分子生物學：第十二章 原核生物基因表達調(diào)控（要2）

第十二章原核生物基因的表達調(diào)控原核生物和真核生物都能夠根據(jù)周圍環(huán)境(如溫度、營養(yǎng)成分等)的變化，改變自己的代謝方式。而代謝方式的變化通?？梢酝ㄟ^對基因表達過程的調(diào)控得以實現(xiàn)。機體可以在基因表達過程的任何階段進行調(diào)控，一般以轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控為主。第一節(jié)基因表達調(diào)控的基本概念1.反式作用因子與順式作用元件基因表達的產(chǎn)物(蛋白質(zhì)或RNA)從合成的場所擴散到目標場所而發(fā)揮作用的過程稱為反式作用（trans-acting），此基因表達產(chǎn)物被稱為反式作用因子（trans-actingfactor）。反式作用因子通常為的蛋白質(zhì)或RNA，其特征為可以從合成地擴散到目標場所發(fā)揮作用。順式作用元件（cis-actingfactor）是指對基因表達有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處在一個DNA分子上的基因。順式作用元件通常不編碼蛋白質(zhì)，多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中。順式作用（cis-acting）的概念用于任一不轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏纹渌问降腄NA序列，它只在原位發(fā)揮DNA序列的作用，僅影響與其物理上相連的DNA序列的活性?；蚧钚缘恼{(diào)控主要通過反式作用因子（通常是蛋白質(zhì)）和順式作用元件（通常在DNA上）相互作用而實現(xiàn)。2.結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）是編碼蛋白質(zhì)或RNA的任何基因。結(jié)構(gòu)基因編碼大量的功能各異的蛋白質(zhì)，如組成細胞和組織的結(jié)構(gòu)蛋白和酶等。調(diào)節(jié)基因（regulatorgene）僅指參與其他基因表達調(diào)控的RNA和蛋白質(zhì)的編碼基因。調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物通過與DNA上的特定位點結(jié)合而控制受調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄是基因表達調(diào)控的關(guān)鍵。3.啟動子和終止子位于轉(zhuǎn)錄單位開始和結(jié)束位置上的DNA序列，稱為啟動子（promoter）和終止子（terminator）。兩者都是典型的順式作用元件，能受同一類反式作用因子RNA聚合酶的識別。4.操縱基因和阻抑蛋白操縱基因（operator）是與啟動子相鄰的順式作用位點，是阻抑蛋白的靶點。阻抑蛋白（repressor）是調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物，與操縱基因的結(jié)合可以阻止受調(diào)節(jié)基因的表達。當阻抑蛋白與操縱基因結(jié)合時，就會阻止RNA聚合酶啟動轉(zhuǎn)錄，基因的表達就被關(guān)閉。在無阻抑蛋白時，RNA聚合酶可以識別受調(diào)節(jié)基因的啟動子，使這種基因得到表達。5.轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactor）是轉(zhuǎn)錄起始過程中RNA聚合酶所需要的輔助因子。轉(zhuǎn)錄因子是參與正調(diào)控的反式作用因子，在無轉(zhuǎn)錄因子時，RNA聚合酶不能起始轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄因子通常識別位于基因上游啟動子附近的順式作用元件。第二節(jié)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控的機制原核生物的基因調(diào)控可以發(fā)生在轉(zhuǎn)錄和翻譯等不同階段，但也是以轉(zhuǎn)錄水平為主。原核生物許多功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因，特別是編碼同一代謝途徑的酶的基因，一般成簇排列，能受單一啟動子的共同控制，結(jié)果是整簇基因或者都表達或者都不表達。1961年，Jacob和Monod提出了細菌基因表達調(diào)控的模型——操縱子學說，解釋了原核生物的基因表達在轉(zhuǎn)錄水平上是如何調(diào)控的。操縱子（operon）就是由操縱基因（operator）以及相鄰的若干結(jié)構(gòu)基因所組成的功能單位。操縱子還包括一個結(jié)合RNA聚合酶的啟動子。操縱基因是位于操縱子前端部分的順式控制元件，它能和阻抑蛋白結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。阻抑蛋白是調(diào)節(jié)基因的表達產(chǎn)物，是參與操縱子調(diào)節(jié)的反式作用因子。原核生物操縱子中的全部結(jié)構(gòu)基因從同一個啟動子開始轉(zhuǎn)錄成單個mRNA分子。第三節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)控一、經(jīng)mRNA切割進行的調(diào)控細菌mRNA大多是多順反子，幾乎都以轉(zhuǎn)錄出的最初形式進行翻譯，而無需切割成單個基因的mRNA。T7噬菌體的早期和晚期基因轉(zhuǎn)錄成多順反子mRNA，然后在幾個切點切割釋放出各個基因的mRNA。二、細菌rRNA前體切割形成rRNA大腸桿菌有7個操縱子編碼rRNA，這7個操縱子被命名為rrnA～G。所有rrn操縱子的組織結(jié)構(gòu)相同，都含有三種rRNA分子，順序為16S～23S～5S。每一個操縱子都被轉(zhuǎn)錄成一個RNA前體，然后切割形成成熟的rRNA分子。第四節(jié)翻譯水平的調(diào)控一、翻譯過程中的自體調(diào)控1.阻抑蛋白對翻譯起始的調(diào)控

阻抑蛋白通過與mRNA的特定區(qū)域結(jié)合，抑制核糖體對翻譯起始區(qū)的識別。這種調(diào)控最常見的形式是，調(diào)控蛋白與含有起始密碼子AUG的序列直接結(jié)合，從而阻止核糖體的結(jié)合。2.mRNA二級結(jié)構(gòu)對翻譯的調(diào)控翻譯一個順反子需要二級結(jié)構(gòu)的改變。mRNA上有多個核糖體存在時，第一個順反子的翻譯會破壞mRNA原有的二級結(jié)構(gòu)，使核糖體能夠與下一個順反子的翻譯起始區(qū)域結(jié)合。3.基因表達裝置蛋白質(zhì)合成的自體調(diào)控細菌編碼核糖體蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)合成因子和RNA聚合酶亞基等蛋白質(zhì)的基因混合組成幾個操縱子。每個操縱子都含有數(shù)個基因。這些操縱子的表達都受操縱子自身的一些基因產(chǎn)物的調(diào)控。操縱子自身編碼的蛋白質(zhì)的富集會抑制其自身及一些相關(guān)基因產(chǎn)物的進一步合成。一種蛋白質(zhì)或RNA調(diào)控其自身的表達，即為自體調(diào)控。二、弱化作用弱化作用（attennuation）是CharlesYanofsky等在研究色氨酸操縱子的過程中發(fā)現(xiàn)的一種新的基因表達調(diào)控方式。弱化作用是翻譯過程控制RNA聚合酶通讀弱化子能力的一種調(diào)控機制。Yanofsky等發(fā)現(xiàn)在缺失了啟動子和trpE基因（編碼色氨酸操縱子的第一個酶）之間序列的突變體中，trpmRNA的水平有所增加。進一步的分析發(fā)現(xiàn)，trpmRNA的5’-端有一162個核苷酸的leader序列。缺失造成trpmRNA水平增加的序列位于leader序列內(nèi)，trpE基因起始密碼子上游30～60堿基的位置。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，當大腸桿菌體內(nèi)色氨酸的含量較高時，非突變體產(chǎn)生了一個僅含有130個核苷酸leader的轉(zhuǎn)錄物。而在色氨酸缺乏時，菌體則會包含整個leader序列的由7000個核苷酸組成的trpmRNA。Yanofsky等得出結(jié)論，色氨酸操縱子的表達受一個可調(diào)控的終止子—弱化子（attenuator）的控制。而弱化子（attenuator）是位于轉(zhuǎn)錄單位開始區(qū)的一種內(nèi)部終止子。弱化子轉(zhuǎn)錄終止對色氨酸含量做出應答的機制可能和前導序列（leadersequence）有關(guān)。前導序列含有一個核糖體結(jié)合位點，其AUG密碼子后有一短的編碼序列，它含有兩個連續(xù)的色氨酸密碼子。細胞中有色氨酸存在時，核糖體順利地譯出整個前導肽而在終止密碼子UGA處停下來。終止子發(fā)夾結(jié)構(gòu)能夠形成，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄的終止。當細胞中的色氨酸用盡時，核糖體停頓在兩個色氨酸密碼子上，不能形成帶有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的終止子，于是轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進行下去。弱化作用的特點是外部事件控制內(nèi)部終止所需要的發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成。另外很重要的一個方面是轉(zhuǎn)錄和翻譯過程是前后相連（closelycoupled）的。弱化子的弱化作用與阻抑作用無關(guān)，缺失弱化子后，基礎(chǔ)水平轉(zhuǎn)錄和去阻抑轉(zhuǎn)錄都增強。三、小RNA分子調(diào)節(jié)翻譯RNA也可以作為反式作用調(diào)節(jié)因子參與基因表達的調(diào)控。RNA調(diào)節(jié)物的靶分子為單鏈核酸序列。RNA調(diào)節(jié)物與目標分子互補，形成雙鏈區(qū)