第六章原核基因表达调控模式2012.5.31

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
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。
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。
（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。
•
• 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
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。
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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。 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)。
• 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
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。
一、原核基因调控机制的类型与特点
根据调控机制的不同可分为： • 负转录调控 （negative transcription regulation）
原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，
• 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。
二、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。
• •
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。
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。
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• 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)。
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(indu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)。
• 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。
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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。
四、 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。
二、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。
三、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。
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。