第八章 基因的表達與調控(上)1

第八章基因的表達與調控(上)原核基因表達調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細菌群體中，若一個細菌變成29.5分鐘增殖，經(jīng)過80天的連續(xù)生長后，這個群體中的99.9%都將具有29.5分鐘增殖一倍的生長速度。原核生物細胞的基因和蛋白質種類較少，如大腸桿菌基因組約為4.20×106bp共有4288個開放讀碼框。據(jù)估計，一個細胞中總共含有107個蛋白質分子。每個大腸桿菌細胞有約15000個核糖體，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，這一類蛋白質被稱為永久型（constitutive）合成的蛋白質。另一類則被稱為適應型或調節(jié)型(adaptiveorregulated)，因為這類蛋白質的合成速率明顯地受環(huán)境的影響而改變。如大腸桿菌細胞中一般只有15個β-半乳糖苷酶，但若將細胞培養(yǎng)在只含乳糖的培養(yǎng)基中，每細胞中這個酶的量可高達幾萬個分子。隨著生物個體的發(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)轉變成蛋白質，執(zhí)行各種生理生化功能?？茖W家把從DNA到蛋白質的過程稱為基因表達（geneexpression），對這個過程的調節(jié)就稱為基因表達調控（generegulation或genecontrol）。8.1原核基因表達調控總論圖8-1基因表達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)，轉變成蛋白質分子，這個過程稱為基因表達?；虮磉_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（除了T被置換成U之外）的RNA鏈?；虮磉_調控主要表現(xiàn)在以下二方面：☆轉錄水平上的調控(transcriptionalregulation)；☆轉錄后水平上的調控(post-transcriptionalregulation)，包括mRNA加工成熟水平調控(differentialprocessingofRNAtranscript)以及翻譯水平調控(differentialtranslationofmRNA)。細菌的轉錄與翻譯過程幾乎發(fā)生在同一時間間隔內，轉錄與翻譯相耦聯(lián)（coupledtranscriptionandtranslation）。真核生物中，轉錄產物（primarytranscript）只有從核內運轉到核外，才能被核糖體翻譯成蛋白質（圖8-2）。原核生物的基因調控主要是轉錄調控，包括負轉錄調控和正轉錄調控。在負轉錄調控系統(tǒng)中，調節(jié)基因的產物是阻遏蛋白（repressor），阻止結構基因轉錄。根據(jù)其作用特征又分為負控誘導和負控阻遏二大類。在負控誘導系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應物（誘導物）結合時，結構基因轉錄；在負控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應物結合時，結構基因不轉錄。阻遏蛋白作用于操縱區(qū)。在正轉錄調控系統(tǒng)中，調節(jié)基因的產物是激活蛋白（activator）。根據(jù)其作用特性分為正控誘導系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)。在正控誘導系統(tǒng)中，效應物分子（誘導物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；在正控阻遏系統(tǒng)中，效應物分子的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。σ因子在結構上具有同源性，所以統(tǒng)稱σ70家族，含有4個保守區(qū)（圖8-4），其中第2個和第4個保守區(qū)參與結合啟動區(qū)DNA，第2個保守區(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調控最常見的蛋白質可能是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個結構域，其中第2個和第4個保守區(qū)參與結合啟動區(qū)DNA，第2個保守區(qū)的另一部分還參與雙鏈DNA解開成單鏈的過程。σ因子特異性結合DNA上的-35區(qū)和-10區(qū)。σ70因子特異性結合DNA上的-35區(qū)和-10區(qū)，而σ54因子識別并與DNA上的-24和-12區(qū)相結合。在與啟動子結合的順序上，σ70類啟動子在核心酶結合到DNA鏈上之后才能與啟動子區(qū)相結合，而σ54則類似于真核生物的TATA區(qū)結合蛋白（TBP），可以在無核心酶時獨立結合到啟動子上。原核基因表達調控的主要特點主要分為：可誘導調節(jié)和可阻遏調節(jié)可誘導調節(jié)：是指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關閉的狀態(tài)轉變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，及在某些物質的誘導下使基因活化。

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

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

有葡萄糖存在的情況下，即使在細菌培養(yǎng)基中加入乳糖，半乳糖，阿拉伯糖或麥芽糖等誘導物，與其相對應的操縱子也不會啟動，產生出代謝這些糖的酶來。這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應細菌的應急反應細菌有時會碰到緊急狀況，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，細菌將會產生一個應急反應，包括生產各種RNA，糖，脂肪和蛋白質在內的幾乎全部生物化學反應過程均被停止。信號是：鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp）8.2乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)大腸桿菌乳糖操縱子（lactoseoperon）包括3個結構基因：Z、Y和A，以及啟動子、控制子和阻遏子等。轉錄的調控是在啟動區(qū)和操縱區(qū)進行的。3個結構基因各決定一種酶：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胞壁和原生質膜進入細胞內；A——編碼β-半乳糖苷乙?；D移酶，把乙酰輔酶A上的乙酰基轉移到半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。8.2.1酶的誘導—lac體系受調控的證據(jù)

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

用32P標記的mRNA與模板DNA進行定量分子雜交，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

實驗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）。因為它們都不是半乳糖苷酶的底物，所以又稱為安慰性誘導物（gratuitousinducer）。圖88用35S標記大腸桿菌細胞（培養(yǎng)基中沒有半乳糖），將這些帶有放射性的細菌轉移到不含35S的培養(yǎng)基中，加入誘導物后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35S標記，說明這種酶是加入誘導物后新合成的。8.2.2操縱子模型及其影響因子Jacob和Monod認為誘導酶（他們當時稱為適應酶）現(xiàn)象是個基因調控問題，而且可以用實驗方法進行研究，他們通過大量實驗及分析，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基因產物由同一條多順反子mRNA分子所編碼。2.該mRNA分子的啟動區(qū)(P)位于阻遏基因(I)與操縱區(qū)(O)之間，不能單獨起始半乳糖苷酶和透過酶基因的高效表達。3.操縱區(qū)是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結合位點。4.當阻遏物與操縱區(qū)相結合時，lacmRNA的轉錄起始受到抑制。5.誘導物通過與阻遏物結合，改變其三維構象，使之不能與操縱區(qū)相結合，誘發(fā)lacmRNA的合成。這就是說，有誘導物存在時，操縱區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以