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10.3 基因表达在翻译水平的调控
作者:生科院    文章来源:西北农林科技大学    点击数:2720    更新时间:2011/4/15
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在原核生物中,mRNA的二级结构和寿命、核糖体蛋白、稀有密码子、营养缺乏的报警物以及反义RNA等都可对翻译水平进行调控。

 

10.3.1 稀有密码子对翻译的影响

细胞可通过翻译调控不同蛋白含量的高低。即使对于同一操纵子上不同的基因,其产物在数量上也可大不相同。

 

许多调控蛋白在细胞内含量很低,编码这些蛋白的基因中高频率地使用了很多稀有密码子,稀有密码子对应低丰度的tRNA,因此,翻译速度受tRNA供应的限制,影响了蛋白质合成的总量。

这些稀有密码子在其它基因中利用频率很低。因此,翻译出了高丰度的非调节蛋白。

 

10.3.2重叠核苷酸调控翻译起始

Trp操纵子中的5个基因中E和D分别编码邻氨基苯甲酸合成酶的不同亚基,组成四聚体。E、D产物的量一定要保持一种严格的当量关系,否则造成浪费;同样A和B基因也是分别编码色氨酸合成酶的α亚基和β亚基,产量也要求一致。

 

在E、D两个基因之间存在着翻译偶联效应。trpE的终止密码子和trpD的起始密码子重叠。当trpE翻译终止时,核糖体并不解离而偶联翻译trpD。下游编码吲哚甘油磷酸合成酶的trpC不存在这种翻译偶联关系。也无需和trpE、D保持严格的一致性。trpB和trpA也有同样的关系。

 

E. coli的gal操纵子中E、T、K基因中,T与K翻译应保持一致参与gal代谢。而galE却不和galT偶联,由于UDP-Gal既可作为碳源又是合成细胞壁的原料,无外源Gal时galE表达的异构酶参与UDPG转变为UDP-Gal。

 

galT的终止密码子位于galK的S-D顺序与起始密码子之间,当GalT翻译终止时,核糖仍结合在mRNA上,继续翻译galK,使galT和galK翻译保持一致。

 

10.3.3 核糖体蛋白翻译水平的调控

大肠杆菌的核糖体中含有50多种蛋白,各种核糖体蛋白在体内的量是平衡的,它们与rRNA组装成核糖体。

50多种核糖体蛋白的基因分别定位于20多个操纵子上,其中每个蛋白的合成都是受严格调控的,并且与其它蛋白的合成相平衡。

 

在核糖体组装时,与rRNA结合的蛋白为关键蛋白,它对核糖体蛋白的合成起调控作用,每一个操纵子编码自己的关键蛋白,它抑制整个操纵子的表达。

 

某种r蛋白合成过快时,关键蛋白可与其模板mRNA上的SD序列结合而使其不能与核糖体结合,导致mRNA的降解而使这种r蛋白合成速度降低。

 

与关键蛋白结合的rRNA和r蛋白的mRNA有同源性。当核糖体蛋白的mRNA表达过量时,关键蛋白较多地与核糖体蛋白的mRNA结合,导致其不能与rRNA结合形成核糖体。这样就可调控核糖体蛋白的合成。

 

10.3.4 细菌营养缺乏调控

细菌在葡萄糖缺乏时可产生报警物质cAMP。可保证其利用其它糖类,如lac操纵子、gal操纵子和ara操纵子等。

培养基中营养缺乏,蛋白质合成停止,RNA合成也趋于停止,这种现象称为严紧控制。

 

细菌缺乏氨基酸时会产生鸟苷四磷酸(ppGpp,魔斑)和鸟苷五磷酸(pppGpp)作为报警物质。

 

细菌缺乏任何一种氨基酸时,无负载的tRNA与核糖体A位点结合,这可能导致与核糖体结合的应急因子Rel A(p/ppGpp合成酶,5%的核糖体与Rel A结合在一起)被激活,一个空载的tRNA进入A位会生成报警物质p/ppGpp而。

GTP +ATP → pppGpp + AMP → ppGpp

 

ppGpp的主要作用可能是影响RNA pol与启动子结合的专一性,从而成为细胞内严紧控制的关键。

ppGpp也可抑制核糖体和其他大分子的合成,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转运系统,活化蛋白水解酶等。

 

10.3.5 反义RNA

1983年Mizuno. Simous. Kleckner同时发现反义RNA(antisense RNA)。

反义RNA(anti sense RNA)是与mRNA互补的RNA分子。

 

10.3.5.1 反义RNA的作用

反义RNA能与mRNA分子特异性地互补结合,从而抑制该mRNA的加工与翻译。可调控原核细胞中基因表达、控制噬菌体溶菌-溶源状态以及抑制转座子的转位作用等。

在真核细胞中也存在反义RNA,但功能尚不全部明了。

 

通过人工合成反义RNA的基因,并将其导入细胞内转录出反义RNA,即能抑制特定基因的表达,阻断该基因的功能,有助于了解该基因对细胞生长和分化的作用。同时也有对肿瘤实施基因治疗的可能性。

 

10.3.5.2 反义RNA的作用机制

①反义RNA直接作用于其靶mRNA的SD序列和(或)编码区,引起翻译的直接抑制或与靶mRNA结合后引起该双链RNA分子对RNA酶Ⅲ的敏感性增加,使其降解。

②反义RNA与mRNA的SD序列的上游非编码区结合,从而抑制靶mRNA的翻译功能。其作用机制可能是反义RNA与靶mRNA的上游序列结合后阻止了核糖体的结合。

 

③反义RNA可直接抑制靶mRNA的转录。

反义RNA和mRNA有不完全的互补序列,可以形成双链的RNA杂交体。而在mRNA上紧随杂交区之后的是一段U丰富区。其结构类似于终止子结构,从而使转录开始不久后即终止。

 

例如:E. coli有ompC和ompF两种外膜通过蛋白,它们为适应性合成。

在高渗液中ompC合成增加,而ompF合成抑制,但它们的总量不变;在低渗液中则正好相反。因此可使E. coli在不同的渗透压下均可存活。

 

E. coli中还存在由opmB编码的渗透压感受蛋白Env和调节因子OmpR。

在不同的渗透压条件下,Evn可改变ompR的特异性,从而使OmpR调控ompF和ompC的表达。在高渗透压下Env可激活ompR使ompC表达。

在低渗透压下,ompF表达而ompC不表达。

 

在高渗透压下,ompR与ompC的调控序列结合使ompC转录,但同时转录出micF的基因,形成174nt的小RNA。此小RNA与ompF mRNA的5’-端存在互补序列,使ompF的表达被抑制。

 

10.3.5.3 人工合成构建反义RNA

通过人工设计在天然状态下不存在的反义RNA可调节靶基因的表达。

由于对靶mRNA的SD序列上游区的结构了解甚少,因此,很难设计用于和靶mRNA SD序列上游区结合的反义RNA。

 

在原核生物中针对SD序列及其附近区域的反义RNA的作用可能更有效。

在真核生物中,对应于5'端非编码区的反义RNA比针对编码区的反义RNA更有效。也有实验表明针对第一内含子的反义RNA也同样有效。

 

如果在靶mRNA上找到一段连续的U序列,就可以设计出反义RNA,与该U序列上游的mRNA链互补,以形成类似终止子结构。在转录水平上抑制靶基因的表达。

通过设计天然存在的反义RNA的反义RNA。这样就可以拮抗原始反义RNA对靶mRNA的抑制作用。而达到激活或加强某个靶基因的表达的目的。

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