沈萍微生物学第九章微生物基因表达调控要点

第九章微生物基因表达的调控第一节转录水平的调控，是生物最经济的调控方式。一操纵子的转录调控operon操纵子：原核生物细胞中,功能相关的基因组成操纵子结构，由操纵区和一个或几个结构基因联合起来形成一个在结构、功能上协同作用的整体，并受到同一调节基因和启动子的调控。启动子promoter：是RNA聚合酶和CAP（cataboliteactivatorprotein，分解物激活蛋白）的结合位点，控制转录的起始。1原核生物基因调控主要在转录水平上，最为经济的调控。调控意义不同可分为负转录调控negativetranscriptioncontrol和正转录调控positivetranscriptioncontrol。2负转录调控中，调节基因产物是阻遏蛋白repressor，起着组织结构基因转录的作用，阻遏蛋白的作用部位为操纵区。根据阻遏蛋白作用性质又可分为负控诱导和负控阻遏：负控诱导系统中，阻遏蛋白不和效应物（诱导物）结合时，阻止结构基因转录；负控阻遏系统中，阻遏蛋白和效应物（有阻遏作用的代谢产物，辅阻遏物）结合时，阻止结构基因转录。辅阻遏物corepressor：与一个基因的调控序列或操纵基因结合以阻止该基因转录的一类蛋白质。3正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白activatorprotein，作用部位是离启动子很近的激活结合位点activatorbindingsite，根据激活蛋白作用性质分为正控诱导系统和正控阻遏系统：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动状态；正控阻遏系统中，效应物分子（有阻遏作用的代谢产物，抑制物）的存在使激活蛋白处于不活动状态。（该系统目前缺乏典型例子）（1）负控诱导系统大肠杆菌的lacI调节基因与乳糖操纵子lactoseoperon的作用是典型的负控诱导系统。I基因是调节基因，其产物为repressor，repressor与操纵区lacO结合时，RNA聚合酶不能转录结构基因，故在环境中缺乏诱导物——乳糖或乳糖类似物IPTG时，lactoseoperon受阻。当环境中有乳糖时，进入细胞的乳糖在细胞内长存的极少量β-糖苷酶作用下发生分子重排，由乳糖变成异乳糖，异乳糖作为诱导物与repressor结合，使后者构型发生改变不能识别lacO，且不能与之结合，故RNA聚合酶能顺利转录结构基因形成大分子的多顺反子mRNApolycistronicmRNA，翻译三种不同蛋白：β-半乳糖苷酶、透性酶和乙酰基转移酶。（2）负阻遏系统大肠杆菌色氨酸操纵子Trpoperon含有五个基因编码Trp生物合成途径中的各种酶。Trp启动子临近操纵区，转录通过操纵区和repressor控制，效应物为Trp，即Trpoperon的终产物。当Trp丰富时，Trp结合到游离的repressor上诱发变构转换，使repressor紧密结合在操纵区；当Trp供应不足时，repressor失去了所结合的Trp，从操纵区上解离下来，Trpoperon转录开始。Trp起着corepressor的功能。attenuation弱化作用：该调控通过操纵子的前导区类似于终止子的一段DNA序列实现即前导区编码一个14氨基酸的前导肽，被称为弱化子attenuator。弱化子其第10、11位含两个色氨酸密码子，当细胞内某种氨酰-tRNA缺乏时，该attenuator不表现终止子功能；当细胞内某种氨酰-tRNA充足时，表现终止子功能，从而控制基因表达。因这种终止作用不使正在转录的所有mRNA都中途停止，仅是部分中途停止，故称为弱化。当Trp缺乏时，色氨酰-tRNA也缺乏，前导肽不被翻译，核糖体在两个相邻的Trp密码子处停止，阻止1：2配对，使2：3配对，因此不能形成3:4配对的茎环终止子结构。RNA聚合酶将放行越过先导区进入结构基因导致操纵子表达；若Trp过量，则可得到色氨酰-tRNA，前导肽被翻译使核糖体通过色氨酸密码子位置，前导肽被正常翻译，核糖体组织2:3配对，导致3:4配对终止信号出现，导致转录在尿苷酸残基顺序上中断。（3）正控诱导系统调节蛋白为激活蛋白，促进RNA聚合酶合成，从而增加mRNA合成。大肠杆菌麦芽糖操纵子maltoseoperon的调控是典型例子。麦芽糖是诱导物，激活蛋白只有与麦芽糖结合才能与DNA特殊位点结合促使RNA聚合酶开始转录。该结合位点为激活蛋白结合位点，与启动子临近或相隔几百个碱基。二分解代谢物阻遏调控分解代谢物阻遏又称为葡萄糖效应（克勒勃屈利效应），因为是葡萄糖被首先发现具有这种阻遏效应的物质。分解代谢物种阻遏中，只有分解物激活蛋白CAP首先结合到启动子上游后，RNA聚合酶才与启动子结合。这种激活蛋白时一种变构蛋白，当它与cAMP结合后构象发生变化，这时才能与DNA结合并促进RNA聚合酶结合。cAMP由腺苷酸环化酶催化ATP产生，葡萄糖能抑制cAMP的形成并促进其分泌到胞外。葡萄糖入胞后胞内cAMP水平下降，RNA聚合酶不能与启动子结合。分解代谢物阻遏实际上是cAMP缺少的结果。葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代谢产物阻遏某些诱导酶体系编码的基因转录的现象。如大肠埃希氏菌培养在含葡萄糖和乳糖的培养基上，在葡萄糖没有被利用完之前，乳糖操纵子就一直被阻遏，乳糖不能被利用，这是因为葡萄糖的分解物引起细胞内cAMP含量降低，启动子释放cAMP-CAP蛋白，RNA聚合酶不能与乳糖的启动基因结合，以至转录不能发生，直到葡萄糖被利用完后，乳糖操纵子才进行转录，形成利用乳糖的酶，这种现象称葡萄糖效应。（百度解释）真核生物中cAMP有其他调节作用：黏菌中cAMP是聚集过程中的一种胞外信号。凡是在降解过程中能被转化成葡萄糖或糖酵解途径中其他代谢中间产物的糖代谢（如乳糖、半乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等）中，其有关的酶都是由和诱导的操纵子控制，只要有葡萄糖存在，这些操纵子都不表达。被称为降解物敏感型操纵子catabolitesensitiveoperon，这些操纵子都是cAMP-CAP调节的，cAMP-CAP复合物是一个不同于阻遏物的正调控因子，从这个意义上讲，lacoperon的功能是在正、负两个相互独立的调控体系下实现。乳糖操纵子受到阻遏蛋白和CAP的双重调节：1阻遏蛋白负性调节：a没有乳糖存在时，调节基因（阻遏基因）表达阻遏蛋白；阻遏蛋白结合到操纵基因上，封闭结构基因，不表达酶。b存在乳糖时，乳糖被β-半乳糖酶催化为半乳糖，半乳糖与阻遏蛋白结合使得阻遏蛋白不能与操纵基因结合，结构基因被活化，相关酶表达。乳糖操纵子的阻遏蛋白含有螺旋-转角-螺旋（HTH）的基序。2CAP的正性调节：CAP（catabolitegeneactivation）降解物基因活化蛋白或称cyclicAMPreceprorproteinCRP环腺苷酸受体蛋白,能与cAMP结合而活化，作用于启动子区域，促进转录，也含有螺旋-转角-螺旋（HTH）的基序。a当有葡萄糖存在时，葡萄糖被组成酶（constitutiveenzyme）降解的产物抑制了腺苷酸环化酶活性，活化磷酸二酯酶，使cAMP浓度下降，CAP含量随之下降。乳糖操纵子转录受抑制；b反之，无葡萄糖时，CAP含量促进乳糖操纵子转录。3协同调节：当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用。若无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵子序列结合，操纵子仍无转录活性。三细菌的应急反应当细菌处于氨基酸饥饿状态时，会采取一种应急反应以求生存，即停止包括各种RNA（特别是rRNA）在内几乎全部生化反应，只维持生命最低限量的需要。应急反应的信号即为鸟苷四磷酸ppGpp和鸟苷五磷酸pppGpp，产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。空载tRNA激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成，ppGpp的出现关闭很多基因，也会打开一些合成氨基酸应对紧急情况，属于超级调控因子。二者的作用原理不清楚，有两种可能：①ppGpp与RNA聚合酶结合，使后者构型发生改变，从而识别不同的启动子，改变基因转录效率，使之关闭、减弱或增加；②ppGpp与启动子结合，使后者不再与RNA聚合酶结合，导致基因被关闭。magicspotnucleotide魔斑核苷酸：受到严紧控制的细菌生长过程中一旦缺乏氨基酸供应，细菌会产生一个应急反应，使蛋白质和RNA合成速率迅速下降，魔斑核苷酸指的就是此过程中由大量GTP合成的鸟苷四磷酸和鸟苷五磷酸，它们主要作用可能是影响RNA聚合酶与启动子结合专一性，诱发应急反应帮细菌渡过难关。大肠杆菌对数期时，rRNA操纵子上两个启动子P1和P2，前者转录产物比后者大3-5倍，当细菌处于饥饿时，P1被抑制，由P2启动少量rRNA合成，维持生命最低需要。可能是ppGpp使RNA聚合酶构型发生变化不识别P1识别P2或ppGpp与P1结合导致其关闭。四通过σ因子更换的调控1枯草杆菌芽孢形成过程中的σ因子更换σ因子：是RNA聚合酶核心酶与启动子之间的桥梁，参与启动子的识别和结合。枯草杆菌不利生长条件下会产生芽孢，有至少6个σ因子和80多个gene，σ因子有序的依次更换使RNA聚合酶识别不同基因启动子，使与孢子形成有关基因有序表达。σ因子依次更迭的顺序为：σ55、σ28、σ32、σ37、σ29。含σ55的RNA聚合酶只能识别营养生长阶段的基因启动子，该启动子具有与大肠杆菌相似的-10和-35序列；当营养耗尽细胞处于饥饿状态下，含有σ28的RNA聚合酶负责转运能探测营养耗竭和起始孢子形成反应的基因，是孢子形成的信号系统；σ32和σ37则是负责识别早期孢子形成基因的启动子；含有σ29的RNA聚合酶则负责中、晚期孢子形成的基因转录。2大肠杆菌的热激应答大肠杆菌通常情况下只有一种σ亚基，但若生长在较高温度（42℃-50℃）某些基因会迅速表达，诱导产生热激蛋白，这种现象称为热激应答反应heatshockresponse。这是目前已知的最保守的遗传系统，存在于每个生物体内，从古生菌到真细菌，从植物到动物。热激应答反应的传感蛋白可能是HSP70蛋白，其本身为一种热激蛋白，感受到温度变化后调节热激应答系统的调节蛋白基因rPOH表达，该基因产物RpOH是一种次级σ因子，称为σ32。由σ32参与构成的RNA聚合酶全酶能够识别热激应答基因的启动子；σ32所识别的启动子与“标准”σ因子识别的启动子不同：-35序列前面还有几个保守碱基（TNNCNCNC），-10序列前面有保守的CCCC。细菌适应高温生长后，大多数热激应答基因变停止表达，开始表达常规基因。转换机制还不清楚。正常情况下σ70作为σ操纵子（S21基因、DNA引发酶基因和σ70基因）的一部分转录多顺反子，σ70基因本身有一个热激应答启动子，位于前一个基因（DNA引发酶基因）内，热激应答反应不需要σ70，但其还是在热激应答反应中大量表达，可能与细菌适应较高温度后开始表达常规基因有关。五信号转导和二组分调节系统多数情况下外部信号首先通过传感器senor检测到然后以变化的形式传递到调节部位，这一过程称为信号转导signaltransduction。目前已知最简单的细胞信号系统称为二组分调节系统two-componentsystem，由两种不同蛋白组成：（1）位于细胞质膜上的传感蛋白sensorprotein，该蛋白具有激酶活性，故又称传感激酶。（2）应答调节蛋白responseregularprotein，位于细胞质中。传感激酶与胞外信号反应过程中自身磷酸化，磷酸基团被转移到应答调节蛋白上，磷酸化的应答调节蛋白即成为阻遏蛋白。repressor在通过对其操纵子的阻遏作用进行调控。该系统中还需磷酸酶参与，以移去应答调节蛋白磷酸基团。二组分调节系统位于很多细菌中，如大肠杆菌中的氮吸收、根瘤菌中的氮固定、芽孢杆菌中芽孢形成等，低等真核细胞如酿酒酵母中也有这类调节系统。二组分调节系统对细菌某些行为也调节。如趋化性chemotaxis，感知细胞外化学药物浓度，调节鞭毛运动。细菌在无化学药物浓度梯度环境中，运动方向随机，一般是直线运动数秒后停翻筋斗，然后再以不同方向直线运动，往复进行。在引诱物梯度环境中翻筋斗频