第六章原核基因表達(dá)調(diào)控

緒論一、原核基因表達(dá)調(diào)控總論二、乳糖操縱子的調(diào)控模式三、色氨酸操縱子的調(diào)控模式四、其他操縱子的調(diào)控機(jī)制五、原核生物的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控本章主要內(nèi)容當(dāng)前1頁(yè)，總共48頁(yè)。

基因表達(dá)調(diào)控是生命的必需基因表達(dá)(geneexpression)是指儲(chǔ)存遺傳信息的基因經(jīng)過(guò)一系列步驟表現(xiàn)出其生物功能的整個(gè)過(guò)程。典型的基因表達(dá)是基因經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過(guò)程。rRNA或tRNA的基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工產(chǎn)生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表達(dá)，因?yàn)閞RNA或tRNA就具有在蛋白質(zhì)翻譯方面的功能。當(dāng)前2頁(yè)，總共48頁(yè)。

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。

生物基因組的遺傳信息并不是同時(shí)全部都表達(dá)出來(lái)的

大腸桿菌: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)。哺乳類(lèi):人含有10萬(wàn)個(gè)基因，開(kāi)放轉(zhuǎn)錄的約1萬(wàn)個(gè)上下，即使蛋白質(zhì)合成量比較多、基因開(kāi)放比例較高的肝細(xì)胞，一般也只有不超過(guò)20%的基因處于表達(dá)狀態(tài)。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(lèi)也各不相同，這就是基因表達(dá)的組織特異性當(dāng)前3頁(yè)，總共48頁(yè)。

基因表達(dá)的階段特異性:一般在胚胎時(shí)期基因開(kāi)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、某些基因轉(zhuǎn)向開(kāi)放，胚胎發(fā)育不同階段、不同部位的細(xì)胞中開(kāi)放的基因及其開(kāi)放的程度不一樣，合成蛋白質(zhì)的種類(lèi)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。即使是同一個(gè)細(xì)胞，處在不同的細(xì)胞周期狀態(tài)，其基因的表達(dá)和蛋白質(zhì)合成的情況也不盡相同.當(dāng)前4頁(yè)，總共48頁(yè)。

基因表達(dá)適應(yīng)環(huán)境的變化①組成性表達(dá)(constitutiveexpression)指不大受環(huán)境變動(dòng)而變化的一類(lèi)基因表達(dá)。看家基因(housekeepinggene)。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。

②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(lèi)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(chēng)為誘導(dǎo)(induction)，這類(lèi)基因被稱(chēng)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(chēng)為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱(chēng)為可阻遏的基因(repressiblegene)。返回首頁(yè)當(dāng)前5頁(yè)，總共48頁(yè)。一、原核基因表達(dá)調(diào)控總論１、原核基因表達(dá)的特點(diǎn)原核生物和單細(xì)胞真核生物直接暴露在變幻莫測(cè)的環(huán)境中，食物供應(yīng)毫無(wú)保障，只有能根據(jù)環(huán)境條件的改變合成各種不同的蛋白質(zhì)，使代謝過(guò)程適應(yīng)環(huán)境的變化，才能維持自身的生存和繁衍。自然選擇傾向于保留高效率的生命過(guò)程。在一個(gè)每30min增殖一倍的109細(xì)菌群體中，若有一個(gè)細(xì)菌變成了29.5min增殖一倍，大約經(jīng)過(guò)80天的連續(xù)生長(zhǎng)后，這個(gè)群體中的99.9%都將具有29.5min增殖一倍的生長(zhǎng)速度。當(dāng)前6頁(yè)，總共48頁(yè)。一個(gè)大腸桿菌細(xì)胞中約有2500-3000個(gè)基因。估計(jì)正常情況下，可帶有107個(gè)蛋白質(zhì)，平均每個(gè)基因產(chǎn)生3000多個(gè)蛋白質(zhì)分子。但大腸桿菌中一般帶有15,000-30,000個(gè)核糖體，有50余種核糖體結(jié)合蛋白。此外，負(fù)責(zé)糖酵解系統(tǒng)的蛋白質(zhì)數(shù)量也很大。而象半乳糖苷酶等誘導(dǎo)酶，其含量可少至每細(xì)胞僅1-5個(gè)分子。組成型合成蛋白質(zhì)適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型蛋白質(zhì)當(dāng)前7頁(yè)，總共48頁(yè)。一個(gè)體系在需要時(shí)被打開(kāi)，不需要時(shí)被關(guān)閉。這種"開(kāi)-關(guān)"（on-off）活性是通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄來(lái)建立的，也就是說(shuō)mRNA的合成是可以被調(diào)節(jié)的。當(dāng)我們說(shuō)一個(gè)系統(tǒng)處于"off"狀態(tài)時(shí)，也有本底水平的基因表達(dá)，常常是每世代每個(gè)細(xì)胞只合成1或2個(gè)mRNA分子。所謂"關(guān)"實(shí)際的意思是基因表達(dá)量特別低，很難甚至無(wú)法檢測(cè)。

科學(xué)家把這個(gè)從DNA到蛋白質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為基因表達(dá)(geneexpression)，對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱(chēng)為基因表達(dá)調(diào)控(generegulation或genecontrol)。當(dāng)前8頁(yè)，總共48頁(yè)?；虮磉_(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控（2）轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控mRNA加工成熟水平上的調(diào)控翻譯水平上的調(diào)控

原核生物中，營(yíng)養(yǎng)狀況和環(huán)境因素對(duì)基因表達(dá)起著舉足輕重的影響。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和發(fā)育階段是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段，營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。返回首頁(yè)當(dāng)前9頁(yè)，總共48頁(yè)。正調(diào)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)，又可分為可誘導(dǎo)的正調(diào)控和可阻遏的正調(diào)控。２、原核基因調(diào)控機(jī)制的類(lèi)型與特點(diǎn)當(dāng)前10頁(yè)，總共48頁(yè)。負(fù)調(diào)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白。根據(jù)其作用特征又可分為可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控和可阻遏的負(fù)調(diào)控。當(dāng)前11頁(yè)，總共48頁(yè)。(一)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(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)。大腸桿菌二階段生長(zhǎng)現(xiàn)象二、乳糖操縱子(lac)的調(diào)控模式當(dāng)前12頁(yè)，總共48頁(yè)。Jacob和Monod根據(jù)對(duì)lacZ,Y,A基因突變體的研究,于1961年提出了操縱子學(xué)說(shuō)。其要點(diǎn)是:一個(gè)或幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因與一個(gè)調(diào)節(jié)基因和一個(gè)操縱位點(diǎn)組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元。這個(gè)單元就稱(chēng)其為操縱子。調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的阻遏蛋白與操縱位點(diǎn)結(jié)合從而阻礙了結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄成為mRNA;而誘導(dǎo)物又可以與阻遏蛋白相結(jié)合從而阻止阻遏蛋白與操作子的結(jié)合。乳糖操縱元模型提出以后,人們相繼了解了許多其他的操縱元,這些操縱元都各有其特點(diǎn)。例如半乳糖操縱元具有雙啟動(dòng)子結(jié)構(gòu);阿拉伯糖操縱元的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)具有正控制和負(fù)控制的雙重功能;色氨酸操縱元是一個(gè)可阻遏的操縱元。操縱子（operon）學(xué)說(shuō)當(dāng)前13頁(yè)，總共48頁(yè)。在環(huán)境中沒(méi)有乳糖或其他β-半乳糖苷時(shí)，大腸桿菌合成β-半乳糖苷酶量極少，加入乳糖2－3分鐘后，細(xì)菌大量合成β-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β-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(zhǎng)細(xì)菌利用乳糖再次繁殖前，也能測(cè)出細(xì)菌中β-半乳糖苷酶活性顯著增高的過(guò)程。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)菌的乳糖透過(guò)酶催化乳糖分解第一步的β－半乳糖苷酶(圖)β-半乳糖苷酶的作用當(dāng)前14頁(yè)，總共48頁(yè)。圖中z、a和b型是大腸桿菌編碼利用乳糖所需酶類(lèi)的基因，p是轉(zhuǎn)錄z、a、b所需要的啟動(dòng)子，調(diào)控基因i編碼合成調(diào)控蛋白R(shí)，R能與o結(jié)合而阻礙從p開(kāi)始的基因轉(zhuǎn)錄，所以o就是調(diào)節(jié)基因開(kāi)放的操縱序列，乳糖能改變R結(jié)構(gòu)使其不能與o結(jié)合，因而乳糖濃度增高時(shí)基因就開(kāi)放，轉(zhuǎn)錄合成所編碼的酶類(lèi)，這樣大腸桿菌就能適應(yīng)外界乳糖供應(yīng)的變化而改變利用乳糖的狀況。當(dāng)前15頁(yè)，總共48頁(yè)。1、結(jié)構(gòu)基因群結(jié)構(gòu)基因：操縱元中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因可稱(chēng)為結(jié)構(gòu)基因(SG)。一個(gè)操縱元中含有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(DNA存儲(chǔ)鏈上是ATG，轉(zhuǎn)錄成mRNA就是AUG)，3′端有翻譯終止碼(DNA存儲(chǔ)鏈上是TAA、TGA或TAG，轉(zhuǎn)錄成mRNA就是UAA、UGA或UAG)。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),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?lè)醋觤RNA，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。（二）操縱子(operon)的基本組成當(dāng)前16頁(yè)，總共48頁(yè)。乳糖操縱子控制模型的主要內(nèi)容：⑴Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順?lè)醋拥膍RNA分子所編碼；⑵啟動(dòng)區(qū)P位于阻遏基因I與操縱區(qū)O之間；⑶操縱區(qū)是DNA上的一小段序列，是阻遏物結(jié)合的位點(diǎn)；⑷當(dāng)阻遏物與操縱區(qū)結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制；⑸誘導(dǎo)物通過(guò)與阻遏物結(jié)合，改變其三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)結(jié)合，使lacmRNA能夠合成。當(dāng)前17頁(yè)，總共48頁(yè)。乳糖操縱元的結(jié)構(gòu)及其基因表達(dá)調(diào)控可綜合于圖（三）乳糖操縱元的表達(dá)調(diào)控當(dāng)前18頁(yè)，總共48頁(yè)。z基因長(zhǎng)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)閯e乳糖，再分解為半乳糖和葡萄糖；z基因5′側(cè)具有大腸桿菌RBS特征的(SD)序列。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)乙酰基酶，以二聚體活性形式催化半乳糖的乙?；?。由于z、y、a三個(gè)基因頭尾相接，同一個(gè)核糖體能沿此轉(zhuǎn)錄生成的多順?lè)醋觤RNA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(lái)而繼續(xù)沿mRNA移動(dòng)合成下一個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)。1乳糖操縱元含有z、y和a三個(gè)結(jié)構(gòu)基因。當(dāng)前19頁(yè)，總共48頁(yè)。啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。操縱元至少有一個(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。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(cè)出啟動(dòng)子的范圍及其序列。不同的啟動(dòng)子序列有所不同，有一些共同的規(guī)律，它們一般長(zhǎng)40－60bp，含A桾堿基對(duì)較多，某些段落是很相似的，這些相似的保守性段落稱(chēng)為共有性序列。如圖所示，啟動(dòng)子一般可分為識(shí)別(R)、結(jié)合(B)和起始(I)三個(gè)區(qū)段。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；在－10bp附近有TATAAT一組共有序列，稱(chēng)為Pribnow盒；在－35bp處又有TTGACA一組共有序列。原核生物基因轉(zhuǎn)錄起始區(qū)2、啟動(dòng)子當(dāng)前20頁(yè)，總共48頁(yè)。操縱子(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。舉乳糖操縱元中的操縱子為例，如圖所示，其操縱子(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)分析該操縱子序列，可見(jiàn)這段雙鏈DNA具有回文樣的對(duì)稱(chēng)性一級(jí)結(jié)構(gòu)，能形成十字形的莖環(huán)構(gòu)造。不少操縱子都具有類(lèi)似的對(duì)稱(chēng)性序列，可能與特定蛋白質(zhì)的結(jié)合相關(guān)。乳糖操縱元的P-O區(qū)及O區(qū)序列3、操縱子當(dāng)前21頁(yè)，總共48頁(yè)。調(diào)控基因(rg)是編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。與操縱子結(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(chēng)為阻遏蛋白(rp)，其介導(dǎo)的調(diào)控方式稱(chēng)為負(fù)性調(diào)控；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(chēng)為激活蛋白，所介導(dǎo)的調(diào)控方式稱(chēng)為正性調(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(duì)基因錄的影響，這些特定物質(zhì)可稱(chēng)為效應(yīng)物，其中凡能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子稱(chēng)為誘導(dǎo)劑，能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子稱(chēng)為阻遏劑或輔助阻遏劑。4、調(diào)控基因當(dāng)前22頁(yè)，總共48頁(yè)。終止子(T)是給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的DNA序列。在一個(gè)操縱元中至少在構(gòu)基因群最后一個(gè)基因的后面有一個(gè)終止子。終止子按其作用是否需蛋白因子的協(xié)助至少可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是不依賴ρ因子(蛋白性終止因子)的終止子，這類(lèi)終止子在序列上有一些共通的特點(diǎn)，即有一段富含GC的反向重復(fù)序列，其后跟隨一段富含AT的序列(圖)，因而轉(zhuǎn)錄生成的mRNA的序列中能形成發(fā)夾式結(jié)構(gòu)，后繼一連串U，正是RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄生成的這段mRNA的結(jié)構(gòu)阻止RNA聚合酶繼續(xù)沿DNA移動(dòng)，并使聚合酶從DNA鏈上脫落下來(lái)，終止轉(zhuǎn)錄。另一類(lèi)是依賴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。5、終止子當(dāng)前23頁(yè)，總共48頁(yè)。以上5種元件是每一個(gè)操縱元必定含有的。其中啟動(dòng)子、操縱子位于緊鄰結(jié)構(gòu)基因群的上游，終止子在結(jié)構(gòu)基因群之后，它們都在結(jié)構(gòu)基因的附近，只能對(duì)同一條DNA鏈上的基因表達(dá)起調(diào)控作用，這種作用在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)上稱(chēng)為順式作用，啟動(dòng)子、操縱子和終止子就屬于順式作用元件。調(diào)控基因可以在結(jié)構(gòu)基因群附近、也可以遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)基因，它是通過(guò)其基因產(chǎn)物調(diào)控蛋白來(lái)發(fā)揮作用的，因而調(diào)控基因不僅能對(duì)同一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因起表達(dá)調(diào)控作用，而且能對(duì)不在一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因起作用，在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)上稱(chēng)為反式作用，其編碼產(chǎn)生的調(diào)控蛋白稱(chēng)為反式調(diào)控因子。當(dāng)前24頁(yè)，總共48頁(yè)。乳糖操縱元的結(jié)構(gòu)及其基因表達(dá)調(diào)控可綜合于圖（三）乳糖操縱元的表達(dá)調(diào)控當(dāng)前25頁(yè)，總共48頁(yè)。當(dāng)大腸桿菌在沒(méi)有乳糖的環(huán)境中生存時(shí)，1ac操縱元處于阻遏狀態(tài)。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P1ac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o偶爾解離，使細(xì)胞中還有極低水平的β－半乳糖苷酶及透過(guò)酶的生成。當(dāng)有乳糖存在時(shí)，乳糖受β－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(kāi)放，β－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)1ac操縱元的誘導(dǎo)作用。1、阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控當(dāng)前26頁(yè)，總共48頁(yè)。一些化學(xué)合成的乳糖類(lèi)似物，不受β－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)1ac操縱元的開(kāi)放。例如異丙基硫代半乳糖苷(IPTG)就是很強(qiáng)的誘導(dǎo)劑，不被細(xì)胞代謝而十分穩(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。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。當(dāng)前27頁(yè)，總共48頁(yè)。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。細(xì)菌中有一種能與cAMP特異結(jié)合的cAMP受體蛋白CRP，當(dāng)CRP未與cAMP結(jié)合時(shí)它是沒(méi)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(chēng)為CAP，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合。在1ac操縱元的啟動(dòng)子P1ac上游端有一段與P1ac部分重疊的序列，能與CAP特異結(jié)合，稱(chēng)為CAP結(jié)合位點(diǎn)。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，1ac操縱元的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)下降。葡萄糖利用對(duì)乳糖操縱元的影響2、CAP的正性調(diào)控當(dāng)前28頁(yè)，總共48頁(yè)。由于P1ac是弱啟動(dòng)子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使1ac操縱元轉(zhuǎn)錄開(kāi)放，還不能使細(xì)胞很好利用乳糖，必須同時(shí)有CAP來(lái)加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，細(xì)菌才能合成足夠的酶來(lái)利用乳糖。1ac操縱元的強(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。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)錄起正性作用的控蛋白棗激活蛋白，編碼CRP的基因也是一個(gè)調(diào)控基因，不過(guò)它并不在1ac操縱元的附近，CAP可以對(duì)幾個(gè)操縱元都起作用。從上所述，乳糖操縱元屬于可誘導(dǎo)操縱元，這類(lèi)操縱元通常是關(guān)閉的，當(dāng)受效應(yīng)物作用后誘導(dǎo)開(kāi)放轉(zhuǎn)錄。這類(lèi)操縱元使細(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。返回首頁(yè)當(dāng)前29頁(yè)，總共48頁(yè)。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(guò)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元(trpoperon)的調(diào)控。色氨酸操縱子負(fù)責(zé)色氨酸的生物合成，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)，色氨酸或與其代謝有關(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。三、色氨酸操縱子的調(diào)控模式當(dāng)前30頁(yè)，總共48頁(yè)。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trpE基因是第一個(gè)被翻譯的基因，和trpL和trpa（不是trpA）。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)，后者在大腸桿菌染色體圖上25min處，而前者則位于90min處。在位于65min處還有一個(gè)trpS（色氨酸t(yī)RNA合成酶），它和攜帶有trp的tRNATrp也參與trp操縱子的調(diào)控作用。1、色氨酸操縱元的結(jié)構(gòu)與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控當(dāng)前31頁(yè)，總共48頁(yè)。合成色氨酸所需要酶類(lèi)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)分子量為47000的調(diào)控蛋白R(shí)。R并沒(méi)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，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，當(dāng)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)的操縱元都屬于這種類(lèi)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)。當(dāng)前32頁(yè)，總共48頁(yè)。trpR基因突變常引起trpmRNA的永久型合成，該基因產(chǎn)物因此被稱(chēng)為輔阻遏蛋白(aporepressor)。除非培養(yǎng)基中有色氨酸，否則這個(gè)輔阻遏蛋白不會(huì)與操縱區(qū)結(jié)合。輔阻遏蛋白與色氨酸相結(jié)合形成有活性的阻遏物，與操縱區(qū)結(jié)合并使之關(guān)閉轉(zhuǎn)錄trpmRNA。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。這個(gè)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。trp操縱子的阻遏系統(tǒng)當(dāng)前33頁(yè)，總共48頁(yè)。實(shí)驗(yàn)觀察表明：當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度，但還沒(méi)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(lèi)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)象與色氨酸操縱元特殊的結(jié)構(gòu)有關(guān)。色氨酸操縱元中的衰減子結(jié)構(gòu)及其調(diào)控示意圖2、衰減子及其作用當(dāng)前34頁(yè)，總共48頁(yè)。Ptrp-o與trpE之間有162bp的一段先導(dǎo)序列(L)，實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)色氨酸達(dá)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(kāi)放讀框，其序列中有2個(gè)色氨酸相連，在此開(kāi)放讀框前有核糖體識(shí)別結(jié)合位點(diǎn)(RBS)序列。在先導(dǎo)序列的后半段含有3對(duì)反向重復(fù)序列，在被轉(zhuǎn)錄生成mRNA時(shí)都能夠形成發(fā)夾式結(jié)構(gòu)，但由于B的序列分別與A和C重疊，所以如果B形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，A和C都不能再形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)；相反，當(dāng)A形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)時(shí)，B就不能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，卻有利于C生成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。C后面緊跟一串A(轉(zhuǎn)錄成RNA就是一串U)，C實(shí)際上是一個(gè)終止子，如果轉(zhuǎn)錄mRNA時(shí)它形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，就能使RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄而從mRNA上脫離下來(lái)。三種不同情況下A、B、C形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的狀態(tài)前導(dǎo)區(qū)序列特點(diǎn)與弱化作用當(dāng)前35頁(yè)，總共48頁(yè)。在色氨酸未達(dá)到能起阻遏作用的濃度時(shí)，從Ptrp起始轉(zhuǎn)錄，RNA聚合酶沿DNA轉(zhuǎn)錄合成mRNA，同時(shí)核糖體就結(jié)合到新生成的mRNA核糖體結(jié)合位點(diǎn)上開(kāi)始翻譯。當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)，生成的tRNAtrp色氨酸量就少，能擴(kuò)散到核糖體，mRNA形成的翻譯復(fù)合體中供給合成短肽的幾率低，使核糖體沿mRNA翻譯移動(dòng)的速度慢，趕不上RNA聚合酶沿DNA移動(dòng)轉(zhuǎn)錄的速度，這時(shí)核糖體占據(jù)短開(kāi)放讀框的機(jī)會(huì)較多，使A不能生成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，于是B就形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，阻止了C生成終止信號(hào)的結(jié)構(gòu)，RNA聚合酶得以沿DNA前進(jìn)，繼續(xù)去轉(zhuǎn)錄其后trpE等基因，trp操縱元就處于開(kāi)放狀態(tài)。當(dāng)色氨酸濃度增高時(shí)，tRNAtrp色氨酸濃度隨之升高，核糖體沿mRNA翻譯移動(dòng)的速度加快，占據(jù)到B段的機(jī)會(huì)增加，B生成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)減少，C形成終止結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)增多，RNA聚合酶終止轉(zhuǎn)錄的的幾率增加，于是轉(zhuǎn)錄減弱。當(dāng)前36頁(yè)，總共48頁(yè)。如果當(dāng)其他氨基酸短缺或所有的氨基酸都不足時(shí)，核糖體翻譯移動(dòng)的速度就更慢，甚至不能占據(jù)A的序列，結(jié)果有利于A和C發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成，于是RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄，等于告訴細(xì)菌：“整個(gè)氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能合成蛋白質(zhì)，不如不合成以節(jié)省能量”。先導(dǎo)序列起到隨色氨酸濃度升高降低轉(zhuǎn)錄的作用，這段序列就稱(chēng)為衰減子attenuator)。在trp操縱元中，對(duì)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控起到粗調(diào)的作用，而衰減子起到細(xì)調(diào)的作用。細(xì)菌其他氨基酸合成系統(tǒng)的許多操縱元(如組氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸等操縱元)中也有類(lèi)似的衰減子存在。返回首頁(yè)當(dāng)前37頁(yè)，總共48頁(yè)。激酶KUDP轉(zhuǎn)移酶T差向異構(gòu)酶E半乳糖半乳糖+葡萄糖半乳糖-1-磷酸乳糖UDP-葡萄糖UDP-半乳糖葡萄糖UDP轉(zhuǎn)移酶T細(xì)胞壁四、其他操縱子的調(diào)控機(jī)制1．半乳糖操縱子當(dāng)前38頁(yè)，總共48頁(yè)。包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：

異構(gòu)酶(galE)，

半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galT)，

半乳糖激酶(galk)。

這3個(gè)酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖-1-磷酸。GalR與galE、T、K及操縱區(qū)O等離得很遠(yuǎn)，而galR產(chǎn)物對(duì)galO的作用與lacI-lacO的作用相同。galEgalTgalkgalRPOP當(dāng)前39頁(yè)，總共48頁(yè)。gal操縱子的特點(diǎn)：

①它有兩個(gè)啟動(dòng)子，相距僅5bp,每個(gè)啟動(dòng)子擁有各自的RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)S1和S2。其mRNA可從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)錄；

②有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游-67--53，一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。當(dāng)前40頁(yè)，總共48頁(yè)。從S1起始的轉(zhuǎn)錄只有在培養(yǎng)基中無(wú)葡萄糖時(shí)，才能順利進(jìn)行，RNA聚合酶與S1的結(jié)合需要半乳糖、CAP和較高濃度的cAMP。從S2起始的轉(zhuǎn)錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由這個(gè)啟動(dòng)子起始的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)有cAMP-CAP時(shí)，轉(zhuǎn)錄