第 13 讲原核生物表达调控

文章目录

9. 原核生物表达调控
- 9.1 基因表达与调控的基本概念与原理
- 9.2 原核生物转录水平的调控 (transcriptional regulation)
- - 9.2.1 乳糖操纵子 (lac)
  - 9.2.2 阿拉伯糖操纵子 (ara)
  - 9.2.3 色氨酸操纵子 (trp)
  - 9.2.4 其它操纵子
- 9.3 原核生物转录后水平的调控 (post-transcriptional regulation)
- - 9.3.1 mRNA 自身结构元件对翻译的调节
  - 9.3.2 mRNA 稳定性对转录水平的影响
  - 9.3.3 mRNA 结合蛋白的调控作用
  - 9.3.4 翻译阻遏
  - 9.3.5 反义 RNA 的调节作用
  - 9.3.6 稀有密码子对翻译的影响
  - 9.3.7 重叠基因对翻译的影响
  - 9.3.8 魔斑核苷酸水平对翻译的影响

9. 原核生物表达调控

9.1 基因表达与调控的基本概念与原理

基因组 (genome)：一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。
基因表达 (gene expression)：基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或 RNA 分子的过程。
基因表达调控 (gene regulation)：基因表达是受内源及外源信号调控的。一般而言的基因表达调控是指转录水平调控。

基因表达的时空特异性

● （一）时间特异性

按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性 (temporal specificity)。
多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性 (stage specificity)。
人体发育过程中不同类型珠蛋白的含量变化：

● （二）空间特异性

在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性 (spatial specificity)。
基因表达伴随空间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性 (cell or tissue specificity)。

基因表达的方式

● 按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：
（一）组成性表达 (constitutive expression)

某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因 (housekeeping gene)。如 DNA 聚合酶、RNA 聚合酶等。
对于细胞结构和代谢是必须的（例如 rRNA, actin, tubulin) 。
通常表达水平高，但是表达水平也会改变。
rRNA, actin, tubulin are commonly used as loading control in RT-PCR or Northern blot

（二）诱导和阻遏表达

在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为可诱导基因 (inducible genes)。如 β-半乳糖苷酶。
如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是可阻遏基因 (repressible genes)。
基因表达调控大多数是对这些基因的转录和翻译速率的调节，从而导致其编码产物的水平发生改变，影响其功能。

基因表达调控的生物学意义

维持细胞增殖、分化
维持个体生长、发育
适应环境变化

基因转录调节基本要素

1）RNA 聚合酶 (RNA Polymerase)
2）特异 DNA 序列 (cis-acting elements
3）调节蛋白 (trans-acting factors)
启动子、调节序列和调节蛋白通过 DNA-蛋白质相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用（最终）影响 RNA 聚合酶活性。

原核生物和真核生物基因表达调控差别

一般而言，基因表达调控主要分为转录水平上的调节，即：RNA 合成的多少，和转录后水平的调控（包括 mRNA 加工成熟水平上的调控和翻译水平上的调控）。

★ 原核生物调控的主要特点

原核生物基因表达调控主要是转录水平的调控。
可分为正调控和负调控两种。
可诱导调节：乳糖操纵子等，操纵子总是一些编码分解代谢糖和氨基酸的蛋白质的基因，这些操纵子常常是关闭的。
可阻遏调节：色氨酸操纵子等，可阻遏基因常常是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的合成小分子物质（如氨基酸、嘌呤和嘧啶等）的基因。这些基因平时总是打开的。
降解物可以抑制基因转录：葡萄糖通过抑制腺苷酸环化酶的活性减少环腺苷酸的合成来抑制乳糖、半乳糖等操纵子。

● 操纵子 (Operon)：临近的、功能相关的、被协同调控的基因。

9.2 原核生物转录水平的调控 (transcriptional regulation)

9.2.1 乳糖操纵子 (lac)

大肠杆菌乳糖操纵子 (lactose operon) 包括 3 个结构基因：
lacZ、lacY 和 lacA，以及启动子、控制子和阻遏子等。
3 个结构基因各决定一种酶：
lacZ 编码 β-半乳糖苷酶，将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖。
lacY 编码 β-半乳糖苷透过酶，使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。
lacA 编码 β-半乳糖苷乙酰基转移酶，把乙酰辅酶 A 上的乙酰基转移到 β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖，能稳定半乳糖及其类似物如 IPTG 不被降解。
转录时，RNA 聚合酶首先与启动区 (promoter, P) 结合，通过操纵区（operator, O) 向右转录。转录从 О 区中间开始，按 lacZ→lacY→lacA 方向进行，每次转录出来的一条 mRNA 上都带有这 3 个基因。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。
这三种酶的基因聚在一起，通过一个启动子一起转录，产生多顺反子。它们在功能上相连，因此在表达上也相连。它们同时被关闭和打开。Negative control 使乳糖操纵子在没有乳糖时受到抑制，positive control 使乳糖操纵子在葡萄糖存在时相对不活跃，即使乳糖存在。

乳糖操纵子调控模型

(1) lacZ、lacY、lacA 基因的产物由同一条多顺反子的 mRNA 分子所编码。
(2) 该 mRNA 分子的启动区 P 位于阻遏子 Repressor (lacI) 与操纵区 O 之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达。
(3) 操纵区是 DNA 上的一小段序列（仅为 26 bp）, 是阻遏物的结合位点。
(4) 当阻遏物与操纵区相结合时，lac mRNA 的转录起始受到抑制。
(5) 诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区相结合，从而激发 lac mRNA 的合成。也就是说，有诱导物存在时，操纵区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始 mRNA 的转录。

● 乳糖操纵子模型的补充

真正的诱导物是 异构乳糖（葡糖-1,6-半乳糖），而不是乳糖（葡糖-1,4-半乳糖）
在非诱导状态时细胞内有少量的 β半乳糖苷酶（能让乳糖变为异构乳糖）和 β半乳糖苷透过酶 mRNA 和蛋白的本底组成性表达 (background level constitutive synthesis)。
阻遏物 lacI 基因产物是在弱启动子控制下组成性表达。
乳糖操纵子的正调控：代谢物阻遏效应 (catabolite repression)，葡萄糖能抑制 lac 操纵子
◆ 有葡萄糖存在时乳糖不能激活乳糖操纵子；葡萄糖代谢缺失突变体在有葡萄糖时，乳糖也能诱导半乳糖苷酶的表达：提示葡萄糖的代谢产物阻遏。
◆ 乳糖操纵子的正向调控是由 CAP-cAMP 调控的。
◆ 葡萄糖通过抑制 cAMP（环腺苷酸，cyclic-AMP）的浓度而抑制转录。
◆ 乳糖操纵子只有在葡萄糖浓度低时才被激活，启动乳糖作为碳源的代谢途径。

● cAMP-CAP 作用机理

cAMP-CAP 复合物结合位点位于启动子的上游；
CAP: catabolite activator protein 代谢物激活蛋白，能结合 cAMP, 又被称为环腺苷酸受体蛋白 (CAMP receptor protein, CRP), 由 Crp 基因编码。
CAP-cAMP 结合到 lac activator binding site, 通过与 RNA 合成酶 α 亚基的 CTD 结构域作用招募 RNA polymerase 到临近的 lac promoter 形成闭合的启动子复合物结构。闭合结构转变为开放构型，启动转录。

◆ CRP 蛋白之间通过相互作用形成二聚体，每个 CRP 蛋白可以结合一个 cAMP 分子。只有当 cAMP 装配到 CRP 蛋白上使 CRP 二聚体的构象改变，cAMP-CRP 复合物才能特异地结合到 DNA 上的 CAP 位点 (CAP site)。lac 操纵子上的 CAP 位点位于转录起始位点上游约 60bp 处，紧邻 RNA 聚合酶所结合的启动子区。RNA 聚合酶 α 亚基的 C 端结构域 (αCTD) 可以结合 CAP 位点，并与 CAP 位点附近的 DNA 结合。通过与 αCTD 的相互作用，cAMP-CRP 复合物帮助 RNA 聚合酶结合到启动子区域，激活 lac mRNA 的转录。
◆ cAMP-CRP 复合物与启动子区的结合是 lac mRNA 合成起始所必需的，因为这个复合物结合于启动子上游，能使 DNA 双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子 - RNA 聚合酶结构。
◆ 而阻遏物则是一个抗解链蛋白 (antimelting protein), 阻止形成开放结构，从而抑制 RNA 聚合酶的功能。
cAMP-CAP 复合物与启动子的结合有利于形成开放的启动子-RNA 聚合酶结构，该结构不受利福平的抑制，开放启动子复合物能启动核苷酸聚合。

● 操纵子学说的影响力

操纵子融合与基因工程：lac 操纵子与负责嘌呤合成的 pur 操纵子的融合。
融合基因具有多基因的功能。
改变启动子的强弱来改变蛋白的表达量。

9.2.2 阿拉伯糖操纵子 (ara)

属于代谢物抑制型操纵子 (catabolite-repressible operon)，用于分解代谢阿拉伯糖。

阿拉伯糖 (ara) 操纵子与 lac 操纵子的差别

Two ara operators: araO₁、araO₂。
araO1 调控 araC 基因的转录；
araO2 调控 P_BAD。
B、A、D 基因产物负责降解阿拉伯糖，araP_C 转录调控蛋白 araC。
本操纵子有两个启动子 P_C 和 P_BAD，可以双向转录；P_C 启动子和 araO₁ 重叠。
操纵子具有不同的正、负调控系统，由 araC 蛋白介导，araC 蛋白是双功能的：

◆ 单纯的 C 蛋白 C_rep结合于 araO₁ (-100～-144)，也反馈性地阻遏了其本身的表达；
◆ 当 C 蛋白和诱导物 ara 结合形成复合体时，即诱导型 C 蛋白 C_ind，它结合于 araI 区（-40～-78）使 RNA Pol 结合于 P_BAD 位点（+140），转录 B、A、D 三个基因；
the CAP-binding site 位于 ara 启动子上游 200 bp, CAP 的结合仍然能刺激转录。

阿拉伯糖 (ara) 操纵子调控模型

当 Glu 和 Ara 都存在时，araC 本底转录，产生少量的 C 蛋白，结合于 araO₁（-106~-144）, 使 RNA 聚酶不能结合 araP_C，使 araC 的转录受到阻遏。
当有 Ara 存在，而没有 Glu 时，Ara 可作为糖源。此时 Ara 和少量的 C 蛋白结合形成诱导型 C 蛋白 C_ind, 它作为正调控因子结合于 araI，促进 araP_BAD 的转录，产生了 3 种酶，促使 Ara 分解；
当 Ara 不存在或用完时，过量的 C 蛋白可以结合则 araO₁ 上，阻碍 RNA 聚合酶在此区域结合，从而关闭操纵子；或者结合到 araI（-40~-78）和 araO₂ 上，彼此相互作用形成环，阻遏 P_BAD 和 P_C 的启动。

9.2.3 色氨酸操纵子 (trp)

细菌中色氨酸生物合成途径

色氨酸 (trp) 操纵子调控细菌色氨酸的合成，不受葡萄糖或 cAMP-CRP 的调控。结构基因包括 7 个。
色氨酸的合成主要分 5 步完成，有 7 个基因参与整个合成过程：
trpE 和 trpG 编码邻氨基苯甲酸合酶
trpD 编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶
trpF 编码异构酶
trpC 编码吲哚甘油磷酸合酶
trpA 和 trpB 分别编码色氨酸合酶的 α 和β亚基。
大肠杆菌色氨酸操纵子结构较简单，结构基因依次排列为 trpEDCBA，其中 trpGD 和 trpCF 基因融合，产生具有双重功能的蛋白质。

色氨酸操纵子负调控模型

1）阻遏作用

当 Trp 水平低时，trpR 编码的阻遏蛋白以一种非活性形式存在，不能结合 DNA。trp 操纵子被 RNA 聚合酶转录，同时 Trp 生物合成途径被激活。
当高浓度 Trp 存在时，阻遏蛋白-色氨酸复合物形成一个同源二聚体，并且与色氨酸操纵子紧密结合，因此可以阻止转录。

2）弱化作用

trp 操纵子转录终止的调控是通过弱化作用（attenuation）实现的。弱化子 (attenuator) 能进一步对 repressor-operator system 进行调控，该调控过程受色氨酸水平的调节。
trp 操纵子的启动子下游有个 leader 序列 trpL，trpL 转录出的 mRNA 会形成两种不同构象：
① 有两个 loop 环的双发夹结构，更稳定。
② 只有一个 loop 环的单发夹结构，不稳定。

大肠杆菌 trp operon，前导区（leader）的碱基序列包括 4 个分别以 1、2、3 和 4 表示的片段，能以两种不同的方式进行碱基配对，1 - 2 和 3 -4 配对，或 2 - 3 配对。其中 3 - 4 配对区正好位于终止密码子的识别区。

(a) 前导序列有相邻的两个色氨酸密码子，当 Trp 饥饿时，负载有 Trp 的 tRNA_Trp 也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当 4 区被转录完成时，核糖体滞留 1 区，这时的前导区结构是 2 - 3 配对，不形成 3 - 4 配对的终止结构，形成一个没有终止子的单发夹结构，转录可继续进行，所以不会发生弱化。
(b) 当 Trp 充足时，核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在 4 区被转录之前，核糖体就到达 2 区，这样使 2 - 3 不能配对，3 - 4 区可以配对形成终止子 结构，形成较稳定的 双发夹结构 形式，这种结构包含一个终止子，导致 Trp 转录停止，因此发生弱化作用。

9.2.4 其它操纵子

1）半乳糖操纵子 (gal) (galactose operon)

● 半乳糖功能

可作为唯一碳源供细胞生长
消耗半乳糖得到的产物尿苷二磷酸半乳糖 (UDPGal) 是合成 E.Coli 细胞壁的前体

● gal 操纵子的结构

gal 操纵子启动区 S1、S2 序列有两个相重叠的 Pribnow 区
无葡萄糖时，从 S1 开始转录：需要半乳糖、CRP (cAMP 受体蛋白）、较高浓度的 cAMP、RNA 聚合酶。
有葡萄糖时，从 S2 开始转录。

2）LexA 的阻遏调控

● LexA 阻遏蛋白对转录的调控 —— 调控 DNA 损伤修复

当细菌 DNA 遭到破坏时（如受到紫外线照射），细菌细胞内会启动一个被称为 SOS 的 诱导型 DNA 修复系统。
◆ 参与 SOS DNA 修复系统的基因虽然分散在染色体的各个部位，但都同时受 LexA 阻遏蛋白的抑制，平时表达水平很低。
◆ SOS 体系的诱导表达过程其实就是把 LexA 阻遏蛋白从这些基因的上游调控区移开的过程。

DNA 无损伤时，LexA 阻止 DNA 修复相关基因的转录。
RecA 是重要的 DNA 修复相关调控蛋白，当 DNA 严重受损时，DNA 复制被中断，单链 DNA 缺口数量增加，RecA 结合缺口处单链 DNA（非特异性结合）而被激活为蛋白酶，活化的 RecA 切割 LexA 成没有阻遏和操纵区 DNA 结合活性的两个片段，解除阻遏，启动 DNA 修复相关基因的转录，DNA 得到修复。

3）大肠杆菌 rRNA 操纵子 (rrnE) —— 多启动子调控的操纵子

大肠杆菌 rRNA 操纵子 rrnE 上有两个启动子 P₁ 和 P₂，启动 rRNA 的转录合成。
对数生长期细菌中，P₁ 起始的转录产物比 P₂ 多 3~5 倍，所以 P₁ 是强启动子。
当细菌处于紧急状态（如氨基酸饥饿）时，细胞中的 ppGpp 浓度增加，P₁ 的作用被抑制，而 P₂ 活性不变，成为合成 rRNA 的主要启动子。

4）大肠杆菌 DnaQ 操纵子

DnaQ 是 DNA 聚合酶全酶的亚基之一，主要功能是校正 DNA 复制中可能出现的错误。
DnaQ 操纵子的表达活性受 RNA 聚合酶活性的调节。RNA 聚合酶越多，产生的 RNA 越多，要校准的就越多。

5）二组分调控系统和信号转导

细胞生活在不断变化的环境中，温度、pH 和渗透压变化，氧分压变化，营养的变化及细胞浓度的变化等都要求细菌必须随时做出相应的反应以求得生存。
在较多情况下，外部信号并不是直接传递给调节蛋白，而是首先通过传感器 (sensor) 收信号，然后以不同方式传到调节部位，这个过程就是信号转导 (signal transduction)。
目前已知的最简单的细胞信号系统称为二组分调控系统 (two-component regulatory system), 由两种不同的蛋白质组成：
① 位于细胞质膜上的传感蛋白 (sensor protein), 因该蛋白质具有激酶活性，所以又称传感激酶；
② 位于细胞质基质中的应答调节蛋白 (response regulator protein)。
传感激酶常在与膜外环境的信号反应过程中被磷酸化，再将其磷酸基团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或激活蛋白，通过对操纵子的阻遏或激活作用调控下游基因表达，从而适应相应的环境变化。
大肠杆菌中存在的各种二组分调控系统

6）σ因子的调节作用

不同的 σ因子可以独立地起作用，但是，为了保证细胞准确响应不同的环境信号变化，σ因子之间常常交互作用构成网络调控模式，使得原核基因的表达稳定而平衡。
营养物质缺乏时，革兰阳性菌 Bacillus 会形成孢子来度过困难时期。
孢子的形成需要四种 σ因子：
σ^E 和 σ^K 存在于母细胞中，一旦开始形成孢子就产生σ^F和σ^G。
σ^E 和 σ^K 先以非活性的前体形式被合成，经过特定的蛋白酶作用转变成活性形式。
σ^F 从非活化状态变为活化状态时，激活后期孢子形成相关基因。
σ^F 的两种存在形式：
① 以非活性形式（与抗σ因子 SpoⅡAB 结合）存在于孢子中；
② 环境刺激下导致 SpoⅡAA-抗σ因子去磷酸化，并与 SpoⅡAB 特异性结合，释放出有活性的 σ^F。

7）组蛋白类似蛋白的调节作用

细菌中存在一些非特异性的 DNA 结合蛋白，用来维持 DNA 的高级结构，被称为组蛋白类似蛋白 (histone-like protein)，如 H-NS 蛋白。
H-NS 包括 2 个结构域：通过 DNA 结合结构域与 DNA 结合；通过蛋白-蛋白相互作用结构域形成四聚体或者多聚体。
H-NS 非特异性结合到大肠杆菌基因组上大量基因的调控区，抑制它们的转录，这些基因大都与环境的变化相关。

8）转录调控因子的作用

转录因子：能够与特定的基因的启动子区相结合，对基因的转录起激活或抑制作用的 DNA 结合蛋白。
E.Coli 有 300 多个基因编码转录因子。
有些 Tf 能调控大量基因，有的只能调控 1-2 个基因。

9）抗终止因子的调节作用

抗终止因子是能够在特定位点阻止转录终止的一类蛋白。当这些蛋白存在时，RNA 聚合酶能够越过终止子，继续转录 DNA。
这种基因表达调控机制主要见于噬菌体和少数细菌中。
在 RNA 聚合酶到达终止子之前与 RNA 聚合酶结合，因为在终止子上游存在抗终止作用的信号序列，只有与抗终止因子相结合的 RNA 聚合酶才能顺利通过具有茎-环结构的终止子，使转录继续进行。
大肠杆菌在转录起始和终止的过程中 RNA 聚合酶分别受到 σ 和 NusA（一种抗终止因子）的调控：
◆ 转录起始不久，σ因子从 RNA 聚合酶上解离下来，NusA 蛋白就结合到核心 RNA 聚合酶上。NusA 的结合增加了 RNA 聚合酶在终止子发夹结构处暂停的过程，从而促进抗终止作用的发生。
◆ NusA 和σ因子不能同时结合到 RNA 聚合酶上。只要 RNA 聚合酶结合在 DNA 上，NusA 就不会从 RNA 聚合酶上解离，而σ因子可以取代游离 RNA 聚合酶上的 NusA。
◆ 大肠杆菌核糖体 RNA 编码基因 rrn 的转录就是抗终止转录的典型。当结合有 NusA 的 RNA 聚合酶遇到 BoxA 终止序列时，NusB/S10 抗终止因子在 NusG 的帮助下与 RNA 聚合酶相结合，实现抗终止。

9.3 原核生物转录后水平的调控 (post-transcriptional regulation)

基因表达的转录调控是生物最经济的调控方式，既然用不着某种蛋白质，就用不着转录了。
转录生成 mRNA 以后，再在翻译或翻译后水平进行“微调”，是对转录调控的补充，它使基因表达的调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化。

9.3.1 mRNA 自身结构元件对翻译的调节

● 原核生物的翻译起始元件：核糖体 30S 亚基、mRNA、fMet-tRNA (3’-UAC-5’)、SD 序列。

（1）起始密码子

原核生物的翻译要靠核糖体 30S 亚基识别 mRNA 上的起始密码子 AUG, 以此决定它的可读框，AUG 的识别由 fMet-tRNA 中含有的碱基配对信息 (3'-UAC-5') 来完成。
原核生物中还存在其他起始密码子，大肠杆菌基因起始密码子 14% 是 GUG，3% 是 UUG，另有两个基因使用 AUU。这些不常见的起始密码子与 fMet-tRNA 的配对能力较 AUG 弱，从而导致翻译效率的降低（8 倍）。

（2）5’非翻译区（5’UTR）

遗传信息翻译成多肽链起始于 mRNA 上的核糖体结合位点 (ribosomebindingsite, RBS), 一般是起始密码子 AUG 上游的包括 SD 序列在内的一段非翻译区。
SD 序列 (5'-AGGAGGU-3') 与核糖体 16S RNA 的 3’端（富嘧啶区 5’-GAUCACCUCCUUA-3’）互补配对，促使核糖体结合到 mRNA 上，有利于翻译的起始。
SD 序列的结构及其与起始密码 AUG 之间的距离决定 RBS 的结合强度。
SD 与 AUG 之间相距一般以 4~10 个核苷酸为佳，9 个核苷酸为最佳。
mRNA 的二级结构也是翻译起始调控的重要因素。因为核糖体的 30S 亚基必须与 mRNA 结合，要求 mRNA 5"端有一定的空间结构。SD 序列影响 mRNA 5’端二级结构的自由能，影响了核糖体 30S 亚基与 mRNA 的结合，从而造成了蛋白质合成效率上的差异。

9.3.2 mRNA 稳定性对转录水平的影响

一个典型的细菌 mRNA 半衰期为 2-3min。
无用的 mRNA 由一系列核酸酶清除。mRNA 的降解速度受细菌的生理状态、环境因素及 mRNA 结构的影响。
mRNA 分子被降解的可能性取决于它们的二级结构。
大肠杆菌中 CsrAB 调节系统通过调节 mRNA 分子的构象来调节 mRNA 的降解。
CsrA 为一个 RNA 结合蛋白，CsrB 是一个非编码的 RNA 分子。
CsrA 可以结合到受其调控的 mRNA 上，也可以与 CsrB 的 RNA 分子相结合。
每个 CsrB RNA 分子最多可结合 18 个 CsrA 蛋白。

● CsrAB 的生理意义是调节糖代谢的平衡

在静止期细菌细胞内，糖以糖原的形式被储藏起来；在细胞快速生长周期，通过糖酵解途径消耗糖，这两个过程的平衡就是由 CsrAB 调节系统来完成的。
CsrA 蛋白可激活糖酵解过程并抑制葡萄糖和糖原的合成。
CsrA 通过调控 glg mRNA 的降解调节糖原的合成。在糖原合成途径中，如果 CsrA 蛋白结合到 glg 基因的 mRNA 分子上，该 mRNA 分子就易于受核酸酶攻击，其降解过程加快，其蛋白产物减少。

9.3.3 mRNA 结合蛋白的调控作用

细菌中有些 mRNA 结合蛋白可激活靶基因的翻译。
例如大肠杆菌 BipA 蛋白就具有依赖于核糖体的 GTP 酶活性，能够激活转录调控蛋白 fis mRNA 的翻译，是 fis 蛋白质合成所必需的。
相反，有些 mRNA 结合蛋白（mRNA 特异性抑制蛋白）能通过与核糖体竞争性结合 mRNA 抑制翻译的起始——翻译阻遏。

Q: 如何保证 rRNA 和核糖体蛋白在数量上的平衡？

rRNA 基因正常的转录和翻译将产生核糖体蛋白，由于这些蛋白与 rRNA 分子的亲和力较强，只要细胞中有足够的 rRNA 分子，核糖体蛋白就不会结合到自身 mRNA 分子上。
当细胞中缺乏足够的 rRNA 时，核糖体蛋白只能结合到自身 mRNA 分子上，导致该 mRNA 的 RBS 位点被封闭，核糖体蛋白合成停止。

9.3.4 翻译阻遏

Qβ 复制酶抑制翻译起始

大肠杆菌 RNA 噬菌体 Qβ 包含 3 个基因，从 5’到 3’方向依次是与噬菌体组装和吸附有关的成熟蛋白基因 A、外壳蛋白基因和 RNA 复制酶基因。
当噬菌体 Qβ 感染细菌，RNA 进入细胞后，这条称为 (+) 链的 RNA 立即作为模板指导合成复制酶，并与宿主中已有的亚基结合行使复制功能。但是 Qβ (+)RNA 链上此时已有不少核糖体，从 5’到 3’方向进行翻译，影响了复制酶催化的从 3’到 5’方向进行的 (-) 链合成。克服这个矛盾的办法便是由 Qβ复制酶作为翻译阻遏物进行调节。（复制过程和翻译过程相互阻遏）
Qβ复制酶与外壳蛋白的翻译起始区结合，抑制核糖体与起始区结合，抑制蛋白质的合成。已经起始的翻译继续翻译至完毕，核糖体脱落后，与 (+)RNA3’端结合的复制酶开始 RNA 复制。
复制酶既能与外壳蛋白的翻译起始区结合，又能与（+）链 RNA 的 3’端结合。序列分析表明，这两个位点上都有 GUUUAAA 序列，能形成稳定的茎-环结构，具备翻译阻遏特征。

9.3.5 反义 RNA 的调节作用

RNA 调节是原核生物基因表达转录后调节的另一种重要机制。
细菌响应环境压力（氧化压力、渗透压、温度等）的改变，会产生一些非编码的小 RNA 分子，能与 mRNA 中的特定序列配对并改变所配对 mRNA 分子的构象，导致翻译过程被开启或者关闭，也可能导致目标 mRNA 分子的快速降解。
细菌铁蛋白：用来储存细胞中过剩的铁离子。培养基中铁离子浓度较低时，不需要细菌铁蛋白；当铁离子浓度升高时，就需要细菌铁蛋白行使功能。
bfr 基因编码细菌铁蛋白，而 anti-bfr 基因编码反义 RNA。
细胞中无论铁离子浓度高低，bfr 基因都正常转录成 mRNA；而 anti-bfr 基因的转录却受到能够感应铁离子浓度变化的 Fur 蛋白的调控。
① 当细胞中铁离子过多时，Fur 蛋白作为抑制因子起作用，关掉与铁摄取有关的众多操纵子，包括 anti-bfr 基因的表达。使 bfr 基因能正常翻译出细菌铁蛋白，储存过剩的铁离子。
② 在铁离子浓度低时，anti-bfr 基因转录产生大量反义 RNA，与 bfr 的 mRNA 配对，阻止细菌铁蛋白基因的翻译。
此外，大肠杆菌中受氧化压力诱导产生的 OxyS 和受低温产生的 DsrA 基因也可以反义 RNA 的方式调控多个基因的翻译。

9.3.6 稀有密码子对翻译的影响

由于细胞内对应于稀有密码子的 tRNA 较少，高频率使用稀有密码子的翻译过程容易受阻，影响蛋白质合成总量。
如图，稀有密码子 AUA 在高效表达的结构蛋白及σ因子中均极少使用，而在表达要求较低的 dnaG 蛋白中使用频率就相当高。
使用宿主细胞偏好的蛋白密码子时，蛋白表达效率更高。

9.3.7 重叠基因对翻译的影响

重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制：前一个基因翻译终止时，核糖体立即处在起始环境。
偶联翻译 可能是保证两个基因产物在数量上相等（等量翻译）的重要手段。

9.3.8 魔斑核苷酸水平对翻译的影响

蛋白质合成对转录的调控

Q1: 不进行蛋白质合成时如何保证没有 RNA 的合成？如何控制 rRNA 的表达（转录）？
Q2: 细胞如何保证蛋白质合成的总速率与蛋白质合成机器主要成分 rRNA 的成速率相一致？

严紧控制型（基因型 rel+)：在缺少任何一种氨基酸的培养基上生长时，不但蛋白质的合成速度下降，RNA 合成速度也下降。如大肠杆菌营养缺陷型 (trp^-his^-) 在缺少任何一种必须氨基酸培养基上生长。
松散控制型（基因型 rel-)：当氨基酸供应不足时，蛋白质合成虽然停止了，但 RNA 的合成速度却没有下降。
核糖体上不负载氨基酸的 tRNA 是细胞产生严紧控制的信号。

魔斑核苷酸

魔斑核苷酸（magic spot nucleotide）是细菌生长过程中在缺乏氨基酸供应时产生的一个应急产物。主要是三磷酸鸟苷（GTP）合成的四磷酸鸟苷（ppGpp) 和五磷酸鸟苷（pppGpp），这两种化合物是在层析普上检出的斑点，称为魔斑（magic spot）。
主要功能是干扰 RNA 聚合酶与启动子结合的专一性，诱发细菌的应急反应，帮助细菌在不良环境条件下得以存活。
当细胞缺乏氨基酸时产生 ppGpp，可在很大范围内做出如抑制核糖体和其他大分子合成等应急反应，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的系统，活化蛋白水解酶等，以节省或开发能源，渡过难关。

● 魔斑核苷酸的产生

缺乏氨基酸时由 rel⁺ 菌株合成 ppGpp 和 pppGpp。
当氨基酸缺乏时，不负载氨基酸的 tRNA 增多，并仍与核糖体的 A 位结合，阻止了 aa-tRNA 转运到正在延伸的多肽上，细胞中原本用于延伸多肽的大量 GTP 被 ATP-GTP 3’焦磷酸转移酶催化合成魔斑核苷酸。
GTP + ATP → pppGpp + AMP → ppGpp 这个反应需要翻译延伸因子 EFTu 和 EFG 等。

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9.1 基因表达与调控的基本概念与原理