第十章 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控ppt課件

.,原核生物的基因表達(dá)調(diào)控,.,11.1原核生物基因表達(dá)調(diào)控概述,基因表達(dá)(geneexpression)是指儲(chǔ)存遺傳信息的基因經(jīng)過(guò)一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個(gè)過(guò)程。典型的基因表達(dá)是基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過(guò)程。既然從DNA到蛋白質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為基因表達(dá)，對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱(chēng)為基因表達(dá)調(diào)控（generegulation或genecontrol）?；虮磉_(dá)調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的中心課題。,.,11.1.1基因表達(dá)調(diào)控的意義,基因組(genome)是指含有一個(gè)生物體生存、發(fā)育、活動(dòng)和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸。但生物基因組的遺傳信息并不是同時(shí)全部都表達(dá)出來(lái)的，大腸桿菌基因組含有約4000個(gè)基因，一般情況下只有510%在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達(dá)，有的就暫時(shí)不表達(dá)。不同組織細(xì)胞中不僅表達(dá)的基因數(shù)量不相同，而且基因表達(dá)的強(qiáng)度和種類(lèi)也各不相同，這就是基因表達(dá)的組織特異性(tissuespecificity)。例如肝細(xì)胞中涉及編碼鳥(niǎo)氨酸循環(huán)酶類(lèi)的基因表達(dá)水平高于其它組織細(xì)胞，合成的某些酶(如精氨酸酶)為肝臟所特有；胰島細(xì)胞合成胰島素；甲狀腺濾泡旁細(xì)胞(C細(xì)胞)專(zhuān)一分泌降血鈣素等。,.,細(xì)胞分化發(fā)育的不同時(shí)期，基因表達(dá)的情況是不相同的，這就是基因表達(dá)的階段特異性(stagespecificity)。一個(gè)受精卵含有發(fā)育成一個(gè)成熟個(gè)體的全部遺傳信息，在個(gè)體發(fā)育分化的各個(gè)階段，各種基因極為有序地表達(dá)，一般在胚胎時(shí)期基因開(kāi)放的數(shù)量最多，隨著分化發(fā)展，細(xì)胞中某些基因關(guān)閉(turnoff)、某些基因轉(zhuǎn)向開(kāi)放(turnon)，胚胎發(fā)育不同階段、不同部位的細(xì)胞中開(kāi)放的基因及其開(kāi)放的程度不一樣，合成蛋白質(zhì)的種類(lèi)和數(shù)量都不相同，顯示出基因表達(dá)調(diào)控在空間和時(shí)間上極高的有序性，從而逐步生成形態(tài)與功能各不相同、極為協(xié)調(diào)、巧妙有序的組織臟器。從上所述，不難看出：生物的基因表達(dá)不是雜亂無(wú)章的，而是受著嚴(yán)密、精確調(diào)控的，不僅生命的遺傳信息是生物生存所必需的，而且遺傳信息的表達(dá)調(diào)控也是生命本質(zhì)所在。,.,改變基因表達(dá)的情況以適應(yīng)環(huán)境，在原核生物、單細(xì)胞生物中尤其顯得突出和重要，因?yàn)榧?xì)胞的生存環(huán)境經(jīng)常會(huì)有劇烈的變化。例如：周?chē)谐渥愕钠咸烟?，?xì)菌就可以利用葡萄糖作能源和碳源，不必更多去合成利用其它糖類(lèi)的酶類(lèi)，當(dāng)外界沒(méi)有葡萄糖時(shí)，細(xì)菌就要適應(yīng)環(huán)境中存在的其它糖類(lèi)(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)，開(kāi)放能利用這些糖的酶類(lèi)基因，以滿足生長(zhǎng)的需要。即使是內(nèi)環(huán)境保持穩(wěn)定的高等哺乳類(lèi)，也經(jīng)常要變動(dòng)基因的表達(dá)來(lái)適應(yīng)環(huán)境，例如與適宜溫度下生活相比較，在冷或熱環(huán)境下適應(yīng)生活的動(dòng)物，其肝臟合成的蛋白質(zhì)圖譜就有明顯的不同。所以，基因表達(dá)調(diào)控是生物適應(yīng)環(huán)境生存的必需。,.,基因表達(dá)的模式,生物體內(nèi)的基因調(diào)控各不相同，基因表達(dá)隨環(huán)境變化的情況，可以大致把基因表達(dá)分成兩類(lèi)：組成性表達(dá)(constitutiveexpression)指不大受環(huán)境變動(dòng)而變化的一類(lèi)基因表達(dá)。其中某些基因表達(dá)產(chǎn)物是細(xì)胞或生物體整個(gè)生命過(guò)程中都持續(xù)需要而必不可少的，這類(lèi)基因可稱(chēng)為看家基因(housekeepinggene)，這些基因中不少是在生物個(gè)體其它組織細(xì)胞、甚至在同一物種的細(xì)胞中都是持續(xù)表達(dá)的，可以看成是細(xì)胞基本的基因表達(dá)。組成性基因表達(dá)也不是一成不變的，其表達(dá)強(qiáng)弱也是受一定機(jī)制調(diào)控的。,.,適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression)指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類(lèi)基因表達(dá)。應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)水平增高的現(xiàn)象稱(chēng)為誘導(dǎo)(induction)，這類(lèi)基因被稱(chēng)為可誘導(dǎo)的基因(induciblegene)；相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達(dá)水平降低的現(xiàn)象稱(chēng)為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱(chēng)為可阻遏的基因(repressiblegene)。,.,11.1.2原核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)與方式,基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下兩方面：1轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（transcriptionalregulation）；2轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptionalregulation），包括mRNA加工成熟水平上的調(diào)控（differentialprocessingofRNAtranscript）；翻譯水平上的調(diào)控（differentialtranslationofmRNA）。,原核生物中，營(yíng)養(yǎng)狀況（nutritionalstatus）和環(huán)境因素（environmentalfactor）對(duì)基因表達(dá)起著舉足輕重的影響。真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平（hormonelevel）和發(fā)育階段（developmentalstage）是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段，營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。在轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控決定于DNA的結(jié)構(gòu)、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。,因?yàn)榧?xì)菌mRNA在形成過(guò)程中與核糖體混合在一起，所以，細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄與翻譯過(guò)程幾乎發(fā)生在同一時(shí)間間隔內(nèi)，轉(zhuǎn)錄與翻譯相耦聯(lián)（coupledtranscriptionandtranslation）。真核生物中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（primarytranscript）只有從核內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)到核外，才能被核糖體翻譯成蛋白質(zhì)。,.,11.1.3原核基因表達(dá)調(diào)控的幾個(gè)重要概念,1.細(xì)菌細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)的適應(yīng)2.順式作用元件和反式作用因子3.結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因4.操縱基因和阻遏蛋白5.組成蛋白和調(diào)節(jié)蛋白,11.2操縱子學(xué)說(shuō),法國(guó)巴斯德研究院的FrancoisJacob與JacquesMonod于1960年在法國(guó)科學(xué)院院報(bào)(ProceedingoftheFrenchAcademyofSciences)上發(fā)表了一篇論文，提出乳糖代謝中的兩個(gè)基因被一靠近它們的遺傳因子所調(diào)節(jié)。這二個(gè)基因?yàn)?半乳糖苷酶(-galactosidase)和半乳糖苷透過(guò)酶(galactosidepermease)。在此文中他們首先提出了操縱子(operon)和操縱基因(operator)的概念，他們的操縱子學(xué)說(shuō)(theoryofoperon)使我們得以從分子水平認(rèn)識(shí)基因表達(dá)的調(diào)控，是一個(gè)劃時(shí)代的突破，因此他們二人于1965年榮獲諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。,.,一、操縱子(operon),細(xì)菌能隨環(huán)境的變化，迅速改變某些基因表達(dá)的狀態(tài)，這就是很好的基因表達(dá)調(diào)控的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。人們就是從研究這種現(xiàn)象開(kāi)始，打開(kāi)認(rèn)識(shí)基因表達(dá)調(diào)控分子機(jī)理的窗口的。,.,1.操縱子的提出,大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長(zhǎng)繁殖，當(dāng)培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)短時(shí)間的適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長(zhǎng)。,.,大腸桿菌利用乳糖至少需要兩個(gè)酶：促使乳糖進(jìn)入細(xì)菌的半乳糖透過(guò)酶(lactosepermease)和催化乳糖分解第一步的半乳糖苷酶(-galactosidase)。,.,在環(huán)境中沒(méi)有乳糖或其他-半乳糖苷時(shí)，大腸桿菌合成-半乳糖苷酶量極少，加入乳糖2-3分鐘后，細(xì)菌大量合成-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作為唯一碳源時(shí)，菌體內(nèi)的-半乳糖苷酶量可占到細(xì)菌總蛋白量的3%。在上述二階段生長(zhǎng)細(xì)菌利用乳糖再次繁殖前，也能測(cè)出細(xì)菌中-半乳糖苷酶活性顯著增高的過(guò)程。,.,這種典型的誘導(dǎo)現(xiàn)象，是研究基因表達(dá)調(diào)控極好的模型。針對(duì)大腸桿菌利用乳糖的適應(yīng)現(xiàn)象，法國(guó)的Jocob和Monod等人做了一系列遺傳學(xué)和生化學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，于1961年提出乳糖操縱子（lacoperon）學(xué)說(shuō)。,.,2.操縱子的基本組成,乳糖操縱子模型已被許多研究實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，對(duì)其有了更深入的認(rèn)識(shí)，并且發(fā)現(xiàn)其他原核生物基因調(diào)控也有類(lèi)似的操縱子組織，操縱子是原核基因表達(dá)調(diào)控的一種重要的組織形式，大腸桿菌的基因多數(shù)以操縱子的形式組成基因表達(dá)調(diào)控的單元。下面就以乳糖操縱子為例子說(shuō)明操縱子的最基本的組成元件（elements）。,.,(1)結(jié)構(gòu)基因群,操縱子中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因可稱(chēng)為結(jié)構(gòu)基因(structuralgene,SG)。一個(gè)操縱子中含有2個(gè)以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達(dá)十幾個(gè)。每個(gè)結(jié)構(gòu)基因是一個(gè)連續(xù)的開(kāi)放閱讀框(openreadingframe),5端有起始密碼ATG，3端有終止密碼TAA、TGA或TAG。各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜接、串連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群。,.,至少在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因5側(cè)具有核糖體結(jié)合位點(diǎn)(ribosomebindingsite,RBS)，因而當(dāng)這段含多個(gè)結(jié)構(gòu)基因的DNA被轉(zhuǎn)錄成多順?lè)醋觤RNA，就能被核糖體所識(shí)別結(jié)合、并起始翻譯。核糖體沿mRNA移動(dòng)，在合成完第一個(gè)編碼的多肽后，核糖體可以不脫離mRNA而繼續(xù)翻譯合成下一個(gè)基因編碼的多肽，直至合成完這條多順?lè)醋觤RNA所編碼的全部多肽。,.,乳糖操縱子含有、和3個(gè)結(jié)構(gòu)基因。基因長(zhǎng)3510bp，編碼含1170個(gè)氨基酸、分子量為135,000的多肽，以四聚體形式組成有活性的-半乳糖苷酶，催化乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴樘?allolactose)，再分解為半乳糖和葡萄糖；,.,基因長(zhǎng)780bp，編碼有260個(gè)氨基酸、分子量為30,000的半乳糖透過(guò)酶，促使環(huán)境中的乳糖進(jìn)入細(xì)菌；基因長(zhǎng)825bp，編碼275氨基酸、分子量為32,000的轉(zhuǎn)乙?；?，以二聚體活性形式催化半乳糖的乙酰化。,.,基因5側(cè)具有大腸桿菌核糖體識(shí)別結(jié)合位點(diǎn)（RBS）特征的Shine-Dalgarno(SD)序列，因而當(dāng)乳糖操縱子開(kāi)放時(shí)，核糖體能結(jié)合在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA上。由于、三個(gè)基因頭尾相接，上一個(gè)基因的翻譯終止密碼靠近下一個(gè)基因的,.,翻譯起始密碼，因而同一個(gè)核糖體能沿此轉(zhuǎn)錄生成的多順?lè)醋樱╬olycistron）mRNA移動(dòng)，在翻譯合成了上一個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)后，不從mRNA上掉下來(lái)而繼續(xù)沿mRNA移動(dòng)合成下一個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)，一氣依次合成這基因群所編碼所有的蛋白質(zhì)。,.,.,(2)啟動(dòng)子,啟動(dòng)子(promoter,P)是指能被RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。操縱子至少有一個(gè)啟動(dòng)子，一般在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因5側(cè)上游，控制整個(gè)結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。用RNA聚合酶與分離的一段DNA雙鏈混合，再加入外切核酸酶去水解DNA，結(jié)果只有被RNA聚合酶識(shí)別結(jié)合而被保護(hù)的那段DNA不被水解，由此可以測(cè)出啟動(dòng)子的范圍及其序列。,.,雖然不同的啟動(dòng)子序列有所不同，但比較已經(jīng)研究過(guò)的上百種原核生物的啟動(dòng)子的序列，發(fā)現(xiàn)有一些共同的規(guī)律，它們一般長(zhǎng)40-60bp，含A-Tbp較多，某些段落很相似的，有保守性，稱(chēng)為共有性序列(consensussequences)。啟動(dòng)子一般可分為識(shí)別(R，recognition)、結(jié)合(B，binding)和起始(I，initiation)三個(gè)區(qū)段。,.,轉(zhuǎn)錄起始第一個(gè)堿基（通常標(biāo)記位置為+1）最常見(jiàn)的是A；在-10bp附近有TATAAT一組共有序列，因?yàn)檫@段共有序列是Pribnow首先發(fā)現(xiàn)的，稱(chēng)為Pribnow盒（Pribnowbox）；在-35bp處又有TTGACA一組共有序列。,.,.,不同的啟動(dòng)子序列不同，與RNA聚合酶的親和力不同、啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的頻率高低不同，即不同的啟動(dòng)子起動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱不同，例如：PL、PR、PT7屬?gòu)?qiáng)啟動(dòng)子，而Plac則是較弱的啟動(dòng)子。,.,(3)操縱區(qū),操縱區(qū)（operator）是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動(dòng)子鄰近或與啟動(dòng)子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱子序列上，會(huì)影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。,.,以前將操縱區(qū)稱(chēng)為操縱基因（operatorgene）。但現(xiàn)在基因定義是為蛋白質(zhì)或RNA編碼的核酸序列，而操縱序列并不是編碼蛋白質(zhì)的基因，卻是起著調(diào)控基因表達(dá)強(qiáng)弱的作用，正如啟動(dòng)序列不叫啟動(dòng)基因而稱(chēng)為啟動(dòng)子一樣，操縱序列就可稱(chēng)為操縱區(qū)。operon譯為操縱子，即基因表達(dá)操縱的單元之意。,.,以乳糖操縱子中的操縱區(qū)為例，其操縱區(qū)（o）序列位于啟動(dòng)子（p）與被調(diào)控的基因之間，部分序列與啟動(dòng)子序列重疊。仔細(xì)分析操縱區(qū)序列，可見(jiàn)這段雙鏈DNA具有回文（palindrome）樣的對(duì)稱(chēng)性一級(jí)結(jié)構(gòu)，能形成十字形的莖環(huán)（stemloop）構(gòu)造。不少操縱區(qū)都具有類(lèi)似的對(duì)稱(chēng)性序列，可能與特定蛋白質(zhì)的結(jié)合相關(guān)。,.,阻遏蛋白與操縱區(qū)結(jié)合，就妨礙了RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合及其后-半乳糖苷酶等基因的轉(zhuǎn)錄起始，從而阻遏了這群基因的表達(dá)。最早只把與阻遏蛋白結(jié)合、起阻遏作用的序列稱(chēng)為操縱區(qū)，但其后發(fā)現(xiàn)有的操縱子中,.,同一操縱序列與不同構(gòu)像的蛋白質(zhì)結(jié)合，可以分別起阻遏或激活基因表達(dá)的作用，阿拉伯糖操縱子中的操縱序列就是典型的例子。因而凡能與調(diào)控蛋白特異性結(jié)合、從而影響基因轉(zhuǎn)錄強(qiáng)弱的序列，不論其對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的作用是減弱、阻止或增強(qiáng)、開(kāi)放，都可稱(chēng)為操縱區(qū)。,.,（4）調(diào)控基因,調(diào)控基因(regulatorygene)是編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。調(diào)控蛋白有：阻遏蛋白(repressiveprotein)：與操縱區(qū)結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控的基因轉(zhuǎn)錄，其介導(dǎo)的調(diào)控方式為負(fù)調(diào)控(negativeregulation)；,.,激活蛋白(activatingprotein)：與操縱區(qū)結(jié)合后能增強(qiáng)或起動(dòng)其調(diào)控的基因轉(zhuǎn)錄，所介導(dǎo)的調(diào)控方式為正調(diào)控(positiveregulation)。,.,某些特定的物質(zhì)能與調(diào)控蛋白結(jié)合，使調(diào)控蛋白的空間構(gòu)像發(fā)生變化，從而改變其對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的影響，這些特定物質(zhì)可稱(chēng)為效應(yīng)物（effector）。有兩種：誘導(dǎo)劑(inducer)：能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子；阻遏劑或輔助阻遏劑(corepressor)：能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子。,.,例如在乳糖操縱子中，調(diào)控基因lacI位于Plac鄰近，有其自身的啟動(dòng)子和終止子，轉(zhuǎn)錄方向和結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄方向一致，編碼產(chǎn)生由347個(gè)氨基酸組成的調(diào)控蛋白R(shí)。在環(huán)境沒(méi)有乳糖存在的情況下，R形成分子量為152,000的活性四聚體，能特異性與操縱區(qū)緊密結(jié)合，從而阻止利用乳糖的酶類(lèi)基因的轉(zhuǎn)錄，所以R是乳糖操縱子的阻遏蛋白；,.,當(dāng)環(huán)境中有足夠的乳糖時(shí)，乳糖與R結(jié)合，使R的空間構(gòu)像變化，四聚體解聚成單體，失去與操縱區(qū)特異性緊密結(jié)合的能力，從而解除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因得以轉(zhuǎn)錄合成利用乳糖的酶類(lèi)。在這過(guò)程中乳糖就是誘導(dǎo)劑，與R結(jié)合起到去阻遏作用(derepression)，誘導(dǎo)了利用乳糖的酶類(lèi)基因轉(zhuǎn)錄開(kāi)放。,.,許多調(diào)控蛋白都是變構(gòu)蛋白（allostericprotein），通過(guò)與上述類(lèi)似的方式與效應(yīng)物結(jié)合改變空間構(gòu)像，從而改變活性，起到調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的作用。,.,二、乳糖操縱子的表達(dá)調(diào)控,.,.,大腸桿菌能以乳糖為唯一碳源生長(zhǎng)，這是由于它能產(chǎn)生一套利用乳糖的酶。這些酶受乳糖操縱子的控制。大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌DNA的一個(gè)特定區(qū)段，由調(diào)節(jié)基因I，啟動(dòng)基因P，操縱基因O和結(jié)構(gòu)基因Z、Y、A組成。P區(qū)是轉(zhuǎn)錄起始時(shí)RNA聚合酶的結(jié)合部位。O區(qū)是阻遏蛋白的結(jié)合部位，其功能是控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。平時(shí)I基因經(jīng)常進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生有活性的阻遏蛋白。,Z編碼-半乳糖苷酶；Y編碼-半乳糖苷透過(guò)酶；A編碼-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶。-半乳糖苷酶是一種-半乳糖苷鍵的專(zhuān)一性酶，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。-半乳糖苷透過(guò)酶的作用是使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透過(guò)大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶的作用是把乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,RNA聚合酶結(jié)合部位,阻遏物結(jié)合部位,.,1.阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控,當(dāng)大腸桿菌在沒(méi)有乳糖的環(huán)境中生存時(shí)，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)。此基因在其自身的啟動(dòng)子Pi控制下，低水平、組成性表達(dá)產(chǎn)生阻遏蛋白R(shí)，每個(gè)細(xì)胞中僅維持約10個(gè)分子的阻遏蛋白。R以四聚體形式與操縱子結(jié)合，阻礙了RNA聚合酶與啟動(dòng)子Plac的結(jié)合，阻止了基因的轉(zhuǎn)錄起動(dòng)。R的阻遏作用不是絕對(duì)的，R與,.,偶爾解離，使細(xì)胞中還有極低水平的半乳糖苷酶及透過(guò)酶的生成。當(dāng)有乳糖存在時(shí)，乳糖受半乳糖苷酶的催化轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖，與R結(jié)合，使R構(gòu)象變化，R四聚體解聚成單體，失去與的親和力，與解離，基因轉(zhuǎn)錄開(kāi)放，使半乳糖苷酶在細(xì)胞內(nèi)的含量可增加1000倍。這就是乳糖對(duì)lac操縱子的誘導(dǎo)作用。,.,乳糖操縱子的控制模型，其主要內(nèi)容如下：Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順?lè)醋拥膍RNA分子所編碼。這個(gè)mRNA分子的啟動(dòng)子緊接著O區(qū)，而位于I與O之間的啟動(dòng)子區(qū)（P），不能單獨(dú)起動(dòng)合成-半乳糖苷酶和透過(guò)酶的生理過(guò)程。操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。誘導(dǎo)物通過(guò)與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，操縱基因區(qū)沒(méi)有被阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始mRNA的合成。,當(dāng)一個(gè)mRNA含有編碼一個(gè)以上蛋白質(zhì)的編碼信息，而且這些蛋白質(zhì)都是以獨(dú)立的多肽被翻譯時(shí)，這樣的mRNA稱(chēng)之多順?lè)醋觤RNA。多順?lè)醋觤RNA在細(xì)菌中是很普遍的。多順?lè)醋觢acmRNA中的lacZ，lacY，lacA經(jīng)翻譯生成的產(chǎn)物分別為L(zhǎng)acZ（-半乳糖苷酶（-galactosidase）、LacY（-半乳糖苷通透酶（-galactosidepermease）和LacA（-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；福╰hiogalactosidetransacetylase）。,半乳糖是lac操縱子轉(zhuǎn)錄的活性誘導(dǎo)物，人們發(fā)現(xiàn)一個(gè)合成的、結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于別乳糖、不能被-半乳糖苷酶水解的-半乳糖苷異丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside：IPTG）起著lac操縱子的一個(gè)誘導(dǎo)物的作用，所以IPTG常用于誘導(dǎo)含有使用了lac啟動(dòng)子的質(zhì)粒載體的細(xì)菌中的重組蛋白的表達(dá)。,.,一些化學(xué)合成的乳糖類(lèi)似物，不受半乳糖苷酶的催化分解，卻也能與R特異性結(jié)合使R構(gòu)象變化，誘導(dǎo)lac操縱子的開(kāi)放。例如異丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiog-alactoside，IPTG)就是很強(qiáng)的誘導(dǎo)劑；不被細(xì)菌代謝而十分穩(wěn)定。X-gal（5-溴-4-氯-3-吲哚-半乳糖苷）也是一種人工化學(xué)合成的半乳糖苷，可被半乳糖苷酶水解產(chǎn)生蘭色化合物，因此可以用作半乳糖苷酶活性的指示劑。IPTG和X-gal都被廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)和基因工程的工作中。,.,lac操縱子受LacI阻遏蛋白調(diào)控。在沒(méi)有誘導(dǎo)劑（乳糖或IPTG）存在時(shí)，LacI阻遏蛋白與lac操縱子DNA序列結(jié)合得非常緊密，lac基因不能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。當(dāng)IPTG存在時(shí)，IPTG與LacI阻遏蛋白相互作用，形成LacI阻遏蛋白IPTG復(fù)合物，體外研究表明，該復(fù)合物對(duì)lac操縱基因的親和性為單獨(dú)LacI阻遏蛋白的親和性的千分之一。所以IPTG作為lac基因表達(dá)的一個(gè)誘導(dǎo)劑，起著轉(zhuǎn)錄去阻遏作用。就象（下圖）表示的那樣，RNA聚合酶的結(jié)合部位（lac操縱基因）也是LacI阻遏蛋白的結(jié)合部位，實(shí)驗(yàn)表明RNA聚合酶和LacI阻遏蛋白對(duì)操縱基因序列的結(jié)合是相互排斥的。,.,原核生物基因表達(dá)的調(diào)控,乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(沒(méi)有乳糖時(shí)),lacZ,lacY,lacA,調(diào)節(jié)基因,啟動(dòng)子,操縱基因,結(jié)構(gòu)基因,RNA聚合酶,信使RNA,轉(zhuǎn)錄,翻譯,阻抑物與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受阻,阻抑物,.,原核生物基因表達(dá)的調(diào)控,乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(有乳糖時(shí)),lacZ,lacY,lacA,調(diào)節(jié)基因,啟動(dòng)子,操縱基因,結(jié)構(gòu)基因,RNA聚合酶,信使RNA,轉(zhuǎn)錄,翻譯,阻抑物與乳糖結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生了改變，因而不能與操縱基因結(jié)合，使得結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。,阻抑物,乳糖,轉(zhuǎn)錄,半乳糖苷酶,酶,酶,乳糖分解代謝調(diào)控過(guò)程是一個(gè)自我調(diào)控過(guò)程,.,2.CAP的正調(diào)控,細(xì)菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)，當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖分解產(chǎn)生能量時(shí)，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，當(dāng)環(huán)境中無(wú)葡萄糖可供利用時(shí)，cAMP含量就升高。細(xì)菌中有一種能與cAMP特異結(jié)合的cAMP受體蛋白CRP(cAMPreceptorprotein)，當(dāng)CRP未與cAMP結(jié)合時(shí)它是沒(méi)有活性的，當(dāng)cAMP濃度升高時(shí)，CRP與cAMP結(jié)合并發(fā)生空間構(gòu)象的變化而活化，稱(chēng)為CAP(CRP-cAMPactivatedprotein)，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合。,.,在lac操縱子的啟動(dòng)子Plac上游端有一段序列與Plac部分重疊的序列，能與CAP特異結(jié)合，稱(chēng)為CAP結(jié)合位點(diǎn)（CAPbindingsite）。CAP與這段序列結(jié)合時(shí)，可增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，使轉(zhuǎn)錄提高50倍。相反，當(dāng)有葡萄糖可供分解利用時(shí)，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，lac操縱子的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)下降。,.,.,.,.,由于Plac是弱啟動(dòng)子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱子轉(zhuǎn)錄開(kāi)放，還不能使細(xì)菌很好利用乳糖，必需同時(shí)有CAP來(lái)加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，細(xì)菌才能合成足夠的酶來(lái)利用乳糖。lac操縱子的強(qiáng)誘導(dǎo)既需要有乳糖的存在又需要沒(méi)有葡萄糖可供利用。通過(guò)這機(jī)制，細(xì)菌是優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無(wú)葡萄糖而又有乳糖時(shí)，細(xì)菌才去充分利用乳糖。,.,細(xì)菌對(duì)葡萄糖以外的其他糖（如阿拉伯糖、半乳糖、麥芽糖等）的利用上也有類(lèi)似對(duì)乳糖利用的情況，在含有編碼利用阿拉伯糖的酶類(lèi)基因群的阿拉伯糖操縱子（araoperon）、半乳糖操縱子（galoperon）中也有CAP結(jié)合位點(diǎn)，CAP也起類(lèi)似的正性調(diào)控作用。所以CAP的通用名稱(chēng)是分解代謝基因激活蛋白（catabolicgeneactivatorprotein）。,.,不難看出：CAP結(jié)合位點(diǎn)就是一種起正性調(diào)控作用的操縱子，CAP則是對(duì)轉(zhuǎn)錄起正性作用的調(diào)控蛋白激活蛋白，編碼CRP的基因也是一個(gè)調(diào)控基因，不過(guò)它并不在lac操縱子的附近，CAP可以對(duì)幾個(gè)操縱子都起作用。從上所述，乳糖操縱子屬于可誘導(dǎo)操縱子（inducibleoperon），這類(lèi)操縱子通常使是關(guān)閉的，當(dāng)受效應(yīng)物作用后誘導(dǎo)開(kāi)放轉(zhuǎn)錄。這類(lèi)操縱子使細(xì)菌能適應(yīng)環(huán)境的變化，最有效地利用環(huán)境能提供的能源底物。,.,乳糖操縱子的誘導(dǎo),.,11.4色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控,.,色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，一般的環(huán)境難以給細(xì)菌提供足夠的色氨酸，細(xì)菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過(guò)許多步驟合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時(shí)，細(xì)菌就會(huì)充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負(fù)擔(dān)。細(xì)菌所以能做到這點(diǎn)是因?yàn)橛猩彼岵倏v子（trpoperon）的調(diào)控。,.,trp操縱子的結(jié)構(gòu),trp操縱子的結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖：五個(gè)結(jié)構(gòu)基因（E、D、C、B、A）分別編碼從分支氨酸起始合成色氨酸途徑的酶或酶亞基。在結(jié)構(gòu)基因之前為調(diào)控區(qū)域，包括啟動(dòng)子區(qū)（P）、操縱區(qū)（O）、前導(dǎo)肽編碼區(qū)（L）和弱化子區(qū)（a）。弱化子（衰減子）：在trpE與操縱基因之間有一段前導(dǎo)序列L（162bp），它能編碼出一個(gè)內(nèi)含兩個(gè)并連的trp的14肽，由于這兩個(gè)trp的合成速度能控制核糖體在mRNA上的移動(dòng)，使得前導(dǎo)序列的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA可形成特殊的結(jié)構(gòu)，類(lèi)似轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)，因此編碼該結(jié)構(gòu)區(qū)域的基因被稱(chēng)為弱化子（衰減子）。在trpA之后有兩個(gè)終止信號(hào)t和t，其中t為因子所識(shí)別，因此因子也參與了調(diào)控。Trp操縱子的調(diào)節(jié)基因（trpR）產(chǎn)生輔阻遏蛋白，遠(yuǎn)離trp操縱子。,.,1.色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu),.,.,trp操縱子的調(diào)控：?jiǎn)?dòng)子調(diào)控阻遏系統(tǒng)弱化子（衰減子）調(diào)控,.,2.阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控,合成色氨酸所需要酶類(lèi)的基因E、D、C、B、A等頭尾相接串連排列組成結(jié)構(gòu)基因群，受其上游的啟動(dòng)子Ptrp和操縱子的調(diào)控，調(diào)控基因trpR的位置遠(yuǎn)離P-結(jié)構(gòu)基因群，在其自身的啟動(dòng)子作用下，以組成性方式低水平表達(dá)其編碼分子量為47000的調(diào)控蛋白R(shí)，R并沒(méi)有與結(jié)合的活性，當(dāng)環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時(shí)，R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化，就能夠與特異性親和結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。,.,色氨酸操縱子的可阻遏調(diào)控,.,因此色氨酸操縱子屬于一種負(fù)性調(diào)控的、可阻遏的操縱子（repressibleoperon），即這操縱子通常是開(kāi)放轉(zhuǎn)錄的，有效應(yīng)物（色氨酸為阻遏劑）作用時(shí)則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。細(xì)菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都屬于這種類(lèi)型，其調(diào)控可使細(xì)菌處在生存繁殖最經(jīng)濟(jì)最節(jié)省的狀態(tài)。,.,3.弱化子及其作用,實(shí)驗(yàn)觀察表明：當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度、但還沒(méi)有高到能夠活化R使其起阻遏作用的程度時(shí)，產(chǎn)生色氨酸合成酶類(lèi)的量已經(jīng)明顯降低，而且產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)。仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)這種調(diào)控現(xiàn)象與色氨酸操縱子特殊的結(jié)構(gòu)有關(guān)。,.,在色氨酸操縱子Ptrp-與第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因trpE之間有162bp的一段先導(dǎo)序列（leadingsequence，L），實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)色氨酸有一定濃度時(shí)，RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄會(huì)終止在這里。這段序列中含有編碼由14個(gè)氨基酸組成的短肽的開(kāi)放閱讀框，其序列中有2個(gè)色氨酸相連，在此開(kāi)放閱讀框前有核糖體識(shí)別結(jié)合位點(diǎn)（RBS）序列，提示這段短開(kāi)放閱讀框在轉(zhuǎn)錄后是能被翻譯的。,.,mRNA前導(dǎo)區(qū)序列分析trp前導(dǎo)區(qū)的堿基序列已經(jīng)全部測(cè)定，發(fā)現(xiàn)完整的前導(dǎo)序列可分為1、2、3、4區(qū)域，這四個(gè)區(qū)域的片段能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對(duì)（圖9-10），,.,色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄與翻譯調(diào)控,.,有時(shí)以1-2和3-4配對(duì)，有時(shí)只以2-3方式互補(bǔ)配對(duì)。核糖體經(jīng)過(guò)前導(dǎo)區(qū)繼續(xù)翻譯的能力控制著這兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，它決定mRNA是否形成終止所需的結(jié)構(gòu)。前導(dǎo)序列的終止區(qū)與一般的轉(zhuǎn)錄,.,終止位點(diǎn)特點(diǎn)相同，具有成串的U和潛在的能形成莖環(huán)的二重對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)RNaseT1降解實(shí)驗(yàn)（此酶不水解配對(duì)的RNA）表明純化的trp前導(dǎo)序列中只有1-2和3-4的配對(duì)方式。由此定位的3-4配對(duì)區(qū)正好位于終止密碼子識(shí)別區(qū)，當(dāng)這個(gè)區(qū)域發(fā)生破壞自我堿基突變，有利于轉(zhuǎn)錄的繼續(xù)進(jìn)行。,.,轉(zhuǎn)錄的弱化理論認(rèn)為，mRNA轉(zhuǎn)錄的終止是