Chapter21基因表達(dá)的調(diào)節(jié)在一個典型的細(xì)菌基因組中，大約有4000個左右的基因，而在人基因組中，目前確定大約40000個左右的基因。但是，不同的基因表達(dá)的水平是不同的。某些基因在任何時候都表達(dá)；某些基因的產(chǎn)物在細(xì)胞中大量存在，例如，細(xì)菌蛋白質(zhì)合成所需的延長因子是細(xì)菌最豐富的蛋白質(zhì)，植物光合組織中的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）是生物界最豐富的酶；某些基因的產(chǎn)物則以很少的水平出現(xiàn)，例如，修復(fù)DNA某些稀有損傷的酶也許每個細(xì)對只存在幾個分子?；虮磉_(dá)水平的差別受到各種不同的方式或機(jī)制控制。本章主要介紹原核生物轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)。Section1基因表達(dá)調(diào)節(jié)的原理一、基因表達(dá)的調(diào)節(jié)可以發(fā)生在不同水平上：●轉(zhuǎn)錄水平：從DNA模板上把信息轉(zhuǎn)錄到RNA上。在環(huán)境信號分子的影響下，在質(zhì)、量和時間程序上的調(diào)節(jié)?！穹g水平：將mRNA的三聯(lián)體密碼子的順序轉(zhuǎn)變成多肽鏈的氨基酸順序，即蛋白質(zhì)合成水平上的調(diào)節(jié)。●加工水平：包括RNA和蛋白質(zhì)合成后的加工、修飾，轉(zhuǎn)變成有活性的形式。●蛋白質(zhì)的導(dǎo)向（靶向）和轉(zhuǎn)運(yùn)。●mRNA與蛋白質(zhì)的降解。基因表達(dá)的不同水平調(diào)節(jié)如圖21-1所示。在上述幾個方面的調(diào)節(jié)中，轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)是最關(guān)鍵的。因為細(xì)胞功能的重大調(diào)整，不涉及轉(zhuǎn)錄就不能實現(xiàn)。基因表達(dá)的控制主要是指轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)，尤其是在原核生物中，翻譯和加工的問題比較簡單，轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控就更為突出。二、基因表達(dá)調(diào)節(jié)的原理●有些基因的表達(dá)受環(huán)境信號分子的影響較小，它們表達(dá)的產(chǎn)物維持在一定的穩(wěn)態(tài)水平。編碼中心代謝途徑酶的基因，例如編碼檸檬酸循環(huán)酶的基因?qū)儆谶@樣的范疇，它們往往稱為是管家基因（或持家基因，housekeepinggenes）?；虻倪@種表達(dá)叫做組成性表達(dá)（constitutiveexpression）?！衲承┗虻谋磉_(dá)受環(huán)境信號分子的影響，它們編碼的產(chǎn)物水平升高或下降隨分子信號而定，它們的表達(dá)屬于可調(diào)性的，即是說這類基因的表達(dá)或是被誘導(dǎo)(induction)、或是被阻遏(repression)。例如，編碼DNA修復(fù)酶的一些基因的表達(dá)在DNA損傷嚴(yán)重時可被誘導(dǎo)。相反，有些基因的表達(dá)是可被阻遏的。例如，催化細(xì)菌色氨酸生物合成的酶在色氨酸很豐富的條件下，編碼這些酶的基因的表達(dá)被阻遏。

轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)涉及蛋白質(zhì)-DNA的相互作用，尤其是那些與RNA聚合酶有關(guān)的蛋白質(zhì)組分。

1、RNA聚合酶在啟動子部位同DNA結(jié)合

啟動子(promoter)通常位于靠近DNA模板、RNA合成開始的位置，是RNA聚合酶結(jié)合的部位。

啟動子的核苷酸順序的變化能影響RNA聚合酶對模板的結(jié)合力和轉(zhuǎn)錄起始的頻率。E.coli某些基因每秒鐘被轉(zhuǎn)錄一次，而某些基因也許每個世代只轉(zhuǎn)錄一次。啟動頻率的這種差別大多數(shù)是由于啟動子核苷酸序列的差別所致。在調(diào)節(jié)蛋白的缺乏下，啟動子的序列不同在影響起始頻率上可能有上千倍以上的差別。大多數(shù)E.coli的啟動子序列接近一致(圖21-2)。遠(yuǎn)離一致序列的突變通常降低啟動子的功能，而愈接近啟動子的突變通常能促進(jìn)啟動子的功能。

雖然管家基因是組成性表達(dá)，但是它們所編碼的蛋白質(zhì)濃度仍然有大的變化。對于這些基因，RNA聚合酶-啟動子的相互作用強(qiáng)烈影響轉(zhuǎn)錄起始的速度。啟動子序列的差別允許細(xì)胞合成由管家基因編碼的產(chǎn)物處在合適的水平。

在非管家基因啟動子上，轉(zhuǎn)錄起始的速度也是由啟動子序列決定的，但這些基因的表達(dá)進(jìn)一步受調(diào)節(jié)蛋白的調(diào)節(jié)。這些調(diào)節(jié)蛋白對RNA聚合酶和啟動子之間的相互作用或是促進(jìn)、或是抑制。與原核生物的啟動子相比，真核生物啟動子的變化更大。三種真核生物RNA聚合酶通常需要一批轉(zhuǎn)錄因子，以便同啟動子結(jié)合。然而，正如原核生物基因表達(dá)一樣，真核生物轉(zhuǎn)錄的基本水平也受啟動子序列決定，因為啟動子序列也同樣影響RNA聚合酶及其轉(zhuǎn)錄輔助因子的結(jié)合。

2、與啟動子結(jié)合的蛋白質(zhì)（或與啟動子鄰近部位結(jié)合的蛋白質(zhì)）能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的起始至少有三種類型的蛋白質(zhì)能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的起始：

●專一性因子(specificityfactors)改變RNA聚合酶對給定啟動子的專一性；●阻遏物(repressors)阻礙RNA聚合酶進(jìn)入到啟動子位置；●激活因子(activators)增強(qiáng)RNA聚合酶與啟動子的相互作用?！顴.coliRNA聚合酶全酶的σ亞基是一種對啟動子識別和結(jié)合起調(diào)節(jié)作用的專一性因子

E.coli大多數(shù)啟動子能被σ亞基(約70000Dr，稱為σ70)識別。在某些條件下，特別是當(dāng)細(xì)菌在熱脅迫下，σ70被另一種專一性因子σ32取代。當(dāng)與σ32結(jié)合時，指導(dǎo)RNA聚合酶同一套特殊的、具不同一致序列的啟動子結(jié)合(圖21-3)。這些啟動子控制一套編碼熱休克反應(yīng)的基因的表達(dá)。在真核生物細(xì)胞中，某些一般性轉(zhuǎn)錄因子，特別是TATA結(jié)合蛋白，也許可被視為專一性因子?！镒瓒粑锿珼NA特定的部位結(jié)合：在原核生物細(xì)胞中，這樣的結(jié)合部位叫做操縱基因(operators)，它通?？拷鼏幼?。當(dāng)阻遏物存在時，RNA聚合酶的結(jié)合被抑制、或者結(jié)合后沿DNA的移動被抑制。由阻遏物蛋白阻止轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)方式稱為負(fù)調(diào)節(jié)(negativeregulation)。阻遏物同DNA的結(jié)合可被另一種分子信號（有時叫做效應(yīng)物，effector）調(diào)節(jié)，這種信號分子通常是一種小分子或一種蛋白質(zhì)，且能同阻遏物結(jié)合，并引起構(gòu)象變化。阻遏物同信號分子的相互作用，或是增強(qiáng)或是降低轉(zhuǎn)錄的效率。

在某些情況下，信號分子同阻遏物結(jié)合，引起阻遏物構(gòu)象變化，導(dǎo)致阻遏物從操縱基因上解離下來(圖21-4a)，于是轉(zhuǎn)錄起始開始，不受阻礙；在另外某些情況下，無活性的阻遏物與信號分子的相互作用引起阻遏物結(jié)合到操縱基因上(圖21-4b)，抑制轉(zhuǎn)錄的起始；當(dāng)信號分子移除后，轉(zhuǎn)錄才能進(jìn)行。在真核生物細(xì)胞中，阻遏物結(jié)合的部位離啟動子可能有一些距離，象細(xì)菌一樣，這樣的結(jié)合有著同樣的效應(yīng)，即在啟動子上抑制轉(zhuǎn)錄復(fù)合物裝配或者活性。★激活因子與阻遏物相反，它們同DNA的結(jié)合促進(jìn)RNA聚合酶在啟動子上的活性。因此，激活因子起到了一種正調(diào)節(jié)的作用。激活因子結(jié)合部位往往靠近啟動子。RNA聚合酶在這些啟動子上的結(jié)合是很弱的，或者不結(jié)合。因此，在激活因子缺乏下，轉(zhuǎn)錄幾乎是不可能出現(xiàn)的。某些能同DNA結(jié)合的真核生物激活因子叫做增強(qiáng)子(enhancers)。增強(qiáng)子距離啟動子很遠(yuǎn)，但它能影響位于數(shù)千堿基對外的啟動子起始轉(zhuǎn)錄的速度。有些激活因子正常地同DNA結(jié)合，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，直到激活因子因某種信號分子的結(jié)合而解離下來（圖21-4c）。在某些情況下，激活因子僅在與信號分子相互作用后才能同DNA結(jié)合（圖21-4d）,信號分子因而能增強(qiáng)或降低轉(zhuǎn)錄的速度，當(dāng)然這取決于它們?nèi)绾斡绊懠せ钜蜃印?/p>

3、調(diào)節(jié)蛋白含有獨(dú)立的DNA結(jié)合域調(diào)節(jié)蛋白通常同特定的DNA序列結(jié)合，它們對這些靶序列的親和力比對DNA的其他序列要高出104-106倍。大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白有獨(dú)立的DNA結(jié)合域，這些結(jié)合域含有能與靶序列相互作用的亞結(jié)構(gòu)。結(jié)合域一般包含一個或多個相對小的、可識別的、專一性的結(jié)構(gòu)基元?！鵀榱送珼NA序列專一性結(jié)合，調(diào)節(jié)蛋白必須要能識別DNA序列的表面特征。能被甄別的堿基對上的大多數(shù)化學(xué)基團(tuán)是氫鍵的供體和受體，它們暴露于DNA的大溝內(nèi)(圖21-5，圖中用紅色標(biāo)出的基團(tuán)可被蛋白質(zhì)所識別)，傳遞蛋白質(zhì)-DNA專一性相互作用（信息）的主要是氫鍵。一個值得注意的例外是，靠近嘧啶C-5是的非極性表面，胸腺嘧啶借助它的凸出的甲基可能很容易與胞嘧啶相區(qū)別。在DNA小溝中，發(fā)生蛋白質(zhì)-DNA相互作用也是可能的，但氫鍵結(jié)合模式一般不允許堿基對之間易于甄別。

▲對于調(diào)節(jié)蛋白來說，與DNA堿基能形成氫鍵的氨基酸殘基最常見的是Asn、Gln、Glu、Lys和Arg。在Asn或Gln的酰胺基與腺嘌呤的N6和N-7之間能夠形成的兩個氫鍵不可能在其他堿基上出現(xiàn)，Arg也能以類似的方式與鳥嘌呤的N-7和O6形成兩個氫鍵（圖21-6）。◆調(diào)節(jié)蛋白在DNA上的結(jié)合部位往往呈短的倒轉(zhuǎn)重復(fù)序列（即回文結(jié)構(gòu)）。調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)合基元(motifs)在調(diào)節(jié)蛋白同DNA靶部位結(jié)合時起著主要的作用。這些DNA結(jié)合蛋白的結(jié)合基元有螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋基元(圖21-7a，這里所示的是Lac阻遏物)、鋅指基元（圖21-7b）等。在真核生物發(fā)育的過程中，在一些行使轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用的蛋白質(zhì)中，已經(jīng)鑒定出一種DNA結(jié)合域，該結(jié)合域由60個氨基酸殘基組成，叫做同源(異型)域(homeodomain)，因為它是同源異型基因(突變后使器官異位的基因)編碼的。這類基因高度保守，起著調(diào)節(jié)體型發(fā)育的作用，并以蛋白質(zhì)產(chǎn)物的形式在許多生物中被鑒定。同源(異型)域結(jié)合的DNA片段與螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋有關(guān)(圖21-7c)。編碼這種域的DNA序列叫做同源異型框(homeobox)。

調(diào)節(jié)蛋白不僅具有DNA結(jié)合域，而且也具有蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)(RNA聚合酶、其他調(diào)節(jié)蛋白或者同一調(diào)節(jié)蛋白的其他亞基)相互作用的域。Section2原核生物基因表達(dá)的調(diào)節(jié)一、基因表達(dá)的調(diào)節(jié)可以發(fā)生在不同水平上：●轉(zhuǎn)錄水平：從DNA模板上把信息轉(zhuǎn)錄到RNA上。在環(huán)境信號分子的影響下，在質(zhì)、量和時間程序上的調(diào)節(jié)?！穹g水平：將mRNA的三聯(lián)體密碼子的順序轉(zhuǎn)變成多肽鏈的氨基酸順序，即蛋白質(zhì)合成水平上的調(diào)節(jié)。●加工水平：包括RNA和蛋白質(zhì)合成后的加工、修飾，轉(zhuǎn)變成有活性的形式。●蛋白質(zhì)的導(dǎo)向（靶向）和轉(zhuǎn)運(yùn)。●mRNA與蛋白質(zhì)的降解。基因表達(dá)的不同水平調(diào)節(jié)如圖21-1所示。在上述幾個方面的調(diào)節(jié)中，轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)是最關(guān)鍵的。因為細(xì)胞功能的重大調(diào)整，不涉及轉(zhuǎn)錄就不能實現(xiàn)。基因表達(dá)的控制主要是指轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)，尤其是在原核生物中，翻譯和加工的問題比較簡單，轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控就更為突出。根據(jù)細(xì)菌酶的合成對環(huán)境的反應(yīng)不同，可分為兩種類型：組成酶和適應(yīng)酶。適應(yīng)酶可分為誘導(dǎo)酶和阻遏酶。1961年，法國科學(xué)家Jacob和Monod根據(jù)酶合成的誘導(dǎo)和阻遏的現(xiàn)象，提出了操縱子（operon）模型。操縱子是指編碼一特定代謝途徑酶的結(jié)構(gòu)基因和控制這些基因轉(zhuǎn)錄的控制順序所構(gòu)成的轉(zhuǎn)錄單位。這樣的轉(zhuǎn)錄單位在原核生物中即稱為操縱子（圖21-8）。大多數(shù)原核生物基因表達(dá)都以操縱子的形式進(jìn)行調(diào)節(jié)的。二、乳糖操縱子(lacoperon)是酶誘導(dǎo)合成的例子1、乳糖操縱子的組織結(jié)構(gòu)（圖21-9）結(jié)構(gòu)基因：Z基因――編碼β-半乳糖苷酶；Y基因――編碼半乳糖苷透過酶；A基因――編碼硫代半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；福徊倏v基因(operator)是阻遏蛋白結(jié)合部位：O1是乳糖操縱子主要操縱基因；O2和O3是次要的操縱基因。啟動基因(又稱啟動子，promoter)是RNA聚合酶結(jié)合的部位。圖21-9中的Pi是I基因的promoter。2、乳糖操縱子的調(diào)節(jié)在含有葡萄糖作為碳源的培養(yǎng)基中培養(yǎng)E.coli時，調(diào)節(jié)基因(I)表達(dá)產(chǎn)物阻遏蛋白結(jié)合到操縱基因上，阻止RNA聚合酶對結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄(圖21-9a)，與乳糖利用有關(guān)的酶不能合成。在這種條件下，合成與乳糖利用有關(guān)的酶是一種浪費(fèi)。在以乳糖為唯一碳源時，乳糖或其異構(gòu)體別乳糖(allolactose)(圖21-10)作為效應(yīng)物，與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白構(gòu)象發(fā)生改變，失去與操縱基因結(jié)合的能力，從而喪失抑制活性，解除了對結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的抑制(圖21-9b)。這里乳糖就作為一種誘導(dǎo)物，誘導(dǎo)與乳糖代謝有關(guān)酶的表達(dá)。3、分解代謝物阻遏當(dāng)E.coli在含有Glucose的培養(yǎng)基中生長時，培養(yǎng)基中即使含有乳糖，在Glucose被用完之前，是不會產(chǎn)生與乳糖利用有關(guān)的酶的。這種效應(yīng)稱為Glucose效應(yīng)或分解代謝物阻遏。為什么在葡萄糖存在下，與乳糖代謝有關(guān)的酶的表達(dá)會被抑制呢？

乳糖操縱子的啟動子可分為兩部分：▲RNA聚合酶結(jié)合部位，富含A·T對，并在它的側(cè)翼富含G·C對；▲CAP（orCRP）識別與結(jié)合部位，富含G·C對，呈回文結(jié)構(gòu)(圖21-11a)。

CAP叫做分解代謝物基因活化蛋白(CRP，即cAMP-受體蛋白)它能使G·C對變得不穩(wěn)定，可促進(jìn)A·T對分開，從而有利于轉(zhuǎn)錄。但CAP的活性受cAMP水平的調(diào)節(jié)。當(dāng)cAMP與CAP結(jié)合后才能使CAP同啟動子的CAP結(jié)合部位結(jié)合。cAMP的水平受Glucose的某種分解代謝物的影響，該代謝物可以抑制細(xì)菌腺苷酸環(huán)化酶的活性，激活磷酸二酯酶的活性，因而可以降低cAMP的濃度。所以當(dāng)有Glucose存在時，細(xì)胞內(nèi)的cAMP水平顯著下降。這樣cAMP-CAP的濃度降低，不能促進(jìn)RNA聚合酶進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，也就抑制了酶的誘導(dǎo)合成。

只有當(dāng)以乳糖作為唯一碳源時，才不會存在Glucose的分解代謝物阻遏的現(xiàn)象。這時，cAMP-CAP水平升高，在乳糖的誘導(dǎo)下即可合成與乳糖代謝有關(guān)的酶（圖21-11b）。

cAMP-CAP復(fù)合物系統(tǒng)是以cAMP為信號的正調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它對所有分解代謝物敏感的操縱子(包括lac-和ara-operon)都有控制作用。在這里，乳糖利用酶的表達(dá)受到雙重控制，即以乳糖為誘導(dǎo)物的“精調(diào)”以及以cAMP為信號的“中調(diào)”控制。三、色氨酸操縱子是酶合成阻遏的例子在合成代謝中，催化氨基酸或其他小分子最終產(chǎn)物合成的酶隨時都需要，細(xì)胞中的這些酶經(jīng)常在合成，即這些酶的合成經(jīng)常處于消阻遏的狀態(tài)。所以，在這類操縱子中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物—阻遏蛋白是不活潑的，不能和操縱基因結(jié)合.當(dāng)合成途徑中的最終產(chǎn)物過量時，它就與阻遏蛋白結(jié)合，激活阻遏蛋白。激活后的阻遏蛋白就能結(jié)合到操縱基因上，阻止RNA聚合酶對結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，與合成反應(yīng)有關(guān)的酶也就不能被合成。最終產(chǎn)物或其衍生物稱為輔阻遏物。E.coli和鼠傷寒沙門氏菌的色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)符合這種阻遏現(xiàn)象。1、色氨酸操縱子（trpoperon）的組織結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基因A、B、C、D、E分別編碼從分支酸開始到色氨酸合成的五種酶(圖21-12)。trpL編碼一個前導(dǎo)肽。在trp

L中有一段順序稱為attenuator(弱化基因或衰減子)。此外，同樣存在操縱基因和啟動基因。2、終產(chǎn)物Trp對trpoperon的調(diào)節(jié)

Trp作為一種輔阻遏物激活阻遏蛋白。當(dāng)培養(yǎng)基中含有豐富的Trp或者它的合成過量時，即可激活阻遏蛋白（trpR的產(chǎn)物）。激活后的阻遏蛋白即可結(jié)合到operator上，阻止