第l七章原核生物基因表達(dá)調(diào)控模式

第六章基因的表達(dá)與調(diào)控(上)

——原核基因表達(dá)調(diào)控模式現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四一、基因表達(dá)（geneexpression）

DNA

RNA

蛋白質(zhì)基因表達(dá)的調(diào)控：生物有機(jī)體對(duì)其基因表達(dá)的時(shí)空程序、表達(dá)速率等所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和控制?，F(xiàn)在是2頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四

二、基因表達(dá)的調(diào)控（generegulation）

1、轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控：轉(zhuǎn)錄水平上的對(duì)基因的調(diào)控決定于DNA的結(jié)構(gòu)、RNA聚合酶的功能、蛋白質(zhì)因子及其他小分子物質(zhì)的相互作用。2、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控：mRNA加工成熟水平上的調(diào)控；翻譯水平上的調(diào)控?，F(xiàn)在是3頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四基因激活轉(zhuǎn)錄起始mRNA水平蛋白質(zhì)水平現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四三、基因表達(dá)調(diào)控的信號(hào)：原核生物

營(yíng)養(yǎng)狀況、環(huán)境因素真核生物

激素水平、發(fā)育階段環(huán)境變化基因表達(dá)調(diào)控適應(yīng)細(xì)胞現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四

第一節(jié)原核基因表達(dá)調(diào)控總論現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四一、原核生物的基因表達(dá)調(diào)控類型（一）轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控起始階段----主要延伸階段----通常不受調(diào)控終止階段----可能受到調(diào)控（二）翻譯水平的調(diào)控主要發(fā)生在起始和終止階段現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四（一）轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控的類型正調(diào)控（positiveregulation）負(fù)調(diào)控（negativeregulation）inhibitorgenegeneactivator調(diào)控蛋白結(jié)構(gòu)基因表達(dá)正調(diào)控負(fù)調(diào)控

負(fù)調(diào)控：抑制基因表達(dá)的調(diào)控方式正調(diào)控：促進(jìn)基因表達(dá)的調(diào)控方式1、正調(diào)控和負(fù)調(diào)控現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四inducergenegene誘導(dǎo)(induction)阻遏(repression)repressor特殊代謝物結(jié)構(gòu)基因表達(dá)誘導(dǎo)阻遏誘導(dǎo)物、可誘導(dǎo)基因、誘導(dǎo)酶阻遏物、可阻遏基因、可阻遏酶2、特殊代謝物的調(diào)控現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四誘導(dǎo):在某些代謝物或化合物的作用下，基因由原來(lái)的關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)誘導(dǎo)物：能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子可誘導(dǎo)基因：誘導(dǎo)調(diào)節(jié)中被活化的基因誘導(dǎo)酶：可誘導(dǎo)基因表達(dá)的酶現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四阻遏：在某些代謝物或化合物的作用下，基因由原來(lái)的關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)阻遏物：能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子可阻遏基因：阻遏調(diào)節(jié)中被關(guān)閉的基因可阻遏酶：可阻遏基因表達(dá)的酶現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四

特殊代謝物調(diào)控的分子機(jī)理

特殊代謝物是調(diào)控蛋白的變構(gòu)劑，與調(diào)控蛋白結(jié)合可使調(diào)控蛋白的空間構(gòu)像發(fā)生變化，從而改變其對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的影響現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四調(diào)控蛋白和代謝物的共同作用調(diào)控蛋白結(jié)構(gòu)基因表達(dá)正調(diào)控負(fù)調(diào)控特殊代謝物誘導(dǎo)阻遏現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四3、原核生物基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的4種類型（1）負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四（2）正控誘導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四++++轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四mRNA低半乳糖時(shí)高半乳糖時(shí)葡萄糖低cAMP濃度高葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四（3）負(fù)控阻遏系統(tǒng)現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四（4）正控阻遏系統(tǒng)現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號(hào)作用的是有特殊負(fù)載的氨酰-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DNA序列被稱為弱化子。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、異亮氨酸操縱子和纈氨酸操縱子以及沙門氏菌的組氨酸操縱子和亮氨酸操縱子、嘧啶合成操縱子等等。二、弱化子對(duì)基因活性的影響現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四TrpTrp高時(shí)Trp低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操縱子現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時(shí)轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’RNA聚合酶終止現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNARNA聚合酶2.當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四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)，不會(huì)產(chǎn)生出代謝這些糖的酶來(lái)，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)或稱為降解物抑制作用。降解物抑制作用是通過提高轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的，是一種積極的調(diào)節(jié)方式。三、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四細(xì)菌有時(shí)會(huì)碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓——氨基酸的全面匱乏。細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)急反應(yīng)——停止包括生產(chǎn)各種RNA、糖、和蛋白質(zhì)的幾乎全部生物化學(xué)反應(yīng)過程。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。四、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四當(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。ppGpp的出現(xiàn)會(huì)關(guān)閉許多基因，以應(yīng)付這種緊急狀況。ppGpp影響RNA聚合酶與這些基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的結(jié)合，使基因被關(guān)閉。ppGpp與pppGpp的作用范圍十分廣泛，它們影響一大批操縱子而被稱為超級(jí)調(diào)控因子?，F(xiàn)在是29頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四SOS反應(yīng)

SOS基因紫外線激活RecALexA阻遏蛋白與DNA損傷修復(fù)有關(guān)的酶和蛋白質(zhì)基因表達(dá)LexA阻遏蛋白操縱序列DNA現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四第二節(jié)乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四操縱子(operon)

概念：

在原核生物中，若干結(jié)構(gòu)基因可串聯(lián)在一起，其表達(dá)受到同一調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控，這種基因的組織形式稱為操縱子。發(fā)現(xiàn)：

1961年大腸桿菌能利用乳糖作為碳源，而利用乳糖作為碳源的酶只有當(dāng)乳糖成為惟一的碳源時(shí)才會(huì)被合成。JacobandMonod---乳糖操縱子模型

現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四一、乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動(dòng)序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四1、結(jié)構(gòu)基因（1）lacZ：編碼b

－半乳糖苷酶

（使乳糖水解）（2）lacY：編碼b

－半乳糖苷透過酶（使b

－半乳糖苷透過細(xì)胞壁、質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)）（3）lacA：編碼b

－半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶（將乙?；D(zhuǎn)移到b

－半乳糖苷上）現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四2、調(diào)節(jié)基因（regulatorygene）

（1）概念：其產(chǎn)物參與調(diào)控其他結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的基因lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacImRNA現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四（2）特點(diǎn)：a、可在結(jié)構(gòu)基因群附近、也可遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)基因b、不僅對(duì)同一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因起作用，而且能對(duì)不同DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因起作用現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四（3）調(diào)控蛋白：類型：a、阻遏蛋白（repressiveprotein）與操縱元件結(jié)合后能減弱或阻止所調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白b、激活蛋白（activatingprotein）與操縱元件結(jié)合后能增強(qiáng)或啟動(dòng)所調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四3、操縱元件（operator）（1）與啟動(dòng)子鄰近或與啟動(dòng)子部分序列重疊（2）具有回文結(jié)構(gòu)，能形成十字形結(jié)構(gòu)。（3）與不同構(gòu)像的蛋白質(zhì)結(jié)合，可以分別起阻遏或激活基因表達(dá)的作用

lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四4、啟動(dòng)子(promoter)是指能被RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。（1）-10序列---Pribnow盒：TATAAT；（2）-35bp序列：TTGACA操縱子至少有一個(gè)啟動(dòng)子，一般在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因5’上游，控制整個(gè)結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四5、終止子（terminator）是給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的DNA序列（1）不依賴ρ因子的終止子（2）依賴ρ因子的終止子在一個(gè)操縱元中至少在結(jié)構(gòu)基因群最后一個(gè)基因的后面有一個(gè)終止子現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四圖10.4乳糖操縱子長(zhǎng)度約為6000bp。左端的LacI基因有它自己的啟動(dòng)子和終止子，LacI基因的末端緊接啟動(dòng)子P。操作基因O占據(jù)LacZ基因的前26bp，LacZ基因之后是LacY基因和LacA基因以及終止子?，F(xiàn)在是41頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四

圖10.5

圍繞著乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄啟始位點(diǎn)，阻遏蛋白和RNA聚合酶的結(jié)合區(qū)域相互重疊。

現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四

大腸桿菌乳糖操縱子（lactoseoperon）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)錄的調(diào)控是在啟動(dòng)區(qū)和操縱區(qū)進(jìn)行的。LacI——阻抑蛋白，LacZ——β-糖苷酶，LacY——透性酶，LacA——轉(zhuǎn)乙酰基酶?，F(xiàn)在是43頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四三種酶的功能：①.β-半乳糖酶：將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖②.滲透酶：增加糖的滲透，易于攝取乳糖和半乳糖③.轉(zhuǎn)乙酰酶：β-半乳糖轉(zhuǎn)變成乙酰半乳糖現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四一般情況下，lac+基因型大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)β-半乳糖苷酶和透過酶的濃度很低，每個(gè)細(xì)胞只有1～2個(gè)酶分子。但是，在乳糖培養(yǎng)基上酶的濃度很快達(dá)到細(xì)胞總蛋白量的6%或7%，超過105個(gè)酶分子lacmRNA/細(xì)胞。在無(wú)葡萄糖有乳糖的培養(yǎng)基中，lac+細(xì)菌中將同時(shí)合成β-半乳糖苷酶和透過酶。二、酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四圖10.6培養(yǎng)基添加誘導(dǎo)物(β-半乳糖苷)能迅速誘導(dǎo)LacmRNA，稍后便合成該酶；若除去誘導(dǎo)物則合成迅速停止?，F(xiàn)在是46頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四用32P標(biāo)記的mRNA與模板DNA進(jìn)行定量分子雜交，表明培養(yǎng)基中加入乳糖1～2分鐘后，編碼β-半乳糖苷酶和透過酶的lacmRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降?，F(xiàn)在是47頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四4/8/2023南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院48實(shí)驗(yàn)室常用兩種乳糖類似物——異丙基巰基半乳糖苷（IPTG）和巰甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常用發(fā)色底物O-硝基半乳糖苷（ONPG）。因?yàn)樗鼈兌疾皇前肴樘擒彰傅牡孜?，所以又稱為安慰性誘導(dǎo)物?，F(xiàn)在是48頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四（一）乳糖操縱子的控制模型的內(nèi)容如下：Z、Y、A基因產(chǎn)物由同一條多順反子mRNA分子所編碼該mRNA分子的啟動(dòng)區(qū)（P）位于阻遏基因（I）與操縱區(qū)（O）之間，不能單獨(dú)起始半乳糖苷酶和透過酶基因的高效表達(dá)。操縱區(qū)是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。三、操縱子模型及其影響因子現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四當(dāng)阻遏物與操縱區(qū)相結(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，改變其三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)相結(jié)合，誘發(fā)lacmRNA的合成?，F(xiàn)在是50頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四（二）乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控阻遏蛋白與操縱元件結(jié)合，阻礙了RNA聚合酶與啟動(dòng)子Plac的結(jié)合，轉(zhuǎn)錄不能進(jìn)行，lacZ，lacY、lacA低表達(dá)?，F(xiàn)在是51頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)阻遏基因現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四(1)lac操縱子的本底水平表達(dá)兩個(gè)矛盾：誘導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要轉(zhuǎn)運(yùn)酶，轉(zhuǎn)運(yùn)酶的合成又需要誘導(dǎo)。人們發(fā)現(xiàn)乳糖并不與阻遏物相結(jié)合，真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖，而后者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四解釋：在沒有誘導(dǎo)物的情況下，轉(zhuǎn)運(yùn)酶和β-半乳糖苷酶仍有本地水平的表達(dá)。阻遏物的結(jié)合并非絕對(duì)緊密，偶爾會(huì)掉下，使得轉(zhuǎn)錄可以進(jìn)行。表達(dá)量足以使誘導(dǎo)過程得以啟動(dòng)?，F(xiàn)在是55頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四4/8/2023南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院56（2）大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)在以甘油為碳源的培養(yǎng)基中：加乳糖以前，lac操縱子本底水平表達(dá)加乳糖后，阻遏物失活，mRNA大量表達(dá)乳糖耗盡，阻遏物濃度逐漸大于異構(gòu)乳糖，阻遏狀態(tài)重新形成，mRNA水平下降。β-半乳糖苷酶半衰期長(zhǎng)，其活性下降滯后?，F(xiàn)在是56頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四4/8/2023南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院57（3）阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能lac操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動(dòng)子控制下永久型合成的，該阻遏蛋白有4個(gè)相同的亞基，每個(gè)亞基均含有347個(gè)氨基酸殘基，并能與1分子IPTG

結(jié)合,每個(gè)細(xì)胞中有5～10個(gè)阻遏物分子。lacI基因由弱啟動(dòng)子變?yōu)閺?qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)將不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來(lái)克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)lac操縱子在這些突變體中將不可誘導(dǎo)。現(xiàn)在是57頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四現(xiàn)象：培養(yǎng)基中含葡萄糖、乳糖——lacZ等低表達(dá)無(wú)葡萄糖、有乳糖——lacZ等高表達(dá)lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI問題：是否有另外的調(diào)控途徑？（4）葡萄糖對(duì)lac操縱子影響現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四某大腸桿菌突變體，它不能將葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，該細(xì)菌的lac基因能在葡萄糖存在時(shí)被誘導(dǎo)合成。所以，不是葡萄糖而是它的某些降解產(chǎn)物抑制lacmRNA的合成，科學(xué)上把葡萄糖的這種效應(yīng)稱之為代謝物阻遏效應(yīng)?，F(xiàn)在是59頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四60

（5)cAMP與代謝物激活蛋白cAMP是在腺苷酸環(huán)化酶的作用下由ATP轉(zhuǎn)變而來(lái)的，在真核生物的激素調(diào)節(jié)過程中也起著十分重要的作用?，F(xiàn)在是60頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四++++轉(zhuǎn)錄無(wú)葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP現(xiàn)在是61頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四大腸桿菌中的代謝物激活蛋白，由Crp基因編碼，能與cAMP形成復(fù)合物。CRP和cAMP都是合成lacmRNA所必需的，cAMP-CRP是一個(gè)不同于阻遏物的正調(diào)控因子，而lac操縱子的功能是在這兩個(gè)相互獨(dú)立的調(diào)控體系作用下實(shí)現(xiàn)的。半乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等在降解過程中均轉(zhuǎn)化成葡萄糖或糖酵解途徑中的其他中間產(chǎn)物，這些糖代謝中有關(guān)的酶都是由可誘導(dǎo)操縱子控制的，被稱為降解物敏感型操縱子，由cAMP-CRP調(diào)控。4/8/2023南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院62現(xiàn)在是62頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四cAMP-CRP結(jié)合位點(diǎn)（另一調(diào)控元件）（1）位于啟動(dòng)子Plac上游，與Plac部分重疊（2）能與cAMP-CRP特異結(jié)合（3）cAMP-CRP與該位點(diǎn)的結(jié)合是lacmRNA合成起始所必須的。Plac/RNApolymerase-50-30-1010130-20-4020-60CRPbindingOlac

/

repressor現(xiàn)在是63頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四CRP（1）由CRP基因編碼（2）可通過與cAMP結(jié)合而激活，即CRP只有與cAMP結(jié)合才有活性現(xiàn)在是64頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四CRP-bindingsiteAANTGTGANNTNNNTCANATTNNTTNACACTNNANNNAGTNAAANNHighlyconservedLessconservedglucoseCRP-cAMPCRPcAMPtranscriptioncAMPreceptorprotein現(xiàn)在是65頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四cAMP-CRP的作用CRP-cAMP與cAMP-CRP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，增強(qiáng)了RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合力，使轉(zhuǎn)錄效率提高50倍。CRP的結(jié)合引起DNA鏈發(fā)生90°的彎曲現(xiàn)在是66頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四lac操縱子小結(jié)通常情況（葡萄糖供應(yīng)正常）阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，基因不轉(zhuǎn)錄。細(xì)胞外的乳糖通過透性酶吸收到細(xì)胞內(nèi)；細(xì)胞內(nèi)的β-半乳糖苷酶將乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾樘?。異乳糖結(jié)合到乳糖阻抑物上使之從操縱序列上脫離，聚合酶迅速開始lacZYA基因的轉(zhuǎn)錄。這就是負(fù)控誘導(dǎo)。然而，還需要細(xì)菌生長(zhǎng)系統(tǒng)中缺少葡萄糖，使cAMP含量增加，才有足夠量的cAMP與CRP結(jié)合形成CRP-cAMP復(fù)合物結(jié)合于Plac上游。使DNA雙螺旋發(fā)生彎曲，轉(zhuǎn)錄才可以有效地進(jìn)行。現(xiàn)在是67頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四第三節(jié)色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)現(xiàn)在是68頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四一、組成（一）結(jié)構(gòu)基因基因E、D、C、B、A，編碼色氨酸合成所需要酶類，這些基因頭尾相接串連排列組成結(jié)構(gòu)基因群，組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元?，F(xiàn)在是69頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四（二）調(diào)節(jié)基因trpR（1）位置:遠(yuǎn)離P-ｏ-結(jié)構(gòu)基因群（2）編碼調(diào)控蛋白R(shí)（3）R沒有與操縱元件ｏ結(jié)合的活性（4）當(dāng)環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時(shí)，R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化（5）R與ｏ特異性結(jié)合，抑制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄現(xiàn)在是70頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四（三）操縱元件ｏ（1）18bp的回文結(jié)構(gòu)（2）與色氨酸啟動(dòng)子Ptrp序列在–21and+3堿基之間重疊（3）與Trp-R特異性結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄現(xiàn)在是71頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四現(xiàn)象：培養(yǎng)基中Trp濃度較低時(shí)---基因E、D、C、B、A高表達(dá)Trp濃度較高時(shí)---基因E、D、C、B、A低表達(dá)二、色氨酸操縱子與轉(zhuǎn)錄調(diào)控現(xiàn)在是72頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四1、Trp操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)Ⅰ培養(yǎng)基中Trp濃度較低，調(diào)控蛋白R(shí)不能被活化，未活化的調(diào)控蛋白R(shí)不能與操縱元件結(jié)合，基因E、D、C、B、A高表達(dá)?，F(xiàn)在是73頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四Trp操縱元與負(fù)控阻遏系統(tǒng)現(xiàn)在是74頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四2、Trp操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)Ⅱ培養(yǎng)基中Trp濃度較高，調(diào)控蛋白R(shí)與Trp結(jié)合，Trp-R復(fù)合物與操縱子結(jié)合，基因E、D、C、B、A低表達(dá)?，F(xiàn)在是75頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四Trp操縱元與負(fù)控阻遏系統(tǒng)Trp現(xiàn)在是76頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四三、色氨酸操縱子總結(jié)1、通常是開放轉(zhuǎn)錄的，有效應(yīng)物（色氨酸為阻遏物）作用時(shí)則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。2、負(fù)性調(diào)控的、可阻遏的操縱子3、色氨酸可以作為共阻抑物起作用，并通過終產(chǎn)物抑制自身的合成（負(fù)反饋調(diào)節(jié)）。4、細(xì)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(xì)菌處在生存繁殖最經(jīng)濟(jì)最節(jié)省的狀態(tài)?，F(xiàn)在是77頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四

1、弱化子：在trpmRNA5’端有一個(gè)長(zhǎng)162bp的mRNA片段被稱為前導(dǎo)區(qū)，其中123～150位堿基序列如果缺失，trp基因表達(dá)可提高6-10倍。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。這個(gè)區(qū)域被稱為弱化子，該區(qū)mRNA可通過自我配對(duì)形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)。四、弱化子與前導(dǎo)肽現(xiàn)在是78頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四現(xiàn)在是79頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四2、前導(dǎo)肽分析前導(dǎo)序列發(fā)現(xiàn)，它包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA，能產(chǎn)生一個(gè)含有14個(gè)氨基酸的多肽，這個(gè)假設(shè)的多肽被稱為前導(dǎo)肽。在前導(dǎo)序列的第10和第11位上有相鄰的兩個(gè)色氨酸密碼子。組氨酸操縱子含有7個(gè)相鄰的組氨酸密碼子，苯丙氨酸操縱子也有7個(gè)苯丙氨酸密碼子，這些密碼子參與了操縱子中的轉(zhuǎn)錄弱化機(jī)制?，F(xiàn)在是80頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四4/8/2023南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院813、mRNA前導(dǎo)區(qū)的序列分析trp前導(dǎo)區(qū)的堿基序列已經(jīng)全部測(cè)定，引人注目的是其中4個(gè)分別以1、2、3和4表示的片段能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對(duì)，有時(shí)以1-2和3-4配對(duì)，有時(shí)只以2-3方式互補(bǔ)配對(duì)。終止構(gòu)型抗終止構(gòu)型現(xiàn)在是81頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四4/8/2023南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院82RNaseT1降解實(shí)驗(yàn)（此酶不能水解配對(duì)的RNA）表明，純化的trp前導(dǎo)序列中確有1-2和3-4的配對(duì)方式，由此定位的3-4配對(duì)區(qū)正好位于終止密碼子的識(shí)別區(qū)，當(dāng)這個(gè)區(qū)域發(fā)生破壞自我配對(duì)的堿基突變時(shí)有利于轉(zhuǎn)錄的繼續(xù)進(jìn)行?，F(xiàn)在是82頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四4、轉(zhuǎn)錄弱化作用培養(yǎng)基中色氨酸濃度低，負(fù)載有色氨酸的tRNATrp就少，翻譯通過兩個(gè)相鄰色氨酸密碼子的速度就慢，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），前導(dǎo)區(qū)2-3配對(duì)，不形成3-4配對(duì)的終止結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行。培養(yǎng)基中色氨酸濃度高，核糖體順利通過兩個(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)，3-4區(qū)自由配對(duì)形成莖-環(huán)狀終止子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停止。所以，弱化子對(duì)RNA聚合酶的影響依賴于前導(dǎo)肽翻譯中核糖體所處的位置?，F(xiàn)在是83頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四第四節(jié)其它操縱子現(xiàn)在是84頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四典型的操縱子和調(diào)控機(jī)制還有：半乳糖操縱子阿拉伯糖操縱子阻遏蛋白LexA的降解與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答多啟動(dòng)子的調(diào)控的啟動(dòng)子現(xiàn)在是85頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四一、半乳糖操縱子(galactoseoperon)（一）、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?，F(xiàn)在是86頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四（二）、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?，F(xiàn)在是87頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四因?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(wú)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。

現(xiàn)在是88頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四分析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(wú)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?，F(xiàn)在是89頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四從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(wú)cAMP-CAP時(shí),轉(zhuǎn)錄從S2開始。現(xiàn)在是90頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四

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。現(xiàn)在是91頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四生長(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(wú)疑是一種浪費(fèi)。無(wú)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)?，F(xiàn)在是92頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四現(xiàn)在是93頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四MapoftheE.coligaloperonandnucleotidesequenceoftheregulatoryregion現(xiàn)在是94頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四二、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(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?，F(xiàn)在是95頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四無(wú)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?，F(xiàn)在是96頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四現(xiàn)在是97頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四第五節(jié)固氮基因及其調(diào)控現(xiàn)在是98頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四一、根瘤的產(chǎn)生根瘤菌細(xì)胞以極性的方式與根毛接觸，并附著到植物細(xì)胞上。根瘤菌產(chǎn)生寡聚糖來(lái)刺激植物分泌凝血素。通過對(duì)快速生長(zhǎng)的根瘤菌株系的研究發(fā)現(xiàn)與固氮有關(guān)的許多基因都位于然熱體之外的大質(zhì)粒上。這些基因發(fā)生缺失，根瘤菌就不能形成根瘤或者不能使植物固氮?，F(xiàn)在是99頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四二、固氮酶鐵鉬蛋白鐵蛋白TeMoCo現(xiàn)在是100頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四三、與固氮有關(guān)的基因及其調(diào)控與固氮有關(guān)的基因都位于染色體外的大質(zhì)粒上。當(dāng)這些基因發(fā)生缺失，根瘤菌就不能使植物形成根瘤或不能使植物固氮。（P228）現(xiàn)在是101頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四nifAL基因控制了整個(gè)固氮酶系統(tǒng)的表達(dá)和活性。nifA和nifL基因的產(chǎn)物分別是nif操縱子的正和負(fù)調(diào)控因子。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)沒有nifL蛋白時(shí)，nifA基因產(chǎn)物足以激活其他nif基因的表達(dá)，甚至在沒有NH3和O2時(shí)也如此。nifAL的蛋白質(zhì)對(duì)nifH啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄激活作用與NH4+含量和O2無(wú)關(guān)。根瘤內(nèi)和體外培養(yǎng)的根瘤菌固氮酶活性一般受NH4+含量和O2濃度兩大因素的影響?，F(xiàn)在是102頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四第六節(jié)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控

現(xiàn)在是103頁(yè)\一共有113頁(yè)\編輯于星期四4/8/2023南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院104基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是生物最經(jīng)濟(jì)的調(diào)控方式。但轉(zhuǎn)錄生成mRNA以后，再在翻譯或翻譯后水平進(jìn)行“微調(diào)”，是對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的補(bǔ)充，它使基因表達(dá)的調(diào)控更加適應(yīng)生物本身的需求和外界條件的變化。調(diào)控方式有：mRNA自身結(jié)構(gòu)元件對(duì)翻譯起始的調(diào)控mRNA穩(wěn)定性對(duì)轉(zhuǎn)錄水平的影響調(diào)節(jié)蛋白的調(diào)控作用反義RNA的調(diào)節(jié)作用稀有密碼子對(duì)翻譯的影響重疊基因?qū)Ψg的影響翻譯的阻遏