第六章基因的表达与调控（上） --- 原核基因的表达调控模式

第六 章基因的表达与调控（上）---原核基因的表达调控模式

6.1 基因表达调控的现象和概念 • 6.1.1、基因表达调控是生命的必需 • 基因表达(gene expression) 是指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。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。 • 既然从DNA到蛋白质的过程称为基因表达，对这个过程的调节就称为基因表达调控（gene regulation或gene control）。基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。

基因组(genome) 是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。 • 但生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的，大肠杆菌基因组含有约4000个基因，一般情况下只有5－10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达。 • 不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的组织特异性(tissue specificity)。 • 例如肝细胞中涉及编码鸟氨酸循环酶类的基因表达水平高于其它组织细胞，合成的某些酶(如精氨酸酶)为肝脏所特有；胰岛β细胞合成胰岛素；甲状腺滤泡旁细胞(C细胞)专一分泌降血钙素等。

细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的，这就是基因表达的阶段特异性(stagespecificity)。细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的，这就是基因表达的阶段特异性(stagespecificity)。 • 一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息，在个体发育分化的各个阶段，各种基因极为有序地表达，一般在胚胎时期基因开放的数量最多，随着分化发展，细胞中某些基因关闭(turn off)、某些基因转向开放(turn on)，胚胎发育不同阶段、不同部位的细胞中开放的基因及其开放的程度不一样，合成蛋白质的种类和数量都不相同，显示出基因表达调控在空间和时间上极高的有序性，从而逐步生成形态与功能各不相同、极为协调、巧妙有序的组织脏器。 • 从上所述，不难看出：生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的，不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。

6.1.2、基因表达适应环境的变化 • 生物体内的基因调控各不相同，基因表达随环境变化的情况，可以大致把基因表达分成两类： • ①组成性表达(constitutive expression)指不大受环境变动而变化的一类基因表达。 • 其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因可称为看家基因(housekeeping gene)，这些基因中不少是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的，可以看成是细胞基本的基因表达。 • 组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。

②适应性表达(adaptive expression)指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。 • 应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(inducible gene)； • 相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressible gene)。

改变基因表达的情况以适应环境，在原核生物、单细胞生物中尤其显得突出和重要，因为细胞的生存环境经常会有剧烈的变化。改变基因表达的情况以适应环境，在原核生物、单细胞生物中尤其显得突出和重要，因为细胞的生存环境经常会有剧烈的变化。 • 例如：周围有充足的葡萄糖，细菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖类的酶类，当外界没有葡萄糖时，细菌就要适应环境中存在的其它糖类(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)，开放能利用这些糖的酶类基因，以满足生长的需要。 • 即使是内环境保持稳定的高等哺乳类，也经常要变动基因的表达来适应环境，例如与适宜温度下生活相比较，在冷或热环境下适应生活的动物，其肝脏合成的蛋白质图谱就有明显的不同。 • 所以，基因表达调控是生物适应环境生存的必需。

6.2原核基因表达调控总论 基因表达调控主要表现在以下两方面： • 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 • ① mRNA加工成熟水平上的调控 • （differential processing of RNA transcript）； • ② 翻译水平上的调控 • （differential translation of mRNA）。

原核生物中，营养状况（nutritional status）和环境因素（environmental factor）对基因表达起着举足轻重的影响。 • 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，营养和环境因素的影响力大为下降。 • 在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。

因为细菌mRNA在形成过程中与核糖体混合在一起，所以，细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联（coupled transcription and translation）。 • 真核生物中，转录产物（primary transcript）只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。

转录因子 • 一个基因是由基因产物的调控和表达所需要的所有DNA序列组成的。 • 意味着在一个典型的编码蛋白质的基因中，它的启动子和上游的调节区位于基因的非转录部分，而mRNA转录区代表转录单位。 • 被称为转录因子（transcription factors）的DNA结合蛋白与基因调控区中特殊的效应元件（response elements，RE）DNA序列相互作用，调节RNA聚合酶活性，达到控制基因转录的目的。

转录因子的功能 • 常用转录诱导（transcriptional induction）（增加起始速率）和转录阻遏（transcriptional repression）（降低起始速率）等术语来描述转录因子的功能。 • 诱导转录的转录因子称之激活剂（activators），而阻遏转录的称之为阻遏物（repressors）。转录因子起着激活剂作用，还是起着阻遏物的作用取决于细胞的生理状态和不同启动子之间的DNA序列差别。

调节机制 • 在原核生物中，效应分子可以是cAMP或某些小的代谢产物，而真核生物转录效应分子常常受到磷酸化作用的调节。 • 从下图可以看到转录速率增加（诱导和去阻遏）和降低（阻遏和去诱导）的两种转录机制，主要的调节机制是DNA结合活性的调节。图20.2(a)、(b)分别表示阻遏物被效应分子抑制和激活；下图(c)和(d)分别表示激活剂被效应分子激活和抑制。

6.2.1 原核基因调控机制的类型与特点 • 原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为 • 负转录调控（negative transcription regulation） • 正转录调控（positive transcription regulation）。

在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏二大类。在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物（诱导物）结合时，结构基因不转录；在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏二大类。在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物（诱导物）结合时，结构基因不转录； • 在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。阻遏蛋白作用的部位是操纵区。

在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。 • 也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导系统和正控阻遏系统。 • 在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态； • 在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态。

参与大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是σ因子，共存在六种σ因子，其中σ70是调控最基本的生理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。除参与氮代谢的σ54以外，其它5种σ因子在结构上具有同源性，所以统称σ70家族。参与大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是σ因子，共存在六种σ因子，其中σ70是调控最基本的生理功能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。除参与氮代谢的σ54以外，其它5种σ因子在结构上具有同源性，所以统称σ70家族。 • 所有σ因子都含有4个保守区，其中第2个和第4个保守区参与结合启动区DNA，第2个保守区的另一部分还参与双链DNA解开成单链的过程。

与上述σ因子特异性结合DNA上的-35区和-10区不同，σ54因子识别并与DNA上的-24和-12区相结合。与上述σ因子特异性结合DNA上的-35区和-10区不同，σ54因子识别并与DNA上的-24和-12区相结合。 • 在与启动子结合的顺序上，σ70类启动子在核心酶结合到DNA链上之后才能与启动子区相结合，而σ54则类似于真核生物的TATA区结合蛋白（TBP），可以在无核心酶时独立结合到启动子上。

6.2.2弱化子对基因活性的影响 • 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、异亮氨酸操纵子等等。 • 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。 • 当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。这种因为核糖体在基因转录产物上的不同位置，决定了RNA可以形成哪一种形式的二级结构、并由此决定基因能否继续转录的调节方式确实是非常巧妙的。 • 起调节作用的信号分子是细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度，因此是转录调节中的微调整，好比无线电调谐器中的微调一样，只要稍加变动就可影响整个体系的功能。

6.2.3降解物对基因活性的调节 • 操纵子学说的核心是使基因从表达抑制状态中解脱出来进行转录，是从负调节的角度来考虑基因表达调控的。那么，有没有从相反的角度进行正调节以提高基因的转录水平？ • 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，与其相对应的操纵子也不会启动，产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。 • 为什么会产生这种效应呢？因为添加葡萄糖后，细菌所需要的能量便可从葡萄糖得到满足，葡萄糖是最方便的能源，细菌无需开动一些不常用的基因去利用这些稀有的糖类。葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，减少环腺苷酸（cAMP）的合成，与它相结合的蛋白质，即环腺苷酸受体蛋白CRP又称分解代谢物激活蛋白CAP，因找不到配体而不能形成复合物。 • 降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，是一种积极的调节方式。

6.2.4细菌的应急反应 • 细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少一二种氨基酸，而是氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸（ppGpp）和鸟苷五磷酸（pppGpp）。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。 • 当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的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，以应付这种紧急状况。 • 关于ppGpp的作用原理还不大清。ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们不是只影响一个或几个操纵子，而是影响一大批，所以它们是超级调控因子。

操纵子学说 • 法国巴斯德研究院的Francois Jacob与Jacques Monod于1960年在法国科学院院报(Proceeding of the French Academy of Sciences)上发表了一篇论文，提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。这二个基因为β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)和半乳糖苷透过酶(galactoside permease)。 • 在此文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因(operator)的概念，他们的操纵子学说(theory of operon)使我们得以从分子水平认识基因表达的调控，是一个划时代的突破，因此他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。

大肠杆菌能以乳糖为唯一碳源生长，这是由于它能产生一套利用乳糖的酶。大肠杆菌能以乳糖为唯一碳源生长，这是由于它能产生一套利用乳糖的酶。 • 这些酶受乳糖操纵子的控制。大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌DNA的一个特定区段，由调节基因I，启动基因P，操纵基因O和结构基因Z、Y、A组成。 • P区是转录起始时RNA聚合酶的结合部位。 • O区是阻遏蛋白的结合部位，其功能是控制结构基因的转录。 • 平时I基因经常进行转录和翻译，产生有活性的阻遏蛋白。

Z编码β-半乳糖苷酶；Y编码β-半乳糖苷透过酶；A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶。Z编码β-半乳糖苷酶；Y编码β-半乳糖苷透过酶；A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶。 • β-半乳糖苷酶是一种β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。 • β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 • β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。

RNA聚合酶结合部位 阻遏物结合部位

乳糖操纵子的控制模型，其主要内容如下： • ① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码。 ② 这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区（P），不能单独起动合成β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 ③ 操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。 ④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。 ⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。

当一个mRNA含有编码一个以上蛋白质的编码信息，而且这些蛋白质都是以独立的多肽被翻译时，这样的mRNA称之多顺反子mRNA。多顺反子mRNA在细菌中是很普遍的。当一个mRNA含有编码一个以上蛋白质的编码信息，而且这些蛋白质都是以独立的多肽被翻译时，这样的mRNA称之多顺反子mRNA。多顺反子mRNA在细菌中是很普遍的。 • 多顺反子lac mRNA中的lacZ，lacY，lacA经翻译生成的产物分别为LacZ（β-半乳糖苷酶（β-galactosidase））、LacY（β-半乳糖苷通透酶（β-galactoside permease））和LacA（β-半乳糖苷转乙酰基酶（thiogalactoside transacetylase））。

别乳糖是lac操纵子转录的活性诱导物，人们发现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能被β-半乳糖苷酶水解的β-半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG）起着lac操纵子的一个诱导物的作用，所以IPTG常用于诱导含有使用了lac启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。

lac 操纵子受LacI阻遏蛋白调控。在没有诱导剂（乳糖或IPTG）存在时，LacI阻遏蛋白与lac 操纵子DNA序列结合得非常紧密，lac 基因不能进行转录。当IPTG 存在时，IPTG与LacI阻遏蛋白相互作用，形成LacI阻遏蛋白－IPTG复合物，体外研究表明，该复合物对lac 操纵基因的亲和性为单独LacI阻遏蛋白的亲和性的千分之一。所以IPTG作为lac基因表达的一个诱导剂，起着转录去阻遏作用。就象（下图）表示的那样，RNA聚合酶的结合部位（lac操纵基因）也是LacI阻遏蛋白的结合部位，实验表明RNA聚合酶和LacI阻遏蛋白对操纵基因序列的结合是相互排斥的。

通过去阻遏调控lac操纵子只是调控的一种方式，另一调控系统也可起到lac操纵子的转录诱导作用。分解物基因激活蛋白（catabolic gene-activator protein: CAP）可以部分调控细菌对糖的代谢。在有乳糖存在，而且葡萄糖水平低时，CAP可以激活象lac操纵子那样的操纵子的转录。　当葡萄糖和乳糖都存在时，即使阻遏物不结合，转录也是非常弱的。然而当葡萄糖浓度降低，而乳糖仍然存在时，转录激烈增加。这是由于CAP是lac操纵子的一个激活剂，并且起始了正调控转录。cAMP的作用象个调节器，它与CAP结合正向调控CAP的DNA结合活性。

E.Coli中葡萄糖转运将导致腺苷酸环化酶的去活化（作用），这使得细胞内cAMP处于低水平。E.Coli中葡萄糖转运将导致腺苷酸环化酶的去活化（作用），这使得细胞内cAMP处于低水平。 • 因此当葡萄糖存在时，cAMP水平低，而CAP无活性。然而当葡萄糖水平低时，腺苷环化酶有活性，细胞内cAMP水平增加，导致CAP的激活，结果促进RNA聚合酶与启动子结合，使转录增强。 • （下图）概括了在葡萄糖和乳糖水平低和高的条件下lac操纵子的转录活性。只有当葡萄糖水平低，而乳糖存在时，lac操纵子才被最大程度地转录。当葡萄糖和乳糖的水平都很低时会出现什么现象呢？实验表明，尽管有激活的CAP存在，lac阻遏物与lac操纵基因结合仍然能够阻止RNA聚合酶与启动子结合。

The circuitry for the effect is shown in the figure below . On the left is the situation for high glucose/low cAMP and on the right for low glucose/high cAMP:

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