大學(xué)生物遺傳學(xué)：基因的表達(dá)與調(diào)控(上) -原核基因表達(dá)調(diào)控模式

第六章基因的表達(dá)與調(diào)控(上)－－原核基因表達(dá)調(diào)控模式6．1原核基因表達(dá)調(diào)控總論6．2乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)6．3色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)6．4轉(zhuǎn)錄后調(diào)控原核生物暴露在環(huán)境中，食物供應(yīng)無保障，只有根據(jù)環(huán)境條件的改變合成各種不同的蛋白質(zhì)，使代謝過程適應(yīng)環(huán)境的變化，才能維持自身的生存和繁衍。它有一套準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)合成的機(jī)制。如果每個基因等同翻譯，每一個多肽應(yīng)有相同的拷貝數(shù)。結(jié)論是否定的，基因的表達(dá)是被控制的。有些蛋白質(zhì)的數(shù)目相當(dāng)固定，另一些則變化很大；50種核糖體蛋白數(shù)量十分穩(wěn)定。糖酵解體系的酶數(shù)目也極恒定。DNA聚合酶、RNA聚合酶等代謝過程中十分必需的酶或蛋白質(zhì)（組成型合成蛋白）的合成速率不受環(huán)境變化或代謝狀態(tài)的影響。而另一種類型則被稱為適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型(adaptiveorregulated)，這類蛋白質(zhì)的合成速率明顯地受環(huán)境的影響而改變。例如，一般情況下，一個大腸桿菌細(xì)胞中只有15個分子的β-半乳糖苷酶，但若將細(xì)胞培養(yǎng)在只含乳糖的培養(yǎng)基中，每個細(xì)胞中這個酶的量可高達(dá)幾萬個分子。其他參與糖代謝的酶，氨基酸、核苷酸合成系統(tǒng)的酶類，其合成速度和總量都隨培養(yǎng)條件的變化而改變。細(xì)菌中的基本調(diào)控機(jī)制有如下規(guī)律:一個體系在需要時(shí)被打開，不需要時(shí)被關(guān)閉。這種“開-關(guān)”(on-off)活性是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄來建立的，即通過調(diào)節(jié)mRNA的合成來實(shí)現(xiàn)的。一個系統(tǒng)處于“off”狀態(tài)時(shí)可能是本底水平的基因表達(dá)，常常是每世代每個細(xì)胞合成1～2個mRNA分子和極少量的蛋白質(zhì)分子。必須明白所謂“關(guān)”實(shí)際的意思是基因表達(dá)量特別低，或者無法檢測。6．1原核基因表達(dá)調(diào)控總論生物的遺傳信息是以基因的形式儲藏在細(xì)胞內(nèi)的DNA(或RNA)分子中的。隨著個體的發(fā)育，DNA有序地將遺傳信息，通過轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，執(zhí)行各種生理生化功能，完成生命的全過程。從DNA到蛋白質(zhì)的過程，叫做基因表達(dá)(geneexpression)，對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控(generegulation或genecontrol)。基因調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的中心課題。要了解動、植物生長發(fā)育的規(guī)律、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和生物學(xué)功能，就必須弄清楚基因表達(dá)調(diào)控的時(shí)間和空間概念。

基因表達(dá)調(diào)控在兩個水平上體現(xiàn)(1)轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptionalregulation);(2)轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控(post-transcriptionalregulation)，包括①mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(differentialprocessingofRNAtranscript);②翻譯水平上的調(diào)控(differentialtranslationofmRNA)。對于原核生物，以營養(yǎng)狀況(nutritionalstatus)和環(huán)境因素(environmentalfactor)為主要的基因表達(dá)影響因素。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormonelevel)和發(fā)育階段(developmentalstage)是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段，而營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達(dá)調(diào)控取決于DNA的結(jié)構(gòu)、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。6.1.1原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)原核生物的基因調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，根據(jù)調(diào)控機(jī)制的不同可分為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控(negativetranscriptionregulation)和正轉(zhuǎn)錄調(diào)控(Positivetranscriptionregulation)。負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的物質(zhì)是阻遏蛋白(repressor)－－阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。其作用部位是操縱區(qū)。它與操縱區(qū)結(jié)合，轉(zhuǎn)錄受阻。負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)－－阻遏蛋白不與誘導(dǎo)物結(jié)合時(shí)，阻遏蛋白與操縱區(qū)相結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄，阻遏蛋白結(jié)合上誘導(dǎo)物時(shí)，阻遏蛋白與操縱區(qū)分離，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。負(fù)控阻遏系統(tǒng)－－阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白(activator)，激活蛋白結(jié)合與DNA的啟動子及RNA聚合酶后，轉(zhuǎn)錄才會進(jìn)行。在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，誘導(dǎo)物的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)，轉(zhuǎn)錄進(jìn)行。在正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)，轉(zhuǎn)錄不進(jìn)行。細(xì)菌中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)基因在特殊物質(zhì)的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)稱為誘導(dǎo)調(diào)節(jié)。大腸桿菌在只含乳糖的培養(yǎng)基中開始時(shí)生長不好；等合成了利用乳糖的一系列酶，具備了利用乳糖作為碳源的能力時(shí)又開始生長。怎樣獲得這一能力的：在誘導(dǎo)物乳糖的誘導(dǎo)下開動了乳糖操縱子，表達(dá)它所編碼的3個酶。這3個酶使細(xì)菌可以利用乳糖作為碳源。象乳糖操縱子這類基因就是可誘導(dǎo)基因，這類酶被稱為誘導(dǎo)酶，這個生化過程被稱為酶的誘導(dǎo)合成?？勺瓒粽{(diào)節(jié)基因平時(shí)是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。比如大腸桿菌生活中必須有色氨酸，一般情況下，該操縱子開啟，生產(chǎn)色氨酸合成酶基因表達(dá)正常。如果在細(xì)菌培養(yǎng)基中加入色氨酸，細(xì)菌可利用它來維持生活而不需要再合成，細(xì)菌就在2-3min內(nèi)關(guān)閉該操縱子。某一代謝途徑最終產(chǎn)物合成酶的基因可以被這個產(chǎn)物本身所關(guān)閉。這種基因被稱為可阻遏基因，這些酶被稱為可阻遏酶，這個現(xiàn)象被稱為可阻遏現(xiàn)象，這些起阻遏作用的小分子被稱為阻遏物?？烧T導(dǎo)的操縱子是一些編碼分解代謝糖和氨基酸的蛋白的基因。這些糖和氨基酸平時(shí)含量很少，細(xì)菌并不分解利用它們，而是利用一般的能源物質(zhì)――葡萄糖的水解來提供能源，因此，這些操縱子常常是關(guān)閉的。一旦生存條件發(fā)生變化，如葡萄糖缺乏而必須利用乳糖作為能源時(shí)，就要打開這些基因?？勺瓒艋蛩鼈兪且恍┖铣筛鞣N細(xì)胞代謝過程中所必須的小分子物質(zhì)(如氨基酸、嘌呤和嘧啶等)的基因，由于這類物質(zhì)在生命過程中的重要地位，這些基因總是打開著的。只有當(dāng)細(xì)菌生活環(huán)境中有充分供應(yīng)時(shí)，才關(guān)閉這些基因，停止其合成。弱化子對基因活性的影響在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號作用的是有特殊負(fù)載的氨酰-tRNA的濃度，在色氨酸操縱子中就是色氨酰-tRNA的濃度。當(dāng)操縱子被阻遏，RNA合成被終止時(shí)，起終止轉(zhuǎn)錄信號作用的那一段DNA序列被稱為弱化子。當(dāng)基因轉(zhuǎn)錄使轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（RNA）到不同長度時(shí)，核糖體會在對應(yīng)的DNA位置上；此時(shí)RNA可以形成某種形式的二級結(jié)構(gòu)；由此決定延伸復(fù)合物的結(jié)合能力，從而決定基因能否繼續(xù)轉(zhuǎn)錄。細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)細(xì)菌有時(shí)會碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓－－氨基酸的全面匱乏。為了緊縮開支，渡過難關(guān)，細(xì)菌會產(chǎn)生一個應(yīng)急反應(yīng)－－停止包括生產(chǎn)各種RNA、糖、脂肪和蛋白質(zhì)的幾乎全部生物化學(xué)反應(yīng)過程。實(shí)施這一應(yīng)急反應(yīng)的信號是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸(pppGpp)。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物是空載tRNA。當(dāng)氨基酸饑餓時(shí)，細(xì)胞中便存在大量的不帶氨基酸的tRNA，這種空載的tRNA會激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp的出現(xiàn)會關(guān)閉許多基因，以應(yīng)付這種緊急狀況。ppGpp影響RNA聚合酶與這些基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的結(jié)合，使基因被關(guān)閉。ppGpp與pppGpp的作用范圍十分廣泛，它們影響一大批操縱子而被稱為超級調(diào)控因子。6．2乳糖操縱子－－負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)6.2.1操縱子:操縱子模型是與特殊代謝途徑有關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄的協(xié)同調(diào)控模型。操縱子是基因表達(dá)和調(diào)控的單元，典型的操縱子包括:結(jié)構(gòu)基因：編碼那些在某一特定的生物合成途徑中起作用的、其表達(dá)被協(xié)同調(diào)控的酶。調(diào)控元件：如操縱序列，是調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。調(diào)節(jié)基因：其產(chǎn)物能夠識別調(diào)控元件，例如阻抑物，可以結(jié)合并調(diào)控操縱基因序列。6．2．2乳糖操縱子大腸桿菌能利用乳糖作為碳源，而利用乳糖作為碳源的酶只有當(dāng)乳糖成為惟一的碳源時(shí)才會被合成。大腸桿菌乳糖操縱子(lactoseoperon)包括3個結(jié)構(gòu)基因:Z、Y和A。這三個結(jié)構(gòu)基因被同一個轉(zhuǎn)錄單元lacZYA所編碼，它有一個啟動子Plac。乳糖操縱子的這三個結(jié)構(gòu)蛋白是作為一個多順反子的mRNA一起表達(dá)的。lacZYA轉(zhuǎn)錄單元含有一個操縱基因位點(diǎn)0lac，它位于Plac啟動子5’端的-5至+21之間。該位點(diǎn)可被乳糖阻抑物相結(jié)合。當(dāng)該蛋白結(jié)合到操縱基因上時(shí)，便成為轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)抑制物。乳糖阻抑物被一個獨(dú)立的調(diào)節(jié)基因lacI所編碼，lacI也是乳糖操縱子的一部分;lacI位于Plac的上游。lacZ編碼β-半乳糖苷酶，它可以將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖。lacY編碼半乳糖苷透性酶，它能將乳糖運(yùn)送透過細(xì)菌的細(xì)胞壁。lacA編碼硫代半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶。lacI基因編碼乳糖阻抑物，當(dāng)以同亞基四聚體形式存在對具有活性。它對于lac操縱序列結(jié)合位點(diǎn)0lac具有很強(qiáng)的親和力，并且對DNA也有較高的親和力。Zac操縱序列位點(diǎn)由具有回文結(jié)構(gòu)的28bp堿基組成(回文結(jié)構(gòu)是指當(dāng)一條鏈以5’到3’的順序從左向右讀對其DNA序列與它的互補(bǔ)鏈也以5’至3’的方向從右向左讀時(shí)完全相同)。操縱序列的這種反向重復(fù)對稱正好與由四個相同亞基組成的乳糖阻抑物的內(nèi)部對稱相匹配。當(dāng)乳糖缺乏時(shí)，阻抑物占據(jù)了操縱序列的結(jié)合位點(diǎn)，RNA聚合酶不能通過操縱序列。乳糖阻抑物和RNA聚合酶能夠同時(shí)結(jié)合到乳糖啟動子和操縱序列位點(diǎn)上。乳糖阻抑物使聚合酶結(jié)合到乳糖啟動子上的能力增加了兩個數(shù)量級。當(dāng)乳糖阻抑物結(jié)合到0lac操縱序列上時(shí)，聚合酶是結(jié)合到相鄰的Plac啟動子序列上的，只是不能通過之。當(dāng)缺少誘導(dǎo)物時(shí)，乳糖阻抑物阻礙了幾乎全部的lacZYA的轉(zhuǎn)錄而使之保持很低的轉(zhuǎn)錄水平。將乳糖加入細(xì)胞中后，細(xì)胞本身所含的低量的透性酶使它能吸收乳糖，β-半乳糖苷酶則催化一些乳糖轉(zhuǎn)化為異乳糖。異乳糖可以作為誘導(dǎo)物結(jié)合到乳糖阻抑物上。從而引起阻抑物四聚體構(gòu)象的變化，從而降低其對乳糖操縱序列的親和力，乳糖阻抑物從操縱序列上脫離下來可以使聚合酶(已經(jīng)位于鄰近的啟動子上)迅速開始lacZYA基因的轉(zhuǎn)錄。因此，加入乳糖或合成誘導(dǎo)物如異丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)能非常迅速地刺激乳糖操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。若隨后將誘導(dǎo)物清除掉則會導(dǎo)致誘導(dǎo)性轉(zhuǎn)錄的立即終止，這是因?yàn)橛坞x的乳糖阻抑物會立即重新占據(jù)操縱序列上的位點(diǎn)，而lacZYARNA的轉(zhuǎn)錄物是極不穩(wěn)定的。Plac啟動子不是強(qiáng)啟動子。其原因是Plac及其相關(guān)的啟動子沒有強(qiáng)的-35序列，其中一些甚至只有弱的-10的共有序列。為了實(shí)現(xiàn)高水平的轉(zhuǎn)錄，它們需要一種特定的激活蛋白即cAMP受體蛋白(CRP)的活化。cAMP即環(huán)式AMP，其在生物表達(dá)調(diào)控過程中起著重要作用。葡萄糖的降解代謝會抑制一些操縱子的轉(zhuǎn)錄。cAMP在細(xì)胞中的增加對這些操縱子的轉(zhuǎn)錄是有利的。葡萄糖降解物能抑制細(xì)胞內(nèi)cAMP產(chǎn)生。這是因?yàn)锳TP是cAMP的直接代謝前體，擔(dān)任這種轉(zhuǎn)化的酶是腺苷酸環(huán)化酶(adenylcyclase)，此酶受葡萄糖代謝降解物的直接抑制從而造成cAMP不能產(chǎn)生。CRP也可稱為分解代謝激活蛋白或CAP是以以二聚體形式存在的。當(dāng)葡萄糖存在時(shí)，大腸桿菌不需要像乳糖這樣的替代碳源。因此代謝操縱子如乳糖操縱子通常不被激活。原因是當(dāng)葡萄糖存在時(shí)會降低細(xì)胞內(nèi)cAMP的水平，CRP自身不能獨(dú)立與DNA結(jié)合；當(dāng)葡萄糖缺乏時(shí)，大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)cAMP水平上升，CRP結(jié)合到cAMP上。CRP-cAMP復(fù)合物可結(jié)合到緊鄰RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)上游的乳糖操縱子的啟動子Plac上游。能使DNA雙螺旋發(fā)生彎曲，有利于形成穩(wěn)定的開放型啟動子-RNA聚合酶結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)錄效率提高50倍。而阻遏物則是一個抗解鏈蛋白(antimeltingpmte五n)，阻止形成開放結(jié)構(gòu)，從而抑制RNA聚合酶的功能。lac操縱子小結(jié)通常情況（葡萄糖供應(yīng)正常）阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，基因不轉(zhuǎn)錄。細(xì)胞外的乳糖通過透性酶吸收到細(xì)胞內(nèi)；細(xì)胞內(nèi)的β-半乳糖苷酶將乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾樘?。異乳糖結(jié)合到乳糖阻抑物上使之從操縱序列上脫離，聚合酶迅速開始lacZYA基因的