第二十一章原核生物基因的表達(dá)及其調(diào)控

第二十一章原核生物基因的表達(dá)

及其調(diào)控生物體的每個活細(xì)胞都含有相同的一整套基因?；虮磉_(dá)具有高度的時空專一化：如肌紅蛋白基因（肌細(xì)胞）基因表達(dá)的調(diào)控：生物有機(jī)體對其基因表達(dá)的時空程序、表達(dá)速率等所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和控制。本底水平表達(dá)：調(diào)控處于關(guān)閉狀態(tài)，只翻譯極少量的蛋白質(zhì)第一節(jié)原核生物基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯原核生物的DNA：單個裸露的DNA不編碼占5%轉(zhuǎn)錄和翻譯同一時間，地點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控(主)，兼有翻譯水平調(diào)控根據(jù)基因表達(dá)產(chǎn)物可劃分：

組成型蛋白：基因表達(dá)不受時期、部位、環(huán)境影響——組成型表達(dá)。

調(diào)節(jié)型蛋白/適應(yīng)型蛋白：基因表達(dá)受時期、部位、環(huán)境影響——非組成型表達(dá)。一種生物的整套遺傳密碼可以比作一本密碼字典,該種生物的每個細(xì)胞中都有這本字典。為什么基因只有在它應(yīng)該發(fā)揮作用的細(xì)胞內(nèi)和應(yīng)該發(fā)揮作用的時間才能呈現(xiàn)活化狀態(tài)?結(jié)論：必然有一個基因調(diào)控系統(tǒng)在發(fā)揮作用。

基因調(diào)控主要在三個水平上進(jìn)行:①.DNA水平②.轉(zhuǎn)錄水平③.翻譯水平一、轉(zhuǎn)錄的起始

轉(zhuǎn)錄是原核生物基因表達(dá)的主要調(diào)控點(diǎn)，主要涉及兩個方面：1、RNA合成的酶系；2、RNA合成起始和終止信號，即DNA分子上的特定序列。通過RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄因子和啟動子的相互作用實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄調(diào)控，改變細(xì)胞的表型，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生理狀態(tài)和環(huán)境的變化。（一）RNA聚合酶(RNApolymerase)：

大腸桿的的RNA聚合酶：由5個亞基組成，即α2ββ’σ，有時還有2個ω亞基。以α2ββ’σ組成的酶稱全酶。σ亞基與其他亞基結(jié)合較松弛，易從全酶上解離；其余部分α2ββ’稱為核心酶(coreenzyme)。在大腸桿菌中還發(fā)現(xiàn)一種新的σ因子，稱為σ’因子，因此將含有σ亞基的全酶稱為全酶I，含有σ’亞基的稱為全酶Ⅱ。二者的不同在于：全酶Ⅱ可以利用雙鏈DNA為模板合成po1y〔A)。σ亞基作用：參與啟動子的識別和結(jié)合以及轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的異構(gòu)化。細(xì)胞內(nèi)哪條DNA鏈被轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄方向與轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)的選擇都與σ亞基有關(guān)。離體實(shí)驗(yàn)表明：全酶所轉(zhuǎn)錄的RNA和細(xì)胞內(nèi)所轉(zhuǎn)錄出的RNA，其起始點(diǎn)相同，序列相同，若僅用核心酶進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，則模扳鏈和起始點(diǎn)的選擇都有很大的隨意性，而且往往同一段DNA的兩條鏈都被轉(zhuǎn)錄。由此可見：σ亞基對識別DNA鏈上的轉(zhuǎn)錄信號是不可缺少的，它是核心酶和啟動子之間的橋梁。σ因子的取代在細(xì)胞發(fā)育和對環(huán)境應(yīng)答的反應(yīng)中起主導(dǎo)作用。如在枯草桿菌中就有不同相對分子質(zhì)量的σ因子(P227表9—1)

核心酶的β亞基作用：對RNA聚合酶的功能至關(guān)重要，參與RNA合成、終止信號的識別。由于β亞基與RNA的前體核昔三磷酸具有很高親和力，推測它可能參與底物的結(jié)合，以及催化磷酸二酯鍵的形成。β’亞基作用：可使聚合酶結(jié)合到模板DNA上。α亞基作用：游離狀態(tài)，常以二聚體的形式存在，參與全酶同啟動子的牢固結(jié)合。RNA聚合酶體積很大，橫跨近60個堿基，而解旋的DNA區(qū)域可能不到17個堿基。當(dāng)聚合酶按5′→3′方向延伸RNA鏈時，解旋的DNA區(qū)域也隨之移動。靠近3′端的DNA不斷解旋。同時在5′端重新形成DNA雙鏈，不斷將RNA-DNA雜合鏈中的RNA鏈擠出。（二）啟動子(promoter)：

轉(zhuǎn)錄的起始是基因表達(dá)的關(guān)鍵階段，啟動子就是連接在基因3’端上游的DNA序列，其長度從100bp到200bp不等，是轉(zhuǎn)錄起始時RNA聚合酶識別、結(jié)合的特定部位，但其本身并不被轉(zhuǎn)錄。在啟動子與終止子之間是一個轉(zhuǎn)錄單位，通常將mRNA開始的一個核苷酸定為o點(diǎn)(即+1)．由此向右常稱為下游(downstream)，其核苷酸依次編為正序號；起始點(diǎn)左例稱為上游(upstream)．其核苷酸則依次以負(fù)號表示．緊接起始點(diǎn)左側(cè)的核昔酸為-1。原核生物啟動子結(jié)構(gòu)含有同源序列。整個啟動子包括兩個部分：其上游部分是CAP-cAMP結(jié)合位點(diǎn)，下游部分是RNA聚合酶的進(jìn)入位點(diǎn)。二、轉(zhuǎn)錄的終止（一）終止子及其結(jié)構(gòu)：1、概念：

DNA上提供轉(zhuǎn)錄停止信號的一段序列稱為終止子(terminator)，是一個基因的末端或是一個操縱子的末端的一段特定序列。2、類型：強(qiáng)終止子和弱終止子強(qiáng)終止子：不依賴于Rho蛋白質(zhì)輔助因子而能實(shí)現(xiàn)終止作用，這類終止子屬于強(qiáng)終止子；弱終止子：依賴于Rho蛋白糖助因子才能實(shí)現(xiàn)終止作用，這類終止子屬于弱終止子。蛋白質(zhì)輔助因子稱為釋放因子，通常稱為ρ因子。所有原核生物的終止子共同的序列特征：即在轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)之前有一段回文結(jié)構(gòu)，因而所產(chǎn)生的mRNA可形成莖環(huán)狀的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，它可使RNA聚合酶的移動停止或減緩?；匚慕Y(jié)構(gòu)中富含GC對，在回文序列的下游常有6—8個AU對，因此這段終止子轉(zhuǎn)錄后形成的RNA具有與A相對應(yīng)的寡聚U，是使RNA聚合酶脫離模板的信號。依賴子ρ因子的終止子其回文序列中GC對含量較少，回文序列下方?jīng)]有固定結(jié)構(gòu)，其AU對含量也較低，因而是弱終止子，必需有ρ因子存在時才發(fā)生終止作用；這也就是說依賴于ρ因子的終止子由于其莖環(huán)結(jié)構(gòu)常較短，在沒有ρ因子時這種莖環(huán)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。即如果沒有ρ因子存在．RNA聚合酶會繼續(xù)轉(zhuǎn)錄下去，這就稱為通讀(readthrough)，當(dāng)ρ因子存在時，轉(zhuǎn)錄才能終止。

在強(qiáng)終止子中，由于其DNA模板上富含GC而使轉(zhuǎn)錄出的RNA上富含C和G，于是RNA與模板之間可以形成較強(qiáng)的氫鍵，成為DNA—RNA雜合分子，從而阻礙DNA聚合酶的前進(jìn)而有利于終止。（二）ρ因子輔助終止作用的機(jī)理(三)基因表達(dá)的極性現(xiàn)象在正常情況下原核基因表達(dá)時，其轉(zhuǎn)錄出來的mRNA隨即進(jìn)行翻譯，這時整個mRNA都覆蓋著核糖體，ρ因子無法接近mRNA．而RNA聚合酶早已越過前面的基因的依賴ρ因子的終止子，所以轉(zhuǎn)錄實(shí)際上并不停止．而是繼續(xù)轉(zhuǎn)錄后續(xù)基因。如果在某一基因的依賴于ρ的終止子之前發(fā)生無義突變，核糖體便從無義密碼子上解離下來，翻譯停止，核糖體不再進(jìn)入到mRNA上無義密碼子以后的位置上。于是ρ就可以自由進(jìn)入RNA并移動，直到趕上停留在終止子上的RNA聚合酶。結(jié)果使RNA聚合酶釋放，不能再轉(zhuǎn)錄下游基因。概念：基因表達(dá)的極性現(xiàn)象：在某些情況下同一轉(zhuǎn)錄單位里，由于一個基因的無義突變，阻礙了其后續(xù)基因表達(dá)的效應(yīng)．就稱為基因表達(dá)的極性現(xiàn)象。除了無義突變可以導(dǎo)致極性現(xiàn)象外，插入序列IS1、IS2等DNA片段插入到操縱子的基因中也會發(fā)生極性現(xiàn)象。ρ因子也可發(fā)生突變，其效應(yīng)的基本性質(zhì)是使終止作用出現(xiàn)故障。突變常可抑制極性效應(yīng)，這是因?yàn)槠渫蛔兒芸赡軠p弱了ρ對無義密碼子后面的中間終止子的作用，這樣翻譯的終止并不會使轉(zhuǎn)錄也停頓，且遠(yuǎn)離無義突變的DNA區(qū)段還可以被重新覆蓋的核糖體繼續(xù)翻譯(四)抗終止作用

ρ因子的作用可以被抗終止因子所抵消，這樣，RNA聚合酶便可通過終止子(依賴于ρ因子的)繼續(xù)轉(zhuǎn)錄后面的基因。這種現(xiàn)象稱為抗終止作用(anti一termination)?？菇K止作用最有代表性的例子見于λ噬菌體的時序控制。λ噬菌體基因在裂解過程中的表達(dá)分前早期、晚早期和晚期3個階段進(jìn)行，其早期基因與晚期基因以終止子相隔。λ噬菌體侵入敏感細(xì)胞，首先借助宿主的RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄前早期基因，由此獲得的表達(dá)產(chǎn)物N蛋白是一種抗終止因子，它與RNA聚合酶作用使后者越過左右兩個終止子繼續(xù)轉(zhuǎn)錄，實(shí)現(xiàn)晚早期基因表達(dá)。三、原核生物RNA的加工四、SD序列與翻譯效率核糖體結(jié)合保護(hù)降解法：測定mRNA上核糖體起始蛋白質(zhì)合成的部位。在抑制多肽鏈伸長的條件下，當(dāng)翻譯起始時，核糖體與mRNA的結(jié)合位點(diǎn)已形成穩(wěn)定的復(fù)合體，于是加入核酸酶使未與核糖體結(jié)合的mRNA的區(qū)段降解，而有核糖體結(jié)合區(qū)域則受到保護(hù)。在細(xì)菌中受核糖體保護(hù)的起始序列約35～40個堿基長，其中包含起始密碼子AUG。在起始密碼子上游約4～7個核苷酸之前還有一段富含嘌吟的5′…AGGAGG…3′短小序列，它可以與16SrRNA3′端的3′…UCCUCC…5′區(qū)段完全互補(bǔ)。mRNA上的這段序列稱為ShineDalgarno序列（簡稱SD序列）。SD序列與16SrRNA序列互補(bǔ)的程度以及從起始密碼子AUG到嘌呤片段的距離也都強(qiáng)烈地影響翻譯起始的效率。不同基因的mRNA有不同的SD序列，它們與16SrRNA的結(jié)合能力也不同，從而控制著單位時間內(nèi)翻譯過程中起始復(fù)合物形成的數(shù)目，最終控制著翻譯的速度。第二節(jié)大腸桿菌乳糖操縱子的正負(fù)調(diào)控一、操縱子與操縱子模型操縱子學(xué)說/操縱子模型：F.JacobJ.Mond（1960）E.colilacoperon(1965諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎)操縱子：核酸分子上調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄活性的基本單元，由結(jié)構(gòu)基因、操作子（O）和啟動子（P）組成。轉(zhuǎn)錄、翻譯、合成蛋白結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合RNA聚合酶promoterstructuralgenesoperator啟動基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因操縱子(operon)模型調(diào)控（節(jié)）蛋白操縱子RNARPOstructuralgenesDNAProtein＋正調(diào)控（positiveregulation)－負(fù)調(diào)控(negativeregulation)調(diào)控蛋白的作用機(jī)制注：R：RegulatorP：PromoterO：Operator正調(diào)控系統(tǒng)中的正調(diào)控蛋白又被稱為無輔基誘導(dǎo)蛋白（apoinducer)負(fù)調(diào)控系統(tǒng)中的負(fù)調(diào)控蛋白又被稱為阻遏蛋白（repressor)二、正調(diào)控與負(fù)調(diào)控調(diào)節(jié)基因RNA調(diào)節(jié)蛋白

正調(diào)節(jié)蛋白+操作子結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄、表達(dá)基因失活，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)（正控制/正調(diào)節(jié)

）

負(fù)調(diào)節(jié)蛋白+操作子結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄、表達(dá)基因失活，結(jié)構(gòu)基因組成型表達(dá)（負(fù)控制/負(fù)調(diào)節(jié)）根據(jù)調(diào)節(jié)蛋白基因突變失活所產(chǎn)生的后果，可分：隱性的組成型表達(dá)——負(fù)控制系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)基因處于不可誘導(dǎo)狀態(tài)——正控制系統(tǒng)

根據(jù)輔因子（小分子）結(jié)合后調(diào)控效果，可分：

開啟調(diào)控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄活性——誘導(dǎo)

關(guān)閉調(diào)控系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄活性——阻遏

操縱子調(diào)控系統(tǒng)的基本類型可誘導(dǎo)負(fù)控制系統(tǒng)可誘導(dǎo)正控制系統(tǒng)可阻遏負(fù)控制系統(tǒng)可阻遏正控制系統(tǒng)正調(diào)控與負(fù)調(diào)控并非互相排斥的兩種機(jī)制，而是生物體適應(yīng)環(huán)境的需要，有的系統(tǒng)既有正調(diào)控又有負(fù)調(diào)控；

原核生物以負(fù)調(diào)控為主，真核生物以正調(diào)控為主；

降解代謝途徑中既有正調(diào)控又有負(fù)調(diào)控；合成代謝途徑中一般以負(fù)調(diào)控來控制產(chǎn)物自身的合成。

如：大腸桿菌乳糖代謝的調(diào)控需要三種酶參加:①.β-半乳糖酶：將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖②.滲透酶：增加糖的滲透，易于攝取乳糖和半乳糖③.轉(zhuǎn)乙酰酶：β-半乳糖轉(zhuǎn)變成乙酰半乳糖大量乳糖時：大腸桿菌三種酶的數(shù)量急劇增加，幾分鐘即可達(dá)到千倍以上，這三種酶能夠成比例地增加.乳糖消耗完：這三種酶的合成也即同時停止.三、大腸桿菌乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控(可誘導(dǎo))乳糖操縱子的組成：1個啟動子(promoter)、2個操作子(operator)、3個結(jié)構(gòu)基因誘導(dǎo)因子：（異乳糖、?-半乳糖苷、異丙基硫代半乳糖苷IPDG）乳糖操縱子突變類型：無誘導(dǎo)因子，組成型表達(dá)，突變位點(diǎn)位于調(diào)節(jié)基因和操作子上