基因的表達與調(diào)控上

第七章基因的表達與調(diào)控（上）——原核基因表達調(diào)控模式目前一頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點1.原核基因表達調(diào)控總論2.乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)3.色氨酸操縱子與負控阻遏系統(tǒng)4.轉(zhuǎn)錄水平的其他調(diào)控方式5.轉(zhuǎn)錄后調(diào)控主要內(nèi)容目前二頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.1原核基因表達調(diào)控總論□基因表達（geneexpression）：從DNA到蛋白質(zhì)或功能RNA的過程□基因表達調(diào)控（generegulation或genecontrol）對基因表達過程的調(diào)節(jié)□基因表達調(diào)控主要表現(xiàn)在兩個方面：轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（transcriptionalregulation）轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控（past-transcriptionalregulation）1）mRNA加工成熟水平上的調(diào)控（differentialprocessingofRNAtrscript）2）翻譯水平上的調(diào)控□原核生物中，營養(yǎng)狀況（nutritionalstatus）和環(huán)境因素（enviromentalfactor）對基因表達起著舉足輕重的影響；在真核生物中特別是高等真核生物

激素水平（hormonelevel）和發(fā)育階段（developmentalstage）是基因表達調(diào)控的最主要的手段。目前三頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點目前四頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.1.1原核基因調(diào)控分類□負轉(zhuǎn)錄調(diào)控（negativetranscriptionregulation）調(diào)解基因的產(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)其特征又分為：1）負控誘導：阻遏蛋白（活性）不與效應物（誘導物）結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。2）負控阻遏：阻遏蛋白（非活性）與效應物結(jié)合時（阻遏蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚誀顟B(tài)）結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄?！跽D(zhuǎn)錄調(diào)控（positivetranscriptionregulation）調(diào)解基因的產(chǎn)物是激活蛋白（activator）1）正控誘導系統(tǒng)：誘導物的存在使激活蛋白處于活化狀態(tài)2）正控阻遏系統(tǒng)：效應物的存在使激活蛋白處于非活化狀態(tài)目前五頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點負控誘導系統(tǒng)正控誘導系統(tǒng)目前六頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點負控阻遏系統(tǒng)正控阻遏系統(tǒng)目前七頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.1.2原核基因調(diào)控的主要特點1.可誘導調(diào)節(jié)指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導下使基因活化。例子：大腸桿菌的lac操縱子可誘導基因；可誘導酶；酶的誘導合成2.可阻遏調(diào)節(jié)這類基因平時都是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達。例子：大腸桿菌的Trp操縱子可阻遏基因；可阻遏酶；可阻遏現(xiàn)象；阻遏物□一般規(guī)律：可誘導的操縱子總是一些編碼糖和AA分解代謝蛋白的基因，這些操縱子常常是關(guān)閉的；可阻遏基因正好相反，他們是一些合成各種細胞代謝過程中所必需的小分子物質(zhì)的基因，這些基因常常是打開的。目前八頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.1.3弱化子對基因活性的影響在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號作用的是有特殊負載的AA-tRNA的濃度，是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)中的微調(diào)整。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被稱為弱化子。例子：Trp操縱子的弱化作用7.1.4降解物對基因活性的調(diào)節(jié)在葡萄糖存在的情況下，即使在細菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖等誘導物，與其對應的操縱子也不會啟動，不會產(chǎn)生出代謝這些糖的酶，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應或降解物抑制效應。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。7.1.5細菌的應急反應應急反應的信號：ppGpp和pppGpp。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導物是空載tRNA。目前九頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.2乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)□操縱子模型操縱子：基因表達的協(xié)同單位。指原核生物中由一個或多個相關(guān)基因以及轉(zhuǎn)錄翻譯調(diào)控元件組成的基因表達單元。操縱子學說：關(guān)于原核基因結(jié)構(gòu)及其表達調(diào)控的學說□法國巴斯德研究所Jacob和Monod在1961年提出□操縱子的組成1）結(jié)構(gòu)基因2）調(diào)節(jié)基因（I）3）控制部位：可接受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的調(diào)節(jié)。包括啟動子（P區(qū)）和操縱基因（O區(qū)）。目前十頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點調(diào)節(jié)基因控制部位結(jié)構(gòu)基因目前十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.2.1乳糖操縱子模型1）Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順販子的mRNA分子所編碼

Z基因：編碼β-半乳糖苷酶

Y基因：編碼β-半乳糖苷透過酶

A基因：編碼β-半乳糖乙?；D(zhuǎn)移酶2）該mRNA分子的啟動區(qū)（P）位于阻遏基因（I）與操縱區(qū)（O）之間，不能單獨起始半乳糖苷酶和透過酶的高效表達3）操縱區(qū)（O）是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點。4）當阻遏物與操縱區(qū)結(jié)合時，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。5）誘導物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成□這一模型僅解釋了lac體系的負控系統(tǒng)，在lac操縱子同樣存在正調(diào)控！目前十二頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點β-半乳糖苷酶透過酶乙?；D(zhuǎn)移酶目前十三頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.2.2lac操縱子的影響因子1.lac操縱子的本底水平表達□問題：1）誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運誘導物需要透過酶，透過酶的合成又需要誘導。

第一個誘導物是如何到達細胞的？2）乳糖（G-1,4-gal）并不與阻遏物結(jié)合，真正的誘導物是異乳糖（G-1,6-gal

）而異乳糖是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。

乳糖誘導β-半乳糖苷酶的合成需要β-半乳糖苷酶的預先存在！□對這一現(xiàn)象的解釋：在非誘導狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成（大約每個世代中有1-5個mRNA分子）這種合成被稱為本底水平的永久型合成目前十四頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點□研究誘導作用時很少適用乳糖，而用乳糖類似物1）異丙基巰基半乳糖苷（IPTG）2）巰甲基半乳糖苷（TMG）3）在酶活性分析中，常用顯色底物O-硝基半乳糖苷（ONPG）□他們都是高效誘導物，但不是半乳糖苷酶的底物，因此稱為安慰性誘導物目前十五頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點2.大腸桿菌對乳糖的反應本底水平表達（幾個分子的β-半乳糖苷酶和透過酶）↓乳糖在透過酶作用下，lac進入細胞，又在β-半乳糖苷酶作用下乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

異乳糖↓異乳糖與結(jié)合在操縱區(qū)上的阻遏物結(jié)合導致

阻遏物失活↓lacmRNA開始合成目前十六頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點3.阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能□lacI基因產(chǎn)物為阻遏蛋白，由4個相同亞基，每個亞基均含有347AA，并能與1分子IPTG結(jié)合?！鮨ac阻遏物mRNA是在弱啟動子控制下永久合成的?！醍擨基因由弱啟動子突變成強啟動子，細胞內(nèi)不能產(chǎn)生足夠的誘導物來克服阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在這些突變體中不可誘導。目前十七頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點4.葡萄糖對lac操縱子的影響β-半乳糖苷酶lac——————→G+galgal操縱子G□將G和lac同時加入培養(yǎng)基，大腸桿菌在耗盡外源G之前不會誘發(fā)lac操縱子□G對lac操縱子表達的抑制是間接的證據(jù)：一個大腸桿菌突變株，他在EMP途徑中不能將G-6-P轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，這些細菌的lac基因能在葡萄糖存在時被誘導合成?！醮x物阻遏效應（葡萄糖效應）葡萄糖的某些降解產(chǎn)物（不是葡萄糖）抑制lacmRNA合成的現(xiàn)象G耗盡（或：有葡萄糖存在時，不論誘導物存在與否，操縱子都沒有轉(zhuǎn)錄活性，結(jié)構(gòu)基因都不表達）目前十八頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點5.cAMP與代謝物激活蛋白（lac操縱子的正調(diào)節(jié)）□在大腸桿菌中，cAMP的濃度受G代謝的調(diào)節(jié)1）將細菌放在缺乏碳源的培養(yǎng)基中，細胞內(nèi)cAMP濃度就高；2）如果在含G培養(yǎng)基中，細胞內(nèi)cAMP濃度就低；3）如果培養(yǎng)基中只有甘油或乳糖等不進行EMP途徑（甘油其實可進入EMP途徑）的碳源，細胞內(nèi)cAMP濃度也會很高。

說明：在EMP途徑中位于G-6-P與甘油之間的某些代謝產(chǎn)物是cAMP酶的抑制劑□大腸桿菌中的代謝物激活蛋白（CAP），或稱為cAMP-受體蛋白（CRP）,由Crp基因編碼，能與cAMP形成復合物cAMP-CRP。□Crp和cAMP酶基因突變的細菌都不能合成lacmRNA

CRP和cAMP（兩者單獨不起作用）都是合成lacmRNA所必需的！目前十九頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點□G會降低細胞內(nèi)cAMP的水平。當G缺乏時，大腸桿菌細胞內(nèi)cAMP上升，CRP結(jié)合到cAMP上。CRP-cAMP結(jié)合到緊鄰RNAPol結(jié)合位點上游的lac操縱子Plac上。CRP的結(jié)合引起DNA鏈發(fā)生90度彎曲，這增強RNAPol與啟動子的結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄效率提高50倍。□細菌對于cAMP-CRP復合物的需要是獨立的，與阻遏體系無關(guān)，轉(zhuǎn)錄必須有cAMP-CRP復合物結(jié)合在DNA的啟動子上，是lac操縱子的正調(diào)控因子□lac操縱子是在負調(diào)控和正調(diào)控兩個獨立的調(diào)控體系下完成的。目前二十頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點正調(diào)控位點負調(diào)控位點lac操縱子必須同時在CRP結(jié)合位點結(jié)合cAMP-CRP和去阻遏狀態(tài)下才能高效表達目前二十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.2.3lac操縱子中的其他問題A基因及其生理功能A基因：編碼β-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶，使β-半乳糖第6位C原子乙?；瘑栴}：為什么A基因不在乳糖降解中起作用呢？自然界存在很多能被β-半乳糖苷酶降解的β-半乳糖苷分子，其分解產(chǎn)物不能被進一步代謝，很容易在體內(nèi)積累，是細胞正常生長的抑制物。而β-半乳糖苷分子（如IPTG）被乙酰化后，不能被β-半乳糖苷酶降解。抑制有害物質(zhì)的積累。證據(jù)：當有IPTG存在時，I-OcA-大腸桿菌的生長速度顯著慢于相應的A+株系，其差異僅僅在于IPTG被乙?；?。目前二十二頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點2.Lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較

在一個完全被誘導的細胞中

β-半乳糖酶：β-半乳糖透過酶：β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶=1：0.5：0.2不同酶在數(shù)量上的差異是由于翻譯水平上受到調(diào)節(jié)所致。1）大多數(shù)多順反子mRNA分子，存在一個從mRNA的5’端到3’端的蛋白質(zhì)合成的梯度。當lacmRNA與核糖體脫離，終止蛋白質(zhì)合成，其發(fā)生的頻率取決于AUG密碼子再度起始翻譯的概率?？拷黰RNA的5’端再度起始的概率大。2）在lacmRNA分子內(nèi)部，A基因比Z基因更易受內(nèi)切酶作用。目前二十三頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點3.操縱子的融合與基因工程操縱子在自然條件下可能發(fā)生融合如：lac操縱子與負責嘌呤合成的pur操縱子的偶聯(lián)。OPZpur基因POZYAtsxPOpur基因lac操縱子pur操縱子控制細胞對T6噬菌體敏感性基因tsxsZ細胞tsxRZ-突變體強啟動子缺失pur基因啟動子一部分缺失Z基因的終止序列融合基因目前二十四頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.3Trp操縱子與負控阻遏體系Trp的合成分5步完成，有7個基因參與整個合成過程目前二十五頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.3.1Trp操縱子的阻遏系統(tǒng)□由于trp體系參與生物合成而不是降解，它不受G或cAMP-CRP的調(diào)控?！醍斉囵B(yǎng)基中含有高濃度的trp時，Trp操縱子不表達；當培養(yǎng)基中trp不足時，Trp操縱子表達?！{(diào)節(jié)基因trpR的產(chǎn)物稱為輔阻遏蛋白，可與trp結(jié)合形成有活性的阻遏物與O區(qū)結(jié)合并關(guān)閉trpmRNA轉(zhuǎn)錄；缺乏trp時，輔阻遏蛋白失去trp并從O區(qū)上解離，trp操縱子去阻遏。目前二十六頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點目前二十七頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.3.2弱化子與前導肽有些現(xiàn)象與以阻遏作為唯一調(diào)節(jié)機制的觀點不一致1）在trp高濃度和低濃度下觀察到trp操縱子的表達水平相差600倍，而阻遏作用僅使轉(zhuǎn)錄降低70倍。2）使阻遏物失活突變不能完全消除trp對trp操縱子的影響?！@種調(diào)控機制與阻遏物的控制無關(guān)，必定有其他調(diào)控機制！□研究證實，阻遏-操縱機制控制轉(zhuǎn)錄的啟動，是trp操縱子的粗調(diào)開關(guān)，還有另外一個系統(tǒng)進行細調(diào)控并決定已經(jīng)啟動的轉(zhuǎn)錄能否繼續(xù)下去?！趸饔谩跞趸饔茫菏峭ㄟ^轉(zhuǎn)錄到達第一個結(jié)構(gòu)基因之前的過早終止來實現(xiàn)的□前導區(qū)：trpE基因的起始密碼前一個162bp的mRNA片段稱為前導區(qū)其中123-150位堿基序列缺失，trp基因表達可提高6-10倍。當mRNA合成起始后，除非培養(yǎng)基中完全沒有trp，轉(zhuǎn)錄總在這個區(qū)域終止，產(chǎn)生一個僅有140nt的RNA分子，終止trp基因轉(zhuǎn)錄。目前二十八頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點弱化子（attenuator）：指原核生物操縱子中能顯著減弱甚至終止轉(zhuǎn)錄作用的一段核苷酸序列。該序列能形成不同的二級結(jié)構(gòu)，利用原核生物轉(zhuǎn)錄與翻譯的偶聯(lián)機制對轉(zhuǎn)錄進行調(diào)節(jié)?！踉搮^(qū)域mRNA通過自我配對可以形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型終止子特點目前二十九頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點前導肽：前導序列包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA，如果翻譯起始于AUG，應該產(chǎn)生一個14AA的多肽，這個假設的多肽稱為前導肽。mRNA前導區(qū)的序列分析□具有4個分別以1、2、3和4表示的片段，能以兩種不同的方式進行堿基配對。1）1-2，3-4配對：其中3-4配區(qū)正好位于終止密碼的識別區(qū)，為終止構(gòu)型2）2-3配對：抗終止子結(jié)構(gòu)目前三十頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點目前三十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點4.轉(zhuǎn)錄的弱化作用□該理論認為，mRNA轉(zhuǎn)錄的終止是通過前導肽基因的翻譯來調(diào)節(jié)的。因為在前導肽基因中有兩個相鄰的trp密碼子（第10和11位），所以這個前導肽的翻譯必定對tRNATrp的濃度敏感。1）當培養(yǎng)基中[trp]低時，tRNATrp就少，翻譯通過兩個trp密碼子的速度就慢，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trp密碼子處），此時前導區(qū)結(jié)構(gòu)為2-3配對，不形成3-4配對的終止結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進行，直至將結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄。2）當培養(yǎng)基中[trp]高時，tRNATrp就多，核糖體順利通過兩個trp密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前，核糖體就到達2區(qū)，形成形成3-4配對的終止結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄終止。弱化作用對RNAPol的影響依賴于前導肽翻譯中核糖體所處的位置目前三十二頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點□trp操縱子的阻遏作用與弱化作用的協(xié)調(diào)控制1）細菌通過弱化作用彌補阻遏作用的不足，因為阻遏作用只能使轉(zhuǎn)錄不起始，對于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過弱化作用使之中途停頓下來，阻遏作用的信號是細胞內(nèi)trp的多少。2）弱化作用的信號是細胞內(nèi)負載有trp的tRNATrp的多少，它通過前導肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄地進行。目前三十三頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.4其他操縱子7.4.1半乳糖操縱子（galactoseoperon）□大腸桿菌半乳糖操縱子在大腸桿菌遺傳圖上位于17min處，包括3個結(jié)構(gòu)基因：異構(gòu)酶：galE半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶：galT半乳糖激酶：galK□調(diào)節(jié)基因：galR，距離結(jié)構(gòu)基因及操縱區(qū)O等很遠。位于遺傳圖上55min處。

galR產(chǎn)物對galO的作用與lacI-lacO的作用相同。在galR-和galO-突變體中，E、T、K基因得到永久性表達?！鮣al操縱子的誘導物主要是半乳糖。目前三十四頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點目前三十五頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點□

gal操縱子的特點：1）有兩個啟動子，其mRNA可從不同的起始點開始轉(zhuǎn)錄；2）有兩個O區(qū)，一個在P區(qū)上游-73—-67，另一個在E基因內(nèi)部?！?.cAMP-CRP對gal啟動子的作用半乳糖的利用率比葡萄糖低，但在有葡萄糖存在時，gal操縱子仍可被誘導！現(xiàn)已分離的突變株：1）能在不含葡萄糖的培養(yǎng)基中高水平表達結(jié)構(gòu)基因；2）結(jié)構(gòu)基因的表達完全依賴于葡萄糖。目前三十六頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點□

gal操縱子有兩個啟動子，可以從兩個啟動子分別起始轉(zhuǎn)錄，每個啟動子擁有各自的RNAPol結(jié)合位點S1和S2。cAMP-CRP對從S1和S2起始的轉(zhuǎn)錄有不同的作用。1）從S1起始的轉(zhuǎn)錄只有在培養(yǎng)基中無葡萄糖時才能順利進行，RNAPol與S1的結(jié)合需要半乳糖、CRP和較高濃度的cAMP。當cya-或crp-，gal操縱子不能從S1起始轉(zhuǎn)錄，此時若在體外系統(tǒng)中加入cAMP-CRP即可誘發(fā)從S1起始的轉(zhuǎn)錄。

當有cAMP-CRP時，轉(zhuǎn)錄從S1開始；當無cAMP-CRP時，轉(zhuǎn)錄從S2開始.2）從S2起始的轉(zhuǎn)錄完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CRP能抑制由S2起始的轉(zhuǎn)錄。

□從S1轉(zhuǎn)錄：無G，有cAMP-CRP；從S2轉(zhuǎn)錄：有G，無cAMP-CRP?！醮竽c桿菌的cya-（腺苷環(huán)化酶突變）或crp-（cAMP受體蛋白突變）突變型不能利用乳糖，但可以利用半乳糖作為唯一碳源（S2）。目前三十七頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點□有一個gal啟動子突變株，不能利用培養(yǎng)基中的半乳糖（無葡萄糖），若將此突變株再行突變?yōu)閏ya-或crp-

，細胞就恢復了利用半乳糖的能力。

Why？第一次突變失去了從S1起始轉(zhuǎn)錄的能力，卻不影響從S2起始轉(zhuǎn)錄，但由于細胞中cAMP-CRP的存在抑制了從S2開始的轉(zhuǎn)錄，使gal操縱子既不能從S1起始又無法從S2起始轉(zhuǎn)錄。再行突變后，即cya-或crp-

，都能消除cAMP-CRP對S2的阻遏作用，導致gal基因表達，恢復利用半乳糖的能力?！鮟AMP-CRP有利于RNAPol—S1區(qū)復合物形成開鏈構(gòu)象，從而起始轉(zhuǎn)錄。由于S1和S2區(qū)有核苷酸部分重疊，這一復合物的存在干擾了RNAPol—S2區(qū)復合物的形成，抑制S2起始的轉(zhuǎn)錄。目前三十八頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點2.雙啟動子的生理功能半乳糖在細胞代謝中具有雙重功能：1）可以作為唯一碳源供細胞生長2）UDPgal是大腸桿菌細胞壁合成的前體。在沒有外源半乳糖的情況下，細胞通過半乳糖差向異構(gòu)酶（galE基因產(chǎn)物）的作用由UDPG合成UDPgal。（G-1-P+UTP→UDPG+PPi；UDPG————→UDPgal）若只有S1一個啟動子，由于它的活性依賴于cAMP-CRP，當有葡萄糖存在時不能合成異構(gòu)酶；若只有S2，即使在有葡萄糖存在時，半乳糖也將使操縱子處于充分誘導狀態(tài)。浪費！因此。無論從必要性或經(jīng)濟性考慮，都需要一個不依賴于cAMP-CRP的啟動子（S2）進行本地水平的永久型合成，以及一個依賴于cAMP-CRP的啟動子（S1）對高水平合成的調(diào)節(jié)。差向異構(gòu)酶合成細胞壁對異構(gòu)酶的需要量很小，本地水平的合成即可目前三十九頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.4.2阿拉伯糖操縱子（ara操縱子）□阿拉伯糖的降解需3個基因：簡寫為araBAD

araB:核酮糖激酶araA:L-阿拉伯糖異構(gòu)酶araD:L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構(gòu)酶其作用順序為araA、

araB、araD?！鮝ra操縱子有一個復合的啟動子區(qū)、兩個操縱區(qū)（O1和O2）和一個調(diào)節(jié)基因araC。AraC蛋白同時具有正負調(diào)節(jié)因子的作用?！鮝raBAD和araC基因的轉(zhuǎn)錄分別在兩條鏈上以相反的方向進行?！鮝ra操縱子也是可誘導的，ara本身就是誘導物。在野生型操縱子中，只有ara存在時才轉(zhuǎn)錄出araBADmRNA，而有葡萄糖時則不轉(zhuǎn)錄。目前四十頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點其作用順序為araA、

araB、araDara操縱子有一個復合的啟動子區(qū)、兩個操縱區(qū)（O1和O2）和一個調(diào)節(jié)基因araCAraC蛋白同時具有正負調(diào)節(jié)因子的作用araBAD和araC基因的轉(zhuǎn)錄分別在兩條鏈上以相反的方向進行□ara操縱子也是可誘導的，ara本身就是誘導物。在野生型操縱子中，只有ara存在時才轉(zhuǎn)錄出araBADmRNA，而有葡萄糖時則不轉(zhuǎn)錄。誘導因子結(jié)合區(qū)目前四十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點1.araC蛋白的正、負調(diào)節(jié)作用ara操縱子的表達調(diào)控（a）無AraC蛋白時，由Pc起始araC基因轉(zhuǎn)錄；（b）當體系中G含量較高，ara水平較低時，AraC蛋白與O2及araI誘導因子結(jié)合區(qū)上半?yún)^(qū)相結(jié)合，形成DNA回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，araBAC不表達；（c）體系中有ara但無G時，AraC蛋白與ara結(jié)合，改變構(gòu)象成為激活蛋白，AraC蛋白同源二聚體分別與araO1和araI區(qū)結(jié)合，DNA回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)被破壞，RNAPol在AraC蛋白和CRP-cAMP共同作用下起始PBAD所調(diào)控的結(jié)構(gòu)基因表達負調(diào)控正調(diào)控目前四十二頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點2.AraC蛋白的兩種形式□AraC蛋白作為PBAD活性正、負調(diào)節(jié)因子的雙重功能是通過該蛋白的兩種異構(gòu)體來實現(xiàn)的。Pr：阻遏形式。無ara時占優(yōu)勢Pi：誘導形式，通過與PBAD結(jié)合進行調(diào)節(jié)。有ara時占優(yōu)勢?！跤袑嶒炞C明，當AraC蛋白以正調(diào)控因子作用時，起始轉(zhuǎn)錄還需要cAMP-CRP的共同參與。目前四十三頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點3.營養(yǎng)狀況對ara操縱子活性的影響

（a）有G但無aracAMP-CRP沒有與操縱區(qū)位點結(jié)合，AraC蛋白處于阻遏形式Pr，Pr與操縱區(qū)A位點（O1）結(jié)合，RNA-Pol不能與Pc結(jié)合，araC只少量轉(zhuǎn)錄，系統(tǒng)幾乎靜止

（b）無G和ara（誘導物）盡管cAMP-CRP與操縱區(qū)位點結(jié)合，因沒有誘導物，AraC蛋白仍以Pr形式存在，無法與操縱區(qū)B位點（araI）結(jié)合，無araBADmRNA轉(zhuǎn)錄

（c）無G有ara大量araC基因產(chǎn)物以Pi形式存在，分別與操縱區(qū)B、A位點結(jié)合，在cAMP-CRP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表達，操縱子充分激活。目前四十四頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.4.3阻遏蛋白LexA的降解與細菌中的SOS應答□當細菌DNA遭到破壞時，細菌細胞內(nèi)啟動SOS的誘導型DNA修復系統(tǒng)?！鮏OS反應是由RecA蛋白和LexA阻遏物相互作用引起的；LexA蛋白是許多基因的阻遏物?！鮎ecA蛋白是SOS反應的最初發(fā)動因子。在有單鏈DNA和ATP存在時，RecA蛋白被激活成蛋白酶，將LexA蛋白切割成沒有阻遏和操縱區(qū)DNA結(jié)合活性的兩個片段，導致SOS高效表達，DNA得到修復?！鮏OS體系的誘導表達過程就是把LexA蛋白從這些基因的上游調(diào)控區(qū)移開的過程。目前四十五頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點□信號轉(zhuǎn)導：外部信號（效應物）先通過傳感器（而不直接傳遞給調(diào)解蛋白）接收信號，然后以不同方式傳到調(diào)節(jié)部位?！醵M分系統(tǒng)：最簡單的細胞信號系統(tǒng)□二組分系統(tǒng)的組成：1）傳感蛋白：位于細胞質(zhì)膜上。因其具有激酶活性，又稱為傳感激酶2）應答調(diào)節(jié)蛋白7.4.4二組分調(diào)控系統(tǒng)（two-componentsystem）和信號轉(zhuǎn)導□二組分系統(tǒng)：由位于細胞質(zhì)膜上的傳感蛋白（該蛋白常具有激酶活性）以及位于細胞質(zhì)中的應答調(diào)節(jié)蛋白組成。傳感激酶常在受到膜外環(huán)境信號刺激時被磷酸化，并將其磷酸基團轉(zhuǎn)移到應答調(diào)節(jié)蛋白上，使該磷酸化的調(diào)節(jié)蛋白成為阻遏物或誘導蛋白，通過對操縱子的阻遏或激活作用調(diào)控下游基因的表達目前四十六頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.4.5多啟動子調(diào)控的操縱子rRNA操縱子（rrnE）□2個啟動子：P1（強啟動子）和P2；□細菌在緊急狀態(tài)下，ppGpp增加，P1被抑制，P2成為強啟動子（蛋白質(zhì)合成需要rRNA?。?.DnaQ蛋白操縱子□DnaQ蛋白是DNAPol全酶亞基之一，能校正DNA復制中的錯誤□DnaQ蛋白操縱子受RNAPol活性調(diào)節(jié)，有2個啟動子□在RNAPol活性較低時，操縱子轉(zhuǎn)錄由弱啟動子P2控制（RNAPol活性與細胞增殖速度有關(guān)，DNA復制緩慢時，RNAPol活性往往較低）；RNAPol活性較高時，利用強啟動子P1。目前四十七頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.4轉(zhuǎn)錄水平的其他調(diào)控方式7.4.1σ因子的調(diào)節(jié)作用□原核生物RNAPol具有全能性，不同基因的轉(zhuǎn)錄依靠不同的σ因子與核心酶結(jié)合組成不同的全酶來實施，即為了保證細胞準確響應不同的環(huán)境信號的變化，σ因子之間常常交互作用構(gòu)成網(wǎng)絡調(diào)控模式，使得原核基因的表達穩(wěn)定而平衡。□σ因子的調(diào)節(jié)1）σ因子本身的活性受蛋白水解酶的調(diào)控2）被同源的抗σ因子失活。這些抗σ因子能夠與特定的σ因子結(jié)合，阻止它們與RNAPol的組裝。目前四十八頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點例子1：營養(yǎng)缺乏時，枯草桿菌會形成孢子來度過困難時期。□孢子形成需要4種不同的σ因子：σE、σK、σF和σGσE和σK存在于母細胞，一旦開始形成孢子，就產(chǎn)生σF和σG1）σE和σK先以非活性的前體被合成，再經(jīng)特定的蛋白酶作用轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚孕问?）σF被合成后，與抗σ因子SpoⅡAB結(jié)合，以非活性形式存在于細胞中。3）環(huán)境刺激導致SpoⅡAA抗-抗σ因子去磷酸化，并與SpoⅡAB結(jié)合，釋放出有活性的σF。4）σF促使早期孢子形成的相關(guān)基因表達包括σG和需要進入母細胞中降解前體σE蛋白酶基因的轉(zhuǎn)錄5）σG激活后期孢子形成相關(guān)基因和需要進入母細胞中降解前體σK蛋白酶基因的轉(zhuǎn)錄目前四十九頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點例子2：噬菌體σ因子枯草桿菌SPO1噬菌體通過按級聯(lián)表達一系列σ因子。來實現(xiàn)噬菌體早中晚期基因的順序表達。當需要一個σ因子轉(zhuǎn)錄編碼下一條σ因子的基因時，就形成σ因子的級聯(lián)反應1）早期基因的表達由宿主菌的全酶負責。早期基因中含有編碼σ28的基因，它隨即取代RNAPol上細菌的σ因子。2）中期基因的表達中期基因包括基因33和34，它們能產(chǎn)生后期基因轉(zhuǎn)錄所需的σ因子。3）后期基因的表達由中期基因表達產(chǎn)生的σ因子與核心酶結(jié)合組成全酶，負責后期基因的表達細菌全酶（σ55）→早期基因（含σ28）——————→中期基因（33和34）——————→后期基因σ28取代σ55取代σ28目前五十頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.5轉(zhuǎn)錄后調(diào)控7.5.1mRNA自身結(jié)構(gòu)元件對翻譯起始的調(diào)節(jié)1）對起始密碼的識別fMet-tRNA對AUG配對能力強；對不常用的起始密碼子GUG（14％）、UUG（13％）及AUU配對能力弱，導致翻譯效率降低。2）SD序列與核糖體結(jié)合位點（ribosomebindingsite,RBS）的結(jié)合（SD序列：存在于原核生物起始密碼子AUG上游7－12nt處的一種4－7nt的保守序列，它與16SrRNA3’端反向互補，可將mRNA的AUG起始密碼子置于核糖體的適當位置以便起始翻譯作用）即SD序列與核糖體16SrRNA的3’端互補配對。

RBS的結(jié)合強度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼子AUG的距離SD與AUG之間的距離一般以4－10nt為佳，9nt為最佳。3）mRNA的二級結(jié)構(gòu)也影響翻譯的起始。30S亞基與mRNA的結(jié)合，要求mRNA5’端有一定的空間結(jié)構(gòu)。SD序列的微小變化會導致mRNA5’端空間結(jié)構(gòu)的變化，影響30S亞基與mRNA的結(jié)合，進而影響蛋白質(zhì)合成的效率。目前五十一頁\總數(shù)五十六頁\編于十三點7.5.2mRNA穩(wěn)定性對轉(zhuǎn)錄水平的影響□所有細胞都有一系列的核酸酶，用來清除無用的mRNA