第六章 原核生物基因表達(dá)調(diào)控

1、第六章第六章 原核生物基因表達(dá)調(diào)控原核生物基因表達(dá)調(diào)控 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 生物的遺傳信息以基因?yàn)榛締挝?，?chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)的DNA分子的核苷酸序列中。個(gè)體發(fā)育的過程中，有序地將儲(chǔ)存的核苷酸序列信息通過密碼子反密碼子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)分子，執(zhí)行各種生理生化功能，完成生命的全過程。 將遺傳信息從DNA轉(zhuǎn)變?yōu)楸憩F(xiàn)生命活性的蛋白質(zhì)分子的全過程就是基因的表達(dá)過程，對(duì)這個(gè)過程的調(diào)節(jié)、控制稱為基因表達(dá)調(diào)控。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 一、原核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)一、原核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn) 1基因的可調(diào)控性 2基因表達(dá)與環(huán)境關(guān)系密切 二、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)二、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié) 1降解物抑制作用 葡萄糖

2、存在時(shí)，即使培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖類物質(zhì)，也不會(huì)誘導(dǎo)出相應(yīng)的糖類物質(zhì)吸收、代謝的酶，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)，也稱為降解物抑制作用。 明顯的這種效應(yīng)的出現(xiàn)與葡萄糖的存在直接相關(guān)。菌體內(nèi)，葡萄糖通過降低cAMP（環(huán)一磷酸腺苷）的濃度水平，阻止應(yīng)答cAMP和其受體蛋白分解代謝物激活蛋白（catabolite activator protein，CAP）的基因表達(dá)（圖6-1）。乳糖等其它糖類物質(zhì)的代謝酶基因多數(shù)是可以應(yīng)答cAMP-CAP復(fù)合物的基因。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 圖6-1 降解物抑制作用 圖6-2 cAMP-CAP復(fù)合物作用位點(diǎn)五核苷的倒轉(zhuǎn)重復(fù)序列第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 2c

3、AMP-CAP復(fù)合物與基因結(jié)合調(diào)節(jié)其表達(dá)活性 CAP由相對(duì)分子量為22.5kD的兩個(gè)亞基聚合而成，可被cAMP激活，形成cAMP-CAP復(fù)合物與DNA的特殊序列識(shí)別、結(jié)合。在一些基因的啟動(dòng)子序列上分離到cAMP-CAP復(fù)合物，表明了這種復(fù)合物可以促進(jìn)基因的轉(zhuǎn)錄。 圖6-1 降解物抑制作用cAMP-CAP復(fù)合物中的CAP是DNA結(jié)合蛋白，結(jié)合于啟動(dòng)子區(qū)域，如乳糖操縱子的啟動(dòng)子中五個(gè)堿基的反向重復(fù)序列（圖6-2）。結(jié)合位點(diǎn)多數(shù)位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游-23-50bp處，中心區(qū)位于-41bp處，左端的序列保守性強(qiáng)，命名為區(qū)，右端的序列保守性較差，是為區(qū)，由于區(qū)的序列有較大的變動(dòng)，使得不同基因?qū)AP的應(yīng)

4、答強(qiáng)弱有所不同。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 三、弱化子對(duì)基因活性的影響三、弱化子對(duì)基因活性的影響 1弱化作用（attenuator） 氨基酸的合成途徑所需酶的基因，其編碼產(chǎn)物上游常出現(xiàn)另外一段編碼序列，稱為前導(dǎo)序列，這段序列的功能是調(diào)節(jié)其下游基因的表達(dá)。此調(diào)節(jié)方式中，由特殊負(fù)載的氨酰tRNA提供調(diào)節(jié)信號(hào)，如TrptRNATrp的濃度是調(diào)節(jié)色氨酸合成酶基因表達(dá)的信號(hào)，當(dāng)其濃度較高時(shí)，前導(dǎo)序列二級(jí)構(gòu)象發(fā)生變化，形成終止子結(jié)構(gòu)，終止轉(zhuǎn)錄，這段前導(dǎo)核苷酸序列稱為弱化子或衰減子（attenuator），這種降低基因表達(dá)的方式稱為弱化作用（attenuation）。 弱化子位于啟動(dòng)子和下游的結(jié)構(gòu)基因之間（圖6

5、-3）。當(dāng)色氨酸存在時(shí)，RNA聚合酶滲漏表達(dá)色氨酸合成酶基因；當(dāng)色氨酸濃度降低，解除轉(zhuǎn)抑制和終止作用，色氨酸合成酶基因的表達(dá)量可增強(qiáng)700倍。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 圖6-3 色氨酸操縱子結(jié)構(gòu)和弱化子結(jié)構(gòu)第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 一、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 原核生物轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控的經(jīng)典模型是操縱子模型，該模型提出一個(gè)調(diào)控區(qū)域控制連鎖在一起的多個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄。 細(xì)菌基因組中，相關(guān)基因串聯(lián)在一起，形成一個(gè)基因簇，編碼同一代謝途徑中不同的酶，它們是一個(gè)多順反子，共同轉(zhuǎn)錄、共同調(diào)控，構(gòu)成表達(dá)、調(diào)控的單元，稱為操縱子（operon），由啟動(dòng)子、轉(zhuǎn)錄控制區(qū)、結(jié)構(gòu)基因（structural g

6、ene）組成的一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位（圖6-5）?；蚪M中存在的基因根據(jù)其產(chǎn)物功能不同可以分為兩種類型，編碼細(xì)胞結(jié)構(gòu)、基本代謝所需的蛋白或RNA的稱為結(jié)構(gòu)基因，編碼可以控制其它基因表達(dá)的蛋白或RNA的基因則稱為調(diào)控基因。操縱子模型中，由轉(zhuǎn)錄控制區(qū)應(yīng)答調(diào)控基因所表達(dá)的調(diào)控因子的作用，決定下游的結(jié)構(gòu)基因是否表達(dá)。第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 圖6-5 原核生物轉(zhuǎn)錄的操縱子模型第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 1正調(diào)控和負(fù)調(diào)控 原核生物轉(zhuǎn)錄水平的基因調(diào)控，具有正調(diào)控和負(fù)調(diào)控的兩種方式。調(diào)控因子作用于靶序列，引起靶序列附近基因轉(zhuǎn)錄水平的變化，激活蛋白的作用使得轉(zhuǎn)錄水平上升

7、，是正調(diào)控（positive regulation）；阻 遏 蛋 白 的 作 用 使 轉(zhuǎn) 錄 水 平 下 降 ， 是 負(fù) 調(diào) 控 （ n e g a t i v e regulation）。 調(diào)控蛋白應(yīng)答小分子效應(yīng)物的作用，分為可誘導(dǎo)（inducible）和可阻遏（repressible）兩種效應(yīng)，激活蛋白和阻遏蛋白都可以應(yīng)答小分子效應(yīng)物的誘導(dǎo)和阻遏效應(yīng)。因此，原核生物的操縱子有四種應(yīng)答方式，分別為：可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控、可誘導(dǎo)的正調(diào)控、可阻遏的負(fù)調(diào)控、可阻遏的正調(diào)控（圖6-6）。 活性阻遏蛋白結(jié)合靶位點(diǎn)，封閉了基因的表達(dá)。小分子誘導(dǎo)物加入后，與阻遏蛋白結(jié)合，形成的復(fù)合物脫離結(jié)合位點(diǎn)，解除了阻遏蛋白

8、對(duì)基因表達(dá)的抑制作用，基因恢復(fù)正常表達(dá)，此過程為可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控（圖6-6 a）。 第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 無活性的阻遏蛋白，不能結(jié)合到目的基因的靶位點(diǎn)，基因組成型表達(dá)。加入小分子輔阻遏物，激活阻遏蛋白的活性，結(jié)合在基因上抑制RNA聚合酶的作用，阻止基因表達(dá)，此過程為可阻遏的負(fù)調(diào)控（圖6-6 b）?；蛴沙跏蓟钚誀顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o活性狀態(tài)。 活性激活蛋白結(jié)合在基因上，基因組成型正調(diào)控表達(dá)。加入輔阻遏物，作用于激活蛋白，使其活性喪失從基因上脫離，基因失去活性，此過程是可阻遏的正調(diào)控（圖6-6 b）。基因由活性表達(dá)轉(zhuǎn)變成無活性

9、形式。第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 圖6-6 原核生物的操縱子對(duì)誘導(dǎo)物和調(diào)節(jié)物的四種應(yīng)答模式第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 2乳糖操縱子 大腸桿菌的乳糖操縱子模型最先由Jacob和Monod提出。乳糖（Lac）是一種葡萄糖的替代能源物質(zhì)。乳糖操縱子（圖6-7）由啟動(dòng)子、操縱基因（operator）、結(jié)構(gòu)基因組成。三個(gè)結(jié)構(gòu)基因分別是：編碼-半乳糖苷酶基因（lacZ）、編碼-半乳糖苷透性酶基因（lacY）、編碼-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；富颍╨acA），這三個(gè)基因所編碼的酶在乳糖轉(zhuǎn)入細(xì)胞和分解代謝的過程中起作用，與乳糖代謝相關(guān)。圖6-7 乳糖操縱子結(jié)構(gòu)模式圖 第

10、二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 乳糖操縱子的上游有一個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)錄的基因lacI，其編碼產(chǎn)物L(fēng)acI可以結(jié)合在乳糖操縱子的操縱基因（lacO）上，即轉(zhuǎn)錄控制區(qū)，阻抑下游結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)。因此，乳糖操縱子是一個(gè)負(fù)調(diào)控系統(tǒng)（圖6-8）。其中，LacI是具有負(fù)調(diào)控作用的反式作用因子，LacI作用的靶DNA序列l(wèi)acO是順式作用元件。圖6-8 乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控 第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 3色氨酸操縱子 色氨酸操縱子對(duì)調(diào)節(jié)物的應(yīng)答方式屬于可阻遏的負(fù)調(diào)控。以分支酸為底物合成色氨酸的合成酶基因串聯(lián)在一起，組成一個(gè)基因簇，包括鄰氨基苯甲酸合成酶（trpE）、鄰氨基苯甲酸

11、焦磷酸轉(zhuǎn)移酶（trpD）、鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶（trpC）、色氨酸合成酶（trpB）、吲哚甘油-3-磷酸合成酶（trpA）等五種酶的編碼基因。這五個(gè)結(jié)構(gòu)基因上游是前導(dǎo)序列（trpL）、操縱基因（trpO）和啟動(dòng)子序列，組成一個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄單位，色氨酸操縱子（圖6-3）。 另一獨(dú)立轉(zhuǎn)錄單位，trpR基因編碼結(jié)合trpO的阻遏蛋白TrpR。正常情況下，該蛋白無活性，不與trpO結(jié)合，因此trpO下游的結(jié)構(gòu)基因trpEDCBA常規(guī)表達(dá)。培養(yǎng)基中加入Trp，Trp可激活TrpR的活性，TrpR結(jié)合于trpO，阻遏下游基因表達(dá)。其中，Trp是輔阻遏物。即若環(huán)境中Trp供應(yīng)充足，菌體將關(guān)閉色氨酸從頭合成的一系

12、列酶基因的轉(zhuǎn)錄過程（圖6-10）。 第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 圖6-10 色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控 第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 4阿拉伯糖操縱子 阿拉伯糖與乳糖一樣，可替代葡萄糖作為碳源物質(zhì)被菌體利用。大腸桿菌中，阿拉伯糖（Ara）代謝所需酶的三個(gè)基因分別是：核酮糖激酶基因（araB）、L-Ara異構(gòu)酶基因（araA）、L-核酮糖-5-磷酸差向異構(gòu)酶基因（araD），組成一個(gè)基因簇，有共同的啟動(dòng)子PBAD。與其它操縱子不同的是，操縱序列位于PBAD上游，操縱序列左端有另一方向轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)子PC，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)基因araC的轉(zhuǎn)錄，其產(chǎn)物AraC蛋白有兩種活性

13、形式，Pr對(duì)PBAD的表達(dá)起阻遏作用，Pi對(duì)PBAD的表達(dá)起激活作用（圖6-11）。 第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 圖6-11 阿拉伯糖操縱子模式第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 二、翻譯水平的調(diào)控二、翻譯水平的調(diào)控 1翻譯的自我調(diào)控 原核生物mRNA在翻譯水平上的自我調(diào)控可以有兩種方式，其一是翻譯產(chǎn)物的蛋白質(zhì)分子作為調(diào)控分子，直接結(jié)合于mRNA的翻譯起始位點(diǎn)，調(diào)節(jié)翻譯的效率，如組成核糖體的多種蛋白質(zhì)的基因分散在整個(gè)基因組中，其表達(dá)水平應(yīng)保持一致，終產(chǎn)物蛋白質(zhì)的濃度調(diào)節(jié)基因表達(dá)活性，終產(chǎn)物濃度高，將關(guān)閉自身編碼基因的表達(dá)；另一種可能的調(diào)控方式是mRNA形

14、成特定的分子內(nèi)二級(jí)結(jié)構(gòu)，起調(diào)控作用，如mRNA可在核糖體結(jié)合位點(diǎn)形成二級(jí)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)翻譯過程（圖6-12）。第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 圖6-12 mRNA結(jié)構(gòu)對(duì)翻譯起始的調(diào)控左圖：由于mRNA形成二級(jí)結(jié)構(gòu)，僅有一個(gè)翻譯起始位點(diǎn)可以利用；右圖：翻譯第一個(gè)順反子會(huì)改變RNA的構(gòu)型，使得第二個(gè)翻譯起始位點(diǎn)暴露出來。第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 2重疊基因?qū)Ψg的影響 同一個(gè)操縱子內(nèi)，由共同的啟動(dòng)子啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的一系列基因，可以一種極簡單的機(jī)制保持表達(dá)量的一致。在Trp操縱子中（圖6-3），trpB和trpA基因形成重疊基因，翻譯時(shí)核糖體不從mRNA鏈上脫落下來

15、，而是改變相位后直接翻譯下一個(gè)蛋白，從而保證了兩個(gè)蛋白產(chǎn)物細(xì)胞內(nèi)濃度一致。trpB(UGA處翻譯終止) -UGA -GAA-AUC- UGA-UGG-AA A UG-G AA- trpA(AUG處翻譯起始) 第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控原核基因表達(dá)的調(diào)控 3稀有密碼子對(duì)翻譯的影響 DNA復(fù)制時(shí)，引物酶催化一段RNA引物的合成，引物酶由dnaG編碼。rpsU-dnaG-rpoD組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，產(chǎn)生多順反子轉(zhuǎn)錄物。細(xì)胞內(nèi)三個(gè)基因的終產(chǎn)物的濃度相差卻很大，rpsU產(chǎn)物濃度為4104個(gè)/細(xì)胞，dnaG產(chǎn)物50個(gè)/細(xì)胞，rpoD產(chǎn)物2800個(gè)/細(xì)胞。菌體通過使用稀有密碼子，使轉(zhuǎn)錄為一條mRNA鏈的三個(gè)基因的表達(dá)產(chǎn)物量可以有很大差異。 第二節(jié)第二節(jié) 原核基因表