| 单词 | 原核细胞的基因表达调控 |
| 释义 | 【原核细胞的基因表达调控】 拼译：regulation of expression in procarotes 任何细胞的结构、功能和行为特性都取决于基因的表达调控－遗传信息的转录，翻译过程。不论是多细胞还是单细胞生物，其生命周期都是不同的基因按严格的时空程序转录和翻译的结果。基因的表达调控一直是现代分子生物学和分子遗传学研究的焦点，这个领域的突破将对整个生物研究和现代生物技术的发展起关键作用。 转录的起始调控 1964年，杰克(F．Jacob)和莫诺(J．Monod)首先提出了启动基因的概念，认为启动基因启动RNA转录。他们还根据50年代、60年代大量的实验证据得出了操纵元学说。在大肠杆菌或其它细菌中，大量的实验结果都证明基因表达调控依赖于在转录水平上的阻遏蛋白，它和蛋白基因前面的一段叫做操纵子的DNA序列结合，从而抑制这些酶的转录。包括结构基因和控制区以及调控基因的整个核苷酸序列叫操纵元，就乳糖操纵元来说，从结构基因逆流而上紧挨着的DNA序列是操纵子，它是抑制基因LacI产物和阻遏蛋白的结合位点。阻遏蛋白本身有两个结合位点，一个是与操纵子结合的叫操纵子位点。另一个与诱导物结合叫做诱导物结合位点。当细胞中没有乳糖存在时，阻遏蛋白与操纵子结合，使操纵子及其后面的结构基因处于关闭状态，当细胞中有诱导物存在时，则阻遏蛋白与操纵子解离与诱导物结合，结构基因处于开放状态，RNA聚合酶结合并转录。操纵子再向上便是控制区叫启动子，乳糖操纵元的启动子可以分成两部分，上游部分是CAP－cAMP结合位点，下游部分是RNA聚合酶进入位点，每个位点又可以分为两部分：CAP－cAMP结合位点Ⅰ和位点Ⅱ。RNA聚合酶进入位点包括识别位点和结合位点。CAP－cAMP(cAMP受体蛋白)是一个广谱的正调控因子，在原料短缺，尤其是葡萄糖短缺时，生成cAMP，它和CAP结合再与CAP－cAMP结合位点结合，便可以激活糖代谢中涉及的一大批基因和操纵元。对于乳糖操纵元来说。基因表达需要具备两个条件：CAP－cAMP结合，阻遏蛋白从操纵子上解离下来和乳糖结合。这就意味着细胞中缺少葡萄糖，又有乳糖存在时操纵元才处于活化状态。RNA聚合酶在δ亚基制导下(1)结合到识别位点上；(2)移动到起始位点；(3)形成开放性启动子复合物，开始转录，经过转录和翻译合成Y、Z、A3种利用乳糖的酶。乳糖操纵元的建立，使基因表达调控研究在分子水平上飞速发展，现在利用分子生物学技术已经弄清：(1)Pribnow box：习惯上把开始转录的第1个碱基定为+1，沿转录方向为下游用正值表示，上游用负值表示。已经发现在－10左右有一个碱基序列是RNA聚合酶结合所必需的，其碱基序列是TATPuAT，它富含TA，所以便于DNA解链。(2)Sextama box，它也是RNA聚合酶覆盖的位点，在－35附近，其序列为TTGACA，它是DNA聚合酶最初的结合位点。RNA聚合酶借δ亚基的帮助识别该位点。(3)转录终止需要有一个徊文序列，富含GC区和终止信号。GC结合力较大。从而使转录速度减慢，徊文序列可形成一个茎环结构，便于转录酶在P因子的帮助下识别终止信号。这种由诱导物和阻遏蛋白结合从而诱导相关的几个基因表达，在分解代谢中是普遍存在的，如具有双启动子的半乳糖操纵元，具有正控制和负控制两种调节蛋白调控的阿拉伯糖操纵元，组氨酸利用操纵元、麦芽糖调节子等。象这类可诱导操纵元在分解代谢中一般都有正负两种控制机制相互协调。CAP－cAMP是正调控因子，它对很多操纵元都是正的调控，阻遏蛋白起负调控作用，由诱导物来解除它对转录的抑制。翻译和转录的偶联调控 细菌中还有负责合成的操纵元，如氨基酸合成的操纵元。在没有外源氨基酸时，这类操纵元表达，使细胞合成足够的氨基酸来合成蛋白质，如果有外源氨基酸存在，则细菌就不再自已合成，使操纵元关闭。这类受终产物阻遏的操纵元叫可阻遏操纵元。色氨酸操纵元就是一例。该操纵元编码E、D、C、B、A5个多肽链，它们组成3个酶复合物催化由分枝酸合成色氨酸。在TrpO和TtpE之间有一段162bp(碱基对)的前导序列L，它转录到mRNA中。1981年，亚诺夫斯基(Yanoffsky)小组根据对trp操纵元的多年研究，提出了衰减模型：当RNA聚合酶转录，随即核糖体结合于mRNA的5′端，它同时覆盖着部分DNA，沿mRNA5′→3′方向移动，当达到AUG起始密码时，开始翻译。如果处于高色氨酸浓度时，Trp－tRNA也增多，正在翻译的核糖体就可以顺利进入前导区，遇到UGA便停下来。由于核糖体的位阻效应，使前导RNA不能形成保护子，于是前空白子的发夹结构也不能形成。此时RNA聚合酶向前转录，所转录的RNA和8个U序列便可能形成终止子茎环结构，核糖体到此遇到终止结构即停止，使基因表达出现衰减现象，表达率下降，只翻译前导肽，当细胞不存在色氨酸时，相应的trp－tRNA也不存在，核糖体沿3′翻译到Trp－Trp密码子，因缺少Frp－tRNA而停止，从而空间位阻阻止了保护子的形成而形成前空白子茎环结构，同时也阻止了终止子的形成，于是RNA聚合酶转录并翻译，结构基因得以表达。其生物学作用是：当色氨酸过量时，生物停止合成相应的酶系，当色氨酸不足时该酶系合成。现已证明这种衰减子的结构存在于苯丙氨酸、苏氨酸、亮和异亮氨酸等多种操纵元中。翻译水平上的调控 (1)反义RNA的调控作用。1983年西蒙(M．simon)发现了反义RNA在翻译水平上的调控作用。反义RNA通过互补碱基与相应的mRNA的S．D序列(核糖体结合序列)、起始密码子结合，从而抑制相应的mRNA翻译。反义RNA实质上就是RNA的互补RNA，由于它可以干扰相应mRNA的翻译，又叫干扰mRNA的互补RNA(即micRNA)。1984年，艾赞特(Izant)等提出了用反义RNA治疗病毒病，现已取得了举世瞩目的进展。(2)mRNA的寿命对基因表达的调控，不同的RNA有不同的降解速度，已经发现凡是影响终止中DLoop结构形成的突变都会影响该mRNA的寿命，可见终止子还决定了mRNA的寿命。参与mRNA降解的主要是RNA酶Ⅲ，它需要特定的2级结构，终止子可在不同的程度上阻碍RNA酶Ⅲ的降解。(3)蛋白质自身调控。有些蛋白质能直接控制自身mRNA的翻译能力。这类蛋白质主要是核蛋白或RNA结合蛋白，例如RF2(翻译释放因子)，它可以控制核糖体和mRNA的结合，也可能控制其mRNA翻译的终止，当RF2供应充足时，RF2可以促使翻译提前终止，细胞内缺乏RF2时，则核糖体通过移动一个核苷酸，“跳过”终止位点，合成完整的肽。再如，核糖体的绝大多数蛋白在每个核糖体中只有一个，因此它们的表达必须和rRNA协调一致。当细胞内核糖体蛋白缺少时即有游离rRNA存在时则核糖体6个操纵元的调控蛋白优先与rRNA结合，相应的核糖体蛋白得以翻译，当rRNA被饱和后，多余的调控蛋白就与mRNA的S、D－序列结合，阻止了核糖体与mRNA结合，从而降低了有关基因产物的合成。饥饿信号调控 在原核生物中还存在着一种转录翻译水平的严紧控制机制。当细胞遭到氨基酸饥饿时蛋白合成骤然下降，每个细胞中核糖体数目也随之减少，rRNA合成降低到10%以下，称之为严紧控制。50年代末，盖伦特(Gallent)等在氨基酸饥饿状态的大肠杆菌中发现一个电泳行为异常和严紧控制有关的斑点，称之为魔点(MS)后来证明它是ppGpp称之为魔点Ⅰ，或ppPGpp称之为魔点Ⅱ。严紧控制的触发器是位于核糖体A位上的无负载tRNA，而无负载tRNA也正是氨基酸饥饿的信号。1974年，科克兰(Cochran)发现一种蛋白质因子(SF)，是relA基因的产物，它可以在氨基酸饥饿时产生，催化(p)ppGpp的合成，而后(p)ppGpp抑制很多操纵元的表达，所以又称之为报警素。除此之外，还有一种类似于CAP－cAMP的因子GS(谷氨酰胺合成酶)，在氮源饥饿和过量的情况下GS对调节分解代谢操纵元的转录起关键作用，它可以激活glnA和hut操纵元使谷氨酸减少，谷氨酰胺增加，以克服饥饿。原核基因调控的研究将在下列几方面深入：(1)基因调控的分子机制；(2)环境因子和细胞生理状态，发育阶段对基因调控的影响；(3)从孤立的操纵子转录发展到细胞水平和代谢网络的系统研究；(4)从定性的研究到定量的研究和多学科合作。【参考文献】：1 Jacob F,J Monod. Genitic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins. J Mol Biol, 1961,3:3182 Galant J A. Stringent control in E. coli. Ann Rev Genetics， 1979,13:393～4153 Yanofsky C. Attenuation incontrol of expression of bacteriol operons, Nature, 1981,289:7514 Yanofsky C. Transcription Attenuation, J Biol Chem,263: 609～6125 Green P J ,et al. The Role of Antisense RNA in genee Regulation,Ann Rev Biochem,1988,55:569～5976 杨胜利．原核细胞复制和表达调控．生命科学，1992，4(1)∶10～20(天津商学院食品工程系庞广昌教授撰；周希澄审) |
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