第十四章 (表达调控)

第十四章 基因表达的调控
第一节 基因的概念
在功能上被顺反测验或互补测验所规定， 可转录一条完整的RNA分子，或编码一条 多肽链的一段DNA序列。
图 8－4 计算重组值时的试验图解
图 8－6 突变座位与互补图解
三个水平上 的调控
DNA水平上的调控 转录调控 翻译控制
第二节 原核生物基因表达的调控
• 在细菌中，当几种酶参与同一个代谢途 径时，往往是这几种酶的合成同时启动， 产生编码所有蛋白质的一个或几个多顺 反子（polycistronic）mRNA。真核生物 没有这种调控机制，真核生物基因转录 的是单顺反子（monocistronic）mRNA。
负调控（negative regulation） ：存 在细胞中的阻遏 物阻止转录过程。
二、翻译水平的调控
（一） 翻译水平的自我调控 • 阻遏蛋白可以结合到mRNA的靶区域上，阻止 核糖体对翻译起始区的识别以达到阻遏的功能。 这种调控机制中，调节蛋白可以直接结合到含 有AUG的起始密码子的顺序上，或者形成发夹 结构，或者结合到启动子区域的ShineDalgarno（SD）序列等，阻断核糖体的结合。 • SD序列是细菌mRNA翻译起始信号上游的一段 5'-AGGAGGU-3'保守序列，可与核糖体30S亚 基中的16SrRNA3'末端的保守序列互补配对， 作为mRNA在核糖体上的结合位点。
一、转录水平的调控 • DNA元件：DNA上一段序列，但它作为一种 原位（in situ）序列具有特殊的功能。由于它 只能作用同一条DNA，因此称顺式作用元件 （cis-acting element）。顺式作用位点通常总 是在靶基因的上游。 • 调节基因的产物可以自由地结合到其相应的靶 上，因此被为反式作用因子（trans-acting factor）。
作为操纵元的正调控因子
缺乏葡萄糖时，有利于cAmp-CAP复合物的形
成。当cAmp-CAP复合物的二聚体插入到lac启动子 区域特异核苷酸序列时，使启动子DNA弯曲形成新 的构型，RNA聚合酶与这种 DNA 新构型的结合更加 牢固，转录效率更高。因此，当细胞既有乳糖与阻 遏蛋白结合，又有cAmp-CAP结合在启动子DNA序 列时，lac启动子的转录效率最高。
2、乳糖操纵元的负调控
阻遏蛋白对于操纵 基因有很高的亲和 性，在缺乏诱导物 （乳糖）时，阻遏 蛋白总是结合在操 纵基因上，使得邻 近的结构基因不能 转录。但当诱导物 存在时，它和阻遏 蛋白结合形成了一 个阻遏蛋白复合体 ，不再和操纵基因 结合。这样，在没 有阻遏蛋白——操 纵子互作时，RNA 聚合酶才能起始转 录结构基因，产生 乳糖代谢酶。
（二） 反义RNA的调控
• 用一个RNA作为调节物同样能形成一调节网络。 • 小分子RNA（small RNA) 也可调节基因的表 达。 调节物RNA的靶顺序是单链核苷酸顺序， 其功能是和靶顺序互补，形成一个双链区。 • 调节物RNA的作用机制：（1）和靶核苷酸顺 序形成双链区，直接阻碍其功能，如翻译的起 始。（2）在靶分子的部分区域形成双链区， 改变其它区域的构象，这样直接影响其功能。 两种类型RNA介导的调节的共同特点是改变靶 顺序的二级结构，控制其活性。
1、trp操纵元的结构和功能
5个结构基因trpE、 trpD、trpC、trpB 和trpA组成一个多 顺反子的基因簇， 在5′端是启动子、 操纵子、前导顺序 （trpL）和衰减子 区域。 阻遏物trp R由相距较远的阻遏物基因编码。启动子位 点与RNA聚合酶结合，操纵子位点与阻遏物结合。trp R基因编码一种无辅基阻遏物，单独的无辅基阻遏物不 能与操纵子结合。只有形成无辅基阻遏物-色氨酸复合 物后，才能与操纵子结合。色氨酸称为辅阻遏物。
• 协同调控（coordinate regulation）：所 有的一组基因都一起表达或一起关闭。 mRNA一般总是从5开始转录，所以诱导 总是导致β-半乳糖苷酶、透性酶和乙酰 转移酶按一定顺序出现。lacZ、lacY、 lacA三个基因的产物总保持同样的当量 关系。
3、乳糖操纵元的正调控
乳糖 β-半乳糖苷酶 半乳糖和葡萄糖
• 三个结构基因上游有2个顺式调控元件，即启动子 （promoter，P）和操纵子（operator，O）。还有另 一个调节抑制基因（lacI）位于所有基因的上游，但它 本身具有自己的启动子和终止子，成为独立的转录单 位，因此lacI基因通常不包括在lac操纵元之内。由于 lacI的产物是可溶性蛋白，它是能够分散到各处或结合 到分散的DNA位点上，是典型的反式作用调节物。
（一）乳糖操纵元（lac operon）
1、乳糖操纵元模型
三个结构基因的功能是：lacZ编码β-半乳糖苷酶，它 可以切断乳糖的半乳糖苷键，产生半乳糖和葡萄糖； lacY编码β-半乳糖苷透性酶，这种酶是膜结合蛋白， 它构成转运系统，将半乳糖苷运入到细胞中；lacA编 码β-半乳糖苷乙酰转移酶，其功能只将乙酰-辅酶A上 的乙酰基转移到β-半乳糖苷上。
第三节 真核生物基因表达的调控
（1）遗传物质的分子水平上，真核细胞基因组 的DNA含量和基因的总数都远远高于原核生物， DNA也不是染色体的唯一成分； （2）在细胞水平上，真核细胞的染色体包在核 膜内，转录和翻译分别发生在细胞核和细胞质 中，这两个过程在时间和空间上都是分开的， 而且在转录和翻译之间存在着一个相当复杂的 RNA加工过程。 （3）在个体水平上，真核生物是由不同的组织 细胞构成的，从受精卵到发育完全的个体，要 经过复杂的发育过程。
• 反义基因的调控作用。方法是将靶基因反向插 入重组载体的启动子后面，再导入细胞，这便 称为反义技术。由于其作用和反义RNA的数量 有关，因此常常并不能起到完全抑制的作用。 过量的反义RNA应能有效阻止靶顺序的翻译。 实际上反义RNA不需和mRNA等长，只要靶 mRNA的一小部分结合即可。一般只要 <100bp的靶RNA 5ˊ区域的反义RNA就可以 有效地抑制其翻译。
2、衰减作用（attenuation）
trp操纵元的第一个基因（trpE）的前面5′ 端有一个长160 碱基的序列，称为前导序列。当发生缺失突变时（缺失 了130～160片段）产生的mRNA总是最高水平的，这个 元件为衰减子，当Trp存在时，由于衰减子的存在导致了 mRNA转录速率下降。
• 衰减子实际上是控制翻译的手段来控制 基因的转录。 • 通过衰减子控制转录的终止仅发生在原 核生物的分解代谢中。 • 衰减作为细菌操纵子中的一种调控机制 至少存在于氨基酸合成代谢的6种操纵子 中
• 这一个完整的调节系统包括结构基因和控制这 些基因表达的元件，形成了一个共同的调节单 位，这种调节单位就称为操纵元。操纵元的活 性是由调节基因控制的，调节基因的产物可以 和操纵元上的顺式作用控制元件相互作用。
2、乳糖操纵Βιβλιοθήκη 的负调控lacＩ基因编码一种 阻遏蛋白。阻遏蛋 白至少有两个结合 位点，一个是结合 诱导物（乳糖）， 另一个是结合操纵 子O。当诱导物在相 应位点结合时，它 改变了阻遏蛋白的 构象，干扰了另一 位点的活性。阻遏 蛋白结合在操纵子O 位点，阻止RNA聚 合酶起始转录结构 基因。
细胞中的色氨酸不 足时，无辅基阻遏 物的三维空间结构 发生改变，不能与 操纵子结合，进行 转录。
细胞中的色氨酸浓度较高时，有些色氨酸分子可与 无辅基阻遏物结合，使其空间构型发生变化而成为 有活性的阻遏物，结合在操纵子区域，阻止转录。
• 和乳糖操纵子相同，无论是编码阻遏物 的基因trpR发生突变，还是操纵子发生 突变，trp操纵元将出现组成型表达。 • Trp操纵子的阻遏能力较低，仅是lacI产 物的1/1000，因此trp操纵子还必须依赖 别的途径来进行调节，以免在已有一定 浓度的Trp时，还继续合成Trp，这种途 径就是衰减作用。
有葡萄糖存在时，不能形成cAmp，也就没有操纵元的
正调控因子cAmp-CAP复合物，因此基因不表达。 核酸蛋白质互作研究结果进一步证实，单独的cAmp-CAP复合 体，或RNA聚合酶，与lac启动子结合的亲和力都不高， 与其它DNA分子的亲和力也很低。如果二者同时与lac启 动子DNA结合，可以迅速形成紧密牢固的复合体，表现 为典型的协调结合（coorperative binding）的方式。
（二）色氨酸操纵元（trp operon）
色氨酸操纵元控制的是合成代谢，最终的产物是 色氨酸。在培养基中缺乏Trp时操纵子打开， 而加入Trp 时将促进trp操纵子的关闭，也就 是最终产物色氨酸或某种物质对转录将起到阻 遏的作用，而不是诱导的作用，在其操纵元中 不存在cAMP-CAP位点。 色氨酸阻遏蛋白只有和色氨酸结合才能具有活性， 结合到操纵基因上，阻遏转录，这种类型控制 途径也是在酶活性的水平进行调节。这种调节 叫做反馈抑制（feedback inhibition）。
（三）基因重排
基因重排（gene rearrangement）是指DNA 分子核苷酸序列的重新排列。重排不仅可以形 成新的基因，还可以调节基因表达。基因组中 的DNA序列重排并不是一种普遍方式，但它 是有些基因调控的重要机制。
N
N V V C C
图14-2 正调控和负调控
任何一种干扰基因表达的作用都属于负控制， 其机制有： • 阻遏蛋白和DNA上的特异位点相结合，阻 止DNA聚合酶起始转录； • 阻遏蛋白和RNA结合阻止翻译的起始，使 基因处于关闭状态。
• 正调控（positive regulation）：调节蛋白的作 用不是阻止起始，而是帮助起始。它和DNA以 及RNA聚合酶相互作用来帮助起始。在正调控 系统中，诱导物通常与另一蛋白质结合形成一 种激活子（activator）复合物，与基因启动子 DNA序列结合，激活基因起始转录。 • 原核生物中基因表达以负调控为主。真核生物 中则主要是正调控机制。 • 原核生物基因表达的调控主要发生在转录水平。 当需要某一特定基因产物时，合成这种mRNA。 当不需要这种产物时，mRNA转录受到抑制。