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第11章 原核生物基因表达的调控 每一种生物基因组都含有一定数目的基因，但这些 基因在一个细胞里并不同时表达，表达强度也不一定相 同。以大肠杆菌为例，其基因组总共能编码几千种蛋白 质，但在正常的生长条件下，一个细胞仅合成600~800种 不同的蛋白质。 生物体内的基因根据表达的状况可分为管家基因 (house-keeping genes) 、奢侈基因(luxury genes) 。 管家基因：始终或经常性开启的基因,是维持细胞基 本生命活动所必须的，如编码组成型蛋白的基因。 奢侈基因：指编码组织特异性蛋白的基因，对细胞 分化有重要影响，如大肠杆菌被乳糖诱导的基因等。 原核生物是单细胞生物，需要随时根据环境条件变 化调整自身基因的表达。原核生物细胞中没有形成细胞 器，基因转录与翻译同时发生，mRNA半衰期极短，在几 分钟内就被降解，因此一种mRNA必须持续转录才能维持 蛋白质的合成。 原核生物基因表达的调控主要是在转录水平，以便 能更加便捷和有效地调节细胞内一种蛋白质的水平。 11.1 基因表达调控的两种方式 基因表达的调控可分为两种： 正调控(positive regulation):调控蛋白使靶基因的表达水 平上升。正调控中的调控蛋白称为激活蛋白(activator) 。 负调控(negative regulation):调控蛋白使靶基因的表达水 平下降，甚至关闭。负调控中的调控蛋白称为阻遏蛋白 (repressor) 。 图11-1 正调控与负调控模式的比较 许多调节蛋白属于别构蛋白，细胞中某些特定的物 质能与它们结合，使调节蛋白的构象发生变化，从而改 变它们与操纵基因的结合活性，影响到基因转录的活性， 这些特定物质统称为别构效应物。不论是激活蛋白，还 是阻遏蛋白，其活性都可能受到别构效应物的影响。 原核生物更倾向于使用负调控，真核生物更倾向于使用 正调控。 原核生物的DNA基本上是裸露的，它们的基因表达默认 状态是开放的，调节基因表达的主要方式是改变默认状态— —即负调控。 真核生物的DNA与大量蛋白结合形成复合物，是基因表 达的一种天然障碍，它们的基因表达默认状态是关闭的，调 节基因表达的主要方式是激活——即正调控。 11.2 DNA水平的调控 11.2.1 启动子序列对基因表达的调控 不同基因的启动子序列与一致序列可能不同，与RNA 聚合酶的亲和力就不同，从而造成转录起始效率的差别。 具有强启动子的管家基因的转录水平要高于具有弱启动 子的管家基因。 11.2.2 DNA重组对基因表达的调控 鼠伤寒沙门氏菌是一种带有鞭毛的细菌。构成其鞭 毛的蛋白质有H1和H2 两种。任何一个沙门氏细菌只表达 这两种鞭毛蛋白中的一种，在同一个细胞内从不同时表 达。随着一群细胞的生长和分裂，某些子代细胞会发生 相变，即自发地改变其鞭毛蛋白的表达样式，以逃避宿 主免疫系统的攻击。 图11-2 鼠伤寒沙门氏菌相变的分子机制 11.3 转录水平的调控 11.3.1 转录起始阶段的调控 11.3.1 不同 因子的选择性使用 σ 原核生物识别启动子序列的是 因子，不同的 因子 σ σ 可识别不同的启动子序列。大肠杆菌主要使用σ70 。在特 殊条件下其他类型的 因子被表达或激活，启动其他基因 σ 的表达。 70 σ 热激条件使 失活，同时增强rpoH基因的表达； rpoH基因的产物—— σ32 与RNA聚合酶核心酶组装成全 酶，与热激基因的启动子结合，启动Hsp的表达。 图11-3 σ因子的选择性使用与热激基因的表达调控 图11-4 σ 因子的级联与SPO1噬