原核生物基因表達(dá)的調(diào)

分子生物學(xué)玉林師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院林謙2013.9.第11章原核生物基因表達(dá)的調(diào)控

每一種生物基因組都含有一定數(shù)目的基因，但這些基因在一個(gè)細(xì)胞里并不同時(shí)表達(dá)，表達(dá)強(qiáng)度也不一定相同。以大腸桿菌為例，其基因組總共能編碼幾千種蛋白質(zhì)，但在正常的生長(zhǎng)條件下，一個(gè)細(xì)胞僅合成600~800種不同的蛋白質(zhì)。生物體內(nèi)的基因根據(jù)表達(dá)的狀況可分為管家基因(house-keepinggenes)、奢侈基因(luxurygenes)。管家基因：始終或經(jīng)常性開(kāi)啟的基因,是維持細(xì)胞基本生命活動(dòng)所必須的，如編碼組成型蛋白的基因。奢侈基因：指編碼組織特異性蛋白的基因，對(duì)細(xì)胞分化有重要影響，如大腸桿菌被乳糖誘導(dǎo)的基因等。原核生物是單細(xì)胞生物，需要隨時(shí)根據(jù)環(huán)境條件變化調(diào)整自身基因的表達(dá)。原核生物細(xì)胞中沒(méi)有形成細(xì)胞器，基因轉(zhuǎn)錄與翻譯同時(shí)發(fā)生，mRNA半衰期極短，在幾分鐘內(nèi)就被降解，因此一種mRNA必須持續(xù)轉(zhuǎn)錄才能維持蛋白質(zhì)的合成。原核生物基因表達(dá)的調(diào)控主要是在轉(zhuǎn)錄水平，以便能更加便捷和有效地調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)一種蛋白質(zhì)的水平。11.1基因表達(dá)調(diào)控的兩種方式

基因表達(dá)的調(diào)控可分為兩種：正調(diào)控(positiveregulation):調(diào)控蛋白使靶基因的表達(dá)水平上升。正調(diào)控中的調(diào)控蛋白稱(chēng)為激活蛋白(activator)。負(fù)調(diào)控(negativeregulation):調(diào)控蛋白使靶基因的表達(dá)水平下降，甚至關(guān)閉。負(fù)調(diào)控中的調(diào)控蛋白稱(chēng)為阻遏蛋白(repressor)。圖11-1正調(diào)控與負(fù)調(diào)控模式的比較許多調(diào)節(jié)蛋白屬于別構(gòu)蛋白，細(xì)胞中某些特定的物質(zhì)能與它們結(jié)合，使調(diào)節(jié)蛋白的構(gòu)象發(fā)生變化，從而改變它們與操縱基因的結(jié)合活性，影響到基因轉(zhuǎn)錄的活性，這些特定物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為別構(gòu)效應(yīng)物。不論是激活蛋白，還是阻遏蛋白，其活性都可能受到別構(gòu)效應(yīng)物的影響。原核生物更傾向于使用負(fù)調(diào)控，真核生物更傾向于使用正調(diào)控。原核生物的DNA基本上是裸露的，它們的基因表達(dá)默認(rèn)狀態(tài)是開(kāi)放的，調(diào)節(jié)基因表達(dá)的主要方式是改變默認(rèn)狀態(tài)——即負(fù)調(diào)控。真核生物的DNA與大量蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，是基因表達(dá)的一種天然障礙，它們的基因表達(dá)默認(rèn)狀態(tài)是關(guān)閉的，調(diào)節(jié)基因表達(dá)的主要方式是激活——即正調(diào)控。11.2DNA水平的調(diào)控

11.2.1啟動(dòng)子序列對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控

不同基因的啟動(dòng)子序列與一致序列可能不同，與RNA聚合酶的親和力就不同，從而造成轉(zhuǎn)錄起始效率的差別。具有強(qiáng)啟動(dòng)子的管家基因的轉(zhuǎn)錄水平要高于具有弱啟動(dòng)子的管家基因。11.2.2DNA重組對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控

鼠傷寒沙門(mén)氏菌是一種帶有鞭毛的細(xì)菌。構(gòu)成其鞭毛的蛋白質(zhì)有H1和H2兩種。任何一個(gè)沙門(mén)氏細(xì)菌只表達(dá)這兩種鞭毛蛋白中的一種，在同一個(gè)細(xì)胞內(nèi)從不同時(shí)表達(dá)。隨著一群細(xì)胞的生長(zhǎng)和分裂，某些子代細(xì)胞會(huì)發(fā)生相變，即自發(fā)地改變其鞭毛蛋白的表達(dá)樣式，以逃避宿主免疫系統(tǒng)的攻擊。圖11-2鼠傷寒沙門(mén)氏菌相變的分子機(jī)制11.3轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控

11.3.1轉(zhuǎn)錄起始階段的調(diào)控11.3.1不同因子的選擇性使用

原核生物識(shí)別啟動(dòng)子序列的是因子，不同的因子可識(shí)別不同的啟動(dòng)子序列。大腸桿菌主要使用。在特殊條件下其他類(lèi)型的因子被表達(dá)或激活，啟動(dòng)其他基因的表達(dá)。熱激條件使失活，同時(shí)增強(qiáng)rpoH基因的表達(dá)；

rpoH基因的產(chǎn)物——與RNA聚合酶核心酶組裝成全酶，與熱激基因的啟動(dòng)子結(jié)合，啟動(dòng)Hsp的表達(dá)。圖11-3σ因子的選擇性使用與熱激基因的表達(dá)調(diào)控

圖11-4σ因子的級(jí)聯(lián)與SPO1噬菌體不同時(shí)期基因表達(dá)之間的關(guān)系11.3.1.2操縱子調(diào)控模型

操縱子(operon)是原核生物基因表達(dá)和調(diào)控最重要的形式。11.3.1.2.1操縱子的基本結(jié)構(gòu)

(1)啟動(dòng)子

(2)結(jié)構(gòu)基因

(3)操縱區(qū)(operator)

指能被調(diào)節(jié)蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動(dòng)子相鄰或重疊，當(dāng)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合在操縱子序列上，會(huì)影響其下游基因的轉(zhuǎn)錄。(4)調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因編碼能與操縱基因結(jié)合的調(diào)節(jié)蛋白。11.3.1.2.2操縱子的類(lèi)型誘導(dǎo)型操縱子：一般控制與分解代謝有關(guān)酶的表達(dá)，需要誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合或誘導(dǎo)物與激活蛋白結(jié)合，如乳糖操縱子、麥芽糖操縱子。阻遏型操縱子：通?？刂婆c合成代謝有關(guān)的基因表達(dá)，需要輔阻遏物與阻遏蛋白解離或輔阻遏物與激活蛋白的解離，如色氨酸操縱子、組氨酸操縱子。11.3.1.2.3乳糖操縱子

1940年，Monod發(fā)現(xiàn)：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)時(shí)，細(xì)菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗盡后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細(xì)菌的生長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)停頓，即產(chǎn)生“二次生長(zhǎng)曲線”。Jacob和Monod提出操縱子學(xué)說(shuō)，獲諾貝爾獎(jiǎng)。(1)乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控

lacZ基因編碼-半乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖異構(gòu)化為別乳糖，絕大多數(shù)乳糖水解為半乳糖和葡萄糖。

lacY基因編碼半乳糖透過(guò)酶，使-半乳糖苷透過(guò)細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。

lacA基因編碼乙酰轉(zhuǎn)移酶，催化半乳糖的乙?；?。乳糖對(duì)

－半乳糖苷酶的合成有誘導(dǎo)作用。葡萄糖對(duì)

－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。圖11-5β-半乳糖苷酶催化的水解和異構(gòu)化反應(yīng)

ZYAOP結(jié)構(gòu)基因LacIP調(diào)控基因β半乳糖苷酶β半乳糖苷透性酶β半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶阻遏蛋白催化β-半乳糖苷水解將β-半乳糖苷轉(zhuǎn)入細(xì)胞將乙酰CoA的乙?；D(zhuǎn)移到β-半乳糖苷上啟動(dòng)子(lacP)操縱基因（lacO）ZYAOP結(jié)構(gòu)基因操縱基因（lacO）LacIP調(diào)控基因阻遏蛋白阻遏蛋白存在時(shí)，阻止Lac操縱子轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白缺乏或無(wú)活性時(shí)，Lac操縱子的基因開(kāi)啟。RNApol乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控ZYAOP結(jié)構(gòu)基因操縱基因（lacO）LacIP調(diào)控基因阻遏蛋白誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物-阻遏蛋白復(fù)合物

誘導(dǎo)物(如乳糖、IPTG)存在時(shí)，與阻遏蛋白結(jié)合，改變阻遏蛋白的構(gòu)象，使其不能與LacO結(jié)合，基因開(kāi)始轉(zhuǎn)錄。mRNA安慰誘導(dǎo)物

(gratuitousinducer)：能高效誘導(dǎo)酶的合成但不被所誘導(dǎo)的酶分解的分子。如：IPTG(異丙基硫代半乳糖苷)

lacO是-5至+21的序列，與啟動(dòng)子右末端重疊操縱基因(operator,O)是原核生物操縱子中被調(diào)控蛋白識(shí)別并結(jié)合的DNA區(qū)域。lacO的序列，以+11為對(duì)稱(chēng)軸具有反向重復(fù)序列圖11-6lac操縱子的負(fù)調(diào)控

乳糖操縱子屬于可誘導(dǎo)型操縱子，這類(lèi)操縱子通常是關(guān)閉的，當(dāng)受效應(yīng)物作用后，被誘導(dǎo)開(kāi)放。這類(lèi)操縱子使細(xì)菌能適應(yīng)環(huán)境的變化，最有效地利用環(huán)境提供的能源底物。當(dāng)細(xì)菌在沒(méi)有乳糖的培養(yǎng)中生長(zhǎng)時(shí)，阻遏蛋白同乳糖操縱子的操縱基因區(qū)域結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。(2)乳糖操縱子的正調(diào)控

當(dāng)乳糖和葡萄糖同時(shí)存在時(shí)，大腸桿菌出現(xiàn)葡萄糖效應(yīng)：即在有葡萄糖存在時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，即使有誘導(dǎo)物乳糖存在，乳糖操縱子也處于被抑制的狀態(tài)，直至葡萄糖消耗完才解除抑制，此時(shí)細(xì)菌才利用乳糖生長(zhǎng)。乳糖的存在僅僅是乳糖操縱子開(kāi)放的必要條件，而非充要條件。乳糖操縱子的開(kāi)放需要CRP(cAMP受體蛋白)的正調(diào)控。只有在負(fù)調(diào)控消失、正調(diào)控起作用時(shí)，乳糖操縱子才能開(kāi)放。啟動(dòng)子ZYAlacOcAMP-CAP位點(diǎn)RNA聚合酶作用位點(diǎn)cAMP-CAP結(jié)合結(jié)合于啟動(dòng)子上游的激活區(qū)域，幫助RNA聚合酶形成開(kāi)放型起始復(fù)合物，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄起始。分解代謝物激活蛋白(Cataboliteactivatorprotein，CAP)：即CRP(cAMP受體蛋白)，轉(zhuǎn)錄的活化因子，直接作用于操縱子，激活基因轉(zhuǎn)錄。CAP需要cAMP存在時(shí)才有活性。圖11-8乳糖操縱子的操縱基因和CAP-cAMP結(jié)合位點(diǎn)序列

圖11-9CAP的正調(diào)控作用分解代謝阻遏作用ATPcAMP腺苷酸環(huán)化酶(ACase)葡萄糖分解代謝物

抑制作用活化CAPlac操縱子轉(zhuǎn)錄葡萄糖降低細(xì)胞內(nèi)cAMP水平,使CAP失活，lac操縱子不能表達(dá),不能利用乳糖。

CAP也是很多其他與分解代謝有關(guān)的操縱子的激活蛋白，包括乳糖操縱子、阿拉伯糖操縱子、半乳糖操縱子和麥芽糖操縱子等近100個(gè)啟動(dòng)子受到它的激活。這種由同一種調(diào)控蛋白調(diào)節(jié)多個(gè)操縱子基因表達(dá)活性的方式稱(chēng)為調(diào)諧子(regulon)。這些操縱子附近都含有CAP結(jié)合位點(diǎn)。11.3.1.2.8色氨酸操縱子

色氨酸操縱子屬于可阻遏型，作為輔阻遏物的是色氨酸。色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，如果環(huán)境中缺乏色氨酸，細(xì)菌必須自己合成。但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸，細(xì)菌就會(huì)充分利用外界的色氨酸，減少或停止色氨酸的合成，以節(jié)省能量。

trp操縱子是一個(gè)氨基酸合成體系，不是糖的分解，因此和葡萄糖沒(méi)有什么關(guān)系，操縱子中也就不存在cAMP-CAP位點(diǎn)。大腸桿菌的色氨酸操縱子由一個(gè)啟動(dòng)子、一個(gè)操縱基因、一個(gè)前導(dǎo)肽編碼基因(trpL)和5個(gè)結(jié)構(gòu)基因(trpE、trpD、trpC、trpB、trpA)以及一個(gè)調(diào)節(jié)基因(trpR)組成。結(jié)構(gòu)基因編碼將莽草酸轉(zhuǎn)化為色氨酸的關(guān)鍵酶。trpR編碼阻遏蛋白，與結(jié)構(gòu)基因相距較遠(yuǎn)。合成色氨酸所需要酶類(lèi)的結(jié)構(gòu)基因群，受其上游的啟動(dòng)子Ptrp和操縱區(qū)O的調(diào)控，調(diào)控基因trpR的位置遠(yuǎn)離P-O-結(jié)構(gòu)基因群，在其自身的啟動(dòng)子作用下，以組成性方式低水平表達(dá)其調(diào)控蛋白R(shí)，R并沒(méi)有與操縱區(qū)O結(jié)合的活性，當(dāng)環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時(shí)，R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化，就能夠與操縱區(qū)O特異性親和結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。圖11-18色氨酸操縱子的阻遏調(diào)控色氨酸合成途徑的終產(chǎn)物色氨酸通過(guò)阻遏轉(zhuǎn)錄抑制該途徑酶的合成，這種作用又稱(chēng)為末端產(chǎn)物阻遏。細(xì)胞在合成蛋白質(zhì)的過(guò)程中，本著節(jié)約能量的原則平衡氨基酸合成酶的合成。通過(guò)TrpR的調(diào)節(jié)，可使色氨酸的合成降低100倍。阻遏作用是色氨酸合成第一個(gè)層次的調(diào)控，主管轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)是否啟動(dòng)。此外，大腸桿菌還有色氨酸合成第二個(gè)層次的調(diào)控——弱化作用(也稱(chēng)為衰減作用,attenuation)，決定已經(jīng)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)下去。

弱化作用

trp操縱子不因?yàn)閠rpR基因的缺失完全喪失調(diào)控功能。當(dāng)trpR基因被敲除，trp操縱子在無(wú)色氨酸時(shí)的轉(zhuǎn)錄活性是有色氨酸存在時(shí)的10倍。