原核生物的基因表達(dá)調(diào)控課件

1、原核生物的基因表達(dá)調(diào)控第六章第六章 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 6.1原核生物基因表達(dá)調(diào)控概原核生物基因表達(dá)調(diào)控概 6.2 操縱子學(xué)說操縱子學(xué)說 6.3 6.3 色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控 6.4 6.4 其他操縱子其他操縱子 6.5 6.5 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控 6.6 細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)原核生物的基因表達(dá)調(diào)控6.1 原核生物基因表達(dá)調(diào)控概述原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 基因表達(dá)(gene expression) 是指儲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過程。典型的基因表達(dá)是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)

2、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)，對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控（gene regulation或gene control）。基因表達(dá)調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的中心課題。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控6.1.1基因表達(dá)調(diào)控的意義 基因組基因組(genome) 是指含有一個生物體生存、發(fā)育、活動是指含有一個生物體生存、發(fā)育、活動和繁殖所需要的全部遺傳信息的整套核酸。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全部都表達(dá)出來的，大腸桿菌基因組含有約4000個基因，一般情況下只有510%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

3、的就暫時不表達(dá)。 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控改變基因表達(dá)的情況以適應(yīng)環(huán)境，在改變基因表達(dá)的情況以適應(yīng)環(huán)境，在原核生物、單細(xì)胞生物原核生物、單細(xì)胞生物中尤其顯中尤其顯得突出和重要，因為細(xì)胞的生存環(huán)境經(jīng)常會有劇烈的變化。得突出和重要，因為細(xì)胞的生存環(huán)境經(jīng)常會有劇烈的變化。原核生物原核生物中，中，營養(yǎng)狀況營養(yǎng)狀況（nutritional status）和）和環(huán)境因素環(huán)境因素（environmental factor）對基因表達(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)）對基因表達(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，又無高等植物制造到生存

4、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)有機(jī)物的本領(lǐng)）。所以調(diào)控體現(xiàn)1個個“快快”字，快速適應(yīng)環(huán)境，獲取營養(yǎng)，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。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，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)常要變動基因的表達(dá)

5、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。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 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)的組織特異性性(tissue specificity)(tissue specificity)。 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；胰島細(xì)胞合成胰島素；甲狀腺濾泡

6、旁細(xì)胞(C細(xì)胞)專一分泌降血鈣素等。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 細(xì)胞分化發(fā)育的不同時期，基因表達(dá)的情況是不相同的，細(xì)胞分化發(fā)育的不同時期，基因表達(dá)的情況是不相同的，這就是基因表達(dá)的階段特異性這就是基因表達(dá)的階段特異性(stagespecificity)(stagespecificity)。真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平（hormone level）和發(fā)育階段（developmental stage）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。 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 一個受精卵含有發(fā)育成一個成熟個體的全部遺傳信息，在個體發(fā)育分化的各個階段，各種基因極為有序地表達(dá)，一般在胚胎

7、時期基因開放的數(shù)量最多，隨著分化發(fā)展，細(xì)胞中某些基因關(guān)閉(turn off)、某些基因轉(zhuǎn)向開放(turn on)，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”）。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 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

8、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。 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控基因表達(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： 組成性表達(dá)(constitutive expression)指不大受環(huán)境變動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(housekeeping gene)，這些基因中不少是在生物個體其它組織細(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

9、的。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 適應(yīng)性表達(dá)(adaptive expression)指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動的一類基因表達(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(inducible gene)； 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(repressible gene)。 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控6.1.2 原核基因表達(dá)調(diào)控的特點與方式基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下兩方面：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（轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（transcription

10、al regulation）；）；2轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptional regulation），包括），包括 mRNA加工成熟水平上的調(diào)控加工成熟水平上的調(diào)控（differential processing of RNA transcript）；）； 翻譯水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控（differential translation of mRNA）。）。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控真原核調(diào)控的主要水平（主調(diào)）都在轉(zhuǎn)錄水平。因為：1.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.RNA pol 沒有糾錯功能（DNA pol 有）微調(diào)

11、 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compt進(jìn)行。 翻譯水平 是原核次要調(diào)控水平。 翻譯后水平原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 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別和相互作用對基因表達(dá)實現(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)錄水平上對基因表達(dá)的調(diào)控決定于在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達(dá)的調(diào)控決定于DNA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、RNA聚合酶的功能聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基蛋白因子及其他小分子配基的相互作的相互作用。用。 因為細(xì)菌因為細(xì)菌mRNA在形成過程中與

12、核糖體混合在一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)生在同一時起，所以，細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄與翻譯過程幾乎發(fā)生在同一時間間隔內(nèi)，轉(zhuǎn)錄與翻譯相耦聯(lián)（間間隔內(nèi)，轉(zhuǎn)錄與翻譯相耦聯(lián)（coupled transcription and translation）。）。 真核生物中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（真核生物中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（primary transcript）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)。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)。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控6.1.3 原核基因表達(dá)調(diào)控的幾個重要概念 1.細(xì)菌細(xì)胞對營養(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

13、4.操縱基因和阻遏蛋白 5.組成蛋白和調(diào)節(jié)蛋白原核生物的基因表達(dá)調(diào)控6.2 操縱子學(xué)說操縱子學(xué)說 法國巴斯德研究院的法國巴斯德研究院的Francois Jacob與與Jacques Monod于于1960年在法國科學(xué)院院報年在法國科學(xué)院院報(Proceeding of the French Academy of Sciences)上發(fā)表了一篇論文，提出乳糖代謝中的上發(fā)表了一篇論文，提出乳糖代謝中的兩個基因被一靠近它們的遺傳因子所調(diào)節(jié)。這二個基因為兩個基因被一靠近它們的遺傳因子所調(diào)節(jié)。這二個基因為-半半乳糖苷酶乳糖苷酶(-galactosidase)和半乳糖苷透過酶和半乳糖苷透過酶(galact

14、oside permease)。 在此文中他們首先提出了在此文中他們首先提出了操縱子操縱子(operon)和操縱基因和操縱基因(operator)的概念的概念，他們的操縱子學(xué)說，他們的操縱子學(xué)說(theory of operon)使我使我們得以從分子水平認(rèn)識基因表達(dá)的調(diào)控，是一個劃時代的突破，們得以從分子水平認(rèn)識基因表達(dá)的調(diào)控，是一個劃時代的突破，因此他們二人于因此他們二人于1965年榮獲諾貝爾生理學(xué)獎。年榮獲諾貝爾生理學(xué)獎。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控一、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)控的實驗?zāi)Ｐ?。人們就是從研究這種現(xiàn)象開始，打開認(rèn)識

15、基因表達(dá)調(diào)控分子機(jī)理的窗口的。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控1.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，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。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 大腸桿菌利用乳糖至少需要兩個酶：促使乳糖進(jìn)入細(xì)菌的半乳糖透過酶(lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 半乳糖苷酶( -galactosidase)。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 在環(huán)境中沒有乳糖或其他 -半乳糖苷時，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 -

16、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，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。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控這種典型的誘導(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)研究實驗，于1961年提出乳糖操縱子（lac operon）學(xué)說。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控2. 操縱子的基本組成 乳糖操縱子模型已被許多研究實驗所證實，對其有了更深入的認(rèn)識，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)

17、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）。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控(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(structural gene, SG)。一個操縱子中含有2個以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達(dá)十幾個。每個結(jié)構(gòu)基因是一個連續(xù)的開放閱讀框(open reading frame), 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。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 至少在第一個結(jié)構(gòu)基因5側(cè)具有核糖體結(jié)合位點(ribo

18、some binding site, RBS)，因而當(dāng)這段含多個結(jié)構(gòu)基因的DNA被轉(zhuǎn)錄成多順反子mRNA，就能被核糖體所識別結(jié)合、并起始翻譯。核糖體沿mRNA移動，在合成完第一個編碼的多肽后，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。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 乳糖操縱子含有、和3個結(jié)構(gòu)基因。 基因長3510bp，編碼含1170個氨基酸、分子量為135,000的多肽，以四聚體形式組成有活性的-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； 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控基因長780bp，編碼有260個氨

19、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； 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?；?。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 基因5側(cè)具有大腸桿菌核糖體識別結(jié)合位點（RBS）特征的Shine-Dalgarno(SD)序列，因而當(dāng)乳糖操縱子開放時，核糖體能結(jié)合在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA上。 由于、三個基因頭尾相接，上一個基因的翻譯終止密碼靠近下一個基因的原核生物的基因表達(dá)調(diào)控翻譯起始密碼，因而同一個核糖體能沿此轉(zhuǎn)錄生成的多順反子（polycistron）mRNA移動，在翻譯合成了上一個基因編碼的蛋白質(zhì)后，不從mRNA上掉下來而繼

20、續(xù)沿mRNA移動合成下一個基因編碼的蛋白質(zhì)，一氣依次合成這基因群所編碼所有的蛋白質(zhì)。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控(2) (2) 啟動子啟動子 啟動子是指能被RNA聚合酶識別、結(jié)合并啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。操縱子至少有一個啟動子，一般在第一個結(jié)構(gòu)基因5側(cè)上游，控制整個結(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，由此可以測出啟動子的范圍及其序列。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控雖然不同的啟動子序列有所不同，但比較已經(jīng)研究過的上百種原核生物的啟動子的序列，發(fā)現(xiàn)有一些共同的規(guī)律，它們一

21、般長40-60bp，含A-T bp較多，某些段落很相似的，有保守性，稱為共有性序列(consensus sequences)。 啟動子一般可分為識別(R，recognition)、結(jié)合(B，binding)和起始(I，initiation)三個區(qū)段。 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始第一個堿基（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，因為這段共有序列是Pribnow首先發(fā)現(xiàn)的，稱為Pribnow盒（Pribnow box）；在-35bp處又有TTGACA一組共有序列。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控不同的啟動子序列不同，與RNA聚合酶的親和力不同

22、、啟動轉(zhuǎn)錄的頻率高低不同，即不同的啟動子起動基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱不同，例如：PL、PR、PT7屬強(qiáng)啟動子，而Plac則是較弱的啟動子。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控(3) (3) 操縱區(qū)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，常與啟動子鄰近或與啟動子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱子序列上，會影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 以前將操縱區(qū)稱為操縱基因（operator gene）。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，正如啟動序列不叫啟動基因而稱為啟動子一樣，操縱序列就可稱為操縱區(qū)

23、。operon譯為操縱子，即基因表達(dá)操縱的單元之意。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控以乳糖操縱子中的操縱區(qū)為例，其操縱區(qū)（o）序列位于啟動子（p）與被調(diào)控的基因之間，部分序列與啟動子序列重疊。 仔細(xì)分析操縱區(qū)序列，可見這段雙鏈DNA具有回文（palindrome）樣的對稱性一級結(jié)構(gòu)，能形成十字形的莖環(huán)（stem loop）構(gòu)造。不少操縱區(qū)都具有類似的對稱性序列，可能與特定蛋白質(zhì)的結(jié)合相關(guān)。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控阻遏蛋白與操縱區(qū)結(jié)合，就妨礙了RNA聚合酶與啟動子的結(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

24、原核生物的基因表達(dá)調(diào)控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)。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控（4） 調(diào)控基因 調(diào)控基因(regulatory gene)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(repressive protein)：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 ( n e g a t i v e regulation)； 原核

25、生物的基因表達(dá)調(diào)控激活蛋白(activating protein)：與操縱區(qū)結(jié)合后能增強(qiáng)或起動其調(diào)控的基因轉(zhuǎn)錄，所介導(dǎo)的調(diào)控方式為正調(diào)控(positive regulation)。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控某些特定的物質(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。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控例如在乳糖操縱子中，調(diào)控基因lac I位于Plac鄰近，有其自身的啟動子和終止子，轉(zhuǎn)錄方向和結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄方向一致

26、，編碼產(chǎn)生由347個氨基酸組成的調(diào)控蛋白R。 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)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；原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 當(dāng)環(huán)境中有足夠的乳糖時，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。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 許多調(diào)控蛋白都是變構(gòu)蛋白（allosteric prot

27、ein），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。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控二、乳糖操縱子的表達(dá)調(diào)控 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控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。用乳糖的酶。 這些酶受這些酶受乳糖操縱子乳糖操縱子的控制。大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿的控制。大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌菌DNA的一個特定區(qū)段，由的一個特定區(qū)段，由調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因I，啟動基因，啟動基因P，操縱基因，操縱基因O和結(jié)構(gòu)基因和結(jié)構(gòu)基因Z、Y、A組成。組成。 P區(qū)是轉(zhuǎn)錄起始時區(qū)是

28、轉(zhuǎn)錄起始時RNA聚合酶的結(jié)合部位。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。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。 平時平時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?；蚪?jīng)常進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生有活性的阻遏蛋白。 Z編碼編碼-半乳糖苷酶；半乳糖苷酶；Y編碼編碼-半乳糖苷透過酶；半乳糖苷透過酶；A編碼編碼-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶。半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶。 -半乳糖苷酶是一種半乳糖苷酶是一種-半乳糖苷鍵的專一性酶，除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。能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。 -半乳糖苷透過酶的作用是使外界的半乳糖苷透過酶的作

29、用是使外界的-半乳糖苷半乳糖苷（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)（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)。胞內(nèi)。 -半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶的作用是把乙酰輔酶半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶的作用是把乙酰輔酶A上上的乙?；D(zhuǎn)到的乙酰基轉(zhuǎn)到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。RNA聚合酶結(jié)合部位聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位原核生物的基因表達(dá)調(diào)控1. 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，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)。此基因在其自身的啟動子Pi控制下，低水平、組成性表達(dá)產(chǎn)生阻遏蛋白R，每個細(xì)胞中僅維持約10個分子的阻遏蛋白。R以四聚體形式與操縱

30、子結(jié)合，阻礙了RNA聚合酶與啟動子Plac的結(jié)合，阻止了基因的轉(zhuǎn)錄起動。R的阻遏作用不是絕對的，R與原核生物的基因表達(dá)調(diào)控偶爾解離，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，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，失去與的親和力，與解離，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lac操縱子的誘導(dǎo)作用。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 乳糖操縱子的控制模型，其主要內(nèi)容如下：乳糖操縱子的控制模型，其主要內(nèi)容如下： Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼。分子所編碼。

31、 這個這個mRNA分子的啟動子緊接著分子的啟動子緊接著O區(qū)，而位于區(qū)，而位于I與與O之間的啟之間的啟動子區(qū)（動子區(qū)（P），不能單獨起動合成），不能單獨起動合成-半乳糖苷酶和透過酶的生理過半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。程。 操縱基因是操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的），是阻遏物的結(jié)合位點。結(jié)合位點。 當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時，當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時，lac mRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。 誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操誘導(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)縱基因結(jié)合，從而

32、激發(fā)lacmRNA的合成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時，操的合成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時，操縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動子能夠順利起始縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動子能夠順利起始mRNA的合的合成。成。 當(dāng)一個當(dāng)一個mRNA含有編碼一個以上蛋白質(zhì)的編碼信含有編碼一個以上蛋白質(zhì)的編碼信息，而且這些蛋白質(zhì)都是以獨立的多肽被翻譯時，這息，而且這些蛋白質(zhì)都是以獨立的多肽被翻譯時，這樣的樣的mRNA稱之稱之多順反子多順反子mRNA。多順反子。多順反子mRNA在在細(xì)菌中是很普遍的。細(xì)菌中是很普遍的。 多順反子多順反子lac mRNA中的中的lacZ，lacY，lacA經(jīng)翻經(jīng)翻譯生成的產(chǎn)物分別為譯生成的產(chǎn)物分別為L

33、acZ（-半乳糖苷酶（半乳糖苷酶（-galactosidase）、）、LacY（-半乳糖苷通透酶（半乳糖苷通透酶（-galactoside permease）和）和LacA（-半乳糖苷轉(zhuǎn)半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；福ㄒ阴；福╰hiogalactoside transacetylase）。）。 半乳糖是半乳糖是lac操縱子轉(zhuǎn)錄的活性誘導(dǎo)物，人們發(fā)現(xiàn)操縱子轉(zhuǎn)錄的活性誘導(dǎo)物，人們發(fā)現(xiàn)一個合成的、結(jié)構(gòu)上類似于別乳糖、不能被一個合成的、結(jié)構(gòu)上類似于別乳糖、不能被-半乳糖苷半乳糖苷酶水解的酶水解的-半乳糖苷異丙基硫代半乳糖苷（半乳糖苷異丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside：IPTG

34、）起著）起著lac操縱子的一個誘導(dǎo)物操縱子的一個誘導(dǎo)物的作用，所以的作用，所以IPTG常用于誘導(dǎo)含有使用了常用于誘導(dǎo)含有使用了lac啟動子的啟動子的質(zhì)粒載體的細(xì)菌中的重組蛋白的表達(dá)。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）（安慰誘導(dǎo)物）原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 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-半乳糖苷）也是一種人工化學(xué)合成的半乳糖苷，可被 半乳

35、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。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 lac 操縱子受操縱子受LacI阻遏蛋白調(diào)控。阻遏蛋白調(diào)控。在沒有誘導(dǎo)劑（乳糖或在沒有誘導(dǎo)劑（乳糖或IPTG）存在時，）存在時，LacI阻遏蛋白與阻遏蛋白與lac 操縱子操縱子DNA序列結(jié)合得非序列結(jié)合得非常緊密，常緊密，lac 基因不能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。當(dāng)基因不能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。當(dāng)IPTG 存在時，存在時，IPTG與與LacI阻遏蛋白相互作用，形成阻遏蛋白相互作用，形成LacI阻遏蛋白阻遏蛋白IPTG復(fù)合物，體復(fù)合物，體外研究表明，該復(fù)合物對外研究表明，該

36、復(fù)合物對lac 操縱基因的親和性為單獨操縱基因的親和性為單獨LacI阻阻遏蛋白的親和性的千分之一。所以遏蛋白的親和性的千分之一。所以IPTG作為作為lac基因表達(dá)的一基因表達(dá)的一個誘導(dǎo)劑，起著轉(zhuǎn)錄去阻遏作用。就象（下圖）表示的那樣，個誘導(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（聚合酶的結(jié)合部位（lac操縱基因）也是操縱基因）也是LacI阻遏蛋白的阻遏蛋白的結(jié)合部位，實驗表明結(jié)合部位，實驗表明RNA聚合酶和聚合酶和LacI阻遏蛋白對操縱基因序阻遏蛋白對操縱基因序列的結(jié)合是相互排斥的。列的結(jié)合是相互排斥的。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物基因表達(dá)的調(diào)控原核生物基因表達(dá)

37、的調(diào)控乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(沒有乳糖時沒有乳糖時) lacZ lacY lacA 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因啟動子啟動子 操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶聚合酶信使信使RNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯阻抑物與阻抑物與操縱基因操縱基因結(jié)合，結(jié)結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄受阻錄受阻阻抑物阻抑物原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物基因表達(dá)的調(diào)控原核生物基因表達(dá)的調(diào)控乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：乳糖代謝基因表達(dá)調(diào)控圖解：(有乳糖時有乳糖時) lacZ lacY lacA 調(diào)節(jié)基因調(diào)節(jié)基因啟動子啟動子 操縱基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因RNA聚合酶聚合酶信使信使RNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯阻抑物與

38、乳糖結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生了改變，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)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?；蜻M(jìn)行轉(zhuǎn)錄。阻抑物阻抑物乳糖乳糖轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄半乳糖苷酶半乳糖苷酶酶酶酶酶乳糖分解代乳糖分解代謝調(diào)控過程謝調(diào)控過程是一個自我是一個自我調(diào)控過程調(diào)控過程 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控2. 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，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，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(cAMP receptor protein

39、)，當(dāng)CRP未與cAMP結(jié)合時它是沒有活性的，當(dāng)cAMP濃度升高時，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-cAMP activated protein)，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控在lac操縱子的啟動子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（CAP binding site）。CAP與這段序列結(jié)合時，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，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。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基

40、因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控由于Plac是弱啟動子，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，細(xì)菌才去充分利用乳糖。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控細(xì)菌對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（ara operon）、半乳糖操縱子（gal operon）中也

41、有CAP結(jié)合位點，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（catabolic gene activator protein）。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控不難看出：CAP結(jié)合位點就是一種起正性調(diào)控作用的操縱子，CAP則是對轉(zhuǎn)錄起正性作用的調(diào)控蛋白激活蛋白，編碼CRP的基因也是一個調(diào)控基因，不過它并不在lac操縱子的附近，CAP可以對幾個操縱子都起作用。從上所述，乳糖操縱子屬于可誘導(dǎo)操縱子（inducible operon），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。原核生物的基因表達(dá)調(diào)

42、控乳糖操縱子的誘導(dǎo)乳糖操縱子的誘導(dǎo) 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控6.3 色氨酸操縱子的表達(dá)調(diào)控 原核生物的基因表達(dá)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)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，細(xì)菌就會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)菌所以能做到這點是因為有色氨酸操縱子（trp operon）的調(diào)控。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控trp操縱子的結(jié)構(gòu)操縱子的結(jié)構(gòu) trp操縱子的結(jié)構(gòu)見下圖：五個結(jié)構(gòu)基因（操縱子的結(jié)構(gòu)見下圖：五個結(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。分別

43、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，包括啟動子區(qū)（在結(jié)構(gòu)基因之前為調(diào)控區(qū)域，包括啟動子區(qū)（P）、操縱區(qū)）、操縱區(qū)（O）、前導(dǎo)肽編碼區(qū)（）、前導(dǎo)肽編碼區(qū)（L）和弱化子區(qū)（）和弱化子區(qū)（a）。）。 弱化子（衰減子）：在弱化子（衰減子）：在trpE與操縱基因之間有一段前導(dǎo)序與操縱基因之間有一段前導(dǎo)序列列L（162bp），它能編碼出一個內(nèi)含兩個并連的），它能編碼出一個內(nèi)含兩個并連的trp的的14肽，肽，由于這兩個由于這兩個trp的合成速度能控制核糖體在的合成速度能控制核糖體在mRNA上的移動，上的移動，使得前導(dǎo)序列的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物使得前導(dǎo)序列的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA可形成特殊的

44、結(jié)構(gòu)，類似可形成特殊的結(jié)構(gòu)，類似轉(zhuǎn)錄終止信號，因此編碼該結(jié)構(gòu)區(qū)域的基因被稱為弱化子轉(zhuǎn)錄終止信號，因此編碼該結(jié)構(gòu)區(qū)域的基因被稱為弱化子（衰減子）。（衰減子）。 在在trpA之后有兩個終止信號之后有兩個終止信號t和和t ，其中，其中t 為為 因子所識別，因子所識別，因此因此 因子也參與了調(diào)控。因子也參與了調(diào)控。 Trp操縱子的調(diào)節(jié)基因（操縱子的調(diào)節(jié)基因（trpR）產(chǎn)生輔阻遏蛋白，遠(yuǎn)離）產(chǎn)生輔阻遏蛋白，遠(yuǎn)離trp操操縱子?？v子。 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控1. 色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu) 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控trp操縱子的調(diào)控：操縱子的調(diào)控：啟動子調(diào)控啟動子調(diào)控阻遏系統(tǒng)

45、阻遏系統(tǒng)弱化子（衰減子）調(diào)控弱化子（衰減子）調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控2. 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，受其上游的啟動子Ptrp和操縱子的調(diào)控，調(diào)控基因trpR的位置遠(yuǎn)離P-結(jié)構(gòu)基因群，在其自身的啟動子作用下，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，R并沒有與結(jié)合的活性，當(dāng)環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時，R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化，就能夠與特異性親和結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控色氨酸操縱子的可阻遏調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 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（repre

46、ssible operon），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)。 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控3. 弱化子及其作用 實驗觀察表明：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，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)。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控在色氨酸操縱子Ptrp-與第一個結(jié)構(gòu)基因trpE之間有162bp的一段先導(dǎo)序列（leading sequence，L），實驗證明

47、當(dāng)色氨酸有一定濃度時，RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄會終止在這里。 這段序列中含有編碼由14個氨基酸組成的短肽的開放閱讀框，其序列中有2個色氨酸相連，在此開放閱讀框前有核糖體識別結(jié)合位點（RBS）序列，提示這段短開放閱讀框在轉(zhuǎn)錄后是能被翻譯的。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 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，這四個區(qū)域的片段能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對（圖9-10），原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 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)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控有時以1-2和3-4配對，有時只以2-3方式互補(bǔ)配對。核糖體經(jīng)過前導(dǎo)區(qū)繼續(xù)

48、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)錄原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 終止位點特點相同，具有成串的 U和潛在的能形成莖環(huán)的二重對稱結(jié)構(gòu)。通過RNaseT1降解實驗（此酶不水解配對的RNA）表明純化的trp前導(dǎo)序列中只有1-2和3-4的配對方式。由此定位的3-4配對區(qū)正好位于終止密碼子識別區(qū)，當(dāng)這個區(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。 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 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)肽基因中有兩個相鄰的色氨酸密碼子，在翻譯時對tRNATrp的濃度十分敏感。當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸的濃度很

49、低時，負(fù)載有色氨酸的tRNATrp也少，由此推斷，翻譯通過兩個相鄰色氨酸密碼子的速度就會很慢，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原核生物的基因表達(dá)調(diào)控氨酸密碼子處），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)錄完畢為止。測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在缺乏色氨酸時所有的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。 原核生物的基因表達(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，

50、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（圖9-10 ）。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 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控 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。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控弱化子作用原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)

51、調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控前導(dǎo)區(qū)的轉(zhuǎn)錄無色氨酸時，轉(zhuǎn)錄可持續(xù)進(jìn)行有色氨酸存在時，轉(zhuǎn)錄在弱化子區(qū)域終止Trp操縱子的弱化子調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控有色氨酸時，有色氨酸時，核糖體的移核糖體的移動阻止了動阻止了2、3 莖環(huán)的形莖環(huán)的形成，但成，但3、4莖環(huán)形成，莖環(huán)形成，終止轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄無色氨酸時，無色氨酸時，核糖體在核糖體在trp密碼子處停留，密碼子處停留，形成形成2、3莖環(huán)，莖環(huán)，阻止了阻止了3、4莖莖環(huán)的形成，轉(zhuǎn)環(huán)的形成，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)錄繼續(xù)原核生物的基因表達(dá)調(diào)控6.4 其他操縱子一、半乳糖操縱子(galactose operon)(galactose operon)異構(gòu)酶異構(gòu)酶(galE)乳糖乳

52、糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galT)半乳糖激酶半乳糖激酶(galk)。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控gal操縱子的特點：操縱子的特點： 它有兩個啟動子，其它有兩個啟動子，其mRNA可從兩個不同的起始點開可從兩個不同的起始點開始轉(zhuǎn)錄；始轉(zhuǎn)錄； 它有兩個它有兩個O區(qū)，一個在區(qū)，一個在P區(qū)上游，另一個在結(jié)構(gòu)基因區(qū)上游，另一個在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。內(nèi)部。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控二、阿拉伯糖操縱子（二、阿拉伯糖操縱子（arabinose operon)arabinose operon) araB基因、araA基因和araD, 形成一個基因簇，簡寫為araBAD 三個基因的表達(dá)受到ara操縱子

53、中araC基因產(chǎn)物AraC蛋白的調(diào)控。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控ara操縱子的調(diào)控有兩個特點： 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)體來實現(xiàn)的（Pi和Pr)。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控三、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SOS DNA修復(fù)系統(tǒng)所有基因的阻遏物RecA蛋白：是SOS反應(yīng)的最

54、初的發(fā)動因子。在單鏈DNA和ATP存在時，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)原核生物的基因表達(dá)調(diào)控6.5 6.5 轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控原核生物的基因表達(dá)調(diào)控轉(zhuǎn)錄是原（真）核基因調(diào)控的重要水平，由于原核生物沒有核膜，轉(zhuǎn)錄翻譯同時同一個compt,進(jìn)行，所以轉(zhuǎn)錄后調(diào)控余步不大。翻譯是原核生物基因表達(dá)調(diào)控的另一個重要層次。 （一）SD序列對翻譯的影響 1.SD序列（SD Sequence,SDs）概念 原核生物mRNA起始密碼子AuG上游310bp處有1個RbS稱為SD序

55、列。 （1）種類不同基因有不同的SDs，其一致序列為AGGAGG，從而控制單位時間起始復(fù)合物形成的數(shù)目，最后控制翻譯產(chǎn)物的數(shù)量。 （2）位置mRNA起始密碼子AuG上游413bp處，與AuG間隔413bp。 （3）堿基特點富含A，與核糖體小亞基16SRNA端富含U序列互補(bǔ)，被其識別與結(jié)合，mRNA轉(zhuǎn)錄不久，即被之結(jié)合、翻譯。 （4）多順反子編碼多個蛋白質(zhì)，每1個編碼區(qū)前都有1個AuG和SD序列，多個核糖體與SDs結(jié)合將蛋白質(zhì)分別譯出來。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控2.SD序列對翻譯水平的影響 （1）SDs與AuG距離長短的影響 據(jù)認(rèn)為此距離是影響翻譯效率主要因素。例，重組IL-2，Plac的SDs距

56、AuG 7個核苷酸，IL-2表達(dá)最高，距8個核苷酸，IL-2表達(dá)降低500倍。 （2）SDs組成與一致序列差異的影響 Plac3種酶翻譯合成比例為1:0.5:0.2，這種現(xiàn)象反映 SDs與一致序列差異導(dǎo)致核糖體結(jié)合速率有塊有慢 密碼子對應(yīng)tRNA太少，等待運(yùn)輸周轉(zhuǎn)。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控3.mRNA二級結(jié)構(gòu)隱蔽SD序列的作用 SDs存在mRNA的二級結(jié)構(gòu)發(fā)夾（莖環(huán)）中，受到了隱蔽核糖體無法靠近與之結(jié)合，只有打開二級結(jié)構(gòu)，暴露位點、方可結(jié)合。 例:紅霉素抗性菌有1個質(zhì)粒omrc 該質(zhì)?？梢跃幋a使23srRNA甲基化酶(紅霉素甲基化酶(erythromycin methylase)使23srRNA

57、2057-2060位GAAG的A甲基化，阻止紅霉素結(jié)合。（紅霉素通過該位點結(jié)合于核糖體）,抑制蛋白質(zhì)合成。紅霉素甲基化酶可使核糖對紅霉素產(chǎn)生抗性。（1）amrc翻譯起始區(qū)有一個反向重復(fù)順序，其上游先導(dǎo)肽也有一個反向重復(fù)順序，類似Trp operon的前導(dǎo)肽，能形成轉(zhuǎn)錄衰減子發(fā)夾結(jié)構(gòu)，稱為翻譯弱化子。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控（2）紅霉素甲基化酶基因、mRNA與前導(dǎo)肽對應(yīng)空間結(jié)構(gòu)前導(dǎo)肽 mRNA1.2,2.3,3.4,4.3片段可以互補(bǔ)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)SD1前導(dǎo)肽核糖體結(jié)合位點SD2紅霉素甲基化酶核糖體結(jié)合位點DNAamrCLmRNA前導(dǎo)肽SD1123 SD24紅霉素甲基化酶前導(dǎo)肽原核生物的基因表達(dá)調(diào)控

58、紅霉素前導(dǎo)肽4個片形成二級結(jié)構(gòu)情況甲基化霉生成情況23srRNA甲基化與紅霉素抗性無前導(dǎo)肽正常翻譯，正常釋出片段1、2，3、4形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)隱匿SD2核糖體元法靠近不能譯出紅霉素甲基化酶無23srRNA甲基化無紅霉素抗性有紅霉素結(jié)合核糖體使之滯留于前導(dǎo)肽，片段1.2，2.3、成發(fā)夾，3.4不能成發(fā)夾，暴露SD2核糖體結(jié)合，譯出紅霉素甲基化酶23srRNA甲基化，抗紅霉素 當(dāng)23srRNA全部甲基化后核糖體不再結(jié)合紅霉素順利譯出先導(dǎo)肽隱匿SD2 核糖體無法靠近不再譯出甲基化酶。甲基化酶可能有本底水平，當(dāng)有紅霉素時，可使甲基化酶大量表達(dá)。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控（二）mRNA的穩(wěn)定性 1.細(xì)菌基因調(diào)控

59、3要素轉(zhuǎn)錄起始、終止和mRNA的快速轉(zhuǎn)換 mRNA快速轉(zhuǎn)換即舊mRNA快速降解，新mRNA快速合成，這是細(xì)菌快速適應(yīng)環(huán)境在mRNA的具體體現(xiàn)。 2.mRNA降解速度的影響因素（一級結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)） 不同mRNA降解速度不同，降解作用不是隨機(jī)的，長不一定比短的不穩(wěn)。 （1）生理狀況、環(huán)境因素均影響mRNA的降解，但最重要的是： （2）mRNA的一級結(jié)構(gòu)和二級結(jié)構(gòu)降解mRNA的內(nèi)切酶主要是：RNase（識別特殊發(fā)夾結(jié)構(gòu)），該酶降解片段才再被其它核酸酶降解（如3外切核酸酶，RNase）。目前所知，mRNA 終止子（尤是不依賴因子終止子）或類似的發(fā)夾結(jié)構(gòu)都可以不同程度阻礙RNase對mRNA的降解。

60、（3）原核mRNA半壽期多為23min，降解NTP用于新的mRNA合成。決定mRNA壽命的許多因素都影響到基因表達(dá)。原核生物的基因表達(dá)調(diào)控（三）翻譯產(chǎn)物對翻譯的調(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.流動工廠，沿mRNA移動 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)