基因表達(dá)的調(diào)節(jié)

第五章基因表達(dá)的調(diào)節(jié)（Generegulation）基因表達(dá)（geneexpression）：基因被轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA，編碼著蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息的mRNA被翻譯成蛋白質(zhì)，總之，基因的信息被轉(zhuǎn)錄，翻譯成終產(chǎn)物的過(guò)程稱為基因表達(dá)。一.引論a.基因的多樣性及表達(dá)的差異性細(xì)胞在任何給定的時(shí)間內(nèi)都表達(dá)的基因只有一小部分；肽鏈延長(zhǎng)因子，細(xì)菌細(xì)胞中大量存在的蛋白質(zhì)（基因產(chǎn)物）之一；DNA損傷修復(fù)酶，每個(gè)細(xì)胞只有幾個(gè)拷貝；代謝途徑的酶，因食物來(lái)源不同而變化數(shù)量；一些影響細(xì)胞分化的蛋白只存在極短時(shí)間。b.基因表達(dá)的調(diào)節(jié)是細(xì)胞代謝平衡及維持發(fā)育期間不同細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能差異的關(guān)鍵；c.蛋白質(zhì)（或RNA）在細(xì)胞內(nèi)濃度可以在六個(gè)水平上被調(diào)節(jié)；RNA的轉(zhuǎn)錄；mRNA的轉(zhuǎn)錄后修飾和加工；mRNA的降解；蛋白質(zhì)合成（翻譯）；翻譯后修飾；蛋白質(zhì)降解；所有以上過(guò)程，轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)了解的最多也是最主要的。二.轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)的方式基因產(chǎn)物的功能不同，調(diào)節(jié)方式也不同1.Housekeepinggenes（看家基因，持家基因）或稱組成型表達(dá)基因（constituteexpressiongene）

這些基因的產(chǎn)物是所有細(xì)胞，所有時(shí)候都需要的，基因的表達(dá)水平相對(duì)穩(wěn)定；2.因?yàn)槟撤N信號(hào)分子的出現(xiàn)引起表達(dá)增加的基因稱為可誘導(dǎo)（inducible）的基因，由于信號(hào)分子的出現(xiàn)導(dǎo)致基因表達(dá)增加的過(guò)程稱誘導(dǎo)作用（induction）；3.因?yàn)槟撤N信號(hào)分子濃度的增加而表達(dá)減少的基因稱為可阻遏（repressible）基因，由于信號(hào)分子的出現(xiàn)導(dǎo)致基因表達(dá)減少的過(guò)程稱阻遏作用（repression）；

基因表達(dá)的調(diào)節(jié)是由蛋白質(zhì)和DNA之間的相互作用介導(dǎo)的。三.啟動(dòng)子調(diào)節(jié)（promoter）

原核啟動(dòng)子與RNA多聚酶的親和力決定轉(zhuǎn)錄起始頻率，相差可達(dá)1000倍以上。四.能與DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)因子的調(diào)節(jié)1.特異性因子：能促使RNA多聚酶對(duì)特定的一些啟動(dòng)子的結(jié)合的蛋白質(zhì)因子（σ70普通σ因子；σ32，forheatshock）；2.阻遏子（repressors）：能結(jié)合于啟動(dòng)子阻遏RNA多聚酶與起動(dòng)子結(jié)合的蛋白質(zhì)因子；3.激活子（activators）：真核生物稱反激活子，能結(jié)合于啟動(dòng)子附近增加RNA多聚酶和啟動(dòng)子結(jié)合的蛋白質(zhì)因子。由一種阻遏蛋白阻斷轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)稱為負(fù)調(diào)節(jié)（negativeregulation）；由激活子增加轉(zhuǎn)錄作用的調(diào)節(jié)稱為正調(diào)節(jié)（positiveregulation）；五.許多原核基因是以操縱子（operon）為單位調(diào)節(jié)的，操縱子是細(xì)菌基因表達(dá)的調(diào)節(jié)單位（unit），包括結(jié)構(gòu)基因和由調(diào)節(jié)子基因產(chǎn)物識(shí)別的DNA控制元件（序列）。一個(gè)操縱子通常有2-6個(gè)基因，最多可含20多個(gè)基因，是細(xì)菌普遍的基因表達(dá)調(diào)控方式；1.乳糖操縱子（Lacoperon）2.乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控組成型（constitute）突變確定阻遏子的負(fù)調(diào)控作用a.LacI基因的突變或缺失造成LacZ，Y，A的組成型表達(dá)；部份二倍體lacI－/lacI+恢復(fù)正常的調(diào)控，說(shuō)明lacI是反式作用因子（transactingfactor，有游離轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，因而功能可以互補(bǔ)于另一同源染色體的等位基因位點(diǎn)。b.操縱基因（operator）為順式顯性因子（cis-acting，cis-dominant），它的突變?cè)斐伤掠位虻慕M成型表達(dá)；順式行為因子：只調(diào)節(jié)與它共價(jià)相連的基因表達(dá)的DNA順序單位，一般無(wú)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物；3.Lacoperon的正調(diào)節(jié)可誘導(dǎo)的分解代謝操縱子受CAP蛋白的總調(diào)節(jié)（globalcontrol）；a.當(dāng)E.coli生長(zhǎng)在含葡萄糖的介質(zhì)中時(shí)，許多其它糖類分解代謝酶基因的表達(dá)受到抑制，在有葡萄糖存在時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖；b.葡萄糖降低細(xì)胞中c-AMP的濃度，抑制了其它糖代謝基因的表達(dá)；c.CAP蛋白（CatabolitegeneActivationProtein，CAP，分解代謝基因激活蛋白）與c-AMP結(jié)合形成活性結(jié)構(gòu)，結(jié)合在啟動(dòng)子上游DNA順序，促進(jìn)RNA多聚酶對(duì)啟動(dòng)子的結(jié)合和LacmRNA的轉(zhuǎn)錄，CAP的結(jié)合使Lac操縱子的表達(dá)增強(qiáng)50倍。crp基因（cAMPreceptorprotein，CRP）：與腺苷酸環(huán)化酶基因突變抑制Lacopreon的表達(dá)。CAP的作用位點(diǎn)（見(jiàn)圖）：Lac-72to-52，gal-50to-23，ara-107to-78，可能的作用方式模型I.CAP-RNA多聚酶相互作用形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物；II.CAP彎曲所結(jié)合的DNA片斷，幫助RNA多聚酶轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的形成；由于CAP是除葡萄糖以外的許多糖分解代謝操縱子的正調(diào)節(jié)因子，這種受一種調(diào)節(jié)蛋白所控制的操縱子網(wǎng)絡(luò)總稱調(diào)節(jié)網(wǎng)（regulon）。III.CAP受cAMP的激活，促進(jìn)LacmRNA的轉(zhuǎn)錄；IV.葡萄糖存在時(shí)cAMP的水平下降，結(jié)果是葡萄糖存在時(shí)，E.coli先利用葡萄糖不用乳糖。乳糖操縱子的三種狀態(tài)表明只有阻遏蛋白不在而cAMP-CAP存在時(shí)LacmRNA才被大量轉(zhuǎn)錄。六.調(diào)節(jié)蛋白與DNA的結(jié)合1.調(diào)節(jié)蛋白有著獨(dú)特的與DNA結(jié)合的特殊結(jié)構(gòu)域（domain），結(jié)合DNA特殊順序的能力比普通順序高出105-107倍。用于與DNA結(jié)合的是調(diào)節(jié)蛋白中的幾個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)元件的固定組合，稱為模序（或模體，motif），motif是核酸或蛋白質(zhì)中的超二級(jí)結(jié)構(gòu)。a.在雙螺旋DNA的大溝與小溝中有著可供識(shí)別的堿基上的氫鍵供體和受體及疏水基團(tuán)；b.調(diào)節(jié)蛋白識(shí)別結(jié)構(gòu)模序中常含Asn，Gln，Lys或Arg，可與堿基形成氫鍵；2.調(diào)節(jié)蛋白與DNA結(jié)合motif的結(jié)構(gòu)類型a.螺旋－轉(zhuǎn)角－螺旋（Helix-Turn-Helix）

這種結(jié)構(gòu)含兩個(gè)α-螺旋（7－9個(gè)氨基酸)由β-轉(zhuǎn)角（20個(gè)氨基酸）連系，其中一個(gè)螺旋為識(shí)別螺旋，通常含有許多與DNA接觸的氨基酸殘基，位于大溝之中；b.鋅指（ZincFinger）

真核生物調(diào)節(jié)蛋白常含有許多由30個(gè)氨基酸組成的“鋅指”，其中4個(gè)AA殘基（4個(gè)Cys或2個(gè)Cys＋2個(gè)His），配位結(jié)合著鋅粒子，形成指狀結(jié)構(gòu)。3.調(diào)節(jié)蛋白還和其他蛋白相互作用調(diào)節(jié)蛋白的其它結(jié)構(gòu)域參加與RNA多聚酶結(jié)合或者與同一種蛋白結(jié)合成二聚體或多聚體。介導(dǎo)蛋白質(zhì)－蛋白質(zhì)相互作用的結(jié)構(gòu)模序具有特征性，如轉(zhuǎn)錄輔因子中的亮氨酸拉鏈（LeucineZipper），α-螺旋中每

7個(gè)氨基酸出現(xiàn)一個(gè)Leu。七.阿拉伯糖操縱子：一種既進(jìn)行正調(diào)節(jié)也能起負(fù)調(diào)節(jié)作用的調(diào)節(jié)蛋白。

araoperon調(diào)節(jié)方法：幾種特殊的調(diào)節(jié)機(jī)制。1.araC蛋白既能進(jìn)行正調(diào)控也能進(jìn)行負(fù)調(diào)控，信號(hào)分子的結(jié)合使它由阻遏子變構(gòu)成激活子；2.araC蛋白調(diào)節(jié)它本身基因的表達(dá)。當(dāng)它細(xì)胞內(nèi)含量多時(shí)阻遏自己基因轉(zhuǎn)錄，這種現(xiàn)象叫自我調(diào)節(jié)（autoregulation）；3.一些調(diào)節(jié)順序能遠(yuǎn)距離起作用，通過(guò)蛋白對(duì)蛋白和蛋白對(duì)DNA的互相作用把遠(yuǎn)距離順序靠DNA的環(huán)化（DNAlooping）引到啟動(dòng)子附近，這種特點(diǎn)使ara調(diào)節(jié)系統(tǒng)成為真核生物基因遠(yuǎn)距離調(diào)控的一個(gè)重要范例。a.araoperon的組成三個(gè)結(jié)構(gòu)基因araA，B，D編碼著阿拉伯糖異構(gòu)酶，核酮糖激酶，5－磷酸核酮糖差向異構(gòu)酶，通過(guò)三步反應(yīng)把a(bǔ)ra變Xyl－5－P（5－磷酸－木糖），一個(gè)五碳糖代謝的中間體）；

ara操縱子的調(diào)節(jié)蛋白araC基因在ara操縱子的上游。在araoperon有三個(gè)araC的結(jié)合順序araO1，O2，I，還有CAP結(jié)合位點(diǎn)，結(jié)構(gòu)基因araBAD轉(zhuǎn)錄方向與araCmRNA相反；b.當(dāng)細(xì)胞中araC蛋白濃度超過(guò)40copies/cell，它結(jié)合O1，阻止自身基因的轉(zhuǎn)錄了；c.araC既是阿拉伯糖操縱子的正調(diào)節(jié)因子，又是負(fù)調(diào)控因子。（1）當(dāng)glucose豐富而ara不存在時(shí)araC結(jié)合于araO1，O2和I，結(jié)合在O2和I上的araC蛋白相結(jié)合使DNA形成一個(gè)環(huán)，阻止araBAD基因的轉(zhuǎn)錄；（2）當(dāng)葡萄糖不存在（或低水平）而ara糖存在時(shí)，此時(shí)CAP-cAMP結(jié)合于araI附近，arabinose作為誘導(dǎo)物與araC結(jié)合改變的蛋白的構(gòu)象結(jié)合于araI，成為基因激活子和CAP-cAMP協(xié)調(diào)作用以誘導(dǎo)araBAD基因的轉(zhuǎn)錄；（3）ara，glu都存在或（4）都不存在時(shí)，操縱子都處阻遏狀態(tài)；以上事實(shí)說(shuō)明araoperon是個(gè)復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境改變可提供迅速的可逆反應(yīng)。八.色氨酸操縱子的雙重控制1.色氨酸操縱子是可以阻遏的終產(chǎn)物色氨酸為輔阻遏子(co-repressor)promoter－40到+18

oprerator－10（－23到－3）RNApolymerase與repressor對(duì)promoter的結(jié)合互相排斥；基線水平表達(dá)（basal或repressedlevel）2.色氨酸操縱子還被轉(zhuǎn)錄弱化作用控制弱化子（或衰減子，Attenuator）：能使弱化作用發(fā)生的DNA順序（轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA兩種不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)控制后續(xù)的轉(zhuǎn)錄）。色氨酸操縱子mRNA的前導(dǎo)順序（leadersequence）有不同的堿基配對(duì)結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制：由于轉(zhuǎn)錄和翻譯偶聯(lián)，前導(dǎo)順序中富含色氨酸密碼，可作為細(xì)胞中色氨酸濃度的傳感器，前導(dǎo)肽合成的速度影響核糖體的位置，進(jìn)而影響前導(dǎo)順序的二級(jí)結(jié)構(gòu)。當(dāng)色氨酸豐富時(shí)，終止子結(jié)構(gòu)形成；當(dāng)色氨酸處于饑餓狀態(tài)時(shí)，終止子順序不形成有效的轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)，使mRNA的轉(zhuǎn)錄得以繼續(xù)；弱化作用：用與翻譯偶聯(lián)的轉(zhuǎn)錄終止作用來(lái)調(diào)節(jié)一個(gè)細(xì)菌操縱子的表達(dá)的過(guò)程。3.弱化子調(diào)節(jié)的普遍性多價(jià)阻遏（multivalentrepression）：前導(dǎo)肽中有兩種或兩種以上用于弱化調(diào)節(jié)作用的氨基酸殘基的現(xiàn)象。SOS反應(yīng)的誘導(dǎo)

SOSrugulon的調(diào)節(jié)蛋白LexA和RecALexA阻遏子，調(diào)節(jié)所有SOS基因，能在Ala-Gly肽鍵發(fā)生自我切割而滅活，激活所有的SOS基因；

RecA蛋白，多功能蛋白，被單鏈DNA激活，能使同源DNA順序交叉互換，有ATPase活性，同時(shí)還是蛋白酶和輔蛋白酶（coprotease）活性。SOS反應(yīng)SOS反應(yīng)誘導(dǎo)的部分基因基因功能polBDNA多聚酶IIuvrA,B,C核苷酸切割修復(fù)內(nèi)切酶

umuC,D差錯(cuò)傾向修復(fù)所需

recA……DNA損傷觸發(fā)SOS反應(yīng)是由一種阻遏蛋白水解導(dǎo)致的；

recA蛋白是一種多功能蛋白，當(dāng)它和ssDNA結(jié)合時(shí)，它有蛋白水解酶活性；

LexA蛋白是recA合成的阻遏子；

LexA蛋白被recA水解造成recA蛋白本身及其他蛋白的合成；九.噬菌體λ的發(fā)育調(diào)控λ

的轉(zhuǎn)錄調(diào)控用級(jí)聯(lián)（cascade）調(diào)控方法，為了有序地組裝噬菌體顆粒，把基因分組分階段表達(dá)；λ

決定溶源化或溶菌命運(yùn)的調(diào)控，為了解真核生物的發(fā)育調(diào)控提供了一種模式。1.溶菌（Lysis）和溶源化（Lysogeny）

λ

進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞后的兩種命運(yùn)：溶菌周期（lyticcycle）：新一代噬菌體顆粒產(chǎn)生并導(dǎo)致細(xì)胞溶解；溶源化：噬菌體DNA在寄主染色體上整合，并隨寄主DNA復(fù)制傳代的過(guò)程。λ的調(diào)節(jié)因子及功能調(diào)節(jié)因子功能cIλ阻遏子，在PR和PL的阻遏子，PRM的激活子，也是PRM的阻遏子cIIPRE和Pint的激活子Cro反阻遏子PRM的阻遏子，高濃度時(shí)也阻遏PR,PLN作用于tL1，tR1,tR2的反終止子Q后期基因轉(zhuǎn)錄的反終止子啟動(dòng)子PRλ右向轉(zhuǎn)錄主啟動(dòng)子PLλ左向轉(zhuǎn)錄主啟動(dòng)子PRMcI基因啟動(dòng)子（用于溶原維持）PREcI基因啟動(dòng)子（用于溶原建立）Pintλ整合和切出有關(guān)基因啟動(dòng)子環(huán)化λ噬菌體遺傳圖2.λ溶菌和溶原的選擇是五種調(diào)節(jié)蛋白cI，cII，Cro，N，Q作用于λ調(diào)節(jié)順序的結(jié)果，它們調(diào)節(jié)不同啟動(dòng)子上的轉(zhuǎn)錄；溶菌a.寄主RNA多聚酶轉(zhuǎn)錄前早期蛋白N，Cro，cII；b.N蛋白在nutR，nutL與RNA多聚酶結(jié)合使之通讀tL1，tR1，tR2，產(chǎn)生Q蛋白；c.Q蛋白使后期基因得以轉(zhuǎn)錄表達(dá)，λ完成溶菌周期，細(xì)胞溶解；反終止蛋白（Antiterminationprotein）：能使RNA聚合酶通過(guò)終止點(diǎn)而繼續(xù)轉(zhuǎn)錄的蛋白。4.λ溶原的建立和維持（1）λ的溶原化是由cII基因產(chǎn)物cII蛋白支配的，cII激活子刺激從PRE，Pint的轉(zhuǎn)錄。從PRE的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生cI蛋白（λ阻遏子），cI蛋白阻遏從PL和PR的轉(zhuǎn)錄但是它又是從PRM（維持啟動(dòng)子）的自動(dòng)調(diào)節(jié)因子，使λ整合入寄主染色體，并維持溶原狀