基因转录的时序调控

三、基因转录的时序调控

原核生物在生长发育的各个阶段，如细胞分裂、芽孢形成、噬菌体的复制和颗粒的装配等，基因的表达是按照一定时间顺序而展现的。这种调控机制统称为时序调控。由于基因表达的时序调控，使得生物能够有效地利用能源，避免浪费，同时也避免了某些基因在不适当时机表达可能带来的危害。

基因表达的时序调控是通过一种或几种蛋白质因子与RNA聚合酶相互作用而实现的。有些是通过替代原来的σ亚基以协助核心酶识别特定的启动子。例如枯草杆菌噬菌体SPO1的早、中、晚3个阶段基因表达过程中的σ亚基的替换和枯草杆菌芽孢形成过程中的σ亚基替换以及大肠杆菌热休克基因的表达。有的则修饰RNA聚合酶的核心酶并同时更换σ亚基，如T4噬菌体早、晚期基因的表达。

（一）枯草杆菌噬菌体SPO1的早、中、晚基因表达的转换

SPO1是一种烈性噬菌体，其生活史可分为早、中、晚3个时期。在侵染的初期表达早期蛋白，侵染后4～5min开始表达中期蛋白，而侵染后8～12min，中期基因转录又被晚期基因的转录替代。

SPO1是如何实现从早期到中期，进而到晚期的两次转变过程呢？在此过程中需要SPO1自身的3种调节蛋白参加，即gp28，gp33和gp34。当SPO1侵染枯草杆菌后，枯草杆菌的RNA聚合酶全酶α₂ββ′σ55转录其早期基因，从而产生调节蛋白gp28。gp28取代了全酶中的σ55并与核心酶结合，产生的新RNA聚合酶不再识别早期基因的启动子，而只能识别中期基因的启动子。中期基因转录后产生的两个调节蛋白gp33和gp34可以取代gp28（以及σ55），使得替换后的RNA聚合酶只能识别晚期基因。这些调节蛋白之间的相互取代是由它们和核心酶的亲和力不同所决定的。这样连续地更换σ亚基的途径使得SPO1的早、中、晚3个阶段的基因能够有条不紊地表达（见图2－5）。

图2－5　噬菌体SPO1通过更换σ亚基实现不同时期基因表达的调控

（二）大肠杆菌热休克基因的表达

当大肠杆菌生活在高温、高盐、重金属离子、极度干燥等环境中时会表达大量的蛋白来对抗这些不良环境因素，这种反应统称为应激反应（stress response）。其中，大肠杆菌在较高的温度中（42～50℃）生长，某些基因迅速表达的现象称为热休克反应（heat shock re－sponse），在热休克反应中大量表达的基因称为热休克基因。

人们研究在高温下热休克基因迅速表达的机制时发现，实现这一转变机制的关键是大肠杆菌中存在一种含量很少的分子量为32×10³（32kD）的蛋白质，这是一种σ亚基，称为σ32。由σ32参与构成的RNA聚合酶全酶能够识别热休克基因的启动子。由σ32识别的这类基因的启动子与“标准”σ70所识别的启动子有所不同，在其－35盒的前面还存在几个保守碱基（TNNCNCNC），－10盒前也有保守的CCCC。

当大肠杆菌适应了较高生长温度时，大多数热休克基因便停止表达（如大肠杆菌在42℃经过20min），又开始表达常规基因。人们发现在热休克反应时细胞内蛋白质降解速度急剧增加，其中可能包括σ70。σ70除了作为σ操纵子的一部分外，其本身还存在1个热休克启动子，尽管热休克反应并不需要σ70，但σ70基因在热休克中仍大量表达，这可能与细菌适应较高温度后开始表达“常规”基因有关，细胞在不利条件下仍然为恢复正常秩序做好准备。

（三）T4噬菌体生长中RNA聚合酶亚基的修饰和σ亚基的替换

T4噬菌体是大肠杆菌的烈性噬菌体，其生长与SPO1相似，不同的生长阶段需要表达不同的基因。早期基因编码与DNA复制、转录调控、DNA重组有关的蛋白，晚期基因编码噬菌体衣壳蛋白、颗粒装配以及细胞裂解所需的酶。T4噬菌体侵染寄主后，在T4噬菌体头部还包含几种小蛋白质分子（其中一种就是ADP核糖基转移酶ADPRT），它们随着噬菌体DNA同时进入寄主细胞。T4噬菌体首先利用寄主的RNA聚合酶完成第一批早期基因的表达。然后ADPRT可以将一个或两个ADP核糖基连接到RNA聚合酶σ亚基的精氨酸胍基上，经过修饰的σ亚基与寄主RNA聚合酶核心酶的亲和力下降，而使T4噬菌体早期蛋白Mot与核心酶的亲和力相对提高。Mot取代σ亚基后，RNA聚合酶对寄主基因和T4第一批早期基因的识别降低，同时又能转录下一批基因。此后RNA聚合酶还要经过一系列的变化，到了转录晚期基因时，RNA聚合酶已经被高度修饰。高度修饰的RNA聚合酶本身仍不能转录晚期基因，只有在DNA复制时才能转录这些基因，因为晚期基因所编码的蛋白质只有在DNA复制到一定时候才需要。