原核生物基因的表达调控

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1、原核生物基因表达的调控1.2色氨酸操纵子1.2.1色氨酸操纵子的结构模型色氨酸操纵子包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因，结构与乳糖操纵子相似，不过在靠近启动子下游有一段前导序列，在该序列中有两个紧密相连的色氨酸密码子，其结构如图1.3所示。1.2.2色氨酸操纵子的控调控机制　　当环境中存在大量色氨酸时，大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制；当色氨酸不足时，这５种酶的基因开始转转录；由此可知色氨酸作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。因此Trp操纵子是一个典型的可阻遏操纵元模型。图1.3Trp操纵子结构模式图1.2.

2、2.1阻遏调控系统色氨酸操纵子的调节基因(trpR)产物阻遏物蛋白，在有过量色氨酸存在时与之结合，成为有活性的阻遏物，它作用于操纵基因可阻止转录的进行。详见图1.4。图1.4Trp操纵子阻遏蛋白的调控1.2.2.2弱化子调控进一步研究发现，除了阻遏物－操纵基因的调节外，还存在另一种在转录水平上调节基因表达的衰减作用(attenuation)，用以终止和减弱转录[1-13]。这种调节的作用部位称为衰减子（attenuator)，是一种位于结构基因上游前导区的终止子。前导区编码mRNA的前导序列(1eadersequence

3、)，该序列可合成一段小肽(前导肽)，它在翻译水平上控制前导区转录的终止。阻遏和衰减机制虽然都是在转录水平上进行调节，但是它们的作用机制完全不同，前者控制转录的起始，后者控制转录起始后是否继续下去。衰减作用比之遏阻作用是更为精细的调节。衰减机制首先是从色氨酸操纵子的研究中弄清楚的。色氨酸mRNA的5＇端有162个核苷酸的前导序列，当RNA的合成启动后除非缺乏色氨酸，否则大部分mRNA仅合成140个核苷酸即终止[12]。前导序列能编码一小段14肽，其终止区具有潜在的茎环构象和成串的U，表现出一段终止位点的特征。前导RNA链有

4、4个区域彼此互补，可形成奇特的二级结构。推测由于RNA的特殊空间结构控制着转录的进行。图1.5弱化子调控除色氨酸外，苯丙氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸－缬氨酸和组氨酸的有关基因组中都存在衰减子的调节位点，其mRNA前端有一段前导RNA，可编码一小肽，能在翻译水平上抑制相应基因的转录，对遗传信息的表达起着阻止或衰减的作用[1-4,6-13]。为了提高控制效率，前导RNA链中往往存在重复的调节密码子，这现象在苯丙氨酸和组氨酸的前导序列中尤为明显，前者有7个苯丙氨酸密码子，1.3正调控系统和负调控系统正调控与负调控并非互相排斥

5、的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。有以下四种基本类型[12]，其调控机制见图1.6所示所示。负性调控：减弱或阻止其调控基因转录；包括：v可诱导负控制系统v可阻遏负控制系统正性调控：增强或起动其调控基因转录，包括：v可诱导正控制系统v可阻遏正控制系统图1.6原核生物基因表达调控的正负调控系统2转录后水平的调控2tRNA；tRNA的数量，种类及位置都不固定。每个操纵

6、子都有一个双重启动子结构；第一个启动子在16SrRNA起始点上约300bp处，可能是基本的启动子。离P1110bp有第二个启动子P2。如图2.1所示图2.1大肠杆菌加工形成成熟rRNA的过程64种密码子的利用率,发现三者对AUA的利用率依次为1%,32%,0%。可能对应于稀有密码子tRNA较少,高频率使用这些稀有密码子的基因,翻译过程极易受阻。2.2.3魔斑核苷酸水平对翻译的影响Sands发现大肠杆菌缺陷型(trp-his-)[12,13]，在缺少任何一种氨基酸的培养基中,不但蛋白质合成速率下降,而且RNA的合成也下降。

7、后来又发现大肠杆菌突变株在色氨酸不足时,蛋白质合成停止,而RNA合成却没有下降。进一步研究发现前者能合成魔斑(ppGpp和pppGpp)[16,17]。由于氨基酸缺乏,空载tRNA增多,空载tRNA在核糖体上将正常合成蛋白质需要的GTP合成魔斑。PpGpp可以大范围内作出应急反应,以控制核糖体和其它大分子的合成,活化蛋白水解酶。2.2.4小分子RNA（micRNA）调节翻译大肠杆菌中与渗透压有关的调节子是ompB、ompC和ompF相互不连锁的三个座位组成[12，13]。当培养基中渗透压变化时,ompF蛋白质产量下降,同

8、时ompC蛋白质产量上升,保持该两种蛋白质总量恒定。在ompC基因上游不远处存在另一个转录单元(反向-10和-35区)。当渗透压增高时,ompC可以双向转录,除转录ompC基因外,还可以相反于ompC基因转录174个核苷酸RNA。这段转录产物ompFmRNA5’端具有较强的同源性。通过分子杂交抑制了ompF、mRNA