第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件

第六章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控第六章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控16.1原核生物基因表達(dá)調(diào)控概6.2操縱子學(xué)說6.3色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控6.4其他操縱子6.5轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控6.6細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)6.1原核生物基因表達(dá)調(diào)控概26.1原核生物基因表達(dá)調(diào)控概述6.1原核生物基因表達(dá)調(diào)控概述3

基因表達(dá)(geneexpression)是指儲(chǔ)存遺傳信息的基因經(jīng)過一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個(gè)過程。典型的基因表達(dá)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。

既然從DNA到蛋白質(zhì)的過程稱為基因表達(dá)，對(duì)這個(gè)過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控（generegulation或genecontrol）?；虮磉_(dá)調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的中心課題?；虮磉_(dá)(geneexpression)是指儲(chǔ)存遺46.1.1基因表達(dá)調(diào)控的意義基因組(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)。

6.1.1基因表達(dá)調(diào)控的意義基因組(genome)是指含有5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。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。調(diào)控是為了適應(yīng)環(huán)境獲取營養(yǎng)達(dá)到生存即分裂繁殖的最優(yōu)化（原核既無充足的能源貯備，又無高等植物制造有機(jī)物的本領(lǐng)）。所以調(diào)控體現(xiàn)1個(gè)“快”字，快速適應(yīng)環(huán)境，獲取營養(yǎng)，合成必需蛋白質(zhì)、降解不必要成分。這是長期進(jìn)化，獲得的適應(yīng)應(yīng)變能力。

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。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6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。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7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)。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。

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8一個(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。遺傳程序調(diào)控，該遺傳程序是構(gòu)成胚胎發(fā)育和組織分化的基礎(chǔ)。僅極少基因間接或直接受環(huán)境因素的影響。這一特點(diǎn)使真核在千變?nèi)f化的環(huán)境下，主要組織或器官仍能維持正常功能（“處世不驚”）。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9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6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件10基因表達(dá)的模式生物體內(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?；虮磉_(dá)的模式生物體內(nèi)的基因調(diào)控各不相同，基因表達(dá)隨環(huán)境變化11②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)。

②適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression)指環(huán)境12第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件13第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件146.1.2原核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)與方式基因表達(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）。6.1.2原核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)與方式基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)15真原核調(diào)控的主要水平（主調(diào)）都在轉(zhuǎn)錄水平。因?yàn)椋?.任何連鎖反應(yīng)控制第一步是最經(jīng)濟(jì)和最有效的（既不需要，何必轉(zhuǎn)錄）。2.RNApol沒有糾錯(cuò)功能（DNApol有）微調(diào)DNA水平轉(zhuǎn)錄后水平原核調(diào)控余步不大，因其轉(zhuǎn)錄翻譯同一個(gè)compt進(jìn)行。翻譯水平是原核次要調(diào)控水平。翻譯后水平真原核調(diào)控的主要水平（主調(diào)）都在轉(zhuǎn)錄水平。因?yàn)椋?6調(diào)控的基本方式真原核調(diào)控的基本方式都是通過調(diào)控因子：1.蛋白質(zhì)（主）2.核酸和3.小分子化合物之間的識(shí)別和相互作用對(duì)基因表達(dá)實(shí)現(xiàn)正控制或負(fù)控制（也稱正調(diào)控和負(fù)調(diào)控）調(diào)控物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)

蛋白質(zhì)、核酸、小分子化合物。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。調(diào)控的基本方式17

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)。因?yàn)榧?xì)菌mRNA在形成過程中與核糖體混合在一起，所以186.1.3原核基因表達(dá)調(diào)控的幾個(gè)重要概念1.細(xì)菌細(xì)胞對(duì)營養(yǎng)的適應(yīng)2.順式作用元件和反式作用因子3.結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因4.操縱基因和阻遏蛋白5.組成蛋白和調(diào)節(jié)蛋白6.1.3原核基因表達(dá)調(diào)控的幾個(gè)重要概念1.細(xì)菌細(xì)胞對(duì)營養(yǎng)19第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件206.2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)。6.2操縱子學(xué)說法國巴斯德研究院的Fr21一、操縱子(operon)

細(xì)菌能隨環(huán)境的變化，迅速改變某些基因表達(dá)的狀態(tài)，這就是很好的基因表達(dá)調(diào)控的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。人們就是從研究這種現(xiàn)象開始，打開認(rèn)識(shí)基因表達(dá)調(diào)控分子機(jī)理的窗口的。一、操縱子(operon)細(xì)菌能隨環(huán)境的變化221.操縱子的提出

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繁殖，當(dāng)培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長，經(jīng)過短時(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。1.操縱子的提出大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳23

大腸桿菌利用乳糖至少需要兩個(gè)酶：促使乳糖進(jìn)入細(xì)菌的半乳糖透過酶(lactosepermease)和催化乳糖分解第一步的

－半乳糖苷酶(

-galactosidase)。大腸桿菌利用乳糖至少需要兩個(gè)酶：促使乳糖進(jìn)24

在環(huán)境中沒有乳糖或其他

-半乳糖苷時(shí)，大腸桿菌合成

-半乳糖苷酶量極少，加入乳糖2-3分鐘后，細(xì)菌大量合成

-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作為唯一碳源時(shí)，菌體內(nèi)的

-半乳糖苷酶量可占到細(xì)菌總蛋白量的3%。

在上述二階段生長細(xì)菌利用乳糖再次繁殖前，也能測出細(xì)菌中

-半乳糖苷酶活性顯著增高的過程。在環(huán)境中沒有乳糖或其他-半乳糖苷時(shí)，大25這種典型的誘導(dǎo)現(xiàn)象，是研究基因表達(dá)調(diào)控極好的模型。針對(duì)大腸桿菌利用乳糖的適應(yīng)現(xiàn)象，法國的Jocob和Monod等人做了一系列遺傳學(xué)和生化學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，于1961年提出乳糖操縱子（lacoperon）學(xué)說。這種典型的誘導(dǎo)現(xiàn)象，是研究基因表達(dá)調(diào)控極好的模型。針對(duì)大腸桿262.操縱子的基本組成

乳糖操縱子模型已被許多研究實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，對(duì)其有了更深入的認(rèn)識(shí)，并且發(fā)現(xiàn)其他原核生物基因調(diào)控也有類似的操縱子組織，操縱子是原核基因表達(dá)調(diào)控的一種重要的組織形式，大腸桿菌的基因多數(shù)以操縱子的形式組成基因表達(dá)調(diào)控的單元。下面就以乳糖操縱子為例子說明操縱子的最基本的組成元件（elements）。2.操縱子的基本組成乳糖操縱子模型已被許27(1)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)操縱子中含有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)的開放閱讀框(openreadingframe),5’端有起始密碼ATG，3’端有終止密碼TAA、TGA或TAG。各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜接、串連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群。(1)結(jié)構(gòu)基因群操縱子中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)28

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)，因而當(dāng)這段含多個(gè)結(jié)構(gòu)基因的DNA被轉(zhuǎn)錄成多順反子mRNA，就能被核糖體所識(shí)別結(jié)合、并起始翻譯。核糖體沿mRNA移動(dòng)，在合成完第一個(gè)編碼的多肽后，核糖體可以不脫離mRNA而繼續(xù)翻譯合成下一個(gè)基因編碼的多肽，直至合成完這條多順反子mRNA所編碼的全部多肽。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)29

乳糖操縱子含有ｚ、ｙ和ａ3個(gè)結(jié)構(gòu)基因。

ｚ基因長3510bp，編碼含1170個(gè)氨基酸、分子量為135,000的多肽，以四聚體形式組成有活性的β-半乳糖苷酶，催化乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴樘?allolactose)，再分解為半乳糖和葡萄糖；

乳糖操縱子含有ｚ、ｙ和ａ3個(gè)結(jié)構(gòu)基因。30

ｙ基因長780bp，編碼有260個(gè)氨基酸、分子量為30,000的半乳糖透過酶，促使環(huán)境中的乳糖進(jìn)入細(xì)菌；

ａ基因長825bp，編碼275氨基酸、分子量為32,000的轉(zhuǎn)乙?；?，以二聚體活性形式催化半乳糖的乙酰化。ｙ基因長780bp，編碼有260個(gè)氨基酸、分子量為30,031

ｚ基因5’側(cè)具有大腸桿菌核糖體識(shí)別結(jié)合位點(diǎn)（RBS）特征的Shine-Dalgarno(SD)序列，因而當(dāng)乳糖操縱子開放時(shí)，核糖體能結(jié)合在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA上。

由于ｚ、ｙ、ａ三個(gè)基因頭尾相接，上一個(gè)基因的翻譯終止密碼靠近下一個(gè)基因的ｚ基因5’側(cè)具有大腸桿菌核糖體識(shí)別結(jié)合位點(diǎn)（R32

翻譯起始密碼，因而同一個(gè)核糖體能沿此轉(zhuǎn)錄生成的多順反子（polycistron）mRNA移動(dòng)，在翻譯合成了上一個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)后，不從mRNA上掉下來而繼續(xù)沿mRNA移動(dòng)合成下一個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)，一氣依次合成這基因群所編碼所有的蛋白質(zhì)。翻譯起始密碼，因而同一個(gè)核糖體能沿此轉(zhuǎn)錄生成的多順反子（p33第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件34(2)啟動(dòng)子

啟動(dòng)子是指能被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＇側(cè)上游，控制整個(gè)結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。用RNA聚合酶與分離的一段DNA雙鏈混合，再加入外切核酸酶去水解DNA，結(jié)果只有被RNA聚合酶識(shí)別結(jié)合而被保護(hù)的那段DNA不被水解，由此可以測出啟動(dòng)子的范圍及其序列。(2)啟動(dòng)子啟動(dòng)子是指能被RNA聚合酶識(shí)別35

雖然不同的啟動(dòng)子序列有所不同，但比較已經(jīng)研究過的上百種原核生物的啟動(dòng)子的序列，發(fā)現(xiàn)有一些共同的規(guī)律，它們一般長40-60bp，含A-Tbp較多，某些段落很相似的，有保守性，稱為共有性序列(consensussequences)。

啟動(dòng)子一般可分為識(shí)別(R，recognition)、結(jié)合(B，binding)和起始(I，initiation)三個(gè)區(qū)段。

雖然不同的啟動(dòng)子序列有所不同，但比較已經(jīng)研究過的上百種原36

轉(zhuǎn)錄起始第一個(gè)堿基（通常標(biāo)記位置為+1）最常見的是A；在-10bp附近有TATAAT一組共有序列，因?yàn)檫@段共有序列是Pribnow首先發(fā)現(xiàn)的，稱為Pribnow盒（Pribnowbox）；在-35bp處又有TTGACA一組共有序列。轉(zhuǎn)錄起始第一個(gè)堿基（通常標(biāo)記位置為+1）最常見的是A；在-37第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件38

不同的啟動(dòng)子序列不同，與RNA聚合酶的親和力不同、啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的頻率高低不同，即不同的啟動(dòng)子起動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱不同，例如：PL、PR、PT7屬強(qiáng)啟動(dòng)子，而Plac則是較弱的啟動(dòng)子。不同的啟動(dòng)子序列不同，與RNA聚合酶的親和力不同、啟動(dòng)轉(zhuǎn)39(3)操縱區(qū)

操縱區(qū)（operator）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)合在操縱子序列上，會(huì)影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。(3)操縱區(qū)操縱區(qū)（operator）是指40

以前將操縱區(qū)稱為操縱基因（operatorgene）。但現(xiàn)在基因定義是為蛋白質(zhì)或RNA編碼的核酸序列，而操縱序列并不是編碼蛋白質(zhì)的基因，卻是起著調(diào)控基因表達(dá)強(qiáng)弱的作用，正如啟動(dòng)序列不叫啟動(dòng)基因而稱為啟動(dòng)子一樣，操縱序列就可稱為操縱區(qū)。operon譯為操縱子，即基因表達(dá)操縱的單元之意。以前將操縱區(qū)稱為操縱基因（operator41

以乳糖操縱子中的操縱區(qū)為例，其操縱區(qū)（o）序列位于啟動(dòng)子（p）與被調(diào)控的基因之間，部分序列與啟動(dòng)子序列重疊。

仔細(xì)分析操縱區(qū)序列，可見這段雙鏈DNA具有回文（palindrome）樣的對(duì)稱性一級(jí)結(jié)構(gòu)，能形成十字形的莖環(huán)（stemloop）構(gòu)造。不少操縱區(qū)都具有類似的對(duì)稱性序列，可能與特定蛋白質(zhì)的結(jié)合相關(guān)。以乳糖操縱子中的操縱區(qū)為例，其操縱區(qū)（o）序列位于啟動(dòng)子42

阻遏蛋白與操縱區(qū)結(jié)合，就妨礙了RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合及其后?-半乳糖苷酶等基因的轉(zhuǎn)錄起始，從而阻遏了這群基因的表達(dá)。

最早只把與阻遏蛋白結(jié)合、起阻遏作用的序列稱為操縱區(qū)，但其后發(fā)現(xiàn)有的操縱子中阻遏蛋白與操縱區(qū)結(jié)合，就妨礙了RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合及43

同一操縱序列與不同構(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，阿拉伯糖操縱子中的操縱序列就是典型的例子。因而凡能與調(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)、開放，都可稱為操縱區(qū)。同一操縱序列與不同構(gòu)像的蛋白質(zhì)結(jié)合，可以分別起阻遏或激活基44（4）調(diào)控基因

調(diào)控基因(regulatorygene)是編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。調(diào)控蛋白有：阻遏蛋白(repressiveprotein)：與操縱區(qū)結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控的基因轉(zhuǎn)錄，其介導(dǎo)的調(diào)控方式為負(fù)調(diào)控(negativeregulation)；

（4）調(diào)控基因調(diào)控基因(regulator45

激活蛋白(activatingprotein)：與操縱區(qū)結(jié)合后能增強(qiáng)或起動(dòng)其調(diào)控的基因轉(zhuǎn)錄，所介導(dǎo)的調(diào)控方式為正調(diào)控(positiveregulation)。激活蛋白(activatingprotein)：與操縱區(qū)46

某些特定的物質(zhì)能與調(diào)控蛋白結(jié)合，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，這些特定物質(zhì)可稱為效應(yīng)物（effector）。有兩種：誘導(dǎo)劑(inducer)：能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子；阻遏劑或輔助阻遏劑(corepressor)：能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子。某些特定的物質(zhì)能與調(diào)控蛋白結(jié)合，使調(diào)控蛋白的空間構(gòu)像發(fā)生47

例如在乳糖操縱子中，調(diào)控基因lacI位于Plac鄰近，有其自身的啟動(dòng)子和終止子，轉(zhuǎn)錄方向和結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄方向一致，編碼產(chǎn)生由347個(gè)氨基酸組成的調(diào)控蛋白R(shí)。

在環(huán)境沒有乳糖存在的情況下，R形成分子量為152,000的活性四聚體，能特異性與操縱區(qū)ｏ緊密結(jié)合，從而阻止利用乳糖的酶類基因的轉(zhuǎn)錄，所以R是乳糖操縱子的阻遏蛋白；例如在乳糖操縱子中，調(diào)控基因lacI位于Plac鄰近，48

當(dāng)環(huán)境中有足夠的乳糖時(shí)，乳糖與R結(jié)合，使R的空間構(gòu)像變化，四聚體解聚成單體，失去與操縱區(qū)特異性緊密結(jié)合的能力，從而解除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因得以轉(zhuǎn)錄合成利用乳糖的酶類。在這過程中乳糖就是誘導(dǎo)劑，與R結(jié)合起到去阻遏作用(derepression)，誘導(dǎo)了利用乳糖的酶類基因轉(zhuǎn)錄開放。當(dāng)環(huán)境中有足夠的乳糖時(shí)，乳糖與R結(jié)合，使R的空49

許多調(diào)控蛋白都是變構(gòu)蛋白（allostericprotein），通過與上述類似的方式與效應(yīng)物結(jié)合改變空間構(gòu)像，從而改變活性，起到調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的作用。許多調(diào)控蛋白都是變構(gòu)蛋白（allosteri50二、乳糖操縱子的表達(dá)調(diào)控

二、乳糖操縱子的表達(dá)調(diào)控51第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件52第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件53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。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54

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。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。

Z編碼β-半乳糖苷酶；Y編碼β-半乳糖苷透過酶；A55第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件56RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位571.阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控

當(dāng)大腸桿菌在沒有乳糖的環(huán)境中生存時(shí)，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)。此ｉ基因在其自身的啟動(dòng)子Pi控制下，低水平、組成性表達(dá)產(chǎn)生阻遏蛋白R(shí)，每個(gè)細(xì)胞中僅維持約10個(gè)分子的阻遏蛋白。R以四聚體形式與操縱子ｏ結(jié)合，阻礙了RNA聚合酶與啟動(dòng)子Plac的結(jié)合，阻止了基因的轉(zhuǎn)錄起動(dòng)。R的阻遏作用不是絕對(duì)的，R與ｏ1.阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控當(dāng)大腸桿菌在沒有乳糖的58偶爾解離，使細(xì)胞中還有極低水平的

－半乳糖苷酶及透過酶的生成。

當(dāng)有乳糖存在時(shí)，乳糖受

－半乳糖苷酶的催化轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖，與R結(jié)合，使R構(gòu)象變化，R四聚體解聚成單體，失去與ｏ的親和力，與ｏ解離，基因轉(zhuǎn)錄開放，使

－半乳糖苷酶在細(xì)胞內(nèi)的含量可增加1000倍。這就是乳糖對(duì)lac操縱子的誘導(dǎo)作用。偶爾解離，使細(xì)胞中還有極低水平的－半乳糖苷酶及透過酶的生成59第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件60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。乳糖操縱子的控制模型，其主要內(nèi)容如下：61

62

63

64第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件65第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件66

67

68

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））。當(dāng)一個(gè)mRNA含有編碼一個(gè)以上蛋白質(zhì)的編碼信息69

半乳糖是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)。（安慰誘導(dǎo)物）

半乳糖是lac操縱子轉(zhuǎn)錄的活性誘導(dǎo)物，人們發(fā)現(xiàn)70

一些化學(xué)合成的乳糖類似物，不受

－半乳糖苷酶的催化分解，卻也能與R特異性結(jié)合使R構(gòu)象變化，誘導(dǎo)lac操縱子的開放。例如異丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiog-alactoside，IPTG)就是很強(qiáng)的誘導(dǎo)劑；不被細(xì)菌代謝而十分穩(wěn)定。X-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

－半乳糖苷酶水解產(chǎn)生蘭色化合物，因此可以用作

－半乳糖苷酶活性的指示劑。IPTG和X-gal都被廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)和基因工程的工作中。一些化學(xué)合成的乳糖類似物，不受－半乳糖苷酶的71第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件72第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件73

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。

lac操縱子受LacI阻遏蛋白調(diào)控。在沒有誘導(dǎo)劑74第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件75原核生物基因表達(dá)的調(diào)控乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(沒有乳糖時(shí))

Ｒ

Ｐ

Ｏ

lacZlacY

lacA調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)子操縱基因結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶信使RNA轉(zhuǎn)錄翻譯阻抑物與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受阻．阻抑物原核生物基因表達(dá)的調(diào)控乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(沒有乳糖時(shí)76原核生物基因表達(dá)的調(diào)控乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(有乳糖時(shí))

Ｒ

Ｐ

Ｏ

lacZlacY

lacA調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)子操縱基因結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶信使RNA轉(zhuǎn)錄翻譯阻抑物與乳糖結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生了改變，因而不能與操縱基因結(jié)合，使得結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。阻抑物乳糖轉(zhuǎn)錄半乳糖苷酶酶酶乳糖分解代謝調(diào)控過程是一個(gè)自我調(diào)控過程原核生物基因表達(dá)的調(diào)控乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(有乳糖時(shí))772.CAP的正調(diào)控

細(xì)菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)，當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖分解產(chǎn)生能量時(shí)，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，當(dāng)環(huán)境中無葡萄糖可供利用時(shí)，cAMP含量就升高。細(xì)菌中有一種能與cAMP特異結(jié)合的cAMP受體蛋白CRP(cAMPreceptorprotein)，當(dāng)CRP未與cAMP結(jié)合時(shí)它是沒有活性的，當(dāng)cAMP濃度升高時(shí)，CRP與cAMP結(jié)合并發(fā)生空間構(gòu)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(jié)合。2.CAP的正調(diào)控細(xì)菌中的cAMP含量與葡78

在lac操縱子的啟動(dòng)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(jié)合，稱為CAP結(jié)合位點(diǎn)（CAPbindingsite）。CAP與這段序列結(jié)合時(shí)，可增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，使轉(zhuǎn)錄提高50倍。相反，當(dāng)有葡萄糖可供分解利用時(shí)，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，lac操縱子的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)下降。在lac操縱子的啟動(dòng)子Plac上游端有一段序列與Plac79第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件80第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件81第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件82

由于Plac是弱啟動(dòng)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(xì)菌很好利用乳糖，必需同時(shí)有CAP來加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，細(xì)菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。lac操縱子的強(qiáng)誘導(dǎo)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(jī)制，細(xì)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(shí)，細(xì)菌才去充分利用乳糖。由于Plac是弱啟動(dòng)子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使la83

細(xì)菌對(duì)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(duì)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(jié)合位點(diǎn)，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）。細(xì)菌對(duì)葡萄糖以外的其他糖（如阿拉伯糖、半乳糖、麥芽糖等）84

不難看出：CAP結(jié)合位點(diǎn)就是一種起正性調(diào)控作用的操縱子，CAP則是對(duì)轉(zhuǎn)錄起正性作用的調(diào)控蛋白──激活蛋白，編碼CRP的基因也是一個(gè)調(diào)控基因，不過它并不在lac操縱子的附近，CAP可以對(duì)幾個(gè)操縱子都起作用。從上所述，乳糖操縱子屬于可誘導(dǎo)操縱子（inducibleoperon），這類操縱子通常使是關(guān)閉的，當(dāng)受效應(yīng)物作用后誘導(dǎo)開放轉(zhuǎn)錄。這類操縱子使細(xì)菌能適應(yīng)環(huán)境的變化，最有效地利用環(huán)境能提供的能源底物。不難看出：CAP結(jié)合位點(diǎn)就是一種起正性調(diào)控作用的操縱子，85乳糖操縱子的誘導(dǎo)

乳糖操縱子的誘導(dǎo)866.3色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控

6.3色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控87

色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，一般的環(huán)境難以給細(xì)菌提供足夠的色氨酸，細(xì)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(shí)，細(xì)菌就會(huì)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(fù)擔(dān)。細(xì)菌所以能做到這點(diǎn)是因?yàn)橛猩彼岵倏v子（trpoperon）的調(diào)控。色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，一般的環(huán)境難以給細(xì)88trp操縱子的結(jié)構(gòu)trp操縱子的結(jié)構(gòu)見下圖：五個(gè)結(jié)構(gòu)基因（E、D、C、B、A）分別編碼從分支氨酸起始合成色氨酸途徑的酶或酶亞基。在結(jié)構(gòu)基因之前為調(diào)控區(qū)域，包括啟動(dòng)子區(qū)（P）、操縱區(qū)（O）、前導(dǎo)肽編碼區(qū)（L）和弱化子區(qū)（a）。弱化子（衰減子）：在trpE與操縱基因之間有一段前導(dǎo)序列L（162bp），它能編碼出一個(gè)內(nèi)含兩個(gè)并連的trp的14肽，由于這兩個(gè)trp的合成速度能控制核糖體在mRNA上的移動(dòng)，使得前導(dǎo)序列的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA可形成特殊的結(jié)構(gòu)，類似轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)，因此編碼該結(jié)構(gòu)區(qū)域的基因被稱為弱化子（衰減子）。在trpA之后有兩個(gè)終止信號(hào)t和t′，其中t′為因子所識(shí)別，因此因子也參與了調(diào)控。Trp操縱子的調(diào)節(jié)基因（trpR）產(chǎn)生輔阻遏蛋白，遠(yuǎn)離trp操縱子。trp操縱子的結(jié)構(gòu)trp操縱子的結(jié)構(gòu)見下圖：五個(gè)結(jié)構(gòu)基因（E891.色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)

1.色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)90第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件91trp操縱子的調(diào)控：啟動(dòng)子調(diào)控——阻遏系統(tǒng)弱化子（衰減子）調(diào)控trp操縱子的調(diào)控：922.

阻遏蛋白的負(fù)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(jié)構(gòu)基因群，受其上游的啟動(dòng)子Ptrp和操縱子ｏ的調(diào)控，調(diào)控基因trpR的位置遠(yuǎn)離P-ｏ-結(jié)構(gòu)基因群，在其自身的啟動(dòng)子作用下，以組成性方式低水平表達(dá)其編碼分子量為47000的調(diào)控蛋白R(shí)，R并沒有與ｏ結(jié)合的活性，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，就能夠與ｏ特異性親和結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。2.阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控合成色氨酸所需要酶類的93色氨酸操縱子的可阻遏調(diào)控色氨酸操縱子的可阻遏調(diào)控94

因此色氨酸操縱子屬于一種負(fù)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(yīng)物（色氨酸為阻遏劑）作用時(shí)則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。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)。

因此色氨酸操縱子屬于一種負(fù)性調(diào)控的、可阻遏的953.弱化子及其作用

實(shí)驗(yàn)觀察表明：當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度、但還沒有高到能夠活化R使其起阻遏作用的程度時(shí)，產(chǎn)生色氨酸合成酶類的量已經(jīng)明顯降低，而且產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)。仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)這種調(diào)控現(xiàn)象與色氨酸操縱子特殊的結(jié)構(gòu)有關(guān)。3.弱化子及其作用實(shí)驗(yàn)觀察表明：當(dāng)色氨酸達(dá)96

在色氨酸操縱子Ptrp-ｏ與第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因trpE之間有162bp的一段先導(dǎo)序列（leadingsequence，L），實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)色氨酸有一定濃度時(shí)，RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄會(huì)終止在這里。這段序列中含有編碼由14個(gè)氨基酸組成的短肽的開放閱讀框，其序列中有2個(gè)色氨酸相連，在此開放閱讀框前有核糖體識(shí)別結(jié)合位點(diǎn)（RBS）序列，提示這段短開放閱讀框在轉(zhuǎn)錄后是能被翻譯的。在色氨酸操縱子Ptrp-ｏ與第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因trpE之間有197

mRNA前導(dǎo)區(qū)序列分析

trp前導(dǎo)區(qū)的堿基序列已經(jīng)全部測定，發(fā)現(xiàn)完整的前導(dǎo)序列可分為1、2、3、4區(qū)域，這四個(gè)區(qū)域的片段能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對(duì)（圖9-10），mRNA前導(dǎo)區(qū)序列分析98

色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄與翻譯調(diào)控色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄與翻譯調(diào)控99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)。核糖體經(jīng)過前導(dǎo)區(qū)繼續(xù)翻譯的能力控制著這兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，它決定mRNA是否形成終止所需的結(jié)構(gòu)。前導(dǎo)序列的終止區(qū)與一般的轉(zhuǎn)錄有時(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)。核糖體100

終止位點(diǎn)特點(diǎn)相同，具有成串的U和潛在的能形成莖環(huán)的二重對(duì)稱結(jié)構(gòu)。通過RNaseT1降解實(shí)驗(yàn)（此酶不水解配對(duì)的RNA）表明純化的trp前導(dǎo)序列中只有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識(shí)別區(qū)，當(dāng)這個(gè)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(jìn)行。

終止位點(diǎn)特點(diǎn)相同，具有成串的U和潛在的能形成莖環(huán)的二101

轉(zhuǎn)錄的弱化理論認(rèn)為，mRNA轉(zhuǎn)錄的終止是通過前導(dǎo)肽基因的翻譯來調(diào)節(jié)的，在前導(dǎo)肽基因中有兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子，在翻譯時(shí)對(duì)tRNATrp的濃度十分敏感。當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸的濃度很低時(shí)，負(fù)載有色氨酸的tRNATrp也少，由此推斷，翻譯通過兩個(gè)相鄰色氨酸密碼子的速度就會(huì)很慢，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)相鄰的色轉(zhuǎn)錄的弱化理論認(rèn)為，mRNA轉(zhuǎn)錄的終止是通過前導(dǎo)肽基因的翻102氨酸密碼子處），這時(shí)的前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)是2-3配對(duì)，不形成3-4配對(duì)的終止結(jié)構(gòu)，所以轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進(jìn)行，直到將色氨酸操縱子中的結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄完畢為止。測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在缺乏色氨酸時(shí)所有的RNA聚合酶都能經(jīng)過弱化子繼續(xù)參與轉(zhuǎn)錄。加上取消阻遏增加的約70倍的表達(dá)，總表達(dá)量可增加約700倍。

氨酸密碼子處），這時(shí)的前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)是2-3配對(duì)，不形成3-4配103當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸濃度高時(shí)，核糖體可順利通過兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前，核糖體就到達(dá)2區(qū)，這樣使2-3不能配對(duì)，3-4區(qū)可以自由配對(duì)形成莖-環(huán)式的終止子結(jié)構(gòu)，使得只有約10％的RNA聚合酶能繼續(xù)參與色氨酸操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄（圖9-10）。由此可見，弱化子對(duì)RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄的終止依賴于前導(dǎo)肽翻譯中核糖體所處的位置，而細(xì)胞中色氨

當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸濃度高時(shí)，核糖體可順利通過兩個(gè)相鄰的色氨酸密104

酸存在與否，決定了mRNA轉(zhuǎn)錄的弱化子結(jié)構(gòu)，使弱化子中1、2、3、4區(qū)域呈現(xiàn)競爭性配對(duì)，從而產(chǎn)生弱化效應(yīng)，這是色氨酸操縱子第二水平調(diào)控的機(jī)制。應(yīng)該指出，色氨酸含量變化對(duì)阻遏過程和弱化過程的作用方向是相同的。前者主要控制操縱子基因表達(dá)的啟動(dòng)，而后者主要決定轉(zhuǎn)錄和翻譯是否能繼續(xù)進(jìn)行下去。酸存在與否，決定了mRNA轉(zhuǎn)錄的弱化子結(jié)構(gòu)，使弱化子中105弱化子作用第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件106第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件107第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件108前導(dǎo)區(qū)的轉(zhuǎn)錄無色氨酸時(shí)，轉(zhuǎn)錄可持續(xù)進(jìn)行有色氨酸存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄在弱化子區(qū)域終止Trp操縱子的弱化子調(diào)控前導(dǎo)區(qū)的轉(zhuǎn)錄無色氨酸時(shí)，轉(zhuǎn)錄可持續(xù)進(jìn)行有色氨酸存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄在109有色氨酸時(shí)，核糖體的移動(dòng)阻止了2、3莖環(huán)的形成，但3、4莖環(huán)形成，終止轉(zhuǎn)錄無色氨酸時(shí)，核糖體在trp密碼子處停留，形成2、3莖環(huán)，阻止了3、4莖環(huán)的形成，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)有色氨酸時(shí)，核糖體的移動(dòng)阻止了2、3莖環(huán)的形成，但3、4莖1106.4其他操縱子一、半乳糖操縱子(galactoseoperon)異構(gòu)酶(galE)乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galT)

半乳糖激酶(galk)。6.4其他操縱子一、半乳糖操縱子(galactoseop111gal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，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。gal操縱子的特點(diǎn)：112二、阿拉伯糖操縱子（arabinoseoperon)araB基因、araA基因和araD,形成一個(gè)基因簇，簡寫為araBAD三個(gè)基因的表達(dá)受到ara操縱子中araC基因產(chǎn)物AraC蛋白的調(diào)控。

二、阿拉伯糖操縱子（arabinoseoperon)ara113ara操縱子的調(diào)控有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，araC表達(dá)受到AraC的自身調(diào)控。第二，AraC既是ara操縱子的正調(diào)節(jié)蛋白（需cAMP-CRP的共同參與，起始轉(zhuǎn)錄），又是其負(fù)調(diào)節(jié)蛋白。這種雙重功能是通過AraC蛋白的兩種異構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)的（Pi和Pr)。ara操縱子的調(diào)控有兩個(gè)特點(diǎn)：114第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件115第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件116第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件117三、阻遏蛋白LexA的降解與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答SOS反應(yīng)的機(jī)理：由RecA蛋白和LexA阻遏物的相互作用引起的。LexA阻遏物：是SOSDNA修復(fù)系統(tǒng)所有基因的阻遏物RecA蛋白：是SOS反應(yīng)的最初的發(fā)動(dòng)因子。在單鏈DNA和ATP存在時(shí)，RecA蛋白被激活，表現(xiàn)出水解酶活性，分解LexA阻遏物。當(dāng)RecA水解LexA阻遏物后，導(dǎo)致SOS體系（包括recA基因）高效表達(dá)，DNA得到修復(fù)三、阻遏蛋白LexA的降解與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答SOS反應(yīng)的機(jī)1186.5轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控6.5轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控119第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件120第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件121第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件122DNAamrCLmRNA前導(dǎo)肽SD1123SD24紅霉素甲基化酶前導(dǎo)肽DNAamrCLmRNA前導(dǎo)肽SD1123SD24紅霉素甲123第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件124第6章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件125（三）翻譯產(chǎn)物對(duì)翻譯的調(diào)控（蛋白質(zhì)合成的自體調(diào)控）有些mRNA編碼的蛋白質(zhì)（pr.），本身就是pr翻譯過程中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的因子，這些因子對(duì)自身翻譯也起調(diào)控制作用。

1.核糖體蛋白

（1）核糖體是1座合成pr.流動(dòng)工廠，沿mRNA移動(dòng)快速合成pr.核糖體以rRNA為骨架加核糖體pr構(gòu)成。Ecoli核糖體pr55種，（大亞基34，小亞基21），核糖體是細(xì)菌細(xì)胞重要成份之一。

（2）細(xì)菌中50余種核糖體pr.基因分布在不同的操縱子中，合成這些pr.，速率是與細(xì)胞增殖適應(yīng)的，受生長條件營養(yǎng)環(huán)境影響。

（3）實(shí)驗(yàn)證明，這些操縱子轉(zhuǎn)錄水平是可調(diào)控的，但核糖體pr.合成的控制主要在翻譯水平。因?yàn)榧尤腩~外操縱子于細(xì)菌，mRNA↑核糖體pr.并不增加。

（4）每1個(gè)operon轉(zhuǎn)錄的mRNA編碼蛋白中的一種（或2種pr復(fù)合體）可以結(jié)合到多順反子上游的1個(gè)特定部位，阻止核糖體結(jié)合和起始翻譯。（三）翻譯產(chǎn)物對(duì)翻譯的調(diào)控（蛋白質(zhì)合成的自體調(diào)控）1262.翻譯終止子RF2合成的自體調(diào)控（1）終止密碼和釋放因子（終止子）無論原核、真核都有3種終止碼：UAG、UGA和UAA

沒有1種tRNA與終止碼作用，而是由特殊的pr.因子促成終止作用，這類pr.因子稱做釋放因子，也有稱翻譯終止子。

原核有3種釋放因子

RF1

識(shí)別UAA、UAGRF2識(shí)別UAA、UGARF3

能刺激RF、RF2的活性。

真核只有1種，即eIF。2.翻譯終止子RF2合成的自體調(diào)控127（2）RF2mRNA的移框窗口及其附近結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)鏈接閱讀框（reading-frame）——也稱讀碼。mRNA核苷酸序列中，3個(gè)核苷酸為1組（稱為密碼子），由核糖體進(jìn)行翻譯。每個(gè)密碼子代表Pr.合成中單個(gè)氨基酸，閱讀框規(guī)定了哪3個(gè)核苷酸成為1組讀作1個(gè)密碼子，這是由起始密碼子AuG決定的。例如AuGCCAAAAuuuccc可以讀成AuG/GCA/AAA/UUU/CCC，而不會(huì)讀A/UGG/CAA/AAU/UUC/CC。

開放閱讀框（openreading-frame）——沒有終止密碼子打斷的閱讀，通常是從DNA（不是RNA）順序推論出開放閱讀框的存在。

基因密碼閱讀的3個(gè)特點(diǎn)

①每個(gè)基因都有特定的閱讀框（如組Pr.），閱讀必須從第1個(gè)密碼子開始到最后1個(gè)密碼子結(jié)束。

②閱讀是不停頓的，停頓只能合成肽而不是Pr。（學(xué)理發(fā)）

③閱讀（mRNA）方向5’→3’，合成肽鏈方向N—C，而不能反之。（2）RF2mRNA的移框窗口及其附近結(jié)構(gòu)128mRNA5’···AUG···GGGUAUCUUUGACUACGAC···3’合成肽鏈方向NH2–Gly–Tyr–Leu–Asp--Tyr--Asp---COOH

前面25個(gè)氨基酸后面315個(gè)氨基酸(AA)

①RF2是由340氨基酸組成的Pr.它的密碼子并不處于同1個(gè)閱讀框中，前25個(gè)AA處于AUG所在閱讀框中，后315AA處于（+1）另1閱讀框中。

RF2整個(gè)閱讀框分成2個(gè)閱讀框，中間多了1個(gè)U，U與第26個(gè)AA（ASP）密碼子的前2個(gè)核苷酸構(gòu)成了RF2識(shí)別的終止碼UGA，而且是前框（25個(gè)AA）同框終止密碼子。

②移框窗口至少含15個(gè)核苷酸。RF2mRNA移框窗口及其結(jié)構(gòu)移框窗口（轉(zhuǎn)換區(qū)）——至少15個(gè)核苷酸才能發(fā)生移框232425262728mRNA5’···AUG···GGGUAUCU129RF2合成的自體調(diào)控細(xì)胞內(nèi)RF2供應(yīng)充足時(shí)↑→當(dāng)核糖體A位到達(dá)第25個(gè)密碼子后面的UGA時(shí)→RF2就促成了肽鏈合成終止。

RF2↑→RF2mRNA譯至第25個(gè)AA→在其后UGA處將不成熟的肽釋放。

胞內(nèi)缺乏RF2↓→核糖體向前滑動(dòng)1個(gè)核苷酸（U）→即移框作用→繼續(xù)合成第25個(gè)AA→直到最后的終止碼UAG→UAG由另1個(gè)釋放因子RF1識(shí)別并促使RF2肽鏈的釋放。

移框作用如此精細(xì)的自體調(diào)控機(jī)制目前仍不清楚，可能與前面25肽的結(jié)構(gòu)有關(guān)。RF2合成的自體調(diào)控130（四）反義RNA的調(diào)控作用1.反義RNA對(duì)E.coli滲透壓Pr.（外膜Pr.）的調(diào)控作用細(xì)菌環(huán)境omPRDNAomPRPr.omPCDNA高滲低滲正控變構(gòu)micFRNA反義RNA（174個(gè)核苷酸）ompcmRNA翻譯OmpcPr.結(jié)合雜交雙鏈omPRPr.正控轉(zhuǎn)錄DNAomPFomPFDNA轉(zhuǎn)錄omPFmRNAmicFmRNA翻譯omPFmRNAomPFPr.（四）反義RNA的調(diào)控作用細(xì)菌環(huán)境omPRDNAomPRPr131（1）低滲→omPRPr.omPF。omPC基因關(guān)閉。（2）高滲—變構(gòu)OmPRPr.OmpcompcmRNAompcPr.micF（3）micF能與ompFmRNA前導(dǎo)序列（L）中的44個(gè)核苷酸（包括SDs）及編碼區(qū)（包括起始碼AUG）形成雜合雙鏈，從而抑制了ompFmRNA翻譯。（4）2種Pr.（ompF.ompc）隨滲透壓變化而變化此消彼長，總量不變。（5）反義RNA—與mRNA反義，通過互補(bǔ)堿基與特定的mRNA結(jié)合，抑制mRNA的翻譯，有稱干擾mRNA的互補(bǔ)RNA,簡稱micRNA（mRNA-interferingcomplementaryRNA）。正控正控轉(zhuǎn)錄翻譯同時(shí)轉(zhuǎn)錄（1）低滲→omPRPr.o1322.反義RNA對(duì)Tn10轉(zhuǎn)位酶的調(diào)控作用（1）Tn10帶有terr，轉(zhuǎn)座最大的特點(diǎn)是原位轉(zhuǎn)座不動(dòng)，僅將1個(gè)新的合成復(fù)本插到另1個(gè)新的位點(diǎn)上上去。（2）Tn10的基本結(jié)構(gòu)ISStructralgene3’反義（阻遏）RNA5’（RNA-out）5’Pin（啟動(dòng)子）3’5’Pin啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄Tn10轉(zhuǎn)位酶（RNA-in）Pout啟動(dòng)子（RNA-out）阻遏RNA3’5’3’5’互補(bǔ)Tn10轉(zhuǎn)位酶mRNA2.反義RNA對(duì)Tn10轉(zhuǎn)位酶的調(diào)控作用ISStructra133（3）調(diào)控機(jī)理

①Tn10轉(zhuǎn)位酶由pin控制，反義RNA基因由Pout控制。2啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄方向相反，在轉(zhuǎn)錄區(qū)有35（40）bp重疊，導(dǎo)致2條RNA互補(bǔ)。

②2啟動(dòng)子交叉轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)物RNA互補(bǔ)重疊成雙股鏈→核糖體不能接觸—轉(zhuǎn)位酶不能譯出→無酶無法轉(zhuǎn)位。

③只有RNA-in擺脫了RNA-out配對(duì)才有機(jī)會(huì)翻譯。RNA-out活性較RNA-in大8倍，所以Tn10的份數(shù)越多，轉(zhuǎn)座機(jī)會(huì)就越少。

④生物學(xué)意義對(duì)于細(xì)菌來說，Tn是入侵者，除抗生素抗性基因?qū)?xì)菌有利外，過多Tn對(duì)細(xì)菌是一個(gè)況重負(fù)擔(dān)、甚至置細(xì)菌于死地（轉(zhuǎn)座引起插入突變等）Tn10用反義RNA約束自己不要過多繁殖以免與宿主同歸于盡。（3）調(diào)控機(jī)理1346.7

細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)-嚴(yán)謹(jǐn)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