分子生物學(xué)講座6-基因表達(dá)調(diào)控

第六章、基因表達(dá)調(diào)控

從DNA到蛋白質(zhì)的過程稱為基因表達(dá)(geneexpression)，對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控(generegulation)。

基因表達(dá)的調(diào)節(jié)可以在不同的水平上進(jìn)行，包括轉(zhuǎn)錄水平（轉(zhuǎn)錄前、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后）和翻譯水平（翻譯、翻譯后）。

一、原核基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控

存在于原核生物中的一種主要的調(diào)控模式是操縱子（operon）調(diào)控模式，該模式也見于低等真核生物中。在原核生物中，若干結(jié)構(gòu)基因可串聯(lián)在一起，其表達(dá)受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控，這種基因的組織形式稱為操縱子。1.操縱子的提出

大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖，當(dāng)培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長，經(jīng)過短時間的適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長。

大腸桿菌利用乳糖至少需要兩個酶：促使乳糖進(jìn)入細(xì)菌的半乳糖透過酶(lactosepermease)和催化乳糖分解第一步的

－半乳糖苷酶(

-galactosidase)。

在環(huán)境中沒有乳糖或其他

-半乳糖苷時，大腸桿菌合成

-半乳糖苷酶量極少，加入乳糖2-3分鐘后，細(xì)菌大量合成

-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作為唯一碳源時，菌體內(nèi)的

-半乳糖苷酶量可占到細(xì)菌總蛋白量的3%。在上述二階段生長細(xì)菌利用乳糖再次繁殖前，也能測出細(xì)菌中

-半乳糖苷酶活性顯著增高的過程。這種典型的誘導(dǎo)現(xiàn)象，是研究基因表達(dá)調(diào)控極好的模型。針對大腸桿菌利用乳糖的適應(yīng)現(xiàn)象，法國的Jocob和Monod等人做了一系列遺傳學(xué)和生化學(xué)研究實驗，于1965年提出乳糖操縱子（lac

operon）學(xué)說。典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)兩部分。一般，控制區(qū)包括調(diào)節(jié)基因（R），啟動子（P），操縱基因（O），終止子（T）

；信息區(qū)為結(jié)構(gòu)基因（多順反子）。2.操縱子的基本組成

(1)結(jié)構(gòu)基因群被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因可稱為結(jié)構(gòu)基因(structuralgene,SG)。一個操縱子中含有2個以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達(dá)十幾個。每個結(jié)構(gòu)基因是一個連續(xù)的開放閱讀框(openreadingframe),5’端有起始密碼ATG，3’端有終止密碼TAA、TGA或TAG。各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜接、串連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群。

乳糖操縱子含有Z、Y和A3個結(jié)構(gòu)基因。

Z基因長3510bp，編碼含1170個氨基酸、分子量為135,000的多肽，以四聚體形式組成有活性的β-半乳糖苷酶，催化乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖(allolactose)，再分解為半乳糖和葡萄糖；5’側(cè)具有大腸桿菌核糖體識別結(jié)合位點（RBS）特征的Shine-Dalgarno(SD)序列。

Y基因長780bp，編碼有260個氨基酸、分子量為30,000的半乳糖透性酶，促使環(huán)境中的乳糖進(jìn)入細(xì)菌；A基因長825bp，編碼275氨基酸、分子量為32,000的轉(zhuǎn)乙酰酶，以二聚體活性形式催化半乳糖的乙?；?。(2)啟動子

啟動子(promoter,P)是指能被RNA聚合酶識別、結(jié)合并啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。操縱子至少有一個啟動子，一般在第一個結(jié)構(gòu)基因5＇側(cè)上游，控制整個結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。

(3)操縱基因

操縱基因是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動子鄰近或與啟動子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱子序列上，會影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。以乳糖操縱子中的操縱區(qū)為例，其操縱基因（o）序列位于啟動子（p）與被調(diào)控的基因之間，部分序列與啟動子序列重疊。（4）

調(diào)控基因

調(diào)控基因(regulatorygene)是編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。調(diào)控蛋白有：

阻遏蛋白(repressiveprotein)：減弱或阻止，負(fù)調(diào)控(negativeregulation)；

激活蛋白(activatingprotein)：增強(qiáng)或起動，正調(diào)控(positiveregulation)。

許多調(diào)控蛋白都是變構(gòu)蛋白

能與調(diào)控蛋白結(jié)合，使調(diào)控蛋白的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變其對基因轉(zhuǎn)錄的影響，的特定物質(zhì)可稱為效應(yīng)物（effector）：

誘導(dǎo)物(inducer)：能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子；

輔阻遏物(corepressor)：能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子。小分子效應(yīng)物（5）終止子

終止子（terminator，T）是給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號的DNA序列。在一個操縱子中至少在結(jié)構(gòu)基因群最后一個基因的后面有一個終止子。酶的誘導(dǎo)和阻遏操縱子模型B.有活性阻遏蛋白加誘導(dǎo)劑A.有活性阻遏蛋白C.無活性阻遏蛋白D.無活性阻遏蛋白加輔阻遏劑操縱基因啟動基因調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白(有活性)阻遏蛋白阻擋操縱基因結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合,使阻遏蛋白不能起到阻擋操縱基因的作用,結(jié)構(gòu)基因可以表達(dá)酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操縱基因結(jié)合,結(jié)構(gòu)基因可以表達(dá)阻遏蛋白(無活性)酶蛋白mRNA代謝產(chǎn)物與阻遏蛋白結(jié)合,從而使阻遏蛋白能夠阻擋操縱基因,結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)代謝產(chǎn)物3.大腸桿菌乳糖操縱子模型CAP結(jié)合位點大腸桿菌乳

糖

操

縱

子

模型調(diào)節(jié)基因操縱基因乳糖結(jié)構(gòu)基因PLacZLacYLacAmRNA阻遏蛋白（有活性）基因關(guān)閉啟動子ORPLacZLacYLacA調(diào)節(jié)基因操縱基因乳糖結(jié)構(gòu)基因啟動子ORmRNAZmRNAYmRNAA阻遏蛋白（無活性）基因表達(dá)mRNAA、阻遏蛋白阻止表達(dá)

B、乳糖的誘導(dǎo)表達(dá)

乳糖阻遏蛋白（有活性）CAP：分解代謝基因活化蛋白（catabolicgeneactivationprotein）CAP與cAMP結(jié)合后才被活化cAMP是由腺苷環(huán)化酶（adenylate

cyclase）

催化合成CAP以兩種方法來激活轉(zhuǎn)錄：（1）它可能直接和RNAPol相互作用；（2）作用于DNA，改變其結(jié)構(gòu)，從而幫助RNAPol結(jié)合。

乳糖操縱子的CAP正調(diào)控乳糖操縱子的CAP正調(diào)控RLacZLacYLacAmRNA基因表達(dá)CAP基因結(jié)構(gòu)基因TCAPOCAP結(jié)合部位

RNA聚合酶TcAMP-CAPP葡萄糖分解代謝產(chǎn)物腺苷酸環(huán)化酶磷酸二酯酶ATPcAMP5'-AMP抑制激活葡萄糖降解物與cAMP的關(guān)系cAMP降低cAMP濃度使CAP呈失活狀態(tài)mRNAZmRNAYmRNAA

色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，一般的環(huán)境難以給細(xì)菌提供足夠的色氨酸，細(xì)菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過許多步驟合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時，細(xì)菌就會充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負(fù)擔(dān)。細(xì)菌所以能做到這點是因為有色氨酸操縱子（trp

operon）的調(diào)控。3.色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控

(1)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)

(2)阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控

合成色氨酸所需要酶類的基因E、D、C、B、A等頭尾相接串連排列組成結(jié)構(gòu)基因群，受其上游的啟動子Ptrp和操縱子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，在其自身的啟動子作用下，以組成性方式低水平表達(dá)其編碼分子量為47000的調(diào)控蛋白R，R并沒有與ｏ結(jié)合的活性，當(dāng)環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時，R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化，就能夠與ｏ特異性親和結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。

因此色氨酸操縱子屬于一種負(fù)調(diào)控的、可阻遏的操縱子（repressibleoperon），即這操縱子通常是開放轉(zhuǎn)錄的，有效應(yīng)物（色氨酸為輔阻遏物）作用時則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。細(xì)菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都屬于這種類型，其調(diào)控可使細(xì)菌處在生存繁殖最經(jīng)濟(jì)最節(jié)省的狀態(tài)。

(3)衰減子及其作用

實驗觀察表明：當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度、但還沒有高到能夠活化阻遏蛋白使其起阻遏作用的程度時，產(chǎn)生色氨酸合成酶類的量已經(jīng)明顯降低，而且產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)。仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)這種調(diào)控現(xiàn)象與色氨酸操縱子特殊的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

在色氨酸操縱子Ptrp-ｏ與第一個結(jié)構(gòu)基因trpE之間有162bp的一段先導(dǎo)序列（leadingsequence，L），實驗證明當(dāng)色氨酸有一定濃度時，RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄會終止在這里。這段序列中含有編碼由14個氨基酸組成的短肽的開放閱讀框，其序列中有2個色氨酸密碼子相連，在此開放閱讀框前有核糖體識別結(jié)合位點（RBS）序列，提示這段短開放閱讀框在轉(zhuǎn)錄后是能被翻譯的。

mRNA前導(dǎo)區(qū)序列分析

trp前導(dǎo)區(qū)的堿基序列已經(jīng)全部測定，發(fā)現(xiàn)完整的前導(dǎo)序列可分為1、2、3、4區(qū)域，這四個區(qū)域的片段能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對，有時以1-2和3-4配對，有時只以2-3方式互補(bǔ)配對。核糖體經(jīng)過前導(dǎo)區(qū)繼續(xù)翻譯的能力控制著這兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，它決定mRNA是否形成終止所需的結(jié)構(gòu)。前導(dǎo)序列的終止區(qū)與一般的轉(zhuǎn)錄終止位點特點相同，具有成串的U和潛在的能形成莖環(huán)的二重對稱結(jié)構(gòu)。圖9-10色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄與翻譯調(diào)控衰減子作用大腸桿菌色氨酸操縱子的衰減作用的可能機(jī)制二、真核生物基因表達(dá)調(diào)控DNA轉(zhuǎn)錄初產(chǎn)物RNAmRNA蛋白質(zhì)前體mRNA降解物活性蛋白質(zhì)DNA水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié)翻譯調(diào)節(jié)mRNA降解調(diào)節(jié)翻譯后加工的調(diào)節(jié)核細(xì)胞質(zhì)

真核基因表達(dá)調(diào)控的五個水平

DNA水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后加工的調(diào)節(jié)翻譯水平調(diào)節(jié)翻譯后加工的調(diào)節(jié)

真核基因調(diào)控主要是正調(diào)控

順式作用元件和反式作用因子

轉(zhuǎn)錄因子的相互作用控制轉(zhuǎn)錄