第八章 基因的表达与调控(上)1

第八章基因的表达与调控(上)原核基因表达调控模式自然选择倾向于保留高效率的生命过程。在每30分钟增殖一次的109细菌群体中，若一个细菌变成29.5分钟增殖，经过80天的连续生长后，这个群体中的99.9%都将具有29.5分钟增殖一倍的生长速度。原核生物细胞的基因和蛋白质种类较少，如大肠杆菌基因组约为4.20×106bp共有4288个开放读码框。据估计，一个细胞中总共含有107个蛋白质分子。每个大肠杆菌细胞有约15000个核糖体，50种核糖体蛋白、糖酵解体系的酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代谢过程中必需的，其合成速率不受环境变化或代谢状态的影响，这一类蛋白质被称为永久型（constitutive）合成的蛋白质。另一类则被称为适应型或调节型(adaptiveorregulated)，因为这类蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变。如大肠杆菌细胞中一般只有15个β-半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每细胞中这个酶的量可高达几万个分子。随着生物个体的发育，DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统转变成蛋白质，执行各种生理生化功能。科学家把从DNA到蛋白质的过程称为基因表达（geneexpression），对这个过程的调节就称为基因表达调控（generegulation或genecontrol）。8.1原核基因表达调控总论图8-1基因表达DNA分子有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统，转变成蛋白质分子，这个过程称为基因表达。基因表达的第一步是由RNA聚合酶拷贝DNA双链中的模板链，生成与该序列完全互补（除了T被置换成U之外）的RNA链。基因表达调控主要表现在以下二方面：☆转录水平上的调控(transcriptionalregulation)；☆转录后水平上的调控(post-transcriptionalregulation)，包括mRNA加工成熟水平调控(differentialprocessingofRNAtranscript)以及翻译水平调控(differentialtranslationofmRNA)。细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联（coupledtranscriptionandtranslation）。真核生物中，转录产物（primarytranscript）只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质（图8-2）。原核生物的基因调控主要是转录调控，包括负转录调控和正转录调控。在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），阻止结构基因转录。根据其作用特征又分为负控诱导和负控阻遏二大类。在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。阻遏蛋白作用于操纵区。在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。根据其作用特性分为正控诱导系统和正控阻遏系统。在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态。σ因子在结构上具有同源性，所以统称σ70家族，含有4个保守区（图8-4），其中第2个和第4个保守区参与结合启动区DNA，第2个保守区的另一部分还参与双链DNA解开成单链的过程。参与大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是σ因子图8-4大肠杆菌中的σ因子大肠杆菌中的σ因子（以σ70为例）主要包括4个结构域，其中第2个和第4个保守区参与结合启动区DNA，第2个保守区的另一部分还参与双链DNA解开成单链的过程。σ因子特异性结合DNA上的-35区和-10区。σ70因子特异性结合DNA上的-35区和-10区，而σ54因子识别并与DNA上的-24和-12区相结合。在与启动子结合的顺序上，σ70类启动子在核心酶结合到DNA链上之后才能与启动子区相结合，而σ54则类似于真核生物的TATA区结合蛋白（TBP），可以在无核心酶时独立结合到启动子上。原核基因表达调控的主要特点主要分为：可诱导调节和可阻遏调节可诱导调节：是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，及在某些物质的诱导下使基因活化。

大肠杆菌的乳糖操纵子可阻遏调节：这类基因平时都是开启的，处于产生蛋白质或酶的工作工程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。

大肠杆菌的色氨酸操纵子弱化子对基因活性的影响当操纵子被阻遏，RNA合成终止时，起终止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子特殊负载的氨基酰-tRNA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，阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，产生出代谢这些糖的酶来。这种现象称为葡萄糖效应细菌的应急反应细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿，及氨基酸全面匮乏，为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种RNA，糖，脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。信号是：鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp）8.2乳糖操纵子与负控诱导系统大肠杆菌乳糖操纵子（lactoseoperon）包括3个结构基因：Z、Y和A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。3个结构基因各决定一种酶：Z——编码β-半乳糖苷酶，是一种β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他β-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）；Y——编码β-半乳糖苷透过酶，它能使外界的β-半乳糖苷透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内；A——编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶，把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。8.2.1酶的诱导—lac体系受调控的证据

一般情况下，lac+基因型大肠杆菌细胞内β-半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低，每个细胞只有1～2个酶分子。但是，在乳糖培养基上酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，超过105个酶分子/细胞。在无葡萄糖有乳糖的培养基中，lac+细菌中将同时合成β-半乳糖苷酶和透过酶。

用32P标记的mRNA与模板DNA进行定量分子杂交，表明培养基中加入乳糖1～2分钟后，编码β-半乳糖苷酶和透过酶的lacmRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，lacmRNA量立即下降。图8-7

实验室常用两种乳糖类似物——异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）和巯甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常用发色底物O-硝基半乳糖苷（ONPG）。因为它们都不是半乳糖苷酶的底物，所以又称为安慰性诱导物（gratuitousinducer）。图88用35S标记大肠杆菌细胞（培养基中没有半乳糖），将这些带有放射性的细菌转移到不含35S的培养基中，加入诱导物后β-半乳糖苷酶便开始合成。分离纯化β-半乳糖苷酶，发现这种酶无35S标记，说明这种酶是加入诱导物后新合成的。8.2.2操纵子模型及其影响因子Jacob和Monod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）现象是个基因调控问题，而且可以用实验方法进行研究，他们通过大量实验及分析，建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子的控制模型。1.Z、Y、A基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码。2.该mRNA分子的启动区(P)位于阻遏基因(I)与操纵区(O)之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达。3.操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。4.当阻遏物与操纵区相结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。5.诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区相结合，诱发lacmRNA的合成。这就是说，有诱导物存在时，操纵区没有被阻遏物占据，所以