遗传学(第3版)第14章-基因表达调控

遗传学(第3版)第14章基因表达调控1.大肠杆菌乳糖操纵子的结构与调控机制2.原核生物的其他类型操纵子及其调控机制3.原核生物基因表达的翻译调节4.真核生物基因转录水平的调节5.真核生物基因转录后水平的调节6.真核生物基因的翻译和翻译后水平的调节7.非编码RNA对基因表达的调控作用原核生物是单细胞生物，以操纵子（operon）为单位的调控系统是其主要的调控方式。此外，也有许多翻译水平上的调控，如严紧反应与核糖体蛋白质合成的自身调节等。真核生物有细胞质和细胞核，其基因的转录和翻译分别在细胞核和细胞质中进行，因而处在一个非常纷繁复杂的控制系统中，表达通路的每一步都受到严格的调节。为适应机体生长和发育分化，各类细胞中都具有特异基因的表达和相应的调控机制。本章在真核生物基因表达调控的讨论中我们将侧重于RNA聚合酶Ⅱ所转录的这类基因的表达调控。14.1大肠杆菌乳糖操纵子的结构与调控机制14.1.1大肠杆菌乳糖操纵子的结构1961年F.Jacob和J.Monod研究大肠杆菌乳糖代谢系统，提出操纵子学说（operontheory）实验证明：结构基因lacZ、lacY和lacA连接在一起，分别编码β-半乳糖苷酶（Z）、半乳糖苷透性酶（Y）和硫代半乳糖苷转乙酰基酶（A），形成一个转录单位。转录从启动子（promoter，P）开始，并受操纵基因（operator，O）和调节基因（regulator，I）的控制。启动子和操纵基因位于乳糖结构基因的上游，依次互相连接。这样依次排列的P、O、Z、Y、A序列片段便构成了一个共表达的遗传单位——乳糖操纵子（lacoperon）（图14-1）。调节基因是一个独立的转录单位，它有自己的启动子。其表达产物为阻遏物（repressor），阻遏物既能阻止转录，又能识别小分子的诱导物。14.1.2乳糖操纵子的调控机制（1）乳糖操纵子的负控制乳糖操纵子中结构基因Z、Y、A转录为mRNA受到操纵基因的控制：阻遏物结合到操纵基因上阻断RNA聚合酶的转录活动结构基因转录关闭，未结合则使基因转录开启。原因是P和O在序列上有一定重叠，O被阻遏物占据时，RNA聚合酶就不可能与P结合，因而不能催化转录。当没有乳糖等诱导物时，阻遏物与操纵基因结合，使结构基因不能表达；它一旦与诱导物结合，便会发生构象变化、丧失活性，不再能结合操纵基因。在这种情况下，RNA聚合酶可顺利地通过操纵基因，启动结构基因的转录，3个基因所转录出的mRNA进而翻译成蛋白质（图14-1）。可见，调节基因表达的阻遏物的作用在于阻止转录，这种作用原理称为负控制（negativecontrol）。Jacob和Monod的研究表明，若β-半乳糖苷酶基因lacZ由Z+突变为Z-，则失去了合成β-半乳糖苷酶的能力组成型（或恒定型）突变体（constitutivemutant）：原来只有诱导物存在时才能进行酶合成的诱导性菌株，变成没有诱导物时也能进行酶合成的突变型。组成型突变多发生在I基因和O基因上，如野生型I+突变为I-，而O+则突变成OC。超阻遏突变体（superrepressionmutant）：丧失了所有合成结构基因产物的能力，如IS。①调节基因I的遗传分析Jacob和Monod在对I-和I+的部分二倍体研究中，发现对结构基因lacZ的调控，I+对I-呈显性（比较表14-1中的第1～3号菌株）。第3号和第4号菌株的结果说明I基因是反式作用，即跟其靶基因之间无论是顺式排列还是反式排列，都能够起到调控作用。I基因的另一突变型IS则丧失了诱导所有结构基因表达的能力，在部分合子ISZ+Y+/F′I+Z+Y+中IS呈显性，该菌株在诱导物存在时既不合成β-半乳糖苷酶，也不合成半乳糖苷透性酶（比较表14-1中的第5～6号菌株）。②操纵基因O的遗传分析阻遏物产生功能失活组成型突变，但在I基因未发生突变、能产生正常阻遏物的情况下，为什么也会出现菌株由诱导型转变为组成型呢？Jacob和Monod等设想，在邻近整套结构基因的上游有一段操纵基因序列，是阻遏物所识别并专一结合的部位。操纵基因序列的突变可导致阻遏物不能识别和结合到该部位上，从而造成乳糖操纵子的结构基因持续表达（图14-2）操纵基因组成型（OC）和调节基因组成型突变体（I-）二者究竟有什么区别呢？Monod等利用F′lac质粒构建了多种组合的部分二倍体，以研究说明二者的关系（图14-3）：（a）表型为野生型：野生型LacI蛋白是一种反式作用因子。lacI+基因编码的野生型阻遏蛋白能够在细胞内自由扩散，它既能与质粒本身的操纵基因位点O+结合，也能够跟细菌染色体上的操纵基因位点O+结合（b）维持阻遏状态：LacIS蛋白也是一种反式作用因子。由lacIS编码的超阻遏蛋白即使在有诱导物存在时也依然能够结合在质粒和细菌染色体的操纵基因位点O+上（c）lacOC是一种顺式作用位点。OC突变只能影响跟它位于同一条DNA分子上的结构基因lacZ+，使其表现为恒定的表达，而质粒中O+的存在并不影响细菌染色体中lacZ+基因的表达（2）乳糖操纵子的正调控在大肠杆菌中还发现有一种分子，其作用与阻遏物相反，它结合到操纵子的适当部位后可启动转录。这种调节机制属于正调控（positiveregulation）。1965年，B.Magasonik偶然发现，大肠杆菌中含有cAMP，而且细胞内cAMP的浓度与培养基中的葡萄糖有关，葡萄糖浓度越高，胞内cAMP越少；反之，葡萄糖的浓度降低，则cAMP的浓度会相应提高[图14-4（a）]乳糖操纵子突变体的分析结果证明cAMP与分解物阻遏现象确实存在一定关系。采用保护降解法已证实，在lacP区上游-72～-52bp的部位有一个CAP结合位点；但是CAP需要与cAMP先形成复合物，使CAP构象发生变化后，才能与DNA上的这一特定序列结合，促进RNA聚合酶更有效地结合到lac启动子上，增强结构基因的转录[图14-4（b）]。研究表明，细菌只有在只有乳糖而没有葡萄糖时，才会产生乳糖代谢的一系列酶，而这种有效的调控是通过CAP-cAMP构成的正调控系统和诱导物-阻遏物构成的负调控系统这两条途径的相互配合实现的（图14-5）。14.2原核生物的其他类型操纵子及其调控机制14.2.1半乳糖操纵子中的双重控制半乳糖操纵子（galactoseoperon）由操纵基因galO、启动子galP和紧密连锁的3个结构基因组成。结构基因galk编码：半乳糖激酶（galactokinase，GalK）galt编码：半乳糖转移酶（galactosetransferase，GalT）gale编码：半乳糖差向异构酶（galactoseepimerase，GalE）gal操纵子也有正、负两种调控方式。在gal操纵子中也发现有galI-和galOC两种组成型突变，表明galI阻遏物的作用机制是通过与操纵基因galO的结合而阻遏galmRNA的合成。从转录水平上看，gal操纵子是一个典型的负控制系统。该系统的诱导物是半乳糖。分析galP的突变发现，gal操纵子有两个相互重叠的启动子：galP1和galP2。前者的起始依赖CAP-cAMP，转录起点为S1，位于＋1；后者不依赖CAP-cAMP，转录起始点为S2，位于-5，两者相距4bp。两个启动子各有自己的Pribnow框：分别位于-12～-6和-17～-11（图14-6）。测定不同条件下所得到的galmRNA5′端序列表明，转录时启动子的选择取决于CAP-cAMP存在与否。当CAP-cAMP存在而无葡萄糖时，RNA聚合酶与galP1结合，以S1为转录起始点，说明该过程可被CAP-cAMP激活。当CAP-cAMP不存在而有葡萄糖时，RNA聚合酶就与galP2结合，采用S2为转录起始点，该过程可被CAP-cAMP抑制，这就是gal操纵子基因表达的双重控制14.2.2阿拉伯糖操纵子的双向控制在阿拉伯糖操纵子（arabinoseoperon，araoperon）中，同一个DNA结合蛋白既可充当阻遏物，又可作为激活因子，提供了一个双向控制极好的例子。催化阿拉伯糖代谢的酶分别由araA、araB、araD基因编码阿拉伯糖操纵子的结构与组成见图14-7（a），其双向控制的关键是：AraC蛋白能够以两种构象存在，对应两种功能：（1）在有阿拉伯糖时，AraC蛋白与诱导物阿拉伯糖结合，被激活成为一种诱导性蛋白，跟CAP-cAMP复合物共同结合到araI区域，促使RNA聚合酶结合于启动子上，促进ara操纵子的转录，发挥正调控作用［图14-7（b）］；（2）在缺乏阿拉伯糖时，AraC蛋白则会同时结合到araI和araO上，形成一个环，从而表现出阻遏物的性质，抑制转录［图14-7（c）］。14.2.3色氨酸操纵子基因表达的衰减作用（1）色氨酸操纵子的结构与调控因子色氨酸操纵子（tryptophanoperon，trpoperon）5个编码酶的结构基因紧密连锁，其中trpE和trpD的基因产物形成一个复合物，trpB和trpA的基因产物也构成一个四聚体的复合物，为色氨酸合成酶，催化色氨酸合成的最后两步反应（图14-8）。在trp操纵子的第一个结构基因E与操纵基因O之间有一段前导序列（leadersequence，L），在色氨酸合成中起着特殊的调控作用。此外，编码阻遏物的基因trpR远离trp操纵子区。另外，还有两个因子参与调控色氨酸操纵子——tRNAtrp（或称Trp-tRNA）和色氨酸-tRNA合成酶；它们的编码基因也在染色体上不同于色氨酸操纵子的位置。（3）色氨酸操纵子的衰减作用衰减调控仅出现在细菌中，它要求转录与翻译同步进行。此外，转录与翻译的速度必须大体一致，如果转录太快，或翻译太慢都无法协调衰减控制必需的几种因素之间的互作。衰减作用主要涉及氨基酸如色氨酸合成有关的操纵子。Trp操纵子启动子下游有一段140bp的引导顺序，终止信号位于+100～+140bp之间，可形成发夹结构，但取决于RNA多聚酶与核糖体之间的相对位置。引导顺序+50～+60bp有两个Trp密码子，当细胞中Trp水平很低时，核糖体会在这儿停留，拉开与RNA多聚酶间的距离，阻止终止信号形成发夹结构，转录正常进行。当细胞中有足够的Trp存在时，核糖体紧跟RNA聚合酶，在转录到达近+140bp位置时，终止信号形成发夹结构，RNA多聚酶脱离模板，转录停止。其它一些氨基酸，如组氨酸，亮氨酸和苏氨酸的生物合成也采取衰减控制模式（4）衰减作用的普遍性及其生物学意义对衰减作用机制可以严格控制基因表达，依据细胞内某一氨基酸水平的高低进行表达调控，是一种灵活的多重调控方式。一方面，当有活性阻遏物向无活性阻遏物转变的速率极低时，衰减系统能更加迅速地作出反应，使相应的氨基酸从较高浓度迅速下降；另一方面，若外源氨基酸的浓度过低，细菌又没有其他相应的内源氨基酸的合成体系，那么细菌将难以支持自身的生长。有了衰减体系的调节，便可通过转录mRNA来增加相应的氨基酸合成酶的合成，提高该种内源性氨基酸的浓度。衰减机制在控制基因产物的数量和种类的配比上起着快速而灵敏的调节作用，与阻遏物一起协同控制基因的表达，使之更为精密有效。因而，从生物进化角度来看，在细菌中像trp操纵子这样，除阻遏作用外，还演化出衰减子调控系统，具有重要的生物学意义。14.3原核生物基因表达的翻译调节14.3.1原核生物蛋白质合成的严紧反应在蛋白质合成中，核糖体直接或间接地控制着一系列酶的合成。当细胞饥饿时，蛋白质合成会骤然下降，细胞中的核糖体数目随之减少，rRNA和tRNA的合成大幅下降（可达10～20倍）。这种rRNA合成受控于氨基酸饥饿的现象称为严紧反应（stringentresponse）或严紧控制（stringentcontrol）。在大肠杆菌中发现野生型细胞在氨基酸饥饿时，细胞内很快增加一类异常的小分子化合物——鸟苷四磷酸和鸟苷五磷酸（ppGpp和pppGpp），其浓度可达500μmol/L，同时还出现rRNA合成的突然停止。更多研究表明，任何一种氨基酸的匮乏或者任何一种氨酰基tRNA合成酶失活的突变都