原核生物基因表達调控.docVIP

第六章 基因的调控1：原核生物基因表达调控 第一节 概 述 机体能在基因表达过程的任何阶段进行调控，如调控可在转录阶段、转录后加工阶段和翻译阶段进行。转录的调控主要发生在起始阶段，这样可避免浪费能量合成不必要的转录产物。通常不在转录延伸阶段进行调控，但可在终止阶段进行调控，终止可以防止越过终止子而进行下一个基因的转录。RNA的初级转录产物本身是一个受调控的靶分子，转录物作为一个整体其有效性可以受到调控，例如，它的稳定性可以决定它是否保存下来用于翻译。此外，初级转录产物转变为成熟分子的加工能力可决定最后mRNA分子的组成和功能。在真核细胞中，还可对RNA从核到胞浆中的转运进行调控。但是在细菌中，mRNA只要一合成，就可用于翻译。翻译也像转录一样，在起始阶段和终止阶段进行调控。DNA转录的起始和RNA翻译的起始路线也很相似。 在原核生物和真核生物最常见的调控是转录过程的调控。因此本章先讨论转录调控，然后，再介绍翻译水平的调控。为了便于理解，在介绍具体的调控过程之前，先介绍一些基本概念。 1．顺式作用元件和反式作用因子 基因活性的调控主要通过反式作用因子(通常是蛋白质)与顺式作用元件(通常在 DNA上)相互作用而实现。基因是编码可扩散产物的DNA序列，基因所编码的产物可以是蛋白质(大多数基因都编码蛋白质)，也可以是RNA(tRNA和rRNA)。其最重要的特点是基因产物将从合成的场所扩散到其发挥作用的其他场所。游离基因产物扩散至其目标场所的过程称为反式作用trans-acting)。因此反式作用因子(trans-acting factor)的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上。 顺式作用(cis-acting)的概念用于任一不转变为任何其他形式的DNA序列，它只在原位发挥DNA序列的作用，它仅影响与其在物理上相连的DNA。有时顺式调节序列最终发挥作用的分子不是DNA，而是RNA。因此，顺式作用元件(cis-acting element)是指对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处在一个DNA分子上的基因；同时，这种DNA序列通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。 2．结构基因和调节基因 为了区分调控过程中的调控成分和其调控的基因，有时用结构基因和调节基因的概念。结构基因(structural gene)是编码蛋白质或RNA的任何基因。结构基因编码着大量功能各异的蛋白质，所编码的蛋白质有组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、催化活性的酶和调节蛋白等。调节基因(regulatory gene)是参与其他基因表达调控的RNA和蛋白质的编码基因。 调节基因编码的调节物通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式(启动或增强基因表达活性)调节靶基因，也能以负调控的方式(关闭或降低基因表达活性)调节靶基因。DNA位点通常位于受调节基因的上游，但有时也有例外。 3．启动子和终止子 位于转录单位开始和结束位置上的序列为启动子(promoter)和终止子(terminator)，两者都是典型的顺式作用位点。启动子位于基因转录起始点的上游，负责基因转录的起始。终止子能终止基因的转录。启动子和终止子是能受同一类反式作用因子识别的顺式作用元件，这一类反式作用因子就是RNA聚合酶。当然，两个位点也能各自结合一些特定的其他因子。 4．操纵基因和阻抑蛋白 细菌的传统控制机制是负调控:即阻抑蛋白(repressor)阻止基因表达。在缺省的情况下(即无阻抑蛋白时),RNA聚合酶能够识别受调节基因的启动子，使这种基因得到表达。另一个叫做操纵基因(operator)的顺式作用位点与启动子相邻，操纵基因是阻抑蛋白的靶位点。当阻抑蛋白与操纵基因结合时，就会阻止RNA聚合酶启动转录，基因的表达因而被关闭。 5．转录因子 除了上述负调控，基因转录的调控也有正调控。在细菌中，正调控与负调控使用的频率也许大致相等，但在真核生物中，最常见的调控方式是正调控。参与正调控的反式作用因子就是转录因子(transcription factor)。转录因子是转录起始过程中，RNA聚合酶所需的辅助因子。典型真核基因的缺省状态(即无转录因子)是基因处于无活性状态，RNA聚合酶自身不能在启动子上起始转录。反式作用因子在启动子附近有作用位点，其中的一些或所有因子的结合使RNA聚合酶能起始转录。 正调控和负调控的共同点是调控蛋白都是反式作用因子，它通常识别位于基因上游的顺式作用元件。不同类型的调节蛋白识别不同的序列。尽管调节蛋白结合DNA的实际长度较长，但它仅识别DNA上很短的序列，一般小于1Obp。细菌启动子就是一个例子，尽管RNA聚合