21 基因表达的调节

Chapter21基因表达的调节在一个典型的细菌基因组中，大约有4000个左右的基因，而在人基因组中，目前确定大约40000个左右的基因。但是，不同的基因表达的水平是不同的。某些基因在任何时候都表达；某些基因的产物在细胞中大量存在，例如，细菌蛋白质合成所需的延长因子是细菌最丰富的蛋白质，植物光合组织中的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）是生物界最丰富的酶；某些基因的产物则以很少的水平出现，例如，修复DNA某些稀有损伤的酶也许每个细对只存在几个分子。基因表达水平的差别受到各种不同的方式或机制控制。本章主要介绍原核生物转录水平调节。Section1基因表达调节的原理一、基因表达的调节可以发生在不同水平上：●转录水平：从DNA模板上把信息转录到RNA上。在环境信号分子的影响下，在质、量和时间程序上的调节。●翻译水平：将mRNA的三联体密码子的顺序转变成多肽链的氨基酸顺序，即蛋白质合成水平上的调节。●加工水平：包括RNA和蛋白质合成后的加工、修饰，转变成有活性的形式。●蛋白质的导向（靶向）和转运。●mRNA与蛋白质的降解。基因表达的不同水平调节如图21-1所示。在上述几个方面的调节中，转录水平的调节是最关键的。因为细胞功能的重大调整，不涉及转录就不能实现。基因表达的控制主要是指转录水平的调节，尤其是在原核生物中，翻译和加工的问题比较简单，转录水平的调控就更为突出。二、基因表达调节的原理●有些基因的表达受环境信号分子的影响较小，它们表达的产物维持在一定的稳态水平。编码中心代谢途径酶的基因，例如编码柠檬酸循环酶的基因属于这样的范畴，它们往往称为是管家基因（或持家基因，housekeepinggenes）。基因的这种表达叫做组成性表达（constitutiveexpression）。●某些基因的表达受环境信号分子的影响，它们编码的产物水平升高或下降随分子信号而定，它们的表达属于可调性的，即是说这类基因的表达或是被诱导(induction)、或是被阻遏(repression)。例如，编码DNA修复酶的一些基因的表达在DNA损伤严重时可被诱导。相反，有些基因的表达是可被阻遏的。例如，催化细菌色氨酸生物合成的酶在色氨酸很丰富的条件下，编码这些酶的基因的表达被阻遏。

转录水平的调节涉及蛋白质-DNA的相互作用，尤其是那些与RNA聚合酶有关的蛋白质组分。

1、RNA聚合酶在启动子部位同DNA结合

启动子(promoter)通常位于靠近DNA模板、RNA合成开始的位置，是RNA聚合酶结合的部位。

启动子的核苷酸顺序的变化能影响RNA聚合酶对模板的结合力和转录起始的频率。E.coli某些基因每秒钟被转录一次，而某些基因也许每个世代只转录一次。启动频率的这种差别大多数是由于启动子核苷酸序列的差别所致。在调节蛋白的缺乏下，启动子的序列不同在影响起始频率上可能有上千倍以上的差别。大多数E.coli的启动子序列接近一致(图21-2)。远离一致序列的突变通常降低启动子的功能，而愈接近启动子的突变通常能促进启动子的功能。

虽然管家基因是组成性表达，但是它们所编码的蛋白质浓度仍然有大的变化。对于这些基因，RNA聚合酶-启动子的相互作用强烈影响转录起始的速度。启动子序列的差别允许细胞合成由管家基因编码的产物处在合适的水平。

在非管家基因启动子上，转录起始的速度也是由启动子序列决定的，但这些基因的表达进一步受调节蛋白的调节。这些调节蛋白对RNA聚合酶和启动子之间的相互作用或是促进、或是抑制。与原核生物的启动子相比，真核生物启动子的变化更大。三种真核生物RNA聚合酶通常需要一批转录因子，以便同启动子结合。然而，正如原核生物基因表达一样，真核生物转录的基本水平也受启动子序列决定，因为启动子序列也同样影响RNA聚合酶及其转录辅助因子的结合。

2、与启动子结合的蛋白质（或与启动子邻近部位结合的蛋白质）能调节转录的起始至少有三种类型的蛋白质能调节转录的起始：

●专一性因子(specificityfactors)改变RNA聚合酶对给定启动子的专一性；●阻遏物(repressors)阻碍RNA聚合酶进入到启动子位置；●激活因子(activators)增强RNA聚合酶与启动子的相互作用。★E.coliRNA聚合酶全酶的σ亚基是一种对启动子识别和结合起调节作用的专一性因子

E.coli大多数启动子能被σ亚基(约70000Dr，称为σ70)识别。在某些条件下，特别是当细菌在热胁迫下，σ70被另一种专一性因子σ32取代。当与σ32结合时，指导RNA聚合酶同一套特殊的、具不同一致序列的启动子结合(图21-3)。这些启动子控制一套编码热休克反应的基因的表达。在真核生物细胞中，某些一般性转录因子，特别是TATA结合蛋白，也许可被视为专一性因子。★阻遏物同DNA特定的部位结合：在原核生物细胞中，这样的结合部位叫做操纵基因(operators)，它通常靠近启动子。当阻遏物存在时，RNA聚合酶的结合被抑制、或者结合后沿DNA的移动被抑制。由阻遏物蛋白阻止转录的调节方式称为负调节(negativeregulation)。阻遏物同DNA的结合可被另一种分子信号（有时叫做效应物，effector）调节，这种信号分子通常是一种小分子或一种蛋白质，且能同阻遏物结合，并引起构象变化。阻遏物同信号分子的相互作用，或是增强或是降低转录的效率。

在某些情况下，信号分子同阻遏物结合，引起阻遏物构象变化，导致阻遏物从操纵基因上解离下来(图21-4a)，于是转录起始开始，不受阻碍；在另外某些情况下，无活性的阻遏物与信号分子的相互作用引起阻遏物结合到操纵基因上(图21-4b)，抑制转录的起始；当信号分子移除后，转录才能进行。在真核生物细胞中，阻遏物结合的部位离启动子可能有一些距离，象细菌一样，这样的结合有着同样的效应，即在启动子上抑制转录复合物装配或者活性。★激活因子与阻遏物相反，它们同DNA的结合促进RNA聚合酶在启动子上的活性。因此，激活因子起到了一种正调节的作用。激活因子结合部位往往靠近启动子。RNA聚合酶在这些启动子上的结合是很弱的，或者不结合。因此，在激活因子缺乏下，转录几乎是不可能出现的。某些能同DNA结合的真核生物激活因子叫做增强子(enhancers)。增强子距离启动子很远，但它能影响位于数千碱基对外的启动子起始转录的速度。有些激活因子正常地同DNA结合，促进转录，直到激活因子因某种信号分子的结合而解离下来（图21-4c）。在某些情况下，激活因子仅在与信号分子相互作用后才能同DNA结合（图21-4d）,信号分子因而能增强或降低转录的速度，当然这取决于它们如何影响激活因子。

3、调节蛋白含有独立的DNA结合域调节蛋白通常同特定的DNA序列结合，它们对这些靶序列的亲和力比对DNA的其他序列要高出104-106倍。大多数调节蛋白有独立的DNA结合域，这些结合域含有能与靶序列相互作用的亚结构。结合域一般包含一个或多个相对小的、可识别的、专一性的结构基元。▲为了同DNA序列专一性结合，调节蛋白必须要能识别DNA序列的表面特征。能被甄别的碱基对上的大多数化学基团是氢键的供体和受体，它们暴露于DNA的大沟内(图21-5，图中用红色标出的基团可被蛋白质所识别)，传递蛋白质-DNA专一性相互作用（信息）的主要是氢键。一个值得注意的例外是，靠近嘧啶C-5是的非极性表面，胸腺嘧啶借助它的凸出的甲基可能很容易与胞嘧啶相区别。在DNA小沟中，发生蛋白质-DNA相互作用也是可能的，但氢键结合模式一般不允许碱基对之间易于甄别。

▲对于调节蛋白来说，与DNA碱基能形成氢键的氨基酸残基最常见的是Asn、Gln、Glu、Lys和Arg。在Asn或Gln的酰胺基与腺嘌呤的N6和N-7之间能够形成的两个氢键不可能在其他碱基上出现，Arg也能以类似的方式与鸟嘌呤的N-7和O6形成两个氢键（图21-6）。◆调节蛋白在DNA上的结合部位往往呈短的倒转重复序列（即回文结构）。调节蛋白的结合基元(motifs)在调节蛋白同DNA靶部位结合时起着主要的作用。这些DNA结合蛋白的结合基元有螺旋-转角-螺旋基元(图21-7a，这里所示的是Lac阻遏物)、锌指基元（图21-7b）等。在真核生物发育的过程中，在一些行使转录调节作用的蛋白质中，已经鉴定出一种DNA结合域，该结合域由60个氨基酸残基组成，叫做同源(异型)域(homeodomain)，因为它是同源异型基因(突变后使器官异位的基因)编码的。这类基因高度保守，起着调节体型发育的作用，并以蛋白质产物的形式在许多生物中被鉴定。同源(异型)域结合的DNA片段与螺旋-转角-螺旋有关(图21-7c)。编码这种域的DNA序列叫做同源异型框(homeobox)。

调节蛋白不仅具有DNA结合域，而且也具有蛋白质与蛋白质(RNA聚合酶、其他调节蛋白或者同一调节蛋白的其他亚基)相互作用的域。Section2原核生物基因表达的调节一、基因表达的调节可以发生在不同水平上：●转录水平：从DNA模板上把信息转录到RNA上。在环境信号分子的影响下，在质、量和时间程序上的调节。●翻译水平：将mRNA的三联体密码子的顺序转变成多肽链的氨基酸顺序，即蛋白质合成水平上的调节。●加工水平：包括RNA和蛋白质合成后的加工、修饰，转变成有活性的形式。●蛋白质的导向（靶向）和转运。●mRNA与蛋白质的降解。基因表达的不同水平调节如图21-1所示。在上述几个方面的调节中，转录水平的调节是最关键的。因为细胞功能的重大调整，不涉及转录就不能实现。基因表达的控制主要是指转录水平的调节，尤其是在原核生物中，翻译和加工的问题比较简单，转录水平的调控就更为突出。根据细菌酶的合成对环境的反应不同，可分为两种类型：组成酶和适应酶。适应酶可分为诱导酶和阻遏酶。1961年，法国科学家Jacob和Monod根据酶合成的诱导和阻遏的现象，提出了操纵子（operon）模型。操纵子是指编码一特定代谢途径酶的结构基因和控制这些基因转录的控制顺序所构成的转录单位。这样的转录单位在原核生物中即称为操纵子（图21-8）。大多数原核生物基因表达都以操纵子的形式进行调节的。二、乳糖操纵子(lacoperon)是酶诱导合成的例子1、乳糖操纵子的组织结构（图21-9）结构基因：Z基因――编码β-半乳糖苷酶；Y基因――编码半乳糖苷透过酶；A基因――编码硫代半乳糖苷转乙酰基酶；操纵基因(operator)是阻遏蛋白结合部位：O1是乳糖操纵子主要操纵基因；O2和O3是次要的操纵基因。启动基因(又称启动子，promoter)是RNA聚合酶结合的部位。图21-9中的Pi是I基因的promoter。2、乳糖操纵子的调节在含有葡萄糖作为碳源的培养基中培养E.coli时，调节基因(I)表达产物阻遏蛋白结合到操纵基因上，阻止RNA聚合酶对结构基因的转录(图21-9a)，与乳糖利用有关的酶不能合成。在这种条件下，合成与乳糖利用有关的酶是一种浪费。在以乳糖为唯一碳源时，乳糖或其异构体别乳糖(allolactose)(图21-10)作为效应物，与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白构象发生改变，失去与操纵基因结合的能力，从而丧失抑制活性，解除了对结构基因转录的抑制(图21-9b)。这里乳糖就作为一种诱导物，诱导与乳糖代谢有关酶的表达。3、分解代谢物阻遏当E.coli在含有Glucose的培养基中生长时，培养基中即使含有乳糖，在Glucose被用完之前，是不会产生与乳糖利用有关的酶的。这种效应称为Glucose效应或分解代谢物阻遏。为什么在葡萄糖存在下，与乳糖代谢有关的酶的表达会被抑制呢？

乳糖操纵子的启动子可分为两部分：▲RNA聚合酶结合部位，富含A·T对，并在它的侧翼富含G·C对；▲CAP（orCRP）识别与结合部位，富含G·C对，呈回文结构(图21-11a)。

CAP叫做分解代谢物基因活化蛋白(CRP，即cAMP-受体蛋白)它能使G·C对变得不稳定，可促进A·T对分开，从而有利于转录。但CAP的活性受cAMP水平的调节。当cAMP与CAP结合后才能使CAP同启动子的CAP结合部位结合。cAMP的水平受Glucose的某种分解代谢物的影响，该代谢物可以抑制细菌腺苷酸环化酶的活性，激活磷酸二酯酶的活性，因而可以降低cAMP的浓度。所以当有Glucose存在时，细胞内的cAMP水平显著下降。这样cAMP-CAP的浓度降低，不能促进RNA聚合酶进行转录，也就抑制了酶的诱导合成。

只有当以乳糖作为唯一碳源时，才不会存在Glucose的分解代谢物阻遏的现象。这时，cAMP-CAP水平升高，在乳糖的诱导下即可合成与乳糖代谢有关的酶（图21-11b）。

cAMP-CAP复合物系统是以cAMP为信号的正调节系统。它对所有分解代谢物敏感的操纵子(包括lac-和ara-operon)都有控制作用。在这里，乳糖利用酶的表达受到双重控制，即以乳糖为诱导物的“精调”以及以cAMP为信号的“中调”控制。三、色氨酸操纵子是酶合成阻遏的例子在合成代谢中，催化氨基酸或其他小分子最终产物合成的酶随时都需要，细胞中的这些酶经常在合成，即这些酶的合成经常处于消阻遏的状态。所以，在这类操纵子中，调节基因的产物—阻遏蛋白是不活泼的，不能和操纵基因结合.当合成途径中的最终产物过量时，它就与阻遏蛋白结合，激活阻遏蛋白。激活后的阻遏蛋白就能结合到操纵基因上，阻止RNA聚合酶对结构基因的转录，与合成反应有关的酶也就不能被合成。最终产物或其衍生物称为辅阻遏物。E.coli和鼠伤寒沙门氏菌的色氨酸操纵子的调节符合这种阻遏现象。1、色氨酸操纵子（trpoperon）的组织结构结构基因A、B、C、D、E分别编码从分支酸开始到色氨酸合成的五种酶(图21-12)。trpL编码一个前导肽。在trp

L中有一段顺序称为attenuator(弱化基因或衰减子)。此外，同样存在操纵基因和启动基因。2、终产物Trp对trpoperon的调节

Trp作为一种辅阻遏物激活阻遏蛋白。当培养基中含有丰富的Trp或者它的合成过量时，即可激活阻遏蛋白（trpR的产物）。激活后的阻遏蛋白即可结合到operator上，阻止