第二十一章原核生物基因的表達及其調控

第二十一章原核生物基因的表達

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

組成型蛋白：基因表達不受時期、部位、環(huán)境影響——組成型表達。

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

基因調控主要在三個水平上進行:①.DNA水平②.轉錄水平③.翻譯水平一、轉錄的起始

轉錄是原核生物基因表達的主要調控點，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、轉錄因子和啟動子的相互作用實現(xiàn)轉錄調控，改變細胞的表型，從而實現(xiàn)細胞生理狀態(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合以及轉錄起始復合物的異構化。細胞內(nèi)哪條DNA鏈被轉錄、轉錄方向與轉錄起點的選擇都與σ亞基有關。離體實驗表明：全酶所轉錄的RNA和細胞內(nèi)所轉錄出的RNA，其起始點相同，序列相同，若僅用核心酶進行轉錄，則模扳鏈和起始點的選擇都有很大的隨意性，而且往往同一段DNA的兩條鏈都被轉錄。由此可見：σ亞基對識別DNA鏈上的轉錄信號是不可缺少的，它是核心酶和啟動子之間的橋梁。σ因子的取代在細胞發(fā)育和對環(huán)境應答的反應中起主導作用。如在枯草桿菌中就有不同相對分子質量的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合，以及催化磷酸二酯鍵的形成。β’亞基作用：可使聚合酶結合到模板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)：

轉錄的起始是基因表達的關鍵階段，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，是轉錄起始時RNA聚合酶識別、結合的特定部位，但其本身并不被轉錄。在啟動子與終止子之間是一個轉錄單位，通常將mRNA開始的一個核苷酸定為o點(即+1)．由此向右常稱為下游(downstream)，其核苷酸依次編為正序號；起始點左例稱為上游(upstream)．其核苷酸則依次以負號表示．緊接起始點左側的核昔酸為-1。原核生物啟動子結構含有同源序列。整個啟動子包括兩個部分：其上游部分是CAP-cAMP結合位點，下游部分是RNA聚合酶的進入位點。二、轉錄的終止（一）終止子及其結構：1、概念：

DNA上提供轉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：強終止子和弱終止子強終止子：不依賴于Rho蛋白質輔助因子而能實現(xiàn)終止作用，這類終止子屬于強終止子；弱終止子：依賴于Rho蛋白糖助因子才能實現(xiàn)終止作用，這類終止子屬于弱終止子。蛋白質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：即在轉錄終止點之前有一段回文結構，因而所產(chǎn)生的mRNA可形成莖環(huán)狀的發(fā)夾結構，它可使RNA聚合酶的移動停止或減緩?；匚慕Y構中富含GC對，在回文序列的下游常有6—8個AU對，因此這段終止子轉錄后形成的RNA具有與A相對應的寡聚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)]有固定結構，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)結構常較短，在沒有ρ因子時這種莖環(huán)結構不穩(wěn)定。即如果沒有ρ因子存在．RNA聚合酶會繼續(xù)轉錄下去，這就稱為通讀(readthrough)，當ρ因子存在時，轉錄才能終止。

在強終止子中，由于其DNA模板上富含GC而使轉錄出的RNA上富含C和G，于是RNA與模板之間可以形成較強的氫鍵，成為DNA—RNA雜合分子，從而阻礙DNA聚合酶的前進而有利于終止。（二）ρ因子輔助終止作用的機理(三)基因表達的極性現(xiàn)象在正常情況下原核基因表達時，其轉錄出來的mRNA隨即進行翻譯，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，所以轉錄實際上并不停止．而是繼續(xù)轉錄后續(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，核糖體不再進入到mRNA上無義密碼子以后的位置上。于是ρ就可以自由進入RNA并移動，直到趕上停留在終止子上的RNA聚合酶。結果使RNA聚合酶釋放，不能再轉錄下游基因。概念：基因表達的極性現(xiàn)象：在某些情況下同一轉錄單位里，由于一個基因的無義突變，阻礙了其后續(xù)基因表達的效應．就稱為基因表達的極性現(xiàn)象。除了無義突變可以導致極性現(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，其效應的基本性質是使終止作用出現(xiàn)故障。突變?？梢种茦O性效應，這是因為其突變很可能減弱了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錄也停頓，且遠離無義突變的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分前早期、晚早期和晚期3個階段進行，其早期基因與晚期基因以終止子相隔。λ噬菌體侵入敏感細胞，首先借助宿主的RNA聚合酶轉錄前早期基因，由此獲得的表達產(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)轉錄，實現(xiàn)晚早期基因表達。三、原核生物RNA的加工四、SD序列與翻譯效率核糖體結合保護降解法：測定mRNA上核糖體起始蛋白質合成的部位。在抑制多肽鏈伸長的條件下，當翻譯起始時，核糖體與mRNA的結合位點已形成穩(wěn)定的復合體，于是加入核酸酶使未與核糖體結合的mRNA的區(qū)段降解，而有核糖體結合區(qū)域則受到保護。在細菌中受核糖體保護的起始序列約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。mRNA上的這段序列稱為ShineDalgarno序列（簡稱SD序列）。SD序列與16SrRNA序列互補的程度以及從起始密碼子AUG到嘌呤片段的距離也都強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調控一、操縱子與操縱子模型操縱子學說/操縱子模型：F.JacobJ.Mond（1960）E.colilacoperon(1965諾貝爾醫(yī)學生理學獎)操縱子：核酸分子上調控基因轉錄活性的基本單元，由結構基因、操作子（O）和啟動子（P）組成。轉錄、翻譯、合成蛋白結合調節(jié)蛋白結合RNA聚合酶promoterstructuralgenesoperator啟動基因操縱基因結構基因操縱子(operon)模型調控（節(jié)）蛋白操縱子RNARPOstructuralgenesDNAProtein＋正調控（positiveregulation)－負調控(negativeregulation)調控蛋白的作用機制注：R：RegulatorP：PromoterO：Operator正調控系統(tǒng)中的正調控蛋白又被稱為無輔基誘導蛋白（apoinducer)負調控系統(tǒng)中的負調控蛋白又被稱為阻遏蛋白（repressor)二、正調控與負調控調節(jié)基因RNA調節(jié)蛋白

正調節(jié)蛋白+操作子結構基因轉錄、表達基因失活，結構基因不表達（正控制/正調節(jié)

）

負調節(jié)蛋白+操作子結構基因轉錄、表達基因失活，結構基因組成型表達（負控制/負調節(jié)）根據(jù)調節(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——負控制系統(tǒng)

結構基因處于不可誘導狀態(tài)——正控制系統(tǒng)

根據(jù)輔因子（小分子）結合后調控效果，可分：

開啟調控系統(tǒng)中結構基因的轉錄活性——誘導

關閉調控系統(tǒng)中結構基因的轉錄活性——阻遏

操縱子調控系統(tǒng)的基本類型可誘導負控制系統(tǒng)可誘導正控制系統(tǒng)可阻遏負控制系統(tǒng)可阻遏正控制系統(tǒng)正調控與負調控并非互相排斥的兩種機制，而是生物體適應環(huán)境的需要，有的系統(tǒng)既有正調控又有負調控；

原核生物以負調控為主，真核生物以正調控為主；

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

如：大腸桿菌乳糖代謝的調控需要三種酶參加: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.轉乙酰酶：β-半乳糖轉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調控(可誘導)乳糖操縱子的組成：1個啟動子(promoter)、2個操作子(operator)、3個結構基因誘導因子：（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：無誘導因子，組成型表達，突變位點位于調節(jié)基因和操作子上