微生物基因表达的调控

微生物基因的表达是其遗传信息转化为生物学性状与功能的必需过程。微生物生物学性状与功能是基因主要表达产物所有酶类综合作用的结果，其中包括各种酶类。因此酶活性的调节和酶量的调节是基因表达调控的两种主要方式，也是决定生物学性状的关键之一。

酶活性的调节是在酶蛋白合成后进行的，是在酶化学水平上的调节。而酶量的调节即合成多少酶的调节，则是发生在转录水平（即产生多少mRNA）或翻译水平（即多少mRNA翻译为酶蛋白）的调节。这两种调节是相互结合协同作用进行调节的，一般来说，酶量的调节较为粗放，而酶活性的调节较为精细。

1.酶量的转录水平调控

在微生物细胞中，功能相关的多个基因组成操纵子（operon）结构。操纵子结构是一个在结构上完整、功能上协同的整体，它包含有编码酶蛋白的结构基因、操纵结构基因表达的操纵基因（operator）、编码作用于操纵基因的调节蛋白阻遏物或激活物的调节基因（regulatory gene）、与RNA聚合酶和CAP（分解物激活蛋白）蛋白相结合并控制转录起始的的启动子（promotor）4个部分。这种一整套调节机制保证了基因的有序表达，从而进一步保证了微生物生命系统生物学特性与功能的时空有序表达。这是微生物乃至所有生物最为经济有效的调控方式。

根据酶量的转录水平调控机制，可以分为正转录调控（positive transcription control）和负转录调控（negative transcription control）两类。在正转录调控过程中，如果效应物（诱导物）的存在使激活蛋白（activator protein）具有激活作用，称为正控诱导系统；如果效应物（有阻遏作用的代谢产物或抑制物）的存在使激活蛋白不具有激活作用，则称为正控阻遏系统。其激活蛋白的作用位点在离启动区较近的激活结合位点，对于启动区起正调控作用。在负转录调控过程中，诱导效应物和调节基因产物阻遏蛋白（repressor）结合，阻止其与操纵子结合、启动结构基因的转录，称为负控诱导系统；在抑制效应物（有阻遏作用的代谢产物等）存在下，调节基因产物阻遏蛋白和效应物结合后才能和操纵子结合 ，阻止结构基因的转录，称为负控阻遏系统。

在微生物学研究工作中常见到，在存在多种基质的培养基中生长的微生物常首先利用易分解利用的基质，在易利用的基质利用完后才利用其他相对较难利用的基质，这一现象的实质就是易利用基质的分解产物对分解利用其他基质的酶产生了阻遏作用。

除了上述正负转录调控外，在某些微生物中还有其他一些方式和机制作用于转录水平的调控。例如，枯草芽孢杆菌（B.subtilis）芽孢形成过程中通过不同的信号因子（是RNA聚合酶和启动子之间的结合物，参与启动子对RNA聚合酶的识别和结合）的更替来使RNA聚合酶识别不同的启动子，使与芽孢形成不同阶段有关的基因有序地表达。温度、pH、氧浓度、渗透压等环境因子变化也会对基因转录发生影响，这种影响是通过微生物中广泛存在的信号传导单蛋白和二元调控系统来实现的。二元调控系统由传感蛋白（sensor protein）和应答调节蛋白（response regulator protein）两个蛋白组成。环境因子的变化产生信号，通过信号与位于细胞膜的传感蛋白反应，使传感蛋白磷酸化，然后将磷酸酰转移到位于细胞质内的应答调节蛋白上，磷酸化后的应答调节蛋白对目的基因转录的作用不一。根据基因不同，既可以起激活作用也可以起阻遏作用。

2.酶量的翻译及翻译后调控

转录后的翻译及翻译后调控只是转录调控的一种补充，以使微生物的基因表达能更适应环境的变化和本身的需要。翻译及翻译后的调控可有多种方式。

首先可对翻译起始进行调控。如前所述，多肽链在mRNA上的核糖体结合位点（RBS）起始翻译。在RBS上除有起始密码子AUG外，还有一个富含G和A的、长为5个核苷酸的SD （shine dalgarno）序列，其功能是与核糖体16SrRNA的3′端互补配对，使核糖体结合到m R-NA上，为开始翻译作准备。但这种结合的强度受SD序列的结构状况及其与起始密码子AUG间距离的影响。如SD序列为直形线状和与AUG间距离为4～10个核苷酸，则翻译起始处于最佳状态，否则即可受到影响。mRNA的二级结构可调控翻译的起始和蛋白质合成的效率，而mRNA的稳定性即半衰期影响遗传信息的翻译时间，也即影响翻译量。不同的微生物，即使是同一种微生物不同蛋白质的mRNA的稳定性也很不相同。在翻译过程中，微生物也可利用稀有密码子（rare codons）的方式来控制同一操纵子中不同基因的表达量。所谓稀有密码子，即在64种密码子中，某些在其他基因中利用频率很低的密码子却在某些操纵子中以很高的频率出现，从而调节了这些稀有基因的表达量。近年来在细胞内发现了反义RNA（an-tisenseRNA），它含有可与另一RNA相结合的碱基序列。现已证实，这种反义RNA可与mRNA专一性结合并阻抑其活性，从而调控mRNA的翻译量。据研究，反义RNA还有其他涉及多方面的功能。翻译后合成的蛋白质必须被运送到特定的位点，胞外酶或胞外蛋白质即分泌蛋白必须运送到胞外，称为分泌。分泌蛋白的N端都含有一个由15～30个疏水氨基酸组成的信号肽（signal peptide）。信号肽在分泌蛋白跨越细胞膜的过程中起特殊功能。这种分泌的启动和调控是由一种称为信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP）的物质所控制，它可与核糖体相结合，当肽链长为70氨基酸时阻止翻译，中止蛋白质合成。分泌蛋白在信号肽和SRP的共同作用下被及时转运与分泌，也调节着蛋白质的翻译量。