1、第七章第七章 基因的表達(dá)與調(diào)控（上）基因的表達(dá)與調(diào)控（上） 原核基因表達(dá)調(diào)控模式原核基因表達(dá)調(diào)控模式1.原核基因表達(dá)調(diào)控總論原核基因表達(dá)調(diào)控總論2. 乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)3. 色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)4. 轉(zhuǎn)錄水平的其他調(diào)控方式轉(zhuǎn)錄水平的其他調(diào)控方式5. 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控轉(zhuǎn)錄后調(diào)控主要內(nèi)容主要內(nèi)容7.1 原核基因表達(dá)調(diào)控總論原核基因表達(dá)調(diào)控總論基因表達(dá)（基因表達(dá)（gene expression）：從）：從DNA到蛋白質(zhì)或功能到蛋白質(zhì)或功能RNA的過程的過程基因表達(dá)調(diào)控（基因表達(dá)調(diào)控（gene regulation或或gene control）

2、對(duì)基因表達(dá)過程的調(diào)節(jié)對(duì)基因表達(dá)過程的調(diào)節(jié)基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：1. 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（transcriptional regulation）2. 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控（轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控（past-transcriptional regulation） 1）mRNA加工成熟水平上的調(diào)控（加工成熟水平上的調(diào)控（differential processing of RNA trscript） 2）翻譯水平上的調(diào)控）翻譯水平上的調(diào)控原核生物中，原核生物中，營養(yǎng)狀況營養(yǎng)狀況（nutritional status）和）和環(huán)境因素環(huán)境因素（envirome

3、ntal factor）對(duì)基因表達(dá)起著舉足輕重的影響；在真核生物中特別是高等真核生物）對(duì)基因表達(dá)起著舉足輕重的影響；在真核生物中特別是高等真核生物 激素水平激素水平（hormone level）和）和發(fā)育階段發(fā)育階段（developmental stage）是基因）是基因 表達(dá)調(diào)控的最主要的手段。表達(dá)調(diào)控的最主要的手段。7.1.1 原核基因調(diào)控分類原核基因調(diào)控分類負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（negative transcription regulation） 調(diào)解基因的產(chǎn)物是調(diào)解基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白阻遏蛋白（repressor），起著），起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作的作用用 根據(jù)其特征

4、又分為：根據(jù)其特征又分為： 1）負(fù)控誘導(dǎo)：阻遏蛋白（活性）不與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，）負(fù)控誘導(dǎo)：阻遏蛋白（活性）不與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)， 結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。 2）負(fù)控阻遏：阻遏蛋白（非活性）與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)）負(fù)控阻遏：阻遏蛋白（非活性）與效應(yīng)物結(jié)合時(shí) （阻遏蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚誀顟B(tài)）結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。（阻遏蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚誀顟B(tài)）結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（positive transcription regulation） 調(diào)解基因的產(chǎn)物是激活蛋白（調(diào)解基因的產(chǎn)物是激活蛋白（activator） 1）正控誘導(dǎo)系統(tǒng)：誘導(dǎo)物的存在使激活蛋白處于活化狀態(tài)）正控誘導(dǎo)系統(tǒng)：誘導(dǎo)物的存

5、在使激活蛋白處于活化狀態(tài) 2）正控阻遏系統(tǒng)：效應(yīng)物的存在使激活蛋白處于非活化狀態(tài)）正控阻遏系統(tǒng)：效應(yīng)物的存在使激活蛋白處于非活化狀態(tài)負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)控阻遏系統(tǒng)負(fù)控阻遏系統(tǒng)正控阻遏系統(tǒng)正控阻遏系統(tǒng)7.1.2 原核基因調(diào)控的主要特點(diǎn)原核基因調(diào)控的主要特點(diǎn)1. 可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)可誘導(dǎo)調(diào)節(jié) 指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化。轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化。 例子：大腸桿菌的例子：大腸桿菌的lac操縱子操縱子 可誘導(dǎo)基因；可誘導(dǎo)酶；

6、酶的誘導(dǎo)合成可誘導(dǎo)基因；可誘導(dǎo)酶；酶的誘導(dǎo)合成2. 可阻遏調(diào)節(jié)可阻遏調(diào)節(jié) 這類基因平時(shí)都是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中，這類基因平時(shí)都是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。 例子：大腸桿菌的例子：大腸桿菌的Trp操縱子操縱子 可阻遏基因；可阻遏酶；可阻遏現(xiàn)象；阻遏物可阻遏基因；可阻遏酶；可阻遏現(xiàn)象；阻遏物一般規(guī)律：可誘導(dǎo)的操縱子總是一些編碼糖和一般規(guī)律：可誘導(dǎo)的操縱子總是一些編碼糖和AA分解代謝蛋白的基因，分解代謝蛋白的基因， 這些操縱子常常是關(guān)閉的；可阻遏

7、基因正好相反，他們是一些合成各種這些操縱子常常是關(guān)閉的；可阻遏基因正好相反，他們是一些合成各種 細(xì)胞代謝過程中所必需的小分子物質(zhì)的基因，這些基因常常是打開的。細(xì)胞代謝過程中所必需的小分子物質(zhì)的基因，這些基因常常是打開的。7.1.3 弱化子對(duì)基因活性的影響弱化子對(duì)基因活性的影響 在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號(hào)作用的是有特殊負(fù)載的在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號(hào)作用的是有特殊負(fù)載的AA-tRNA的濃度，的濃度，是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)中的微調(diào)整。是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)中的微調(diào)整。 當(dāng)操縱子被阻遏，當(dāng)操縱子被阻遏，RNA合成被終止時(shí)，起終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)作用的那一段合成被終止時(shí)，起終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)作用的那一段核苷酸被稱為弱化子。核苷酸被稱為弱化子。

8、例子：例子：Trp操縱子的弱化作用操縱子的弱化作用7.1.4 降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié) 在葡萄糖存在的情況下，即使在細(xì)菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖等誘導(dǎo)在葡萄糖存在的情況下，即使在細(xì)菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖等誘導(dǎo)物，與其對(duì)應(yīng)的操縱子也不會(huì)啟動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生出代謝這些糖的酶，這種現(xiàn)象物，與其對(duì)應(yīng)的操縱子也不會(huì)啟動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生出代謝這些糖的酶，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)或降解物抑制效應(yīng)。稱為葡萄糖效應(yīng)或降解物抑制效應(yīng)。 降解物抑制作用是通過提高轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度來調(diào)節(jié)基因表達(dá)的。降解物抑制作用是通過提高轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度來調(diào)節(jié)基因表達(dá)的。7.1.5 細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng) 應(yīng)急反應(yīng)的信號(hào)：應(yīng)急反應(yīng)的信

9、號(hào)：ppGpp和和pppGpp。 產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物是空載產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物是空載tRNA。7.2 乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)操縱子模型操縱子模型 操縱子：基因表達(dá)的協(xié)同單位。指原核生物中由一個(gè)或多個(gè)相關(guān)基因以操縱子：基因表達(dá)的協(xié)同單位。指原核生物中由一個(gè)或多個(gè)相關(guān)基因以及及 轉(zhuǎn)錄翻譯調(diào)控元件組成的基因表達(dá)單元。轉(zhuǎn)錄翻譯調(diào)控元件組成的基因表達(dá)單元。 操縱子學(xué)說：關(guān)于原核基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控的學(xué)說操縱子學(xué)說：關(guān)于原核基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控的學(xué)說法國巴斯德研究所法國巴斯德研究所Jacob和和Monod在在1961年提出年提出操縱子的組成操縱子的組成 1）結(jié)構(gòu)基因）結(jié)構(gòu)基

10、因 2）調(diào)節(jié)基因（）調(diào)節(jié)基因（I） 3）控制部位：可接受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的調(diào)節(jié)。）控制部位：可接受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的調(diào)節(jié)。 包括啟動(dòng)子（包括啟動(dòng)子（P區(qū)）和操縱基因（區(qū)）和操縱基因（O區(qū)）。區(qū)）。調(diào)節(jié)基因 控制部位 結(jié)構(gòu)基因7.2.1 乳糖操縱子模型乳糖操縱子模型1）Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順販子的基因的產(chǎn)物由同一條多順販子的mRNA分子所編碼分子所編碼 Z基因：編碼基因：編碼-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 Y基因：編碼基因：編碼-半乳糖苷透過酶半乳糖苷透過酶 A 基因：編碼基因：編碼-半乳糖乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖乙酰基轉(zhuǎn)移酶2）該）該mRNA分子的啟動(dòng)區(qū)（分子的啟動(dòng)區(qū)（P）位于阻遏基因（）位于阻遏基因（I

11、）與操縱區(qū)（）與操縱區(qū)（O）之間，不能）之間，不能 單獨(dú)起始半乳糖苷酶和透過酶的高效表達(dá)單獨(dú)起始半乳糖苷酶和透過酶的高效表達(dá)3）操縱區(qū)（）操縱區(qū)（O）是）是DNA上的一小段序列（僅為上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。4）當(dāng)阻遏物與操縱區(qū)結(jié)合時(shí)，）當(dāng)阻遏物與操縱區(qū)結(jié)合時(shí)，lac mRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。5）誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)結(jié)合，從）誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)結(jié)合，從而而 激發(fā)激發(fā)lac mRNA的合成的合成這一模型僅解釋了這一模型僅解釋了lac體系的負(fù)控系統(tǒng)

12、，在體系的負(fù)控系統(tǒng)，在lac操縱子同樣存在正調(diào)控！操縱子同樣存在正調(diào)控！-半乳糖苷酶半乳糖苷酶透過酶透過酶乙?；D(zhuǎn)移酶乙?；D(zhuǎn)移酶7.2.2 lac操縱子的影響因子操縱子的影響因子1. lac操縱子的本底水平表達(dá)操縱子的本底水平表達(dá)問題：?jiǎn)栴}：1）誘導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要透過酶，）誘導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要透過酶， 透過酶的合成又需要誘導(dǎo)。透過酶的合成又需要誘導(dǎo)。 第一個(gè)誘導(dǎo)物是如何到達(dá)細(xì)胞的？第一個(gè)誘導(dǎo)物是如何到達(dá)細(xì)胞的？2）乳糖（）乳糖（G-1,4-gal）并不與阻遏物結(jié)合，真正的誘導(dǎo)物是異乳糖（）并不與阻遏物結(jié)合，真正的誘導(dǎo)物是異

13、乳糖（ G-1,6-gal ） 而異乳糖是在而異乳糖是在-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。 乳糖誘導(dǎo)乳糖誘導(dǎo)-半乳糖苷酶的合成需要半乳糖苷酶的合成需要-半乳糖苷酶的預(yù)先存在！半乳糖苷酶的預(yù)先存在！對(duì)這一現(xiàn)象的解釋：對(duì)這一現(xiàn)象的解釋： 在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lac mRNA合成（大約每個(gè)世代中有合成（大約每個(gè)世代中有1-5個(gè)個(gè)mRNA 分子）分子） 這種合成被稱為本底水平的永久型合成這種合成被稱為本底水平的永久型合成研究誘導(dǎo)作用時(shí)很少適用乳糖，而用乳糖類似物研究誘導(dǎo)作用時(shí)很少適用乳糖，而用乳糖類似物1）異丙基巰基半乳糖苷（）異丙基巰基半乳糖苷

14、（IPTG）2）巰甲基半乳糖苷（）巰甲基半乳糖苷（TMG）3）在酶活性分析中，常用顯色底物）在酶活性分析中，常用顯色底物O-硝基半乳糖苷（硝基半乳糖苷（ONPG）他們都是高效誘導(dǎo)物，但不是半乳糖苷酶的底物，因此稱為他們都是高效誘導(dǎo)物，但不是半乳糖苷酶的底物，因此稱為安慰性誘導(dǎo)物安慰性誘導(dǎo)物2. 大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng) 本底水平表達(dá)本底水平表達(dá)（幾個(gè)分子的（幾個(gè)分子的- 半乳糖苷酶和透過酶）半乳糖苷酶和透過酶） 乳糖乳糖在透過酶作用下，在透過酶作用下，lac進(jìn)入細(xì)胞，又在進(jìn)入細(xì)胞，又在- 半乳糖苷酶作用下乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴樘擒彰缸饔孟氯樘寝D(zhuǎn)變?yōu)?異乳糖異乳糖 異乳糖與結(jié)合在操縱區(qū)上

15、的阻遏物結(jié)合異乳糖與結(jié)合在操縱區(qū)上的阻遏物結(jié)合導(dǎo)致導(dǎo)致 阻遏物失活阻遏物失活 lac mRNA開始合成開始合成3. 阻遏物阻遏物 lacI 基因產(chǎn)物及功能基因產(chǎn)物及功能 lacI 基因產(chǎn)物為阻遏蛋白，由基因產(chǎn)物為阻遏蛋白，由4個(gè)相同亞基，每個(gè)亞基均含有個(gè)相同亞基，每個(gè)亞基均含有 347AA，并能與，并能與1分子分子IPTG結(jié)合。結(jié)合。lac阻遏物阻遏物 mRNA是在弱啟動(dòng)子控制下永久合成的是在弱啟動(dòng)子控制下永久合成的。當(dāng)當(dāng)I基因由弱啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)不能產(chǎn)生足夠的基因由弱啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)不能產(chǎn)生足夠的 誘導(dǎo)物來克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)誘導(dǎo)物來克服阻遏狀態(tài)，整個(gè) lac 操縱子在

16、這些突變體中不可誘導(dǎo)。操縱子在這些突變體中不可誘導(dǎo)。4. 葡萄糖對(duì)葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響操縱子的影響 - 半乳糖苷酶半乳糖苷酶lacG + galgal操縱子操縱子G將將G和和lac同時(shí)加入培養(yǎng)基，大腸桿菌同時(shí)加入培養(yǎng)基，大腸桿菌 在耗盡外源在耗盡外源G之前不會(huì)誘發(fā)之前不會(huì)誘發(fā)lac操縱子操縱子 G對(duì)對(duì)lac操縱子表達(dá)的抑制是間接的操縱子表達(dá)的抑制是間接的證據(jù)證據(jù)：一個(gè)大腸桿菌突變株，他在：一個(gè)大腸桿菌突變株，他在EMP途徑途徑中不能將中不能將G-6-P轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，這些細(xì)菌的這些細(xì)菌的lac基因能在葡萄糖存在時(shí)被誘導(dǎo)基因能在葡萄糖存在時(shí)被誘導(dǎo)合成。合成。

17、代謝物阻遏效應(yīng)（葡萄糖效應(yīng)）代謝物阻遏效應(yīng)（葡萄糖效應(yīng)） 葡萄糖的某些降解產(chǎn)物（不是葡萄糖）葡萄糖的某些降解產(chǎn)物（不是葡萄糖）抑制抑制lac mRNA合成的現(xiàn)象合成的現(xiàn)象G耗盡耗盡（或：有葡萄糖存在時(shí)，不論誘導(dǎo)物存在與否，操縱子都沒有轉(zhuǎn)錄活性，結(jié)構(gòu)基因都不表達(dá)）（或：有葡萄糖存在時(shí)，不論誘導(dǎo)物存在與否，操縱子都沒有轉(zhuǎn)錄活性，結(jié)構(gòu)基因都不表達(dá)）5. cAMP與代謝物激活蛋白（與代謝物激活蛋白（lac操縱子的正調(diào)節(jié)）操縱子的正調(diào)節(jié)）在大腸桿菌中，在大腸桿菌中， cAMP的濃度受的濃度受G代謝的調(diào)節(jié)代謝的調(diào)節(jié)1）將細(xì)菌放在缺乏碳源的培養(yǎng)基中，細(xì)胞內(nèi)）將細(xì)菌放在缺乏碳源的培養(yǎng)基中，細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度就

18、高；濃度就高；2）如果在含）如果在含G培養(yǎng)基中，細(xì)胞內(nèi)培養(yǎng)基中，細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度就低；濃度就低；3）如果培養(yǎng)基中只有甘油或乳糖等不進(jìn)行）如果培養(yǎng)基中只有甘油或乳糖等不進(jìn)行EMP途徑（甘油其實(shí)可進(jìn)入途徑（甘油其實(shí)可進(jìn)入EMP途徑）途徑） 的碳源，細(xì)胞內(nèi)的碳源，細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度也會(huì)很高。濃度也會(huì)很高。 說明說明：在：在EMP途徑中位于途徑中位于G-6-P與甘油之間的某些代謝產(chǎn)物是與甘油之間的某些代謝產(chǎn)物是cAMP酶的抑制劑酶的抑制劑大腸桿菌中的代謝物激活蛋白（大腸桿菌中的代謝物激活蛋白（CAP），或稱為），或稱為cAMP-受體蛋白（受體蛋白（CRP）, 由由Crp基因編碼，能與基因編碼，能與c

19、AMP形成復(fù)合物形成復(fù)合物cAMP- CRP。 Crp和和cAMP酶基因突變的細(xì)菌都不能合成酶基因突變的細(xì)菌都不能合成lac mRNA CRP和和cAMP（兩者單獨(dú)不起作用）都是合成（兩者單獨(dú)不起作用）都是合成lac mRNA所必需的！所必需的！G會(huì)降低細(xì)胞內(nèi)會(huì)降低細(xì)胞內(nèi)cAMP的水平。當(dāng)?shù)乃?。?dāng)G缺乏時(shí)，大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)缺乏時(shí)，大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)cAMP上升，上升， CRP結(jié)合到結(jié)合到cAMP上。上。 CRP- cAMP結(jié)合到緊鄰結(jié)合到緊鄰RNA Pol 結(jié)合位點(diǎn)上游的結(jié)合位點(diǎn)上游的 lac操縱子操縱子Plac上。上。CRP的結(jié)合引起的結(jié)合引起DNA鏈發(fā)生鏈發(fā)生90度彎曲，這增強(qiáng)度彎曲，這增強(qiáng)R

20、NA Pol 與啟動(dòng)子的結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄效率提高與啟動(dòng)子的結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄效率提高50倍。倍。 細(xì)菌對(duì)于細(xì)菌對(duì)于cAMP- CRP復(fù)合物的需要復(fù)合物的需要 是獨(dú)立的，與阻遏體系無關(guān)，轉(zhuǎn)錄是獨(dú)立的，與阻遏體系無關(guān)，轉(zhuǎn)錄 必須有必須有cAMP- CRP復(fù)合物結(jié)合在復(fù)合物結(jié)合在 DNA的啟動(dòng)子上，是的啟動(dòng)子上，是lac操縱子的操縱子的 正調(diào)控因子正調(diào)控因子 lac操縱子是在負(fù)調(diào)控和正調(diào)控兩個(gè)操縱子是在負(fù)調(diào)控和正調(diào)控兩個(gè) 獨(dú)立的調(diào)控體系下完成的。獨(dú)立的調(diào)控體系下完成的。正調(diào)控位點(diǎn)正調(diào)控位點(diǎn)負(fù)調(diào)控位點(diǎn)負(fù)調(diào)控位點(diǎn)laclac操縱子必須同時(shí)在操縱子必須同時(shí)在CRPCRP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合cAMPcAMP- C

21、RP- CRP和去阻遏狀態(tài)下和去阻遏狀態(tài)下才能高效表達(dá)才能高效表達(dá)7.2.3 lac操縱子中的其他問題操縱子中的其他問題1. A基因及其生理功能基因及其生理功能 A基因：編碼基因：編碼-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶，使半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶，使-半乳糖半乳糖第第6位位C原子乙酰化原子乙?；瘑栴}問題：為什么：為什么A基因不在乳糖降解中起作用呢？基因不在乳糖降解中起作用呢？ 自然界存在很多能被自然界存在很多能被-半乳糖苷酶降解的半乳糖苷酶降解的-半乳糖苷分子，其分解半乳糖苷分子，其分解 產(chǎn)物不能被進(jìn)一步代謝，很容易在體內(nèi)積累，是細(xì)胞正常生長(zhǎng)的產(chǎn)物不能被進(jìn)一步代謝，很容易在體內(nèi)積累，是細(xì)胞正常生長(zhǎng)的抑制物抑制

22、物。 而而-半乳糖苷分子（如半乳糖苷分子（如IPTG）被乙酰化后，不能被）被乙酰化后，不能被-半乳糖苷酶降解。半乳糖苷酶降解。 抑制有害物質(zhì)的積累。抑制有害物質(zhì)的積累。證據(jù)證據(jù)：當(dāng)有：當(dāng)有IPTG存在時(shí)，存在時(shí)，I -Oc A- 大腸桿菌的生長(zhǎng)速度顯著慢于相應(yīng)的大腸桿菌的生長(zhǎng)速度顯著慢于相應(yīng)的A+ 株系，其差異僅僅在于株系，其差異僅僅在于IPTG被乙酰化。被乙酰化。2. Lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較 在一個(gè)完全被誘導(dǎo)的細(xì)胞中在一個(gè)完全被誘導(dǎo)的細(xì)胞中 -半乳糖酶：半乳糖酶： -半乳糖透過酶：半乳糖透過酶： -半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶=1：0.5：0.2 不同酶在

23、數(shù)量上的差異是由于不同酶在數(shù)量上的差異是由于翻譯水平上翻譯水平上受到調(diào)節(jié)所致。受到調(diào)節(jié)所致。1）大多數(shù)多順反子）大多數(shù)多順反子mRNA分子，存在一個(gè)從分子，存在一個(gè)從mRNA的的5端到端到3端的蛋白質(zhì)端的蛋白質(zhì) 合成的梯度。當(dāng)合成的梯度。當(dāng)lac mRNA與核糖體脫離，終止蛋白質(zhì)合成，其發(fā)生的與核糖體脫離，終止蛋白質(zhì)合成，其發(fā)生的 頻率取決于頻率取決于AUG密碼子再度起始翻譯的概率?？拷艽a子再度起始翻譯的概率?？拷黰RNA的的5端再度起始端再度起始 的概率大。的概率大。2）在）在lac mRNA 分子內(nèi)部，分子內(nèi)部，A基因比基因比Z基因更易受內(nèi)切酶作用。基因更易受內(nèi)切酶作用。3. 操縱子的融

24、合與基因工程操縱子的融合與基因工程 操縱子在自然條件下可能發(fā)生融合操縱子在自然條件下可能發(fā)生融合 如：如：lac操縱子與負(fù)責(zé)嘌呤合成的操縱子與負(fù)責(zé)嘌呤合成的pur操縱子的偶聯(lián)。操縱子的偶聯(lián)。OPZpur基因基因P OZ Y AtsxP Opur基因基因lac操縱子操縱子 pur操縱子操縱子控制細(xì)胞對(duì)控制細(xì)胞對(duì)T6噬菌體敏感性基因噬菌體敏感性基因tsx sZ 細(xì)胞細(xì)胞tsx RZ-突變體突變體強(qiáng)啟動(dòng)子強(qiáng)啟動(dòng)子 缺失缺失pur基因啟動(dòng)子一部分基因啟動(dòng)子一部分 缺失缺失Z基因的終止序列基因的終止序列融合基因融合基因7.3 Trp操縱子與負(fù)控阻遏體系操縱子與負(fù)控阻遏體系Trp的合成分的合成分5步完成，

25、有步完成，有7個(gè)基因參與整個(gè)合成過程個(gè)基因參與整個(gè)合成過程7.3.1 Trp操縱子的阻遏系統(tǒng)操縱子的阻遏系統(tǒng)由于由于trp體系參與生物合成而不是降解，它不受體系參與生物合成而不是降解，它不受G或或cAMP-CRP的調(diào)控。的調(diào)控。當(dāng)培養(yǎng)基中含有高濃度的當(dāng)培養(yǎng)基中含有高濃度的trp時(shí)，時(shí)， Trp操縱子不表達(dá)；當(dāng)培養(yǎng)基中操縱子不表達(dá)；當(dāng)培養(yǎng)基中trp不足時(shí)，不足時(shí)， Trp操縱子表達(dá)。操縱子表達(dá)。 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因trpR的產(chǎn)物稱為輔阻遏蛋白，可與的產(chǎn)物稱為輔阻遏蛋白，可與trp結(jié)合形成有活性的阻遏物結(jié)合形成有活性的阻遏物 與與O區(qū)結(jié)合并關(guān)閉區(qū)結(jié)合并關(guān)閉trp mRNA轉(zhuǎn)錄；缺乏轉(zhuǎn)錄；缺乏trp時(shí)

26、，輔阻遏蛋白失去時(shí)，輔阻遏蛋白失去trp并從并從O區(qū)區(qū) 上解離，上解離， trp操縱子去阻遏。操縱子去阻遏。7.3.2 弱化子與前導(dǎo)肽弱化子與前導(dǎo)肽 有些現(xiàn)象與以阻遏作為唯一調(diào)節(jié)機(jī)制的觀點(diǎn)不一致有些現(xiàn)象與以阻遏作為唯一調(diào)節(jié)機(jī)制的觀點(diǎn)不一致1）在）在trp高濃度和低濃度下觀察到高濃度和低濃度下觀察到trp操縱子的表達(dá)水平相差操縱子的表達(dá)水平相差600倍，而阻遏作用倍，而阻遏作用 僅使轉(zhuǎn)錄降低僅使轉(zhuǎn)錄降低70倍。倍。2）使阻遏物失活突變不能完全消除）使阻遏物失活突變不能完全消除trp對(duì)對(duì)trp操縱子的影響。操縱子的影響。 這種調(diào)控機(jī)制與阻遏物的控制無關(guān)，必定有其他調(diào)控機(jī)制！這種調(diào)控機(jī)制與阻遏物的控

27、制無關(guān)，必定有其他調(diào)控機(jī)制！研究證實(shí)，阻遏研究證實(shí)，阻遏-操縱機(jī)制控制轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)，是操縱機(jī)制控制轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)，是trp操縱子的粗調(diào)開關(guān)，操縱子的粗調(diào)開關(guān)， 還有另外一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)控并決定已經(jīng)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)錄能否繼續(xù)下去。還有另外一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)控并決定已經(jīng)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)錄能否繼續(xù)下去。 弱化作用弱化作用弱化作用：是通過轉(zhuǎn)錄到達(dá)第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因之前的過早終止來實(shí)現(xiàn)的弱化作用：是通過轉(zhuǎn)錄到達(dá)第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因之前的過早終止來實(shí)現(xiàn)的前導(dǎo)區(qū)：前導(dǎo)區(qū)：trpE基因的起始密碼前一個(gè)基因的起始密碼前一個(gè)162bp的的mRNA片段稱為前導(dǎo)區(qū)片段稱為前導(dǎo)區(qū) 其中其中123-150位堿基序列缺失，位堿基序列缺失，trp基因表達(dá)可提

28、高基因表達(dá)可提高6-10倍。當(dāng)倍。當(dāng)mRNA 合成起始后，除非培養(yǎng)基中完全沒有合成起始后，除非培養(yǎng)基中完全沒有trp，轉(zhuǎn)錄總在這個(gè)區(qū)域終止，產(chǎn)生，轉(zhuǎn)錄總在這個(gè)區(qū)域終止，產(chǎn)生 一個(gè)僅有一個(gè)僅有140nt的的RNA分子，終止分子，終止trp基因轉(zhuǎn)錄?；蜣D(zhuǎn)錄。1. 弱化子（弱化子（attenuator）：）： 指原核生物操縱子中能顯著減弱甚至指原核生物操縱子中能顯著減弱甚至終止轉(zhuǎn)錄作用的一段核苷酸序列。該序列終止轉(zhuǎn)錄作用的一段核苷酸序列。該序列能形成不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)，利用原核生物轉(zhuǎn)能形成不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)，利用原核生物轉(zhuǎn)錄與翻譯的偶聯(lián)機(jī)制對(duì)轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)節(jié)。錄與翻譯的偶聯(lián)機(jī)制對(duì)轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)節(jié)。該區(qū)域該區(qū)域mR

29、NA通過自我配對(duì)可以形成通過自我配對(duì)可以形成 莖莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型終止子特點(diǎn)環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型終止子特點(diǎn)2. 前導(dǎo)肽：前導(dǎo)肽： 前導(dǎo)序列包括起始密碼子前導(dǎo)序列包括起始密碼子AUG和終止密碼子和終止密碼子UGA，如果翻譯起始于，如果翻譯起始于AUG，應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)，應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)14AA的多肽，這個(gè)假設(shè)的多肽稱為前導(dǎo)肽。的多肽，這個(gè)假設(shè)的多肽稱為前導(dǎo)肽。3. mRNA前導(dǎo)區(qū)的序列分析前導(dǎo)區(qū)的序列分析具有具有4個(gè)分別以個(gè)分別以1、2、3和和4表示的片段，能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對(duì)。表示的片段，能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對(duì)。1）1-2，3-4配對(duì)：配對(duì)： 其中其中3-4配區(qū)正好位于終止密碼的識(shí)別區(qū)，為

30、終止構(gòu)型配區(qū)正好位于終止密碼的識(shí)別區(qū)，為終止構(gòu)型2）2-3配對(duì)：抗終止子結(jié)構(gòu)配對(duì)：抗終止子結(jié)構(gòu)4. 轉(zhuǎn)錄的弱化作用轉(zhuǎn)錄的弱化作用該理論認(rèn)為，該理論認(rèn)為，mRNA轉(zhuǎn)錄的終止是通過前導(dǎo)肽基因的翻譯來調(diào)節(jié)的。因?yàn)樵谇皩?dǎo)肽基因轉(zhuǎn)錄的終止是通過前導(dǎo)肽基因的翻譯來調(diào)節(jié)的。因?yàn)樵谇皩?dǎo)肽基因中有兩個(gè)相鄰的中有兩個(gè)相鄰的trp密碼子（第密碼子（第10和和11位），所以這個(gè)前導(dǎo)肽的翻譯必定對(duì)位），所以這個(gè)前導(dǎo)肽的翻譯必定對(duì)tRNATrp的濃度敏的濃度敏感。感。1）當(dāng)培養(yǎng)基中）當(dāng)培養(yǎng)基中trp低時(shí)，低時(shí)，tRNATrp就少，翻譯通過兩個(gè)就少，翻譯通過兩個(gè)trp密碼子的速度就慢，當(dāng)密碼子的速度就慢，當(dāng)4區(qū)被轉(zhuǎn)錄區(qū)被轉(zhuǎn)

31、錄完成時(shí)，核糖體才進(jìn)行到完成時(shí)，核糖體才進(jìn)行到1區(qū)（或停留在兩個(gè)區(qū)（或停留在兩個(gè)trp密碼子處），此時(shí)前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)為密碼子處），此時(shí)前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)為2-3配對(duì)，配對(duì)，不形成不形成3-4配對(duì)的終止結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行，直至將結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄。配對(duì)的終止結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行，直至將結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄。2）當(dāng)培養(yǎng)基中）當(dāng)培養(yǎng)基中trp高時(shí)，高時(shí)， tRNATrp就多，核糖體順利通過兩個(gè)就多，核糖體順利通過兩個(gè)trp密碼子，在密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前，核糖體就到達(dá)前，核糖體就到達(dá)2區(qū)，形成形成區(qū)，形成形成3-4配對(duì)的終止結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄終止。配對(duì)的終止結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄終止。弱化作用對(duì)弱化作用對(duì)RNA Pol的影響依

32、賴于前導(dǎo)肽的影響依賴于前導(dǎo)肽翻譯中核糖體所處的翻譯中核糖體所處的位置位置trp操縱子的阻遏作用與弱化作用的協(xié)調(diào)控制操縱子的阻遏作用與弱化作用的協(xié)調(diào)控制1）細(xì)菌通過弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒糇饔弥荒埽┘?xì)菌通過弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒糇饔弥荒?使轉(zhuǎn)錄不起始，對(duì)于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過弱化作用使使轉(zhuǎn)錄不起始，對(duì)于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過弱化作用使 之中途停頓下來，阻遏作用的信號(hào)是細(xì)胞內(nèi)之中途停頓下來，阻遏作用的信號(hào)是細(xì)胞內(nèi)trp的多少。的多少。2）弱化作用的信號(hào)是細(xì)胞內(nèi)負(fù)載有）弱化作用的信號(hào)是細(xì)胞內(nèi)負(fù)載有trp的的tRNATrp的多少，它通過的多少，它通過 前導(dǎo)肽的翻譯來控制

33、轉(zhuǎn)錄地進(jìn)行。前導(dǎo)肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄地進(jìn)行。7.4 7.4 其他操縱子其他操縱子7.4.1 半乳糖操縱子（半乳糖操縱子（galactose operon）大腸桿菌半乳糖操縱子在大腸桿菌遺傳圖上位于大腸桿菌半乳糖操縱子在大腸桿菌遺傳圖上位于17min處，包括處，包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：個(gè)結(jié)構(gòu)基因： 異構(gòu)酶：異構(gòu)酶：galE 半乳糖半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶：磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶：galT 半乳糖激酶：半乳糖激酶：galK調(diào)節(jié)基因：調(diào)節(jié)基因：galR，距離結(jié)構(gòu)基因及操縱區(qū)，距離結(jié)構(gòu)基因及操縱區(qū)O等很遠(yuǎn)。位于遺傳圖上等很遠(yuǎn)。位于遺傳圖上55min處。處。 galR產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)物對(duì)galO的作用與的作用與lac

34、I-lacO的作用相同。的作用相同。 在在galR-和和galO-突變體中，突變體中，E、T、K基因得到永久性表達(dá)?；虻玫接谰眯员磉_(dá)。gal操縱子的誘導(dǎo)物主要是半乳糖。操縱子的誘導(dǎo)物主要是半乳糖。 gal操縱子的特點(diǎn)：操縱子的特點(diǎn)： 1）有兩個(gè)啟動(dòng)子，其）有兩個(gè)啟動(dòng)子，其mRNA可從不同的起始點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄；可從不同的起始點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄； 2）有兩個(gè)）有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游區(qū)上游-73 - 67，另一個(gè)在，另一個(gè)在E基因內(nèi)部?；騼?nèi)部。1. cAMP-CRP對(duì)對(duì)gal啟動(dòng)子的作用啟動(dòng)子的作用 半乳糖的利用率比葡萄糖低，半乳糖的利用率比葡萄糖低，但在有葡萄糖存在時(shí)，但在有葡萄糖存在時(shí)，

35、gal操縱子操縱子 仍可被誘導(dǎo)！仍可被誘導(dǎo)！ 現(xiàn)已分離的突變株：現(xiàn)已分離的突變株： 1）能在不含葡萄糖的培養(yǎng)基中高水平表達(dá)結(jié)構(gòu)基因；）能在不含葡萄糖的培養(yǎng)基中高水平表達(dá)結(jié)構(gòu)基因； 2）結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)完全依賴于葡萄糖。）結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)完全依賴于葡萄糖。 gal 操縱子有兩個(gè)啟動(dòng)子，可以從兩個(gè)啟動(dòng)子分別起始轉(zhuǎn)錄，每個(gè)啟動(dòng)子擁有各自的操縱子有兩個(gè)啟動(dòng)子，可以從兩個(gè)啟動(dòng)子分別起始轉(zhuǎn)錄，每個(gè)啟動(dòng)子擁有各自的 RNA Pol結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合位點(diǎn)S1和和S2。cAMP-CRP對(duì)從對(duì)從S1和和S2起始的轉(zhuǎn)錄有不同的作用。起始的轉(zhuǎn)錄有不同的作用。 1）從）從S1起始的轉(zhuǎn)錄只有在培養(yǎng)基中無葡萄糖時(shí)才能順利進(jìn)行，起始的

36、轉(zhuǎn)錄只有在培養(yǎng)基中無葡萄糖時(shí)才能順利進(jìn)行，RNA Pol與與S1的結(jié)合的結(jié)合 需要半乳糖、需要半乳糖、CRP和較高濃度的和較高濃度的cAMP。當(dāng)。當(dāng)cya-或或crp- ，gal操縱子不能從操縱子不能從S1起始起始 轉(zhuǎn)錄，此時(shí)若在體外系統(tǒng)中加入轉(zhuǎn)錄，此時(shí)若在體外系統(tǒng)中加入cAMP-CRP即可誘發(fā)從即可誘發(fā)從S1起始的轉(zhuǎn)錄。起始的轉(zhuǎn)錄。 當(dāng)有當(dāng)有cAMP-CRP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S1開始；當(dāng)無開始；當(dāng)無cAMP-CRP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S2開始開始. 2）從）從S2起始的轉(zhuǎn)錄完全依賴于葡萄糖，高水平的起始的轉(zhuǎn)錄完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CRP能抑制由能抑制由S2起始的轉(zhuǎn)錄。起始的轉(zhuǎn)

37、錄。 從從S1轉(zhuǎn)錄：無轉(zhuǎn)錄：無G，有，有cAMP-CRP；從；從S2轉(zhuǎn)錄：有轉(zhuǎn)錄：有G，無，無cAMP-CRP。大腸桿菌的大腸桿菌的cya-（腺苷環(huán)化酶突變）或（腺苷環(huán)化酶突變）或crp- （cAMP受體蛋白突變）突變型受體蛋白突變）突變型 不能利用乳糖，但可以利用半乳糖作為唯一碳源（不能利用乳糖，但可以利用半乳糖作為唯一碳源（S2）。）。有一個(gè)有一個(gè)gal啟動(dòng)子啟動(dòng)子突變株，不能利用培養(yǎng)基中的半乳糖（無葡萄糖），突變株，不能利用培養(yǎng)基中的半乳糖（無葡萄糖）， 若將此突變株再行突變?yōu)槿魧⒋送蛔冎暝傩型蛔優(yōu)閏ya-或或crp- ，細(xì)胞就恢復(fù)了利用半乳糖的能力。，細(xì)胞就恢復(fù)了利用半乳糖的能力。 W

38、hy？ 第一次突變失去了從第一次突變失去了從S1起始轉(zhuǎn)錄的能力，卻不影響從起始轉(zhuǎn)錄的能力，卻不影響從S2起始轉(zhuǎn)錄，起始轉(zhuǎn)錄， 但由于細(xì)胞中但由于細(xì)胞中cAMP-CRP的存在抑制了從的存在抑制了從S2開始的轉(zhuǎn)錄，使開始的轉(zhuǎn)錄，使gal操縱子操縱子 既不能從既不能從S1起始又無法從起始又無法從S2起始轉(zhuǎn)錄。起始轉(zhuǎn)錄。 再行突變后，即再行突變后，即cya-或或crp- ，都能消除，都能消除cAMP-CRP對(duì)對(duì)S2的阻遏作用，的阻遏作用， 導(dǎo)致導(dǎo)致gal基因表達(dá)，恢復(fù)利用半乳糖的能力?；虮磉_(dá)，恢復(fù)利用半乳糖的能力。 cAMP-CRP有利于有利于RNA PolS1區(qū)復(fù)合物形成開鏈構(gòu)象，從而起始轉(zhuǎn)錄。區(qū)

39、復(fù)合物形成開鏈構(gòu)象，從而起始轉(zhuǎn)錄。 由于由于S1和和S2區(qū)有核苷酸部分重疊，這一復(fù)合物的存在干擾了區(qū)有核苷酸部分重疊，這一復(fù)合物的存在干擾了RNA PolS2 區(qū)復(fù)合物的形成，抑制區(qū)復(fù)合物的形成，抑制S2起始的轉(zhuǎn)錄。起始的轉(zhuǎn)錄。2. 雙啟動(dòng)子的生理功能雙啟動(dòng)子的生理功能 半乳糖在細(xì)胞代謝中具有雙重功能：半乳糖在細(xì)胞代謝中具有雙重功能：1）可以作為唯一碳源供細(xì)胞生長(zhǎng)）可以作為唯一碳源供細(xì)胞生長(zhǎng)2）UDPgal是大腸桿菌細(xì)胞壁合成的前體。是大腸桿菌細(xì)胞壁合成的前體。 在沒有外源半乳糖的情況下，細(xì)胞通過半乳糖在沒有外源半乳糖的情況下，細(xì)胞通過半乳糖差向異構(gòu)酶差向異構(gòu)酶（galE基因基因 產(chǎn)物）的作用

40、由產(chǎn)物）的作用由UDPG合成合成UDPgal。 （G-1-P+UTPUDPG+PPi ； UDPG UDPgal ） 若只有若只有S1一個(gè)啟動(dòng)子，由于它的活性依賴于一個(gè)啟動(dòng)子，由于它的活性依賴于cAMP-CRP，當(dāng)有葡萄糖，當(dāng)有葡萄糖 存在時(shí)不能合成異構(gòu)酶；若只有存在時(shí)不能合成異構(gòu)酶；若只有S2，即使在有葡萄糖存在時(shí)，半乳糖也將，即使在有葡萄糖存在時(shí)，半乳糖也將 使操縱子處于充分誘導(dǎo)狀態(tài)。浪費(fèi)！使操縱子處于充分誘導(dǎo)狀態(tài)。浪費(fèi)！ 因此。無論從必要性或經(jīng)濟(jì)性考慮，都需要一個(gè)不依賴于因此。無論從必要性或經(jīng)濟(jì)性考慮，都需要一個(gè)不依賴于cAMP-CRP 的啟動(dòng)子（的啟動(dòng)子（S2）進(jìn)行本地水平的永久型合成

41、，以及一個(gè)依賴于）進(jìn)行本地水平的永久型合成，以及一個(gè)依賴于cAMP-CRP 的啟動(dòng)子（的啟動(dòng)子（S1）對(duì)高水平合成的調(diào)節(jié)。）對(duì)高水平合成的調(diào)節(jié)。差向異構(gòu)酶差向異構(gòu)酶合成細(xì)胞壁對(duì)異構(gòu)酶的需要量很小，本地水平的合成即可7.4.2 阿拉伯糖操縱子（阿拉伯糖操縱子（ara操縱子）操縱子）阿拉伯糖的降解需阿拉伯糖的降解需3個(gè)基因：簡(jiǎn)寫為個(gè)基因：簡(jiǎn)寫為 araBAD araB: 核酮糖激酶核酮糖激酶 araA: L- 阿拉伯糖異構(gòu)酶阿拉伯糖異構(gòu)酶 araD: L-核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸-4-差向異構(gòu)酶差向異構(gòu)酶 其作用順序?yàn)槠渥饔庙樞驗(yàn)閍raA、 araB、 araD。 ara操縱子有一個(gè)復(fù)合的啟動(dòng)子

42、區(qū)、兩個(gè)操縱區(qū)（操縱子有一個(gè)復(fù)合的啟動(dòng)子區(qū)、兩個(gè)操縱區(qū)（O1和和O2）和一個(gè)）和一個(gè) 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因araC 。AraC蛋白同時(shí)蛋白同時(shí)具有正負(fù)調(diào)節(jié)因子具有正負(fù)調(diào)節(jié)因子的作用。的作用。 araBAD和和araC基因的轉(zhuǎn)錄分別在基因的轉(zhuǎn)錄分別在兩條鏈兩條鏈上以上以相反相反的方向進(jìn)行。的方向進(jìn)行。 ara操縱子也是可誘導(dǎo)的，操縱子也是可誘導(dǎo)的，ara本身就是誘導(dǎo)物。本身就是誘導(dǎo)物。 在野生型操縱子中，只有在野生型操縱子中，只有ara 存在時(shí)才轉(zhuǎn)錄出存在時(shí)才轉(zhuǎn)錄出araBAD mRNA，而有，而有 葡萄糖時(shí)則不轉(zhuǎn)錄。葡萄糖時(shí)則不轉(zhuǎn)錄。其作用順序?yàn)閍raA、 araB、 araDara操縱子有一個(gè)復(fù)

43、合的啟動(dòng)子區(qū)、兩個(gè)操縱區(qū)（O1和O2）和一個(gè)調(diào)節(jié)基因araCAraC蛋白同時(shí)具有正負(fù)調(diào)節(jié)因子的作用araBAD和araC基因的轉(zhuǎn)錄分別在兩條鏈上以相反的方向進(jìn)行 ara操縱子也是可誘導(dǎo)的，ara本身就是誘導(dǎo)物。 在野生型操縱子中，只有ara 存在時(shí)才轉(zhuǎn)錄出araBAD mRNA，而有葡萄糖時(shí)則不轉(zhuǎn)錄。誘導(dǎo)因子結(jié)合區(qū)1. araC蛋白的正、負(fù)調(diào)節(jié)作用蛋白的正、負(fù)調(diào)節(jié)作用ara 操縱子的表達(dá)調(diào)控操縱子的表達(dá)調(diào)控（a）無AraC蛋白時(shí)，由Pc起始araC基因轉(zhuǎn)錄；（b）當(dāng)體系中G含量較高，ara水平較低時(shí)，AraC蛋白與O2及araI 誘導(dǎo)因子結(jié)合區(qū)上半?yún)^(qū)相結(jié)合，形成 DNA回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，araBAC不

44、表達(dá)；（c）體系中有ara但無G時(shí)，AraC蛋白與ara結(jié)合，改變構(gòu)象成為激活蛋白，AraC蛋白同源二聚體分別與araO1和araI區(qū)結(jié)合，DNA回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)被破壞，RNA Pol在AraC蛋白和CRP-cAMP共同作用下起始PBAD所調(diào)控的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)負(fù)調(diào)控負(fù)調(diào)控正調(diào)控正調(diào)控2. AraC蛋白的兩種形式蛋白的兩種形式 AraC蛋白作為蛋白作為PBAD活性正、負(fù)活性正、負(fù) 調(diào)節(jié)因子的雙重功能調(diào)節(jié)因子的雙重功能 是通過該蛋白的是通過該蛋白的 兩種異構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)的。兩種異構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)的。 Pr：阻遏形式。：阻遏形式。無無ara時(shí)占優(yōu)勢(shì)時(shí)占優(yōu)勢(shì) Pi：誘導(dǎo)形式，通過與：誘導(dǎo)形式，通過與PBAD結(jié)合結(jié)合 進(jìn)行

45、調(diào)節(jié)。進(jìn)行調(diào)節(jié)。有有ara時(shí)占優(yōu)勢(shì)時(shí)占優(yōu)勢(shì)。有實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)有實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)AraC蛋白以正調(diào)控因子作用時(shí)，蛋白以正調(diào)控因子作用時(shí)， 起始轉(zhuǎn)錄還需要起始轉(zhuǎn)錄還需要cAMP-CRP的共同參與。的共同參與。3. 營養(yǎng)狀況對(duì)營養(yǎng)狀況對(duì)ara操縱子活性的影響操縱子活性的影響 （a）有）有G但無但無aracAMP-CRP沒有與操縱區(qū)位點(diǎn)結(jié)合，AraC蛋白處于阻遏形式Pr，Pr與操縱區(qū)A位點(diǎn)（O1）結(jié)合，RNA-Pol不能與Pc結(jié)合，araC只少量轉(zhuǎn)錄，系統(tǒng)幾乎靜止 （b）無）無G和和ara（誘導(dǎo)物）（誘導(dǎo)物） 盡管cAMP-CRP與操縱區(qū)位點(diǎn)結(jié)合，因沒有誘導(dǎo)物，AraC蛋白仍以Pr形式存在，無法與操縱區(qū)B位

46、點(diǎn)（araI）結(jié)合，無araBAD mRNA轉(zhuǎn)錄 （c）無）無G有有ara 大量araC基因產(chǎn)物以Pi形式存在，分別與操縱區(qū)B、A位點(diǎn)結(jié)合，在cAMP-CRP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表達(dá)，操縱子充分激活。7.4.3 阻遏蛋白阻遏蛋白LexA的降解的降解與細(xì)菌中的與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答應(yīng)答當(dāng)細(xì)菌當(dāng)細(xì)菌DNA遭到破壞時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞遭到破壞時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)啟動(dòng)內(nèi)啟動(dòng)SOS的誘導(dǎo)型的誘導(dǎo)型DNA修復(fù)系統(tǒng)。修復(fù)系統(tǒng)。SOS反應(yīng)是由反應(yīng)是由RecA蛋白和蛋白和LexA阻阻遏物相互作用引起的；遏物相互作用引起的； LexA蛋白是蛋白是許多基因的阻遏物。許多基因的阻遏物。 RecA蛋白是蛋白是S

47、OS反應(yīng)的最初發(fā)動(dòng)反應(yīng)的最初發(fā)動(dòng)因子。在有單鏈因子。在有單鏈DNA和和ATP存在時(shí)，存在時(shí)， RecA蛋白被激活成蛋白酶，將蛋白被激活成蛋白酶，將LexA蛋白切割成沒有阻遏和操縱區(qū)蛋白切割成沒有阻遏和操縱區(qū)DNA結(jié)結(jié)合活性的兩個(gè)片段，導(dǎo)致合活性的兩個(gè)片段，導(dǎo)致SOS高效表高效表達(dá)，達(dá)，DNA得到修復(fù)。得到修復(fù)。SOS體系的誘導(dǎo)表達(dá)過程就是把體系的誘導(dǎo)表達(dá)過程就是把LexA蛋白從這些基因的上游調(diào)控區(qū)蛋白從這些基因的上游調(diào)控區(qū)移開的過程。移開的過程。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)：外部信號(hào)（效應(yīng)物）先通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)：外部信號(hào)（效應(yīng)物）先通過 傳感器（傳感器（而不直接傳遞給調(diào)解蛋白而不直接傳遞給調(diào)解蛋白）接）接 收信號(hào)，然

48、后以不同方式傳到調(diào)節(jié)部位。收信號(hào)，然后以不同方式傳到調(diào)節(jié)部位。二組分系統(tǒng)：最簡(jiǎn)單的細(xì)胞信號(hào)系統(tǒng)二組分系統(tǒng)：最簡(jiǎn)單的細(xì)胞信號(hào)系統(tǒng)二組分系統(tǒng)的組成二組分系統(tǒng)的組成： 1）傳感蛋白傳感蛋白：位于細(xì)胞質(zhì)膜上。：位于細(xì)胞質(zhì)膜上。 因其具有激酶活性，又稱為因其具有激酶活性，又稱為傳感激酶?jìng)鞲屑っ?2）應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白7.4.4 二組分調(diào)控系統(tǒng)（二組分調(diào)控系統(tǒng)（two-component system）和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)）和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)二組分系統(tǒng)：由位于細(xì)胞質(zhì)膜上的二組分系統(tǒng)：由位于細(xì)胞質(zhì)膜上的傳感蛋白傳感蛋白（該蛋白常具有激酶活性）以及（該蛋白常具有激酶活性）以及位于細(xì)胞質(zhì)中的位于細(xì)胞質(zhì)中的應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白組成應(yīng)

49、答調(diào)節(jié)蛋白組成。傳感激酶常在受到膜外環(huán)境信號(hào)刺激時(shí)被。傳感激酶常在受到膜外環(huán)境信號(hào)刺激時(shí)被磷酸化，并將其磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白上，使該磷酸化的調(diào)節(jié)蛋白成為磷酸化，并將其磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白上，使該磷酸化的調(diào)節(jié)蛋白成為阻遏物或誘導(dǎo)蛋白，通過對(duì)操縱子的阻遏或激活作用調(diào)控下游基因的表達(dá)阻遏物或誘導(dǎo)蛋白，通過對(duì)操縱子的阻遏或激活作用調(diào)控下游基因的表達(dá)7.4.5 多啟動(dòng)子調(diào)控的操縱子多啟動(dòng)子調(diào)控的操縱子1.rRNA操縱子（操縱子（rrnE）2個(gè)啟動(dòng)子：個(gè)啟動(dòng)子： P1（強(qiáng)啟動(dòng)子）和（強(qiáng)啟動(dòng)子）和P2；細(xì)菌在緊急狀態(tài)下，細(xì)菌在緊急狀態(tài)下，ppGpp增加，增加， P1被抑制，被抑制，P2成為強(qiáng)啟動(dòng)

50、子成為強(qiáng)啟動(dòng)子 （蛋白質(zhì)合成需要（蛋白質(zhì)合成需要rRNA?。。?. DnaQ蛋白操縱子蛋白操縱子 DnaQ蛋白是蛋白是DNA Pol全酶亞基之一，全酶亞基之一， 能校正能校正DNA復(fù)制中的錯(cuò)誤復(fù)制中的錯(cuò)誤 DnaQ蛋白操縱子受蛋白操縱子受RNA Pol活性調(diào)節(jié)，活性調(diào)節(jié)， 有有2個(gè)啟動(dòng)子個(gè)啟動(dòng)子在在RNA Pol活性較低時(shí)，操縱子轉(zhuǎn)錄由活性較低時(shí)，操縱子轉(zhuǎn)錄由 弱啟動(dòng)子弱啟動(dòng)子P2控制（控制（ RNA Pol活性與細(xì)胞增活性與細(xì)胞增 殖速度有關(guān)，殖速度有關(guān)，DNA復(fù)制緩慢時(shí)，復(fù)制緩慢時(shí)， RNA Pol 活性往往較低）；活性往往較低）； RNA Pol活性較高活性較高 時(shí)，利用強(qiáng)啟動(dòng)子時(shí)，利

51、用強(qiáng)啟動(dòng)子P1。7.4 轉(zhuǎn)錄水平的其他調(diào)控方式轉(zhuǎn)錄水平的其他調(diào)控方式7.4.1 因子的調(diào)節(jié)作用因子的調(diào)節(jié)作用原核生物原核生物RNA Pol具有全能性，不同基因的轉(zhuǎn)錄依靠不同的具有全能性，不同基因的轉(zhuǎn)錄依靠不同的因子與核心因子與核心 酶結(jié)合組成不同的全酶來實(shí)施，即為了保證細(xì)胞準(zhǔn)確響應(yīng)不同的環(huán)境信號(hào)酶結(jié)合組成不同的全酶來實(shí)施，即為了保證細(xì)胞準(zhǔn)確響應(yīng)不同的環(huán)境信號(hào) 的變化，的變化， 因子之間常常交互作用構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)調(diào)控模式，使得原核基因的因子之間常常交互作用構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)調(diào)控模式，使得原核基因的 表達(dá)穩(wěn)定而平衡。表達(dá)穩(wěn)定而平衡。 因子的調(diào)節(jié)因子的調(diào)節(jié)1） 因子本身的活性受蛋白水解酶的調(diào)控因子本身的活性受蛋白水

52、解酶的調(diào)控2）被同源的抗）被同源的抗因子失活。這些抗因子失活。這些抗因子能夠與特定的因子能夠與特定的因子結(jié)合，阻止因子結(jié)合，阻止 它們與它們與RNA Pol的組裝。的組裝。例子例子1： 營養(yǎng)缺乏時(shí)，枯草桿菌會(huì)形成孢子來度過困難時(shí)期。營養(yǎng)缺乏時(shí)，枯草桿菌會(huì)形成孢子來度過困難時(shí)期。孢子形成需要孢子形成需要4種不同的種不同的因子：因子： E、 K 、F和和G E 和和K存在于母細(xì)胞，一旦開始形成存在于母細(xì)胞，一旦開始形成孢孢子，子， 就產(chǎn)生就產(chǎn)生F和和G1） E 和和K先以非活性的前體被合成，先以非活性的前體被合成， 再經(jīng)特定的蛋白酶作用轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚孕问皆俳?jīng)特定的蛋白酶作用轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚孕问?） F被合成

53、后，與抗被合成后，與抗因子因子SpoAB結(jié)合，結(jié)合， 以非活性形式存在于細(xì)胞中。以非活性形式存在于細(xì)胞中。3）環(huán)境刺激導(dǎo)致）環(huán)境刺激導(dǎo)致SpoAA抗抗-抗抗因子去磷酸化，因子去磷酸化， 并與并與SpoAB結(jié)合，釋放出有活性的結(jié)合，釋放出有活性的F。4） F促使早期孢子形成的相關(guān)基因表達(dá)促使早期孢子形成的相關(guān)基因表達(dá)包括包括G和需要進(jìn)入母細(xì)胞中降解前體和需要進(jìn)入母細(xì)胞中降解前體E 蛋白酶蛋白酶基因的轉(zhuǎn)錄基因的轉(zhuǎn)錄5） G激活后期孢子形成相關(guān)基因和需要進(jìn)入激活后期孢子形成相關(guān)基因和需要進(jìn)入母細(xì)胞中降解前體母細(xì)胞中降解前體K 蛋白酶基因的轉(zhuǎn)錄蛋白酶基因的轉(zhuǎn)錄例子例子2：噬菌體：噬菌體因子因子 枯草桿

54、菌枯草桿菌SPO1噬菌體通過按級(jí)聯(lián)表達(dá)一系列噬菌體通過按級(jí)聯(lián)表達(dá)一系列因子。來實(shí)現(xiàn)噬菌體早中晚因子。來實(shí)現(xiàn)噬菌體早中晚期基因的順序表達(dá)。當(dāng)需要一個(gè)期基因的順序表達(dá)。當(dāng)需要一個(gè)因子轉(zhuǎn)錄編碼下一條因子轉(zhuǎn)錄編碼下一條因子的基因時(shí)，就形成因子的基因時(shí)，就形成因子的級(jí)聯(lián)反應(yīng)因子的級(jí)聯(lián)反應(yīng)1）早期基因的表達(dá)）早期基因的表達(dá) 由宿主菌的全酶負(fù)責(zé)。早期基因中含有編碼由宿主菌的全酶負(fù)責(zé)。早期基因中含有編碼28的基因，它隨即取代的基因，它隨即取代RNA Pol上細(xì)菌的上細(xì)菌的因子。因子。2）中期基因的表達(dá)）中期基因的表達(dá) 中期基因包括基因中期基因包括基因33和和34，它們能產(chǎn)生后期基因轉(zhuǎn)錄所需的，它們能產(chǎn)生后期基

55、因轉(zhuǎn)錄所需的因子。因子。3）后期基因的表達(dá)）后期基因的表達(dá) 由中期基因表達(dá)產(chǎn)生的由中期基因表達(dá)產(chǎn)生的因子與核心酶結(jié)合組成全酶，負(fù)責(zé)后期基因的表達(dá)因子與核心酶結(jié)合組成全酶，負(fù)責(zé)后期基因的表達(dá)細(xì)菌全酶（細(xì)菌全酶（55 ）早期基因（含早期基因（含28 ） 中期基因（中期基因（33和和34）后期基因后期基因28取代取代55取代取代287.5 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控轉(zhuǎn)錄后調(diào)控7.5.1 mRNA自身結(jié)構(gòu)元件對(duì)翻譯起始的調(diào)節(jié)自身結(jié)構(gòu)元件對(duì)翻譯起始的調(diào)節(jié)1）對(duì)起始密碼的識(shí)別）對(duì)起始密碼的識(shí)別 fMet-tRNA對(duì)對(duì)AUG配對(duì)能力強(qiáng)；對(duì)不常用的起始密碼子配對(duì)能力強(qiáng)；對(duì)不常用的起始密碼子GUG（14）、）、UUG（13）及

56、）及AUU配對(duì)能力弱，導(dǎo)致翻譯效率降低。配對(duì)能力弱，導(dǎo)致翻譯效率降低。2）SD序列與核糖體結(jié)合位點(diǎn)（序列與核糖體結(jié)合位點(diǎn)（ribosome binding site,RBS）的結(jié)合）的結(jié)合 （SD序列序列：存在于原核生物起始密碼子：存在于原核生物起始密碼子AUG上游上游712nt處的一種處的一種47nt的保守序列，它與的保守序列，它與16S rRNA 3端反向互補(bǔ)，可將端反向互補(bǔ)，可將mRNA的的AUG起始密碼子起始密碼子置于核糖體的適當(dāng)位置以便起始翻譯作用）置于核糖體的適當(dāng)位置以便起始翻譯作用） 即即SD序列與核糖體序列與核糖體16S rRNA的的3端互補(bǔ)配對(duì)。端互補(bǔ)配對(duì)。 RBS的結(jié)合強(qiáng)度

57、取決于的結(jié)合強(qiáng)度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼子序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼子AUG的距離的距離 SD與與AUG之間的距離一般以之間的距離一般以410nt為佳，為佳，9nt為最佳。為最佳。3）mRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)也影響翻譯的起始。的二級(jí)結(jié)構(gòu)也影響翻譯的起始。 30S亞基與亞基與mRNA的結(jié)合，要求的結(jié)合，要求mRNA 5端有一定的空間結(jié)構(gòu)。端有一定的空間結(jié)構(gòu)。SD序列的微小變化序列的微小變化 會(huì)導(dǎo)致會(huì)導(dǎo)致mRNA 5端空間結(jié)構(gòu)的變化，影響端空間結(jié)構(gòu)的變化，影響30S亞基與亞基與mRNA的結(jié)合，進(jìn)而影響蛋白的結(jié)合，進(jìn)而影響蛋白 質(zhì)合成的效率。質(zhì)合成的效率。7.5.2 mRNA穩(wěn)定性對(duì)轉(zhuǎn)錄水平的影響穩(wěn)定性對(duì)轉(zhuǎn)錄水平的影響所有細(xì)胞都有一系列的核酸酶，用來清除所有細(xì)胞都有一系列的核酸酶，用來清除 無用的無用的mRNA。 一個(gè)典型的細(xì)菌一個(gè)典型的細(xì)菌mRNA 半衰期為半衰期為