7 原核基因表达调控

第七章原核基因表达调控

原核生物及单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的环境中，食物供应无保障，只能根据环境条件的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。高等真核生物代谢途径和食物来源都比较稳定，但由于它们是多细胞有机体，在个体发育过程中出现细胞分化，形成各种组织和器官，而不同类型的细胞所合成的蛋白质在质和量上都是不同的。不论是真核还是原核细胞都有一套准确地调节基因表达和蛋白质合成的机制。

原核生物细胞的基因和蛋白质种类较少，但这些蛋白质并不是以相同拷贝数存在于每个细胞中，有些蛋白质的数量相当稳定，有些则变化很大。合成速率不受环境变化或代谢状态的影响的叫组成型合成蛋白质，另一类是合成速率明显地受环境的影响而改变的蛋白质，叫适应型或调节型蛋白质

1.组成型合成蛋白质（constitutive protein）：在代谢过程中十分必需的酶或蛋白质，其合成速率不受环境变化或代谢状态的影响。

2. 适应型或调节型蛋白质（adaptive or regulated protein ）：合成速率明显地受环境的影响而改变的蛋白质。

第一节原核基因表达调控总论

一、原核基因表达调控总论

基因表达(gene expression)：储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。实质上是指基因通过转录和翻译而产生其蛋白质产物，或转录后直接产生其RNA产物，如tRNA、rRNA等的过程。

1. 基因表达（gene expression）：储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。即以DNA为模板转录成mRNA，再以mRNA为模板翻译成蛋白质的过程，或以DNA为模板直接产生tRNA、rRNA等的过程。

2. 基因表达调控（gene regulation or control ）

对基因表达过程的调节。

3. 基因表达调控主要表现在以下两个方面：

（1）转录水平上的调控（transcriptional regulation ）

（2）转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation ）

包括：

①mRNA加工成熟水平上的调控

②翻译水平上的调控

4. 原核生物与真核生物转录及翻译调控的不同

（1）原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着举足轻重的影响。

（2）在高等真核生物中，激素水平和发育阶段是基因表达调控的主要手段，营养状况和环境因素的影响不大。

（3）原核生物的转录与翻译几乎同时发生，即转录与翻译相偶联。

（4）真核生物中，转录产物只有从核内运到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。

二、基因表达调控模型——操纵子模型

1、操纵子（operon）：由几个相关的结构基因及其控制区组成，是基因表达的协同单位。

2、基本组成

（1）调控基因或调节基因（regulatory gene，RG）

是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白（repressive protein），其介导的调控方式称为负性调控（negative regulation）；与操纵子结合后能增强或起动其调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白（activating protein），所介导的调控方式称为正性调控（positive regulation）。

（2） CAP位点（ CAP site）

大肠杆菌中的激活蛋白cAMP-CRP的结合位点。（正调控位点）（3）启动子(promoter, P)

是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。

一个操纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5′侧上游，控制整个结构基因群的转录。

（3）操纵基因（operator gene，O）

是指能被调控蛋白特异性结合的一段

DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序

列重叠，当调控蛋白结合在操纵基因序列上，会影响其下游基因转录的强弱。

（4）结构基因（structural gene, SG ）

操纵子中被调控的编码蛋白质的基因。

（5）终止子（terminator，T）：

是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。

在一个操纵子中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。

三、原核基因表达调控分类

1、根据调控机制的不同可分为负转录调控和正转录调控。

（1）负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白，起着阻止结构基因转录的作用。分为负控诱导和负控组遏。

A、负控诱导：阻遏蛋白不与诱导物结合时，结构基因不转录。正常情况下基因不表达或表达水平低，在环境改变或诱导物存在时，才开放转录。（乳糖操纵子、半乳糖操纵子）

B、负控阻遏：正常情况下开放，当诱导物出现时操纵子关闭。（色氨酸操纵子、组氨酸操纵子）

2、正转录调控：在正转录调控中，调节基因的产物是激活蛋白。

A、正控诱导：效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态，诱导基因表达。

B、正控阻遏：效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于非活性状态，阻遏基因表达

四、原核表达调控的主要特点

1、可诱导调节：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。（乳糖操纵子、半乳糖操纵子）

2、可阻遏调节：这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。（色氨酸操纵子）作为一般规律，可诱导的操纵子总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因，这些糖和氨基酸平时含量很少，细菌总是利用更一般的能源物质——葡萄糖的水解来提供能源，因此，这些操纵子常常是关闭的。一旦生存条件发生变化，如葡萄糖缺乏而必须利用乳糖作为能源时，就要打开这些基因。可阻遏基因的情况恰恰相反，它们是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质（如氨基酸、嘌呤、嘧啶等）的基因，由于这类物质在生命过程中的重要地位，这些基因总是打开的。只有当细菌生活环境中有充分供应时，才关闭这些基因，停止其合成。

五、弱化子对基因活性的影响

在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨基酰-tRNA的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。

属于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、异亮氨酸操纵子和颉氨酸操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操纵子、亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等。

在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰-tRNA的浓度。在色氨酸操纵子中，就是色氨酰-tRNA的浓度。

六、降解物对基因活性的影响