原核基因的表達(dá)調(diào)控模式

原核基因的表達(dá)調(diào)控模式第一頁，共七十三頁，2022年，8月28日基因組(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)出來的，大腸桿菌基因組含有約4000個(gè)基因，一般情況下只有5－10%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)胞中涉及編碼鳥氨酸循環(huán)酶類的基因表達(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β細(xì)胞合成胰島素；甲狀腺濾泡旁細(xì)胞(C細(xì)胞)專一分泌降血鈣素等。

第二頁，共七十三頁，2022年，8月28日細(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)向開放(turnon)，胚胎發(fā)育不同階段、不同部位的細(xì)胞中開放的基因及其開放的程度不一樣，合成蛋白質(zhì)的種類和數(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。

第三頁，共七十三頁，2022年，8月28日、基因表達(dá)適應(yīng)環(huán)境的變化

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：①組成性表達(dá)(constitutiveexpression)指不大受環(huán)境變動(dòng)而變化的一類基因表達(dá)。其中某些基因表達(dá)產(chǎn)物是細(xì)胞或生物體整個(gè)生命過程中都持續(xù)需要而必不可少的，這類基因可稱為看家基因(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。第四頁，共七十三頁，2022年，8月28日②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)象稱為誘導(dǎo)(induction)，這類基因被稱為可誘導(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)象稱為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。

第五頁，共七十三頁，2022年，8月28日改變基因表達(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：周圍有充足的葡萄糖，細(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的酶類，當(dāng)外界沒有葡萄糖時(shí)，細(xì)菌就要適應(yīng)環(huán)境中存在的其它糖類(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)，開放能利用這些糖的酶類基因，以滿足生長的需要。即使是內(nèi)環(huán)境保持穩(wěn)定的高等哺乳類，也經(jīng)常要變動(dòng)基因的表達(dá)來適應(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。第六頁，共七十三頁，2022年，8月28日基因表達(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①

mRNA加工成熟水平上的調(diào)控（differentialprocessingofRNAtranscript）；②

翻譯水平上的調(diào)控（differentialtranslationofmRNA）。6.2

原核基因表達(dá)調(diào)控總論

第七頁，共七十三頁，2022年，8月28日第八頁，共七十三頁，2022年，8月28日原核生物中，營養(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。第九頁，共七十三頁，2022年，8月28日

因?yàn)榧?xì)菌mRNA在形成過程中與核糖體混合在一起，所以，細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄與翻譯過程幾乎發(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)。第十頁，共七十三頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)錄因子

一個(gè)基因是由基因產(chǎn)物的調(diào)控和表達(dá)所需要的所有DNA序列組成的。意味著在一個(gè)典型的編碼蛋白質(zhì)的基因中，它的啟動(dòng)子和上游的調(diào)節(jié)區(qū)位于基因的非轉(zhuǎn)錄部分，而mRNA轉(zhuǎn)錄區(qū)代表轉(zhuǎn)錄單位。被稱為轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactors）的DNA結(jié)合蛋白與基因調(diào)控區(qū)中特殊的效應(yīng)元件（responseelements，RE）DNA序列相互作用，調(diào)節(jié)RNA聚合酶活性，達(dá)到控制基因轉(zhuǎn)錄的目的。第十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)錄因子的功能

常用轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)（transcriptionalinduction）（增加起始速率）和轉(zhuǎn)錄阻遏（transcriptionalrepression）（降低起始速率）等術(shù)語來描述轉(zhuǎn)錄因子的功能。誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子稱之激活劑（activators），而阻遏轉(zhuǎn)錄的稱之為阻遏物（repressors）。轉(zhuǎn)錄因子起著激活劑作用，還是起著阻遏物的作用取決于細(xì)胞的生理狀態(tài)和不同啟動(dòng)子之間的DNA序列差別。第十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日第十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日在原核生物中，效應(yīng)分子可以是cAMP或某些小的代謝產(chǎn)物，而真核生物轉(zhuǎn)錄效應(yīng)分子常常受到磷酸化作用的調(diào)節(jié)。從下圖可以看到轉(zhuǎn)錄速率增加（誘導(dǎo)和去阻遏）和降低（阻遏和去誘導(dǎo)）的兩種轉(zhuǎn)錄機(jī)制，主要的調(diào)節(jié)機(jī)制是DNA結(jié)合活性的調(diào)節(jié)。圖20.2(a)、(b)分別表示阻遏物被效應(yīng)分子抑制和激活；下圖(c)和(d)分別表示激活劑被效應(yīng)分子激活和抑制。

調(diào)節(jié)機(jī)制

第十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日第十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日第十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日原核生物的基因調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，根據(jù)調(diào)控機(jī)制的不同可分為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（negativetranscriptionregulation）正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（positivetranscriptionregulation）。6.2.1原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)

第十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白（repressor），起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。根據(jù)其作用特征又可分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏二大類。在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白不與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄；在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白作用的部位是操縱區(qū)。第十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白（activator）。也可根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)。在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；在正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。第十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日第二十頁，共七十三頁，2022年，8月28日

參與大腸桿菌中基因表達(dá)調(diào)控最常見的蛋白質(zhì)可能是σ因子，共存在六種σ因子，其中σ70是調(diào)控最基本的生理功能如碳代謝、生物合成等基因的轉(zhuǎn)錄所必須的。

除參與氮代謝的σ54以外，其它5種σ因子在結(jié)構(gòu)上具有同源性，所以統(tǒng)稱σ70家族。所有σ因子都含有4個(gè)保守區(qū)，其中第2個(gè)和第4個(gè)保守區(qū)參與結(jié)合啟動(dòng)區(qū)DNA，第2個(gè)保守區(qū)的另一部分還參與雙鏈DNA解開成單鏈的過程。第二十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日

與上述σ因子特異性結(jié)合DNA上的-35區(qū)和-10區(qū)不同，σ54因子識(shí)別并與DNA上的-24和-12區(qū)相結(jié)合。在與啟動(dòng)子結(jié)合的順序上，σ70類啟動(dòng)子在核心酶結(jié)合到DNA鏈上之后才能與啟動(dòng)子區(qū)相結(jié)合，而σ54則類似于真核生物的TATA區(qū)結(jié)合蛋白（TBP），可以在無核心酶時(shí)獨(dú)立結(jié)合到啟動(dòng)子上。第二十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日

弱化子對(duì)基因活性的影響

屬于這種調(diào)節(jié)方式的有大腸桿菌中的色氨酸操縱子、苯丙氨酸操縱子、蘇氨酸操縱子、異亮氨酸操縱子等等。起信號(hào)作用的是有特殊負(fù)載的氨基酰-tRNA的濃度，在色氨酸操縱子中就是色氨酰-tRNA的濃度。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)作用的那一段核苷酸被稱為弱化子。這種因?yàn)楹颂求w在基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上的不同位置，決定了RNA可以形成哪一種形式的二級(jí)結(jié)構(gòu)、并由此決定基因能否繼續(xù)轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)方式確實(shí)是非常巧妙的。起調(diào)節(jié)作用的信號(hào)分子是細(xì)胞中某一氨基酸或嘧啶的濃度，因此是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)中的微調(diào)整，好比無線電調(diào)諧器中的微調(diào)一樣，只要稍加變動(dòng)就可影響整個(gè)體系的功能。第二十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日

降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)

操縱子學(xué)說的核心是使基因從表達(dá)抑制狀態(tài)中解脫出來進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，是從負(fù)調(diào)節(jié)的角度來考慮基因表達(dá)調(diào)控的。那么，有沒有從相反的角度進(jìn)行正調(diào)節(jié)以提高基因的轉(zhuǎn)錄水平？

有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、阿拉伯糖或麥芽糖等誘導(dǎo)物，與其相對(duì)應(yīng)的操縱子也不會(huì)啟動(dòng)，產(chǎn)生出代謝這些糖的酶來，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)或稱為降解物抑制作用。

為什么會(huì)產(chǎn)生這種效應(yīng)呢？因?yàn)樘砑悠咸烟呛螅?xì)菌所需要的能量便可從葡萄糖得到滿足，葡萄糖是最方便的能源，細(xì)菌無需開動(dòng)一些不常用的基因去利用這些稀有的糖類。葡萄糖的存在會(huì)抑制細(xì)菌的腺苷酸環(huán)化酶活性，減少環(huán)腺苷酸（cAMP）的合成，與它相結(jié)合的蛋白質(zhì)，即環(huán)腺苷酸受體蛋白CRP又稱分解代謝物激活蛋白CAP，因找不到配體而不能形成復(fù)合物。

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，是一種積極的調(diào)節(jié)方式。第二十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日

細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)

細(xì)菌有時(shí)會(huì)碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓時(shí)，就不是缺少一二種氨基酸，而是氨基酸的全面匱乏。為了緊縮開支，渡過難關(guān)，細(xì)菌將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)急反應(yīng)，包括生產(chǎn)各種RNA、糖、脂肪和蛋白質(zhì)在內(nèi)的幾乎全部生物化學(xué)反應(yīng)過程均被停止。實(shí)施這一應(yīng)急反應(yīng)的信號(hào)是鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp）。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物是空載tRNA。當(dāng)氨基酸饑餓時(shí)，細(xì)胞中便存在大量的不帶氨基酸的tRNA，這種空載的tRNA會(huì)激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成，其濃度可增加10倍以上。ppGpp的出現(xiàn)會(huì)關(guān)閉許多基因，當(dāng)然也會(huì)打開一些合成氨基酸的基因，以應(yīng)付這種緊急狀況。關(guān)于ppGpp的作用原理還不大清。ppGpp與pppGpp的作用范圍十分廣泛，它們不是只影響一個(gè)或幾個(gè)操縱子，而是影響一大批，所以它們是超級(jí)調(diào)控因子。

第二十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日操縱子學(xué)說

法國巴斯德研究院的FrancoisJacob與JacquesMonod于1960年在法國科學(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)棣?半乳糖苷酶(β-galactosidase)和半乳糖苷透過酶(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(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)。第二十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日大腸桿菌能以乳糖為唯一碳源生長，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。第二十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日

Z編碼β-半乳糖苷酶；Y編碼β-半乳糖苷透過酶；A編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶。

β-半乳糖苷酶是一種β-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。

β-半乳糖苷透過酶的作用是使外界的β-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)。

β-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β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。

第二十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日第二十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位第三十頁，共七十三頁，2022年，8月28日乳糖操縱子的控制模型，其主要內(nèi)容如下：

①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼。

②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β-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。

③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)。

④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。

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)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始mRNA的合成。第三十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日

第三十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日

第三十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日

第三十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日第三十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日第三十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日

第三十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日

第三十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日

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稱之多順反子mRNA。多順反子mRNA在細(xì)菌中是很普遍的。多順反子lacmRNA中的lacZ，lacY，lacA經(jīng)翻譯生成的產(chǎn)物分別為LacZ（β-半乳糖苷酶（β-galactosidase））、LacY（β-半乳糖苷通透酶（β-galactosidepermease））和LacA（β-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；福╰hiogalactosidetransacetylase））。第三十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日

別乳糖是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)上類似于別乳糖、不能被β-半乳糖苷酶水解的β-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)。

第四十頁，共七十三頁，2022年，8月28日第四十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日

lac操縱子受LacI阻遏蛋白調(diào)控。在沒有誘導(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。

第四十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日第四十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日

通過去阻遏調(diào)控lac操縱子只是調(diào)控的一種方式，另一調(diào)控系統(tǒng)也可起到lac操縱子的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)作用。分解物基因激活蛋白（catabolicgene-activatorprotein:CAP）可以部分調(diào)控細(xì)菌對(duì)糖的代謝。在有乳糖存在，而且葡萄糖水平低時(shí)，CAP可以激活象lac操縱子那樣的操縱子的轉(zhuǎn)錄。

當(dāng)葡萄糖和乳糖都存在時(shí)，即使阻遏物不結(jié)合，轉(zhuǎn)錄也是非常弱的。然而當(dāng)葡萄糖濃度降低，而乳糖仍然存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄激烈增加。這是由于CAP是lac操縱子的一個(gè)激活劑，并且起始了正調(diào)控轉(zhuǎn)錄。cAMP的作用象個(gè)調(diào)節(jié)器，它與CAP結(jié)合正向調(diào)控CAP的DNA結(jié)合活性。第四十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日E.Coli中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)將導(dǎo)致腺苷酸環(huán)化酶的去活化（作用），這使得細(xì)胞內(nèi)cAMP處于低水平。因此當(dāng)葡萄糖存在時(shí)，cAMP水平低，而CAP無活性。然而當(dāng)葡萄糖水平低時(shí)，腺苷環(huán)化酶有活性，細(xì)胞內(nèi)cAMP水平增加，導(dǎo)致CAP的激活，結(jié)果促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)。（下圖）概括了在葡萄糖和乳糖水平低和高的條件下lac操縱子的轉(zhuǎn)錄活性。只有當(dāng)葡萄糖水平低，而乳糖存在時(shí)，lac操縱子才被最大程度地轉(zhuǎn)錄。當(dāng)葡萄糖和乳糖的水平都很低時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？實(shí)驗(yàn)表明，盡管有激活的CAP存在，lac阻遏物與lac操縱基因結(jié)合仍然能夠阻止RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合。

第四十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日第四十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日第四十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日Thecircuitryfortheeffectisshowninthefigurebelow.Ontheleftisthesituationforhighglucose/lowcAMPandontherightforlowglucose/highcAMP:第四十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日第四十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日HowdoestheCAP-cAMPstimulatetranscription?Inthefirstmodel,theCAP-cAMPinteractswiththeRNApolymerasebybindingtotheC-terminaldomainofoneofthetheasubunits.第五十頁，共七十三頁，2022年，8月28日

ThesecondmodelhastheincreasedtranscriptionrateoftheoperonduetobendingoftheDNAbecauseofthebindingofCAP-cAMPSuchbindingcanbeobservedexperimentally.Infact,X-raycrystalstructuresoftheCAP-cAMPbondtoDNAshowabendingofthistype.ThebendingmightallowtheRNApolymerasetobindmoretightlytothepromoter.第五十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日CAPBindingBendsDNAThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebinding第五十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日DNACAPLacICrystalStructureofLacIandCAPComplexedtoDNA第五十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日Theresultisthatthelacoperonrespondstoboththepresenceorabsenceoflactoseaswellastothelevelofglucosethecellhasavailable.HereisatablethatpresentsthesepossibilitiesintermsoflacmRNAsynthesis:第五十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日PositiveControlofTranscription:CAP

Absenceofthelacrepressorisessentialbutnotsufficientforeffectivetranscriptionofthelacoperon.TheactivityofRNApolymerasealsodependsonthepresenceofanotherDNA-bindingproteincalledcataboliteactivatorproteinorCAP.CAPhastwotypesofbindingsites:OnebindsthenucleotidecyclicAMP;theotherbindsasequenceof16basepairsupstreamofthepromoter第五十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日However,CAPcanbindtoDNAonlywhencAMPisboundtoCAP.sowhencAMPlevelsinthecellarelow,CAPfailstobindDNAandthusRNApolymerasecannotbeginitswork,evenintheabsenceoftherepressor.Sothelacoperonisunderbothnegative(therepressor)andpositive(CAP)control.第五十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日第五十七頁，共七十三頁，2022年，8月28日CAPconsistsoftwoidenticalpolypeptides(henceitisahomodimer).TowardtheC-terminal,eachhastworegionsofalphahelixwithasharpbendbetweenthem.ThelongeroftheseiscalledtherecognitionhelixbecauseitisresponsibleforrecognizingandbindingtoaparticularsequenceofbasesinDNA.第五十八頁，共七十三頁，2022年，8月28日Thereareactuallythreelacoperators.TheonecommonlyshownindiagramsiscalledlacO1.Theothersaredownstream(lacO2)andupstream(lacO3)fromthisone.O2andO3arecalledauxiliaryoperators.第五十九頁，共七十三頁，2022年，8月28日NoticethatO2isplacedwithinthelacZreadingframe!Alsonoticetheslightsequencedifferencesbetweenthemainoperator(O1)andtheothertwo.(CAPisthebindingsiteforthecAMP:CAPcomplexandRNAPistheRNApolymerasebindingsite,otherwiseknownasthepromoter).第六十頁，共七十三頁，2022年，8月28日Genetranscriptionbeginsataparticularnucleotideshowninthefigureas"+1".RNApolymeraseactuallybindstoasite"upstream"(i.e.,onthe5'side)ofthissiteandopensthedoublehelixsothattranscriptionofonestrandcanbegin.ThebindingsiteforRNApolymeraseiscalledthepromoter.Inbacteria,twofeaturesofthepromoterappeartobeimportant:asequenceofTATAAT(orsomethingsimilar)centered10nucleotidesupstreamofthe+1siteandanothersequence(TTGACAorsomethingquiteclosetoit)centered35nucleotidesupstream.第六十一頁，共七十三頁，2022年，8月28日第六十二頁，共七十三頁，2022年，8月28日ThestructureofamonomerofLacrepressoridentifiesseveralindependentdomains.PhotographkindlyprovidedbyMitchellLewis.Repressorproteinbindstotheoperatorandisreleasedbyinducer第六十三頁，共七十三頁，2022年，8月28日第六十四頁，共七十三頁，2022年，8月28日

ThecrystalstructureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.PhotographskindlyprovidedbyAlanFriedman.

第六十五頁，共七十三頁，2022年，8月28日

ThecrystalstructureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.PhotographskindlyprovidedbyAlanFriedman.第六十六頁，共七十三頁，2022年，8月28日Thecrystalstructureof