原核基因的表达调控模式

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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。
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。
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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)。
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。
转录因子
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一个基因是由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。
操纵子学说
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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-
• 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。
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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。
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。
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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
• 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。
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• 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）。
• 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。
• 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。
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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。
• 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。
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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。
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
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• • 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。
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6.2.3 降解物对基因活性的调节
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• 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。
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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。
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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
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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
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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。
• 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)。