分子生物學(xué) 轉(zhuǎn)錄及其調(diào)控

1、遺傳信息由DNA轉(zhuǎn)換到RNA的過程。蛋白質(zhì)生物合成的第一步，合成mRNA以及非編碼RNA（tRNA、rRNA等）多核苷酸鏈的合成都是以53的方向.轉(zhuǎn)錄特點(diǎn)：（1）對(duì)于一個(gè)基因組來說，轉(zhuǎn)錄只發(fā)生在一部分基 因，而且每個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄都受到相對(duì)獨(dú)立的控制（2）轉(zhuǎn)錄是不對(duì)稱的 (3）轉(zhuǎn)錄時(shí)不需要引物，而且RNA鏈的合成是連續(xù)的。一、所需因素1.轉(zhuǎn)錄模板 DNA模板：指導(dǎo)RNA合成的一股DNA鏈稱為模板鏈（template strand），與之相對(duì)的另一股鏈為編碼鏈（coding strand）.2.RNA聚合酶（RNA polymerase） RNA聚合酶有以下特點(diǎn)：（1）無需引物的存在能獨(dú)自起始新RN

2、A鏈 的合成（2）沒有校對(duì)能力；（3）催化的底物是核糖核苷三磷酸。 大腸桿菌只有一種RNA聚合酶，負(fù)責(zé)所有rRNA、mRNA和tRNA的合成。該酶具有全能性，基本上不需要其他蛋白因子的參與，即可獨(dú)立的進(jìn)行。功能：（1）識(shí)別DNA雙鏈上的啟動(dòng)子（2）通過閱讀啟動(dòng)子序列，確定轉(zhuǎn)錄方向和模板鏈（3）解開DNA部分雙螺旋，產(chǎn)生約17 bp的單鏈DNA模板（4）選擇正確的核糖核苷三磷酸（rNTP）底物并催化形成磷 酸二酯鍵，使合成的RNA鏈不斷延伸。（5）最后當(dāng)它達(dá)到終止子時(shí)，識(shí)別轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)，停止轉(zhuǎn)錄。結(jié)構(gòu)： 5種亞基組成：兩個(gè)亞基、1個(gè)亞基、1個(gè) 亞基 和1個(gè)亞基。轉(zhuǎn)錄的起始階段： 亞基和核心酶（

3、2）組裝成全酶共同起作用。亞基無催化活性，但它能識(shí)別啟動(dòng)子并將封閉的啟動(dòng)子復(fù)合物轉(zhuǎn)換成開放狀態(tài)。 一旦轉(zhuǎn)錄起始，亞基就從全酶上脫離下來。核心酶與模板DNA結(jié)合的親和力弱，特異性差，這有利于它在模板鏈上移動(dòng)，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄延伸。因子負(fù)責(zé)識(shí)別啟動(dòng)子的保守序列，不同的因子識(shí)別不同的啟動(dòng)子。許多細(xì)菌能產(chǎn)生多種可取代的因子，以識(shí)別不同的啟動(dòng)子。大腸桿菌只有一種RNA聚合酶，負(fù)責(zé)所有rRNA、mRNA和tRNA的合成。并且該酶具有全能性，基本上不需要其他蛋白因子的參與，即可獨(dú)立的進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的起始、延伸和終止。一些抗生素，如利鏈菌素，可以抑制原核生物的RNA聚合酶，使得原核生物的基因無法轉(zhuǎn)錄成mRNA，從而達(dá)到殺死

4、細(xì)菌等原核生物的效果。1.轉(zhuǎn)錄起始 1）全酶與模板的DNA接觸，生成非專一的，不穩(wěn)定的復(fù)合物在模板上移動(dòng)。2.起始識(shí)別：全酶與-35序列結(jié)合，產(chǎn)生封閉的酶-啟動(dòng)子二元復(fù)合物。3.全酶緊密地結(jié)合在-10序列處，DNA模板局部變性，形成開放的啟動(dòng)子二元復(fù)合物。（RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合后造成約10bp的DNA解鏈）4.合成短多聚核苷酸（10nt),三元復(fù)合物形成。（酶-啟動(dòng)子-NTP）5. 因子從全酶中解離下來，聚合酶轉(zhuǎn)變?yōu)檠娱L構(gòu)型。酶分子與啟動(dòng)子特異性結(jié)合性的結(jié)合力下降，延伸階段開始。終止序列和釋放因子終止子：提供終止信號(hào)的序列。 分為兩類： 不依賴因子而實(shí)現(xiàn)終止作用。 依賴因子才能實(shí)現(xiàn)終止作用

5、。因子-蛋白質(zhì)輔助因子不依賴因子終止作用： 在轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)之前有一段回文序列，回文序列的兩個(gè)重復(fù)部分之間由幾個(gè)堿基對(duì)的不重復(fù)階段隔開依賴于因子終止作用因子是55KDa蛋白，其活性形式為六聚體1）促進(jìn)轉(zhuǎn)錄終止活性2）NTPase活性，需要RNA鏈。轉(zhuǎn)錄單元是一段被轉(zhuǎn)錄成單鏈RNA的DNA序列，它起始于啟動(dòng)子，結(jié)束于終止子。一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元可能包含不止一個(gè)基因。一、所需因素轉(zhuǎn)錄起始需要啟動(dòng)子，RNA聚合酶和轉(zhuǎn)錄因子參與。1.轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)具有啟動(dòng)子核心序列。不同物種、不同細(xì)胞或不同的基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游有不同的DNA序列，統(tǒng)稱為順式作用元件（順式作用元件（ciscis-acting -acting e

6、lement).element).順式作用元件包括啟動(dòng)子、啟動(dòng)子上游元件等近端順式作用元件包括啟動(dòng)子、啟動(dòng)子上游元件等近端調(diào)控元件和增強(qiáng)子等遠(yuǎn)隔序列。調(diào)控元件和增強(qiáng)子等遠(yuǎn)隔序列。起始點(diǎn)上游多數(shù)有共同的TATA序列，稱為TATA盒。（啟動(dòng)子核心序列）啟動(dòng)子上游元件是位于TATA盒上游的DNA序列，多在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)約-40-100nt的位置，常見的是GC盒和CAAT盒。增強(qiáng)子-能夠結(jié)合特異基因調(diào)節(jié)蛋白，促進(jìn)鄰近或遠(yuǎn)隔特定基因表達(dá)的DNA序列。結(jié)構(gòu)基因順式作用元件真核生物轉(zhuǎn)錄起始十分復(fù)雜，往往需要多種蛋白因子的協(xié)助。能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋白質(zhì)，已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種。統(tǒng)稱為反式作用因子（t

7、rans-acting factors)反式作用因子中，直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的稱為 轉(zhuǎn)錄因子（transcriptional factors,TF).真核生物RNA聚合酶不與DNA分子直接結(jié)合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物（pre-initiation complex,PIC).第一類為普遍轉(zhuǎn)錄因子它們與RNA聚合酶共同組成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，轉(zhuǎn)錄才能在正確的位置開始。TFD,TFA，TFF，TFE，TFH等，它們?cè)谵D(zhuǎn)錄起始復(fù)合物組裝的不同階段起作用。第二類轉(zhuǎn)錄因子為組織細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子，這此TF是在特異的組織細(xì)胞或是受到一些類固醇激素，生長因子或其它刺激后，開始表達(dá)某些特異

8、蛋白質(zhì)分子時(shí)，才需要的一類轉(zhuǎn)錄因子。內(nèi)部啟動(dòng)子的起始各階段，涉及三個(gè)起始因子1.原核生物聚合酶僅有一種，有多個(gè)亞基。真核生物有三種DNA依賴性RNA聚合酶，有兩個(gè)不同的大亞基和十幾個(gè)不同的小亞基。2.原核生物RNA聚合酶可直接結(jié)合DNA模板，而真核生物RNA聚合酶與輔助因子結(jié)合后才結(jié)合模板。3.轉(zhuǎn)錄起始：原核生物RNA聚合酶要結(jié)合到DNA模板上，DNA雙鏈局部打開，使其中一條鏈作為轉(zhuǎn)錄模板。真核生物轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段具有啟動(dòng)子核心序列，RNA聚合酶不能直接結(jié)合模板，RNA聚合酶II啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄時(shí)需要轉(zhuǎn)錄因子才能形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物。當(dāng)合成一段含有60-70個(gè)核苷酸的RNA時(shí)，TFII和TF II H釋

9、放，RNA聚合酶II進(jìn)入轉(zhuǎn)錄延長期。無特定的終止子序列可在無輔助因子參與下終止一串A殘基終止轉(zhuǎn)錄mRNA:識(shí)別末端加尾信號(hào)RNA轉(zhuǎn)錄后加工和修飾 絕大多數(shù)原核生物轉(zhuǎn)錄和翻譯是同時(shí)進(jìn)行的，隨著mRNA開始在DNA上合成，核蛋白體即附著在mRNA上并以其為模板進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成，因此原核細(xì)胞的mRNA并無特殊的轉(zhuǎn)錄后加工過程，相反，真核生物轉(zhuǎn)錄和翻譯在時(shí)間和空間上是分天的，剛轉(zhuǎn)錄出來的mRNA是分子很大的前體，即核內(nèi)不均一RNA。hnRNA分子中大約只有10%的部分轉(zhuǎn)變成成熟的mRNA，其余部分將在轉(zhuǎn)錄后的加工過程中被降解掉。真核生物轉(zhuǎn)錄生成的mRNA為單順反子，即一個(gè)mRNA分子只為一種蛋白質(zhì)分子

10、編碼。真核生物mRNA的加工修飾，主要包括對(duì)5端和3端的修飾以及對(duì)中間部分進(jìn)行剪接。1在5端加帽成熟的真核生物mRNA，其結(jié)構(gòu)的5端都有一個(gè)m7G-PPNmN結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被稱為甲基鳥苷的帽子。大多數(shù)的真核mRNA 都有3端的多聚尾巴（A)，多聚（A)尾巴大約為200bp。多聚（A)屠巴不是由DNA編碼的，而是轉(zhuǎn)錄后在核內(nèi)加上去的。受polyA聚合酶催化，該酶能識(shí)別，mRNA 的游離3-OH端，并加上約200個(gè)A殘基。在大多數(shù)真核基因的3一端有一個(gè)AATAA序列，這個(gè)序列是mRNA 3-端加polyA尾的信號(hào)?？亢怂崦冈诖诵盘?hào)下游10-15堿基外切斷磷酸二酯鍵，在polyA聚合酶催化下，在3-O

11、H上逐一引入100-200個(gè)A堿基。真核生物基因往往是斷裂基因，即編碼一個(gè)蛋白質(zhì)分子的核苷酸序列被多個(gè)插入片斷所隔開，一個(gè)真核生物結(jié)構(gòu)基因中內(nèi)含子的數(shù)量，往往與這個(gè)基因的大小有關(guān)，例如胰島素是一個(gè)很小的蛋白質(zhì)，它結(jié)構(gòu)基因只有兩個(gè)內(nèi)含子，而有些很大的蛋白質(zhì)，它的結(jié)構(gòu)基因中可以有幾十個(gè)內(nèi)含子。經(jīng)過復(fù)雜的過程后，切去內(nèi)含子，將有編碼意義的核苷酸片段（Extron，外顯子）連接起來內(nèi)含子與外顯子接界處的高度守恒序列,為準(zhǔn)確和有效的剪接過程所必需。內(nèi)含子5末端與外顯子接界序列為C A AG/GT A GAGT,而3末端與外顯子接界序列為(T C)_N(C T)AG/G。內(nèi)含子序列內(nèi)的各種缺失,并不影響剪

12、接的準(zhǔn)確和效率,這似乎說明,內(nèi)含子的其他部份并不為剪接所要求。mRNA 的剪接是基于對(duì)間接位點(diǎn)識(shí)別的基礎(chǔ)上，由被稱為剪接體的核酸蛋白復(fù)合物完成剪接體包含5種SnRNP和超過200種蛋白質(zhì)因子。不論拼接過程如何，拼接必須極為精確，否則會(huì)導(dǎo)致遺傳信息傳遞障礙，合成的蛋白質(zhì)可能喪失其正常的功能。我國南方廣大地區(qū)是-地中海貧血的高發(fā)區(qū)，這是由于-珠蛋白鏈的合成受到部分或完全抑制所引起的一種血紅蛋白病。實(shí)驗(yàn)表明-珠蛋白基因元1中核苷酸的點(diǎn)突變改變了正常拼接部位的堿基順序，結(jié)果造成錯(cuò)誤部位的拼接。加工成熟的 mRNA雖能翻譯，但產(chǎn)物不是正常的-珠蛋白，結(jié)果引起血紅蛋白級(jí)結(jié)構(gòu)和功能的改變。原核生物rRNA轉(zhuǎn)

13、錄后加工，包括以下幾方面：rRNA前體被大腸桿菌RNase,RNaseE等剪切成一定鏈長的rRNA分子；rRNA在修飾酶催化下進(jìn)行堿基修飾；rRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核糖體的大、小亞基真核生物rRNA前體比原核生物大，哺乳動(dòng)物的初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為45s，低等真核生物的rRNA前體為38s，真核生物5sRNA前體獨(dú)立于其他三種rRNA的基因轉(zhuǎn)錄。真核生物rRNA前體中含有插入順序，rRNA前體要形成成熟的rRNA，需要經(jīng)過拼接反應(yīng)。例如，四膜蟲的rRNA前體的拼接是一種無酶催化的自動(dòng)拼接過程。四膜蟲基因組內(nèi)，26srRNA編碼的區(qū)域內(nèi)有413bp的插入順序。該插放序列可以不消耗能量從rRNA前體中被除

14、掉。用SDS煮沸和用蛋白酶外理等破壞酶活性辦法，都不能破壞拼接活性，但反應(yīng)中Mg2+和鳥嘌呤核苷酸是必在的。這種有酶催化活性的RNA分子命名為Ribozyme。用32P-GTP進(jìn)行追蹤實(shí)驗(yàn)表明，起始過程是GTP在插入順序5端發(fā)生親核反應(yīng)，同時(shí)GMP與5端切點(diǎn)的切除段形成磷酸二酯鍵并使原RNA斷開。第二步是5切點(diǎn)的外元3-OH與3切點(diǎn)的外元5-P共價(jià)連接，獲得成熟的rRNA，被切除部分最后環(huán)化，形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)從5端去掉一個(gè)15核苷酸碎片。剩余部分連接成399核苷酸的環(huán)狀產(chǎn)物，再經(jīng)過幾步，最后切下一個(gè)19個(gè)核苷酸的線性內(nèi)含子序列即L-19，它具有催化活性，上面的剪接作用，是由內(nèi)含子本身的催

15、化性質(zhì)決定的。不只是溝通核酸和蛋白質(zhì)的橋梁，可能是功能比DNA更廣泛的信息分子。原核生物和真核生物剛轉(zhuǎn)錄生成的tRNA前體一般無生物活性，需要進(jìn)行剪切和拼接堿基修飾3-OH連接-ACC結(jié)構(gòu)tRNA前體在tRNA剪切酶的作用下，切成一定在小的tRNA分子。大腸桿菌RNase P可特異剪切tRNA前體的5旁順序，因此，該酶被稱為tRNA5成熟酶。除了RNaseP外，tRNA前體的剪切尚需要一個(gè)3-核酸內(nèi)切酶，這可將tRNA前體3端的一段核苷酸序列切下來。RNaseD是tRNA3端成熟酶。近年來的研究表明大腸桿菌RNaseP是一種非常特殊的酶分子，它是由RNA和蛋白質(zhì)組成，最近發(fā)現(xiàn)RNAaseP分子

16、中的RNA部分在某些條件下，可以單獨(dú)地催化tRNA前體的加工成熟，這個(gè)發(fā)現(xiàn)和四膜蟲tRNA能自我拼接被認(rèn)為是近十年來生化領(lǐng)域內(nèi)最令人鼓舞的發(fā)現(xiàn)之一。說明RNA分子確具有酶的催化活性。經(jīng)過剪切后的tRNA分子還要在拼接酶作用下，將成熟tRNA分子所需的片段拼起來。在核苷酸轉(zhuǎn)移酶作用下，3-末端除去個(gè)別堿基后，換上tRNA分子統(tǒng)一的CCA-OH末端，完成tRNA分子中的氨基酸臂結(jié)構(gòu)。成熟的tRNA分子中有許多的稀有堿基，因此tRNA在甲基轉(zhuǎn)移酶催化下，某些嘌呤生成甲基嘌呤如AmA,GmA。有些尿嘧啶還原為雙氫尿嘧啶。尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)變不假尿嘧啶核苷。某些腺苷酸脫氨基為成為次黃嘌呤核苷酸（）RNA編輯是

17、指在mRNA水平上改變遺傳信息的過程.具體說來，指基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA分子中，由于核苷酸的缺失，插入或置換，基因轉(zhuǎn)錄物的序列不與基因編碼序列互補(bǔ)，使翻譯生成的蛋白質(zhì)的氨基酸組成，不同于基因序列中的編碼信息現(xiàn)象。RNA編輯是通過比較成熟的mRNA與相應(yīng)基因的編碼信息時(shí)發(fā)現(xiàn)的，成熟的mRNA序列中有幾種意想不到的變化，包括尿嘧啶（U）突變?yōu)榘奏ぃ–）、胞嘧啶突變?yōu)槟蜞奏?、尿嘧啶的插入或缺失、多個(gè)鳥嘌呤（G）或胞嘧啶的插入等。最典型的例子是錐蟲(Trypanosome)動(dòng)質(zhì)體(kinetoplastid)的線粒體基因mRNA的編輯,涉及上百個(gè)尿嘧啶的缺失和插入。由于RNA編輯是基因轉(zhuǎn)錄后在mRN

18、A中插入、缺失或核苷酸的替換而改變DNA模板來源的遺傳信息，翻譯出多種氨基酸序列不同的蛋白質(zhì)，RNA編輯的結(jié)果不僅擴(kuò)大了遺傳信息，而且使生物更好地適應(yīng)生存環(huán)境。有些基因的主要轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物必須經(jīng)過編輯才能有效地起始翻譯，或產(chǎn)生正確的可讀框(ORF)。組織靶標(biāo)RNA所改變的堿基結(jié)果肝，腸肝，腸肌肉肌肉睪丸，腫瘤睪丸，腫瘤等等腫瘤腫瘤腦腦載脂蛋白載脂蛋白B B半乳糖苷酶半乳糖苷酶WilmsWilms 腫瘤基因腫瘤基因-1-1神經(jīng)纖維瘤基因神經(jīng)纖維瘤基因-1-1谷氨酸受體谷氨酸受體蛋白蛋白C CU UU UA AU UC CC CU UA AI I谷氨酰胺密碼子谷氨酰胺密碼子終止子終止子苯丙氨酸密碼子苯丙

19、氨酸密碼子酪氨酸酪氨酸亮氨酸密碼子亮氨酸密碼子脯氨酸脯氨酸精氨酸密碼子精氨酸密碼子終止子終止子多個(gè)谷氨酸密碼子多個(gè)谷氨酸密碼子精氨酸精氨酸核苷的插入或刪除編輯堿基替換編輯單堿基突變（apoB)RNA編輯影響了基因的表達(dá)，生成不同的氨基酸和新的開放讀碼框。RNA編輯同基因的選擇剪接或可變剪接(alternative splicing)一樣，使得一個(gè)基因序列有可能產(chǎn)生幾種不同的蛋白質(zhì)，這可能是生物在長期進(jìn)化過程中形成的、更經(jīng)濟(jì)有效地?cái)U(kuò)展原有遺傳信息的機(jī)制。一、原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控(Control of Prokaryotic Gene Exepression ) 原核生物在對(duì)外環(huán)境突然變化的反應(yīng)中，是

20、通過誘導(dǎo)或阻遏合成一些相應(yīng)的蛋白質(zhì)來調(diào)整與外環(huán)境之間的關(guān)系。由于原核生物的轉(zhuǎn)錄與翻譯的過程是偶聯(lián)的，而且這種過程所經(jīng)歷的時(shí)間很短，只需數(shù)分鐘，同時(shí)由于大多數(shù)原核生物的mRNA在幾分鐘內(nèi)就受到酶的影響而降解，因此就消除了外環(huán)境突然變化后所造成的不必要的蛋白質(zhì)的合成。與真核生物相比，原核生物基因表達(dá)的一個(gè)特點(diǎn)是快速。主要在轉(zhuǎn)錄起始水平調(diào)控因子對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié) 操縱子對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)（二）調(diào)控機(jī)制Lac操縱子（負(fù)調(diào)控）Trp操縱子參與乳糖分解的一個(gè)基因群，由乳糖系統(tǒng)的阻遏物和操縱基因受負(fù)的控制，而同時(shí)又同步地受支配。細(xì)菌相關(guān)功能的結(jié)構(gòu)基因常連在一起，形成一個(gè)基因簇。它們編碼同一個(gè)代謝途徑中的不同的酶。一個(gè)基

21、因簇受到同一的調(diào)控，這一個(gè)完整的調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)基因和控制這些基因表達(dá)的元件，形成了一個(gè)共同的調(diào)節(jié)單位，這種調(diào)節(jié)單位就稱為操縱子（opron）。操縱子的活性是由調(diào)節(jié)基因控制的，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物可以和操縱子上的順式作用控制元件相互作用。例例1大腸桿菌乳糖酶誘導(dǎo)合成大腸桿菌乳糖酶誘導(dǎo)合成阻遏蛋白阻遏蛋白操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶操縱基因操縱基因基因合成的開關(guān)基因合成的開關(guān)調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因關(guān)關(guān)阻遏蛋白阻擋操縱基因，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)阻遏蛋白阻擋操縱基因，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)誘導(dǎo)物（乳糖）誘導(dǎo)物（乳糖）開開誘導(dǎo)物阻止阻遏蛋白功能

22、發(fā)揮。誘導(dǎo)物阻止阻遏蛋白功能發(fā)揮。mRNA酶蛋白酶蛋白乳 糖 操 縱 子 調(diào) 控 的 機(jī) 制乳 糖 操 縱 子 調(diào) 控 的 機(jī) 制lacZ編碼-半乳糖苷酶，此酶由500kd的四聚體構(gòu)成，它可以切斷乳糖的半乳糖苷鍵，而產(chǎn)生半乳糖和葡萄糖lacY編碼一半乳糖苷透性酶，這種酶是一種分子量為30kDd膜結(jié)合蛋白，它構(gòu)成轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，將半乳糖苷運(yùn)入到細(xì)胞中。lacA編碼-半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶，其功能只將乙酰-輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)移到-半乳糖苷上。無論是lacZ發(fā)生突變還是lacY發(fā)生突變卻可以產(chǎn)生lac-型表型，這種lac表型的細(xì)胞不能利用乳糖。 lacZ-突變體中半乳糖苷酶失去活性，直接阻止了乳糖的代謝。la

23、cY-突變體不能從膜上吸取乳糖。lacZ、Y、A基因的轉(zhuǎn)錄是由lacI基因指令合成的阻遏蛋白所控制。lacI一般和結(jié)構(gòu)基因相毗連，但它本身具有自己的啟動(dòng)子和終止子，成為獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄單位。lac基因簇是受到負(fù)調(diào)節(jié)（negative regulation）。它們的轉(zhuǎn)錄可被調(diào)節(jié)蛋白所關(guān)閉。lac I的產(chǎn)物稱為lac阻遏物（lac repressor），其功能是和lacZ、Y、A基因簇5端的操縱基因（lac O）,操縱基因位于啟動(dòng)子(lac P)和結(jié)構(gòu)基因（lac ZYA）之間。當(dāng)阻遏物結(jié)合在操縱基因上時(shí)就阻礙了啟動(dòng)子上的轉(zhuǎn)錄起始。lac O 從mRNA轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游-5處延伸到轉(zhuǎn)錄單位+21處。阻遏

24、蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié) ：在缺乏誘導(dǎo)物（乳糖）時(shí)，這些基因不能轉(zhuǎn)錄，因?yàn)樽瓒舻鞍资腔钚誀顟B(tài)結(jié)合在操縱基因上。 lac阻遏物（lac repressor）由lac I產(chǎn)生，其功能是和lacZ、Y、A基因簇5端的操縱基因（lac O）,操縱基因位于啟動(dòng)子(lac P)和結(jié)構(gòu)基因（lac ZYA）之間。在此系統(tǒng)中的誘導(dǎo)物并非乳糖本身,而是乳糖的同素異形體,稱為異乳糖異乳糖(allolactose)。乳糖進(jìn)入E.coli細(xì)胞,被轉(zhuǎn)化成異乳糖。異乳糖與阻遏蛋白結(jié)合后,它們即從操縱基因上解離下來,lac操縱子基因即開始表達(dá)。半乳糖苷酶的濃度可以增加1000倍之多。一個(gè)誘導(dǎo)物分子結(jié)合在阻遏蛋白一個(gè)誘導(dǎo)物分子結(jié)合在阻

25、遏蛋白的特異部位上的特異部位上, ,引起阻遏蛋白構(gòu)象引起阻遏蛋白構(gòu)象的改變的改變, ,結(jié)果使結(jié)果使阻遏蛋白從操縱基阻遏蛋白從操縱基因上解離下來因上解離下來。有乳糖時(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四聚體解聚而與O解離。特殊底物的存在導(dǎo)致了酶的合成，此現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)（induction）。這種類型的調(diào)控廣泛存在于細(xì)菌中，在較低等的真核生物（如酶母）也有這種情況。當(dāng)E.coli生長在缺乏一半乳糖苷的條件下是不需要-半乳糖苷酶的，因此細(xì)胞中含量很低，大約每個(gè)細(xì)胞不高于5個(gè)分子，當(dāng)加入底物后細(xì)菌中十分迅速地合成了這種酶，僅在2-3分鐘之內(nèi)酶就可以產(chǎn)生并很快增長到5000個(gè)

26、分子/每個(gè)細(xì)胞。如在酶的濃度將達(dá)到細(xì)胞總蛋白的5-10%。如在培養(yǎng)基中除去底物，那么酶的合成也就迅速停止，恢復(fù)到原來的狀態(tài)。負(fù)反饋：細(xì)胞質(zhì)中有了半乳糖苷酶后，便催化分解乳糖為半乳糖和葡萄糖。乳糖被分解后，又造成了阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，使結(jié)構(gòu)基因關(guān)閉。一些乳糖類似物不能被-半乳糖苷酶分解，卻也能與R特異性結(jié)合而使其構(gòu)象改變，誘導(dǎo)1ac操縱子的開放。如異丙基硫代半乳糖苷(isopropyl thiogalactoside, IPTG)是很強(qiáng)的非代謝性誘導(dǎo)劑；X-gal（5-溴-4-氯-3-吲哚-半乳糖苷）也是一種人工合成的半乳糖苷，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

27、的指示劑。IPTG和X-gal被廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)和基因工程工作中。CAP-分解（代謝）物基因結(jié)合蛋白CAPCAP的正性調(diào)節(jié)作用的正性調(diào)節(jié)作用1ac操縱子的強(qiáng)誘導(dǎo)既要有乳糖又要無葡萄糖。乳糖操縱子屬于可誘導(dǎo)操縱子(inducible operon)，在缺乏誘導(dǎo)物時(shí)，這類操縱子只有本底水平的表達(dá)，約為誘導(dǎo)時(shí)表達(dá)水平的0.1%左右，lac操縱子的表達(dá)水平在誘導(dǎo)和阻遏之間的差別在103倍。這也與阻遏蛋白的量有關(guān)，若阻遏蛋白少于10個(gè)/細(xì)胞，就不可能建立起嚴(yán)密的阻遏。色氨酸操縱子(tryptophane operon)代表了一種衰減調(diào)控模式。Trp是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，當(dāng)有足夠的Trp時(shí)，操縱子自動(dòng)關(guān)閉。細(xì)菌直接利用外界的Trp。缺乏Trp時(shí)，Trp操縱子被打開，5個(gè)結(jié)構(gòu)基因表達(dá)，產(chǎn)生3個(gè)酶催化分支酸合成為Trp。1.負(fù)調(diào)控合成Trp所需要酶類的5個(gè)基因E、D、C、B、A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P和操縱子O的調(diào)控。調(diào)控基因trpR的位置遠(yuǎn)離P-O-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)調(diào)控蛋白R(shí)。R并無活性，當(dāng)提供足夠的Trp時(shí)，Trp與R結(jié)合使其構(gòu)象改變而成為活性形式R，R可與O特異性結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，R的阻遏能力僅為lac I產(chǎn)物的1/1000。當(dāng)Trp達(dá)到一定濃度，但還沒有高到能夠活化R