原核生物基因的表达调控.doc

原核生物基因表达的调控1.2 色氨酸操纵子1.2.1 色氨酸操纵子的结构模型色氨酸操纵子包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因，结构与乳糖操纵子相似，不过在靠近启动子下游有一段前导序列，在该序列中有两个紧密相连的色氨酸密码子，其结构如图1.3所示。1.2.2 色氨酸操纵子的控调控机制当环境中存在大量色氨酸时，大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制；当色氨酸不足时，这种酶的基因开始转转录；由此可知色氨酸作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。因此Trp操纵子是一个典型的可阻遏操纵元模型。图1.3 Trp操纵子结构模式图1.2.2.1 阻遏调控系统色氨酸操纵子的调节基因(trpR)产物阻遏物蛋白，在有过量色氨酸存在时与之结合，成为有活性的阻遏物，它作用于操纵基因可阻止转录的进行。详见图1.4。图1.4 Trp操纵子阻遏蛋白的调控1.2.2.2 弱化子调控进一步研究发现，除了阻遏物操纵基因的调节外，还存在另一种在转录水平上调节基因表达的衰减作用(attenuation)，用以终止和减弱转录1-13。这种调节的作用部位称为衰减子（attenuator)，是一种位于结构基因上游前导区的终止子。前导区编码mRNA的前导序列(1eadersequence)，该序列可合成一段小肽(前导肽)，它在翻译水平上控制前导区转录的终止。阻遏和衰减机制虽然都是在转录水平上进行调节，但是它们的作用机制完全不同，前者控制转录的起始，后者控制转录起始后是否继续下去。衰减作用比之遏阻作用是更为精细的调节。衰减机制首先是从色氨酸操纵子的研究中弄清楚的。色氨酸mRNA的5端有162个核苷酸的前导序列，当RNA的合成启动后除非缺乏色氨酸，否则大部分mRNA仅合成140个核苷酸即终止12。前导序列能编码一小段14肽，其终止区具有潜在的茎环构象和成串的U，表现出一段终止位点的特征。前导RNA链有4个区域彼此互补，可形成奇特的二级结构。推测由于RNA的特殊空间结构控制着转录的进行。图1.5 弱化子调控除色氨酸外，苯丙氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸缬氨酸和组氨酸的有关基因组中都存在衰减子的调节位点，其mRNA前端有一段前导RNA，可编码一小肽，能在翻译水平上抑制相应基因的转录，对遗传信息的表达起着阻止或衰减的作用1-4,6-13。为了提高控制效率，前导RNA链中往往存在重复的调节密码子，这现象在苯丙氨酸和组氨酸的前导序列中尤为明显，前者有7个苯丙氨酸密码子， 1.3 正调控系统和负调控系统正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。有以下四种基本类型12，其调控机制见图1.6所示所示。负性调控：减弱或阻止其调控基因转录；包括：v 可诱导负控制系统v 可阻遏负控制系统正性调控：增强或起动其调控基因转录，包括：v 可诱导正控制系统v 可阻遏正控制系统图1.6 原核生物基因表达调控的正负调控系统2 转录后水平的调控2 tRNA；tRNA的数量，种类及位置都不固定。每个操纵子都有一个双重启动子结构；第一个启动子在16S rRNA起始点上约300bp处，可能是基本的启动子。离P1 110bp有第二个启动子P2。如图2.1所示图2.1大肠杆菌加工形成成熟rRNA的过程64 种密码子的利用率, 发现三者对AUA的利用率依次为1%,32%,0%。可能对应于稀有密码子tRNA较少, 高频率使用这些稀有密码子的基因, 翻译过程极易受阻。2.2.3 魔斑核苷酸水平对翻译的影响Sands发现大肠杆菌缺陷型(trp-his- ) 12,13 ，在缺少任何一种氨基酸的培养基中, 不但蛋白质合成速率下降, 而且RNA的合成也下降。 后来又发现大肠杆菌突变株在色氨酸不足时, 蛋白质合成停止, 而RNA合成却没有下降。 进一步研究发现前者能合成魔斑(ppGpp 和pppGpp)16,17。 由于氨基酸缺乏, 空载tRNA 增多,空载tRNA在核糖体上将正常合成蛋白质需要的GTP合成魔斑。PpGpp可以大范围内作出应急反应, 以控制核糖体和其它大分子的合成, 活化蛋白水解酶。2.2.4 小分子RNA（micRNA）调节翻译大肠杆菌中与渗透压有关的调节子是ompB、ompC和ompF 相互不连锁的三个座位组成12，13 。当培养基中渗透压变化时,ompF 蛋白质产量下降, 同时ompC蛋白质产量上升, 保持该两种蛋白质总量恒定。在ompC基因上游不远处存在另一个转录单元(反向-10 和-35 区) 。当渗透压增高时,ompC 可以双向转录, 除转录ompC基因外, 还可以相反于ompC基因转录174 个核苷酸RNA。这段转录产物ompFmRNA5 端具有较强的同源性。通过分子杂交抑制了ompF、mRNA的翻译。这174 核苷酸序列称为MicRNA。3 结 论 原核生物通过控制基因表达的调控来实现对外界变化环境的适应。生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的，尽管现在对调控机理的奥妙所知还不多，但已经认识到，不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。通过对原核生物基因表达调控的研究有利于进一步学习和研究真核生物调控。 参考文献1 王亚馥等.1999.遗传学.北京：高等教育出版社2 T.A布朗.2002.基因组.袁建刚等译.北京：科学出版社3 赵亚华. 2006.分子生物学教程.北京：科学出版社4 郑用琏.2007.基础分子生物学.北京：高等教育出版社5 张喜南.原核生物的基因表达调控.河北农业大学学报,1986,9(4)：108-1236 杨岐生.2003.分子生物学.杭州：浙江大学出版社7 叶林柏等.2004.基础分子生物学.北京：科学出版社8 赵寿元，乔守怡.2008.现代遗传学.北京：高等教育出版社9 陈诗书，汤雪明.医学细胞与分子生物学.1994.上海：上海医科大学出版社10 胡维新.2007. 医学分子生物学. 北京：科学出版社11 张红卫.2001.发育生物学.北京：高等教育出版社12 朱玉贤.1997. 现代分子生物学.北京: 高教出版社13 林元山.原核生物和真核生物的基因组及其基因表达调控的比较研究. 怀化学