原核生物的基因调控

原核生物的基因调控每个物种都有一套完整的遗传信息。

遗传信息存在于DNA分子中，每个细胞都有相同的DNA，也确实是讲，每个细胞中都带有完整的遗传信息。

在正常情形下，一个个体的各类细胞差不多上按照一定的规律和一定的时空顺序，关闭一些基因，开启另一些基因，并持续地进行严格的调控，以保证个体的发育得以顺利进行。

基因表达(gene expression)确实是指某一基因指导下的蛋白质合成,蛋白质是基因表达的产物,在生活中并非所有基因都一齐表达,而是有些基因进行表达,形成其基因表达的特异产物,以构成细胞结构或代谢所需要的蛋白质或酶类。

然而,有许多基因却被关闭,不进行表达,而要在适当的时候才进行表达。

基因作用的调控机理相当复杂，至今仍知之不多。

但那个领域是当前遗传学研究的热点，随着功能基因组学的飞速进展，研究的进展相当地快。

因此，研究成果多集中在原核生物，对高等生物基因表达的调控机制还了解不多。

尽管一种基因编码一种蛋白质,然而不同蛋白质在细胞中的相对数量差不专门大,随着它们的功能而不同,例如,在E.coli细胞中,从总蛋白的不足0.01%--2%,各种蛋白质变化不定。

细胞要使其蛋白质合成达到这种差异,能够有两条途径：第一条途径是细胞操纵从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度,这是一种最经济的方法,能够免去白费从mRNA合成蛋白质的各种元件和材料。

这大致是生物在长期进化过程中自然选择的结果。

这种操纵通常称之为转录水平(transcriptional level)的调控。

大多数基因表达都属于转录水平的调控。

第二条途径是在mRNA合成后,操纵从mRNA翻译成多肽链的速度,包含一些分子装置咨询题,如与核糖体的结合速度等。

这种蛋白质合成或基因表达的操纵称为翻译水平(translational level)的调控。

这种调控是较少的。

一、转录水平的调控单细胞的原核生物对环境条件具有高度的适应性，能够迅速调剂各种基因的表达水平，以适应持续变化的环境条件。

原核生物要紧是在转录水平上调控基因的表达。

当需要这种产物时，就大量合成这种mRNA，当不需要这种产物时就抑制这种mRNA的转录，确实是让相应的基因不表达。

通常所讲的基因不表达，并不是讲那个基因就完全不转录为mRN A，而是转录的水平专门低，坚持在一个基础水平（本底水平）。

1.正调控（positive regulation）和负调控（negative regulation）：诱导物与蛋白质结合形成激活子复合物，激活子复合物与基因启动子DNA 序列结合，激活基因启动转录，称为正调控。

阻遏蛋白分子与基因启动子D NA序列结合，阻碍RNA聚合酶的工作，使基因处于关闭状态，称为负调控。

调剂蛋白(regulatory protein)是一些专门蛋白质,它们决定着何时诱导酶或阻遏酶能够合成。

每种调剂蛋白阻碍一种或多种专门基因的表达。

它们有两种差不多类型:即正调剂蛋白(positive regulator)及负调剂蛋白(neg ative regulator)。

这两种调剂能够由调剂它们的基因之相反效应加以区不。

负调剂蛋白或称阻遏蛋白,会使其靶蛋白的合成受到抑制,即不表达,而不管是否需要。

阻遏物并非永久能阻止mRNA的合成。

否则,它们就将永久抑制其特异蛋白质的合成。

许多阻遏物分子能以活性的及无活性的两种形式存在,这要看它们是否与其适当的诱导物或辅阻遏物(corepressor)结合而定,诱导物的结合可使阻遏物失活。

例如,当与β-半乳糖苷如乳糖或异乳糖(allolactose,乳糖的代谢物,为天然诱导物)结合时,lac阻遏物即不能与其专一的操纵基因结合。

因此,加β半乳糖苷于生长细胞中,以降低lac阻遏蛋白的分子浓度,可使β半乳糖苷酶得以合成。

反之,辅阻遏物的结合则将无活性的阻遏物变为有活性的形式。

这类突变种称为组成突变种(constitutive mutant)。

与此相反,正调剂蛋白是激活蛋白(activator),它的存在对合成所调剂的酶是需要的,因此,激活蛋白存在时被操纵的基因即表达。

２.顺式调控元件和反式调控因子：基因表达的调控差不多上特定的蛋白质分子和特定的DNA序列两个因素相互作用的结果，起调控作用的DNA序列称为顺式调控元件，如乳糖操纵元中的启动子（p）和操纵子（O），起调控作用的蛋白质分子称为反式调控因子，如乳糖操纵子中调剂基因编码的阻遏蛋白、cAmp－CAP复合物。

在原核生物中，通常是几个作用有关的基因在染色体上串连排列在一起，由同一个调控系统来操纵，如此的一个整体称为一个操纵子。

当几种酶参与同一个代谢途径时，往往这几个基因同时被转录为一个多顺反子mRNA。

而真核生物基因差不多上转录成单顺反子的，因此真核生物中没有这种调控机制。

在原核生物中，关于E.coli乳糖代谢的调控研究得最为清晰，下面以E.coli的乳糖操纵子为例来介绍一样操纵子的调控机制。

３.乳糖操纵子的负调控在正常情形下，E.coli是以葡萄糖作为碳源的，在没有葡萄糖，只有乳糖存在的条件下，E.coli也能以乳糖为碳源而生存。

葡萄糖是单糖，E. coli利用它最为方便和经济。

乳糖是双糖，是葡萄糖和半乳糖的复合物。

以乳糖为碳源必须先将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖，再将半乳糖转化为葡萄糖，这就需要额外的酶。

β—半乳糖苷酶，将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；半乳糖渗透酶，关心细菌从培养基中摄取乳糖；半乳糖苷转乙酰酶，作用不明。

在有葡萄糖存在时，细菌体内的这三种酶含量专门低。

每个细胞中只有3~5个分子的β—半乳糖昔酶。

当培养基中没有葡萄糖而有乳糖存在时，这三种酶的量急剧增加，2~3分钟内即可增加1000倍以上，而且三种酶成比例增加。

一旦乳糖用完，在2~3分钟内这三种酶的量又专门快下降到本底水平。

乳糖操纵子模型如下：注：a、y、z分不为三个结构基因，O 为操纵基因，p为转录的启动子，I[i]为调控基因i编码一种蛋白质，称为阻遏物。

无乳糖存在时，阻遏物与O结合，关闭三个结构基因，使之不能被转录。

当有乳糖存在时，乳糖的一种代谢产物——不乳糖，与阻遏物结合，改变阻遏物的构象，使阻遏物从O上解离下来，从而打开三个结构基因（使之得以转录成mRNA）。

乳糖用完后，不乳糖的浓度急剧下降，阻遏物不再与不乳糖结合，又与O结合，阻止R NA聚合酶的工作，赶忙关闭结构基因。

原核生物中，大多数的基因都被组织在操纵元中，受到类似的调控。

乳糖操纵子模型有三个差不多假定：调剂基因编码的阻遏蛋白是能够在细胞中扩散的反式调控因子，操纵子（O）是调控序列，不编码蛋白质，操纵子（O）是顺式调控元件，邻近受其操纵的结构基因。

４.乳糖操纵子的正调控在细菌细胞内，ATP在腺苷酸环化酶的作用下转变成环式AMP(c yclic adnosine monophosphate, cAmp)。

环式AMP并不直截了当促进lac mRNA的合成,而靠结合在代谢降解物基因激活蛋白(catabolite-gene activato r protein,简称CAP)上起作用。

细胞内代谢激活蛋白CAP是一个分子量为4 5kD的二聚体，CAP是cAmp的受体蛋白(cyclic Amp receptor protein, CRP)，能操纵RNA聚合酶在乳糖启动子上的结合，对mRNA生长速度都没有任何阻碍，同时只有cAMP与它结合才起作用。

cAmp与CAP结合形成c AMP—CAP复合物，并与DNA专一部位结合,这时就增加邻近操纵子的转录速度。

CAP对一切葡萄糖敏锐的操纵子差不多上正调控因子,故突变的细胞都不能利用大多数的糖，cAMP—CAP复合物也是乳糖操纵元的正调控因子。

CAP当cAMP—CAP复合物插入乳糖操纵子的启动子(ｐ)区域的核苷酸序列中时，使启动子区域的DNA序列弯曲成新的构型，这种新构型有利于提升RNA聚合酶的工作效率。

当细胞中既有不乳糖与阻遏蛋白结合，又有cAMP—CAP复合物与启动子DNA序列结合时，乳糖操纵子的转录效率最高。

然而，细胞内有葡萄糖存在时，葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性，不能形成cAmp。

因此，乳糖操纵子的表达调控实际上是正调控和负调控协同作用的。

基因表达调控元件的突变：如果调剂基因I发生突变，I＋→I－，或者失去编码阻遏蛋白的功能，或者编码的阻遏蛋白构型发生变化，不能与操纵子结合，从而使操纵元不管有无乳糖存在都一直在表达。

这种不管细胞内需要不需要其编码产物，那个基因都在表达的状况称为组成型表达(c onstitutive expression)，如此的基因突变称为组成型突变(constitutive mutan t)，与组成型表达相对应的概念是特异性表达(specific expression)。

如果操纵元中的操纵子序列发生突变，O→OC，使操纵子DNA序列不能与阻遏蛋白结合，也会使操纵元由特异性表达转变为组成型表达。

5.负控阻遏系统大肠杆菌色氨酸操纵子(tryptophan operon)含有5个结构基因，编码色氨酸生物合成途径中的各种酶。

这些基因从一个启动子起始转录出一条多顺反子的mRNA，与lac操纵子一样，那个启动子受毗邻的操纵区顺序操纵。

转录是通过操纵区和阻遏蛋白操纵的，它的效应物分子是色氨酸，也确实是由trp操纵子的基因所编码的生物合成途径中的末端产物。

当色氨酸专门丰富时，它结合到游离的阻遏物上诱发变构转换，从而使阻遏物紧紧结合在操纵区。

另一方面，当色氨酸供应不足时，阻遏物失去了所结合的色氨酸，从操纵区上解离下来，trp操纵子的转录就此开始。

色氨酸起着trp操纵子的辅阻遏物(corepressor)功能。

随着对色氨酸操纵子的深入研究，发觉有些现象与以阻遏作为唯独调剂机制的观点不相一致，例如，在色氨酸高浓度和低浓度下观看到trp操纵子的表达水平相差约600倍，然而阻遏作用只能够使转录减少70倍，此外，阻遏物失活的突变不能完全排除色氨酸对trp操纵子表达的阻碍。

没有阻遏物时，在培养基中含或不含色氨酸的条件下观看到转录速度相差8～1 0倍。

明显操纵子表达的这种操纵与阻遏物的操纵无关，必定还有其它的调控机制，这种调控机制要紧是通过缺失突变株的研究而发觉的，称为弱化作用(attenuation)。

弱化作用是细菌辅助阻遏作用的一种精细调控。

这一调控作用通过操纵子的前导区内类似于终止子结构的一段DNA序列而实现，它编码一条末端含有多个色氨酸的多肽链-先导肽，被称为弱化子。

当细胞内某种氨基酰tRNA缺乏时，该弱化子不表现终止子功能；当细胞内某种氨酰tRNA 足够时该弱化子表现终止功能，从而达到基因表达调控的目的，只是这种终止作用并不使正在转录中的mRNA全部都中途终止，而是仅有部分中途停止转录，因此称为弱化。

这便是在trp操纵子中所发觉的除阻遏作用以外的另一种调剂功能。