植物叶绿体基因组基因表达调控的研究

摘要：叶绿体基因的表达在许多方面与原核基因表达相似，所以最早的理论认为叶绿体基因的表达与原核相似，是在转录起始水平上的调控，进一步的研究认为叶绿体基因表达调控是在不同水平上进行的如：转录水平的调节、转录后调节与修饰、翻译和翻译后修饰等。

关键词：叶绿体；叶绿体基因组；表达调控

叶绿体基因组的特点是具相同或相关功能的基因组成复合操纵子结构。这一特点有利于叶绿体基因的表达与调控，例如rpoB-rpoC-rpoC 2操纵子是由编码RNA聚合酶各个亚基的基因聚合在一起而形成的，而psbI-psbK-psbD-psbC操纵子则编码PSⅡ的部分蛋白质。下面分别介绍一下叶绿体基因组基因表达调控方式。

1　转录水平调节

1.1　整体转录活性与叶绿体RNA聚合酶水平有关

参与叶绿体基因转录作用的RNA聚合酶至少可分为两种不同的活性类型，一种是由叶绿体基因编码的可溶性RNA聚合酶，根据同大肠杆菌相应序列同源性的比较分析，已鉴定出叶绿体基因rpoAV、rpoB、rpoC1和rpoC2，分别编码着叶绿体可溶性RNA聚合酶的α、β、β＇和β″亚基。

另一种是由核基因组编码的叶绿体RNA聚合酶，主要转录rRNA基因。它是同叶绿体DNA紧密结合形成的复合物，特称为转录活跃的染色体(transcriptionally active chromosome)简称TAC。研究表明RNA复合酶的增加水平与转录活性平行。

1.2　与附加因子相关

为了精确地启动叶绿体基因的转录作用，还需要若干附加因子参与。目前已从玉米、菠菜等植物中分离了这类因子，如S因子和δ类因子(sigma-like factors,简称SLF)等等(Surzycki,1976; Bulow,1988; Lerbs,1988)。实验证明叶绿体基因的转录起始是由SLF和启动子共同控制的。

1.3　叶绿体基因转录活性改变与叶绿体DNA分子拓扑学改变有关

由于超螺旋度局部改变可影响启动子活性，因而导致叶绿体基因组的整体转录或个别启动子的活性变化。叶绿体RNA聚合酶对超螺旋的模板活性和忠实性比松散型模板要高(Jolly,1980; Crossland,1984; Stirdivant,1985; Lam 1987; Russell,1987)。

1.4　与启动子强度相关

叶绿体RNA水平一方面是由转录速度决定的，但相对启动子强度亦构成转录活性差异的重要因素。

1.5　叶绿体DNA甲基化对转录水平的影响

关于叶绿体DNA甲基化对转录水平的影响还存在一定争议。对蕃茄叶绿体的研究表明(Kobayashi,1990)DNA甲基化可降低转录水平，而对豌豆叶绿体DNA甲基化研究中却发现并不影响基因的表达水平。因此甲基化对转录水平的影响还有待于更深入的研究。

2　转录后调节与修饰

莱茵衣藻核基因组与叶绿体基因组遗传转化体系的建立，以及许多光合途径缺陷突变体的分离为研究转录后调节提供了一个非常有用的模式系统。遗传分析表明RNA加工和RNA编辑为影响叶绿体基因表达转录后调节的因素。

2.1　RNA加工

由于叶绿体基因组织结构多为多顺反子操纵子，因此，其mRNA的加工必定成为基因表达调控的一个重要环节(Barkan,1988)。叶绿体RNA加工模式在不同植物中是保守的。叶绿体基因组中约40个基因含有内含子(Sugiura,1992)，大多数叶绿体内含子以类似核和线粒体内含子切除方式剪接。

2.2　RNA编辑(editing)

RNA编辑是指RNA转录过程中或转录后发生一些碱基转换(transition)、插入或缺失而导致基本密码潜力改变的一种转录后修饰。大多数植物叶绿体都存在RNA编辑，与植物线粒体系统相似，是由C-U变化来改变密码子内部而引起氨基酸的改变(Hoch,1991; Kudla,1992)。RNA编辑机制十分复杂，可能与多肽因子及转录活性因子参与有关(Zelts,1993)。

3　翻译水平调节

翻译水平调节可使生物快速地适应外界环境条件，特别对于高效表达基因，当环境条件不利时，可通过翻译水平快速调节，从而减少代谢能源的消耗。RNA水平(Michaels,1990)和细胞器代谢状态(Scheibe,1990; Reinbothe,1991)影响叶绿体蛋白的翻译,这种调节可能是通过核糖体蛋白反式磷酸化来完成的(Guitton,1984; Poson,1984)。

4　翻译后调节与修饰

许多参与光合作用的蛋白需要一些非共价结合的辅基，如：一些金属离子，才能形成功能蛋白，有些辅助因子(cofactor)还可以防止合成蛋白被蛋白酶水解。对于质体编码的叶绿素(-脱辅基蛋白的积累，就需要辅基因子存在(Klein,1988; Eichaker,1990; Mullet,1990)。

叶绿体中蛋白酶对翻译后调节至关重要(Mishkind,1985)，一些不能装配成功能蛋白的蛋白亚基的降解对叶绿体是一种保护措施，如：在光合传递链中氧自由基可损坏光系统的D1蛋白，而蛋白酶可降解这些无功能蛋白(Kyle,1984; Ohad,1984)，从而保证叶绿体正常代谢。翻译后调节与修饰是叶绿体基因组表达调控中不容忽视的最后一步调节。

5　细胞核与质体基因组的相互作用

虽然质体DNA可以编码产生自身所需要的蛋白，但其大部分蛋白是由核基因编码的。合子中的前质体处于一种未分化的基础状态，即使在胚胎发育早期复制前质体时，质体的转录和翻译仍然处于一种低水平。

当胚胎开始分化为根、茎原基时，前质体获得第一个发育信息，它激活一组基因，其产物可能只在分生组织中起作用，然后第二组基因产物对叶细胞发育起特异作用(Jaylor,1989)，它们一方面激活和提高前质体转录水平以及使前质体分化为叶绿体，一方面激活编码叶绿体蛋白的核基因表达，以及合成使质体RNA稳定的多种蛋白因子，这组基因的表达可能取决于细胞的位置信息，即由于细胞位置的不同，导致某种特异调节分子相对浓度不同。

在每个叶原基细胞增殖过程中，位置信息决定细胞命运，因而不同细胞如叶肉细胞、皮层细胞、保卫细胞中对叶绿体的发育进行微调，大多数是通过调节RNA稳定性、剪接、翻译以及蛋白质稳定性来实现的，并显示核基因可以控制那些核和质体共同编码的、最终装配为复合体的蛋白基因。

当发育为叶片时，不同细胞类型的核基因表达有所不同，不同细胞的位置信息，通过不同的基因调节机制，引起质体和核基因的细胞特异表达。最后，叶片细胞以关掉编码叶绿体蛋白的基因和核基因表达而进入衰老阶段(刘良式，1988)。

总之,基因表达调控是由一系列复杂的调控机制组成的(Marina,1996)。不同的调节机制在一定条件下对特定基因起调节作用，不同的调节策略可使不同植物来适应各自的生存条件，如：光、温、水和营养条件可调节植物的代谢活动。

除上面提到的环境因素外，还涉及叶绿体基因转录及转录后调节、翻译与翻译后修饰调节、核基因对叶绿体基因在转录与翻译过程中的调节和质体产生的信号对核编码的质体蛋白的表达调节等等。因此，很难对叶绿体基因表达找出一个固定模式。

在未来的研究中，核基因组和质体基因组如何在质体发育过程中起到相互调节作用将会成为一个最可能出成果的研究领域。