辦乳糖操縱子

半乳糖操縱子

大腸桿菌半乳糖操縱子(galactoseoperon)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(galactosetransferase,galT)，

半乳糖激酶(galactosekinase,galk)。

這3個(gè)酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖-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)：

①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；

②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?，人們猜想葡萄糖存在時(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)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，而且與之相關(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。現(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)。MapoftheE.coligaloperonandnucleotidesequenceoftheregulatoryregion

組氨酸操縱子

與His降解代謝有關(guān)的兩組酶類被稱為hut酶(histidineutilizingenzyme)，控制這些酶合成的操縱子被稱為hutoperon。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。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)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.DnaQ蛋白操縱子

DnaQ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。

原核生物的轉(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S21б蛋白）屬于大腸桿菌基因組上的同一個(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)40000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ΦX174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ρ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)核苷酸。由于trpE的終止密碼子與trpD的起始密碼重疊，trpE翻譯終止時(shí)核糖體立即處在起始環(huán)境中，這種重疊的密碼保證了同一核糖體對(duì)兩個(gè)連續(xù)基因進(jìn)行翻譯的機(jī)制。3.RNA高級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)翻譯的影響

以RNA噬菌體f2的RNA作為模板，在大腸桿菌無細(xì)胞系統(tǒng)中進(jìn)行蛋白質(zhì)合成時(shí)，大部分合成外殼蛋白，RNA聚合酶只占外殼蛋白的1/3。用同位素標(biāo)記分析RNA噬菌體幾種蛋白質(zhì)的起譯過程，發(fā)現(xiàn)外殼蛋白翻譯頻率比合成酶至少要高3倍。

研究發(fā)現(xiàn)f2外殼蛋白基因的突變也影響了RNA聚合酶合成的起始。但若該突變不是發(fā)生在外殼蛋白接近翻譯起始區(qū)，而是較靠后的位點(diǎn)，對(duì)RNA聚合酶的起譯就沒有影響?，F(xiàn)在一般認(rèn)為，聚合酶的翻譯起始區(qū)被RNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)所掩蓋，外殼蛋白的起始翻譯破壞了RNA的立體構(gòu)象，使核糖體有可能與翻譯起始區(qū)結(jié)合，導(dǎo)致聚合酶的起譯。用甲醛處理RNA可以增加聚合酶的產(chǎn)量，這說明RNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)調(diào)控的可能性。4.魔斑核苷酸水平對(duì)翻譯的影響

科學(xué)上，把培養(yǎng)基中營養(yǎng)缺乏，蛋白質(zhì)合成停止后，RNA合成也趨于停止這種現(xiàn)象稱為嚴(yán)緊控制（rel+）；反之則稱為松散控制（rel-）。研究發(fā)現(xiàn)，在氨基酸缺乏時(shí)，rel+菌株能合成鳥苷四磷酸（ppGpp）和五磷酸（pppGpp），而rel-菌