藥學(xué)分子生物學(xué)課件第三章 基因表達(dá)調(diào)控（一）

基因表達(dá)的調(diào)控RegulationofGeneExpression第三章第三節(jié)2023/6/14藥學(xué)院金晶2什么是基因？生物學(xué)定義：是攜帶生物體遺傳信息的結(jié)構(gòu)單位。基因是DNA分子上具有遺傳效應(yīng)的特定核苷酸序列的總稱，是具有遺傳效應(yīng)DNA分子片段?；蚍肿游挥谌旧w上，它可通過(guò)復(fù)制把遺傳信息傳遞給下一代，從而使后代表現(xiàn)出與親代相似的性狀。2023/6/14藥學(xué)院金晶3基因與DNA分子人們對(duì)基因的研究已深入到其分子結(jié)構(gòu)和功能的研究上。但基因不能被DNA化，即基因的概念與DNA分子不能等同：一方面在生物界中，并非所有的基因都是由DNA構(gòu)成的，某些病毒、噬菌體等生物的遺傳物質(zhì)是RNA而不是DNA；另一方面DNA分子并不一定就是基因。有些DNA序列，如衛(wèi)星DNA、rRNA基因間的空檔區(qū)等，不論是單拷貝或多拷貝的都是非轉(zhuǎn)錄的，它們既不編碼蛋白質(zhì)又不編碼RNA，是一些不能作為基因的DNA分子。2023/6/14藥學(xué)院金晶4基因的分子生物學(xué)定義合成有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全部核酸序列（通常是DNA序列）。按照這個(gè)定義，一個(gè)基因應(yīng)包括：編碼蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA的核酸序列；保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列、5′端非翻譯序列、內(nèi)含子、3′端非翻譯序列等所有的核酸序列。概說(shuō)：

基因表達(dá)調(diào)控基本概念與原理2023/6/14藥學(xué)院金晶6一、基因表達(dá)的概念基因表達(dá):

是指通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯而產(chǎn)生其蛋白質(zhì)產(chǎn)物，或轉(zhuǎn)錄后直接產(chǎn)生其RNA產(chǎn)物（如tRNA、rRNA等）的過(guò)程?；虮磉_(dá)調(diào)控：圍繞基因表達(dá)過(guò)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(dá)調(diào)控。2023/6/14藥學(xué)院金晶7基因表達(dá)調(diào)控的意義人類基因組DNA中約含5萬(wàn)個(gè)基因，但在某一特定時(shí)期，只有少數(shù)的基因處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)，其余大多數(shù)基因則處于靜息狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，在大部分情況下，處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)的基因僅占5%。通過(guò)基因表達(dá)以合成特異性蛋白質(zhì)，從而賦予細(xì)胞以特定的生理功能或形態(tài)，以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的改變。2023/6/14藥學(xué)院金晶8結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因是編碼蛋白質(zhì)或RNA的任何基因。調(diào)節(jié)基因是參與其他基因表達(dá)調(diào)控的RNA或蛋白質(zhì)的編碼基因。調(diào)節(jié)物與DNA特定位點(diǎn)的相互作用能以正調(diào)控的方式（啟動(dòng)或增強(qiáng)基因表達(dá)活性）調(diào)節(jié)靶基因，也能以負(fù)調(diào)控的方式（關(guān)閉或降低基因表達(dá)活性）調(diào)節(jié)靶基因。2023/6/14藥學(xué)院金晶9包括:調(diào)控序列和結(jié)構(gòu)基因兩部分結(jié)構(gòu)基因表達(dá)蛋白質(zhì)、tRNA、rRNA調(diào)控序列控制結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)基因的結(jié)構(gòu)2023/6/14藥學(xué)院金晶10二、基因表達(dá)的時(shí)間性及空間性（一）時(shí)間特異性：基因表達(dá)的時(shí)間特異性(temporalspecificity)是指特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按照特定的時(shí)間順序發(fā)生，以適應(yīng)細(xì)胞或個(gè)體特定分化、發(fā)育階段的需要。故又稱為階段特異性。2023/6/14藥學(xué)院金晶11基因表達(dá)的時(shí)間特異性：在多細(xì)胞生物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，相應(yīng)的基因按一定的時(shí)間順序開(kāi)啟和關(guān)閉，決定細(xì)胞的特定的方向分化和發(fā)育。兔人牛豬2023/6/14藥學(xué)院金晶12（二）空間特異性：基因表達(dá)的空間特異性（spatialspecificity）是指多細(xì)胞生物個(gè)體在某一特定生長(zhǎng)發(fā)育階段，同一基因的表達(dá)在不同的細(xì)胞或組織器官不同，從而導(dǎo)致特異性的蛋白質(zhì)分布于不同的細(xì)胞或組織器官。故又稱為細(xì)胞特異性或組織特異性。2023/6/14藥學(xué)院金晶13組織特異性鳥(niǎo)氨酸循環(huán)酶類---肝細(xì)胞中高精氨酸酶---肝臟所特有胰島素---胰島β細(xì)胞；降血鈣素---甲狀腺濾泡旁細(xì)胞(C細(xì)胞)。如果基因表達(dá)調(diào)控發(fā)生變化，細(xì)胞的形態(tài)與功能也會(huì)隨之改變甲胎蛋白---肝癌細(xì)胞降血鈣素---肺癌細(xì)胞2023/6/14藥學(xué)院金晶14三、基因表達(dá)的方式（一）組成性表達(dá)：組成性基因表達(dá)（constitutivegeneexpression）是指在個(gè)體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細(xì)胞中持續(xù)進(jìn)行的基因表達(dá)。其基因表達(dá)產(chǎn)物通常是對(duì)生命過(guò)程必需的或必不可少的，且較少受環(huán)境因素的影響。這類基因通常被稱為管家基因（housekeepinggene）。如微管蛋白基因、糖酵解酶系基因與核糖體蛋白基因等2023/6/14藥學(xué)院金晶15（二）誘導(dǎo)和阻遏表達(dá)：誘導(dǎo)表達(dá)（induction）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被激活，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物增加。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。阻遏表達(dá)（repression）是指在特定環(huán)境因素刺激下，基因被抑制，從而使基因的表達(dá)產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因。2023/6/14藥學(xué)院金晶16五、基因表達(dá)調(diào)控的基本原理（一）基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控：基因表達(dá)調(diào)控可見(jiàn)于從基因激活到蛋白質(zhì)生物合成的各個(gè)階段，因此基因表達(dá)的調(diào)控可分為轉(zhuǎn)錄水平（基因激活及轉(zhuǎn)錄起始），轉(zhuǎn)錄后水平（加工及轉(zhuǎn)運(yùn)），翻譯水平及翻譯后水平，但以轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)調(diào)控最重要。2023/6/14藥學(xué)院金晶17DNA結(jié)構(gòu)基因初級(jí)轉(zhuǎn)錄體成熟mRNA蛋白（非活性）活性蛋白轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄后加工翻譯修飾基因表達(dá)的多級(jí)調(diào)控2023/6/14藥學(xué)院金晶18

四個(gè)基本的調(diào)控點(diǎn)：基因結(jié)構(gòu)的活化

DNA暴露堿基后RNA聚合酶才能有效結(jié)合?；罨癄顟B(tài)的基因表現(xiàn)為：對(duì)核酸酶敏感；結(jié)合有非組蛋白及修飾的組蛋白；低甲基化。轉(zhuǎn)錄起始最有效的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，通過(guò)DNA元件與調(diào)控蛋白相互作用來(lái)調(diào)控基因表達(dá)。轉(zhuǎn)錄后加工及轉(zhuǎn)運(yùn)

RNA編輯、剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)。翻譯及翻譯后加工翻譯水平可通過(guò)特異的蛋白因子阻斷mRNA翻譯翻譯后對(duì)蛋白的加工、修飾也是基本調(diào)控環(huán)節(jié)。2023/6/14藥學(xué)院金晶19順式作用元件和反式作用元件調(diào)控區(qū)域調(diào)控區(qū)域（二）基因轉(zhuǎn)錄激活調(diào)節(jié)基本要素：2023/6/14藥學(xué)院金晶201．順式作用元件：順式作用元件（cis-actingelement）又稱分子內(nèi)作用元件，指存在于同一DNA分子上的一些與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的特殊順序。2023/6/14藥學(xué)院金晶21

與相關(guān)基因處于同一DNA分子上,能起到調(diào)控作用的DNA序列.特征:不轉(zhuǎn)錄任何產(chǎn)物可位于結(jié)構(gòu)基因的不同部位.是DNA序列而不是蛋白和RNA.包括啟動(dòng)子、終止子、增強(qiáng)子、衰減子等調(diào)控元件結(jié)構(gòu)基因調(diào)控元件調(diào)控元件順式作用元件2023/6/14藥學(xué)院金晶22原核與真核生物的順式作用元件在原核生物中，大多數(shù)基因表達(dá)通過(guò)操縱子模型進(jìn)行調(diào)控，其順式作用元件主要由啟動(dòng)基因、操縱基因和調(diào)節(jié)基因組成。在真核生物中，與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的順式作用元件主要有啟動(dòng)子（promoter）、增強(qiáng)子（enhancer）和沉默子（silencer）。2023/6/14藥學(xué)院金晶232．反式作用因子：反式作用因子（trans-actingfactor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)的蛋白質(zhì)因子或RNA。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達(dá)到對(duì)特定基因進(jìn)行調(diào)控的目的。原核生物中的反式作用因子主要分為特異因子、激活蛋白和阻遏蛋白；而真核生物中的反式作用因子通常稱為轉(zhuǎn)錄因子。2023/6/14藥學(xué)院金晶24

具有對(duì)基因表達(dá)產(chǎn)生調(diào)控作用的基因產(chǎn)物。特征：為基因的產(chǎn)物，蛋白質(zhì)、tRNA、rRNA。可在同一DNA分子上，也可在不同的DNA分子上。具有多效性，既對(duì)多種基因表達(dá)具有調(diào)控作用。調(diào)控區(qū)域調(diào)控區(qū)域反式作用因子2023/6/14藥學(xué)院金晶253．順式作用元件與反式作用因子之間的相互作用：大多數(shù)調(diào)節(jié)蛋白在與DNA結(jié)合之前，需先通過(guò)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，形成二聚體或多聚體，然后再通過(guò)識(shí)別特定的順式作用元件，而與DNA分子結(jié)合。這種結(jié)合通常是非共價(jià)鍵結(jié)合。2023/6/14藥學(xué)院金晶26小結(jié)基因合成有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全部核酸序列（通常是DNA序列）。重疊基因、等位基因、復(fù)等位基因、斷裂基因、跳躍基因、假基因結(jié)構(gòu)基因、調(diào)控基因基因表達(dá)的時(shí)空性基因表達(dá)的四個(gè)基本調(diào)控點(diǎn)順式作用元件、反式作用因子

一、原核生物基因表達(dá)調(diào)控2023/6/14藥學(xué)院金晶28（一）操縱子的結(jié)構(gòu)與功能在原核生物中，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（operon）。典型的操縱子可分為控制區(qū)和信息區(qū)兩部分?？刂茀^(qū)由各種調(diào)控基因所組成，而信息區(qū)則由若干結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起構(gòu)成。2023/6/14藥學(xué)院金晶29

調(diào)節(jié)基因（Regulatorygene）——為阻抑蛋白編碼基因

控制區(qū)啟動(dòng)基因（Promoter）——為cAMP受體蛋白（CRP）和RNA聚合酶結(jié)合區(qū)

操縱基因（0perater）——為阻抑蛋白結(jié)合位點(diǎn)

信息區(qū)——由一個(gè)或數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)在一起組成

操縱子的構(gòu)成2023/6/14藥學(xué)院金晶30操縱子的構(gòu)成以原核生物乳糖操縱子(Lacoperon)為例，其控制區(qū)包括調(diào)節(jié)基因（阻遏基因），啟動(dòng)基因（其CRP結(jié)合位點(diǎn)位于RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)上游）和操縱基因；其信息區(qū)由β-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙?；富颍╨acA）串聯(lián)在一起構(gòu)成?？刂茀^(qū)信息區(qū)阻遏基因（i）啟動(dòng)子（p）操縱基因（o）結(jié)構(gòu)基因zya調(diào)控基因2023/6/14藥學(xué)院金晶31操縱子是原核生物細(xì)胞DNA上的一段區(qū)域，由若干功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因和控制這些基因表達(dá)的元件組成的一個(gè)完整的連續(xù)的功能單元。(1)結(jié)構(gòu)基因群(2)啟動(dòng)子(3)操縱基因(4)調(diào)控基因(5)終止子操縱子(operon)的基本組成2023/6/14藥學(xué)院金晶321.結(jié)構(gòu)基因群操縱子中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因可稱為結(jié)構(gòu)基因(structuralgene,SG)。一個(gè)操縱單元中含有2個(gè)以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達(dá)十幾個(gè)；每個(gè)結(jié)構(gòu)基因是一個(gè)連續(xù)的開(kāi)放讀框，5′端有翻譯起始碼，3′端有翻譯終止碼；各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜接、串連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群；至少在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因5′側(cè)具有核糖體結(jié)合位點(diǎn)(ribosomebindingsite,RBS，SD)2023/6/14藥學(xué)院金晶33β－半乳糖苷酶半乳糖透過(guò)酶轉(zhuǎn)乙?；负卸鄠€(gè)結(jié)構(gòu)基因2023/6/14藥學(xué)院金晶34核糖體結(jié)合位點(diǎn)2023/6/14藥學(xué)院金晶35

2.啟動(dòng)子啟動(dòng)子(promoter，P)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。操縱單元至少有一個(gè)啟動(dòng)子，一般在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因5′側(cè)上游，控制整個(gè)結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄起始第一個(gè)堿基(通常標(biāo)記位置為＋1)最常見(jiàn)的是A；

Pribnow盒(Pribnowbox)：2023/6/14藥學(xué)院金晶363.操縱基因(operator)操縱基因（O）是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列常與啟動(dòng)子鄰近或與啟動(dòng)子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱基因序列上，會(huì)影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。2023/6/14藥學(xué)院金晶37操縱基因凡能與調(diào)控蛋白特異性結(jié)合、從而影響基因轉(zhuǎn)錄強(qiáng)弱的序列，不論其對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的作用是減弱、阻止或增強(qiáng)、開(kāi)放，都可稱為操縱基因。2023/6/14藥學(xué)院金晶38Symmetry操縱基因的回文結(jié)構(gòu)十字形的莖環(huán)（stemloop）構(gòu)造2023/6/14藥學(xué)院金晶394.調(diào)控基因(regulatorygene)具有調(diào)控其他基因性狀功能的基因，稱為調(diào)控基因（RorI）。調(diào)控基因編碼能與操縱基因結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。與操縱基因結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為阻遏蛋白(repressiveprotein)，其介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為負(fù)性調(diào)控(negativeregulation)；與操縱子結(jié)合后能增強(qiáng)或起動(dòng)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為激活蛋白(activatingprotein)，所介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為正性調(diào)控(positiveregulation)。2023/6/14藥學(xué)院金晶405.終止子終止子(terminatorT)是給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的DNA序列。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。依賴ρ因子的終止子，即其終止轉(zhuǎn)錄的作用需要ρ因子的協(xié)同，或至少是受ρ因子的影響。不依賴ρ因子(蛋白性終止因子)的終止子。2023/6/14藥學(xué)院金晶41終止子的特征共同特征：轉(zhuǎn)錄終止前有一段回文序列，回文序列的兩個(gè)重復(fù)部分(每個(gè)7～22bp)由幾個(gè)堿基對(duì)的不重復(fù)區(qū)段隔開(kāi)。不同之處在于回文序列的堿基組成：不依賴于ρ因子的終止子：富含G-C堿基對(duì)，其下游又常有6~8個(gè)A-T堿基對(duì)(模板鏈上為A)依賴于ρ因子的終止子：G-C含量較少，其下游序列無(wú)固定特征，其A-T堿基含量低。2023/6/14藥學(xué)院金晶42不依賴于ρ因子的終止子其結(jié)構(gòu)有三個(gè)特點(diǎn)：有回文結(jié)構(gòu)存在。由它轉(zhuǎn)錄出mRNA可形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)，可阻止RNApol的前進(jìn)；莖的區(qū)域富內(nèi)含G-C，使莖環(huán)不易解開(kāi)；強(qiáng)終止子3′端上有6個(gè)U，由于它和模板形成的連續(xù)U-A配對(duì)較易打開(kāi)，從而便于釋放出RNA。2023/6/14藥學(xué)院金晶43依賴于ρ因子的終止子其結(jié)構(gòu)特征：回文序列。ρ識(shí)別一個(gè)位于終止位點(diǎn)前的不連續(xù)區(qū)域，長(zhǎng)50～90nt。分析這段序列發(fā)現(xiàn)其共同特點(diǎn)是C豐富，G缺乏作為一般的規(guī)律，ρ-依賴性終止子的效率隨著富C/貧G區(qū)域長(zhǎng)度的增加而增加。2023/6/14藥學(xué)院金晶44

以上5種元件是每一個(gè)操縱單元必定含有的。其中啟動(dòng)子、操縱基因和終止子屬于順式作用元件調(diào)控基因?qū)儆诜词阶饔迷瓒艋颍╥）啟動(dòng)子（p）操縱基因（o）zya終止子操縱子操縱子的5種元件2023/6/14藥學(xué)院金晶45（二）乳糖操縱子的調(diào)控機(jī)制

1.乳糖操縱子：Fran?oisJacob,JacquesMonod,AndréLwoff,

PrixNobel1965

2023/6/14藥學(xué)院金晶46

大腸桿菌增殖曲線大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長(zhǎng)繁殖。當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先使用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)短時(shí)間的適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長(zhǎng)、2023/6/14藥學(xué)院金晶47阻遏基因（i）啟動(dòng)子（p）操縱基因（o）zya乳糖操縱單元含有z、y和a三個(gè)結(jié)構(gòu)基因z基因長(zhǎng)3510bp，編碼含1170個(gè)氨基酸、分子量為135000的多肽，以四聚體形式組成有活性的β－半乳糖苷酶，催化乳糖（lactose，

Lac）轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖(allolactose)，再分解為半乳糖和葡萄糖；y基因長(zhǎng)780bp，編碼由260個(gè)氨基酸組成、分子量30000的半乳糖透過(guò)酶，促使環(huán)境中的乳糖進(jìn)入細(xì)菌；a基因長(zhǎng)825bp，編碼含275氨基酸、分子量為32000的轉(zhuǎn)乙?；?，以二聚體活性形式催化半乳糖的乙酰化。2023/6/14藥學(xué)院金晶48乳糖代謝乳糖異乳糖半乳糖葡萄糖β－半乳糖苷酶半乳糖透過(guò)酶β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)酶是乳糖代謝的第一個(gè)酶，它將乳糖水解為葡萄糖和半乳糖。β-半乳糖苷透膜酶是一種膜結(jié)合蛋白，能促進(jìn)乳糖進(jìn)入細(xì)胞。2023/6/14藥學(xué)院金晶492.阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控調(diào)節(jié)基因位于操縱子外面，lac操縱子外的調(diào)節(jié)基因lacI能產(chǎn)生一種阻遏物。這種阻遏物是一種由360個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)，有活性的阻遏蛋白是四聚體。當(dāng)培養(yǎng)基中沒(méi)有乳糖時(shí)，阻遏蛋白便與結(jié)構(gòu)基因緊密連接的操縱子相結(jié)合，阻斷了RNA聚合酶與操縱基因的結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因形成mRNA的轉(zhuǎn)錄過(guò)程不能開(kāi)始，從而乳糖代謝所必需的3種酶不能合成。LacIPOZYA2023/6/14藥學(xué)院金晶50阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控當(dāng)培養(yǎng)基中的碳源為乳糖時(shí)，乳糖進(jìn)入細(xì)胞后，即作為誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏物的構(gòu)型改變，失去跟操縱基因結(jié)合的能力，這時(shí)mRNA聚合酶便與啟動(dòng)基因結(jié)合，從而結(jié)構(gòu)基因產(chǎn)生mRNA的轉(zhuǎn)錄過(guò)程和蛋白質(zhì)的合成過(guò)程得以開(kāi)始，所產(chǎn)生的3種酶即作用于乳糖上。乳糖被分解后，阻遏物又發(fā)生作用，酶的合成便又停止進(jìn)行。LacIPOZYA-48-5+5+212023/6/14藥學(xué)院金晶51阻遏蛋白結(jié)合如何能阻止操縱子的轉(zhuǎn)錄？阻遏蛋白與操縱基因的結(jié)合如何能阻止操縱子的轉(zhuǎn)錄呢？對(duì)操縱基因及其鄰近部分順序分析表明，操縱基因的位置在-5—+21bp之間，而RNA聚合酶保護(hù)區(qū)域是-48—+5bp之間，也就是說(shuō)，RNA聚合酶和阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)是重疊的。這兩種蛋白質(zhì)中的任何一種與DNA結(jié)合后，就會(huì)阻止另一種蛋白質(zhì)的結(jié)合。在其它操縱子中也有類似的情況，阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合即會(huì)阻止RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合，從而抑制操縱子基因的表達(dá)。RNA聚合酶結(jié)合區(qū)域操縱基因2023/6/14藥學(xué)院金晶52異丙基硫代半乳糖苷異丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiogalactoside,IPTG)為化學(xué)合成的乳糖類似物，是很強(qiáng)的誘導(dǎo)劑。不受β－半乳糖苷酶的催化分解，不被細(xì)胞代謝而十分穩(wěn)定，可與阻遏蛋白特異性結(jié)合，使其構(gòu)象變化，誘導(dǎo)1ac操縱元的開(kāi)放。實(shí)驗(yàn)中用于誘導(dǎo)大腸桿細(xì)表達(dá)基因重組蛋白的常用試劑。2023/6/14藥學(xué)院金晶53X－galX－gal(5－溴－4－氯－3－吲哚－β－半乳糖苷)也是一種人工化學(xué)合成的半乳糖苷，可被β－半乳糖苷酶水解產(chǎn)生蘭色化合物，因此可以用作β－半乳糖苷酶活性的指示劑。X－gal被廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)和基因工程的工作中。2023/6/14藥學(xué)院金晶54小結(jié)操縱子的結(jié)構(gòu)與功能：結(jié)構(gòu)基因群、啟動(dòng)子、操縱基因、調(diào)控基因、終止子乳糖操縱子及其阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控。2023/6/14藥學(xué)院金晶553.CAP的正性調(diào)控細(xì)菌生長(zhǎng)曲線半乳糖苷酶活性葡萄糖耗盡半乳糖存在時(shí)間（小時(shí)）2023/6/14藥學(xué)院金晶56CAP與CRPcAMP受體蛋白(cAMPreceptorprotiein．CRP)又稱分解物基因激活蛋白(catobolitegeneactivationprotein，CAP)是一種二聚體蛋白質(zhì)，每個(gè)亞基含209個(gè)氨基酸殘基，可起轉(zhuǎn)錄起始因子的作用，并在有cAMP時(shí)，能使操縱子有效地進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。2023/6/14藥學(xué)院金晶57CAP結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)CAP結(jié)構(gòu)變化與cAMP的結(jié)合有關(guān)。采用保護(hù)降解法的分析，可知在lacP區(qū)上游-72~-52核苷酸對(duì)處有一個(gè)CAP結(jié)合位點(diǎn)，但只有在cAMP存在時(shí)，CAP才能結(jié)合于此位點(diǎn)。CAP結(jié)合位點(diǎn)中有一段對(duì)稱反向重復(fù)序列：這一序列的第3位和倒數(shù)第3位的G／C對(duì)之一突變成A／T對(duì)后，也影響cAMP-CAP與它的結(jié)合，而成為啟動(dòng)子下降突變。2023/6/14藥學(xué)院金晶58CAP結(jié)合位點(diǎn)lacP區(qū)上游-72~-52核昔酸可增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率50倍2023/6/14藥學(xué)院金晶59cAMP含量與葡萄糖的關(guān)系細(xì)菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)；葡萄糖可使腺苷酸環(huán)化酶活性降低；當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖分解供給能量時(shí)，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，當(dāng)環(huán)境中無(wú)葡萄糖可供利用時(shí)，cAMP含量就升高。ATPcAMP5-AMP葡萄糖降解產(chǎn)物2023/6/14藥學(xué)院金晶60無(wú)葡萄糖時(shí)，cAMP含量增加，可同CAP結(jié)合形成具有活性的CAP-cAMP復(fù)合體，與啟動(dòng)子區(qū)域的CAP位點(diǎn)結(jié)合，激活轉(zhuǎn)錄起始。（A）無(wú)葡萄糖時(shí)2023/6/14藥學(xué)院金晶61有葡萄糖時(shí)，cAMP含量減少，不能形成CAP-cAMP復(fù)合體，不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的起始。（B）有葡萄糖時(shí)2023/6/14藥學(xué)院金晶62CAP的作用由于1acP是弱啟動(dòng)子，單純因乳糖的存在所產(chǎn)生的去阻遏使1ac操縱單元轉(zhuǎn)錄開(kāi)放，還不能生產(chǎn)足夠的代謝酶使細(xì)菌很好利用乳糖，必須同時(shí)有CAP來(lái)加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，才能合成足夠的酶來(lái)利用乳糖。1ac操縱單元的強(qiáng)誘導(dǎo)既需要有乳糖的存在，又需要沒(méi)有葡萄糖可供利用。通過(guò)這種機(jī)制，細(xì)菌優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無(wú)葡萄糖而又有乳糖時(shí)，細(xì)菌才去充分利用乳糖。2023/6/14藥學(xué)院金晶63細(xì)胞中cAMP濃度升高乳糖作為誘導(dǎo)劑與阻遏蛋白結(jié)合cAMP與CAP結(jié)合使之激活促使阻遏蛋白與操縱基因分離CAP與啟動(dòng)基因結(jié)合并促使RNA聚合酶與啟動(dòng)基因結(jié)合基因轉(zhuǎn)錄激活當(dāng)培養(yǎng)基中乳糖濃度升高而葡萄糖濃度降低時(shí)2023/6/14藥學(xué)院金晶64細(xì)胞中cAMP濃度降低缺乏乳糖與阻遏蛋白結(jié)合CAP失活阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合CAP及RNA聚合酶不能與啟動(dòng)基因結(jié)合基因轉(zhuǎn)錄被阻遏當(dāng)培養(yǎng)基中乳糖濃度降低而葡萄糖濃度升高時(shí)2023/6/14藥學(xué)院金晶65（三）色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)制色氨酸操縱子(tryptophaneoperon，trp)負(fù)責(zé)色氨酸的生物合成，主要參與調(diào)控一系列用于色氨酸合成代謝的酶蛋白的轉(zhuǎn)錄合成。色氨酸操縱子（trpoperon）屬于阻遏型操縱子，當(dāng)培養(yǎng)基中有足夠的色氨酸時(shí)，這個(gè)操縱子自動(dòng)關(guān)閉，缺乏色氨酸時(shí)操縱子被打開(kāi)，trp基因表達(dá)，色氨酸與其代謝有關(guān)的某種物質(zhì)在阻遏過(guò)程（而不是誘導(dǎo)過(guò)程）中起作用。由于trp體系參與生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CAP的調(diào)控。2023/6/14藥學(xué)院金晶662023/6/14藥學(xué)院金晶67色氨酸的合成色氨酸的合成分5步完成。每個(gè)環(huán)節(jié)需要一種酶，編碼這5種酶的基因緊密連鎖在一起，被轉(zhuǎn)錄在一條多順?lè)醋觤RNA上，分別以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表，編碼了鄰氨基苯甲酸合成酶、鄰氨基苯甲酸焦磷酸轉(zhuǎn)移酶、鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油-3-磷酶合成酶。2023/6/14藥學(xué)院金晶68結(jié)構(gòu)基因群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啟動(dòng)子trpP和操縱基因trpｏ調(diào)控基因trpR的位置遠(yuǎn)離P-ｏ-結(jié)構(gòu)基因群，編碼分子量為47000的調(diào)控蛋白R(shí)前導(dǎo)區(qū)trpL轉(zhuǎn)錄140bp的mRNA

1.色氨酸操縱單元的結(jié)構(gòu)2023/6/14藥學(xué)院金晶692.阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控色氨酸操縱子的調(diào)控機(jī)制與乳糖操縱子類似，但通常情況下，操縱子處于開(kāi)放狀態(tài)，其輔阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合而阻遏轉(zhuǎn)錄。因此這是屬于一種負(fù)性調(diào)控的、可阻遏的操縱元（repressibleoperon），即這操縱元通常是開(kāi)放轉(zhuǎn)錄的，有效應(yīng)物（色氨酸為阻遏劑）作用時(shí)則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。trp操縱子中產(chǎn)生阻遏物的基因是trpR，該基因距trp基因簇很遠(yuǎn)。細(xì)菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱元都屬于這種類型，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)。

2023/6/14藥學(xué)院金晶70由調(diào)控基因編碼的調(diào)控蛋白并沒(méi)有與操縱基因結(jié)合的活性，因此不能阻遏色氨酸合成酶的轉(zhuǎn)錄。無(wú)色氨酸時(shí)RNAPol2023/6/14藥學(xué)院金晶71而當(dāng)色氨酸合成過(guò)多時(shí)，色氨酸作為輔阻遏物與輔阻遏蛋白結(jié)合而形成阻遏蛋白，后者與操縱基因結(jié)合而使基因轉(zhuǎn)錄關(guān)閉。有色氨酸時(shí)RNAPol2023/6/14藥學(xué)院金晶723.衰減子及其作用阻遏-操縱機(jī)制對(duì)色氨酸來(lái)說(shuō)是一個(gè)一級(jí)開(kāi)關(guān)，主管轉(zhuǎn)錄是否啟動(dòng)，相當(dāng)于粗調(diào)開(kāi)關(guān)。trp操縱子中對(duì)應(yīng)于色氨酸生物合成的還有另一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)控，指示已經(jīng)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)下去。該細(xì)微調(diào)控是通過(guò)轉(zhuǎn)錄達(dá)到第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因之前的過(guò)早終止來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由色氨酸的濃度來(lái)調(diào)節(jié)這種過(guò)早終止的頻率。2023/6/14藥學(xué)院金晶73轉(zhuǎn)錄衰減轉(zhuǎn)錄衰減(attenuation)機(jī)制：即在色氨酸操縱子第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因與啟動(dòng)基因之間存在有一衰減區(qū)域，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)色氨酸濃度