第十章 原核生物的基因表达调控

第10章原核生物的基因表达调控10.1原核基因表达调控概述10.2操纵子学说10.3乳糖操纵子10.4色氨酸操纵子10.5阿拉伯糖操纵子10.6组氨酸操纵子10.7正调控系统和负调控系统10.1原核生物基因表达调控概述基因表达调控是生物体内基因表达的调节控制机制，是细胞中基因表达的过程在时间、空间上处于有序状态，并对环境条件的变化作出适当反应的复杂过程。基因表达的调控可在多个层次上进行，包括DNA(基因)水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后加工水平的调控。基因表达调控是生物体内细胞分化、形态发生和个体发育的分子基础。10.1.1基因表达调控的意义根据生物体的复杂程度，每个细胞中的DNA分子可以携带几千到几万个基因不等。例如大肠杆菌是单细胞生物，它的全基因组序列长4×106bp，假定一个基因约为l03bp,则一个大肠杆菌就有约4000个基因,至少能编码3000多个蛋白质.低等的真核生物如酿酒酵母，基因组序列长为1.3×107bp，携带大约5800个基因，至少编码5000多种蛋白质；更复杂的多细胞真核生物(如人类)，基因组长度约为3×109bp，至少应编码几万种蛋白质。但在对大肠杆菌各种蛋白质的相对细胞含量分析表明，在每个细胞中有些蛋白质分子的数量不到10个分子，而另一些蛋白质却多达5×105个分子，相差近5万倍；

说明在生物体生命活动中并不是所有的基因都同时表达；代谢过程中所需要的各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的；

而与生物发育过程有关的基因则要在特定的时空才表达；还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不表达，只在合适的时期才表达。即使细胞携带着基本相同的基因，但同一有机体各个细胞的形态和功能都不一样，基因表达的水平也不尽相同。正是因为生物体能够根据其本身固有的遗传信息表达与调控，以及对环境的适应，才产生了各种特异功能的蛋白质分子来体现生命现象和执行生物功能，使得从低等到高等的生物界呈现出五彩缤纷的生命现象。10.1.2原核基因表达调控的特点与方式

原核生物基因的表达调控存在于转录和翻译的每一步骤中。这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达，既经济有效，又保证其生命活动的需要。

细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：

第一条途径是细胞控制从其DNA模板上转录特异的mRNA的速度，这是生物在长期的进化过程中自然选择的结果。这种控制称为转录水平(transcriptionallevel)的调控。大多数基因表达都属于转录水平的调控。第二条途径是在mRNA合成后，控制从mRNA翻译成多肽链的速度。这种蛋白质合成及基因表达的控制称为翻译水平(trans1a-tionallevel)的调控。10.1.3原核基因表达调控的几个重要概念1、细菌细胞对营养的适应2．顺式作用组件和反式作用因子3．结构基因和调节基因4．操纵基因和阻遏蛋白5．组成蛋白和调节蛋白

生长在以葡萄糖为惟一碳源的细菌中的酶类至少有600～800种；1、细菌细胞对营养的适应降解葡萄糖第一步的酶、产生ATP所需要的酶、与合成氨基酸与核苷酸有关的酶、用以构建细胞壁、细胞膜以及核糖体的各种结构蛋白等的酶，都以相当大的数量存在。制造辅酶的酶类等物质则只是微量存在。

在对E.coli细胞中稀有的和丰富的蛋白质的拷贝数研究中，对β-半乳糖苷酶的研究最详尽。β-半乳糖苷酶能将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖。它是相对分子质量为460000的四聚体蛋白。由于乳糖不能用作碳源和能源，必须先被分解成简单的葡萄糖和半乳糖。

生长在以乳糖为惟一碳源的E.coli中通常含有3000个β-半乳糖苷酶分子，占其总蛋白的1.5％，是调节酶中所能合成的最大数量。其他丰富的蛋白质包括核糖体蛋白约53种，占总蛋白的20%。E.coli中含量最丰富的是蛋白质合成的延长因子EF-Tu，每个细胞中存在105个分子左右。2．顺式作用组件和反式作用因子

基因活性的调节主要通过顺式作用组件与反式作用因子的相互作用而实现。

反式作用因子：是指远离受影响的基因之外的基因所编码的产物，又称为转录因子。它有非特异性和特异性之分。

顺式作用组件（因子）：是指对基因表达有调节活性的DNA序列，如启动子、增强子等。其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因。这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。位于转录单位开始和结束位置上的启动子和终止子等，都属于顺式作用元件。3．结构基因和调节基因

结构基因(structuralgene)是编码蛋白质或RNA的基因。结构基因编码大量功能各异的蛋白质，其中有组成细胞和组织器官基本成分的结构蛋白、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。细菌的结构基因一般成簇排列，多个结构基因受单一启动子共同控制，使整套基因或都表达或者都不表达。

调节基因(regulatorgene)是编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的特异DNA序列。调节基因编码的调节物(蛋白)通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。4．操纵基因和阻遏蛋白操纵基因(operator)是操纵子中的控制基因，在操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态，使RNA聚合酶通过并作用于启动子启动的转录。但当它与调节基因所编码的阻遏蛋白结合时，就从开放状态逐渐转变为关闭状态，使转录过程不能发生。5．组成蛋白和调节蛋白细胞内有许多种蛋白质的含量几乎不受外界环境的影响，这些蛋白质称为组成蛋白。例如大肠杆菌中的组成蛋白，它们的合成速度是遗传上规定的，主要有以下几个方面的影响：(1)启动子的天然效率；(2)核糖体阅读信使的速度；(3)mRNA的稳定性。调节蛋白是一类特殊的蛋白质，是调节基因的产物，它们可以影响一种或多种基因的表达。有两种类型的调节蛋白，即起正调节作用的激活蛋白（物）和起负调节作用的阻遏蛋白（物）。10.2操纵子学说(theoryofoperon)

在细菌基因组中，编码功能相关的结构蛋白的基因通常成簇排列在一起。例如，同一个代谢途径的酶的基因一般成簇排列。

操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控的学说。操纵子：是原核生物DNA上的一段区域，它包括共转录到一条mRNA上的多个结构基因和这些基因转录所需的顺式作用序列，这些序列包括启动子、操纵基因和转录调控有关的序列。通过调节基因编码的调节蛋白或与诱导物、辅阻遏物协同作用，开启或关闭操纵基因，对操纵子结构基因的表达进行正、负控制。10.3乳糖操纵子10.3.1乳糖操纵子的调节机制10.3.2小分子效应物的作用10.3.3降解物对基因活性的调节10.3.4阻遏蛋白的作用机制

10.3.1乳糖操纵子的调节机制大肠杆菌的乳糖操纵子(1actoseoperon，lac)长约5000个碱基对，是目前对操纵子研究最详尽的例子，也是研究转录水平调控规律的基本模式。

大肠杆菌乳糖操纵子有3个结构基因，可编码3种酶。分别为β-半乳糖苷酶基因(lacZ)，功能是将乳糖水解为葡萄糖和半乳糖;β-半乳糖苷透性酶基因(lacY)，能促进β-半乳糖苷进入细胞；β-半乳糖苷转乙酰基酶基因(lacA)，催化将乙酰基团从乙酰辅酶A转移到β-半乳糖苷分子上。这三个有关分解代谢的酶的基因在乳糖操纵子中成簇排列，以利于上游调控元件的调控(见图)。POP(蛋白)

大肠杆菌在有葡萄糖作为碳源的培养基中生长时，不能代谢乳糖，因为缺少乳糖代谢的酶。当生长在没有葡萄糖只有乳糖的培养基中时，代谢乳糖的酶量从几个分子迅速增加近千倍。即细菌在短时间内合成了能够利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳糖作为碳源的能力，在这种培养基上生存了下来。

细菌获得这一能力的原因是在乳糖的诱导作用下开启了乳糖操纵子，表达了与代谢乳糖相关的一系列酶所致。象乳糖这样一类加入培养基中能专一性地增加某些酶数量的物质称为诱导物(indu-cer)，这种酶称为诱导酶(inducibleenzyme)。称这类基因为可诱导基因，这种代谢过程作为酶的诱导过程。乳糖操纵子调控机制是：当培养基中没有乳糖时，存在于操纵子上游的调节基因编码表达的阻遏蛋白结合到操纵子中的操纵基因上，阻止了结构基因的表达(即lacO基因被调节基因编码表达的阻遏蛋白所阻遏)。此时，在细胞中只有几个β-半乳糖苷酶分子。当培养基中存在乳糖时，由于诱导物分子结合在阻遏蛋白的特异部位，引起阻遏蛋白构象改变，不能结合到操纵基因上，使RNA聚合酶能够正常通过操纵子到达结构基因，即操纵子被诱导表达，β-半乳糖苷酶分子数量迅速增加。在这个系统中的诱导物分子不是乳糖本身，而是乳糖的同分异构体—-异乳糖，因为乳糖进入大肠杆菌细胞后被转化成了异乳糖。异乳糖

乳糖葡萄糖+半乳糖

β-半乳糖苷酶

由下图可以看出，lacZYA基因的转录受lacI基因编码合成的调控蛋白（阻遏蛋白）的控制。LacI的表达产物是乳糖操纵子的阻遏蛋白，它的功能是阻止结构基因的表达，通过与lacZYA基因簇开始处的操纵基因结合发挥作用。

在阻遏蛋白上有二个结合位点:一个是操纵基因结合位点;另一个是诱导物结合位点。当诱导物与其结合位点结合后，改变了阻遏蛋白的构型，从而影响与操纵基因结合的活性。阻遏蛋白(物)阻遏蛋白(物)

lacI基因与其后的结构基因虽然相邻，但它们属于不同的转录单位，它有其自身的启动子和终止序列，能独立地进行转录，形成单顺反子mRNA,转录的速度受lacI基因的启动子与RNA聚合酶活力大小的控制。lacI编码可扩散的表达产物，属于反式作用调节因子。

实验室里常用含硫的乳糖类似物丙基硫代-β-D-半乳糖苷(impropylthio-β-D-galac-toside，IPTG)代替乳糖来研究诱导作用。这种能诱导酶基因的表达但不是半乳糖苷酶底物的分子称为义务诱导物(gra-tuitousinducer)。

以上所述的调节是一种协同调节过程(co-ordinateregulation)。mRNA从5′端依次翻译，表达产物β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷酶透性酶和半乳糖苷转乙酰基酶均依次出现，三种酶共享一条mRNA链作为翻译的模板。10.3.2小分子效应物的作用

调节蛋白是否具有活性有时取决于它是否与一个小分子物质结合，能够结合于蛋白并改变其性质的小分子物质称作效应物。细菌细胞有两种类型的效应物：诱导物和辅阻遏物。

(1)诱导物：与阻遏蛋白结合，启动操纵子转录的效应物称作诱导物。无诱导物存在时，阻遏蛋白与操纵基因牢固结合，阻止RNA聚合酶进入启动子区域，操纵子被关闭，结构基因不能转录。

有诱导物存在时，诱导物与阻遏蛋白结合，促使后者空间构象变化，使阻遏蛋白与操纵基因亲和力下降而解离下来，RNA聚合酶能够进入启动子区域，开启了结构基因的转录表达。

因诱导物的存在而使基因表达开放的调节称为可诱导的调节。最典型的例子是大肠杆菌的乳糖操纵子。

(2)辅阻遏物：能与阻遏物（蛋白）结合而阻断转录的效应物称为辅阻遏物。有些阻遏蛋白本身不具有结合操纵基因的活性，在自然状态下操纵子是开放的，能正常表达。当细胞中有辅阻遏物存在时，它可以结合到阻遏蛋白分子上，提高阻遏蛋白与操纵基因的亲和性。这与诱导物的作用相反。

由辅阻遏物参与引起的调节又称为可阻遏的调节，即这类基因在正常情况下都是开启的，处于正在合成蛋白质或酶的状态下，由于一些代谢终产物或化合物的积累将其关闭，阻遏了基因的表达，所以称为可阻遏的基因表达调控。10.3.3降解物对基因活性的调节有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖、麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动产生代谢这些糖的酶。这是因为葡萄糖是最常用的碳源，细菌所需要的能量主要从葡萄糖获得，在这种情况下，细菌无需开动一些不常用的基因去利用这些稀有的糖类。

葡萄糖的存在可抑制细菌细胞中的腺苷酸环化酶活性，从而减少环腺苷酸(cAMP)的合成，与它结合的受体蛋白质CAP因找不到配体而不能形成复合物（cAMP-CAP）。

cAMP-CAP是一个重要的正调节物质，可以与操纵子上的启动子区结合，启动基因转录。葡萄糖存在时，由于不易形成复合物cAMP-CAP，受其调控的基因就不表达。如果培养基中葡萄糖的含量下降，腺苷酸环化酶活力就会相应提高，cAMP合成增加，cAMP与CAP形成复合物并与启动子结合，促进乳糖操纵子的表达。10.3.4阻遏蛋白的作用机制1．阻遏蛋白识别并特异结合DNA的方式2、诱导物对阻遏蛋白结合操纵基因的影响3．阻遏蛋白对RNA聚合酶功能的影响1．阻遏蛋白识别并特异结合DNA的方式

阻遏蛋白识别操纵基因DNA特异序列是通过阻遏蛋白的识别位点进行的，它们的共同特点是具有对称性。如图10-3所示，以+11为对称轴，每边为两段各6bp的对称序列，TGTGTG和AATTGT。靠近对称轴的一对反向重复序列在阻遏蛋自结合过程中起主要作用。

阻遏蛋白的结构具有对称性，它是同样亚基组成的四聚体，每个亚基都有同样的DNA结合位点。许多原核生物基因的阻遏蛋白都具有类似超二级结构的螺旋一转角一螺旋DNA结合基序(见图11-4)。由于螺旋能插入到DNA双螺旋的大沟中，因此能特异性地识别并以氢键形式结合于DNA碱基序列上。2、诱导物对阻遏蛋白结合操纵基因的影响诱导物可以与游离阻遏蛋白结合，也可以与阻遏蛋白和操纵基因的复合物结合。诱导物的结合可以使阻遏蛋白产生变化，使其从操纵基因上释放。

体外实验表明，加入IPTG能很快引起阻遏蛋白与操纵基因复合物不稳定。

3．阻遏蛋白对RNA聚合酶功能的影响阻遏蛋白和RNA聚合酶可同时与DNA结合，且阻遏蛋白与DNA的结合能增强RNA聚合酶结合DNA的能力。

RNA聚合酶和阻遏蛋白同时与DNA结合，形成RNA聚合酶-阻遏蛋白-DNA三元复合物，不发生转录作用。当加入诱导物后，释放出阻遏蛋白，关闭的复合物转变成开放的复合物，起始转录。10.4色氨酸操纵子(trp)

大肠杆菌的色氨酸操纵子是受阻遏物负调控的生物合成操纵子的典型实例。色氨酸操纵子包括5个结构基因(trpA、B、C、D、E)负责色氨酸的生物合成。

色氨酸的合成分5步完成。每步需要一种酶，编码这5种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子mRNA分子上。邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油一3-磷酸合成酶，分别以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA表示，和trpE紧邻的是启动子区和操纵子区(见图10.4)。a10.4.1色氨酸操纵子的阻遏系统Trp操纵子中产生阻遏物（蛋白）的基因trpR距trp基因簇较远，编码合成一个相对分子质量为58000阻遏蛋白；色氨酸水平很低时，这个阻遏蛋白以游离形式存在，不能结合到操纵基因上。此时操纵子能够转录和表达，使细菌细胞合成色氨酸。

当在培养基中的色氨酸过量时，它能与阻遏蛋白形成复合物，并结合到操纵基因上阻止结构基因转录，这种以终产物阻止基因转录的机理称为反馈抑制。此终产物(色氨酸)称为辅阻遏物(见图10-5)。aa

由色氨酸操纵子调节基因碱基序列图(图10-6)可以看出，启动子与操纵区域有很大程度的重叠，使色氨酸-阻遏蛋白复合体和RNA聚合酶结合DNA分子具有竞争性，体外实验表明，如果先加入色氨酸-阻遏蛋白复合体，RNA聚合酶不能与启动子结合，否则反之。

色氨酸操纵子的阻遏系统是色氨酸生物合成途径的第一水平调控(初调)，它主要调节转录的启动与否。色氨酸操纵子的第二水平控制(细调)是色氨酸操纵子的弱化系统，它决定着已经启动的转录是否能够继续进行下去。10.4.2色氨酸操纵子的弱化系统1.前导肽及其序列结构2.mRNA前导区序列分析3.转录的弱化效应4.细菌的应急反应1、前导肽及其序列结构

Yanofsky发现了色氨酸生物合成途径的第二水平调控。在色氨酸mRNA5′端trpE起始密码子前有一段162bp的DNA序列和核糖体结合位点，称为前导区(1eader)，实验表明如果123-150位碱基序列缺失，色氨酸操纵子基因表达量可提高6倍。

当mRNA转录起始后如果培养基中存在一定水平的色氨酸，转录能够被启动，但在这个区域(弱化子)停止，产生一个140nt的RNA分子；

如果没有色氨酸存在，则转录继续进行，合成trpEmRNA。所以，这个区域参与了色氨酸操纵子基因表达的调节。

研究还发现，当mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，否则转录总是在这个区域终止。因为转录终止发生在这一区域，并且这种终止能被调节，因此这个区域被称为弱化子(attenuator)或衰减子。对引起终止的mRNA碱基序列研究发现，这一区域的mRNA碱基序列可通过自我配对形成茎-环结构，具有典型的终止子结构特点(图10-7)。

对前导肽的研究表明，弱化或衰减作用需要有负载的tRNATrp参与，说明前导序列的某些部分在转录的同时也被翻译了。分析前导序列，发现它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，当翻译起始于此处的AUG，则产生一个含有14个氨基酸的多肽，称为前导肽。2、mRNA前导区序列分析

trp前导区的碱基序列已经全部测定，发现完整的前导序列可分为1、2、3、4区域，这四个区域的片段能以两种不同的方式进行碱基配对(图10-8)，有时以1-2和3-4配对，有时只以2-3方式互补配对。3．转录的弱化效应

转录的弱化理论认为，mRNA转录的终止是通过前导肽基因的翻译来调节的，在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子，在翻译时对tRNATrp的浓度十分敏感。

当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的tRNATrp也很少，由此推断，翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢。当4区被转录完成时，核糖体才移动到1区(或停留在两个相邻的色氨酸密码子处)，这时的前导区结构是2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，所以转录可继续进行，直到将色氨酸操纵子中的结构基因全部转录完为止。测定结果发现:在缺乏色氨酸时所有的RNA聚合酶都能经过弱化子继续参与转录，表达量提高10倍加上取消阻遏增加的约70倍的表达总表达量可增加约700倍（10*70）

当培养基中色氨酸浓度高时，核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前，核糖体就到达2区，这样使2-3不能配对，3-4区可以自由配对形成茎．环式的终止子结构，使得只有约10％的RNA聚合酶能继续参与色氨酸操纵子结构基因的转录(图10-8)。

由此可见，弱化子对RNA聚合酶转录的终止依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置，而细胞中色氨酸的存在与否，决定了mRNA转录的弱化子结构，使弱化子中1、2、3、4区域呈现竞争性配对，从而产生了弱化效应，这是色氨酸操纵子第二水平调控的机制。

色氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、异亮氨酸和缬氨酸操纵子，以及沙门氏菌属的组氨酸和亮氨酸的操纵子、嘧啶合成操纵子等，都采取弱化子调节这种方式。每个操纵子的前导肽中都含有该操纵子所要调控的重复密码子(表10-2)。操纵子前导肽的氨基酸序列色氨酸苏氨酸组氨酸异亮氨酸-缬氨酸GEDA亮氨酸

苯丙氨酸异亮氨酸缬氨酸BMetLysAlaIlePheValLeuLysGlyTrpTrpArgThrSerMetLysArgIleSerThrThrIleThrThrIleThrIleThrThrGlyAsnGlyAlaGlyMetThrArgValClnPheLysHisHisHisHisHisHisHisProAspMetThrAlaLeuLeuArgValIleSerLeuValValIleValValValIle……IleIleProProGysGlyAlaAlaLeuGlyArgGlyLysAlaMetSerHisIleValArgPheThrGlyLeuLeuLeuLeuAsnAlaPheIleVel……ArgGlyArgProValGlyIleGlnHisMetLysHisIleProPhePhePheAlaPhePhePheThrPheProMetThrThrSerMetLeuAsnAlaLysLeuLeuProThrAlaProSetAla……AlaValValValValArgValValValValValGlyAsnAlaPro

在这种调节方式中，起信号作用的是细胞中某一氨基酸的浓度和有特殊负载的氨基酰-tRNA的浓度。色氨酸操纵子当色氨酸缺乏时是开启的，但如果在培养基中