分子生物学 第 6 章 第 1 节：原核基因表达调控概述

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6.1.1 基因表达

  • 基因表达gene expression：从 DNA 到蛋白质的过程
  • 基因表达的产物不止有蛋白质，还有 RNA

tRNA、rRNA 编码基因转录合成 RNA 的过程也属于基因表达

  • 基因的分类
    • 管家基因：所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是维持细胞基本生命活动必须的
      • eg. ATPase 基因
    • 奢侈基因：在不同细胞类型中特异性比较大的基因（组织特异性基因），其产物赋予细胞特定的形态结构特征与生理功能
  • 基因表达的分类
    • 组成型constitutive表达：如管家基因的表达、奢侈基因的表达
    • 适应性或调节型adaptive or regulated表达：如受诱导/阻遏的基因
  • 蛋白质的分类
    • 组成型合成蛋白质
    • 调节型合成蛋白质

开放读码框

  • open reading frame，ORF
  • 从起始密码子开始，结束于终止密码子连续的氨基酸序列
  • 细菌基本调控机制一般执行的规律："开-关"机制
    • 一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭
    • 实现原理：通过调节 mRNA 的合成来实现

[!WARNING] 此处基因“关闭”的意思不是基因不表达，而是其表达量特别低，低至很难甚至无法检测到

6.1.2 基因表达调控概览

  • 基因表达调控主要表现在以下两个方面：
    1. 转录水平上的调控transcriptional regulation
    2. 转录后水平上的调控post-transcriptional regulation
      • mRNA 加工成熟水平上的调控differential processing of RNA transcript
      • 翻译水平上的调控differential translation of mRNA
  • 原核生物中调控基因表达的主要信号
    • 营养状况nutritional status
    • 环境因素environmental factor
  • 真核生物中调控基因表达的主要信号
    • 激素水平hormone level
    • 发育阶段developmental stage
  • 转录水平上决定基因表达调控的因素
    • DNA 的结构
    • RNA 聚合酶的功能
    • 蛋白质因子
    • 其他小分子配基的相互作用
  • 原核生物与真核生物在转录和翻译过程上的区别
对比内容原核生物真核生物
转录与翻译的关系转录与翻译相耦合转录产物primary transcription需要从细胞核内转运到细胞核外才能被核糖体翻译成蛋白质
RNA 聚合酶1 种3 种
转录后水平调控起始 AUG 序列上游存在一段富含嘌呤的 SD 序列促进翻译起始；
蛋白质合成起始于甲酰甲硫氨酰 tRNA fMet-tRNA $^{fMet}$		不存在 SD序列；
蛋白质起始于非甲酰化的 Met-tRNAi $^{Met}$

6.1.3 原核基因表达调控分类

  • 基因表达调控按照调控机制不同分类
    1. 负转录调控
    2. 正转录调控

[!NOTE]

  • 真核生物偏向负转录调控
  • 原核生物偏向正转录调控
负转录调控正转录调控
调节基因的产物阻遏蛋白repressor激活蛋白activator
诱导负控诱导正控诱导
阻遏负控阻遏正控阻遏
  • 负控诱导：阻遏蛋白 + 效应物 → 阻遏蛋白脱落 诱导基因表达
  • 负控阻遏：阻遏蛋白 + 效应物 → 阻遏蛋白结合 阻遏基因表达
  • 正控诱导：激活蛋白 + 效应物 → 激活蛋白产生活性 诱导基因表达
  • 正控阻遏：激活蛋白 + 效应物 → 激活蛋白失活 阻遏蛋白表达

6.1.4 原核基因表达调控的主要特点

① 操纵子的调控

原核基因表达调控的一个重要特点：大多数基因表达调控是通过操纵子机制来实现的

  • 乳糖操纵子
    • 负控阻遏
    • 大肠杆菌的二次生长现象

二次生长现象 将两种代谢底物投于微生物进行培养时，如果有一种底物的代谢所需酶系统必须经过诱导才能形成，则该种微生物的生长过程分为两个阶段

举例：葡萄糖现象

  • 葡萄糖酶：组成酶
  • 乳糖酶：诱导酶
  • 存在葡萄糖时：cAMP 产生受其抑制
  • 葡萄糖降解物抑制腺苷酸环化酶活性，cAMP 浓度下降，cAMP 不与 CAP 结合，RNA 多聚酶不能结合，转录不能进行
  • 只有当葡萄糖及其降解物消耗完后，才能产生足够浓度的 cAMP，并与 CAP 结合，二者的复合物进而与启动子结合，RNA 多聚酶才与启动子结合并开始转录
  • 色氨酸操纵子
    • 负控阻遏
    • 可阻遏现象：某一代谢途径最终产物合成酶的基因可以被这个产物本身所关闭
    • 一般情况，大肠杆菌中合成色氨酸的操纵子是开启的，如果在培养基中加入色氨酸，使大肠杆菌能直接利用培养基中的色氨酸维持生活而不需要再费力合成，大肠杆菌往往能在 2-3 min 内完全关闭该操纵子

② 转录起始阶段的调控

调控表达开关的关键机制主要发生在转录起始阶段

原因：基因表达终止得越早，就越不会将能量浪费在合成不必要的 mRNA 和蛋白质上

③ 转录终止阶段的调控

  • 转录终止阶段的调控一般包括：
    • 抗终止作用
    • 弱化作用
  • 抗终止因子：能够阻止转录终止的蛋白
    • 在终止子上游具有抗终止子作用信号，一部分 RNA 聚合酶能够与抗终止子因子结合，跨越终止子序列，顺利通过具有茎-环结构的终止子，使转录继续进行
  • 弱化子：当操纵子被阻遏，RNA 合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段核苷酸

[!TIP] 总结：抗终止因子促进转录；弱化子抑制转录

④ 转录后调控

转录后调控是对转录水平调控的有效补充

  • 定义：转录后调控实在转录生成 mRNA 之后，再在翻译或翻译后水平上的“微调”