第六章 原核生物表达调控

第一节概述围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都通称为基因表达调控（gene regulation或gene control）。

几个基本概念1、顺式作用元件和反式作用因子：基因活性的调控主要通过反式作用因子（通常是蛋白质）与顺式作用元件（通常在DNA 上）相互作用而实现。

顺式作用元件是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中，如启动子和终止子，都是典型的顺式作用元件。

反式作用因子是能调节与它们接触的基因的表达的各种扩散分子（通常是蛋白质），如RNA聚合酶、转录因子。

2、结构基因和调节基因:结构基因(structural gene)是编码蛋白质或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都不表达。

调节基因(regulator gene)是编码合成那些参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的特异DNA 序列。

调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。

比如：它能使结构基因在需要某种酶时就合成某种酶,不需要时,则停止合成，它对不同染色体上的结构基因有调节作用。

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。

DNA位点通常位于受调节基因的上游，但也有例外.3、操纵基因和阻遏蛋白操纵基因(operator)是操纵子中的控制基因，在操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态，使RNA聚合酶能够通过并作用于启动子启动转录。

但当它与调节基因所编码的阻遏蛋白结合时，就从开放状态逐渐转变为关闭状态，使转录过程不能发生。

阻遏蛋白(aporepressor)是负调控系统中由调节基因编码的调节蛋白，它本身或与辅阻遏物(corepressor)一起结合于操纵基因，阻遏操纵子结构基因的转录。

阻遏蛋白可被诱导物变构失活，从而导致不可阻遏或去阻遏。

4、组成蛋白和调节蛋白细胞内有许多种蛋白质的数量几乎不受外界环境的影响，这些蛋白质称为组成蛋白或持家蛋白。

调节蛋白是一类特殊蛋白，它们可以控制和影响一种或多种基因的表达。

有两种类型的调节蛋白，即正调节蛋白和负调节蛋白，前者是激活蛋白，而后者属于阻遏蛋白。

调节本身也可有被调控，最典型的就是被一些小分子所调控，面这些小分子的产生是周围环境所致。

5、操纵子(operon) ：是原核生物在分子水平上基因表达调控的单位，由调节基因、启动子、操纵基因和结构基因等序列组成。

例如：在细菌基因组中，同一个代谢途径的酶的基因一般成簇排列。

把功能密切相关的一组蛋白质编码的结构基因区域加上其调控区域组成的控制单元就叫操纵子。

6、小分子效应物的作用原核生物的操纵子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。

某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录的影响，这些特定物质可称为效应物（effector）。

细菌细胞有两种类型的效应物。

(1)诱导物:能引起诱导发生的分子；有些阻遏蛋白在自然状态下结合在操纵基因上，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 聚合酶能够进入启动子区域，开启了结构基因的转录表达。

由诱导物存在而使基因表达开放的调节又称为可诱导调节。

如大肠杆菌的乳糖操纵子中的乳糖。

(2)辅阻遏物:能导致阻遏发生的分子。

有些阻遏蛋白本身不具有结合操纵基因的活性，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，提高阻遏蛋白与操纵基因的亲和性。

由辅阻遏物参与引起的调节又称为可阻遏的调节。

如大肠杆菌的色氨酸操纵子中，色氨酸与阻遏蛋白结合，使后者表现出结合操纵基因的活性，阻止了RNA聚合酶与启动子结合的结合，使操纵子关闭。

第二节基因表达调控的基本原理原核生物和真核生物转录的差异原核与真核生物RNA翻译的异同6.2 原核基因表达调控总论基因表达调控的多层次性，主要表现在：1.转录水平上的调控（transcriptional regulation）；2.转录后水平上的调控（post-transcriptionalregulation），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）。

基因调控的指挥系统也是多样的，不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。

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。

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，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物(辅阻遏物)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）。

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(辅阻遏物)的存在使激活蛋白处于非活性状态。

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。

概念：弱化子是指当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段核苷酸。

弱化子对基因活性的影响是通过影响前导序列mRNA的结构而起作用的。

起调节作用的是某种氨基酰-tRNA的浓度。

具体在Trp操纵子中讲。

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.复合物是启动基因转录的正调节物质（CRP与启动子结合是激活转录的必要条件，而cAMP与CRP的结合能增强CRP对DNA双链的亲和力），从而抑制糖类代谢操纵子的表达。

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或称为魔斑。

6.3 操纵子学说(theory of operon)操纵子学说是关于原核生物基因结构及其表达调控的经典学说，由法国巴斯德研究所的Francois Jacob与Jacques Monod于1961年首先提出的。

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（Lactose）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(promoter)区是转录起始时RNA聚合酶的结合部位。

O(operator)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。

(弱启动子控制的永久性表达)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外，还能水解其他β-半乳糖苷。

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。

（注:该酶不参与乳糖代谢！在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细胞生长。

半乳糖苷乙酰化后，即无毒. 所以lacA虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累）乳糖操纵元结构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。