原核生物的基因調(diào)控

1、原核生物的基因調(diào)控每個物種都有一套完整的遺傳信息。遺傳信息存在于DNA分子 中，每個細(xì)胞都有相同的DNA，也確實(shí)是講，每個細(xì)胞中都帶有完整的遺 傳信息。在正常情形下，一個個體的各類細(xì)胞差不多上按照一定的規(guī)律和 一定的時空順序，關(guān)閉一些基因，開啟另一些基因，并持續(xù)地進(jìn)行嚴(yán)格的 調(diào)控，以保證個體的發(fā)育得以順利進(jìn)行?；虮磉_(dá)(gene expression)確實(shí)是指某一基因指導(dǎo)下的蛋白質(zhì)合 成，蛋白質(zhì)是基因表達(dá)的產(chǎn)物，在生活中并非所有基因都一齊表達(dá)，而是有些 基因進(jìn)行表達(dá)，形成其基因表達(dá)的特異產(chǎn)物，以構(gòu)成細(xì)胞結(jié)構(gòu)或代謝所需要 的蛋白質(zhì)或酶類。然而，有許多基因卻被關(guān)閉，不進(jìn)行表達(dá)，而要在適當(dāng)?shù)臅r候 才

2、進(jìn)行表達(dá)?；蜃饔玫恼{(diào)控機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，至今仍知之不多。但那個領(lǐng) 域是當(dāng)前遺傳學(xué)研究的熱點(diǎn)，隨著功能基因組學(xué)的飛速進(jìn)展，研究的進(jìn)展 相當(dāng)?shù)乜?。因此，研究成果多集中在原核生物，對高等生物基因表達(dá)的調(diào) 控機(jī)制還了解不多。盡管一種基因編碼一種蛋白質(zhì)，然而不同蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的相對數(shù) 量差不專門大，隨著它們的功能而不同，例如，在E.coli細(xì)胞中，從總蛋白的不 足0.01%-2%,各種蛋白質(zhì)變化不定。細(xì)胞要使其蛋白質(zhì)合成達(dá)到這種差異, 能夠有兩條途徑：第一條途徑是細(xì)胞操縱從其DNA模板上轉(zhuǎn)錄其特異的mRNA的 速度，這是一種最經(jīng)濟(jì)的方法，能夠免去白費(fèi)從mRNA合成蛋白質(zhì)的各種元 件和材料。這大致是生物在長

3、期進(jìn)化過程中自然選擇的結(jié)果。這種操縱通 常稱之為轉(zhuǎn)錄水平(transcriptional level)的調(diào)控。大多數(shù)基因表達(dá)都屬于轉(zhuǎn)錄 水平的調(diào)控。第二條途徑是在mRNA合成后，操縱從mRNA翻譯成多肽鏈的速 度，包含一些分子裝置咨詢題，如與核糖體的結(jié)合速度等。這種蛋白質(zhì)合成或 基因表達(dá)的操縱稱為翻譯水平(translational level)的調(diào)控。這種調(diào)控是較少 的。、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控單細(xì)胞的原核生物對環(huán)境條件具有高度的適應(yīng)性，能夠迅速調(diào)劑 各種基因的表達(dá)水平，以適應(yīng)持續(xù)變化的環(huán)境條件。原核生物要緊是在轉(zhuǎn) 錄水平上調(diào)控基因的表達(dá)。當(dāng)需要這種產(chǎn)物時，就大量合成這種mRNA， 當(dāng)不需要這種產(chǎn)物

4、時就抑制這種mRNA的轉(zhuǎn)錄，確實(shí)是讓相應(yīng)的基因不表 達(dá)。通常所講的基因不表達(dá)，并不是講那個基因就完全不轉(zhuǎn)錄為mRN A，而是轉(zhuǎn)錄的水平專門低，堅(jiān)持在一個基礎(chǔ)水平(本底水平)。1 .正調(diào)控(positive regulation)和負(fù)調(diào)控(negative regulation)： 誘導(dǎo)物與蛋白質(zhì)結(jié)合形成激活子復(fù)合物，激活子復(fù)合物與基因啟動子DNA 序列結(jié)合，激活基因啟動轉(zhuǎn)錄，稱為正調(diào)控。阻遏蛋白分子與基因啟動子D NA序列結(jié)合，阻礙RNA聚合酶的工作，使基因處于關(guān)閉狀態(tài)，稱為負(fù)調(diào) 控。調(diào)劑蛋白(regulatory protein)是一些專門蛋白質(zhì),它們決定著何時誘 導(dǎo)酶或阻遏酶能夠合成。每種

5、調(diào)劑蛋白阻礙一種或多種專門基因的表達(dá)。 它們有兩種差不多類型:即正調(diào)劑蛋白(positive regulator)及負(fù)調(diào)劑蛋白(neg ative regulator)。這兩種調(diào)劑能夠由調(diào)劑它們的基因之相反效應(yīng)加以區(qū)不。負(fù)調(diào)劑蛋白或稱阻遏蛋白，會使其靶蛋白的合成受到抑制,即不表 達(dá)，而不管是否需要。阻遏物并非永久能阻止mRNA的合成。否則,它們就將 永久抑制其特異蛋白質(zhì)的合成。許多阻遏物分子能以活性的及無活性的兩 種形式存在，這要看它們是否與其適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)物或輔阻遏物(corepressor)結(jié) 合而定，誘導(dǎo)物的結(jié)合可使阻遏物失活。例如，當(dāng)與8-半乳糖苷如乳糖或異 乳糖(allolactose,

6、乳糖的代謝物，為天然誘導(dǎo)物)結(jié)合時,lac阻遏物即不能與其 專一的操縱基因結(jié)合。因此,加8半乳糖苷于生長細(xì)胞中,以降低lac阻遏蛋 白的分子濃度，可使8半乳糖苷酶得以合成。反之，輔阻遏物的結(jié)合則將無 活性的阻遏物變?yōu)橛谢钚缘男问?。這類突變種稱為組成突變種(constitutive mutant)。與此相反，正調(diào)劑蛋白是激活蛋白(activator),它的存在對合成所調(diào)劑 的酶是需要的,因此，激活蛋白存在時被操縱的基因即表達(dá)。2 .順式調(diào)控元件和反式調(diào)控因子：基因表達(dá)的調(diào)控差不多上特定 的蛋白質(zhì)分子和特定的DNA序列兩個因素相互作用的結(jié)果，起調(diào)控作用 的DNA序列稱為順式調(diào)控元件，如乳糖操縱元中

7、的啟動子(p)和操縱子 (O),起調(diào)控作用的蛋白質(zhì)分子稱為反式調(diào)控因子，如乳糖操縱子中調(diào)劑 基因編碼的阻遏蛋白、cAmp-CAP復(fù)合物。在原核生物中，通常是幾個作用有關(guān)的基因在染色體上串連排列 在一起，由同一個調(diào)控系統(tǒng)來操縱，如此的一個整體稱為一個操縱子。當(dāng) 幾種酶參與同一個代謝途徑時，往往這幾個基因同時被轉(zhuǎn)錄為一個多順反 子mRNA。而真核生物基因差不多上轉(zhuǎn)錄成單順反子的，因此真核生物中 沒有這種調(diào)控機(jī)制。在原核生物中，關(guān)于E.coli乳糖代謝的調(diào)控研究得最為 清晰，下面以E.coli的乳糖操縱子為例來介紹一樣操縱子的調(diào)控機(jī)制。3 .乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控在正常情形下，E.coli是以葡萄糖作為

8、碳源的，在沒有葡萄糖，只 有乳糖存在的條件下，E.coli也能以乳糖為碳源而生存。葡萄糖是單糖，E. coli利用它最為方便和經(jīng)濟(jì)。乳糖是雙糖，是葡萄糖和半乳糖的復(fù)合物。以 乳糖為碳源必須先將乳糖分解為葡萄糖和半乳糖，再將半乳糖轉(zhuǎn)化為葡萄 糖，這就需要額外的酶。8半乳糖苷酶，將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖; 半乳糖滲透酶，關(guān)心細(xì)菌從培養(yǎng)基中攝取乳糖；半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶，作 用不明。在有葡萄糖存在時，細(xì)菌體內(nèi)的這三種酶含量專門低。每個細(xì)胞 中只有35個分子的8半乳糖昔酶。當(dāng)培養(yǎng)基中沒有葡萄糖而有乳糖存 在時，這三種酶的量急劇增加，23分鐘內(nèi)即可增加1000倍以上，而且三 種酶成比例增加。一旦乳糖用完，

9、在2-3分鐘內(nèi)這三種酶的量又專門快下 降到本底水平。乳糖操縱子模型如下：子，Ii為調(diào)控基因i編碼一種蛋白質(zhì)，稱為阻遏物。無乳糖存在時，阻遏物與O結(jié)合， 關(guān)閉三個結(jié)構(gòu)基因，使之不能被轉(zhuǎn)錄。當(dāng)有乳糖存在時，乳糖的一種代謝 產(chǎn)物一一不乳糖，與阻遏物結(jié)合，改變阻遏物的構(gòu)象，使阻遏物從O上解 離下來，從而打開三個結(jié)構(gòu)基因（使之得以轉(zhuǎn)錄成mRNA）。乳糖用完后， 不乳糖的濃度急劇下降，阻遏物不再與不乳糖結(jié)合，又與O結(jié)合，阻止R NA聚合酶的工作，趕忙關(guān)閉結(jié)構(gòu)基因。原核生物中，大多數(shù)的基因都被組 織在操縱元中，受到類似的調(diào)控。乳糖操縱子模型有三個差不多假定：調(diào)劑基因編碼的阻遏蛋白是 能夠在細(xì)胞中擴(kuò)散的反式調(diào)

10、控因子，操縱子（O）是調(diào)控序列，不編碼蛋白 質(zhì)，操縱子（O）是順式調(diào)控元件，鄰近受其操縱的結(jié)構(gòu)基因。4 .乳糖操縱子的正調(diào)控在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，ATP在腺苷酸環(huán)化酶的作用下轉(zhuǎn)變成環(huán)式AMP（c yclic adnosine monophosphate, cAmp）。環(huán)式 AMP 并不直截了 當(dāng)促進(jìn) lac mRNA的合成，而靠結(jié)合在代謝降解物基因激活蛋白（catabolite-gene activato r protein,簡稱CAP）上起作用。細(xì)胞內(nèi)代謝激活蛋白CAP是一個分子量為4 5kD 的二聚體，CAP 是 cAmp 的受體蛋白（cyclic Amp receptor protein, CR

11、P),能操縱RNA聚合酶在乳糖啟動子上的結(jié)合，對mRNA生長速度都沒有 任何阻礙，同時只有cAMP與它結(jié)合才起作用。cAmp與CAP結(jié)合形成c AMPCAP復(fù)合物，并與DNA專一部位結(jié)合,這時就增加鄰近操縱子的轉(zhuǎn) 錄速度。CAP對一切葡萄糖敏銳的操縱子差不多上正調(diào)控因子，故突變的細(xì) 胞都不能利用大多數(shù)的糖，cAMPCAP復(fù)合物也是乳糖操縱元的正調(diào)控因 子。CAP當(dāng)cAMPCAP復(fù)合物插入乳糖操縱子的啟動子(p )區(qū)域的核苷 酸序列中時，使啟動子區(qū)域的DNA序列彎曲成新的構(gòu)型，這種新構(gòu)型有利 于提升RNA聚合酶的工作效率。當(dāng)細(xì)胞中既有不乳糖與阻遏蛋白結(jié)合， 又有cAMPCAP復(fù)合物與啟動子DNA

12、序列結(jié)合時，乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄效 率最高。然而，細(xì)胞內(nèi)有葡萄糖存在時，葡萄糖抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性， 不能形成cAmp。因此，乳糖操縱子的表達(dá)調(diào)控實(shí)際上是正調(diào)控和負(fù)調(diào)控協(xié) 同作用的?；虮磉_(dá)調(diào)控元件的突變：如果調(diào)劑基因I發(fā)生突變，I+-I一, 或者失去編碼阻遏蛋白的功能，或者編碼的阻遏蛋白構(gòu)型發(fā)生變化，不能 與操縱子結(jié)合，從而使操縱元不管有無乳糖存在都一直在表達(dá)。這種不管 細(xì)胞內(nèi)需要不需要其編碼產(chǎn)物，那個基因都在表達(dá)的狀況稱為組成型表達(dá)(c onstitutive expression)，如此的基因突變稱為組成型突變(constitutive mutan t),與組成型表達(dá)相對應(yīng)的概念是特異性表

13、達(dá)(specific expression)。如果操 縱元中的操縱子序列發(fā)生突變，O-OC,使操縱子DNA序列不能與阻遏蛋 白結(jié)合，也會使操縱元由特異性表達(dá)轉(zhuǎn)變?yōu)榻M成型表達(dá)。5 .負(fù)控阻遏系統(tǒng)大腸桿菌色氨酸操縱子(tryptophan operon)含有5個結(jié)構(gòu)基因，編碼色 氨酸生物合成途徑中的各種酶。這些基因從一個啟動子起始轉(zhuǎn)錄出一條多順反子的mRNA,與lac操縱 子一樣，那個啟動子受毗鄰的操縱區(qū)順序操縱。轉(zhuǎn)錄是通過操縱區(qū)和阻遏 蛋白操縱的，它的效應(yīng)物分子是色氨酸，也確實(shí)是由呼操縱子的基因所編 碼的生物合成途徑中的末端產(chǎn)物。當(dāng)色氨酸專門豐富時，它結(jié)合到游離的 阻遏物上誘發(fā)變構(gòu)轉(zhuǎn)換，從而使阻

14、遏物緊緊結(jié)合在操縱區(qū)。另一方面，當(dāng) 色氨酸供應(yīng)不足時，阻遏物失去了所結(jié)合的色氨酸，從操縱區(qū)上解離下來， trp操縱子的轉(zhuǎn)錄就此開始。色氨酸起著trp操縱子的輔阻遏物(corepressor) 功能。隨著對色氨酸操縱子的深入研究，發(fā)覺有些現(xiàn)象與以阻遏作為唯獨(dú)調(diào) 劑機(jī)制的觀點(diǎn)不相一致，例如，在色氨酸高濃度和低濃度下觀看到trp操 縱子的表達(dá)水平相差約600倍，然而阻遏作用只能夠使轉(zhuǎn)錄減少70倍，此 外，阻遏物失活的突變不能完全排除色氨酸對trp操縱子表達(dá)的阻礙。沒有 阻遏物時，在培養(yǎng)基中含或不含色氨酸的條件下觀看到轉(zhuǎn)錄速度相差81 0倍。明顯操縱子表達(dá)的這種操縱與阻遏物的操縱無關(guān)，必定還有其它的

15、調(diào)控機(jī)制，這種調(diào)控機(jī)制要緊是通過缺失突變株的研究而發(fā)覺的，稱為弱 化作用(attenuation)。弱化作用是細(xì)菌輔助阻遏作用的一種精細(xì)調(diào)控。這一調(diào)控作用通過操 縱子的前導(dǎo)區(qū)內(nèi)類似于終止子結(jié)構(gòu)的一段DNA序列而實(shí)現(xiàn)，它編碼一條末 端含有多個色氨酸的多肽鏈-先導(dǎo)肽，被稱為弱化子。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)某種氨基酰 tRNA缺乏時，該弱化子不表現(xiàn)終止子功能；當(dāng)細(xì)胞內(nèi)某種氨酰tRNA 足夠時該弱化子表現(xiàn)終止功能，從而達(dá)到基因表達(dá)調(diào)控的目的，只是這種 終止作用并不使正在轉(zhuǎn)錄中的mRNA全部都中途終止，而是僅有部分中途 停止轉(zhuǎn)錄，因此稱為弱化。這便是在trp操縱子中所發(fā)覺的除阻遏作用以外 的另一種調(diào)劑功能。下圖中的示意

16、圖講明了如何樣通過前導(dǎo)肽的翻譯來操縱轉(zhuǎn)錄。當(dāng)色氨 酸缺乏時，tRNAtrp也缺乏，前導(dǎo)肽不被翻譯，核糖體在兩個相鄰的色氨酸 密碼子處停止，阻止了 1：2配對，而使2 ： 3配對，因此不能形成3 ： 4 配對的莖環(huán)終止子結(jié)構(gòu)，將RNA聚合酶放行越過先導(dǎo)區(qū)進(jìn)入結(jié)構(gòu)基因，結(jié) 果導(dǎo)致操縱子表達(dá)。如果色氨酸過量，則可得到tRNAtrp,前導(dǎo)肽被翻譯使核糖體通過色氨酸密碼子的位置，前導(dǎo)肽被正常翻譯，核糖體阻止2：3配 對導(dǎo)致3 ： 4配對，終止信號顯現(xiàn)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄在尿苷殘基順序上中斷。圖色氨酸操縱子的弱化作用模型6 .正控誘導(dǎo)系統(tǒng)在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，調(diào)劑蛋白為激活蛋白，促進(jìn)RNA聚合酶的結(jié)合， 從而增加m

17、RNA的合成。大腸桿菌麥芽糖操縱子（maltose operon）的調(diào)控是 典型的例子，那個地點(diǎn)麥芽糖是誘導(dǎo)物，激活蛋白只有與麥芽糖結(jié)合時才 能與DNA的專門結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，促使RNA聚合酶開始轉(zhuǎn)錄（下圖），該結(jié) 合位點(diǎn)稱為激活蛋白結(jié)合位點(diǎn)，與啟動區(qū)毗鄰或在相隔幾百個堿基對處。圖麥芽糖正控誘導(dǎo)系統(tǒng)7 .大腸桿菌的熱激應(yīng)答大腸桿菌在通常情形下，只有一種。亞基，沒有象枯草桿菌那樣的。 亞基更換現(xiàn)象。然而，如果讓大腸桿菌生長在較高的溫度下（如4250）, 某些基因則迅速表達(dá)，誘導(dǎo)產(chǎn)生熱激蛋白，這種現(xiàn)象稱為熱激應(yīng)答反應(yīng)（he at shock response）o這是目前已知的最保守的遺傳系統(tǒng)，存在于每

18、一種生物 體內(nèi)，包括從古生菌到真細(xì)菌，從植物到動物。在熱激應(yīng)答反應(yīng)的傳感蛋 白可能是HSP70蛋白，它本身是一種熱激蛋白，感受溫度變化后調(diào)劑熱激 應(yīng)答系統(tǒng)的調(diào)劑蛋白基因rPOH（過去稱為htpR）的表達(dá)，該基因的產(chǎn)物RpO H是一種分子量為32000道爾頓的次級。因子，稱為。32。由。32參與 構(gòu)成的RNA聚合酶全酶能夠識不熱激應(yīng)答基因的啟動子；由。32識不的 這類基因的啟動子與"標(biāo)準(zhǔn)”。因子（。0）所識不的啟動子不同。在其-35 序列的前面還有幾個保守的堿基（TNNCNCNC）, -10序列前面有保守的CC CCo當(dāng)細(xì)菌適應(yīng)了較高生長溫度時，大多數(shù)熱激應(yīng)答基因便停止（如大腸桿 菌在

19、42通過20分鐘），又開始表達(dá)"常規(guī)"基因。其轉(zhuǎn)換機(jī)制，目前還不清晰。已知在熱激應(yīng)答反應(yīng)時，細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解速度急劇增加，其中可 能包括。70的降解。在正常情形下，。70基因作為。操縱子(包括S21基 因、DNA引發(fā)酶基因和。70基因)的一部分而轉(zhuǎn)錄多基因的mRNA,然而 o70基因本身還有一個熱激應(yīng)答啟動子，位于其前一個基因(DNA引發(fā)酶 基因)內(nèi)(下圖)，盡管熱激應(yīng)答反應(yīng)并不需要。70,但。70基因在熱激應(yīng)答 反應(yīng)中仍大量表達(dá)，這一情形可能與細(xì)菌適應(yīng)較高溫度后開始表達(dá)"常規(guī)" 基因有關(guān)。細(xì)胞在不利條件下仍舊要為復(fù)原正常秩序作好預(yù)備。圖。亞基操縱子的啟

20、動子(P1、P2)和。70基因的熱激應(yīng)答啟動子(P HS)二、翻譯水平的調(diào)控上述基因表達(dá)的調(diào)控，是調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄與否以及轉(zhuǎn)錄量的大小， 如此的調(diào)控是在轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控?；虮磉_(dá)有兩個要緊環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)錄和翻 譯，基因表達(dá)的調(diào)控能夠調(diào)控轉(zhuǎn)錄環(huán)節(jié)，也能夠調(diào)控翻譯環(huán)節(jié)。原核生物中研究得最清晰的翻譯水平的調(diào)控系統(tǒng)是E.coli核糖體 蛋白質(zhì)合成的反饋調(diào)控機(jī)制(feedback regulation)o E.coli有7個操縱子與 核糖體蛋白質(zhì)合成有關(guān)，每一種操縱元轉(zhuǎn)錄的mRNA都能夠被同一操縱子 編碼的蛋白質(zhì)識不，并能夠與其結(jié)合。如果某種核糖體蛋白質(zhì)在細(xì)胞中過 量積存，他們將與其自身的mRNA結(jié)合，阻止這些mRNA進(jìn)一步翻譯成蛋 白質(zhì)，mRNA分子上與蛋白質(zhì)結(jié)合的位點(diǎn)通常包括mRNA 5,端的非翻譯 區(qū)(untraslated region, UTR)，也包括啟動子區(qū)域的 Shine-Dalgarno 序列。S D序列(Shine-Dalgarno sequence)是mRNA起始密碼前的一段富含喋吟核苷 酸的序列。三、原核生物中的mRNA也受反義RNA(antisense RNA)的調(diào)控反義RNA( antisense RNA)具