06第七章基因的表达与调控(上)
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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