分子生物學(xué)第五章原核基因表達(dá)調(diào)控

1、教案首頁(yè)課程名稱 分子生物學(xué) 任課教師 李市場(chǎng)第 五 章 原核生物的表達(dá)調(diào)控 計(jì)劃學(xué)時(shí) 6教學(xué)目的和要求：了解 原核基因表達(dá)調(diào)控總論；掌握 乳糖操縱子和色氨酸操縱子了解正負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)和了解其他操縱子；掌握轉(zhuǎn)錄后調(diào)控類型。重點(diǎn)：掌握 乳糖操縱子和色氨酸操縱子，了解正負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)和掌握轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)理。難點(diǎn)： 掌握 乳糖操縱子和色氨酸操縱子，了解正負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)和掌握轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)理。思考題：1 請(qǐng)說明乳糖和色氨酸操縱元的調(diào)節(jié)機(jī)制2 葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用哪一種糖，為什么1 / 27第五章 原核基因表達(dá)調(diào)控緒論 原核生物和單細(xì)胞真核生物直接暴露在變幻莫測(cè)的環(huán)境中，食物供應(yīng)毫無保障，只有能根

2、據(jù)環(huán)境條件的改變合成各種不同的蛋白質(zhì)，使代謝過程適應(yīng)環(huán)境的變化，才能維持自身的生存和繁衍。自然選擇傾向于保留高效率的生命過程。在一個(gè)每30min增殖一倍的109細(xì)菌群體中，若有一個(gè)細(xì)菌變成了29.5min增殖一倍，大約經(jīng)過80天的連續(xù)生長(zhǎng)后，這個(gè)群體中的99.9%都將具有29.5min增殖一倍的生長(zhǎng)速度。一個(gè)大腸桿菌細(xì)胞中約有2500-3000個(gè)基因。估計(jì)正常情況下，可帶有107個(gè)蛋白質(zhì)，平均每個(gè)基因產(chǎn)生3000多個(gè)蛋白質(zhì)分子。但大腸桿菌中一般帶有15,000-30,000個(gè)核糖體，有50余種核糖體結(jié)合蛋白，數(shù)量也很驚人。此外，負(fù)責(zé)糖酵解系統(tǒng)的蛋白質(zhì)數(shù)量也很大。而象半乳糖苷酶等誘導(dǎo)酶，其含量可

3、少至每細(xì)胞僅1-5個(gè)分子。   一個(gè)體系在需要時(shí)被打開，不需要時(shí)被關(guān)閉。這種"開-關(guān)"（on-off）活性是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄來建立的，也就是說mRNA的合成是可以被調(diào)節(jié)的。當(dāng)我們說一個(gè)系統(tǒng)處于"off"狀態(tài)時(shí)，也有本底水平的基因表達(dá)，常常是每世代每個(gè)細(xì)胞只合成1或2個(gè)mRNA分子。所謂"關(guān)"實(shí)際的意思是基因表達(dá)量特別低，很難甚至無法檢測(cè)。  科學(xué)家把這個(gè)從DNA到蛋白質(zhì)的過程稱為基因表達(dá)(gene expression)，對(duì)這個(gè)過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控(gene regulation或gene control)。要

4、了解動(dòng)、植物生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和生物學(xué)功能，就必須弄清楚基因表達(dá)調(diào)控的時(shí)間和空間概念，掌握了基因表達(dá)調(diào)控的秘密，我們手中就有了一把揭示生物學(xué)奧妙的金鑰匙。基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptional regulation)； mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(differential processing of RNA transcript)； 翻譯水平上的調(diào)控(differential translation of mRNA).原核生物中，營(yíng)養(yǎng)狀況(nutritionalstatus)和環(huán)境因素(environmental factor)對(duì)基因

5、表達(dá)起著舉足輕重的影響。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormone level)和發(fā)育階段(developmental stage)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。一、 乳糖操縱子的調(diào)控模式 大腸桿菌乳糖操縱子(lactose operon)包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：Z、Y和A，以及啟動(dòng)子、控制子和阻遏子等。轉(zhuǎn)錄時(shí)，RNA聚合酶首先與啟動(dòng)區(qū)(promoter,P)結(jié)合，通過操縱區(qū)(operator,O)向右轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄從O區(qū)的中間開始，按ZYA方向進(jìn)行，每次轉(zhuǎn)錄出來的一條mRNA上都帶有這3個(gè)基因。轉(zhuǎn)錄的調(diào)控是啟動(dòng)區(qū)和操縱區(qū)進(jìn)行的。Z編碼-半乳糖苷酶；Y編碼-半

6、乳糖苷透過酶；A編碼-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶。-半乳糖苷酶是一種-半乳糖苷鍵的專一性酶，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，還能水解其他-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。-半乳糖苷透過酶的作用是使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細(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上的乙酰基轉(zhuǎn)到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。1 酶的誘導(dǎo)-lac體系受調(diào)控的證據(jù)  在不含乳糖及-半乳糖苷的培養(yǎng)基中，lac+基因型每個(gè)大腸桿功細(xì)胞內(nèi)大約只有1-2個(gè)酶分子。如果在培養(yǎng)基中加入乳糖，酶的濃度很快達(dá)到細(xì)胞總蛋白量的6%或7%，每個(gè)細(xì)胞中可有超過105個(gè)酶分子。  科學(xué)

7、家把大腸桿菌細(xì)胞放在加有放射性35S標(biāo)記的氨基酸但沒有任何半乳糖誘導(dǎo)物的培養(yǎng)基中繁殖幾代，然后再將這些帶有放射活性的細(xì)菌轉(zhuǎn)移到不含35S、無放射性的培養(yǎng)基中，隨著培養(yǎng)基中誘導(dǎo)物的加入，-半乳糖苷酶便開始合成。分離-半乳糖苷酶，發(fā)現(xiàn)這種酶無35S標(biāo)記。說明酶的合成不是由前體轉(zhuǎn)化而來的，而是加入誘導(dǎo)物后新合成的。   已經(jīng)分離在有誘導(dǎo)物或沒有誘導(dǎo)物的情況下都能產(chǎn)生lacmRNA的突變體，這種失去調(diào)節(jié)能力的突變體稱為永久型突變體，為分兩類：I型和O型。I型：野生型為I+，突變型為I-O型：野生型為O+，突變型為Oc。  I+I-或O+Oc后，Z、Y、A結(jié)構(gòu)基因均表現(xiàn)為永久表達(dá)，所

8、以I基因被稱為調(diào)節(jié)基因(regulatory gene)。研究發(fā)現(xiàn)，I基因是一個(gè)產(chǎn)生阻遏物的調(diào)節(jié)基因，其產(chǎn)物使體系關(guān)閉。I-突變體由于不能產(chǎn)生阻遏物，使細(xì)胞成為lac永久表達(dá)型。I-/I+局部二倍體由于帶有一個(gè)正常阻遏物，使細(xì)胞中的lac仍然被抑制。  遺傳學(xué)圖譜分析指出，Oc突變位于I與Z之間，所以，lac體系的4個(gè)基因的序列為IOZY。通過這些觀察，Jacob和Monod推斷Oc突變代表DNA鏈上的一個(gè)位點(diǎn)或一個(gè)非編碼區(qū)域，而不是一個(gè)基因，因?yàn)榭删幋a的基因具有互補(bǔ)性，而Oc沒有這一特性。O決定相鄰Z基因的產(chǎn)物是誘導(dǎo)型合成還是永久型合成，O區(qū)域稱為操縱基因。2. 操縱子模型

9、0; Jacob和Monod認(rèn)為誘導(dǎo)酶（他們當(dāng)時(shí)稱為適應(yīng)酶）現(xiàn)象是個(gè)基因調(diào)控問題，可以用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究，因此選為突破口，終于通過大量實(shí)驗(yàn)及分析，建立了該操縱子的控制模型。 Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA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-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。 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

10、基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始mRNA的合成。3. Lac操縱子的本底水平表達(dá)  因?yàn)檎T導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而運(yùn)轉(zhuǎn)誘導(dǎo)物需要透過酶。在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量（1-5個(gè)mRNA分子）lac mRNA合成-本底水平永久型合成。4. 葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響-代謝物阻遏效應(yīng)  研究表明，葡萄糖對(duì)lac操縱子表達(dá)的抑制作用是間接的，因?yàn)榇嬖谝环N大腸桿菌突變株，它正常的糖酵解過程受阻，葡萄糖-6-磷酸不能轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，該菌株能在有葡萄糖存在的情況下被誘導(dǎo)合成lac mRNA。 5. cAMP與代謝物激活蛋白  當(dāng)葡萄糖和乳糖同時(shí)存在于

11、培養(yǎng)基中時(shí)，lac啟動(dòng)子表達(dá)受阻，沒有-半乳糖苷酶活性；當(dāng)葡萄糖消耗完以后（圖中箭頭處），細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度增加，-半乳糖苷酶活性被誘導(dǎo)，一度停止生長(zhǎng)的細(xì)胞又恢復(fù)分裂。如果將細(xì)菌放在缺乏碳源的培養(yǎng)基中，細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度就很高；若在含葡萄糖的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，細(xì)菌中的cAMP濃度就會(huì)很低；如果將細(xì)菌置于甘油或乳糖等不進(jìn)行糖酵解的碳源培養(yǎng)基中，細(xì)菌中cAMP的濃度也會(huì)很高。  研究證實(shí)，葡萄糖所引起的代謝物抑制(Catabolite repression)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是該代謝物降低了細(xì)胞中cAMP的含量.事實(shí)上，cAMP-CAP復(fù)合物是lac體系的positive regulator，它們不

12、能代替lacI和lacO的功能(negative regulator)。  cAMP-CAP不但能與DNA相結(jié)合，造成雙螺旋彎曲，易于形成三元轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，它還能直接影響RNA聚合酶的活性。Dominant negative（Trans-dominant）lacI-d，只要有這個(gè)"環(huán)"的亞基存在，lacI+基因產(chǎn)物（阻遏物）無法與O區(qū)相結(jié)合lac operon得到表達(dá)。6. lac操縱子DNA的調(diào)控區(qū)域-P.O.區(qū)  lac P（啟動(dòng)子區(qū)）從I基因結(jié)束到mRNA轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)止，共長(zhǎng)82bp（-82+1）O區(qū)就是阻遏物結(jié)合區(qū)，位于P區(qū)后半部分和轉(zhuǎn)錄起始區(qū)

13、（-7+28），該區(qū)序列有對(duì)稱性，其對(duì)稱中心點(diǎn)在+11位。P區(qū)的CAMP-CAP結(jié)合區(qū)（-67-52）也有對(duì)稱性，其對(duì)稱位點(diǎn)在-60-59之間。在一個(gè)完全被誘導(dǎo)的細(xì)胞中，-半乳糖苷酶、透過酶及乙?；D(zhuǎn)移酶的拷貝數(shù)比例為1:0.5:0.2，這個(gè)比例在一定程度上反映了以-半乳糖苷作為唯一碳源時(shí)細(xì)胞的需要。不同的酶在數(shù)量上的差異是由于在翻譯水平上受到調(diào)節(jié)所致。lac mRNA可能與翻譯過程中的核糖體相脫離，從而終止蛋白質(zhì)鏈的翻譯。這種現(xiàn)象發(fā)生的頻率取決于每一個(gè)后續(xù)的AUG密碼子再度起始翻譯的概率。在lac mRNA分子內(nèi)部，A基因比Z基因更易受內(nèi)切酶作用發(fā)生降解，因此，在任何時(shí)候Z基因的完整拷貝數(shù)要

14、比A基因多。二、 色氨酸操縱子的調(diào)控模式  色氨酸操縱子(tryptophane operon)負(fù)責(zé)色氨酸的生物合成，當(dāng)培養(yǎng)基中有足夠的色氨酸時(shí)，這個(gè)操縱子自動(dòng)關(guān)閉，缺乏色氨酸時(shí)操縱子被打開，trp基因表達(dá)，色氨酸或與其代謝有關(guān)的某種物質(zhì)在阻遏過程（而不是誘導(dǎo)過程）中起作用。由于trp體系參與生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CAP的調(diào)控。  色氨酸的合成分5步完成。每個(gè)環(huán)節(jié)需要一種酶，編碼這5種酶的基因緊密連鎖在一起，被轉(zhuǎn)錄在一條多順反子mRNA上，分別以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表，編碼了鄰氨基苯甲酸合成酶、鄰氨基苯甲酸焦磷酸轉(zhuǎn)移酶、鄰

15、氨基苯甲酸異構(gòu)酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油-3-磷酶合成酶。  trpE基因是第一個(gè)被翻譯的基因，和trpL和trpa（不是trpA）。trp操縱子中產(chǎn)生阻遏物的基因是trpR，該基因距trp基因簇很遠(yuǎn)，后者在大腸桿菌染色體圖上25min處，而前者則位于90min處。在位于65min處還有一個(gè)trpS（色氨酸t(yī)RNA合成酶），它和攜帶有trp的tRNATrp也參與trp操縱子的調(diào)控作用。  L區(qū)編碼了前導(dǎo)肽，當(dāng)有高濃度Trp存在時(shí)，由于弱化子a的作用，轉(zhuǎn)錄迅速減弱停止，生成140核苷酸的前導(dǎo)RNA；當(dāng)Trp濃度較低時(shí)，弱化子不起作用，轉(zhuǎn)錄得以正常進(jìn)行，生成長(zhǎng)約7kb的mRNA

16、，操縱子中第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因的起始密碼子AUG在+162處。1trp操縱子的阻遏系統(tǒng)trpR基因突變常引起trp mRNA的永久型合成，該基因產(chǎn)物因此被稱為輔阻遏蛋白(aporepressor)。除非培養(yǎng)基中有色氨酸，否則這個(gè)輔阻遏蛋白不會(huì)與操縱區(qū)結(jié)合。輔阻遏蛋白與色氨酸相結(jié)合形成有活性的阻遏物，與操縱區(qū)結(jié)合并使之關(guān)閉轉(zhuǎn)錄trp mRNA。  阻遏-操縱機(jī)制對(duì)色氨酸來說是一個(gè)一級(jí)開關(guān)，主管轉(zhuǎn)錄是否啟動(dòng)，相當(dāng)于粗調(diào)開關(guān)。trp操縱子中對(duì)應(yīng)于色氨酸生物合成的還有另一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)控，指示已經(jīng)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)下去。這個(gè)細(xì)微調(diào)控是通過轉(zhuǎn)錄達(dá)到第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因之前的過早終止來實(shí)現(xiàn)的，由色氨酸的濃度

17、來調(diào)節(jié)這種過早終止的頻率。2弱化子與前導(dǎo)肽  在trp mRNA 5'端trpE基因的起始密碼前有一個(gè)長(zhǎng)162bp的mRNA片段被稱為前導(dǎo)區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)mRNA合成起始以后，除非培養(yǎng)基中完全沒有色氨酸，轉(zhuǎn)錄總是在這個(gè)區(qū)域終止，產(chǎn)生一個(gè)僅有140個(gè)核苷酸的RNA分子，終止trp基因轉(zhuǎn)錄。因?yàn)檗D(zhuǎn)錄終止發(fā)生在這一區(qū)域，并且這種終止是被調(diào)節(jié)的，這個(gè)區(qū)域就被稱為弱化子。分析前導(dǎo)肽序列，發(fā)現(xiàn)它包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA，編碼了一個(gè)14個(gè)氨基酸的多肽。該多肽有一個(gè)特征，其第10位和11位有相鄰的兩個(gè)色氨酸密碼子。正是這兩個(gè)相連的色氨酸密碼子（組氨酸、苯丙氨酸操縱子中都有這種現(xiàn)

18、象）調(diào)控了蛋白質(zhì)的合成。  當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸的濃度很低時(shí)，負(fù)載有色氨酸的tRNATrp也就少，這樣翻譯通過兩個(gè)相鄰色氨酸密碼子的速度就會(huì)很慢，當(dāng)4區(qū)被轉(zhuǎn)錄完成時(shí)，核糖體才進(jìn)行到1區(qū)（或停留在兩個(gè)相鄰的trp密碼子處），這時(shí)的前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)是2-3配對(duì)，不形成3-4配對(duì)的終止結(jié)構(gòu)，所以轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進(jìn)行，直到將trp操縱子中的結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄。  當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸濃度較高時(shí)，核糖體可順利通過兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前就到達(dá)2區(qū)，使2-3區(qū)不能配對(duì)，3-4區(qū)自由配對(duì)形成基一環(huán)終止子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄被終止，trp操縱子被關(guān)閉。3trp操縱子弱化機(jī)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)  trpS

19、5是溫度敏感型突變株，它所編碼的Trp-tRNAtrp合成酶只在30時(shí)有活性，42時(shí)無酶活性。比較野生型和突變型在42和30時(shí)，突變體的Trp操縱子與野生型一樣受色氨酸濃度的調(diào)控。42時(shí)，突變體中Trp操縱子的表達(dá)不受色氨酸濃度的調(diào)控。  另有一個(gè)缺失前導(dǎo)區(qū)及D基因的突變體（trpLD102），該細(xì)菌在有色氨酸的培養(yǎng)基中仍有很高的色氨酸合成酶活性。  TrpED53中L不缺失（弱化子存在），trpLD102中L缺失（弱化子不存在），缺失前導(dǎo)區(qū)后的表達(dá)比有前導(dǎo)區(qū)的表達(dá)要高得多，充分說明trp操縱子的表達(dá)調(diào)控除阻遏作用外，還受到前導(dǎo)區(qū)的影響，失去了這個(gè)因素就失去了一個(gè)調(diào)控機(jī)制。

20、4阻遏與弱化作用的協(xié)調(diào)  有實(shí)驗(yàn)證明，在不加色氨酸的培養(yǎng)基中，trp mRNA的合成仍然受到部分阻遏，現(xiàn)在一般認(rèn)為，野生型細(xì)胞中同時(shí)存在著有活性和無活性的阻遏物，培養(yǎng)基中色氨酸濃度的變化，能夠使這兩種阻遏物間的平衡發(fā)生傾斜，最終做出關(guān)閉或啟動(dòng)trp操縱子的決定，從而維持一定的色氨酸含量。細(xì)菌中為什么要有弱化子系統(tǒng)呢？一種可能是阻遏物從有活性向無活性的轉(zhuǎn)變速度極低，需要有一個(gè)能更快地做出瓜的系統(tǒng)，以保持培養(yǎng)基中適當(dāng)?shù)纳彼崴健；蛘?，弱化子系統(tǒng)主要是對(duì)外源色氨酸濃度做出反應(yīng)。外源色氨酸濃度很低的信號(hào)雖然足以引起trp操縱子的去阻遏作用，但是這個(gè)信號(hào)還不足以很快引發(fā)內(nèi)源色氨酸的合成。在這

21、種環(huán)境下，弱化子就通過抗終止的方法來增加trp基因表達(dá)，從而提高內(nèi)源色氨酸濃度。  那么為什么還要有阻遏體系呢？目前認(rèn)為阻遏物的作用是當(dāng)有大量外源色氨酸存在時(shí)，阻止非必需的先導(dǎo)mRNA的合成，它使這個(gè)合成系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。三、 其他操縱子的調(diào)控機(jī)制1.半乳糖操縱子大腸桿菌半乳糖操縱子(galactose operon)包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因： 異構(gòu)酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galactose transferase, galT)，半乳糖激酶(galactose kinase, galk)。這3個(gè)酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖-

22、1-磷酸。GalR與galE、T、K及操縱區(qū)O等離得很遠(yuǎn)，而galR產(chǎn)物對(duì)galO的作用與lacI-lacO的作用相同。gal操縱子的特點(diǎn)： 它有兩個(gè)啟動(dòng)子，其mRNA可從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄； 它有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游-67-53，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。  因?yàn)榘肴樘堑睦眯时绕咸烟堑停藗儾孪肫咸烟谴嬖跁r(shí)半乳糖操縱子不被誘導(dǎo)，但實(shí)際上有葡萄糖存在時(shí)，gal操縱子仍可被誘導(dǎo)?，F(xiàn)已分離到一些突變株，其中一類突變株能在不含葡萄糖的培養(yǎng)基中高水平合成半乳糖代謝酶類（gal結(jié)構(gòu)基因高效表達(dá)）；而另一類突變株中g(shù)al基因的表達(dá)完全依賴于葡萄糖，培養(yǎng)基中如無葡萄糖存在，這些細(xì)

23、菌的gal基因不表達(dá)，不合成半乳糖代謝酶類。  分析gal操縱子P-O區(qū)的DNA序列發(fā)現(xiàn)，該操縱子確實(shí)存在兩個(gè)相距僅5bp的啟動(dòng)子，可以分別起始mRNA的合成。每個(gè)啟動(dòng)子擁有各自的RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)S1和S2。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，RNA聚合酶與S1的結(jié)合需要半乳糖、CAP和較高濃度的cAMP。從S2起始的轉(zhuǎn)錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由這個(gè)啟動(dòng)子起始的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)有cAMP-CAP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S1開始，當(dāng)無cAMP-CAP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S2開始。 為什么gal操縱子需要兩個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)？半乳糖不僅可以作為唯一碳源供細(xì)胞生長(zhǎng)，而且與之

24、相關(guān)的物質(zhì)-尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）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，UDP-gal是通過半乳糖差向異構(gòu)酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，該酶是galE基因的產(chǎn)物。生長(zhǎng)過程中的所有時(shí)間里細(xì)胞必須能夠合成差向異構(gòu)酶?，F(xiàn)在設(shè)想只有S1一個(gè)啟動(dòng)子，那么由于這個(gè)啟動(dòng)子的活性依賴于cAMP-CRP，當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時(shí)就有能合成異構(gòu)酶。假如唯一的啟動(dòng)子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的情況下，半乳糖也將使操縱子處于充分誘導(dǎo)狀態(tài)，這無疑是一種浪費(fèi)。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-CAP的啟動(dòng)子（S1）對(duì)高水平合成進(jìn)行調(diào)節(jié)。2 阿拉伯糖操縱子  阿

25、拉伯糖(arabinose)是另一個(gè)可以為代謝提供碳源的五碳糖。在大腸桿菌中阿拉伯糖的降解需要3個(gè)基因：araB、araA和araD，分別編碼3個(gè)酶：araB基因編碼核酮糖激酶(ribulokinase)，araA編碼L-阿拉伯糖異構(gòu)酶(L-arabinose isomerase)，araD編碼L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構(gòu)酶(L-ribulose-5phosphate-4epimerase)。與araBAD相鄰的是一個(gè)復(fù)合的啟動(dòng)子區(qū)域和一個(gè)調(diào)節(jié)基因araC，這個(gè)AraC蛋白同時(shí)顯示正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的功能。AraBAD和araC基因的轉(zhuǎn)錄是分別在兩條鏈上以相反的方向進(jìn)行的。在標(biāo)準(zhǔn)的遺傳學(xué)圖譜

26、上，araBAD基因簇從啟動(dòng)子PBAD開始向左進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，而araC基因則是從Pc向右轉(zhuǎn)錄。  AraC蛋白作為PBAD活性正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的雙重功能是通過該蛋白的兩種異構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)的。Pr是起阻遏作用的形式，可以與現(xiàn)在尚未鑒定的類操縱區(qū)位點(diǎn)相結(jié)合，而Pj是起誘導(dǎo)作用的形式，它通過與PBAD啟動(dòng)子結(jié)合進(jìn)行調(diào)節(jié)。在沒有阿拉伯糖時(shí)，Pr形式占優(yōu)勢(shì)；一旦有阿拉伯糖存在，它就能夠與AraC蛋白結(jié)合，使平衡趨向于Pi形式。這樣，阿拉伯糖的誘導(dǎo)作用就可以解釋為阿拉伯糖與Pr的結(jié)合，使Pr離開它的結(jié)合位點(diǎn)，然后，產(chǎn)生大量的Pi，并與啟動(dòng)子結(jié)合。  因?yàn)榕囵B(yǎng)基中含有葡萄糖，所以cAMP-CAP沒

27、有與操縱區(qū)位點(diǎn)相結(jié)合，AraC蛋白處于Pr形式并與A位點(diǎn)結(jié)合，RNA聚合酶很少再與Pc結(jié)合，araC基因雖然仍有轉(zhuǎn)錄，但受到抑制，只有少量 AraC蛋白形成，整個(gè)系統(tǒng)幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。  沒有葡萄糖，也沒有阿拉伯糖，因?yàn)闆]有誘導(dǎo)物，盡管有cAMP-CAP與操縱區(qū)位點(diǎn)相結(jié)合，AraC蛋白仍以Pr形式為主，無法與操縱區(qū)B位點(diǎn)相結(jié)合，無araBAD mRNA轉(zhuǎn)錄。無葡萄糖，阿拉伯糖時(shí)，大量araC基因產(chǎn)物以Pi形式存在，并分別與操縱區(qū)B、A位點(diǎn)相結(jié)合，在cAMP-CAP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表達(dá)，操縱子充分激活。3. 組氨酸操縱子  與His降解代謝有關(guān)的兩

28、組酶類被稱為hut酶(histidine utilizing enzyme)，控制這些酶合成的操縱子被稱為hut operon。由一個(gè)多重調(diào)節(jié)的操縱子控制，有兩個(gè)啟動(dòng)子，兩個(gè)操縱區(qū)及兩個(gè)正調(diào)節(jié)蛋白。Hut操縱子共編碼4種酶和一個(gè)阻遏物。4種酶分別由hutG、hutH、hutI及hutU基因編碼，阻遏物則由hutC基因編碼。在產(chǎn)氣克氏菌中，以上基因構(gòu)成兩個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，hutI、hutG、hutC和hutU、hutH分別被轉(zhuǎn)錄合成兩條mRNA長(zhǎng)鏈。這兩個(gè)轉(zhuǎn)錄單位各自都有一個(gè)啟動(dòng)子和一個(gè)操縱區(qū)，其轉(zhuǎn)錄過程都是從左向右進(jìn)行的，hutC阻遏物能與每個(gè)操縱區(qū)相結(jié)合。  無論以組氨酸作為唯一碳源或氮

29、源，hut操縱子都會(huì)處于有活性狀態(tài)。Hut操縱子的每一個(gè)啟動(dòng)子上都有cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)，當(dāng)碳供應(yīng)匱乏時(shí)，能合成cAMP，出現(xiàn)cAMP-CAP復(fù)合物，并與操縱區(qū)上的相應(yīng)位點(diǎn)結(jié)合，誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄。雖然尚不清楚氮源缺乏時(shí)的信號(hào)是什么，但它很可能也是一個(gè)正效應(yīng)子。4. 多啟動(dòng)子調(diào)控的操縱子 I rRNA操縱子大腸桿菌rRNA操縱子（rrnE）上有兩個(gè)啟動(dòng)子，P1和P2。P1是強(qiáng)啟動(dòng)子，營(yíng)養(yǎng)充沛時(shí)，由P1起始的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物比由P2起始的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物高3-5倍。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)匱乏時(shí)，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。 II. 核糖體蛋白SI操縱子核糖體蛋白SI操縱子（rpsA），它也受應(yīng)急反應(yīng)調(diào)節(jié)。RpsA有4個(gè)啟動(dòng)

30、子，P1、P2是強(qiáng)啟動(dòng)子，平時(shí)主要依靠它們來啟動(dòng)基因的表達(dá)，合成SI蛋白。P3、P4是弱啟動(dòng)子，只有在緊急情況下，P1、P2啟動(dòng)子受ppGpp的抑制，由P3、P4起始合成的SI蛋白維持了生命的最低需要。 III. Dna Q蛋白操縱子Dna Q蛋白是DNA聚合酶全酶的亞基之一，其主要功能是校正DNA復(fù)制中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。在RNA聚合酶活性較低時(shí)，操縱子的轉(zhuǎn)錄由弱啟動(dòng)子P2控制；而RNA聚合酶活性較高時(shí)，就開始利用強(qiáng)啟動(dòng)子P1。 四、 原核生物種的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控1稀有密碼子對(duì)翻譯的影響  已知dnaG和rpoD（編碼RNA聚合酶亞基）及rpsU（30S核糖體上的S21蛋白）屬于大腸桿菌基因

31、組上的同一個(gè)操縱子，而這3個(gè)基因產(chǎn)物在數(shù)量上卻大不相同，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)僅有dnaG產(chǎn)物50拷貝，而rpoD為2800拷貝，rpsU則高達(dá)40 000拷貝之多。細(xì)胞通過翻譯調(diào)控，解決了這個(gè)問題。  研究dnaG序列發(fā)現(xiàn)其中含有不少稀有密碼子，也就是說這些密碼子在其他基因中利用頻率很低，而在dnaG中卻很高。  許多調(diào)控蛋白如LacI、AraC、TrpR等在細(xì)胞內(nèi)含量也很低，編碼這些蛋白的基因中密碼子的使用頻率和dnaG相似，而明顯不同于非調(diào)節(jié)蛋白。高頻率使用這些密碼子的基因翻譯過程極容易受阻，影響了蛋白質(zhì)合成的總量。2. 重疊基因?qū)Ψg的影響  重疊基因最早在大腸桿菌噬菌體X174中發(fā)現(xiàn)，用不同的閱讀方式得到不同的蛋白質(zhì)，絲狀RNA噬菌體、線粒體DNA和細(xì)菌染色體上都有重疊基因存在。  Trp操縱子由5個(gè)基因（trpE、D、C、B、A）組成，在正常情況下，操縱子中5個(gè)基因產(chǎn)物是等量的，但trpE突變后，其鄰近的trpD產(chǎn)量比下游的trpBA產(chǎn)量要低得多。這種與蛋白無關(guān)的表達(dá)調(diào)控，已被證實(shí)是在翻譯水平上的調(diào)控。  研究trpE和trpD以及trpB和trpA兩對(duì)基因中核苷酸序列與翻譯耦聯(lián)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)trpE基因的終止密碼子和trpD基因的起始密碼子共用一個(gè)