第 六 章

基因的表达与调控（上） ---原核基因的表达调控模式

6.1 基因表达调控的现象和概念 • 6.1.1 、基因表达调控是生命的必需• 基因表达 (gene expression) 是指储存遗传信息的基

因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。

• 既然从 DNA 到蛋白质的过程称为基因表达，对这个过程的调节就称为基因表达调控（ gene regulation 或 gene control ）。基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。

• 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。

• • 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) 。

• 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。

• 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) 。

• 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。

• 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。

6.1.2 、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。

• 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 (i

nduction) ，这类基因被称为可诱导的基因 (inducible g

ene) ；

• 相反，随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) 。

• 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。

• 所以，基因表达调控是生物适应环境生存的必需。

基因表达调控主要表现在以下两方面：• 1 ．转录水平上的调控（ transcriptional regulation ）；• 2 ．转录后水平上的调控（ post-transcriptional

regulation ），包括•  ① mRNA 加工成熟水平上的调控• （ differential processing of RNA transcript ）；• ② 翻译水平上的调控• （ differential translation of mRNA ）。

6.2 原核基因表达调控总论

• 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。

• 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。

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。

• 诱导转录的转录因子称之激活剂（ activators ），而阻遏转录的称之为阻遏物（ repressors ）。转录因子起着激活剂作用，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。

• 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。

　　　　　

调节机制

• 原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为

• 负转录调控

（ negative transcription regulation ）

• 正转录调控

（ positive transcription regulation ）。

6.2.1 原核基因调控机制的类型与特点

• 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。

• 在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（ activator ）。

• 也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导系统和正控阻遏系统。

• 在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；

• 在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态。

• 参与大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质可能是 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。

• 与上述 σ 因子特异性结合 DNA 上的 -35 区和 -1

0 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。

6.2.2 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。

6.2.3 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。

• 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。

6.2.4  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。

• 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 于

1960年在法国科学院院报 (Proceeding of the French Academy o

f Sciences) 上发表了一篇论文，提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。这二个基因为 β-半乳糖苷酶 (β-ga

lactosidase) 和半乳糖苷透过酶 (galactoside permease) 。• 在此文中他们首先提出了操纵子 (operon) 和操纵基因 (oper

ator) 的概念，他们的操纵子学说 (theory of operon)使我们得以从分子水平认识基因表达的调控，是一个划时代的突破，因此他们二人于 1965年荣获诺贝尔生理学奖。

• 大肠杆菌能以乳糖为唯一碳源生长，这是由于它能产生一套利用乳糖的酶。

• 这些酶受乳糖操纵子的控制。大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌 DNA 的一个特定区段，由调节基因 I ，启动基因 P ，操纵基因 O 和结构基因 Z 、 Y 、 A 组成。

• P 区是转录起始时 RNA 聚合酶的结合部位。• O 区是阻遏蛋白的结合部位，其功能是控制结构基因的转录。• 平时 I 基因经常进行转录和翻译，产生有活性的阻遏蛋白。

• Z 编码 β-半乳糖苷酶； Y 编码 β-半乳糖苷透过酶；A 编码 β-半乳糖苷乙酰基转移酶。

• β-半乳糖苷酶是一种 β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。

• β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的 β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。

• β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶 A 上的乙酰基转到 β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。

RNA 聚合酶结合部位

阻遏物结合部位

• 乳糖操纵子的控制模型，其主要内容如下：

• ① Z 、 Y 、 A 基因的产物由同一条多顺反子的 mRNA 分子所编码。

② 这个 mRNA 分子的启动子紧接着 O 区，而位于 I 与 O 之间的启动子区（ P ），不能单独起动合成 β-半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。 ③ 操纵基因是 DNA 上的一小段序列（仅为 26bp ），是阻遏物的结合位点。 ④当阻遏物与操纵基因结合时， lac mRNA 的转录起始受到抑制。 ⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发 lacmRNA 的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始 mRNA 的合成。

                                                                                                 

     

                                                                         

             

                                                                                                                           

                    

                                                                                                                                                                 

                   

                                                                                                                                                                 

                   

• 当一个 mRNA含有编码一个以上蛋白质的编码信息，而且这些蛋白质都是以独立的多肽被翻译时，这样的 mRNA 称之多顺反子 mRNA 。多顺反子 mR

NA 在细菌中是很普遍的。• 多顺反子 lac mRNA 中的 lacZ ， lacY ， lacA经

翻译生成的产物分别为 LacZ （ β-半乳糖苷酶（ β-ga

lactosidase ））、 LacY （ β-半乳糖苷通透酶（ β-ga

lactoside permease ））和 LacA （ β-半乳糖苷转乙酰基酶（ thiogalactoside transacetylase ））。

• 别乳糖是 lac操纵子转录的活性诱导物，人们发现一个合成的、结构上类似于别乳糖、不能被 β- 半乳糖苷酶水解的 β- 半乳糖苷异丙基硫代半乳糖苷（ isopropyl thiogalactoside ： IPTG）起着 lac操纵子的一个诱导物的作用，所以 IPTG常用于诱导含有使用了 lac 启动子的质粒载体的细菌中的重组蛋白的表达。 　　

• lac 操纵子受 LacI阻遏蛋白调控。在没有诱导剂（乳糖或 IPTG）存在时， LacI阻遏蛋白与 lac 操纵子 DNA 序列结合得非常紧密， lac 基因不能进行转录。当 IPTG 存在时， IPTG与 LacI阻遏蛋白相互作用，形成 LacI阻遏蛋白－ IPTG复合物，体外研究表明，该复合物对 lac 操纵基因的亲和性为单独LacI阻遏蛋白的亲和性的千分之一。所以 IPTG作为 lac 基因表达的一个诱导剂，起着转录去阻遏作用。就象（下图）表示的那样， RNA 聚合酶的结合部位（ lac操纵基因）也是 LacI阻遏蛋白的结合部位，实验表明 RNA 聚合酶和 LacI阻遏蛋白对操纵基因序列的结合是相互排斥的。

• 通过去阻遏调控 lac操纵子只是调控的一种方式，另一调控系统也可起到 lac操纵子的转录诱导作用。分解物基因激活蛋白（ catabolic gene-activator protein: CAP ）可以部分调控细菌对糖的代谢。在有乳糖存在，而且葡萄糖水平低时， CAP 可以激活象 lac操纵子那样的操纵子的转录。　 当葡萄糖和乳糖都存在时，即使阻遏物不结合，转录也是非常弱的。然而当葡萄糖浓度降低，而乳糖仍然存在时，转录激烈增加。这是由于 CAP 是 lac操纵子的一个激活剂，并且起始了正调控转录。 cAMP 的作用象个调节器，它与 CAP 结合正向调控 CAP 的 DNA 结合活性。

• E.Coli 中葡萄糖转运将导致腺苷酸环化酶的去活化（作用），这使得细胞内 cAMP处于低水平。

• 因此当葡萄糖存在时， cAMP 水平低，而 CAP无活性。然而当葡萄糖水平低时，腺苷环化酶有活性，细胞内 cAMP 水平增加，导致CAP 的激活，结果促进 RNA 聚合酶与启动子结合，使转录增强。

• （下图）概括了在葡萄糖和乳糖水平低和高的条件下 lac操纵子的转录活性。只有当葡萄糖水平低，而乳糖存在时，lac操纵子才被最大程度地转录。当葡萄糖和乳糖的水平都很低时会出现什么现象呢？实验表明，尽管有激活的 CAP存在， lac 阻遏物与 lac操纵基因结合仍然能够阻止 RNA 聚合酶与启动子结合。

The circuitry for the effect is shown in the figure below . On the left is the situation for high glucose/low cAMP and on the right for low glucose/high cAMP:

• How does the CAP-cAMP stimulate transcription?

• In the first model, the CAP-cAMP interacts with the RNA polymerase by binding to the C-terminal domain of one of the the subunits.

• The second model has the increased transcription rate of the operon due to bending of the DNA because of the binding of CAP-cAMP Such binding can be observed experimentally.

• In fact, X-ray crystal structures of the CAP-cAMP bond to DN

A show a bending of this type. The bending might allow the RNA

polymerase to bind more tightly to the promoter.

CAP Binding Bends DNA

This DNA bending results in more efficient RNA polymerase binding

DNA

CAP

LacI

Crystal Structure of LacI and CAP Complexed to DNA

• The result is that the lac operon responds to both the presence or absence of lactose as well as to the level of glucose the cell has available.

• Here is a table that presents these possibilities in terms of lac mRNA synthesis:

Positive Control of Transcription: CAP

• Absence of the lac repressor is essential but not sufficient

for effective transcription of the lac operon. The activity

of RNA polymerase also depends on the presence of anot

her DNA-binding protein called catabolite activator pro

tein or CAP. CAP has two types of binding sites:

• One binds the nucleotide cyclic AMP; the other

• binds a sequence of 16 base pairs upstream of the promot

er

• However, CAP can bind to DNA only when cAMP is bound to CAP. so when cAMP levels in the cell are low, CAP fails to bind DNA and thus RNA polymerase cannot begin its work, even in the absence of the repressor.

• So the lac operon is under both negative (the repressor) and positive (CAP) control.

• CAP consists of two identical polypeptides (hence it is a homodimer). Toward the C-terminal, each has two regions of alpha helix with a sharp bend between them. The longer of these is called the recognition helix because it is responsible for recognizing and binding to a particular sequence of bases in DNA.

• There are actually three lac operators. The one commonly shown in diagrams is called lac O1. The others are downstream (lac O2) and upstream (lac O3) from this one. O2 and O3 are called auxiliary operators.

• Notice that O2 is placed within the lacZ reading frame! Also notice the slight sequence differences between the main operator (O1) and the other two.

• (CAP is the binding site for the cAMP:CAP complex and RNAP is the RNA polymerase binding site, otherwise known as the promoter).

• Gene transcription begins at a particular nucleotide shown in the figure as "+1". RNA polymerase actually binds to a site "upstream" (i.e., on the 5' side) of this site and opens the double helix so that transcription of one strand can begin.

• The binding site for RNA polymerase is called the promoter. In bacteria, two features of the promoter appear to be important:

• a sequence of TATAAT (or something similar) centered 10 nucleotides upstream of the +1 site and

• another sequence (TTGACA or something quite close to it) centered 35 nucleotides upstream.

The structure of a monomer of Lac repressor identifies several independent domains. Photograph kindly provided by Mitchell Lewis.

Repressor protein binds to the operator and is rele

ased by inducer

The crystal structure of the core region of Lac repressor identifies the interactions between monomers in the tetramer. Each monomer is identified by a different color. Photographs kindly provided by Alan Friedman.

The crystal structure of the core region of Lac repressor identifies the interactions between monomers in the tetramer. Each monomer is identified by a different color. Photographs kindly provided by Alan Friedman.

The crystal structure of the core region of Lac repressor identifies the interactions between monomers in the tetramer. Each monomer is identified by a different color. Photographs kindly provided by Alan Friedman.

The crystal structure of the core region of Lac repressor identifies the interactions between monomers in the tetramer. Each monomer is identified by a different color. Photographs kindly provided by Alan Friedman.

操纵基因的鉴定

• 小 结 1. The lac genes are controlled by a repressor

2. The lac operon can be induced

3. Repressor is controlled by a small molecule inducer

4. Repressor protein binds to the operator

5. Binding of inducer releases repressor from the operator

6. Repressor is a tetramer

7. Repressor binds to three operators and interacts

with RNA polymerase

8. Repressor is always bound to DNA

9. CAP functions in different ways in different target

operons

10. CAP bends DNA

Organization of Lac Operon and LacI

Operon

promoter

Ribosome initiation

Regulation of Gene Expression

IPTG also inducesSplitslactose

lactosetransport

??

The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not Lactose

Repressor Promoter LacY LacALacZOperatorCAPBinding RNA

Pol.

Repressor

Repressor

Repressor mRNA

Hey man, I’m constitutive

Come on, let me through

No wayJose!

CAP

The Lac Operon:When Glucose And Lactose Are Present

Repressor Promoter LacY LacALacZOperatorCAPBinding

Repressor

Repressor mRNA

Hey man, I’m constitutive

CAP

Lac

Repressor

Repressor

X

RNAPol.

RNAPol.

Great, I can transcribe!

Some transcription occurs, but at a slow rate

This lactose has bent me

out of shape

The Lac Operon:When Lactose Is Present But Not Glucose

Repressor Promoter LacY LacALacZOperatorCAPBinding

Repressor

Repressor mRNA

Hey man, I’m constitutive

CAPcAMP

Lac

Repressor

Repressor

X

This lactose has bent me

out of shape

CAPcAMP

CAPcAMP

Bind to mePolymerase

RNAPol.

RNAPol.

Yipee…!

The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is Present

Repressor Promoter LacY LacALacZOperatorCAPBinding

CAPcAMP

CAPcAMP

CAPcAMP

Bind to mePolymerase

RNAPol.

Repressor

Repressor mRNA

Hey man, I’m constitutive

Repressor

STOPRight therePolymerase

Alright, I’m off to the races . . .

Come on, let me through!