蛋白質(zhì)在內(nèi)的幾乎全部生物化學(xué)反應(yīng)過程均被停止。信號(hào)是：鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp）8.2乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)大腸桿菌乳糖操縱子（lactoseoperon）包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：Z、Y和A，以及啟動(dòng)子、控制子和阻遏子等。轉(zhuǎn)錄的調(diào)控是在啟動(dòng)區(qū)和操縱區(qū)進(jìn)行的。3個(gè)結(jié)構(gòu)基因各決定一種酶：Z——編碼β-半乳糖苷酶，是一種β-半乳糖苷鍵的專一性酶，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，還能水解其他β-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）；Y——編碼β-半乳糖苷透過酶，它能使外界的β-半乳糖苷透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)；A——編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶，把乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)移到半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。8.2.1酶的誘導(dǎo)—lac體系受調(diào)控的證據(jù)

一般情況下，lac+基因型大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)β-半乳糖苷酶和透過酶的濃度很低，每個(gè)細(xì)胞只有1～2個(gè)酶分子。但是，在乳糖培養(yǎng)基上酶的濃度很快達(dá)到細(xì)胞總蛋白量的6%或7%，超過105個(gè)酶分子/細(xì)胞。在無(wú)葡萄糖有乳糖的培養(yǎng)基中，lac+細(xì)菌中將同時(shí)合成β-半乳糖苷酶和透過酶。

用32P標(biāo)記的mRNA與模板DNA進(jìn)行定量分子雜交，表明培養(yǎng)基中加入乳糖1～2分鐘后，編碼β-半乳糖苷酶和透過酶的lacmRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，lacmRNA量立即下降。圖8-7

實(shí)驗(yàn)室常用兩種乳糖類似物——異丙基巰基半乳糖苷（IPTG）和巰甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常用發(fā)色底物O-硝基半乳糖苷（ONPG）。因?yàn)樗鼈兌疾皇前肴樘擒彰傅牡孜铮杂址Q為安慰性誘導(dǎo)物（gratuitousinducer）。圖88用35S標(biāo)記大腸桿菌細(xì)胞（培養(yǎng)基中沒有半乳糖），將這些帶有放射性的細(xì)菌轉(zhuǎn)移到不含35S的培養(yǎng)基中，加入誘導(dǎo)物后β-半乳糖苷酶便開始合成。分離純化β-半乳糖苷酶，發(fā)現(xiàn)這種酶無(wú)35S標(biāo)記，說(shuō)明這種酶是加入誘導(dǎo)物后新合成的。8.2.2操縱子模型及其影響因子Jacob和Monod認(rèn)為誘導(dǎo)酶（他們當(dāng)時(shí)稱為適應(yīng)酶）現(xiàn)象是個(gè)基因調(diào)控問題，而且可以用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究，他們通過大量實(shí)驗(yàn)及分析，建立了現(xiàn)在已經(jīng)被人們廣泛接受的乳糖操縱子的控制模型。1.Z、Y、A基因產(chǎn)物由同一條多順反子mRNA分子所編碼。2.該mRNA分子的啟動(dòng)區(qū)(P)位于阻遏基因(I)與操縱區(qū)(O)之間，不能單獨(dú)起始半乳糖苷酶和透過酶基因的高效表達(dá)。3.操縱區(qū)是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。4.當(dāng)阻遏物與操縱區(qū)相結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。5.誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變其三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)相結(jié)合，誘發(fā)lacmRNA的合成。這就是說(shuō)，有誘導(dǎo)物存在時(shí)，操縱區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以