第10章 原核基因表達(dá)調(diào)控

第10章原核基因表達(dá)調(diào)控2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控

10.1原核生物基因表達(dá)調(diào)控概述基因表達(dá)調(diào)控是生物體內(nèi)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制機(jī)制，是細(xì)胞中基因表達(dá)的過程在時間、空間上處于有序狀態(tài)，幷對環(huán)境條件的變化作出適當(dāng)反應(yīng)的復(fù)雜過程。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控

基因表達(dá)的調(diào)控可在多個層次上進(jìn)行，包括基因水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平、翻譯水平和翻譯后水平的調(diào)控。基因表達(dá)調(diào)控是生物體內(nèi)細(xì)胞分化、形態(tài)發(fā)生和個體發(fā)育的分子基礎(chǔ)。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控在生物體生命活動中,幷不是所有的基因都同時表達(dá)，代謝過程中所需要的各種酶和蛋白質(zhì)基因以及構(gòu)成細(xì)胞化學(xué)成份的各種編碼基因，正常情況下是經(jīng)常表達(dá)的。而與生物發(fā)育過程有關(guān)的基因則要在特定的時空才表達(dá)，還有許多基因被暫時的或永久的關(guān)閉而不表達(dá)，只在合適的時期才表達(dá)。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控例如:與植物發(fā)育的形態(tài)建成有關(guān)基因在植物發(fā)育的各個不同階段按一定時序特異表達(dá)，才能發(fā)育成熟,與開花有關(guān)的基因也只有在開花前才表達(dá)，而在植物營養(yǎng)體生長時全部被關(guān)閉；在昆蟲發(fā)育變態(tài)過程的各種基因要在一定發(fā)育階段（如幼蟲、蛹、成蟲）才能表達(dá)。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控即使細(xì)胞攜帶著基本相同的基因，但同一有機(jī)體各個細(xì)胞的形態(tài)和功能都不一樣，基因表達(dá)的水平也不盡相同。正是因為生物體能夠根據(jù)其本身固有的遺傳信息表達(dá)與調(diào)控，以及對環(huán)境的適應(yīng)，才產(chǎn)生了各種特異功能的蛋白分子來體現(xiàn)生命現(xiàn)象和執(zhí)行生物功能，使得從低等到高等的生物界呈現(xiàn)出五彩繽紛的生命現(xiàn)象。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控10.1.2原核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)與方式原核基因表達(dá)調(diào)控存在于轉(zhuǎn)錄和翻譯的起始、延伸和終止的每一步中。這種調(diào)控多以操縱子為單位進(jìn)行，將功能相關(guān)的基因組織在一起，同時開啟或關(guān)閉基因表達(dá)，既經(jīng)濟(jì)有效，又保證其生命活動的需要。調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，有正、負(fù)調(diào)控兩種機(jī)制。在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達(dá)的調(diào)控決定于DNA的結(jié)構(gòu)、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其它小分子配基的相互作用。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控細(xì)胞要控制各種蛋白質(zhì)在不同時期的表達(dá)水平，有兩條途徑：一是細(xì)胞控制從其DNA模板上轉(zhuǎn)錄其特異的mRNA的速度，這是一條經(jīng)濟(jì)的途徑，可減少從mRNA合成蛋白質(zhì)的小分子物質(zhì)消耗，這是生物在長期的進(jìn)化過程中自然選擇的結(jié)果。這種控制稱為轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控，大多數(shù)基因表達(dá)都屬之。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控二是在mRNA合成后，控制從mRNA翻譯成多肽鏈的速度，包括一些與翻譯有關(guān)的酶及其復(fù)合體分子（如核糖體）締合的裝配速度等過程。這種蛋白質(zhì)合成及基因表達(dá)的控制稱為翻譯水平的調(diào)控。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控10.2原核基因表達(dá)調(diào)控的幾個重要概念1.細(xì)菌對營養(yǎng)的適應(yīng)為了生存，細(xì)菌必須能適應(yīng)廣泛變化的環(huán)境條件,包括營養(yǎng)、水分、溶液濃度、溫度、pH等。而這些條件須通過細(xì)胞內(nèi)各種生化反應(yīng)途徑，為細(xì)胞的生長繁殖提供能量和構(gòu)建細(xì)胞組分所需的小分子化合物。細(xì)菌細(xì)胞在不同的環(huán)境條件下所含酶的種類和數(shù)量改變很大。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控

2順式作用組件和反式作用因子

基因活性的調(diào)節(jié)主要通過反式作用因子與順式作用組件的相互作用而實現(xiàn)?；蚓幋a產(chǎn)物主要是蛋白和各種RNA分子。一般是從其合成場所擴(kuò)散至發(fā)揮作用的地方。反式作用因子的編碼基因與其識別或結(jié)合的靶核苷酸序列不在同一個DNA分子上。RNA聚合酶是典型的反式作用因子。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控順式作用組件是指對基因表達(dá)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；這種DNA序列通常不編碼蛋白質(zhì)，多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中。位于轉(zhuǎn)錄單位開始和結(jié)束位置上的啟動子和終止子，都是典型的順式作用元件。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控3結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)是編碼蛋白質(zhì)或RNA的基因。細(xì)菌的結(jié)構(gòu)基因一般成簇排列，多個結(jié)構(gòu)基因受單一啟動子共同控制，使整套基因或都表達(dá)或者都不表達(dá)。結(jié)構(gòu)基因編碼大量功能各異的蛋白質(zhì)，其中有組成細(xì)胞和組織器官基本成分的結(jié)構(gòu)蛋白、有催化活性的酶和各種調(diào)節(jié)蛋白等。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控調(diào)節(jié)基因(regulatorgene)是編碼合成參與基因表達(dá)調(diào)控的RNA和蛋白質(zhì)的特異DNA序列調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物通過與DNA上的特定位點(diǎn)結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄是調(diào)控的關(guān)鍵。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。DNA位點(diǎn)通常位于受調(diào)節(jié)基因的上游，但有時也有例外。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控

4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聚合酶通過它作用于啟動子而啟動轉(zhuǎn)錄。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控但當(dāng)它與調(diào)節(jié)基因所編碼的阻遏蛋白結(jié)合時，就從開放狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，使不能轉(zhuǎn)錄過程不能發(fā)生。阻遏蛋白（aporepressor）是負(fù)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(jié)合于操縱基因，阻遏操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白可被誘導(dǎo)物變構(gòu)失活，從而導(dǎo)致不可阻遏或去阻遏。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控5組成型蛋白和調(diào)節(jié)蛋白組成型蛋白（管家蛋白）：細(xì)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。誘導(dǎo)型蛋白調(diào)節(jié)蛋白是一類特殊蛋白質(zhì)，它們可以影響一種或多種基因的表達(dá)。調(diào)節(jié)蛋白兩種類型:正調(diào)節(jié)蛋白【激活蛋白】

負(fù)調(diào)節(jié)蛋白【阻遏蛋白2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控6操縱子學(xué)說（theoryofoperon）操縱子學(xué)說

是關(guān)于原核生物基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控的學(xué)說。操縱子是原核生物在分子水平上基因表達(dá)調(diào)控的單位，由調(diào)節(jié)基因、啟動子、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因等序列組成。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控通過調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白或與誘導(dǎo)物、輔阻遏物協(xié)同作用，開啟或關(guān)閉操縱基因，對操縱子結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)進(jìn)行正、負(fù)控制。操縱子學(xué)說最早由法國巴斯德研究院的Jacob和Monod在1961年提出，從此開創(chuàng)了從分子水平認(rèn)識基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的新領(lǐng)域。由于這項重大貢獻(xiàn)他們獲得了1965年的諾貝爾獎。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控在細(xì)菌基因組中，編碼功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)蛋白基因通常成簇排列在一起。如，同一個代謝途徑的酶的基因一般成簇排列。除了參與代謝途徑的酶以外，其它與該途徑有關(guān)的蛋白質(zhì)的基因也可能包括在此控制單元內(nèi)。這樣的控制單元就是操縱子。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控

細(xì)菌的操縱子是DNA分子上的一段區(qū)域，它包括共轉(zhuǎn)錄到一條mRNA分子上的多個結(jié)構(gòu)基因和這些基因轉(zhuǎn)錄所需的順式作用序列，包括啟動子、操縱基因和轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的序列等，其中結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄受到操縱基因控制。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控

操縱基因一般位于操縱子上游，其功能是與阻遏蛋白結(jié)合控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。因此操縱基因是順式控制組件，阻遏蛋白是調(diào)節(jié)基因表達(dá)的蛋白質(zhì)，是參與操縱子調(diào)節(jié)的反式作用因子。操縱子中的全部結(jié)構(gòu)基因由同一個啟動子起始轉(zhuǎn)錄成為一條多順反子mRNA，由于他們受相同調(diào)控組件的調(diào)節(jié)，所以從結(jié)構(gòu)上可將它們看作同一整體。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控10.3乳糖操縱子1乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制大腸桿菌的乳糖操縱子(Lactoseoperon，lac)長約5000bp，是目前對操縱子研究最詳盡的例子，也是研究轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控規(guī)律的基本模式。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控大腸桿菌乳糖操縱子有3個結(jié)構(gòu)基因，編碼3種酶，分別為：β-半乳糖苷酶基因（lacZ），功能：將乳糖水解為葡萄糖和半乳糖，分子量約500kD，四聚體；β-半乳糖苷透性酶的基因（lacY），分子量為30kDa的膜結(jié)合蛋白，能促進(jìn)β-半乳糖苷進(jìn)入細(xì)胞；β-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；富颍╨acA），催化將乙?；鶊F(tuán)從乙酰輔酶A轉(zhuǎn)移到β-半乳糖苷分子上。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控這三個有關(guān)分解代謝的酶的基因在乳糖操縱子中成簇排列，以利于上游調(diào)控元件的調(diào)控。圖:大腸桿菌乳糖操縱子各功能區(qū)組織排列2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控大腸桿菌在有葡萄糖作為碳源的培養(yǎng)基中生長時，不能代謝乳糖，因為缺少乳糖代謝的酶。當(dāng)生長在沒有葡萄糖只有乳糖的培養(yǎng)基中時，代謝乳糖的酶量從幾個分子迅速增加近千倍，即細(xì)菌在短時內(nèi)合成了能夠利用乳糖的一系列酶，具備了利用乳糖作為碳源的能力，在這種培養(yǎng)基上生存了下來。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控細(xì)菌獲得的這一能力的原因是在乳糖的誘導(dǎo)作用下開啟了乳糖操縱子，表達(dá)了與代謝乳糖相關(guān)的一系列酶所致。將以乳糖作為例子引入培養(yǎng)基中專一性地增加某些酶數(shù)量的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物（inducer）這種酶稱為誘導(dǎo)酶(inducibleenzyme)這類基因為可誘導(dǎo)基因這種代謝過程為酶的誘導(dǎo)過程。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控Lactoseoperon調(diào)控機(jī)制：當(dāng)培養(yǎng)基中沒有乳糖時，存在于操縱子上游的調(diào)節(jié)基因編碼表達(dá)的阻遏蛋白結(jié)合到操縱子中的操縱基因上，阻止了結(jié)構(gòu)基因的表達(dá),lacZ基因被調(diào)節(jié)基因編碼表達(dá)的阻遏蛋白所阻遏，此時，在細(xì)胞中只有幾個β-半乳糖苷酶分子。但將大腸桿菌轉(zhuǎn)到乳糖培養(yǎng)基中時，由于誘導(dǎo)物分子結(jié)合在阻遏蛋白的特異部位，引起阻遏蛋白構(gòu)象改變，不能結(jié)合到操縱基因上，使RNA聚合酶能夠正常催化轉(zhuǎn)錄存在于操縱子上的結(jié)構(gòu)基因，即操縱子被誘導(dǎo)表達(dá)，β-半乳糖苷酶分子數(shù)量迅速增加。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控E.coli在含葡萄糖和乳糖培養(yǎng)基上的二次生長曲線【該系統(tǒng)中的誘導(dǎo)物不是乳糖本身，而是乳糖的同分異構(gòu)體—異乳糖,因為乳糖進(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞后被轉(zhuǎn)化成了異乳糖】2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控62023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控由圖可見，lacZYA基因的轉(zhuǎn)錄受lacI基因編碼合成的調(diào)控蛋白的控制。lacI的表達(dá)產(chǎn)物是乳糖操縱子的阻遏蛋白，它的功能是阻止結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)阻遏蛋白由4個相同亞基（38kD）組成四聚體，通過與lacZYA基因簇開始處的操縱基因結(jié)合發(fā)揮作用。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控阻遏蛋白上有二個結(jié)合位點(diǎn)，一個是操縱基因結(jié)合位點(diǎn)，另一個是誘導(dǎo)物結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)誘導(dǎo)物與它的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合后，改變了阻遏蛋白的構(gòu)型，從而影響與操縱基因結(jié)合活性。一個大腸菌細(xì)胞有大約10個分子阻遏蛋白。lacI基因與其后的結(jié)構(gòu)基因雖然相鄰，但它們屬于不同的轉(zhuǎn)錄單位，它有其自身的啟動子和終止序列，能獨(dú)立地進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，形成單順反子mRNA，轉(zhuǎn)錄的速度受lacI基因的啟動子與RNA聚合酶活力大小的控制。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控

β-半乳糖苷酶的誘導(dǎo)物與天然誘導(dǎo)物相類似后者是一些不能被代謝的含硫乳糖類似物如：巰甲基硫代半乳糖苷methyl-galactosideTMG

異丙基硫代-β-D-半乳糖苷(isopropylthio-β-D-galactoside，IPTG)，及在酶活性分析中常用的生色底物O-硝基半乳糖苷ONPG，都是高效誘導(dǎo)物。這種能誘導(dǎo)酶合成但不是半乳糖苷酶底物的分子稱為安慰/義務(wù)誘導(dǎo)物(gratuitousinducer)。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控對乳糖操縱子的調(diào)節(jié)屬于一種協(xié)同調(diào)節(jié)(coordinateregulation)，所有受調(diào)節(jié)基因作為一個整體表達(dá)，或不表達(dá)。mRNA從5ˊ端依次翻譯，產(chǎn)物β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷酶透性酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰基酶均依次出現(xiàn)，三種酶共用一條mRNA鏈作為翻譯模板，說明在不同誘導(dǎo)條件下三種酶的數(shù)量相同。誘導(dǎo)是基因表達(dá)的開關(guān)，不同誘導(dǎo)物誘導(dǎo)效率有一定差異，但只影響轉(zhuǎn)錄和翻譯效率，不影響三種基因間的相互關(guān)系。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控2小分子效應(yīng)物的作用

原核生物操縱子通過調(diào)節(jié)蛋白與小分子物質(zhì)間的相互作用來實現(xiàn)誘導(dǎo)狀態(tài)或阻遏狀態(tài)。這類小分子物質(zhì)間或是代謝途徑的底物或產(chǎn)物，同屬基因表達(dá)的調(diào)節(jié)物質(zhì)，稱為效應(yīng)物。細(xì)菌有兩種類型效應(yīng)物：

1）誘導(dǎo)物

2）輔阻遏物

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控1）誘導(dǎo)物

自然狀態(tài)下，阻遏蛋白結(jié)合在DNA上，無誘導(dǎo)物時，阻遏蛋白與操縱基因牢固結(jié)合，阻止RNA聚合酶進(jìn)入啟動子區(qū)域，操縱子被關(guān)閉，結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄。有誘導(dǎo)物時，誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合，促使后者空間構(gòu)象變化，使阻遏蛋白與操縱基因親和力下降而解離，最終，RNA聚合酶能夠進(jìn)入啟動子區(qū)域，開啟了結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控誘導(dǎo)物存在，與阻遏蛋白結(jié)合，使后者構(gòu)象變化，阻遏蛋白與操縱基因親和力下降而解離，最終，RNA聚合酶能進(jìn)入啟動子區(qū)域，開啟結(jié)構(gòu)基因表達(dá)2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控由誘導(dǎo)物存在而使基因表達(dá)開放的調(diào)節(jié)稱可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)。指某些基因在誘導(dǎo)物作用下，由原來的關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放狀態(tài)，即在某些物質(zhì)誘導(dǎo)下使基因活化。2）輔阻遏物

有些阻遏蛋白本身不具有結(jié)合操縱基因的活性，自然狀態(tài)下操縱子是開放的，能正常表達(dá)當(dāng)細(xì)胞中有輔阻遏物存在時，可結(jié)合到阻遏蛋白上，提高阻遏蛋白與操縱基因的親和性。這與誘導(dǎo)物的作用相反。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控例如，在大腸桿菌的色氨酸操縱子中，色氨酸與其操縱子中的阻遏蛋白結(jié)合，使后者表現(xiàn)出結(jié)合操縱基因的活性，阻止了RNA聚合酶與trp操縱子上啟動子的結(jié)合，使操縱子關(guān)閉，有關(guān)色氨酸合成的酶基因不能被轉(zhuǎn)錄。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控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)，既這類基因在正常情況下是開啟的，處于正在合成蛋白質(zhì)或酶的狀態(tài)，由于一些特殊代謝終產(chǎn)物或化合物的積累將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)，所以稱可阻遏基因。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控歸納以上，可誘導(dǎo)的操縱子是一些編碼糖和氨基酸分解代謝的酶和蛋白質(zhì)的基因，這些物質(zhì)平時含量很少，因為細(xì)菌總是利用最容易利用的能源物質(zhì)，如葡萄糖的分解來提供能量，所以這些操縱子通常是關(guān)閉的。但當(dāng)生存條件發(fā)生變化，如葡萄糖缺乏而必須利用乳糖時，這些基因就被誘導(dǎo)開放。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控可阻遏的基因情況正好相反，它們是一些合成各種細(xì)胞代謝過程中所必需的重要物質(zhì)（如氨基酸、核苷酸等）的基因，由于這些物質(zhì)在生命活動過程中的重要地位，其基因在正常情況下總是開著的。當(dāng)這些物質(zhì)在細(xì)菌生活環(huán)境中含量較高時，基因就自然被關(guān)閉，停止其合成?？梢姡?xì)菌細(xì)胞的代謝活動十分精密而經(jīng)濟(jì)有效。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控3乳糖操縱子的正調(diào)控葡萄糖存在時，即使培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖麥芽糖等誘導(dǎo)物，與其相對應(yīng)的操縱子也不啟動產(chǎn)生代謝這些糖的酶，因為葡萄糖是最常用的碳源，細(xì)菌所需要的能量主要從葡萄糖獲得。這種情況下細(xì)菌無需開動一些不常用的基因去利用這些稀有的糖類。細(xì)胞能保持乳糖操縱子處于相對失活狀態(tài)，這種選擇由葡萄糖的降解產(chǎn)物控制，將這種調(diào)控方式稱為代謝阻遏。理想的lac操縱子正調(diào)控因子應(yīng)能感知葡萄糖的缺乏，并通過激活lac啟動子做出應(yīng)答，使聚合酶與啟動子結(jié)合而轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因。能夠?qū)ζ咸烟菨舛茸兓龀鰬?yīng)答反應(yīng)的物質(zhì)是環(huán)腺苷酸(cyclic-AMP,cAMP)。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控葡萄糖的存在可抑制細(xì)菌細(xì)胞中的腺苷酸環(huán)化酶，減少了環(huán)腺苷酸（cAMP）的合成，與它結(jié)合的受體蛋白質(zhì)CAP因找不到配體而不能形成復(fù)合物。cAMP-CAP是一個重要的正調(diào)節(jié)物質(zhì)，可與操縱子上的啟動子區(qū)結(jié)合，啟動基因轉(zhuǎn)錄。所以葡萄糖存在時，不易形成復(fù)合物cAMP-CAP，受其調(diào)控的基因就不表達(dá)。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控如果培養(yǎng)基中葡萄糖含量下降，腺苷酸環(huán)化酶活力就提高，cAMP合成增加，cAMP與CAP形成復(fù)合物幷與啟動子結(jié)合，促進(jìn)乳糖操縱子的表達(dá)

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控lac操縱子正調(diào)控因子能感知葡萄糖的缺乏，通過激活lac啟動子做出應(yīng)答，使聚合酶與啟動子結(jié)合而轉(zhuǎn)錄。能對葡萄糖濃度變化做出應(yīng)答的物質(zhì)是環(huán)腺苷酸。降解物抑制的作用是通過促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄正調(diào)節(jié)基因表達(dá)，這是一種積極的調(diào)節(jié)方式,這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)或稱為降解物抑制作用。明確概念：CAP

是一種代謝激活蛋白(cataboliteactivatorprotein,CAP)，大量研究證實了這種蛋白，并命名為環(huán)腺苷酸受體蛋白

(cyclic-AMPreceptorprotein,CRP)。為避免混淆，現(xiàn)在統(tǒng)一將這種蛋白稱為CAP。編碼該蛋白質(zhì)的基因已被正式命名為crp。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控CZubay研究發(fā)現(xiàn)了一類lac突變體，其CAP和CAMP不能促進(jìn)lac操縱子轉(zhuǎn)錄。遺傳作圖發(fā)現(xiàn)突變位于lac啟動子上，表明CAP-CAMP復(fù)合體的結(jié)合位點(diǎn)在lac啟動子內(nèi)，又稱激活因子結(jié)合位點(diǎn)（activator-bindingsite)，位于啟動子的上游,CAP-CAMP與激活因子位點(diǎn)的結(jié)合有助于RNA聚合酶在啟動子處形成開放啟動子復(fù)合體(圖10.13)。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控(A)無CAP時，聚合酶與含lac啟動子DNA片段隨機(jī)松散結(jié)合，在同時加入利福平及核苷酸后這種結(jié)合受利福平抑制，故無轉(zhuǎn)錄發(fā)生；

(B)有CAP和CAMP時，聚合酶與lac啟動子結(jié)合形成開放啟動子復(fù)合體，在同時加入利福平及核苷酸后這種結(jié)合不受利福平抑制，因為核苷酸先于利福平與聚合酶結(jié)合，使開放啟動子復(fù)合體能夠啟動核苷酸聚合，一旦第一個磷酸二酯鍵形成，聚合酶在重新起始轉(zhuǎn)錄前一直具有利福平抗性，在這些條件下能夠轉(zhuǎn)錄，表明CAP和CAMP促進(jìn)開放啟動子復(fù)合體形成。(RobertF.Weaver.MolecularBiology(4thEdition)2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控CAP與cAMP協(xié)同促進(jìn)形成開放啟動子復(fù)合體cAMP還有一種方式促進(jìn)乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄。在乳糖操縱子的主啟動子上游22bp處有另一個可選擇性啟動子。主啟動子命名為P1，可選擇性啟動子命名為P2,CAP-cAMP能降低P2的轉(zhuǎn)錄起始，促進(jìn)P1。P2能限定聚合酶在它的序列上的結(jié)合數(shù)量，從而使更多的游離聚合酶與啟動子P1結(jié)合，提高lac操縱子的轉(zhuǎn)錄，這是CAP-cAMP的另一個作用機(jī)制。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控結(jié)合在激活子結(jié)合位點(diǎn)上的CAP-cAMP能夠協(xié)助RNA聚合酶與啟動子結(jié)合，當(dāng)CAP和聚合酶與各自的DNA靶位點(diǎn)結(jié)合后，兩者會發(fā)生直接的接觸，因此它們與DNA的結(jié)合有協(xié)同效應(yīng)。這種效應(yīng)有較多實驗證據(jù)支持：①有cAMP時，通過超速離心可使CAP和RNA聚合酶共沉淀，表明兩者之間具有親和性；②當(dāng)CAP和聚合酶與各自的DNA靶位結(jié)合后，彼此還能發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，表明兩者在空間上彼此十分靠近；2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控

③DNase足跡實驗顯示CAP-cAMP的足跡與聚合酶的足跡相鄰，因此兩者的DNA結(jié)合位點(diǎn)距離很近，足以使它們在各自的DNA位點(diǎn)結(jié)合后能發(fā)生互作；④一些CAP的突變能降低轉(zhuǎn)錄，但不影響與DNA的結(jié)合(或彎曲)，其中一些突變改變了與聚合酶相互作用的CAP區(qū)域的氨基酸；⑤推測與CAP的激活區(qū)域互作的位點(diǎn)是聚合酶α亞基的羧基端結(jié)構(gòu)域(αCTD)，缺失αCTD時可阻止CAP-cAMP介導(dǎo)的激活作用；2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控⑥對DNA、CAP-cAMP和RNA聚合酶αCTD復(fù)合體進(jìn)行x射線晶體結(jié)構(gòu)分析，顯示盡管CAP與RNA聚合酶的界面不大，但激活區(qū)域1確實是與αCTD相接觸著。當(dāng)CAP-cAMP與DNA靶位點(diǎn)結(jié)合后引起DNA片段產(chǎn)生了大約1000的鏈彎曲，在CAP-cAMP-DNA復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)圖像同樣能觀察到DNA彎曲現(xiàn)象。Benoffetal.,Science297?2002bytheAAAS.)分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控2023/10/24HWu等人通過電泳法檢測到DNA彎曲現(xiàn)象，當(dāng)DNA片段彎曲后其電泳遷移率較慢，且彎曲部位越接近DNA片段中部，遷移率就越慢。利用不同構(gòu)型的DNA遷移率不同的特點(diǎn)，制備lac操縱子的DNA片段，各片段的長度相同，但CAP結(jié)合位點(diǎn)不同。然后使每一DNA片段分別與CAP-cAMP結(jié)合，對形成的DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體進(jìn)行凝膠電泳，如果CAP的結(jié)合確實導(dǎo)致DNA彎曲，那么不同的DNA片段就會有不同的電泳遷移率。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控如果CAP的結(jié)合不會使DNA彎曲，則所有DNA片段應(yīng)具有相同電泳遷移率。結(jié)果表明不同DNA片段確實有不同遷移率，且DNA彎曲越顯著電泳遷移率相差越大，據(jù)此估算出了CAP-cAMP結(jié)合后引起DNA彎曲的程度是900的彎曲，與x射線衍射晶體學(xué)研究得出的約1000彎曲基本吻合。這種彎曲是復(fù)合體中DNA與蛋白質(zhì)發(fā)生最佳相互作用所必需的。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控圖注：CAP-cAMP二聚體結(jié)合靶DNA位點(diǎn),αCTD與CAP蛋白上的特異位點(diǎn)相互作用，增強(qiáng)了聚合酶與啟動子之間的結(jié)合。(引自:AdaptedfromBusby,S.andRH.Ebright,Promoterstructure,promoterrecognition,andtranscriptionactivationinprokaryotes,Cell79:742,1994.)2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控4阻遏蛋白作用機(jī)制（1）阻遏蛋白識別并特異結(jié)合DNA的方式通過提純能結(jié)合義務(wù)誘導(dǎo)物IPTG的方法可分離得到阻遏蛋白。由于細(xì)胞內(nèi)的阻遏蛋白含量很少，采用啟動子突變的方法可增加lacI的表達(dá)量。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控阻遏蛋白識別操縱基因特異序列是通過識別位點(diǎn)，共同特點(diǎn)是具有對稱性。如圖：以+11為對稱軸，每邊為兩段各6bp的對稱序列TGTGTG和AATTGT。靠近對稱軸的一對反向重復(fù)序列在阻遏蛋白結(jié)合過程中起主要作用。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控但操縱基因幷不完全對稱，左側(cè)比右側(cè)結(jié)合阻遏蛋白的能力更強(qiáng)。用分析聚合酶與啟動子相互作用的方法可以鑒定阻遏蛋白與操縱基因作用的位點(diǎn)。DNA序列的對稱性說明與之結(jié)合的蛋白質(zhì)也應(yīng)具有一定的對稱性。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控許多研究都表明阻遏蛋白具有對稱性結(jié)構(gòu)，是相同亞基組成的四聚體，每個亞基有同樣的DNA結(jié)合位點(diǎn)。許多原核生物基因調(diào)節(jié)蛋白中的阻遏蛋白都具有類似超二級結(jié)構(gòu)的螺旋－轉(zhuǎn)角－螺旋的結(jié)合基序。一個α-螺旋插入DNA雙螺旋大溝，特異性識別幷以氫鍵形式結(jié)合于DNA序列上。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控（2）誘導(dǎo)物對阻遏蛋白結(jié)合操縱基因的影響主要表現(xiàn)：阻遏蛋白與DNA結(jié)合與釋放是快速動態(tài)平衡過程，誘導(dǎo)物與游離的阻遏蛋白結(jié)合后，使阻遏蛋白不能與DNA結(jié)合，打破了平衡。誘導(dǎo)物的結(jié)合使阻遏蛋白變構(gòu)，從操縱基因上釋放，體外實驗發(fā)現(xiàn)，加入IPTG能很快引起阻遏蛋白與操縱基因的復(fù)合物不穩(wěn)定

阻遏蛋白-IPTG復(fù)合物與DNA接觸的方式與游離阻遏蛋白與DNA接觸的方式相同。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控其它與操縱基因DNA有不同親和力的突變的阻遏蛋白也有相同的實驗結(jié)果。因此，阻遏蛋白與DNA親合力的變化是結(jié)合DNA的蛋白質(zhì)整個構(gòu)型改變的結(jié)果，而不是形成和打斷一個或少數(shù)幾個化學(xué)鍵所造成的。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控3.阻遏蛋白對RNA聚合酶功能的影響以往認(rèn)為，阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合阻止RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合。后來發(fā)現(xiàn)，阻遏蛋白和RNA聚合酶可同時與DNA結(jié)合，且阻遏蛋白與DNA的結(jié)合能夠增強(qiáng)RNA聚合酶結(jié)合DNA的能力。但已結(jié)合的RNA聚合酶不能起始轉(zhuǎn)錄。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控RNA聚合酶單獨(dú)結(jié)合lac啟動子的平衡常數(shù)是1.9×107L·mol-1·S-1。當(dāng)阻遏蛋白存在時，該常數(shù)增加2個數(shù)量級達(dá)2.5×109L·mol-1·S-1。說明聚合酶結(jié)合啟動子的機(jī)會增加了近百倍?？梢?，RNA聚合酶和阻遏蛋白同時與DNA結(jié)合，其RNA聚合酶-阻遏蛋白-DNA復(fù)合物被關(guān)閉階段不發(fā)生轉(zhuǎn)錄作用。當(dāng)加入誘導(dǎo)物后，釋放出阻遏蛋白，關(guān)閉的復(fù)合物轉(zhuǎn)變成開放的復(fù)合物，起始轉(zhuǎn)錄。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控RNA聚合酶、阻遏蛋白和啟動子以及操縱基因區(qū)之間的相互作用在不同的操縱子系統(tǒng)中都不相同，因為在有的操縱子中，操縱基因不與啟動子位于同一區(qū)，互不重迭。如λ噬菌體，操縱基因位于啟動子上游區(qū)，阻遏蛋白的結(jié)合阻礙RNA聚合酶結(jié)合。因此，在操縱子系統(tǒng)中，結(jié)合的阻遏蛋白與RNA聚合酶都以不同的方式相互作用。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控10.4阿拉伯糖操縱子（1）

阿拉伯糖操縱子概述阿拉伯糖操縱子（Arabinoseoperon）是利用同一調(diào)節(jié)蛋白的不同結(jié)構(gòu)形式，活化和抑制操縱子的調(diào)控單位。阿拉伯糖是五碳糖?？蔀榧?xì)菌細(xì)胞代謝提供碳源。大腸桿菌中阿拉伯糖的降解利用需要3個基因：araB、araA、和araD，在操縱子上形成基因簇（araBAD）。分別編碼3種酶：核酮糖激酶，L-阿拉伯糖異構(gòu)酶，L-核酮糖-5-磷酸差向異構(gòu)酶。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控這些酶以araA、araB、araD的順序依次催化代謝，使阿拉伯糖轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿嵛焯谴x的中間產(chǎn)物木酮糖-5-磷酸。另外，還包括調(diào)節(jié)基因araC、操縱基因araO、啟動子araP，以及離這個基因簇較遠(yuǎn)的兩個負(fù)責(zé)將阿拉伯糖運(yùn)入細(xì)胞的蛋白基因araE和araF，分別編碼一個膜蛋白和一個位于細(xì)胞間質(zhì)的阿拉伯糖結(jié)合蛋白。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控araE和araF屬另外的操縱子，由同一啟動子起始轉(zhuǎn)錄。三個結(jié)構(gòu)基因araBAD由共同的啟動子PBAD啟始轉(zhuǎn)錄；激活區(qū)araI位于PBAD啟動子的上游。AraBAD和araC基因的轉(zhuǎn)錄以相反的方向進(jìn)行，araBAD基因簇從啟動子PBAD開始向左進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，而araC基因則是從PC向右進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控阿拉伯糖操縱子是可誘導(dǎo)操縱子，它本身就是誘導(dǎo)物。在野生型操縱子中，只有阿拉伯糖存在時才轉(zhuǎn)錄araBADmRNA，有葡萄糖存在時則不發(fā)生轉(zhuǎn)錄。在腺苷酸環(huán)化酶缺陷型crp-的突變株也不形成araBADmRNA，由此證明從PBAD起始的轉(zhuǎn)錄過程需要cAMP-CAP協(xié)助。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控9.5.2阿拉伯糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制ara操縱子的特征：①存在araO1和araO2兩個操縱基因，araO1調(diào)節(jié)控制基因araC轉(zhuǎn)錄，araO2位于其所控制的啟動子PBAD上游遠(yuǎn)端的–265~–294處，發(fā)揮控制轉(zhuǎn)錄的功能；②CAP結(jié)合位點(diǎn)位于ara啟動子上游約200bp處，CAP具有促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的功能；③ara操縱子有由AraC蛋白介導(dǎo)的負(fù)調(diào)控系統(tǒng)。

ara操縱子的操縱基因受AraC蛋白調(diào)節(jié)。AraC蛋白有兩種構(gòu)象，即正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的雙重功能構(gòu)象，Pr是阻遏構(gòu)象，可與操縱區(qū)結(jié)合，而Pi是誘導(dǎo)構(gòu)象，通過與PBAD啟動子結(jié)合進(jìn)行調(diào)節(jié)。Pr和Pi兩種構(gòu)象處于相對平衡中。因此AraC蛋白同時顯示正、負(fù)調(diào)節(jié)功能。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)誘導(dǎo)物阿拉伯糖存在時（正調(diào)控）由araC編碼的激活蛋白AraC與阿拉伯糖結(jié)合成復(fù)合物，AraC構(gòu)象變?yōu)檎T導(dǎo)型Pi，AraC以二聚體形式與araI1和araI2結(jié)合，失去與araO2結(jié)合能力，由此打開啟動子，使聚合酶結(jié)合，激活PBAD轉(zhuǎn)錄；2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)缺乏阿拉伯糖時（負(fù)調(diào)控）AraC處于阻遏型Pr構(gòu)象，不結(jié)合araI，而結(jié)合操縱基因araO2，使DNA彎曲，阻礙araBAD的表達(dá)。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控AraC蛋白的合成受其自身調(diào)節(jié)，同時也受cAMP-CAP調(diào)節(jié)。當(dāng)AraC蛋白以正調(diào)節(jié)因子作用時，起始轉(zhuǎn)錄還需要cAMP-CRP的參與。AraC蛋白不僅調(diào)控ara操縱子的轉(zhuǎn)錄，還調(diào)控其自身的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖時，ara操縱子也存在葡萄糖效應(yīng)。CAP蛋白能協(xié)助解開因為AraC與araO2和araI1結(jié)合而形成的DNA彎曲，促使AraC與araI1和araI2結(jié)合，從而激活PBAD起始的轉(zhuǎn)錄。araO2如何調(diào)控位于其下游250bp的啟動子轉(zhuǎn)錄?合理的解釋是這兩個位點(diǎn)(操縱基因和啟動子)之間的DNA發(fā)生環(huán)化。研究發(fā)現(xiàn)，如果將具有整數(shù)雙螺旋轉(zhuǎn)角的DNA片段(10.5的倍數(shù))插入操縱基因與啟動子之間，操縱基因仍具有正常的功能。而如果插入非整數(shù)雙螺旋轉(zhuǎn)角(如5bp和15bp)的DNA片段時，操縱基因就不能行使其功能。說明只要2個蛋白質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)位于DNA雙螺旋的同一側(cè)，雙鏈DNA分子就可以通過環(huán)化而使這2個蛋白結(jié)合位點(diǎn)彼此靠近。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控事實上，ara操縱子的調(diào)控蛋白AraC是個雙功能蛋白，既可作為正調(diào)蛋白又可作為負(fù)調(diào)蛋白AraC在操縱子上有3個結(jié)合位點(diǎn)：位于上游遠(yuǎn)端–280的araO2、定位在–106和–144之間的araO1及由2個半位點(diǎn)araI1(–56~–78)和araI2(–35~–51)組成的araⅠ，每個位點(diǎn)均可結(jié)合1個AraC單體。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)阿拉伯糖缺乏時，細(xì)菌不需要araBAD基因的表達(dá)產(chǎn)物，因此AraC蛋白執(zhí)行負(fù)控制因子功能，結(jié)合在araO2和araI1位點(diǎn)，使兩個位點(diǎn)之間的DNA環(huán)化，形成阻遏環(huán)（repressionloop）操縱子受到阻遏。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)阿拉伯糖存在時，就與AraC蛋白結(jié)合使其構(gòu)象發(fā)生改變，不能與araO2結(jié)合，但能結(jié)合araI1和araI2，使阻遏環(huán)（repressionloop）解開，araO2和araI1間的DNA不再彎曲，操縱子去阻遏(圖)，PC處的轉(zhuǎn)錄也正常進(jìn)行。與lac操縱子一樣，去阻遏并非是正調(diào)控的全部內(nèi)容，CAP-cAMP復(fù)合體介導(dǎo)的正調(diào)控也在發(fā)揮作用。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控阿拉伯糖操縱子的調(diào)控機(jī)制示意圖(引自：RobertF.Weaver.MolecularBiology(4thEdition)CAP-cAMP復(fù)合體結(jié)合在araPBAD啟動子的上游,CAP-cAMP在araPBAD啟動子較遠(yuǎn)的位置結(jié)合，但能調(diào)控轉(zhuǎn)錄，這是DNA成環(huán)的第二個作用，環(huán)化DNA使CAP與RNA聚合酶接近，促進(jìn)了RNA聚合酶與啟動子結(jié)合。阿拉伯糖操縱子的自主調(diào)節(jié)

下圖顯示了araC、Pc和araO1的相對位置：araC的轉(zhuǎn)錄從Pc處起始從右向左進(jìn)行，araO1處于調(diào)控araC轉(zhuǎn)錄的位置上(AraC蛋白結(jié)合到araO1位點(diǎn)，阻止Pc對araC的轉(zhuǎn)錄)。隨著AraC蛋白含量的不斷增加，AraC結(jié)合在araO1上，抑制araC的轉(zhuǎn)錄，防止阻遏物過多積累，這種蛋白質(zhì)控制自身合成的機(jī)制稱為自主調(diào)節(jié)(autoregulation)。無論阿拉伯糖與AraC結(jié)合與否，或無論ara操縱子控制區(qū)是否發(fā)生環(huán)化，這種控制事件均存在著。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控小結(jié)

ara操縱子：①有araO1和araO2兩個操縱基因，araO1調(diào)控基因araC轉(zhuǎn)錄，araO2位于其所控制的啟動子PBAD上游遠(yuǎn)端，發(fā)揮控制轉(zhuǎn)錄的功能；②CAP結(jié)合位點(diǎn)位于ara啟動子上游，有促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的功能；③有由AraC蛋白介導(dǎo)的負(fù)調(diào)控系統(tǒng)。ara操縱子的操縱基因受AraC蛋白調(diào)節(jié)，其有兩種功能構(gòu)象，即正、負(fù)因子的雙重構(gòu)象，Pr是起阻遏的構(gòu)象可與操縱區(qū)位點(diǎn)結(jié)合，Pi是誘導(dǎo)作用構(gòu)象，通過與PBAD啟動子結(jié)合而調(diào)節(jié)。

AraBAD基因簇及araC基因轉(zhuǎn)錄被協(xié)同調(diào)節(jié)。

當(dāng)誘導(dǎo)物阿拉伯糖存在時，AraC與阿拉伯糖結(jié)合為復(fù)合物，AraC的構(gòu)象改變?yōu)镻i，AraC以二聚體形式與araI1和araI2結(jié)合，失去與araO2結(jié)合的能力，由此打開啟動子使聚合酶結(jié)合激活PBAD轉(zhuǎn)錄；

當(dāng)缺乏阿拉伯糖時，AraC處于Pr構(gòu)象不結(jié)合araI，而是結(jié)合araO2，使DNA彎曲，阻礙araBAD的表達(dá)。AraC蛋白合成受其自身和cAMP-CAP調(diào)節(jié)。ara操縱子也有葡萄糖效應(yīng)。CAP蛋白能協(xié)助解開因AraC與araO2和araI1結(jié)合所形成的DNA彎曲，使AraC與araI1和araI2結(jié)合，激活PBAD起始的轉(zhuǎn)錄。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控10.5色氨酸操縱子

TryptophaneoperonTrp

大腸桿菌的Trp操縱子是受阻遏物負(fù)調(diào)控的氨基酸生物合成操縱子的實例

Trp操縱子包括5個結(jié)構(gòu)基因

trpA、B、C、D、E

負(fù)責(zé)Trp的生物合成。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控Trp的合成分5步完成每步需要一種酶，編碼5種酶的基因緊密連鎖，轉(zhuǎn)錄在一條多順反子mRNA上，分別編碼：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、

Trp合成酶和吲哚甘油-3-磷酸合成酶，以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA表示TrpE是第一個被翻譯的基因，和trpE緊鄰的是啟動子區(qū)和操縱子區(qū)2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控1色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)Trp操縱子中產(chǎn)生阻遏物的基因trpR距trp基因簇較遠(yuǎn)，編碼合成一個58KD阻遏蛋白，當(dāng)以游離形式存在時,不能結(jié)合到操縱基因上，此時，后者能夠轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，使細(xì)菌細(xì)胞合成Trp。但當(dāng)在培養(yǎng)基中的Trp過量時，它作為輔阻遏物與阻遏蛋白形成復(fù)合體，結(jié)合到操縱基因上阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控這種以終產(chǎn)物阻止基因的轉(zhuǎn)錄稱反饋?zhàn)瓒?此終產(chǎn)物（Trp）稱為輔阻遏物。

這種調(diào)控方式容易造成：Trp存在時,Trp-阻遏蛋白復(fù)合體結(jié)合操縱基因，完全阻斷轉(zhuǎn)錄，Trp缺乏時，阻遏被消除，轉(zhuǎn)錄開放,合成Trp，不易保持細(xì)菌細(xì)胞Trp水平的穩(wěn)定。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。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控色氨酸操縱子結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)區(qū)域的分布圖2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控由Trp操縱子堿基序列可見:啟動子與操縱區(qū)域有很大程度的重迭2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控造成Trp-阻遏蛋白復(fù)合體與RNA聚合酶結(jié)合DNA具有競爭性,體外實驗發(fā)現(xiàn)：先加入Trp-阻遏蛋白復(fù)合體，RNA聚合酶不能與啟動子結(jié)合，否則反之.Trp操縱子的阻遏系統(tǒng)是Trp生物合成途徑的第一水平調(diào)控，主控轉(zhuǎn)錄的啟動與否。Trp操縱子的第二水平控制是Trp操縱子的弱化系統(tǒng)，決定已經(jīng)啟動的轉(zhuǎn)錄是否能繼續(xù)進(jìn)行下去。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控2Trp操縱子弱化系統(tǒng)【第二水平調(diào)控】

1.前導(dǎo)肽及其序列結(jié)構(gòu)在TrpmRNA5ˊ端trpE起始密碼子前有一段162bp的DNA序列和核糖體結(jié)合位點(diǎn)，稱前導(dǎo)區(qū)leader實驗表明：123～150位堿基序列缺失，Trp操縱子表達(dá)量可提高6倍。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控

原因？當(dāng)mRNA轉(zhuǎn)錄起始后，如果培養(yǎng)基中存在一定水平的Trp，轉(zhuǎn)錄能被啟動，但在這個區(qū)域停止，產(chǎn)生一個140nt的RNA分子；如果沒有Trp存在，則轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行，合成trpEmRNA?？梢娫搮^(qū)域參與了Trp操縱子基因表達(dá)調(diào)節(jié)。繼續(xù)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)合成起始后，除非培養(yǎng)基中完全沒有Trp，否則轉(zhuǎn)錄總在這個區(qū)域終止2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控因為轉(zhuǎn)錄終止發(fā)生在這一區(qū)域，且這種終止能被調(diào)節(jié)，因此這個區(qū)域被稱為弱化子(attenuator)，或衰減子對引起終止的mRNA堿基序列研究發(fā)現(xiàn)，這一區(qū)域的mRNA序列可通過自我配對形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，具有典型的終止子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。圖：2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控深入研究：衰減作用需要有負(fù)載的tRNA-Trp參與，說明前導(dǎo)序列的某些部分在轉(zhuǎn)錄同時也被翻譯。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；當(dāng)翻譯起始于AUG，則產(chǎn)生一個含有14個氨基酸的多肽，稱前導(dǎo)肽在色氨酸操縱子mRNA的AUG密碼子5′端有一個核糖體結(jié)合位點(diǎn)。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控2mRNA前導(dǎo)區(qū)序列分析

Trp前導(dǎo)區(qū)的堿基序列已全部測定，發(fā)現(xiàn)：完整的前導(dǎo)序列可分為1、2、3、4區(qū)域，這四個區(qū)域的片段能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對，有時以1-2和3-4配對，有時只以2-3方式互補(bǔ)配對.

見圖:2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控2.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，2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控四個區(qū)域片段能以兩種不同方式配對，有時以1-2和3-4配對，有時只以2-3方式配對2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控核糖體經(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，決定mRNA是否形成終止結(jié)構(gòu)前導(dǎo)序列的終止區(qū)與一般的轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)特點(diǎn)相同，具有潛在的二重對稱結(jié)構(gòu)能形成莖環(huán)，幷具有成串的U。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控3轉(zhuǎn)錄的弱化效應(yīng)轉(zhuǎn)錄弱化理論認(rèn)為，mRNA轉(zhuǎn)錄的終止是通過前導(dǎo)肽基因的翻譯進(jìn)行調(diào)節(jié)的.在前導(dǎo)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。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)培養(yǎng)基中Trp濃度很低時，負(fù)載有Trp的tRNA-Trp很少，翻譯通過兩個相鄰色氨酸密碼子的速度很慢，當(dāng)4區(qū)被轉(zhuǎn)錄完成時，核糖體才進(jìn)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(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)是2-3配對，不形成3-4配對的終止結(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)錄完為止。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)培養(yǎng)基中Trp濃度很低時，負(fù)載有Trp的tRNA-Trp很少，翻譯通過兩個相鄰色氨酸密碼子的速度很慢，當(dāng)4區(qū)被轉(zhuǎn)錄完成時，核糖體才進(jìn)行到1區(qū)（或停留在兩個相鄰的色氨酸密碼子處）2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控這時前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)是2-3配對，不形成3-4配對的終止結(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)錄完為止。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在缺乏Trp時,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。Trp操縱子的衰減子區(qū)序列色氨酸濃度高引起聚合酶提前終止轉(zhuǎn)錄的另一個原因是在衰減子中有能形成轉(zhuǎn)錄終止信號的序列及隨后連續(xù)排列的8個A-T堿基對。事實上，在第3和4區(qū)存在反向重復(fù)序列，能通過分子內(nèi)堿基配對形成發(fā)夾的終止結(jié)構(gòu)（圖）轉(zhuǎn)錄物發(fā)夾結(jié)構(gòu)之后的一串U能夠降低轉(zhuǎn)錄物與DNA結(jié)合。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控歸納：Attenuator(衰減子)：提前終止轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)基因表達(dá)的功能區(qū)域，是在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)前導(dǎo)序列：162nt

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸濃度高時，核糖體可順利通過兩個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，3-4區(qū)可以自由配對形成莖-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。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控由此可見，弱化子對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，從而產(chǎn)生了弱化效應(yīng)，這是色氨酸操縱子第二水平調(diào)控機(jī)制。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控色氨酸含量變化對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，而后者主要決定轉(zhuǎn)錄和翻譯是否能繼續(xù)進(jìn)行下去。弱化子對基因表達(dá)活性的影響普遍存在于大腸桿菌氨基酸生物合成的操縱子中。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控例如，色氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸和纈氨酸操縱子，以及沙門氏菌的組氨酸和亮氨酸的操縱子、嘧啶合成操縱子等等，都采取弱化子調(diào)節(jié)這種方式。每個操縱子的前導(dǎo)肽中都含有該操縱子所要調(diào)控的重復(fù)密碼子，如在Trp前導(dǎo)肽第10和第11位上有相鄰的兩個Trp密碼子。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控His操縱子中也具有一個類似的能編碼前導(dǎo)肽的堿基序列，含有7個相鄰的His密碼子。Phe操縱子中同樣存在弱化子結(jié)構(gòu)，其前導(dǎo)序列中也有7個Phe密碼子.2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號作用的是細(xì)胞中某一氨基酸或嘧啶的濃度和有特殊負(fù)載的氨基酰-tRNA的濃度。大腸桿菌自身可以合成其生存所必需的氨基酸，例如Trp的操縱子始終是開啟著的，但如果在培養(yǎng)基中加入了這種氨基酸，則細(xì)菌完全可以利用現(xiàn)成的Trp維持生存而無需再去合成它。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控這種情況下大腸桿菌可以在2-3分鐘內(nèi)完全關(guān)閉色氨酸操縱子，它使細(xì)菌避免利用自身資源進(jìn)行不必要的合成。一個典型的代謝途徑最終產(chǎn)物合成酶基因被這個產(chǎn)物本身所抑制的實例。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控弱化作用是控制RNA聚合酶通讀弱化子能力的調(diào)控作用機(jī)制。弱化子是位于轉(zhuǎn)錄開始區(qū)的一種內(nèi)部終止子。弱化子mRNA可在分子內(nèi)采取不同的堿基配對方式，形成特殊的二級結(jié)構(gòu)參與對轉(zhuǎn)錄終止的調(diào)控。弱化作用共同特點(diǎn)：通過形成內(nèi)部終止子所需的發(fā)夾結(jié)構(gòu)調(diào)控RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因。控制弱化作用的二級結(jié)構(gòu)的改變由核糖體在mRNA上的位置決定。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)。10.6半乳糖操縱子(galactoseoperon)結(jié)構(gòu)基因gal操縱子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：它有兩個啟動子，其mRNA可從兩個不同的起始點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄；它有兩個操縱基因O，一個在P區(qū)上游，另一個在galE內(nèi)部。無-35序列2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控gal操縱子的調(diào)節(jié)方式：無葡萄糖而有半乳糖時，阻遏物R失活，CAP和RNApol相互作用使轉(zhuǎn)錄從P1起始。無半乳糖時，R和CAP均結(jié)合OE，不能阻遏RNApol的轉(zhuǎn)錄。葡萄糖和半乳糖都存在時，R失活，P1不啟動，P2啟動，RNApol轉(zhuǎn)錄E而不轉(zhuǎn)錄K（與UDP-Gal是合成細(xì)胞壁的底物相關(guān)）有葡萄糖而無半乳糖時，R結(jié)合OE和OR成環(huán)，是P2轉(zhuǎn)錄生產(chǎn)流產(chǎn)性產(chǎn)物2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控10.8細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)以上是細(xì)菌處于正常生活條件下的基因表達(dá)調(diào)節(jié)方式，所謂“正常”，也包括生活環(huán)境中缺少某一種或兩種能源，但還能找到其它代用物質(zhì)。但細(xì)菌有時會遇到能源十分缺乏的狀況。例如：當(dāng)氨基酸饑餓而全面匱乏時，為了生存，在體內(nèi)可立即產(chǎn)生一種應(yīng)急應(yīng)答反應(yīng)，既合成各種RNA、蛋白質(zhì)、糖和脂肪在內(nèi)的幾乎全部生物化學(xué)反應(yīng)過程都被停止。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控發(fā)出這種應(yīng)急反應(yīng)信號的物質(zhì)是位于核糖體A位點(diǎn)上的未裝載氨基酸的tRNA(空載tRNA)應(yīng)急應(yīng)答反應(yīng)引起ppGpp和pppGpp兩種異常核苷酸大量增加。ppGpp是腺苷的5ˊ和3ˊ位上分別連有二磷酸基團(tuán)；pppGpp是腺苷的5ˊ位上連有三個而3ˊ位上連有二磷酸基團(tuán)。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控這些核苷酸是典型的小分子效應(yīng)物，能與相應(yīng)的目標(biāo)蛋白質(zhì)結(jié)合，使其活性發(fā)生改變將它們合稱為：(p)ppGpp

(p)ppGpp能協(xié)同調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的許多基因表達(dá)過程。細(xì)菌生長速度與(p)ppGpp水平總體上呈反比關(guān)系。空載的tRNA是產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)氨基酸饑餓時，細(xì)胞中存在大量的沒有攜帶氨基酸的tRNA，這種空載的tRNA會激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使(p)ppGpp大量合成，其濃度在短時內(nèi)可增加到10倍以上。

(p)ppGpp的產(chǎn)生能關(guān)閉許多基因表達(dá)，只開放個別必須要合成氨基酸的基因，以應(yīng)對其生存危機(jī)。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控(p)ppGpp與RNA聚合酶的不同構(gòu)象結(jié)合可識別不同的啟動子區(qū)域，這種結(jié)合也會使某些構(gòu)象穩(wěn)定下來，從而改變這些基因轉(zhuǎn)錄的效率，或關(guān)閉，或減弱，或加強(qiáng)；在基因轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)附近有一些保守序列，是ppGpp或有關(guān)調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)合位點(diǎn)。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控當(dāng)這些位點(diǎn)的啟動子與ppGpp結(jié)合后，使它們不在與RNA聚合酶結(jié)合，基因表達(dá)被關(guān)閉。(p)ppGpp的作用可影響許多操縱子，又稱超級調(diào)控因子。應(yīng)急應(yīng)答使rRNA和tRNA的合成下降到原來6%，使得總RNA合成的量僅為應(yīng)答前的5％～10％，某些mRNA的合成也下降至原有水平的30%，核苷酸、糖和脂類等的合成量也下降，而蛋白質(zhì)降解速度加快。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控正常情況下，由延長因子EF-Tu將氨基酰-tRNA帶到核糖體A位點(diǎn)上進(jìn)行核糖體循環(huán)，但在應(yīng)急情況下，由于缺乏相應(yīng)的氨基酰-tRNA，空載tRNA占據(jù)這個空位，核糖體上的蛋白質(zhì)合成被阻斷，引發(fā)空轉(zhuǎn)反應(yīng)。

2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控空載tRNA的進(jìn)入引發(fā)了(p)ppGpp分子的合成，而(p)ppGpp又使空載tRNA再次釋放，引發(fā)(p)ppGpp合成，直到有氨基酰-tRNA存在時，核糖體才能繼續(xù)進(jìn)行肽鏈的合成，結(jié)束空轉(zhuǎn)反應(yīng)。在細(xì)菌細(xì)胞中，多數(shù)或大多數(shù)的基因轉(zhuǎn)錄延伸過程都受到(p)ppGpp抑制。

根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應(yīng)答，可分為：正轉(zhuǎn)錄調(diào)控

負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控

10.9正調(diào)控系統(tǒng)和負(fù)調(diào)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控如果在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是關(guān)閉的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被開啟，這樣的調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白激活蛋白正轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控在沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控?？烧T導(dǎo)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(dǎo)下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子分解代謝蛋白的基因2、根據(jù)操縱子對某些能調(diào)節(jié)它們的小分子的應(yīng)答，可分為可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)和可阻遏調(diào)節(jié)兩大類：調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白誘導(dǎo)物mRNA酶蛋白酶合成的誘導(dǎo)操縱子模型誘導(dǎo)物如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶來分解它，這種物質(zhì)就是誘導(dǎo)物?？勺瓒粽{(diào)節(jié)（P197）：基因平時是開啟的，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(dá)。例：色氨酸操縱子合成代謝蛋白的基因酶合成的阻遏操縱子模型調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因mRNA酶蛋白調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因輔阻遏物輻阻遏物如果某種物質(zhì)能夠阻止細(xì)菌產(chǎn)生合成這種物質(zhì)的酶，這種物質(zhì)就是輔阻遏物。3、在負(fù)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(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。根據(jù)其作用特征又可分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏：在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。4、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）。根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)和正控阻遏在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)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(yīng)物分子（輔阻遏物）的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。10.10受多重啟動子調(diào)控的操縱子rRNA操縱子，核糖體蛋白S1操縱子DnaQ蛋白操縱子均有不同啟動子區(qū)，啟動子強(qiáng)度不同，啟動轉(zhuǎn)錄的發(fā)揮受不同信號的調(diào)控。精密調(diào)節(jié)基因的表達(dá)強(qiáng)度，對維持細(xì)菌生存及對環(huán)境的適應(yīng)十分重要。2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控10.11重疊基因的調(diào)控作用翻譯偶聯(lián)機(jī)制可以保證同一多順反子的不同基因的蛋白產(chǎn)量一致TrpB–谷氨酸-異亮氨酸-終止GAA--AUC--UGA

--UGG--AA

AUG--GAA

甲硫氨酸–谷氨酸–trpAtrpE—蘇氨酸—苯丙氨酸—終止

ACU--UUC--UGA--UGG--CUAUG

AUG–GCU

甲硫氨酸--丙氨酸--trpD翻譯終止時核糖體立即處在起始環(huán)境中，這種重疊的密碼子保證了同一核糖體對兩個連續(xù)基因進(jìn)行翻譯的機(jī)制。10.12細(xì)菌中DNA和蛋白質(zhì)的相互作用2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控各種蛋白包括CAP，lac阻遏物等均有共同的結(jié)構(gòu)motif，即helix-turn-helixmotif(HTH).識別helix能嵌入DNA的大溝中，另一螺旋跨過DNA，幫助識別螺旋的定位或增強(qiáng)與DNA的結(jié)合強(qiáng)度.結(jié)合特異性依賴識別螺旋的某些氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)和DNA大溝中的某些堿基功能基團(tuán)的特異性結(jié)合，以及與DNA骨架上磷酸基團(tuán)的特異性結(jié)合.DNA結(jié)合的靶位點(diǎn)一般是對稱或重復(fù)性的，因為大多蛋白為二聚體或多聚體.10.13噬菌體基因的表達(dá)調(diào)控

10.13.1噬菌體的生活周期2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控溶源途徑裂解途徑噬菌體的調(diào)控是級聯(lián)式的，有層次的前一階段的表達(dá)產(chǎn)物是下一階段基因表達(dá)所必須的蛋白因子早期基因，晚早期基因和晚期基因10.13.2噬菌體裂解過程中的基因表達(dá)調(diào)控是級聯(lián)反應(yīng)2023/10/24分子生物學(xué)原核基因表達(dá)調(diào)控噬菌體SPO1以替換σ亞基改變宿主的轉(zhuǎn)錄對象

SPO1感染枯草桿菌，其早期基因啟動子和細(xì)菌基因相同。