第九章：原核生物基因表达调控

半乳糖 + ATP 半乳糖激半酶乳糖1-磷酸 + ADP + H+ 半乳糖1-磷酸 + UDPGlu半乳糖转移酶UDPGal + 葡萄糖1-磷酸 UDPGal 半乳糖表异构酶UDPGlu
以上三个反应式的总反应是： 半乳糖 + ATP 葡萄糖1-磷酸 + ADP + H+
❖无葡萄糖，有半乳糖时，促进从P1起始的转录，合成代谢 半乳糖的酶，为细胞的生长提供碳源和能源。但是，抑制从 P2起始的转录。
❖基因表达表达是一个多步骤的过程，表达的产物是具有一定 功能的蛋白质。基因表达的每一环节以及表达产物的稳定性均 可作为调控的位点，包括：
▪基因被转录成初级转录产物 ▪初级转录产物被加工成成熟的mRNA ▪mRNA的稳定性 ▪mRNA的翻译 ▪多肽链的加工和组装 ▪酶或者蛋白质活性控制 ▪蛋白质的降解
9.1 转录水平的调控
正调控与负调控模式比较
单顺反子与多顺反子mRNA
9.1.1 转录起始调控 9.1.1.1 操纵子 一、乳糖操纵子
结构
lacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，该酶的作用是消除同
时被乳糖转移酶转运到细胞内的硫代半乳糖苷对细胞造成 的毒性。
乳糖操纵子的阻遏与诱导
乳糖操纵子通常是关闭的。lacI编码的阻遏蛋白以四聚体的形
式与操纵基因结合，关闭三个结构基因的表达。
由于阻遏蛋白偶尔会脱离操纵子基因，所以操纵子的转录并非 完全关闭，仍会有本底水平的表达，细胞内会有几个分子的β －半乳糖苷酶和透性酶。
可诱导型操纵子使细菌能很好地适应环境的变化，有效地利用 环境提供的底物。例如，当培养基中加有乳糖时，操纵子被诱 导开放，合成分解乳糖所需要的酶。当乳糖被消耗完后，细胞 不再需要分解乳糖的酶，操纵子重新关闭。
与终止子的突变效应是一样的；（2）相反，影响影响区段2 和3配对的突变，则增加弱化子的弱化作用；（3）如果前导 肽的起始密码子发生错义突变，前导肽的翻译就不能起始， 有利于前导RNA形成1－2、3－4二级结构，则转录必定在弱 化子处终止。
9.1.2.2 抗终止作用
抗终止蛋白阻 止转录的终止 作用，因此 RNA聚合酶 能够越过终止 子继续转录 DNA。
9.2.3 严谨反应
ห้องสมุดไป่ตู้大肠杆菌缺乏某种氨基酸，不但会使蛋白质的合成终止，也会 导致rRNA和tRNA合成被抑制，而一些与氨基酸合成和运输有 关的基因被诱导表达。这种由氨基酸饥饿引起的基因表达模式 的变化称为严紧反应（stringent response）。严紧反应是由 两种特殊的核苷酸（ppGpp和pppGpp）引发的，最初因它们 的电泳迁移率和一般的核苷酸不同，被称为“魔斑I”和“魔斑 II”。这两种核苷酸通称为（p）ppGpp。
❖当没有阿拉伯糖存在时，不需要araBAD表达，AraC作为 负调控蛋白，以二聚体的形式同时与araO2和araI1结合，导 致DNA环化，阻止araBAD的表达。
❖当有阿拉伯糖存在时，阿拉伯糖与AraC结合，导致其构象 发生变化，二聚体优先与araI1和araI2结合，这个时候如果没 有葡萄糖存在，AraC和cAMP-CRP共同促进RNA聚合酶与 PBAD结合，起始转录。
❖有葡萄糖时，从P2起始转录低水平转录，合成的半乳糖表 异构酶将UDPGlu 转换成UDPGal ，为细胞壁的合成提供材 料。
❖两个阻遏蛋白分子分别结合于OE和OI，它们之间的相互作 用导致它们之间的DNA弯曲成环，启动子就位于该DNA环上。 DNA的环化阻止了RNA聚合酶起始转录。
❖如果阻遏蛋白只与OE结合，则会促进由P2的转录。
❖热激蛋白的表达调控主要发生在转录水平上。热激蛋白基 因的启动子被σ32而不是通常的σ70识别。σ32也不能识别σ70启 动子，因为这两种σ因子识别的启动子序列不一样
❖HSP的诱导合成是由于细胞内的σ32水平瞬间升高引起的。
▪在热激条件下，σ32的合成会增加，热激诱导σ32合成发 生在翻译水平。 ▪另一方面，在热激条件下σ32的稳定性也增加了。
在研究工作中很少使用乳糖作为诱导剂，因为培养基中的乳糖 会被诱导合成的β－半乳糖苷酶催化降解，其浓度不断发生变 化。实验室里常使用人工合成的诱导物－异丙基-β-D-硫代半 乳糖苷（IPTG），由于IPTG不是β－半乳糖苷酶的底物，不被 降解，所以又称作安慰诱导物。
葡萄糖对lac操纵子表达的影响
葡萄糖是细菌优先利用的糖类。当葡萄糖和其他糖类（比如乳 糖）同时存在时，细菌只利用葡萄糖而不代谢别的糖类，这种 现象称为分解代谢物阻遏（catabolite repression）。因此， 乳糖操纵子只有在乳糖存在，同时葡萄糖缺乏时才会高水平表 达。原因是乳糖操纵子除了受阻遏蛋白的调节，还要受到分解 代谢活化子蛋白（catabolic activator protein，CAP）的调 节。
抗σ因子与抗抗σ因子
9.1.1.3 双组分调节系统
双 组 分 调 节 系 统 的 组 成
感应激酶 应答调节子
周质结构 域、 胞质结构 域
PhoR和PhoB构成的双组分调节系统
天冬氨酸残基
9.1.2 转录终止阶段的调控
9.1.2.1 弱化子
研究表明色氨酸操纵子两种机制的调控。如果trp操纵子只受 trpR编码的阻遏物调控，那么在缺乏或存在色氨酸时，trpR 突变使trp操纵子表达的酶量应该是相同的。可是，在trpR缺
trp mRNA的前导区。
前导RNA的结构
①含有一个阅读框 ② 含有4个分别以1、2、3和4表示的序 列，它们之间能够以两种不同的方式进 行碱基配对
弱化作用
实验证据
转录弱化理论得到了大量实验证据的支持：（1）影响区段3 和区段4二级结构稳定性的突变以及改变区段4后面一串U的
突变都会降低弱化子的终止作用，增加trp操纵子的表达，这
通常，原核生物的转录产物无需加工即可以成为翻译的模板。 但是，在少数情况下原核生物mRNA需要经过加工，然后才能
被翻译。adhE基因初始转录产物的前导序列折叠成复杂的二级
结构，核糖体结合位点和起始密码子都被隐蔽起来，不能被核 糖体识别。RNase III把核糖体结合位点上游的序列切割下来使 核糖体结合位点暴露出来。
四、色氨酸操纵子
在一些操纵子中，阻遏蛋白自身并不能与操纵基因结合，它们 需要首先与称作辅阻遏物(corepressor)的小分子物质结合后 才能与操纵基因结合，关闭结构基因的转录。这种类型的操纵 子为可阻遏型，它们平时处于开启状态，由于合成产物的积累 而将其关闭。在大肠杆菌中，参与很多氨基酸和维生素合成的 酶的表达就是以这种方式受到调控的。色氨酸操纵子属于可阻 遏型，作为辅阻遏物的是色氨酸。
要cAMP-CRP复合物的激活作用。激活蛋白通常结合在启动子 的上游协助RNA聚合酶与启动子结合。与之相反，阻遏蛋白结 合在启动子的下游，阻止RNA聚合酶与启动子结合，或者阻止 RNA聚合酶向前移动，转录基因。
乳糖操纵子的四种调控形式
二、阿拉伯糖操纵子
大肠杆菌阿拉伯糖操纵子的编码产物与阿拉伯糖的利用有关。 与乳糖操纵子一样，阿拉伯糖操纵子也属于可诱导型，操纵子 通常情况下是关闭的，只有当环境中存在阿拉伯糖时，操纵子 才开放，合成相应的酶参与阿拉伯糖分解代谢。
核糖体蛋白合成速率的调控是一种自体调控 （autoregulation）。基因表达的自体调控是指一个基因 的表达产物反过来抑制自身基因的表达，这实际上也是一 种反馈机制。自体调控可以在基因表达的不同水平上进行， 但是对核糖体蛋白合成的调控主要是发生在翻译水平上的 自体调控。
9.2.3 Some mRNA molecules must be cleaved before translation
五、全局调控
受一种调节蛋白调控的一组基因或操纵子称为调节子（regulon）， 这些基因或操纵子可以位于一条染色体的不同位置上。
乳糖操纵子
阿拉伯糖操纵子
半乳糖操纵子
9.1.1.2 不同σ因子对转录的调控
一、热激蛋白的表达
❖大肠杆菌的最适生长温度是37℃。当温度上升至46℃时， 大肠杆菌几乎停止生长。在46℃下细胞合成的蛋白质大约30 ％为一组相当保守的热激蛋白（heat shock protein, HSP）。 很多热激蛋白是分子伴侣（molecular chaperones）和蛋白酶。 分子伴侣的作用是介导蛋白质正确折叠；蛋白酶的作用则是 降解受到热损伤而又不能修复的蛋白质。
严谨反应的分子机制
（p）ppGpp与RNA聚合酶β亚基结合，改变了RNA聚合酶对 一系列启动子的亲和力，导致细胞基因表达的整体变化，使细 胞适应新的环境。这些变化包括rRNA和tRNA的合成被抑制， 一系列参与氨基酸合成与运转的基因被激活。
人们在对大肠杆菌relA突变体进行研究时认识到是（p） ppGpp的积累引发了严紧反应。relA突变体即使在氨基酸饥饿
失突变体中，培养基中缺乏色氨酸比有色氨酸存在时操纵子的 表达水平更高，说明色氨酸操纵子除受阻遏物调控外，还受另 一机制的调控。
当阻遏物对trp操纵子的阻遏作用被解除，但细胞内仍有一定 浓度的色氨酸时，第二种调控机制使trp操纵子的转录在抵达 trpE之前被提前终止，这种现象称为弱化作用
（attenuation），DNA中导致mRNA合成提前终止的一段 序列称为弱化子（attenuator）。弱化作用产生的关键在于
第九章 原核生物基因表达的调控
❖基因表达调控就是对基因产物的合成进行控制的机制.
▪一个细胞可能仅含有20个拷贝乳糖操纵子阻遏蛋白，但 是它可能会需要超过100 000个拷贝的EF-Tu参与蛋白质的 合成。
▪在另外一些情况下，单细胞有机体调控基因表达是为了 应答环境条件（例如，温度，渗透压或者是否存在某种 营养物质）的改变或者细胞内部的生理状况（例如为细 胞分裂做准备）的变化。与细胞适应过程有关的酶或者 蛋白质通常是不存在的，只有在需要的时候才被合成。 ❖管家基因与奢侈基因