现代分子生物学第五章基因表达调控

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AraC蛋白同时显正、负调节因子的功能。阿拉伯 糖操纵子的操纵基因受AraC蛋白调节。AraC蛋白具有 两种不同的功能构象，即正、负调节因子的双重功能 构象。一般认为Pr是起阻遏作用的构象形式，可与操 纵区位点相结合，Pi是起诱导作用的构象形式，通过 与PBAD启动子结合进行调节。Pr和Pi两种构象处于动态 平衡之中。当缺乏诱导物阿拉伯糖时，AraC处于Pr状 态，不结合araI而是结合操纵基因位点，阻碍araBAD 的表达。当阿拉伯糖存在时，由araC编码的激活蛋白 AraC与其结合，改变了AraC的构象显出Pi，该复合物 结合于araL区后可激活PBAD转录。
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2．乳糖操纵子的调控机制 当培养基中没有乳糖时，调节基因编码的阻遏蛋白结合到操纵基因上，阻 止了结构基目的表达。将大肠杆菌转到乳糖培养基中时，由于诱导物分子结 合在阻遏蛋白的特异部位，引起阻遏蛋白构象改变，而不能结合到操纵基因 上，操纵子被诱导表达。在这个系统中的诱导物分子不是乳糖本身，而是乳 糖的同分异构体——异乳糖。乳糖进入大肠杆菌细胞后被转化成了异乳搪。
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（一）细菌细胞对营养的适应
为了生存，细菌必须能够适应广泛变化的环境条件。这些环境条件包括 营养、水分、溶液浓度、温度、pH等。而这些条件又必须通过细胞内的各种 生化反应途径，为细胞的生长繁殖提供能量和构建细胞组分所需的小分子化 合物。一般细菌如火肠杆菌所需的碳源首先是葡萄糖，利用葡萄糖发酵获得 能量，维持生存。在缺乏葡萄糖时细菌也可以利用其他糖类（如乳糖）作为 碳源维持生存。 （二）结构基因和调节基因 结构基因(structural gene)是编码蛋白质或功能RNA的基因。细菌的结构 基因一般成簇排列，多个结构基因受单一启动子共同控制，使整套基因或都 表达或者都不表达。结构基因编码大量功能各异的蛋白质，其中有组成细胞 和组织器官基本成分的结构蛋白、有催化活性的酶和各种调节蛋白等。调节 基因(regu1ator，gene)是编码合成那些参与基因表达调控的RNA和蛋白质的 特异DNA序列。调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录 是调控的关键。调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式(启动或 增强基因表达活性)调节靶基因，也能以负调控的方式(关闭或降低基因表达 活性)调节靶基因。它们通常位于受调节基因的上游，但有时也有例外。
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(三)正调控与负调控
在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(a九vat。r)，激活蛋 白结合启动子RNA聚合酶后，转录才会进行。在负转录调控系统中，调节基 因的产物是阻遏蛋白(re-pressor)，阻止结构基因转录，其作用部位是操纵 区，它与操纵区结合转录受阻。 (四)可诱导的操纵子(inducible operon)与可阻遏的操纵子(repressible operon) 根据操纵子对于能调节它们表达的小分子的应答反应的性质，可将操纵子 分为可诱导的操纵子和可阻遏的操纵子两类。在可诱导的操纵子中，加入这 种对基因表达有调节作用的小分子后，则开启基因的转录活性。这种作用及 其过程叫做诱导(induction)。产生诱导作用的小分子物质叫做诱导物 (inducer)。在可阻遏的操纵子中，加入对基因表达有调节作用的小分子物 质后，则关闭基因的转录活性。这种作用及其过程叫做阻遏(repression)。 产生阻遏作用的小分子物质叫做辅阻遏物(corepressor)。
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二、转录水平调控
细菌能随环境的变化迅速改变某些基因表达的状态，这就是很好的基因 表达调控的实例。人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表达调控分 子机理的窗口的。针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的Jacob和Monod 等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操纵子学说， 这个模型是人们在科学实验的基础上第一次开始认识基因表达调控的分子机 理。 (—)乳糖操纵子(1actose operon) 1．组成与结构 大肠杆菌的乳糖操纵子长约5000个碱基对，是目前对操纵子研究最详尽的 例子，也是研究转录水平调控规律的基本模式。大肠杆菌乳糖操纵子育3个 与乳糖分解代谢相关的结构基因，即lacZ、lacY和』lacA，在乳糖操纵子中 成簇排列，编码的3种酶可催化乳糖的分解产生葡萄糖和半乳糖。
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1．色氨酸操纵子的阻遏系统
trp操纵子中编码阻遏物的基因trpR距trp基因簇较远，编码合成一个相 对分子质量为58000kD的阻遏蛋白。当这个阻遏蛋白以游离形式存在时，不 能结合到操纵基因上，此时后者能够转录和表达，使细菌细胞合成色氨酸。 但当在培养基中的色氨酸过量时，它能与阻遏蛋白形成复合物，并结合到操 纵基因上阻止结构基因转录，这种以代谢终产物阻止基因转录的机理称为反 馈阻遏。此终产物(色氨酸)称为辅阻遏物。这种调控方式容易造成在色氯酸 充足时，色氨酸-阻遏蛋白复合体结合操纵基因，完全阻断转录；而当色氨 酸水平很低时，阻遏被消除，转录开放，合成色氨酸。
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大肠杆菌乳糖操纵子各功能区组织排列示意图
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三个结构基因的功能如下：lacZ基因编码β -半乳糖苷酶，为500kD的四 聚体构成。在分解代谢中可水解乳核的半乳糖苷键，从而产生半乳糖和葡萄 糖。lacY基因编码β -半乳糖苷透性酶，这种酶是一种分子质量为30kD的膜结 合蛋白，它构成了转运系统，负责将半乳糖转运到细胞中。lacA基因编码β 半乳糖苷乙酰转移酶，其功能是将乙酰辅酶A上的乙酰基转移到β -半乳糖苷 上。 除此之外，乳糖操纵子还包括处在结构基因上游的调节基因lacI。lacZ、 lacY、lacA基因的转录是由lacI基因指令合成的阻遏蛋白所控制的。lacI一 般和结构基因相邻，但其本身有自己的启动子和终止子而形成独立的转录单 位。乳糖操纵子的阻遏蛋白是由4个亚基组成的四聚体，主要结合在结构基因 lacZ、lacY和lacA上游的操纵基因(lacO)，阻止启动子的转录起始，对操纵 子形成负调控(negative regulation)。
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3．小分子效应物的作用
细菌耍能在营养供给千变万化的自然环境中生存下来，就必须对环境 的变化做出迅速的反应，并具备可交换不同代谢底物的能力。因此当缺乏底 物的时候，细菌就阻断相关酶的合成途径，但同时也留有余地，当底物存在 之时可立刻快速大量地合成相关酶类。这种机制反映在原核生物的操纵子上， 即是通过调节蛋白与小分子物质相互作用达到诱导状态或阻遏状态。这些小 分子或是代谢途径的底物或是产物，属于基因表达的调节物质，称为效应物。 细菌细胞有两种类型的效应物，简述如下： (1)诱导物 在自然状态下有些阻遏蛋白一般结合在DNA分子上，当诱导 物缺乏时，阻遏蛋白与操纵基因牢固结合，阻止RNA聚合酶进入启动子区域， 操纵子被关闭，结构基因不能转录。当有诱导物存在时，诱导物与阻遏蛋白 结合，促使后者空间构象变化，使阻遏蛋白与操纵基因亲和力下降而解离下 来，RNA聚合演能够进入启动子区域，开启了结构基因的转录表达。 (2)辅阻遏物 有些阻遏蛋白本身不具有结合操纵基因的活性，在自然 状态下操纵于是开放的，能正常表达，当细胞中有辅阻遏物存在时，它可以 结合到阻遏蛋白分子上，提高阻遏蛋白与换纵篡因的亲和性。
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(三)阿拉伯糖操纵子(arabinose operon)
阿拉伯糖是另一个能为细菌细胞代谢提供碳源的五碳糖。大肠杆菌中 阿拉伯糖的降解利用需要3个基因：araB、araA和araD，在阿拉伯糖操纵子 上形成基因簇（araBAD)。另外，阿拉伯糖操纵子还包括调节基因araC、操 纵基因ara0、启动子PBAD，以及离这个基因较远簇的2个负责将阿拉伯糖运入 细胞的蛋白基因araE和araF。araE和araF属于另一个操纵子，由同一启动子 起始转录。三个结构基因araB、araA、araD由共同的启动子PBAD起始转录。 激活区araI位于PBAD启动子的上游。araBAD和araC基因的转 录分别在DNA的两条链上反向进行，araBAD基因簇从启动于PBAD开始向右进行 转录，而araC基因则是从Pc向左进行转录。
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(四)色氨酸操纵子(tryptophan operon)
大肠杆菌的乳糖操纵子是一个诱导系统，控制的是分解代谢。其底物小 分子的存在诱导操纵子打开而合成一系列酶系，从而催化乳搪的分解。色氨 酸操纵子作用则正好相反，其控制的是合成代谢，最终合成产物是色氨酸。 在培养基中缺乏色氨酸时操纵子打开，而加入色氨酸后将促进操纵子的关闭， 也就是代谢途径的最终产物色氨酸或某种物质对转录起到阻遏而非诱导的作 用。
第五章 基因表达调控
制作小组：肖诗楠、陈力、董永雄
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第一节原核生物基因表达调控
一、概述 原核生物及单细胞真核生物在其生长繁殖过程，往往直接暴露在变化莫测 的自然环境中，其食物供应多样且无保障，因此只能随同环境条件的改变， 来合成各种不同的蛋白质，使其代谢过程能够适应环境的变化，维持自身的 生存乃至繁衍。高等真核生物代谢途径以及食物来源相对于原核生物而言比 较稳定，但由于它们是多细胞的有机体，在个体发育过程中出现细胞分化， 形成各种组织和器官，不同的细胞所合成的蛋白质在质和量上是不同的。因 此，不论是真核细胞还是原核细胞，都必须有一套准确的调节基因表达和蛋 白质合成的机制。
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生物的遗传信息是以基因的形式储藏在细胞内的DNA（或RNA）分子 中的，随着个体的发育，DNA有序地将遗传信息通过转录和翻译的过程 转变成蛋白质，执行各种生理生化功能多、完成生命的全过程。从DNA 到蛋白质的过程，叫做基因表达(gene expression)对这个过程的调节 就称为基因表达调控(regulation of gene expression or gene control)。对于原核生物，以营养状况（nutritional status）和环境 因素（environmental factor）为主要的基因表达影响因素。在真核生 物尤其是高等真核生物中，激素水平（hormone level）和发育阶段 （developmental stage）是基因表达调控的最主要手段和体现，而营 养和环境因素的影响力大为下降。