原核生物基因的表達(dá)調(diào)控

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1、原核生物基因表達(dá)的調(diào)控1.2色氨酸操縱子1.2.1色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)模型色氨酸操縱子包括色氨酸合成有關(guān)的5種酶的結(jié)構(gòu)基因，結(jié)構(gòu)與乳糖操縱子相似，不過在靠近啟動(dòng)子下游有一段前導(dǎo)序列，在該序列中有兩個(gè)緊密相連的色氨酸密碼子，其結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。1.2.2色氨酸操縱子的控調(diào)控機(jī)制　　當(dāng)環(huán)境中存在大量色氨酸時(shí)，大腸桿菌5種酶的轉(zhuǎn)錄同時(shí)受到抑制；當(dāng)色氨酸不足時(shí)，這５種酶的基因開始轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄；由此可知色氨酸作為阻遏物而不是誘導(dǎo)物參與調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。因此Trp操縱子是一個(gè)典型的可阻遏操縱元模型。圖1.3Trp操縱子結(jié)構(gòu)模式圖1.2.2.1阻遏調(diào)控系統(tǒng)色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)基因(trpR)產(chǎn)物阻遏物蛋白，在

2、有過量色氨酸存在時(shí)與之結(jié)合，成為有活性的阻遏物，它作用于操縱基因可阻止轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。詳見圖1.4。圖1.4Trp操縱子阻遏蛋白的調(diào)控1.2.2.2弱化子調(diào)控進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，除了阻遏物－操縱基因的調(diào)節(jié)外，還存在另一種在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)基因表達(dá)的衰減作用(attenuation)，用以終止和減弱轉(zhuǎn)錄[1-13]。這種調(diào)節(jié)的作用部位稱為衰減子（attenuator)，是一種位于結(jié)構(gòu)基因上游前導(dǎo)區(qū)的終止子。前導(dǎo)區(qū)編碼mRNA的前導(dǎo)序列(1eadersequence)，該序列可合成一段小肽(前導(dǎo)肽)，它在翻譯水平上控制前導(dǎo)區(qū)轉(zhuǎn)錄的終止。阻遏和衰減機(jī)制雖然都是在轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是它們的作用機(jī)制完全不

3、同，前者控制轉(zhuǎn)錄的起始，后者控制轉(zhuǎn)錄起始后是否繼續(xù)下去。衰減作用比之遏阻作用是更為精細(xì)的調(diào)節(jié)。衰減機(jī)制首先是從色氨酸操縱子的研究中弄清楚的。色氨酸mRNA的5＇端有162個(gè)核苷酸的前導(dǎo)序列，當(dāng)RNA的合成啟動(dòng)后除非缺乏色氨酸，否則大部分mRNA僅合成140個(gè)核苷酸即終止[12]。前導(dǎo)序列能編碼一小段14肽，其終止區(qū)具有潛在的莖環(huán)構(gòu)象和成串的U，表現(xiàn)出一段終止位點(diǎn)的特征。前導(dǎo)RNA鏈有4個(gè)區(qū)域彼此互補(bǔ)，可形成奇特的二級(jí)結(jié)構(gòu)。推測由于RNA的特殊空間結(jié)構(gòu)控制著轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。圖1.5弱化子調(diào)控除色氨酸外，苯丙氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸－纈氨酸和組氨酸的有關(guān)基因組中都存在衰減子的調(diào)節(jié)位點(diǎn)，其mR

4、NA前端有一段前導(dǎo)RNA，可編碼一小肽，能在翻譯水平上抑制相應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄，對(duì)遺傳信息的表達(dá)起著阻止或衰減的作用[1-4,6-13]。為了提高控制效率，前導(dǎo)RNA鏈中往往存在重復(fù)的調(diào)節(jié)密碼子，這現(xiàn)象在苯丙氨酸和組氨酸的前導(dǎo)序列中尤為明顯，前者有7個(gè)苯丙氨酸密碼子，1.3正調(diào)控系統(tǒng)和負(fù)調(diào)控系統(tǒng)正調(diào)控與負(fù)調(diào)控并非互相排斥的兩種機(jī)制，而是生物體適應(yīng)環(huán)境的需要，有的系統(tǒng)既有正調(diào)控又有負(fù)調(diào)控；原核生物以負(fù)調(diào)控為主，真核生物以正調(diào)控為主；降解代謝途徑中既有正調(diào)控又有負(fù)調(diào)控；合成代謝途徑中一般以負(fù)調(diào)控來控制產(chǎn)物自身的合成。有以下四種基本類型[12]，其調(diào)控機(jī)制見圖1.6所示所示。負(fù)性調(diào)控：減弱或阻止其調(diào)控

5、基因轉(zhuǎn)錄；包括：v可誘導(dǎo)負(fù)控制系統(tǒng)v可阻遏負(fù)控制系統(tǒng)正性調(diào)控：增強(qiáng)或起動(dòng)其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄，包括：v可誘導(dǎo)正控制系統(tǒng)v可阻遏正控制系統(tǒng)圖1.6原核生物基因表達(dá)調(diào)控的正負(fù)調(diào)控系統(tǒng)2轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控2tRNA；tRNA的數(shù)量，種類及位置都不固定。每個(gè)操縱子都有一個(gè)雙重啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)；第一個(gè)啟動(dòng)子在16SrRNA起始點(diǎn)上約300bp處，可能是基本的啟動(dòng)子。離P1110bp有第二個(gè)啟動(dòng)子P2。如圖2.1所示圖2.1大腸桿菌加工形成成熟rRNA的過程64種密碼子的利用率,發(fā)現(xiàn)三者對(duì)AUA的利用率依次為1%,32%,0%?？赡軐?duì)應(yīng)于稀有密碼子tRNA較少,高頻率使用這些稀有密碼子的基因,翻譯過程極易受阻。2.

6、2.3魔斑核苷酸水平對(duì)翻譯的影響Sands發(fā)現(xiàn)大腸桿菌缺陷型(trp-his-)[12,13]，在缺少任何一種氨基酸的培養(yǎng)基中,不但蛋白質(zhì)合成速率下降,而且RNA的合成也下降。后來又發(fā)現(xiàn)大腸桿菌突變株在色氨酸不足時(shí),蛋白質(zhì)合成停止,而RNA合成卻沒有下降。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)前者能合成魔斑(ppGpp和pppGpp)[16,17]。由于氨基酸缺乏,空載tRNA增多,空載tRNA在核糖體上將正常合成蛋白質(zhì)需要的GTP合成魔斑。PpGpp可以大范圍內(nèi)作出應(yīng)急反應(yīng),以控制核糖體和其它大分子的合成,活化蛋白水解酶。2.2.4小分子RNA（micRNA）調(diào)節(jié)翻譯大腸桿菌中與滲透壓有關(guān)的調(diào)節(jié)子是ompB、o

7、mpC和ompF相互不連鎖的三個(gè)座位組成[12，13]。當(dāng)培養(yǎng)基中滲透壓變化時(shí),ompF蛋白質(zhì)產(chǎn)量下降,同時(shí)ompC蛋白質(zhì)產(chǎn)量上升,保持該兩種蛋白質(zhì)總量恒定。在ompC基因上游不遠(yuǎn)處存在另一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元(反向-10和-35區(qū))。當(dāng)滲透壓增高時(shí),ompC可以雙向轉(zhuǎn)錄,除轉(zhuǎn)錄ompC基因外,還可以相反于ompC基因轉(zhuǎn)錄174個(gè)核苷酸RNA。這段轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物ompFmRNA5’端具有較強(qiáng)的同源性。通過分子雜交抑制了ompF、mRNA