【正文】 第六章 原核生物的基因表達調(diào)控 ? ? 操縱子學說 ? 色氨酸操縱子的表達調(diào)控 ? 其他操縱子 ? 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 ? 細菌的應急反應 原核生物基因表達調(diào)控概述 ? 基因表達 (gene expression) 是指儲存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個過程。 典型的基因表達是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程。 ? 既然從 DNA到蛋白質(zhì)的過程稱為基因表達 ， 對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達調(diào)控 （ gene regulation或 gene control） 。 基因表達調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學研究的中心課題 。 ? 基因組 (genome) 是指含有一個生物體生存、發(fā)育、活動和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸。 ? 但生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達出來的，大腸桿菌基因組含有約 4000個基因，一般情況下只有 5－ 10%在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達，有的就暫時不表達。 ? ? 改變基因表達的情況以適應環(huán)境 ， 在 原核生物 、 單細胞生物 中尤其顯得突出和重要 ， 因為細胞的生存環(huán)境經(jīng)常會有劇烈的變化 。 ? 原核生物 中 ， 營養(yǎng)狀況 （ nutritional status） 和 環(huán)境因素 （ environmental factor） 對基因表達起著舉足輕重的影響 。 調(diào)控是為了適應環(huán)境獲取營養(yǎng)達到生存即分裂繁殖的最優(yōu)化 （ 原核既無充足的能源貯備 ， 又無高等植物制造有機物的本領 ） 。 所以調(diào)控體現(xiàn) 1個 “ 快 ” 字 ， 快速適應環(huán)境 ， 獲取營養(yǎng) ，合成必需蛋白質(zhì) 、 降解不必要成分 。 這是長期進化 ， 獲得的適應應變能力 。 ? 例如：周圍有充足的葡萄糖 ， 細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類的酶類 ， 當外界沒有葡萄糖時 ， 細菌就要適應環(huán)境中存在的其它糖類(如乳糖 、 半乳糖 、 阿拉伯糖等 )， 開放能利用這些糖的酶類基因 ， 以滿足生長的需要 。 ? 即使是內(nèi)環(huán)境保持穩(wěn)定的高等哺乳類 ， 也經(jīng)常要變動基因的表達來適應環(huán)境 ， 例如與適宜溫度下生活相比較 ， 在冷或熱環(huán)境下適應生活的動物 ， 其肝臟合成的蛋白質(zhì)圖譜就有明顯的不同 。 ? 所以 ， 基因表達調(diào)控是生物適應環(huán)境生存的必需 。 ? 不同組織細胞中不僅表達的基因數(shù)量不相同，而且基因表達的強度和種類也各不相同，這就是基因表達的組織特異性 (tissue specificity)。 ? 例如肝細胞中涉及編碼鳥氨酸循環(huán)酶類的基因表達水平高于其它組織細胞，合成的某些酶 (如精氨酸酶 )為肝臟所特有；胰島 β 細胞合成胰島素；甲狀腺濾泡旁細胞 (C細胞 )專一分泌降血鈣素等。 ? 細胞分化發(fā)育的不同時期 ， 基因表達的情況是不相同的 ，這就是基因表達的階段特異性 (stagespecificity)。 ? 真核生物 尤其是高等真核生物中 ， 激素水平 （ hormone level） 和 發(fā)育階段 （ developmental stage） 是基因表達調(diào)控的最主要手段 ， 營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降 。 ? ? 一個受精卵含有發(fā)育成一個成熟個體的全部遺傳信息 ， 在個體發(fā)育分化的各個階段 ， 各種基因極為有序地表達 ， 一般在胚胎時期基因開放的數(shù)量最多 ， 隨著分化發(fā)展 ， 細胞中某些基因關閉 (turn off)、 某些基因轉(zhuǎn)向開放 (turn on)， 胚胎發(fā)育不同階段 、 不同部位的細胞中開放的基因及其開放的程度不一樣 ， 合成蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量都不相同 ， 顯示出基因表達調(diào)控在空間和時間上極高的有序性 ，從而逐步生成形態(tài)與功能各不相同 、 極為協(xié)調(diào) 、 巧妙有序的組織臟器 。 ? 遺傳程序調(diào)控 ， 該遺傳程序是構(gòu)成胚胎發(fā)育和組織分化的基礎 。 僅極少基因間接或直接受環(huán)境因素的影響 。 這一特點使真核在千變?nèi)f化的環(huán)境下 ， 主要組織或器官仍能維持正常功能 （ “ 處世不驚 ” ） 。 ? 從上所述 ， 不難看出：生物的基因表達不是雜亂無章的 ， 而是受著 嚴密 、 精確調(diào)控 的 ， 不僅生命的遺傳信息是生物生存所必需的 ， 而且遺傳信息的表達調(diào)控也是生命本質(zhì)所在 。 基因表達的模式 ? 生物體內(nèi)的基因調(diào)控各不相同 ， 基因表達隨環(huán)境變化的情況 ， 可以大致把基因表達分成兩類： ? ① 組成性表達 (constitutive expression)指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達 。 ? 其中某些基因表達產(chǎn)物是細胞或生物體整個生命過程中都持續(xù)需要而必不可少的 ， 這類基因可稱為看家基因 (housekeeping gene)， 這些基因中不少是在生物個體其它組織細胞 、 甚至在同一物種的細胞中都是持續(xù)表達的 ， 可以看成是細胞基本的基因表達 。 ? 組成性基因表達也不是一成不變的 ， 其表達強弱也是受一定機制調(diào)控的 。 ? ② 適應性表達 (adaptive expression)指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。 ? 應環(huán)境條件變化基因表達水平增高的現(xiàn)象稱為誘導 (induction)，這類基因被稱為 可誘導的基因 (inducible gene)； ? 相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應的基因被稱為 可阻遏的基因 (repressible gene)。 原核基因表達調(diào)控的特點與方式 基因表達調(diào)控主要表現(xiàn)在以下兩方面： ? 1． 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控 （ transcriptional regulation） ； ? 2． 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 （ posttranscriptional regulation） ， 包括 ? ① mRNA加工成熟水平上的調(diào)控 ? （ differential processing of RNA transcript） ； ? ② 翻譯水平上的調(diào)控 ? （ differential translation of mRNA） 。 真原核調(diào)控的主要水平（主調(diào)）都在轉(zhuǎn)錄水平 。因為： （既不需要，何必轉(zhuǎn)錄）。 pol 沒有糾錯功能（ DNA pol 有） 微調(diào) DNA水平 轉(zhuǎn)錄后水平 原核調(diào)控余步不大，因其轉(zhuǎn)錄翻譯同一個 pt進行。 翻譯水平 是原核次要調(diào)控水平 。 翻譯后水平 ? 調(diào)控的基本方式 ? 真原核調(diào)控的基本方式都是通過調(diào)控因子： 質(zhì)（主） 和 對基因表達實現(xiàn)正控制或負控制（也稱正調(diào)控和負調(diào)控） ? 調(diào)控物質(zhì)的化學本質(zhì) 蛋白質(zhì)、核酸、小分子化合物。 ? 在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達的調(diào)控決定于 DNA的結(jié)構(gòu) 、RNA聚合酶的功能 、 蛋白因子及其他小分子配基 的相互作用 。 ? 因為細菌 mRNA在形成過程中與核糖體混合在一起，所以，細菌的轉(zhuǎn)錄與翻譯過程幾乎發(fā)生在同一時間間隔內(nèi)，轉(zhuǎn)錄與翻譯相耦聯(lián)（ coupled transcription and translation）。 ? 真核生物中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（ primary transcript）只有從核內(nèi)運轉(zhuǎn)到核外，才能被核糖體翻譯成蛋白質(zhì)。 原核基因表達調(diào)控的幾個重要概念 ? ? ? ? ? 操縱子學說 ? 法國巴斯德研究院的 Francois Jacob與 Jacques Monod于 1960年在法國科學院院報 (Proceeding of the French Academy of Sciences)上發(fā)表了一篇論文，提出乳糖代謝中的兩個基因被一靠近它們的遺傳因子所調(diào)節(jié)。這二個基因為 β半乳糖苷酶 (βgalactosidase)和半乳糖苷透過酶(galactoside permease)。 ? 在此文中他們首先提出了 操縱子 (operon)和操縱基因(operator)的概念 ，他們的操縱子學說 (theory of operon)使我們得以從分子水平認識基因表達的調(diào)控，是一個劃時代的突破，因此他們二人于 1965年榮獲諾貝爾生理學獎。 一、操縱子 (operon) 細菌能 隨環(huán)境的變化 ， 迅速改變某些基因表達的狀態(tài) ， 這就是很好的基因表達調(diào)控的實驗模型 。 人們就是從研究這種現(xiàn)象開始 ， 打開認識基因表達調(diào)控分子機理的窗口的 。 大腸桿菌可以利用 葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖 等作為碳源而生長繁殖，當培養(yǎng)基中含有 葡萄糖和乳糖 時，細菌 優(yōu)先 利用葡萄糖，當葡萄糖耗盡，細菌停止生長，經(jīng)過短時間的適應 ，就能利用乳糖，細菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長。 大腸桿菌利用乳糖至少需要 兩個酶 ：促使乳糖進入細菌的 半乳糖透過酶 (lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 ?－半乳糖苷酶 (? galactosidase)。 在環(huán)境中 沒有乳糖或其他 ? 半乳糖苷 時 ，大腸桿菌合成 ? 半乳糖苷酶量 極少 ， 加入乳糖23分鐘后 ， 細菌大量合成 ? 半乳糖苷酶 ， 其量可提高 千倍 以上 ， 在以乳糖作為唯一碳源時 ，菌體內(nèi)的 ? 半乳糖苷酶量可占到細菌總蛋白量的 3%。 在上述二階段生長細菌利用乳糖再次繁殖前 ，也能測出細菌中 ? 半乳糖苷酶活性 顯著增高 的過程 。 這種典型的 誘導現(xiàn)象 ， 是研究基因表達調(diào)控極好的 模型 。 針對大腸桿菌利用乳糖的適應現(xiàn)象 ，法國的 Jocob和 Monod等人做了一系列遺傳學和生化學研究實驗 ， 于 1961年提出 乳糖操縱子（ lac operon） 學說 。 2. 操縱子的基本組成 乳糖操縱子模型已被許多研究實驗所證實，對其有了更深入的認識，并且發(fā)現(xiàn)其他原核生物基因調(diào)控也有類似的 操縱子組織 ，操縱子是原核基因表達調(diào)控的一種重要的組織形式 ，大腸桿菌的基因 多數(shù)以操縱子的形式組成基因表達調(diào)控的單元 。 下面就以乳糖操縱子為例子說明操縱子的 最基本的組成元件 （ elements）。 (1) 結(jié)構(gòu)基因群 操縱子中被調(diào)控的 編碼蛋白質(zhì)的基因可稱為結(jié)構(gòu)基因 (structural gene, SG)。 一個操縱子中含有 2個以上的結(jié)構(gòu)基因 ， 多的可達十幾個 。 每個結(jié)構(gòu)基因是一個連續(xù)的 開放閱讀框 (open reading frame), 5’ 端有起始密碼 ATG， 3’ 端有終止密碼