基础生物化学—赵武玲.doc

第三 节原核转录调控 P371页 细胞的基因表达是指由DNA转录成RNA再翻译成蛋白质的过程，是受到严格的调控的。细胞响应调节信号，使基因表达产物的水平升高或降低的过程，就称之为基因表达调控(regulated gene expression)。基因的表达调控可以在多种水平上进行，如DNA结构的调控、转录水平的调控及翻译水平的调控。原核生物基因表达调控以转录起始水平的调控为主。下面以乳糖操纵子和色氨酸操纵子为例介绍原核生物转录起始阶段的调控。 一、乳糖操纵子 操纵子（operon)模型很好地说明了原核生物基因表达的调节机制，在原核生物基因调控中具有普遍性。 操纵子是原核生物染色体上控制蛋白质合成的功能单位，包括结构基因区（structural gene region）和调控区。有些操纵子中还具有其他的位点。 结构基因由功能上彼此相关的几个基因组成，编码具有酶功能或结构功能的蛋白质。一个操纵子中若干个结构基因排列在一起，它们的表达作为一个整体受到调控区的调节，通过转录形成的是一条多顺反子mRNA。 调控区由启动子（promoter，P)、操纵序列（operator，O）所组成。调控区可接受调节基因(regulatory gene）产物的调节。调节基因不在操纵子内，它编码调节蛋白，结合在DNA的特殊位点上调节基因表达。如果调节基因编码的蛋白质与操纵序列结合后激活了基因的表达，这样的调控被称为正调控（positive control)，相应的调节蛋白就称为激活蛋白（activator)。如果调节基因编码的蛋白质与操纵序列结合后阻遏了基因的表达，这样的调控就称为负调控(negative control)，相应的调节蛋白就称为阻遏蛋白（repressor)。大肠杆菌的乳糖操纵子模型（ac operon )是第1个被阐明的基因表达系统，由Francois Jacob和Jacques Monod于1962年提出的。大肠杆菌乳糖操纵子有3个结构基因Z，Y，A，分别编码3种参与乳糖分解代谢的酶，即-半乳糖昔酶（galactosidase)、-半乳糖昔透过酶(permease）和硫代半乳糖昔转乙酞基酶(thiogalactoside transacetylase)。结构基囚区的上游是调控区，包拈一个启动子（P）、一个操纵序列（O)。在启动子上游还有一个代谢物基因活化蛋白（catabolite gene activation protein，CAP)的结合位点。由启动子、操纵序列和CAP结合共同构成乳糖操纵子的调控区（图14-8)， 在培养基中没有乳糖的条件下，阻遏蛋白能与操纵序列结合。由于操纵序列与启动子有部分重叠，一旦阻遏蛋白与操纵序列结合，就妨碍了RNA聚合酶与启动子结合，从而抑制结构基因的转录。这种状态称为乳糖操纵子被阻遏。不过，阻遏蛋白的阻遏作用并不是绝对的。由于阻遏蛋白偶尔会从操纵序列上解离，所以每个细胞中仍有少量的-半乳糖昔醉和-半乳糖昔透过酶生成。 当培养基中有乳糖存在时，乳糖通过片半乳糖昔透过酶作用进入细胞，乳糖作为诱导物（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白的构象发生改变，从操纵序列上解离下来，使结构基因开放，转录得以进行（图14-9)。这种状态称为乳糖操纵子被诱导。在乳糖操纵子中，RNA聚合酶与启动子结合的能力很弱，还需要激活蛋白的促进，才能与启动子更好地结合并有效转录。乳糖操纵子中的激活蛋白就是CAP。CAP结合到启动子上游的CAP结合位点后，促进RNA聚合酶与启动子更好地结合并有效转录。在这种调控作用中，CAP起正调控作用。乳糖操纵子的转录起始是由CAP和阻遏蛋白两种调控因子来协调控制的（图14-10)。 CAP是同二聚体，分子内有DNA结合区及cAMP结合位点。当细胞中。cAMP含量升高时，CAP与cAMP结合后转变成有活性的构象。活化的CAP结合在ac启动子附近的CAP位点，刺激乳糖操纵子转录活性。当细胞中cAMP含量降低，CAP与cAMP结合受阻，造成乳糖操纵子表达下降。 细胞中cAMP含量的变化与细胞中的葡萄糖含量有关。当环境中没有葡萄糖时，细胞中cAMP的含量就升高。当环境中有葡萄糖存在时，细胞中CAMP的含量就降低。CAP与cAMP结合受阻，造成乳糖操纵子表达下降，使细菌只能利用葡萄糖。因此，当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，总是优先利用葡萄糖。当葡萄糖耗尽后，细菌经过一段停滞期，在乳糖诱导下-半乳糖昔酶开始合成，细菌才能利用乳糖，这称之为葡萄糖效应。 二、色氨酸操纵子 细胞能够根据环境变化对代谢做出调整。大肠杆菌的色氨酸操纵子就是一个生动的例子。色氨酸操纵子存在两种调控机制。一种是通过阻遏蛋白的负调控，另一种是衰减(attenuation）作用的调控。 大肠杆菌的色氨酸操纵子（trp operon )有5个结构基因trp E ， trp D、 trp C、trp B和trp A，编码催化分支酸合成色氨酸的3种酶。其上游还有一个启动子（P)、一个操纵序列(O)。在操纵序列与结构基因trp E之间有一段162个核昔酸的前导序列trp L，可以编码出14个氨基酸的小肽，叫做前导肽。衰减子（(attenuator）是内部终止子，位于前导序列内。调节基因R(trpR）远离操纵子，编码阻遏蛋白（图14-11). 当培养基中一没有色氨酸时，trp R编码的阻遏蛋白不能与操纵序列结合，对转录无抑制作用。细菌细胞开始产生一系列合成色氨酸的酶，用于合成色氨酸以维持生存。当培养基中含有丰富的色氨酸时，细菌细胞可以直接利用已有的色氨酸。色氨酸作为辅阻遏物(co-repressor）与阻遏蛋白结合，将其活化，使阻遏蛋白与操纵序列结合，阻止色氨酸操纵子的表达，避免了能量和资源的浪费。这是阻遏蛋白的负调控。 色氨酸操纵子中的操纵序列和衰减子可发挥双重负调节作用。衰减子可能比操纵序列更灵敏。色氨酸操纵子的阻遏作用较弱，即使在阻遏蛋白结合的情况下，仍可进行一定程度的转录。而衰减子能在环境中色氨酸相对较多时减弱操纵子的表达。这样可以保证尽可能充分地利用色氨酸，防止色氨酸堆积和过多地消耗能量。同时，这种机制也使细菌能够优先将环境中的色氨酸消耗完，然后开始自身合成。 P373页P376页基础元件包括TATA盒（TATA box)和起始子（initiator， Inr) 。 TATA盒通常位于起始位点上游约25 bp处，与起始位点具有相对固定的位置。大多数启动子具有TATA盒(TATA box）的序列。TATA盒与原核生物Pribnow盒相似，是转录因子与DNA分子的结合部位。起始子位于一3 bp和5 bp之间，是转录的起始点。 基础元件主要决定起始位点的位置，但只能以低水平激发转录起始。上游元件的作用是提高转录的效率。常见的上游元件有CAAT盒、GC盒和八聚体盒等。每种启动子中元件的数目、位置和方向都有所不同，没有一个上游元件是所有的启动子必须具有的。通过若干种元件的相互搭配，以多样化的形式起始转录。 RNA聚合酶启动子中的某些元件可被一些起调控作用的转录因子识别，这些元件称为应答元件（response element)，如：热激应答元件（heat shock response element， HSE）等。温度升高，细胞暂时性关闭一些基因转录，同时打开热激基因的转录，以辅助蛋白质的正确折叠、包装并参与错误产物的降解。 三、真核生物的转录过程 真核生物RNA聚合酶的转录过程与原核生物的基本相似，所不同的是真核生物RNA聚合酶自身不能识别和结合到启动子上，需要转录因子（transcription factors， TF)先和启动子结合后才能结合上去。转录因子指除RNA聚合酶外的一系列参与转录及转录调节的蛋白质因子。参与RNA聚合酶工、RNA聚合酶和RNA聚合酶催化的转录过程的转录因子分别称之为TF、TF和TF 。 TF包括多种亚基，其中一种为TATA结合蛋白（TATA binding protein， TBP) 。TBP是与启动子中极为重要的元件TATA盒结合的蛋白质。TBP与一些TBP相关蛋白质将RNA聚合酶I正确定位在转录起始位点。RNA聚合酶工和ul的催化作用也需要TBP的参加。 转录起始首先由TBP与DNA模板链上的TATA盒结合，然后由各种转录因子相互结合，并与RNA聚合酶一起结合到DNA模板上，局部打开模板双链，