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基因表达调控的重要性和形式 • 每一种生物的基因组都含有一定数目的基因，但这些基因在一个细胞里并不都会表达，那些表达的基因表达的强度也不一定相同。以E. coli为例，其基因组总共能编码几千种蛋白质，但在正常的生长条件下，一个细胞仅合成600~800种不同的蛋白质。显然，多数基因并没有表达。之所以出现这样的情形，是因为细胞内的基因表达受到严格的调控。实际上，生物体内的基因根据表达的状况可分为两类，一类是管家基因，另一类是奢侈基因。管家基因始终表达，表达的量也相对恒定，因此又称为组成型基因，奢侈基因只是在特定的时段里或者在需要的时候才表达。不管是管家基因还是奢侈基因，表达都受到调控，只是调控的方式不一样。 • 理论上，一种基因表达的调控可以在多种水平上展开，包括DNA水平、转录水平、转录后加工水平、翻译水平、翻译后加工水平等。但在所有调控方式中，从节省能量的角度来看，对基因表达关闭的越早越好，这样不至于将能量浪费在mRNA和蛋白质的合成上。就这一点而言，转录的起始阶段是最佳调控位点。 • 原核生物是单细胞生物，一般生活在多变的环境中，需要随时根据环境条件的变化调整自身基因的表达，以使代谢过程能够适应环境的变化，从而更好地生存和繁衍。
基因表达调控的两种方式 • 基因的表达模式都可根据控制的效果分为正调控和负调控。如果是在转录水平的调控，这两种调控模式一般都涉及到特定的调节蛋白与DNA特定序列之间的相互作用。一般将与调节蛋白结合的特定DNA序列称为顺式作用元件，而对于原核生物来说，这样的顺式作用元件经常被称为操纵基因。 • 如果是负调控，则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活的情况下，基因正常表达。一旦存在调节蛋白或者调节蛋白被激活，基因则不能表达。因此，负调控中的调节蛋白被称为阻遏蛋白； • 如果是正调控，则在没有调节蛋白或者调节蛋白失活的情况下，基因不表达或者表达量不足。一旦有调节蛋白或者调节蛋白被激活，基因才能表达或者大量表达。因此，正调控中的调节蛋白被称为激活蛋白。
在DNA水平的调控 • 启动子序列对基因表达的调控 • DNA重组对DNA表达的调控 DNA重组可以改变控制基因表达的元件与受控基因之间的距离和方向，因而可以成为控制基因表达的一种手段。
在转录水平的调控 • 转录起始阶段的调控 （1）不同σ因子的选择性使用 （2）操纵子调控模型 （3）几种重要的操纵子 • 转录终止阶段的调控 （1）抗终止作用 （2）弱化
不同σ因子的选择性使用 • 原核生物识别启动子序列的是σ因子。不同的σ因子可识别不同的启动子序列，E. coli主要使用σ70。在特殊的条件下，其它类型的σ因子被表达或被激活。这些新的σ因子识别的是其它类型的启动子，其一致序列不同于σ70所识别的启动子，从而指导RNA pol启动一些新基因的表达。这样的调控系统使有机体能够对在特定条件下需要表达的多个基因进行统一的调控。
σ因子的级联与SPO1噬菌体不同时期基因表达之间的关系σ因子的级联与SPO1噬菌体不同时期基因表达之间的关系
操纵子模型 • 第一个被阐明的基因表达调控系统是由法国巴斯德研究所的Francois Jacob和Jacques Monod于1962年提出来的大肠杆菌基因表达的操纵子模型。事实证明，大多数原核生物的基因表达调控都采取这种方式，尽管真核细胞没有操纵子的结构，但模型中的一些基本原理也适用于真核生物。 • 操纵子模型认为：一些功能相关的结构基因成簇存在，构成所谓的多顺反子，它们的表达作为一个整体受到控制元件的调节。控制元件由启动子、操纵基因）和调节基因组成。调节基因编码调节蛋白，与操作子结合而调节结构基因的表达。
乳糖操纵子 • 乳糖操纵子属于诱导型操纵子，其天然的诱导物是乳糖的异构体——别乳糖，它既受到负调控，又受到正调控。 • 乳糖操纵子的负调控 • 乳糖操纵子的正调控
乳糖对乳糖代谢酶的诱导 • 如果供大肠杆菌生长的培养基中没有乳糖，那么细胞内参与乳糖分解代谢的三种酶，即β-半乳糖苷酶、乳糖透过酶和巯基半乳糖苷转乙酰酶很少，如每个细胞的β-半乳糖苷酶的平均含量只有0.5个～5个。可是一旦在培养基中加入乳糖或某些乳糖的类似物，则在几分钟内，每个细胞中的β-半乳糖苷酶分子数量骤增，可高达5 000个，有时甚至可占细菌可溶性蛋白的 5％～10％。与此同时，其它两种酶的分子数也迅速提高。由此可见，新合成的β-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰化酶由底物乳糖或其类似物直接诱导产生，乳糖及其相关类似物被称为诱导物。
大肠杆菌乳糖操纵子的结构 • 1个调节基因（lacI）——位于Plac附近，有其自身的启动子和终止子，转录方向和结构基因的转录方向相反，呈低水平的组成型表达，编码阻遏蛋白 • 1个操纵基因（lacO）—— 位于Plac和lacZ基因之间，为阻遏蛋白结合的位点 • 1个启动子（Plac） • 3个结构基因（lacZ、lacY和lacA）组成。lacZ编码β-半乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖异构化为别乳糖，绝大多数乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY基因编码半乳糖透过酶，其功能是使环境中的β-半乳糖苷能透过细胞壁和细胞膜进入细胞内；lacA基因编码转乙酰基酶。转录时，RNA聚合酶首先与Plac结合，通过lacO向右，按lacZ→lacY→lacA方向进行转录，每次转录出来的一条mRNA上都带有这3个基因。
乳糖操纵子三个阻遏蛋白结合位点的结构特征及其作用乳糖操纵子三个阻遏蛋白结合位点的结构特征及其作用
乳糖操纵子的正调控 • 葡萄糖效应——在有葡萄糖存在时，细菌优先利用环境中的葡萄糖，即使有诱导物乳糖的存在，乳糖操纵子也处于被抑制的状态，直到葡萄糖被消耗完后才能解除抑制，这时细菌才开始利用乳糖进行生长。这说明乳糖的存在仅仅是乳糖操纵子开放的必要条件，但还不是充要条件。 • 同时有乳糖和葡萄糖的情况下，乳糖操纵子也不能正常开放呢的原因是乳糖操纵子的开放还需要一种称为cAMP受体蛋白（CRP）的激活蛋白的正调控。只有在负调控不起作用、正调控起作用的条件下，乳糖操纵子才能开放。
CRP的结构与功能 • CRP也称为分解代谢物激活蛋白（CAP），它也是很多其它与分解代谢有关的操纵子的激活蛋白，包括乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子、半乳糖操纵子和麦芽糖操纵子等近100个以上的启动子受到它的激活。这种由同一种调控蛋白调节多个操纵子基因表达活性的调控方式被称为调谐子。在这些操纵子的附近，都含有CAP结合位点。以乳糖操纵子为例，它的CAP结合位点位于Plac上游。序列分析表明，CAP位点序列与操纵基因的序列一样，含有两段反向重复序列（GTGAG），而每一段即是CAP的半个结合位点。这样的性质特别适合二聚体的CAP-cAMP与其结合，因为一个单体与其中的一段反向重复序列结合。与阻遏蛋白一样，CAP也是通过螺旋-转角-螺旋这种DNA结合模体在大沟与结合位点结合。 • CAP-cAMP同DNA结合后，可以引起DNA的弯曲，增强RNA pol与DNA的结合能力，并协助DNA双螺旋的解链，使RNA pol的转录活性提高20~50倍。在CAP未与cAMP结合时，它是没有活性的。当cAMP浓度升高时，CAP与cAMP结合并发生构象的变化而被活化，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。相反，当有葡萄糖可供分解利用时，cAMP浓度降低，CAP不能被活化，乳糖操纵子的结构基因表达下降。
CAP-cAMP与其结合位点结合以后导致DNA发生的弯曲CAP-cAMP与其结合位点结合以后导致DNA发生的弯曲
为什么乳糖操纵子既要受到负调控，又要受到正调控？为什么乳糖操纵子既要受到负调控，又要受到正调控？ • 一是使细胞能够优先利用葡萄糖，而优先利用葡萄糖对细胞来说是有益的，因为参与葡萄糖分解的基因均是管家基因，这样葡萄糖可以迅速地被分解，为细胞提供能量； • 二是lac启动子序列与启动子的一致序列相差较大，是一个弱启动子，而CAP-cAMP的激活就弥补了其启动子活性的“先天不足”。
大肠杆菌的阿拉伯糖操纵子 • 阿拉伯糖操纵子编码3个与阿拉伯糖代谢有关的酶：阿拉伯糖异构酶，催化阿拉伯糖异构成核酮糖，由araA基因编码；核酮糖激酶，催化核酮糖的磷酸化，由araB基因编码；核酮糖-5-磷酸差向异构酶，由araD基因编码，催化核酮糖-5-磷酸异构成木酮糖-5-磷酸，使之进入磷酸戊糖途径进行代谢。这3个结构基因按照araB、araA和araD的顺序排列，简称为araBAD，共同受araC基因的产物AraC蛋白和CAP-cAMP控制。 • 与乳糖操纵子不同的是，阿拉伯糖操纵子的调节蛋白既是一种激活蛋白，又是一种阻遏蛋白。
麦芽糖操纵子 • 麦芽糖操纵子控制几个与麦芽糖吸收和分解有关的酶基因的表达。受到调控的结构基因一个是malP——编码麦芽糊精磷酸化酶促进麦芽糖运输到细胞内，另一个是malQ——编码麦芽糖酶，将进入细胞的麦芽糖水解成葡萄糖。 • 与乳糖操纵子相似的是，它也属于诱导型操纵子，也受到CAP-cAMP的激活。但与乳糖操纵子不同的是，作为诱导物的麦芽糖不是与阻遏蛋白结合，导致阻遏蛋白的失活，而是与激活蛋白——MalT结合，激活MalT。在没有葡萄糖的条件下，被激活的MalT与CAP-cAMP一道打开麦芽糖操纵子，使malP和malQ得以表达。
抗汞离子操纵子 • 存在于Tn501之中的mer操纵子的结构基因包括merT、merP、merA和merD，其中merT和merP编码运输蛋白，merA编码汞离子还原酶，将Hg2+还原成低毒、易挥发的Hg，merD编码一种调节蛋白；操纵基因位于启动子内部，在－35区和－10区之间；调节基因为merR，编码调节蛋白MerR。。 • 如果存在Hg2+，单个汞离子与MerR的结合就足以激活它，使其作为激活蛋白强烈诱导抗汞离子的基因表达；如果没有Hg2+，MerR就作为阻遏蛋白阻止抗汞离子基因的表达。 • MerR激活抗汞基因表达的机制非常特别，它作为激活蛋白与操纵基因结合以后，能够改变启动子的构象，对启动子DNA施加别构效应，使其更容易被RNA pol识别、结合。这所以需要以这样的方式激活，是因为mer操纵子的启动子结构比较特别：其－35区和－10区之间的间隔序列不是通常的17±1bp，而是19bp，比正常的间隔序列长，这样的结构使得RNA pol识别的两个元件（－35区和－10区）位于DNA双螺旋两边，很难被聚合酶识别和结合。而一旦MerR-Hg2+与操纵基因结合，就扭曲－35区和－10区之间的间隔序列，使－35区和－10区处于合适的位置，容易被RNA pol能够识别、结合，从而启动mer启动子的转录。
在有Hg2+的条件下，MerR激活抗汞基因表达的机制在有Hg2+的条件下，MerR激活抗汞基因表达的机制
大肠杆菌的色氨酸操纵子 • 色氨酸操纵子是一种阻遏型的操纵子，它控制5种参与色氨酸合成酶基因的表达。色氨酸作为辅阻遏物与阻遏蛋白结合而阻止色氨酸操纵子的表达。 • 除了色氨酸操纵子是阻遏型以外，其它与合成代谢有关的操纵子，如组氨酸操纵子，也都属于阻遏型操纵子。一般说来，控制分解代谢的操纵子为诱导型，控制合成代谢的操纵子属于阻遏型。操纵子发生这样的分化使得细胞能够迅速对环境或细胞内部的代谢变化做出反应。
大肠杆菌色氨酸操纵子的结构与功能 • 由一个启动子、一个操纵基因、一个前导肽编码基因（trpL）和5个结构基因（trpE、trpD、trpC、trpB、trpA）以及一个调节基因（trpR）组成。结构基因编码将莽草酸转化为色氨酸的关键酶。trpR编码阻遏蛋白，它距结构基因的距离较远。 • 当色氨酸含量低时，阻遏蛋白没有结合DNA的活性。这时，操纵基因区域便可以同RNA pol结合，转录得以进行，表达参与色氨酸合成的基因，补充细胞内色氨酸的含量；当色氨酸充足时，它作为辅阻遏物同阻遏蛋白结合后，会引起阻遏蛋白构象变化，使其能够同操纵基因结合，阻遏色氨酸合成基因的转录。色氨酸合成途径的终产物会通过阻遏转录的进行抑制该途径酶的合成。
弱化 • 1981年，Charles Yanofsky在E. coli的trp操纵子之中发现弱化现象。他的发现基于两个独立的科学事实：（1）trp操纵子不因为trpR基因的缺失完全丧失调控功能。trp操纵子调控的“总调幅”约为700倍（开/关），但trpR基因被敲除的突变体仍然表现10倍幅度的调控（无Trp/有Trp）；（2）序列测定表明，trp操纵子在结构基因的5′-端含有一个不同寻常的ORF，但它并不编码与合成Trp有关的酶。首先，这个ORF可能编码一种短肽，里面有两个连续的Trp密码子，约占总密码子数目的10%。其次，相对于此ORF的mRNA含有二重对称的结构，能形成两种相互排斥的二级结构。其中有一种二级结构极像不依赖于ρ因子的转录终止子结构。 • 考虑到原核生物转录与翻译偶联的事实，Yanofsky提出了弱化子的模型。其主要的内容是：（1）RNA pol启动trp操纵子的转录；（2）在转录约90nt以后，RNA pol暂停在第一个二级结构之处；（3）核糖体开始与新生的mRNA结合，启动前导肽的合成；（4）RNA pol从暂停状态解除，继续转录；（5）RNA pol当到达潜在的终止子区域的时候，是继续转录还是停止转录取决于紧随其后的核糖体的位置；（6）如果细胞缺乏Trp，核糖体就会停留在两个连续的Trp密码子位置，等待有Trp-tRNATrp进入A部位，那么1区被隔离在核糖体内，无法与2区配对，于是2区和3区在4区被转录之间发生配对，迫使后来转录的4区处于单链状态，这就阻止了3区和4区形成终止子结构，转录即可以继续；（7）如果细胞里的Trp含量充足，核糖体能够连续地翻译前导肽，它就会覆盖了2区，阻止了2区与3区配对。于是，当4区被转录以后，就自发地与3区形成终止子结构，导致转录提前结束，产生约140bp的转录物。
RNA开关 • 在许多细菌（包括某些真核生物）内，发现一些特殊的双功能mRNA在非编码区含有特定代谢物的特异性结合位点，充当基因表达的开关，代谢物的结合改变了mRNA的构象，结果要么提高转录的终止效率，要么降低翻译的效率，要么影响到mRNA的后加工，从而改变一个基因的表达。RNA 开关或核开关就是指这一类特殊的mRNA。核开关能直接检测到细胞内一些重要的小分子代谢物的水平，并根据细胞的生理需要打开或关闭相关基因的表达。
双组分调节系统 • 此系统存在于所有的细菌或许多低等的真核生物，通过使用一对调节蛋白检测来自环境中的特定信号，并对信号作出反应。这一对蛋白质一个是感应器激酶，一个是反应调节蛋白。每一个蛋白质都是由两个结构域组成。感应器激酶含有1个检测环境信号的结构域和1个激酶活性结构域。一旦检测到特定的环境信号，感应器激酶结构域的一个保守的His残基发生自我磷酸化（磷酸基团来自ATP的γ-磷酸）。然后这个磷酸根被转移到位于反应调节蛋白的第一个结构域上的一个保守的Asp残基上。反应调节蛋白的第二个结构域负责将信号转导到细胞内部。 • 由于反应调节蛋白的磷酸化通常激活其潜在的转录调节的活性，于是来自环境中特定的信号最终诱发了特定基因表达的变化。
抗终止作用 • 转录的终止依赖于终止子。但不同终止子的作用也有强弱之分，有的终止子几乎能完全终止转录；有的则只是部分终止转录，一部分RNA pol能越过这类终止序列继续转录。如果操纵子的结构基因群中间有弱终止子存在，则前后转录产物的量会有所不同，这也是终止子调节基因群中不同基因表达产物比例的一种方式。有的蛋白质因子能作用于终止子序列，减弱或取消终止子的作用，称为抗终止作用，这些蛋白因子就称为抗终止因子。当然也有一些蛋白质因子能够促进终止子的作用。两种情况都可以用来调节基因的表达，
