第七章基因表达调控终

第七章基因的表达与调控(上)原核基因的表达调控模式基因表达调控基因表达（geneexpression）

是基因经过转录、翻译产生有生物活性的蛋白质的过程。基因表达从DNA到蛋白质的过程，对这个过程的调节称为基因表达调控（generegulation）。基因表达调控是现代分子生物学研究的中心课题。基因表达的特征1、基因表达不是同步进行

E.coli基因组大小为4.6×106bp，其上有4288个基因，一般情况下只有5－10%的基因处于表达状态，其它基因有的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达。

2、基因表达具有组织特异性

不同组织细胞中不仅表达的基因数量不同，且基因表达的强度和种类也各不相同。如肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其它组织细胞，合成精氨酸酶为肝脏所特有；胰岛β细胞合成胰岛素。3、阶段特异性

细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的，这就是基因表达的阶段特异性（stagespecificity）。

一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息，在个体发育分化的各个阶段，各种基因极为有序地表达，一般在胚胎时期基因开放的数量最多，随着分化发展，细胞中某些基因关闭(turnoff)、某些基因转向开放(turnon)。4、基因表达适应环境的变化生物体内的基因调控各不相同，基因表达随环境变化的情况。（1）组成性表达(constitutiveexpression):

指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因可称为看家基因（housekeepinggene），这些基因中不少是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的，可以看成是细胞基本的基因表达。（2）适应性表达（adaptiveexpression）

指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导（induction），这类基因被称为可诱导的基因（induciblegene）。随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏（repression），相应的基因被称为可阻遏的基因（repressiblegene）。

改变基因表达的情况以适应环境，在原核生物、单细胞生物中尤其显得突出和重要，因为细胞的生存环境经常会有剧烈的变化。如周围有充足的葡萄糖，细菌可利用葡萄糖作能源和碳源，不必合成利用其它糖类的酶类，当外界没有葡萄糖时，细菌就要适应环境中存在的其它糖类（如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等），开放能利用这些糖的酶类基因，以满足生长的需要。7.1原核基因表达调控总论原核生物基因表达调控主要表现在以下两方面：1．转录水平上的调控（transcriptionalregulation）；2．转录后水平上的调控（post-transcriptionalregulation）,

其包括：①

mRNA加工成熟水平上的调控（differentialprocessingofRNAtranscript）；②

翻译水平上的调控（differentialtranslationofmRNA）。A.原核生物

营养状况（nutritionalstatus）和环境因素(environmentalfactor)对基因表达起着重要的影响。B.高等真核生物

激素水平（hormonelevel）和发育阶段（developmentalstage）是基因表达调控的最主要手段，而营养和环境因素的影响力大为下降。在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。原核生物：细菌mRNA在形成过程中与核糖体混合在一起，所以，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:

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。7.1.1原核基因调控分类

原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为:

负转录调控（negativetranscriptionregulation）正转录调控（positivetranscriptionregulation）1.负转录调控系统调节基因的产物是阻遏蛋白,起着阻止结构基因转录的作用。根据阻遏蛋白作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏二大类。A.负控诱导系统:（阻遏蛋白不与效应物结合时，结构基因不转录）B.负控阻遏系统(阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录）2.正转录调控系统

调节基因的产物是激活蛋白(activator)。也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导系统和正控阻遏系统。A.正控诱导系统B.正控阻遏系统(效应物分子的存在使激活蛋白处于活性状态)(效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态)大肠杆菌各种σ因子的比较

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，共存在六种σ因子，其中σ70是调控最基本的生理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。

除参与氮代谢的σ54以外，其它5种σ因子在结构上具有同源性，所以统称σ70家族。所有σ因子都含有4个保守区，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。

与上述σ因子特异性结合DNA上的-35区和-10区不同，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。7.1.2弱化子对基因活性的影响

属于这种调节方式的有大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子等。在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨基酰-tRNA的浓度。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段核苷酸片段被称为弱化子。7.1.3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、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。

为什么会产生这种效应呢？

因为添加葡萄糖后，细菌所需要的能量便可从葡萄糖得到满足，葡萄糖是最方便的能源，细菌无需开动一些不常用的基因去利用这些稀有的糖类。葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，减少环腺苷酸（cAMP）的合成，与cAMP结合的是环腺苷酸受体蛋白CRP，又称分解代谢物激活蛋白CAP。7.1.4

细菌的应急反应细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少一二种氨基酸，而是氨基酸的全面匮乏。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。实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)。当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成，其浓度可增加10倍以上。ppGpp的出现会关闭许多基因，当然也会打开一些合成氨基酸的基因，以应付这种紧急状况。关于ppGpp的作用原理还不大清。ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们不是只影响一个或几个操纵子，而是影响一大批，所以它们是超级调控因子。7.2乳糖操纵子与负控诱导系统法国巴斯德研究院的FrancoisJacob与JacquesMonod于1960年在法国科学院院报上发表了一篇论文，提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。这2个基因分别为β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）和半乳糖苷透过酶（galactosidepermease）。在此文中他们首先提出了操纵子（operon）和操纵基因（operator）的概念，他们的操纵子学说使我们得以从分子水平认识基因表达的调控，是一个划时代的突破，因此他们俩于1965年荣获诺贝尔生理学奖。

操纵子：原核生物中由一个或多个功能相关基因以及转录翻译调控元件组成的基因表达单元。

大肠杆菌能以乳糖为唯一碳源生长，这是由于它能产生一套利用乳糖的酶，这些酶受乳糖操纵子的控制。

大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌DNA的一个特定区段，由调节基因I，启动基因P，操纵基因O和结构基因Z、Y、A组成。

P区是转录起始时RNA聚合酶的结合部位。

O区是阻遏蛋白的结合部位,其功能是控制结构基因的转录。

I基因经常进行转录和翻译，产生有活性的阻遏蛋白。7.2.1酶的诱导——lac体系受调控的证据（1）在不含乳糖及β-半乳糖苷的培养基中，lac+基因型的E.coli细胞内β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透过酶浓度很低，1~2个酶分子/细胞。（2）如在培养基中加入乳糖，酶浓度很快达到105个酶/细胞。7.2.2操纵子模型及其影响因子

①Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。

②这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区(P),不能单独起动合成β-半乳糖苷酶和透过酶的高效表达。

③操纵区（O）是DNA上的一小段序列(仅为26bp),是阻遏物的结合位点。

④当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。

⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNA的合成。说明：有诱导物存在时，操纵区没有被阻遏物占据。所以，启动子能够顺利起始mRNA的转录。

lacY

lacY外源基因IPTG诱导表达的原理：

别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物，人们发现一个结构上类似于别乳糖、不能被β-半乳糖苷酶水解的β-半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside：IPTG）起着lac操纵子的一个诱导物的作用，所以IPTG常用于诱导含有使用了lac启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。lac操纵子受LacI阻遏蛋白调控：

在没有诱导剂（乳糖或IPTG）存在时，LacI阻遏蛋白与lac操纵子DNA序列结合得非常紧密，lacZYA基因不能进行转录。当IPTG存在时，IPTG与LacI阻遏蛋白相互作用，形成LacI阻遏蛋白－IPTG复合物，体外研究表明，该复合物对lac操纵基因的亲和性为单独LacI阻遏蛋白的亲和性的千分之一。所以IPTG作为lac基因表达的一个诱导剂。实验表明RNA聚合酶和LacI阻遏蛋白对操纵基因序列的结合是相互排斥的。Lac操纵子的本底水平表达有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的。首先，乳糖诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，后者的合成有需要诱导。这样解释第一个诱导物的乳糖如何进入细胞内？有两种可能性：A.一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞；B.一些透过酶可以在没有诱导物时合成。研究表明，第二种解释是正确的。研究发现：乳糖并不与阻遏物相结合，真正结合诱导物是乳糖的异构体-异构乳糖。本底水平的永久型合成（backgroundlevelconstitutivesynthesis):

在非诱导状态下有少量的lacmRNA的合成，大约每个世代有1~5个mRNA分子。（β-半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷）2.大肠杆菌对乳糖的反应

在本地水平表达时，如加入乳糖，在单个透过酶分子的作用下，少量乳糖分子进入细胞，又单个β-半乳糖苷酶的作用下转变成异构乳糖，异构乳糖结合与P基因上的阻遏物相结合，并使后者失活而离开操纵子，开始转录lacmRNA。这些mRNA编码了大量的β-半乳糖苷酶和乳糖透过酶，其结果导致乳糖大量进入细胞。3.阻遏物lacI基因产物及功能

lac操纵子阻遏物mRNA是在弱启动子控制下永久型合成的。未经分级分离的细胞提取物的结合能力大约为每个细胞结合20~40个IPTG分子，因此推测每个细胞中有5~10个阻遏物分子。（347aa）观察发现：在I-突变株细胞提取物中异常阻遏物，从而证明IPTG结合物确实是蛋白质。4.葡萄糖对lac操纵子的影响（1）在培养基中同时存在Glucose和Lactose时，lac操纵子表达受阻，没有β-半乳糖苷酶活性；（2）当葡萄糖耗尽完以后，细胞内cAMP浓度增加，β-半乳糖苷酶活性增加。5.cAMP与代谢物激活蛋白在腺苷酸环化酶的催化作用下将ATP转变为cAMP，cAMP在真核生物激素调节中起重要作用。在E.coli中cAMP浓度受到葡萄糖代谢的调节:(1)在缺乏碳源培养基中，细胞内cAMP浓度就高；

(2)含葡萄糖培养基中培养，cAMP浓度就低；

(3)只含乳糖或甘油培养基中，cAMP浓度很高。从上述实验结果可以推测，糖酵解途径中位于葡糖-6-磷酸和甘油之间的某些代谢产物是腺苷酸环化酶的抑制剂。激活蛋白：分解代谢物激活蛋白（cataboliteactivatorprotein，CAP)是cAMP受体蛋白（cyclicAMPreceptorprotein，CRP），由crp基因编码，CRP能与cAMP形成复合物;(2)crp基因突变株和腺苷酸环化酶基因突变株均不能合成lacmRNA，表明cAMP-CRP复合物是激活lac操纵子的重要组成部分，其能与lac操纵子的启动子区域结合；(3)cAMP-CRP复合物是一个不同于阻遏物的正调控因子，而lac操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下实现的。CRP-cAMP在不同操纵子的结合位点分析对半乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等操纵子启动区的研究表明，CRP-cAMP结合位点存在序列特异性。只要有葡萄糖存在这些操纵子就不表达，被称为降解物敏感型操纵子。cAMP-CRP复合物的作用机制

cAMP-CRP复合物结合于启动子上游，能使DNA双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子-RNA聚合酶结构。而阻遏蛋白就是一个抗解链蛋白，阻止形成开放结构，从而抑制RNA聚合酶的功能。羧基末端的结构域