06第七章基因的表达与调控(上)

第七章基因的表达与调控(上)

遗传信息从DNA（基因）经过一系列的反应，最后产生功能RNA或功能蛋白质的过程称为基因表达（gene expression），对这个过程的调节控制称为基因表达调控。组成型表达和调节型表达在细胞中，有些基因产物的量是比较恒定的，它们是细胞维持代谢必需的物质，如糖酵解途径中的酶及组成核糖体的蛋白质，这类基因的表达称为组成型表达（constitutive expression）；有些基因产物的量在不同的情况下变化很大，需要这类产物时基因表达，不需要时基因关闭，这类基因的表达称为调节型表达（regulated expression）。

真核与原核细胞转录与翻译调控特点的比较：负调控和正调控

σ因子是RNA聚合酶全酶的组成成分之一，它的功能是识别启动子，与RNA聚合酶的核心酶结合后启动转录。2. 不同的σ因子识别不同的启动子。

转录水平上的调节方式①代谢产物对基因表达的调节②衰减子对基因表达的调节③降解物对基因表达的调节④细菌的应急反应

1.代谢产物对基因表达的调节：在降解代谢途径中，起始端的酶的底物浓度往往决定是否合成这一途径中后续的各种酶（底物诱导）；而在合成代谢中，最终产物往往是调节物质（产物阻遏）。这些调节物质必须与反式作用因子（蛋白质）结合后才能起到调节基因表达的作用。

2.衰减子对基因表达的调节在这种调节方式中，起信号作用的是特定氨酰－tRNA的浓度，如对色氨酸操纵子来说，高浓度的色氨酰－tRNA抑制色氨酸操纵子的表达。具有这种调节方式的有大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子，以及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等。

3.降解物对基因表达的调节在有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其对应的操纵子也不会启动，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。这时，细菌所需的能量可以从葡萄糖得到满足，而无须启动一些不常用的基因去利用这些稀有的糖类。其机制是葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶，减少cAMP的合成，cAMP受体蛋白因没有cAMP与之结合而不能形成复合物。这种复合物是一个正调节物质，它可与操纵子上的启动子区结合，促进基因转录的启动。若培养基中缺乏葡萄糖，而有其它种类的糖，相应的操纵子就会启动。

4.细菌的应急反应上述3个方面是细菌处于正常生活条件下的基因表达调节方式，这种正常也包括生活环境中缺少某一种或两种物质，但能找到代用物。可是，细菌有时会遇到十分恶劣的环境，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少一两种氨基酸，而是氨基酸全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌会产生应急反应，包括合成各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生化反应过程均被停止。当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成，其浓度可增加10倍以上，ppGpp的出现会关闭许多基因，当然也会打开一些合成氨基酸的基因。ppGpp 的作用原理还不清楚，它不只影响一个或几个操纵子，而是影响一大批操纵子，所以它是超级调控因子。

原核生物基因的启动子有两个保守的区域，一个位于－10

处，称为Pribnow box，另一个位于－35处，称为Sextama

box。通过缺失分析发现，强启动子Pribnow box和Sextama

box之间的间隔为17±1bp，增大或减小这个间距能明显影

响启动子的强度。

原核细胞中只有一种RNA聚合酶，它催化所有种类RNA的

转录。真核细胞中有三种RNA聚合酶，分别称为RNA聚合

酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，它们催化转录的RNA种类不同。

大肠杆菌RNA聚合酶通常认为由5个亚基组成，即α2、β、

β＇及σ，这5个亚基组成的酶叫全酶，而只由α2、β、

β＇4个亚基组成的酶叫做核心酶。此外，还可以看到一

个相对分子量在10000左右的ω亚基，其功能尚不清楚；

后来又发现一个分子量为69000的酸性蛋白，称为NusA蛋

白，现在又称为转录延伸因子，其功能可能与RNA转录的

延伸和终止有关。σ亚基的主要功能是识别启动子；α亚

基的主要功能是参与和启动子的结合、DNA双链的解链和

恢复双螺旋；β亚基可能参与底物的结合及RNA合成时磷

酸二酯键的形成；β‘亚基的碱性最强，可能起到与DNA

模板结合的作用。不同的σ亚基识别不同类型的启动子。

二、乳糖操纵子与负控诱导系统

操纵子：细菌的基因组中，往往相关的基因聚集、串联在

一起，形成一个基因簇，它们编码同一代谢途径或相关代

谢途径中不同的酶，它们是一个多顺反子，共同表达，共

同调控，构成一个表达和调控的单元。这种单元称为操纵

子（operon）。

乳糖操纵子 lac operon乳糖（lactose）操纵子控制3个

酶的表达。即lac Z、lac Y、lac A，它们分别编码β－

半乳糖苷酶、β－半乳糖苷透过酶和β－半乳糖苷乙酰基

转移酶。由于多顺反子mRNA中各基因翻译效率的不同，β

-半乳糖苷酶：β－半乳糖苷透过酶：β－半乳糖苷乙酰基

转移酶合成的比例为1：0.5：0.2。大肠杆菌如果以乳糖

为唯一碳源和能源的话，前两种酶是必需的。

乳糖操纵子的表达调控：在不含乳糖及β－半乳糖苷的培

养基中，lac+基因型大肠杆菌细胞内β－半乳糖苷酶和透

过酶的浓度很低，每个细胞内大约只有1～2个酶分子，这

称为本底表达。但是，如果在无葡萄糖的培养基中加入乳

糖，酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6～7%，每个细胞

中可有超过105个酶分子。

乳糖操纵子的人工诱导物和底物实际研究中，很少使用乳

糖作为诱导剂，因为培养基中的乳糖会被诱导产生的β－

半乳糖苷酶降解，使乳糖的浓度不断下降。实验室里常常

使用两种含硫的乳糖类似物异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）

或甲基硫代半乳糖苷（TMG）作为诱导剂。在酶活性分析中

常用O－硝基苯半乳糖苷（ONPG）作为生色底物。

有一种阻遏蛋白突变，突变的阻遏蛋白不能与诱导物结合，

因此结构基因经诱导也不能表达。这种突变称为I s，这

种突变是顺反都显性的。

还有一种阻遏蛋白突变，突变的阻遏蛋白不能与操纵区结

合，结构基因组成型表达，这种突变称为I－d，这种突变

叫显性阴性（dominant negative）。

乳糖操纵子的阻遏调控：lacI（调节基因）的表达产物是

四聚体的阻遏蛋白（repressor），它结合到乳糖操纵子的

操纵区（operator），使转录不能进行。当有诱导物

（inducer）存在时，诱导物与阻遏蛋白结合，结合的复合物

不能与操纵区结合，转录得以进行。实际上，以乳糖为诱导物

时，并不是乳糖和阻遏蛋白结合，而是由乳糖（半乳糖－β－

1,4－葡萄糖）的异构体异构乳糖（半乳糖－β－ 1,6－葡萄

糖）与阻遏蛋白结合。由乳糖转变成异构乳糖是由β－半乳糖

苷酶催化的。在β－半乳糖苷酶催化下，多数乳糖降解成葡萄

糖和半乳糖，也生成一些异构乳糖。这些异构乳糖与阻遏蛋白

结合，使得操纵子处于开放状态。

乳糖操纵子表达中的葡萄糖效应当培养基中有葡萄糖存在

时，细胞吸收葡萄糖，同时半乳糖苷透过酶受到抑制，阻止乳

糖吸收。这叫诱导物排斥（inducer exclusion）。

乳糖操纵子表达中的葡萄糖效应除了抑制乳糖吸收外，葡萄

糖还通过另一种机制阻止乳糖操纵子表达。PTS中的II AGlc

在磷酸化状态时刺激腺苷酸环化酶的活性，使ATP转变成

cAMP，当介质中有葡萄糖时，II AGlc在输入葡萄糖的过程中，

本身被脱磷酸化，脱磷酸化的II AGlc降低腺苷酸环化酶的活

性，使cAMP减少。而cAMP也是乳糖操纵子表达的必需因子。

这是乳糖操纵子表达的另一种调控机制。cAMP可与其受体蛋

白CRP （ cyclic AMP receptor protein ，也叫catabolite

activator protein， CAP ）结合，形成复合物，结合到乳糖

操纵子的启动子区域，从而使得RNA聚合酶能够与启动子结

合，转录得以进行。没有cAMP－CRP复合物与启动子的结合，

RNA聚合酶不能结合到启动子上。很多操纵子的转录需要cAMP

－CRP复合物的参与，尤其是那些－10和－35序列保守性不

强的启动子。

色氨酸（tryptophan）操纵子编码的酶负责色氨酸的生物合

成。色氨酸操纵子的表达与否根据培养基中有无色氨酸而定。

当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色

氨酸时操纵子打开。

色氨酸操纵子的组成色氨酸的合成分5步完成。每一步需要

一个酶，编码这5种酶的基因是紧密连锁在一起的，这5个基

因被转录在一条多顺反子mRNA上。这5个基因分别称为trpE、

trpD、trpC、trpB、trpA，它们分别编码了邻氨基苯甲酸合成

酶、邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨

酸合成酶和吲哚甘油－3－磷酸合成酶。另外，前导区和弱化

子（attenuator，也叫衰减子）区分别称为trpL和trpa。为

trp操纵子调控合成阻遏蛋白的基因是trpR，该基因离trp操

纵子很远。

色氨酸操纵子有两个表达控制机制，一个是阻遏系统控制，另

一个是衰减子控制。

色氨酸操纵子的阻遏系统控制在细胞内缺少色氨酸时，trpR

合成的辅阻遏蛋白（aporepressor）不能与色氨酸操纵子的操

纵区结合，操纵子可以表达；当细胞内色氨酸较多时，色氨酸

与辅阻遏蛋白结合，产生的复合物与操纵区结合，阻止操纵子

表达。

色氨酸操纵子的弱化子调控阻遏－操纵机制对色氨酸操纵

子是一个粗调开关，负责转录是否启动。trp操纵子中还有一

个细调开关，这个开关负责已经启动的转录是否能继续进行下

去，这个细调开关就是弱化子。它通过调控mRNA的转录是否

在达到第一个结构基因之前就终止转录，这种转录提前终止是

受细胞内色氨酸的浓度控制的。

弱化子的功能在色氨酸操纵子的操纵区（O区）与第一个结

构基因trpE之间有一段前导序列，长162bp，其中有起始密

码子AUG和终止密码子UGA。当细胞中缺少色氨酸时，转录可