原核生物表達調(diào)控

原核生物表達調(diào)控第1頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四6.1基因表達調(diào)控的現(xiàn)象和概念

一、基因表達調(diào)控是生命的必需

基因表達(geneexpression)細胞在生命過程中，把蘊藏在DNA中的遺傳信息經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯，轉(zhuǎn)變成為具有功能的蛋白質(zhì)分子的過程。典型的基因表達是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程。圍繞基因表達過程中發(fā)生的各種各樣的調(diào)節(jié)方式都通稱為基因表達調(diào)控（generegulation或gene

control）。第2頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四基因表達調(diào)控是生物體內(nèi)基因表達的調(diào)節(jié)控制機制，使細胞中基因表達的過程在時間、空間上處于有序狀態(tài)，并對環(huán)境條件的變化做出適當反應的復雜過程?；虮磉_調(diào)控是生物體內(nèi)細胞分化、形態(tài)發(fā)生和個體發(fā)育的分子基礎。要了解動、植物生長發(fā)育的規(guī)律、形態(tài)結構特征和生物學功能，就必須弄清楚基因表達調(diào)控的時間和空間的概念。基因表達調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學研究的中心課題。第3頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四DNA復制RNA轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)翻譯基因表達機體如何控制遺傳信息的傳遞過程、有何規(guī)律。基因表達調(diào)控第4頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四二、基因表達的時間性和空間性調(diào)控區(qū)結構基因何時表達何處表達基因組(genome)

是指生物有機體的單倍體細胞中的所有DNA，包括核中的染色體DNA和線粒體、葉綠體等亞細胞器中的DNA。但生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達出來的，大腸桿菌基因組含有約4000個基因，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，有的就暫時不表達。第5頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四（一）時間特異性

在生物體不同的階段，根據(jù)功能的需要，相應基因嚴格按一定的時間順序開啟或關。AB第6頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四細胞分化發(fā)育的不同時期，基因表達的情況是不相同的，這就是基因表達的階段特異性(stagespecificity)。

一個受精卵含有發(fā)育成一個成熟個體的全部遺傳信息，在個體發(fā)育分化的各個階段，各種基因極為有序地表達，一般在胚胎時期基因開放的數(shù)量最多，隨著分化發(fā)展，細胞中某些基因關閉(turnoff)、某些基因轉(zhuǎn)向開放(turnon)，例如：與開花有關的基因只有在開花前才表達，而在植物營養(yǎng)體生長時全部被關閉；胚胎發(fā)育不同階段、不同部位的細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，顯示出基因表達調(diào)控在空間和時間上極高的有序性，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。第7頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四（二）空間特異性

生物體中，各種基因在不同的組織、器官中表達的差異性。

ABC第8頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四不同組織細胞中不僅表達的基因數(shù)量不相同，而且基因表達的強度和種類也各不相同，這就是基因表達的組織特異性(tissuespecificity)。

例如肝細胞中涉及編碼鳥氨酸循環(huán)酶類的基因表達水平高于其它組織細胞，合成的某些酶(如精氨酸酶)為肝臟所特有；胰島β細胞合成胰島素；甲狀腺濾泡旁細胞(C細胞)專一分泌降血鈣素等。第9頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

從上所述，不難看出：生物的基因表達不是雜亂無章的，而是受著嚴密、精確調(diào)控的，盡管我們現(xiàn)在對調(diào)控機理的奧妙所知還不多，但已經(jīng)可以認識到，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調(diào)控也是生命本質(zhì)所在。

第10頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四生物體內(nèi)的基因調(diào)控各不相同，基因表達隨環(huán)境變化的情況，可以大致把基因表達分成兩類：①組成性表達(constitutiveexpression)指合成速率不受環(huán)境變化而變動的一類基因表達。某些基因表達產(chǎn)物是細胞或生物體整個生命過程中都持續(xù)需要而必不可少的，這類基因可稱為看家基因(housekeepinggene)，如：DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代謝過程中十分必需的酶或蛋白質(zhì)。其數(shù)量不受外界環(huán)境影響。組成性基因表達也不是一成不變的，其表達強弱也是受一定機制調(diào)控的。三、基因表達的方式第11頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

組成性表達管家基因

無時間和空間特異性，幾乎在生命的全過程和生物體的所有細胞中持續(xù)表達。第12頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四②適應性表達(adaptiveexpression)指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。應環(huán)境條件變化基因表達水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(induction)，這類基因被稱為可誘導的基因(induciblegene)；相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。

第13頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四表達升高的為誘導，表達降低的為阻遏。環(huán)境信號表達增強誘導表達減弱阻遏第14頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四四、基因表達調(diào)控的生物學意義（一）適應環(huán)境、維持生長和增殖（二）維持個體發(fā)育與分化外環(huán)境不斷變化機體相應的適應性反應生物體適應變化著的環(huán)境、維持正常生長

生長發(fā)育的不同階段、不同組織器官蛋白質(zhì)種類和含量不同。第15頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四改變基因表達的情況以適應環(huán)境，在原核生物、單細胞生物中尤其顯得突出和重要，因為細胞的生存環(huán)境經(jīng)常會有劇烈的變化。

例如：周圍有充足的葡萄糖，細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，當外界沒有葡萄糖時，細菌就要適應環(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)常要變動基因的表達來適應環(huán)境，例如與適宜溫度下生活相比較，在冷或熱環(huán)境下適應生活的動物，其肝臟合成的蛋白質(zhì)圖譜就有明顯的不同。所以，基因表達調(diào)控是生物適應環(huán)境生存的必需。第16頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四幾個基本概念1、順式作用元件和反式作用因子：基因活性的調(diào)控主要通過反式作用因子（通常是蛋白質(zhì)）與順式作用元件（通常在DNA上）相互作用而實現(xiàn)。

順式作用元件是指對基因表達有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處在一個DNA分子上的基因；同時，這種DNA序列通常不編碼蛋白質(zhì)，多位于基因旁側或內(nèi)含子中，如啟動子和終止子，都是典型的順式作用元件。

反式作用因子是能調(diào)節(jié)與它們接觸的基因的表達的各種擴散分子（通常是蛋白質(zhì)），如RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄因子。第17頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四2、結構基因和調(diào)節(jié)基因:

結構基因(structuralgene)是編碼蛋白質(zhì)或RNA的基因。細菌的結構基因一般成簇排列，多個結構基因受單一啟動子共同控制，使整套基因或都表達或都不表達。調(diào)節(jié)基因(regulatorgene)是編碼合成那些參與其他基因表達調(diào)控的RNA或蛋白質(zhì)的特異DNA序列。

調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物質(zhì)通過與DNA上的特定位點結合控制轉(zhuǎn)錄是調(diào)控的關鍵。比如：它能使結構基因在需要某種酶時就合成某種酶,不需要時,則停止合成，它對不同染色體上的結構基因有調(diào)節(jié)作用。調(diào)節(jié)物與DNA特定位點的相互作用能以正調(diào)控的方式（啟動或增強基因表達活性）調(diào)節(jié)靶基因，也能以負調(diào)控的方式（關閉或降低基因表達活性）調(diào)節(jié)靶基因。DNA位點通常位于受調(diào)節(jié)基因的上游，但也有例外.第18頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四3、操縱基因和阻遏蛋白

操縱基因(operator)是操縱子中的控制基因，在操縱子上一般與啟動子相鄰，通常處于開放狀態(tài)，使RNA聚合酶能夠通過并作用于啟動子啟動轉(zhuǎn)錄。但當它與調(diào)節(jié)基因所編碼的阻遏蛋白結合時，就從開放狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛P閉狀態(tài)，使轉(zhuǎn)錄過程不能發(fā)生。

阻遏蛋白(aporepressor)是負調(diào)控系統(tǒng)中由調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白，它本身或與輔阻遏物(corepressor)一起結合于操縱基因，阻遏操縱子結構基因的轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白可被誘導物變構失活，從而導致不可阻遏或去阻遏。第19頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四4、組成蛋白和調(diào)節(jié)蛋白細胞內(nèi)有許多種蛋白質(zhì)的數(shù)量幾乎不受外界環(huán)境的影響，這些蛋白質(zhì)稱為組成蛋白或持家蛋白。

調(diào)節(jié)蛋白是一類特殊蛋白，它們可以控制和影響一種或多種基因的表達。有兩種類型的調(diào)節(jié)蛋白，即正調(diào)節(jié)蛋白和負調(diào)節(jié)蛋白，前者是激活蛋白，而后者屬于阻遏蛋白。

調(diào)節(jié)本身也可有被調(diào)控，最典型的就是被一些小分子所調(diào)控，面這些小分子的產(chǎn)生是周圍環(huán)境所致。第20頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

5、操縱子(operon)：是原核生物在分子水平上基因表達調(diào)控的單位，由調(diào)節(jié)基因、啟動子、操縱基因和結構基因等序列組成。

例如：在細菌基因組中，同一個代謝途徑的酶的基因一般成簇排列。把功能密切相關的一組蛋白質(zhì)編碼的結構基因區(qū)域加上其調(diào)控區(qū)域組成的控制單元就叫操縱子。

第21頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四6、小分子效應物的作用

原核生物的操縱子通過調(diào)節(jié)蛋白與小分子物質(zhì)相互作用達到誘導狀態(tài)或阻遏狀態(tài)。某些特定的物質(zhì)能與調(diào)控蛋白結合，使調(diào)控蛋白的空間構像發(fā)生變化，從而改變其對基因轉(zhuǎn)錄的影響，這些特定物質(zhì)可稱為效應物（effector）。細菌細胞有兩種類型的效應物。

(1)誘導物:能引起誘導發(fā)生的分子；有些阻遏蛋白在自然狀態(tài)下結合在操縱基因上，當有誘導物存在時，誘導物與阻遏蛋白結合，促使后者空間構象變化，使阻遏蛋白與操縱基因親和力下降而解離下來，RNA聚合酶能夠進入啟動子區(qū)域，開啟了結構基因的轉(zhuǎn)錄表達。

由誘導物存在而使基因表達開放的調(diào)節(jié)又稱為可誘導調(diào)節(jié)。如大腸桿菌的乳糖操縱子中的乳糖。

第22頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四(2)輔阻遏物:能導致阻遏發(fā)生的分子。有些阻遏蛋白本身不具有結合操縱基因的活性，當細胞中有輔阻遏物存在時，它可以結合到阻遏蛋白分子上，提高阻遏蛋白與操縱基因的親和性。

由輔阻遏物參與引起的調(diào)節(jié)又稱為可阻遏的調(diào)節(jié)。如大腸桿菌的色氨酸操縱子中，色氨酸與阻遏蛋白結合，使后者表現(xiàn)出結合操縱基因的活性，阻止了RNA聚合酶與啟動子結合的結合，使操縱子關閉。第23頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四原核生物和真核生物轉(zhuǎn)錄的差異

原核生物真核生物1、一種RNA聚合酶1、多種RNA聚合酶2、不同啟動子間有相當大的同源性2、各種不同啟動子間的差異較大3、聚合酶直接同啟動子結合3、聚合酶通過同轉(zhuǎn)錄因子的相互作用促進結合4、轉(zhuǎn)錄的終止由在幾個Us前形成莖環(huán)4、轉(zhuǎn)錄的終止機制了解不清楚5、啟動子通常位于基因的上游5、聚合酶Ⅲ的啟動子位于被轉(zhuǎn)錄的序列之中6、轉(zhuǎn)錄單位常常含有多個基因6、轉(zhuǎn)錄單位只含一個基因第24頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四原核與真核生物RNA翻譯的異同

原核生物真核生物

轉(zhuǎn)錄和翻譯在同一地點翻譯在細胞質(zhì)，轉(zhuǎn)錄在細胞核核糖體整體70S80S

亞基30S和50S40S和60SmRNA無5′帽子，無poly（A）尾有5′帽子和poly（A）尾多順反子單順反子起始密碼AUG，GUGAUG起始tRNA載體甲酰甲硫氨酸甲硫氨酸起始位點SD序列相關序列起始因子三個IF約有10個eIF延伸因子EF-Ts/Tu/GEF-1/2釋放因子三個RF一個eRF第25頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四基因表達調(diào)控的多層次性，主要表現(xiàn)在：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

原核基因表達調(diào)控總論

第26頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四基因調(diào)控的指揮系統(tǒng)也是多樣的，不同的生物使用不同的信號來指揮基因調(diào)控。原核生物中，營養(yǎng)狀況（nutritionalstatus）和環(huán)境因素（environmentalfactor）對基因表達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)錄水平上對基因表達的調(diào)控決定于DNA的結構、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27頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactors）

轉(zhuǎn)錄因子是轉(zhuǎn)錄起始過程中RNA聚合酶所需的輔助因子。真核生物基因在無轉(zhuǎn)錄因子時處于不表達狀態(tài)，RNA聚合酶自身無法啟動基因轉(zhuǎn)錄，只有當轉(zhuǎn)錄因子(蛋白質(zhì))結合在其識別的DNA序列上后，基因才開始表達。

被稱為轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactors）的DNA結合蛋白與基因調(diào)控區(qū)中特殊的效應元件（responseelements，RE）DNA序列相互作用，調(diào)節(jié)RNA聚合酶活性，達到控制基因轉(zhuǎn)錄的目的。第28頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)錄因子的功能

常用轉(zhuǎn)錄誘導（transcriptionalinduction）（增加起始速率）和轉(zhuǎn)錄阻遏（transcriptionalrepression）（降低起始速率）等術語來描述轉(zhuǎn)錄因子的功能。誘導轉(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胞的生理狀態(tài)和不同啟動子之間的DNA序列差別。第29頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第30頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四原核生物的基因調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，根據(jù)調(diào)控機制的不同可分為：負轉(zhuǎn)錄調(diào)控（negativetranscriptionregulation）正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（positivetranscriptionregulation）6.2.1原核基因調(diào)控機制的類型與特點

第31頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四在負轉(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），起著阻止結構基因轉(zhuǎn)錄的作用。根據(jù)其作用特征又可分為負控誘導和負控阻遏二大類。在負控誘導系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應物（誘導物）結合時，結構基因轉(zhuǎn)錄；在負控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應物(輔阻遏物)結合時，結構基因不轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白作用的部位是操縱區(qū)。第32頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四在正轉(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)分為正控誘導系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)。在正控誘導系統(tǒng)中，效應物分子（誘導物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；在正控阻遏系統(tǒng)中，效應物分子(輔阻遏物)的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。第33頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四Controlcircuitsareversatile.

第34頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四6.2.2

弱化子對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。概念：弱化子是指當操縱子被阻遏，RNA合成被終止時，起終止轉(zhuǎn)錄信號作用的那一段核苷酸。弱化子對基因活性的影響是通過影響前導序列mRNA的結構而起作用的。起調(diào)節(jié)作用的是某種氨基酰-tRNA的濃度。具體在Trp操縱子中講。第35頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四6.2.3

降解物對基因活性的調(diào)節(jié)

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

有葡萄糖存在的情況下，即使在細菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麥芽糖等誘導物，與其相對應的操縱子也不會啟動，產(chǎn)生出代謝這些糖的酶來，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應或稱為降解物抑制作用。

第36頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

為什么會產(chǎn)生這種效應呢？因為添加葡萄糖后，細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，細菌無需開動一些不常用的基因去利用這些稀有的糖類。葡萄糖的存在會抑制細菌的腺苷酸環(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合物.復合物是啟動基因轉(zhuǎn)錄的正調(diào)節(jié)物質(zhì)（CRP與啟動子結合是激活轉(zhuǎn)錄的必要條件，而cAMP與CRP的結合能增強CRP對DNA雙鏈的親和力），從而抑制糖類代謝操縱子的表達。。

降解物抑制作用是通過提高轉(zhuǎn)錄強度來調(diào)節(jié)基因表達的，是一種積極的調(diào)節(jié)方式。第37頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四6.2.4

細菌的應急反應

細菌有時會碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓時，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，細菌將會產(chǎn)生一個應急反應，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反應過程均被停止。實施這一應急反應的信號是鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp）。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導物是空載tRNA。當氨基酸饑餓時，細胞中便存在大量的不帶氨基酸的tRNA，這種空載的tRNA會激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成，其濃度可增加10倍以上。ppGpp的出現(xiàn)會關閉許多基因，當然也會打開一些合成氨基酸的基因，以應付這種緊急狀況。關于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或幾個操縱子，而是影響一大批，所以它們是超級調(diào)控因子或稱為魔斑。

第38頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四6.3操縱子學說(theoryofoperon)

操縱子學說是關于原核生物基因結構及其表達調(diào)控的經(jīng)典學說，由法國巴斯德研究所的FrancoisJacob與JacquesMonod于1961年首先提出的。他們首先提出了操縱子(operon)和操縱基因operator)的概念，他們的操縱子學說(theoryofoperon)使我們得以從分子水平認識基因表達的調(diào)控，是一個劃時代的突破，因此他們二人于1965年榮獲諾貝爾生理學獎。第39頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四大腸桿菌能以乳糖（Lactose）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的一個特定區(qū)段，由調(diào)節(jié)基因I，啟動基因P，操縱基因O和結構基因Z、Y、A組成。P(promoter)區(qū)是轉(zhuǎn)錄起始時RNA聚合酶的結合部位。O(operator)區(qū)是阻遏蛋白的結合部位，其功能是控制結構基因的轉(zhuǎn)錄。平時I基因經(jīng)常進行轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生有活性的阻遏蛋白。

(弱啟動子控制的永久性表達)第40頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四lacI基因編碼的阻抑物(repressor)第41頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四Z編碼β-半乳糖苷酶；Y編碼β-半乳糖苷透過酶；A編碼β-半乳糖苷乙酰基轉(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外，還能水解其他β-半乳糖苷。β-半乳糖苷透過酶的作用是使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細胞壁和原生質(zhì)膜進入細胞內(nèi)。β-半乳糖苷乙酰基轉(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。（注:該酶不參與乳糖代謝！在細胞中有許多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷類物質(zhì)，其分解產(chǎn)物不能進一步代謝，積累，抑制細胞生長。半乳糖苷乙酰化后，即無毒.所以lacA雖不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物質(zhì)的積累）

第42頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖苷透性酶?-半乳糖苷酶操縱基因乳糖操縱元結構調(diào)節(jié)基因第43頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四RepressorandRNApolymerasebindatsitesthatoverlaparoundthetranscriptionstartpointofthelacoperon.-5~+21第44頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

乳糖操縱子的控制模型，其主要內(nèi)容如下：

①

Z、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mRNA分子的啟動子緊接著O區(qū)，而位于I與O之間的啟動子區(qū)（P），不能單獨起動合成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），是阻遏物的結合位點。

④當阻遏物與操縱基因結合時，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。

⑤誘導物通過與阻遏物結合，改變它的三維構象，使之不能與操縱基因結合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。當有誘導物存在時，操縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動子能夠順利起始mRNA的合成。第45頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四6.3.1乳糖操縱子的負調(diào)控（negativetranscriptionregulation）第46頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

阻遏狀態(tài)第47頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié)阻遏基因第48頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

誘導狀態(tài)第49頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖別乳糖β-半乳糖苷酶第50頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四A：兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的：

1、誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結合，而移動誘導物需要透過酶，后者的合成又需要誘導。第一個誘導物是如何到達細胞內(nèi)的？第51頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四2、研究發(fā)現(xiàn)乳糖(葡萄糖-1,4-半乳糖)并不與阻遏物相結合，真正的誘導物是乳糖的異構體—異構乳糖(葡萄糖-1,6-半乳糖，allolactose)，乳糖進入細胞后由β-半乳糖苷酶催化形成異構乳糖(別乳糖)。因此，乳糖誘導β-半乳糖苷酶的合成需要有β-半乳糖苷酶的預先存在。細胞內(nèi)β-半乳糖苷酶來源?第52頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

本底水平表達(backgroundlevelconstitutivesyntyesis)：指在非誘導狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成(大約每個世代每個細胞只合成1-5個mRNA分子)。

第53頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

B：

誘導物

不是乳糖!生成lac誘導物乳糖代謝Allolactose異構乳糖別乳糖第54頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四C：安慰誘導物

（義務誘導物）gratuitousinducer

可誘導半乳糖苷酶產(chǎn)生，但不是其底物(結構上類似、不能被水解)IPTG，異丙基巰基半乳糖苷TMG，巰甲基半乳糖苷ONPG,O-硝基半乳糖苷在研究誘導作用時，很少使用乳糖(被降解，濃度不斷變化)第55頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

ZYX

I

POCAP阻遏蛋白的負調(diào)節(jié)第56頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四誘導物

ZYX

I

POCAP

ZYX

I

POCAP第57頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四6.3.2乳糖操縱子正性調(diào)節(jié)(CAP的正調(diào)控)細菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關當細菌利用葡萄糖分解產(chǎn)生能量時，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，當環(huán)境中無葡萄糖可供利用時，cAMP含量就升高。細菌中有一種能與cAMP特異結合的cAMP受體蛋白CRP(cAMPreceptorprotein)，當CRP未與cAMP結合時它是沒有活性的，當cAMP濃度升高時，CRP與cAMP結合并發(fā)生空間構象的變化而活化，稱為CAP(CRP-cAMPactivatedprotein)，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結合。第58頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第59頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

在lac操縱子的啟動子Plac上游端有一段序列與Plac部分重疊的序列，能與CAP特異結合，稱為CAP結合位點（CAPbindingsite）。

CAP與這段序列結合時，可增強RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，使轉(zhuǎn)錄提高50倍。相反，當有葡萄糖可供分解利用時，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，lac操縱子的結構基因表達下降。第60頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第61頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

由于Plac是弱啟動子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱子轉(zhuǎn)錄開放，還不能使細菌很好利用乳糖，必需同時有CAP來加強轉(zhuǎn)錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。

lac操縱子的強誘導既需要有乳糖的存在又需要沒有葡萄糖可供利用。通過這機制，細菌是優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無葡萄糖而又有乳糖時，細菌才去充分利用乳糖。第62頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

細菌對葡萄糖以外的其他糖（如阿拉伯糖、半乳糖、麥芽糖等）的利用上也有類似對乳糖利用的情況，在含有編碼利用阿拉伯糖的酶類基因群的阿拉伯糖操縱子（araoperon）、半乳糖操縱子（galoperon）中也有CAP結合位點，CAP也起類似的正性調(diào)控作用。所以CAP的通用名稱是分解代謝基因激活蛋白（catabolicgeneactivatorprotein）。第63頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

CAP的結合對DNA構型的影響CRP在它的結合位點可使DNA成＞90℃彎曲。彎曲使CAP能與啟動子上的RNApol接觸第64頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四CAPBindingBendsDNAThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebinding第65頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四乳糖操縱子正性調(diào)節(jié)IPO

ZYACAPsiteCAPcAMP第66頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

阻遏基因轉(zhuǎn)錄翻譯阻遏蛋白R，R與操縱基因結合，阻止結合在啟動子上的DDRP前移，結構基因不被轉(zhuǎn)錄

1）無乳糖也無葡萄糖存在時：OO2）當無乳糖，有葡萄糖時：由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操縱子關閉，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調(diào)節(jié)不起作用總結：所以：無乳糖時，無論有無葡萄糖，操縱子關閉第67頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調(diào)節(jié)不起作用，抑制乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄，使細菌只能利用葡萄糖。

3）既有乳糖，又有葡萄糖時：O

乳糖與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白變構，失去與操縱基因結合的能力而脫落第68頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

由于不含葡萄糖，細胞內(nèi)cAMP含量高，cAMP與CAP結合成復合物，與DNA結合，并推動DDRP向前移動，促進轉(zhuǎn)錄。4）有乳糖，無葡萄糖時：mRNARNA-polO

乳糖與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白變構，失去與操縱基因結合的能力而脫落，結合在啟動子上的DDRP向前移動，結構基因被轉(zhuǎn)錄翻譯，合成與乳糖代謝有關的酶類從而利用乳糖所以：有乳糖時，只有沒有葡萄糖，操縱子才開放有葡萄糖存在，操縱子關閉第69頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四※

當阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用；※

如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性?！鶈渭?nèi)樘谴嬖跁r，細菌利用乳糖作碳源；※若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時,細菌首先利用葡萄糖。

第70頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAPSummary第71頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四TheLacOperon:

WhenGlucoseAndLactoseArePresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great,Icantranscribe!Sometranscriptionoccurs,butataslowrateThislactosehasbentmeoutofshape第72頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yippee…!第73頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!第74頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四6.4色氨酸操縱子(tryptophanoperon)的表達調(diào)控

第75頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

色氨酸是構成蛋白質(zhì)的組分，一般的環(huán)境難以給細菌提供足夠的色氨酸，細菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過許多步驟合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時，細菌就會充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負擔。細菌所以能做到這點是因為有色氨酸操縱子（trpoperon）的調(diào)控。第76頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四trpR,阻遏蛋白P，-40~+18O,-21~+1L(leadingsequence),+1~+162(a(attenuation),+123~+150)結構基因6.4.1色氨酸操縱子的結構第77頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四6.4.2阻遏蛋白的負調(diào)控

合成色氨酸所需要酶類的基因E、D、C、B、A等頭尾相接串連排列組成結構基因群，受其上游的啟動子Ptrp和操縱子ｏ的調(diào)控，調(diào)控基因trpR的位置遠離P-ｏ-結構基因群，在其自身的啟動子作用下，以組成性方式低水平表達其編碼分子量為47000的調(diào)控蛋白R，R并沒有與ｏ結合的活性，當環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時，R與色氨酸結合后構象變化而活化，就能夠與ｏ特異性親和結合，阻遏結構基因的轉(zhuǎn)錄。第78頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

因此色氨酸操縱子屬于一種負性調(diào)控的、可阻遏的操縱子（repressibleoperon），即這操縱子通常是開放轉(zhuǎn)錄的，有效應物（色氨酸為阻遏劑）作用時則阻遏關閉轉(zhuǎn)錄。細菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都屬于這種類型，其調(diào)控可使細菌處在生存繁殖最經(jīng)濟最節(jié)省的狀態(tài)。

第79頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四6.4.3衰減子及其作用

深入研究發(fā)現(xiàn),有些現(xiàn)象與以阻遏作為唯一調(diào)節(jié)機制的觀點不一致,例如：在色氨酸高濃度和低濃度下觀察到trp操縱子的表達水平相差約600倍,然而阻遏作用僅使轉(zhuǎn)錄降低70倍.

此外,使阻遏物失活突變不能完全消除色氨酸對trp操縱子表達的影響.

顯然,trp操縱子的這種調(diào)控與阻遏物的控制無關,必然還有其他調(diào)控機制.這就是弱化作用(attenuation).

第80頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

在色氨酸操縱子Ptrp-ｏ與第一個結構基因trpE之間有162bp的一段前導序列（leadingsequence，L），實驗證明當色氨酸有一定濃度時，RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄會終止在這里。這段序列中含有編碼由14個氨基酸組成的短肽的開放閱讀框，其序列中有2個色氨酸相連，在此開放閱讀框前有核糖體識別結合位點（RBS）序列，提示這段短開放閱讀框在轉(zhuǎn)錄后是能被翻譯的。色氨酸操縱子的特殊結構:第81頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第82頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四弱化子，衰減子，α第83頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

mRNA前導區(qū)序列分析

trp前導區(qū)的堿基序列已經(jīng)全部測定，發(fā)現(xiàn)完整的前導序列可分為1、2、3、4區(qū)域，這四個區(qū)域的片段能以兩種不同的方式進行堿基配對，第84頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第85頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四第86頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結構基因trpROP前導序列衰減子區(qū)域UUUU……前導mRNA1234衰減子結構

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結構能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……第87頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

有時以1-2和3-4配對，有時只以2-3方式互補配對。核糖體經(jīng)過前導區(qū)繼續(xù)翻譯的能力控制著這兩種結構的轉(zhuǎn)換，它決定mRNA是否形成終止所需的結構。前導序列的終止區(qū)與一般的轉(zhuǎn)錄終止位點特點相同，具有成串的U和潛在的能形成莖環(huán)的二重對稱結構。實驗表明：3-4配對區(qū)正好位于終止密碼子識別區(qū)，當這個區(qū)域發(fā)生破壞自我堿基突變，有利于轉(zhuǎn)錄的繼續(xù)進行。

第88頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

弱化作用(衰減作用)：

轉(zhuǎn)錄的弱化理論認為，mRNA轉(zhuǎn)錄的終止是通過前導肽基因的翻譯來調(diào)節(jié)的，在前導肽基因中有兩個相鄰的色氨酸密碼子，在翻譯時對tRNATrp的濃度十分敏感。

第89頁，共100頁，2023年，2月20日，星期四

當培養(yǎng)基中色氨酸的濃度低時，負載有色氨酸的tRNATrp也少，由此推斷，翻譯通過兩個相鄰色氨酸密碼子的速度就會很慢，當4區(qū)被轉(zhuǎn)錄完成時，核糖體才進行到1區(qū)（或停留在兩個相鄰的色氨酸密碼子處），這時的前導區(qū)結構是2-3配對，不形成3-4配對的終止結構，所以轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進行，直到將色氨酸操縱子中的結構基因全部轉(zhuǎn)錄完畢為止。第90頁，共100頁，2023年，2月20日