原核生物的基因调控

第七节原核生物的基因调控每个物种都有一套完整的遗传信息。遗传信息存在于DNA分子中，每个细胞都有相同的DNA，也就是说，每个细胞中都带有完整的遗传信息。在正常情况下，一个个体的各类细胞都是按照一定的规律和一定的时空顺序，关闭一些基因，开启另一些基因，并不断地进行严格的调控，以保证个体的发育得以顺利进行。基因表达(geneexpression)就是指某一基因指导下的蛋白质合成,蛋白质是基因表达的产物,在生活中并非所有基因都一齐表达,而是有些基因进行表达,形成其基因表达的特异产物,以构成细胞结构或代谢所需要的蛋白质或酶类。但是,有许多基因却被关闭,不进行表达,而要在适当的时候才进行表达。基因作用的调控机理相当复杂，至今仍知之不多。但这个领域是当前遗传学研究的热点，随着功能基因组学的飞速发展，研究的进展相当地快。当然，研究成果多集中在原核生物，对高等生物基因表达的调控机制还了解不多。虽然一种基因编码一种蛋白质,但是不同蛋白质在细胞中的相对数量差别很大,随着它们的功能而不同,例如,在E.coli细胞中,从总蛋白的不足0.01%--2%,各种蛋白质变化不定。细胞要使其蛋白质合成达到这种差异,可以有两条途径：第一条途径是细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度,这是一种最经济的办法,可以免去浪费从mRNA合成蛋白质的各种元件和材料。这大概是生物在长期进化过程中自然选择的结果。这种控制通常称之为转录水平(transcriptionallevel)的调控。大多数基因表达都属于转录水平的调控。第二条途径是在mRNA合成后,控制从mRNA翻译成多肽链的速度,包含一些分子装置问题,如与核糖体的结合速度等。这种蛋白质合成或基因表达的控制称为翻译水平(translationallevel)的调控。这种调控是较少的。一、转录水平的调控单细胞的原核生物对环境条件具有高度的适应性，可以迅速调节各种基因的表达水平，以适应不断变化的环境条件。原核生物主要是在转录水平上调控基因的表达。当需要这种产物时，就大量合成这种mRNA，当不需要这种产物时就抑制这种mRNA的转录，就是让相应的基因不表达。通常所说的基因不表达，并不是说这个基因就完全不转录为mRNA，而是转录的水平很低，维持在一个基础水平（本底水平）。1.正调控（positiveregulation）和负调控（negativeregulation）：诱导物与蛋白质结合形成激活子复合物，激活子复合物与基因启动子DNA序列结合，激活基因启动转录，称为正调控。阻遏蛋白分子与基因启动子DNA序列结合，阻碍RNA聚合酶的工作，使基因处于关闭状态，称为负调控。调节蛋白(regulatoryprotein)是一些特殊蛋白质,它们决定着何时诱导酶或阻遏酶可以合成。每种调节蛋白影响一种或多种特殊基因的表达。它们有两种基本类型:即正调节蛋白(positiveregulator)及负调节蛋白(negativeregulator)。这两种调节可以由调节它们的基因之相反效应加以区别。负调节蛋白或称阻遏蛋白,会使其靶蛋白的合成受到抑制,即不表达,而不管是否需要。阻遏物并非永远能阻止mRNA的合成。否则,它们就将永远抑制其特异蛋白质的合成。许多阻遏物分子能以活性的及无活性的两种形式存在,这要看它们是否与其适当的诱导物或辅阻遏物(corepressor)结合而定,诱导物的结合可使阻遏物失活。例如,当与β-半乳糖苷如乳糖或异乳糖(allolactose,乳糖的代谢物,为天然诱导物)结合时,lac阻遏物即不能与其专一的操纵基因结合。因此,加β半乳糖苷于生长细胞中,以降低lac阻遏蛋白的分子浓度,可使β半乳糖苷酶得以合成。反之,辅阻遏物的结合则将无活性的阻遏物变为有活性的形式。这类突变种称为组成突变种(constitutivemutant)。与此相反,正调节蛋白是激活蛋白(activator),它的存在对合成所调节的酶是需要的,因此,激活蛋白存在时被控制的基因即表达。２.顺式调控元件和反式调控因子：基因表达的调控都是特定的蛋白质分子和特定的DNA序列两个因素相互作用的结果，起调控作用的DNA序列称为顺式调控元件，如乳糖操纵元中的启动子（p）和操纵子（O），起调控作用的蛋白质分子称为反式调控因子，如乳糖操纵子中调节基因编码的阻遏蛋白、cAmp－CAP复合物。在原核生物中，通常是几个作用相关的基因在染色体上串连排列在一起，由同一个调控系统来控制，这样的一个整体称为一个操纵子。当几种酶参与同一个代谢途径时，往往这几个基因同时被转录为一个多顺反子mRNA。而真核生物基因都是转录成单顺反子的，所以真核生物中没有这种调控机制。在原核生物中，关于E.coli乳糖代谢的调控研究得最为清楚，下面以E.coli的乳糖操纵子为例来介绍一般操纵子的调控机制。３.乳糖操纵子的负调控在正常情况下，E.coli是以葡萄糖作为碳源的，在没有葡萄糖，只有乳糖存在的条件下，E.coli也能以乳糖为碳源而生存。葡萄糖是单糖，E.coli利用它最为方便和经济。乳糖是双糖，是葡萄糖和半乳糖的复合物。以乳糖为碳源必须先将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖，再将半乳糖转化为葡萄糖，这就需要额外的酶。β—半乳糖苷酶，将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；半乳糖渗透酶，帮助细菌从培养基中摄取乳糖；半乳糖苷转乙酰酶，作用不明。在有葡萄糖存在时，细菌体内的这三种酶含量很低。每个细胞中只有3~5个分子的β—半乳糖昔酶。当培养基中没有葡萄糖而有乳糖存在时，这三种酶的量急剧增加，2~3分钟内即可增加1000倍以上，而且三种酶成比例增加。一旦乳糖用完，在2~3分钟内这三种酶的量又很快下降到本底水平。乳糖操纵子模型如下：注：a、y、z分别为三个结构基因，O为操纵基因，p为转录的启动子，I[i]为调控基因i编码一种蛋白质，称为阻遏物。无乳糖存在时，阻遏物与O结合，关闭三个结构基因，使之不能被转录。当有乳糖存在时，乳糖的一种代谢产物——别乳糖，与阻遏物结合，改变阻遏物的构象，使阻遏物从O上解离下来，从而打开三个结构基因（使之得以转录成mRNA）。乳糖用完后，别乳糖的浓度急剧下降，阻遏物不再与别乳糖结合，又与O结合，阻止RNA聚合酶的工作，立刻关闭结构基因。原核生物中，大多数的基因都被组织在操纵元中，受到类似的调控。乳糖操纵子模型有三个基本假定：调节基因编码的阻遏蛋白是可以在细胞中扩散的反式调控因子，操纵子（O）是调控序列，不编码蛋白质，操纵子（O）是顺式调控元件，邻近受其控制的结构基因。４.乳糖操纵子的正调控在细菌细胞内，ATP在腺苷酸环化酶的作用下转变成环式AMP(cyclicadnosinemonophosphate,cAmp)。环式AMP并不直接促进lacmRNA的合成,而靠结合在代谢降解物基因激活蛋白(catabolite-geneactivatorprotein,简称CAP)上起作用。细胞内代谢激活蛋白CAP是一个分子量为45kD的二聚体，CAP是cAmp的受体蛋白(cyclicAmpreceptorprotein,CRP)，能控制RNA聚合酶在乳糖启动子上的结合，对mRNA生长速度都没有任何影响，并且只有cAMP与它结合才起作用。cAmp与CAP结合形成cAMP—CAP复合物，并与DNA专一部位结合,这时就增加邻近操纵子的转录速度。CAP对一切葡萄糖敏感的操纵子都是正调控因子,故突变的细胞都不能利用大多数的糖，cAMP—CAP复合物也是乳糖操纵元的正调控因子。CAP当cAMP—CAP复合物插入乳糖操纵子的启动子(ｐ)区域的核苷酸序列中时，使启动子区域的DNA序列弯曲成新的构型，这种新构型有利于提高RNA聚合酶的工作效率。当细胞中既有别乳糖与阻遏蛋白结合，又有cAMP—CAP复合物与启动子DNA序列结合时，乳糖操纵子的转录效率最高。但是，细胞内有葡萄糖存在时，葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性，不能形成cAmp。所以，乳糖操纵子的表达调控实际上是正调控和负调控协同作用的。基因表达调控元件的突变：如果调节基因I发生突变，I＋→I－，或者失去编码阻遏蛋白的功能，或者编码的阻遏蛋白构型发生变化，不能与操纵子结合，从而使操纵元不管有无乳糖存在都一直在表达。这种不管细胞内需要不需要其编码产物，这个基因都在表达的状况称为组成型表达(constitutiveexpression)，这样的基因突变称为组成型突变(constitutivemutant)，与组成型表达相对应的概念是特异性表达(specificexpression)。如果操纵元中的操纵子序列发生突变，O→OC，使操纵子DNA序列不能与阻遏蛋白结合，也会使操纵元由特异性表达转变为组成型表达。5.负控阻遏系统大肠杆菌色氨酸操纵子(tryptophanoperon)含有5个结构基因，编码色氨酸生物合成途径中的各种酶。这些基因从一个启动子起始转录出一条多顺反子的mRNA，与lac操纵子一样，这个启动子受毗邻的操纵区顺序控制。转录是通过操纵区和阻遏蛋白控制的，它的效应物分子是色氨酸，也就是由trp操纵子的基因所编码的生物合成途径中的末端产物。当色氨酸很丰富时，它结合到游离的阻遏物上诱发变构转换，从而使阻遏物紧紧结合在操纵区。另一方面，当色氨酸供应不足时，阻遏物失去了所结合的色氨酸，从操纵区上解离下来，trp操纵子的转录就此开始。色氨酸起着trp操纵子的辅阻遏物(corepressor)功能。随着对色氨酸操纵子的深入研究，发现有些现象与以阻遏作为唯一调节机制的观点不相一致，例如，在色氨酸高浓度和低浓度下观察到trp操纵子的表达水平相差约600倍，然而阻遏作用只可以使转录减少70倍，此外，阻遏物失活的突变不能完全消除色氨酸对trp操纵子表达的影响。没有阻遏物时，在培养基中含或不含色氨酸的条件下观察到转录速度相差8～10倍。显然操纵子表达的这种控制与阻遏物的控制无关，必然还有其它的调控机制，这种调控机制主要是通过缺失突变株的研究而发现的，称为弱化作用(attenuation)。弱化作用是细菌辅助阻遏作用的一种精细调控。这一调控作用通过操纵子的前导区内类似于终止子结构的一段DNA序列而实现，它编码一条末端含有多个色氨酸的多肽链-先导肽，被称为弱化子。当细胞内某种氨基酰缺乏时，该弱化子不表现终止子功能；当细胞内某种氨酰足够时该弱化子表现终止功能，从而达到基因表达调控的目的，不过这种终止作用并不使正在转录中的mRNA全部都中途终止，而是仅有部分中途停止转录，所以称为弱化。这便是在trp操纵子中所发现的除阻遏作用以外的另一种调节功能。下图中的示意图解释了怎样通过前导肽的翻译来控制转录。当色氨酸缺乏时，tRNAtrp也缺乏，前导肽不被翻译，核糖体在两个相邻的色氨酸密码子处停止，阻止了1∶2配对，而使2∶3配对，因此不能形成3∶4配对的茎环终止子结构，将RNA聚合酶放行越过先导区进入结构基因，结果导致操纵子表达。如果色氨酸过量，则可得到tRNAtrp，前导肽被翻译使核糖体通过色氨酸密码子的位置，前导肽被正常翻译，核糖体阻止2∶3配对导致3∶4配对，终止信号出现，从而导致转录在尿苷残基顺序上中断。图色氨酸操纵子的弱化作用模型6.正控诱导系统在正控诱导系统中，调节蛋白为激活蛋白，促进RNA聚合酶的结合，从而增加mRNA的合成。大肠杆菌麦芽糖操纵子(maltoseoperon)的调控是典型的例子，这里麦芽糖是诱导物，激活蛋白只有与麦芽糖结合时才能与DNA的特殊结合位点结合，促使RNA聚合酶开始转录(下图)，该结合位点称为激活蛋白结合位点，与启动区毗邻或在相隔几百个碱基对处。图麦芽糖正控诱导系统7.大肠杆菌的热激应答大肠杆菌在通常情况下，只有一种σ亚基，没有象枯草杆菌那样的σ亚基更换现象。但是，如果让大肠杆菌生长在较高的温度下(如42～50℃)，某些基因则迅速表达，诱导产生热激蛋白，这种现象称为热激应答反应(heatshockresponse)。这是目前已知的最保守的遗传系统，存在于每一种生物体内，包括从古生菌到真细菌，从植物到动物。在热激应答反应的传感蛋白可能是HSP70蛋白，它本身是一种热