基因的表達(dá)與調(diào)控上

第七章基因的表達(dá)與調(diào)控（上）——原核基因表達(dá)調(diào)控模式當(dāng)前1頁(yè)，總共56頁(yè)。1.原核基因表達(dá)調(diào)控總論2.乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)3.色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)4.轉(zhuǎn)錄水平的其他調(diào)控方式5.轉(zhuǎn)錄后調(diào)控主要內(nèi)容當(dāng)前2頁(yè)，總共56頁(yè)。7.1原核基因表達(dá)調(diào)控總論□基因表達(dá)（geneexpression）：從DNA到蛋白質(zhì)或功能RNA的過(guò)程□基因表達(dá)調(diào)控（generegulation或genecontrol）對(duì)基因表達(dá)過(guò)程的調(diào)節(jié)□基因表達(dá)調(diào)控主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（transcriptionalregulation）轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控（past-transcriptionalregulation）1）mRNA加工成熟水平上的調(diào)控（differentialprocessingofRNAtrscript）2）翻譯水平上的調(diào)控□原核生物中，營(yíng)養(yǎng)狀況（nutritionalstatus）和環(huán)境因素（enviromentalfactor）對(duì)基因表達(dá)起著舉足輕重的影響；在真核生物中特別是高等真核生物

激素水平（hormonelevel）和發(fā)育階段（developmentalstage）是基因表達(dá)調(diào)控的最主要的手段。當(dāng)前3頁(yè)，總共56頁(yè)。當(dāng)前4頁(yè)，總共56頁(yè)。7.1.1原核基因調(diào)控分類□負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（negativetranscriptionregulation）調(diào)解基因的產(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)其特征又分為：1）負(fù)控誘導(dǎo)：阻遏蛋白（活性）不與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。2）負(fù)控阻遏：阻遏蛋白（非活性）與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)（阻遏蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚誀顟B(tài)）結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄?！跽D(zhuǎn)錄調(diào)控（positivetranscriptionregulation）調(diào)解基因的產(chǎn)物是激活蛋白（activator）1）正控誘導(dǎo)系統(tǒng)：誘導(dǎo)物的存在使激活蛋白處于活化狀態(tài)2）正控阻遏系統(tǒng)：效應(yīng)物的存在使激活蛋白處于非活化狀態(tài)當(dāng)前5頁(yè)，總共56頁(yè)。負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)正控誘導(dǎo)系統(tǒng)當(dāng)前6頁(yè)，總共56頁(yè)。負(fù)控阻遏系統(tǒng)正控阻遏系統(tǒng)當(dāng)前7頁(yè)，總共56頁(yè)。7.1.2原核基因調(diào)控的主要特點(diǎn)1.可誘導(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(lái)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。例子：大腸桿菌的lac操縱子可誘導(dǎo)基因；可誘導(dǎo)酶；酶的誘導(dǎo)合成2.可阻遏調(diào)節(jié)這類基因平時(shí)都是開(kāi)啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過(guò)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)。例子：大腸桿菌的Trp操縱子可阻遏基因；可阻遏酶；可阻遏現(xiàn)象；阻遏物□一般規(guī)律：可誘導(dǎo)的操縱子總是一些編碼糖和AA分解代謝蛋白的基因，這些操縱子常常是關(guān)閉的；可阻遏基因正好相反，他們是一些合成各種細(xì)胞代謝過(guò)程中所必需的小分子物質(zhì)的基因，這些基因常常是打開(kāi)的。當(dāng)前8頁(yè)，總共56頁(yè)。7.1.3弱化子對(duì)基因活性的影響在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號(hào)作用的是有特殊負(fù)載的AA-tRNA的濃度，是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)中的微調(diào)整。當(dāng)操縱子被阻遏，RNA合成被終止時(shí)，起終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)作用的那一段核苷酸被稱為弱化子。例子：Trp操縱子的弱化作用7.1.4降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)在葡萄糖存在的情況下，即使在細(xì)菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖等誘導(dǎo)物，與其對(duì)應(yīng)的操縱子也不會(huì)啟動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生出代謝這些糖的酶，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)或降解物抑制效應(yīng)。降解物抑制作用是通過(guò)提高轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的。7.1.5細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)應(yīng)急反應(yīng)的信號(hào)：ppGpp和pppGpp。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物是空載tRNA。當(dāng)前9頁(yè)，總共56頁(yè)。7.2乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)□操縱子模型操縱子：基因表達(dá)的協(xié)同單位。指原核生物中由一個(gè)或多個(gè)相關(guān)基因以及轉(zhuǎn)錄翻譯調(diào)控元件組成的基因表達(dá)單元。操縱子學(xué)說(shuō)：關(guān)于原核基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控的學(xué)說(shuō)□法國(guó)巴斯德研究所Jacob和Monod在1961年提出□操縱子的組成1）結(jié)構(gòu)基因2）調(diào)節(jié)基因（I）3）控制部位：可接受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的調(diào)節(jié)。包括啟動(dòng)子（P區(qū)）和操縱基因（O區(qū)）。當(dāng)前10頁(yè)，總共56頁(yè)。調(diào)節(jié)基因控制部位結(jié)構(gòu)基因當(dāng)前11頁(yè)，總共56頁(yè)。7.2.1乳糖操縱子模型1）Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順販子的mRNA分子所編碼

Z基因：編碼β-半乳糖苷酶

Y基因：編碼β-半乳糖苷透過(guò)酶

A基因：編碼β-半乳糖乙?；D(zhuǎn)移酶2）該mRNA分子的啟動(dòng)區(qū)（P）位于阻遏基因（I）與操縱區(qū)（O）之間，不能單獨(dú)起始半乳糖苷酶和透過(guò)酶的高效表達(dá)3）操縱區(qū)（O）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)阻遏物與操縱區(qū)結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。5）誘導(dǎo)物通過(guò)與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱區(qū)結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成□這一模型僅解釋了lac體系的負(fù)控系統(tǒng)，在lac操縱子同樣存在正調(diào)控！當(dāng)前12頁(yè)，總共56頁(yè)。β-半乳糖苷酶透過(guò)酶乙?；D(zhuǎn)移酶當(dāng)前13頁(yè)，總共56頁(yè)。7.2.2lac操縱子的影響因子1.lac操縱子的本底水平表達(dá)□問(wèn)題：1）誘導(dǎo)物需要穿過(guò)細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要透過(guò)酶，透過(guò)酶的合成又需要誘導(dǎo)。

第一個(gè)誘導(dǎo)物是如何到達(dá)細(xì)胞的？2）乳糖（G-1,4-gal）并不與阻遏物結(jié)合，真正的誘導(dǎo)物是異乳糖（G-1,6-gal

）而異乳糖是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。

乳糖誘導(dǎo)β-半乳糖苷酶的合成需要β-半乳糖苷酶的預(yù)先存在！□對(duì)這一現(xiàn)象的解釋：在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成（大約每個(gè)世代中有1-5個(gè)mRNA分子）這種合成被稱為本底水平的永久型合成當(dāng)前14頁(yè)，總共56頁(yè)?！跹芯空T導(dǎo)作用時(shí)很少適用乳糖，而用乳糖類似物1）異丙基巰基半乳糖苷（IPTG）2）巰甲基半乳糖苷（TMG）3）在酶活性分析中，常用顯色底物O-硝基半乳糖苷（ONPG）□他們都是高效誘導(dǎo)物，但不是半乳糖苷酶的底物，因此稱為安慰性誘導(dǎo)物當(dāng)前15頁(yè)，總共56頁(yè)。2.大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)本底水平表達(dá)（幾個(gè)分子的β-半乳糖苷酶和透過(guò)酶）↓乳糖在透過(guò)酶作用下，lac進(jìn)入細(xì)胞，又在β-半乳糖苷酶作用下乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

異乳糖↓異乳糖與結(jié)合在操縱區(qū)上的阻遏物結(jié)合導(dǎo)致

阻遏物失活↓lacmRNA開(kāi)始合成當(dāng)前16頁(yè)，總共56頁(yè)。3.阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能□lacI基因產(chǎn)物為阻遏蛋白，由4個(gè)相同亞基，每個(gè)亞基均含有347AA，并能與1分子IPTG結(jié)合。□lac阻遏物mRNA是在弱啟動(dòng)子控制下永久合成的?！醍?dāng)I基因由弱啟動(dòng)子突變成強(qiáng)啟動(dòng)子，細(xì)胞內(nèi)不能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來(lái)克服阻遏狀態(tài)，整個(gè)lac操縱子在這些突變體中不可誘導(dǎo)。當(dāng)前17頁(yè)，總共56頁(yè)。4.葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響β-半乳糖苷酶lac——————→G+galgal操縱子G□將G和lac同時(shí)加入培養(yǎng)基，大腸桿菌在耗盡外源G之前不會(huì)誘發(fā)lac操縱子□G對(duì)lac操縱子表達(dá)的抑制是間接的證據(jù)：一個(gè)大腸桿菌突變株，他在EMP途徑中不能將G-6-P轉(zhuǎn)化為下一步代謝中間物，這些細(xì)菌的lac基因能在葡萄糖存在時(shí)被誘導(dǎo)合成?！醮x物阻遏效應(yīng)（葡萄糖效應(yīng)）葡萄糖的某些降解產(chǎn)物（不是葡萄糖）抑制lacmRNA合成的現(xiàn)象G耗盡（或：有葡萄糖存在時(shí)，不論誘導(dǎo)物存在與否，操縱子都沒(méi)有轉(zhuǎn)錄活性，結(jié)構(gòu)基因都不表達(dá)）當(dāng)前18頁(yè)，總共56頁(yè)。5.cAMP與代謝物激活蛋白（lac操縱子的正調(diào)節(jié)）□在大腸桿菌中，cAMP的濃度受G代謝的調(diào)節(jié)1）將細(xì)菌放在缺乏碳源的培養(yǎng)基中，細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度就高；2）如果在含G培養(yǎng)基中，細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度就低；3）如果培養(yǎng)基中只有甘油或乳糖等不進(jìn)行EMP途徑（甘油其實(shí)可進(jìn)入EMP途徑）的碳源，細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度也會(huì)很高。

說(shuō)明：在EMP途徑中位于G-6-P與甘油之間的某些代謝產(chǎn)物是cAMP酶的抑制劑□大腸桿菌中的代謝物激活蛋白（CAP），或稱為cAMP-受體蛋白（CRP）,由Crp基因編碼，能與cAMP形成復(fù)合物cAMP-CRP。□Crp和cAMP酶基因突變的細(xì)菌都不能合成lacmRNA

CRP和cAMP（兩者單獨(dú)不起作用）都是合成lacmRNA所必需的！當(dāng)前19頁(yè)，總共56頁(yè)。□G會(huì)降低細(xì)胞內(nèi)cAMP的水平。當(dāng)G缺乏時(shí)，大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)cAMP上升，CRP結(jié)合到cAMP上。CRP-cAMP結(jié)合到緊鄰RNAPol結(jié)合位點(diǎn)上游的lac操縱子Plac上。CRP的結(jié)合引起DNA鏈發(fā)生90度彎曲，這增強(qiáng)RNAPol與啟動(dòng)子的結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄效率提高50倍。□細(xì)菌對(duì)于cAMP-CRP復(fù)合物的需要是獨(dú)立的，與阻遏體系無(wú)關(guān)，轉(zhuǎn)錄必須有cAMP-CRP復(fù)合物結(jié)合在DNA的啟動(dòng)子上，是lac操縱子的正調(diào)控因子□lac操縱子是在負(fù)調(diào)控和正調(diào)控兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)控體系下完成的。當(dāng)前20頁(yè)，總共56頁(yè)。正調(diào)控位點(diǎn)負(fù)調(diào)控位點(diǎn)lac操縱子必須同時(shí)在CRP結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合cAMP-CRP和去阻遏狀態(tài)下才能高效表達(dá)當(dāng)前21頁(yè)，總共56頁(yè)。7.2.3lac操縱子中的其他問(wèn)題A基因及其生理功能A基因：編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶，使β-半乳糖第6位C原子乙?；瘑?wèn)題：為什么A基因不在乳糖降解中起作用呢？自然界存在很多能被β-半乳糖苷酶降解的β-半乳糖苷分子，其分解產(chǎn)物不能被進(jìn)一步代謝，很容易在體內(nèi)積累，是細(xì)胞正常生長(zhǎng)的抑制物。而β-半乳糖苷分子（如IPTG）被乙酰化后，不能被β-半乳糖苷酶降解。抑制有害物質(zhì)的積累。證據(jù)：當(dāng)有IPTG存在時(shí)，I-OcA-大腸桿菌的生長(zhǎng)速度顯著慢于相應(yīng)的A+株系，其差異僅僅在于IPTG被乙?；?。當(dāng)前22頁(yè)，總共56頁(yè)。2.Lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較

在一個(gè)完全被誘導(dǎo)的細(xì)胞中

β-半乳糖酶：β-半乳糖透過(guò)酶：β-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶=1：0.5：0.2不同酶在數(shù)量上的差異是由于翻譯水平上受到調(diào)節(jié)所致。1）大多數(shù)多順?lè)醋觤RNA分子，存在一個(gè)從mRNA的5’端到3’端的蛋白質(zhì)合成的梯度。當(dāng)lacmRNA與核糖體脫離，終止蛋白質(zhì)合成，其發(fā)生的頻率取決于AUG密碼子再度起始翻譯的概率?？拷黰RNA的5’端再度起始的概率大。2）在lacmRNA分子內(nèi)部，A基因比Z基因更易受內(nèi)切酶作用。當(dāng)前23頁(yè)，總共56頁(yè)。3.操縱子的融合與基因工程操縱子在自然條件下可能發(fā)生融合如：lac操縱子與負(fù)責(zé)嘌呤合成的pur操縱子的偶聯(lián)。OPZpur基因POZYAtsxPOpur基因lac操縱子pur操縱子控制細(xì)胞對(duì)T6噬菌體敏感性基因tsxsZ細(xì)胞tsxRZ-突變體強(qiáng)啟動(dòng)子缺失pur基因啟動(dòng)子一部分缺失Z基因的終止序列融合基因當(dāng)前24頁(yè)，總共56頁(yè)。7.3Trp操縱子與負(fù)控阻遏體系Trp的合成分5步完成，有7個(gè)基因參與整個(gè)合成過(guò)程當(dāng)前25頁(yè)，總共56頁(yè)。7.3.1Trp操縱子的阻遏系統(tǒng)□由于trp體系參與生物合成而不是降解，它不受G或cAMP-CRP的調(diào)控?！醍?dāng)培養(yǎng)基中含有高濃度的trp時(shí)，Trp操縱子不表達(dá)；當(dāng)培養(yǎng)基中trp不足時(shí)，Trp操縱子表達(dá)?！{(diào)節(jié)基因trpR的產(chǎn)物稱為輔阻遏蛋白，可與trp結(jié)合形成有活性的阻遏物與O區(qū)結(jié)合并關(guān)閉trpmRNA轉(zhuǎn)錄；缺乏trp時(shí)，輔阻遏蛋白失去trp并從O區(qū)上解離，trp操縱子去阻遏。當(dāng)前26頁(yè)，總共56頁(yè)。當(dāng)前27頁(yè)，總共56頁(yè)。7.3.2弱化子與前導(dǎo)肽有些現(xiàn)象與以阻遏作為唯一調(diào)節(jié)機(jī)制的觀點(diǎn)不一致1）在trp高濃度和低濃度下觀察到trp操縱子的表達(dá)水平相差600倍，而阻遏作用僅使轉(zhuǎn)錄降低70倍。2）使阻遏物失活突變不能完全消除trp對(duì)trp操縱子的影響。——這種調(diào)控機(jī)制與阻遏物的控制無(wú)關(guān)，必定有其他調(diào)控機(jī)制！□研究證實(shí)，阻遏-操縱機(jī)制控制轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)，是trp操縱子的粗調(diào)開(kāi)關(guān)，還有另外一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)控并決定已經(jīng)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)錄能否繼續(xù)下去?！趸饔谩跞趸饔茫菏峭ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)錄到達(dá)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□前導(dǎo)區(qū)：trpE基因的起始密碼前一個(gè)162bp的mRNA片段稱為前導(dǎo)區(qū)其中123-150位堿基序列缺失，trp基因表達(dá)可提高6-10倍。當(dāng)mRNA合成起始后，除非培養(yǎng)基中完全沒(méi)有trp，轉(zhuǎn)錄總在這個(gè)區(qū)域終止，產(chǎn)生一個(gè)僅有140nt的RNA分子，終止trp基因轉(zhuǎn)錄。當(dāng)前28頁(yè)，總共56頁(yè)。弱化子（attenuator）：指原核生物操縱子中能顯著減弱甚至終止轉(zhuǎn)錄作用的一段核苷酸序列。該序列能形成不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)，利用原核生物轉(zhuǎn)錄與翻譯的偶聯(lián)機(jī)制對(duì)轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)節(jié)?！踉搮^(qū)域mRNA通過(guò)自我配對(duì)可以形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型終止子特點(diǎn)當(dāng)前29頁(yè)，總共56頁(yè)。前導(dǎo)肽：前導(dǎo)序列包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA，如果翻譯起始于AUG，應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)14AA的多肽，這個(gè)假設(shè)的多肽稱為前導(dǎo)肽。mRNA前導(dǎo)區(qū)的序列分析□具有4個(gè)分別以1、2、3和4表示的片段，能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對(duì)。1）1-2，3-4配對(duì)：其中3-4配區(qū)正好位于終止密碼的識(shí)別區(qū)，為終止構(gòu)型2）2-3配對(duì)：抗終止子結(jié)構(gòu)當(dāng)前30頁(yè)，總共56頁(yè)。當(dāng)前31頁(yè)，總共56頁(yè)。4.轉(zhuǎn)錄的弱化作用□該理論認(rèn)為，mRNA轉(zhuǎn)錄的終止是通過(guò)前導(dǎo)肽基因的翻譯來(lái)調(diào)節(jié)的。因?yàn)樵谇皩?dǎo)肽基因中有兩個(gè)相鄰的trp密碼子（第10和11位），所以這個(gè)前導(dǎo)肽的翻譯必定對(duì)tRNATrp的濃度敏感。1）當(dāng)培養(yǎng)基中[trp]低時(shí)，tRNATrp就少，翻譯通過(guò)兩個(gè)trp密碼子的速度就慢，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)trp密碼子處），此時(shí)前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)為2-3配對(duì)，不形成3-4配對(duì)的終止結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行，直至將結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄。2）當(dāng)培養(yǎng)基中[trp]高時(shí)，tRNATrp就多，核糖體順利通過(guò)兩個(gè)trp密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前，核糖體就到達(dá)2區(qū)，形成形成3-4配對(duì)的終止結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄終止。弱化作用對(duì)RNAPol的影響依賴于前導(dǎo)肽翻譯中核糖體所處的位置當(dāng)前32頁(yè)，總共56頁(yè)?！鮰rp操縱子的阻遏作用與弱化作用的協(xié)調(diào)控制1）細(xì)菌通過(guò)弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒糇饔弥荒苁罐D(zhuǎn)錄不起始，對(duì)于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過(guò)弱化作用使之中途停頓下來(lái)，阻遏作用的信號(hào)是細(xì)胞內(nèi)trp的多少。2）弱化作用的信號(hào)是細(xì)胞內(nèi)負(fù)載有trp的tRNATrp的多少，它通過(guò)前導(dǎo)肽的翻譯來(lái)控制轉(zhuǎn)錄地進(jìn)行。當(dāng)前33頁(yè)，總共56頁(yè)。7.4其他操縱子7.4.1半乳糖操縱子（galactoseoperon）□大腸桿菌半乳糖操縱子在大腸桿菌遺傳圖上位于17min處，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□調(diào)節(jié)基因：galR，距離結(jié)構(gòu)基因及操縱區(qū)O等很遠(yuǎn)。位于遺傳圖上55min處。

galR產(chǎn)物對(duì)galO的作用與lacI-lacO的作用相同。在galR-和galO-突變體中，E、T、K基因得到永久性表達(dá)?！鮣al操縱子的誘導(dǎo)物主要是半乳糖。當(dāng)前34頁(yè)，總共56頁(yè)。當(dāng)前35頁(yè)，總共56頁(yè)?！?/p>

gal操縱子的特點(diǎn)：1）有兩個(gè)啟動(dòng)子，其mRNA可從不同的起始點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)錄；2）有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游-73—-67，另一個(gè)在E基因內(nèi)部?！?.cAMP-CRP對(duì)gal啟動(dòng)子的作用半乳糖的利用率比葡萄糖低，但在有葡萄糖存在時(shí)，gal操縱子仍可被誘導(dǎo)！現(xiàn)已分離的突變株：1）能在不含葡萄糖的培養(yǎng)基中高水平表達(dá)結(jié)構(gòu)基因；2）結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)完全依賴于葡萄糖。當(dāng)前36頁(yè)，總共56頁(yè)?！?/p>

gal操縱子有兩個(gè)啟動(dòng)子，可以從兩個(gè)啟動(dòng)子分別起始轉(zhuǎn)錄，每個(gè)啟動(dòng)子擁有各自的RNAPol結(jié)合位點(diǎn)S1和S2。cAMP-CRP對(duì)從S1和S2起始的轉(zhuǎn)錄有不同的作用。1）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，RNAPol與S1的結(jié)合需要半乳糖、CRP和較高濃度的cAMP。當(dāng)cya-或crp-，gal操縱子不能從S1起始轉(zhuǎn)錄，此時(shí)若在體外系統(tǒng)中加入cAMP-CRP即可誘發(fā)從S1起始的轉(zhuǎn)錄。

當(dāng)有cAMP-CRP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S1開(kāi)始；當(dāng)無(wú)cAMP-CRP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S2開(kāi)始.2）從S2起始的轉(zhuǎn)錄完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CRP能抑制由S2起始的轉(zhuǎn)錄。

□從S1轉(zhuǎn)錄：無(wú)G，有cAMP-CRP；從S2轉(zhuǎn)錄：有G，無(wú)cAMP-CRP?！醮竽c桿菌的cya-（腺苷環(huán)化酶突變）或crp-（cAMP受體蛋白突變）突變型不能利用乳糖，但可以利用半乳糖作為唯一碳源（S2）。當(dāng)前37頁(yè)，總共56頁(yè)?！跤幸粋€(gè)gal啟動(dòng)子突變株，不能利用培養(yǎng)基中的半乳糖（無(wú)葡萄糖），若將此突變株再行突變?yōu)閏ya-或crp-

，細(xì)胞就恢復(fù)了利用半乳糖的能力。

Why？第一次突變失去了從S1起始轉(zhuǎn)錄的能力，卻不影響從S2起始轉(zhuǎn)錄，但由于細(xì)胞中cAMP-CRP的存在抑制了從S2開(kāi)始的轉(zhuǎn)錄，使gal操縱子既不能從S1起始又無(wú)法從S2起始轉(zhuǎn)錄。再行突變后，即cya-或crp-

，都能消除cAMP-CRP對(duì)S2的阻遏作用，導(dǎo)致gal基因表達(dá)，恢復(fù)利用半乳糖的能力?！鮟AMP-CRP有利于RNAPol—S1區(qū)復(fù)合物形成開(kāi)鏈構(gòu)象，從而起始轉(zhuǎn)錄。由于S1和S2區(qū)有核苷酸部分重疊，這一復(fù)合物的存在干擾了RNAPol—S2區(qū)復(fù)合物的形成，抑制S2起始的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)前38頁(yè)，總共56頁(yè)。2.雙啟動(dòng)子的生理功能半乳糖在細(xì)胞代謝中具有雙重功能：1）可以作為唯一碳源供細(xì)胞生長(zhǎng)2）UDPgal是大腸桿菌細(xì)胞壁合成的前體。在沒(méi)有外源半乳糖的情況下，細(xì)胞通過(guò)半乳糖差向異構(gòu)酶（galE基因產(chǎn)物）的作用由UDPG合成UDPgal。（G-1-P+UTP→UDPG+PPi；UDPG————→UDPgal）若只有S1一個(gè)啟動(dòng)子，由于它的活性依賴于cAMP-CRP，當(dāng)有葡萄糖存在時(shí)不能合成異構(gòu)酶；若只有S2，即使在有葡萄糖存在時(shí)，半乳糖也將使操縱子處于充分誘導(dǎo)狀態(tài)。浪費(fèi)！因此。無(wú)論從必要性或經(jīng)濟(jì)性考慮，都需要一個(gè)不依賴于cAMP-CRP的啟動(dòng)子（S2）進(jìn)行本地水平的永久型合成，以及一個(gè)依賴于cAMP-CRP的啟動(dòng)子（S1）對(duì)高水平合成的調(diào)節(jié)。差向異構(gòu)酶合成細(xì)胞壁對(duì)異構(gòu)酶的需要量很小，本地水平的合成即可當(dāng)前39頁(yè)，總共56頁(yè)。7.4.2阿拉伯糖操縱子（ara操縱子）□阿拉伯糖的降解需3個(gè)基因：簡(jiǎn)寫(xiě)為araBAD

araB:核酮糖激酶araA:L-阿拉伯糖異構(gòu)酶araD:L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構(gòu)酶其作用順序?yàn)閍raA、

araB、araD?！鮝ra操縱子有一個(gè)復(fù)合的啟動(dòng)子區(qū)、兩個(gè)操縱區(qū)（O1和O2）和一個(gè)調(diào)節(jié)基因araC。AraC蛋白同時(shí)具有正負(fù)調(diào)節(jié)因子的作用?！鮝raBAD和araC基因的轉(zhuǎn)錄分別在兩條鏈上以相反的方向進(jìn)行?！鮝ra操縱子也是可誘導(dǎo)的，ara本身就是誘導(dǎo)物。在野生型操縱子中，只有ara存在時(shí)才轉(zhuǎn)錄出araBADmRNA，而有葡萄糖時(shí)則不轉(zhuǎn)錄。當(dāng)前40頁(yè)，總共56頁(yè)。其作用順序?yàn)閍raA、

araB、araDara操縱子有一個(gè)復(fù)合的啟動(dòng)子區(qū)、兩個(gè)操縱區(qū)（O1和O2）和一個(gè)調(diào)節(jié)基因araCAraC蛋白同時(shí)具有正負(fù)調(diào)節(jié)因子的作用araBAD和araC基因的轉(zhuǎn)錄分別在兩條鏈上以相反的方向進(jìn)行□ara操縱子也是可誘導(dǎo)的，ara本身就是誘導(dǎo)物。在野生型操縱子中，只有ara存在時(shí)才轉(zhuǎn)錄出araBADmRNA，而有葡萄糖時(shí)則不轉(zhuǎn)錄。誘導(dǎo)因子結(jié)合區(qū)當(dāng)前41頁(yè)，總共56頁(yè)。1.araC蛋白的正、負(fù)調(diào)節(jié)作用ara操縱子的表達(dá)調(diào)控（a）無(wú)AraC蛋白時(shí)，由Pc起始araC基因轉(zhuǎn)錄；（b）當(dāng)體系中G含量較高，ara水平較低時(shí)，AraC蛋白與O2及araI誘導(dǎo)因子結(jié)合區(qū)上半?yún)^(qū)相結(jié)合，形成DNA回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，araBAC不表達(dá)；（c）體系中有ara但無(wú)G時(shí)，AraC蛋白與ara結(jié)合，改變構(gòu)象成為激活蛋白，AraC蛋白同源二聚體分別與araO1和araI區(qū)結(jié)合，DNA回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)被破壞，RNAPol在AraC蛋白和CRP-cAMP共同作用下起始PBAD所調(diào)控的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)負(fù)調(diào)控正調(diào)控當(dāng)前42頁(yè)，總共56頁(yè)。2.AraC蛋白的兩種形式□AraC蛋白作為PBAD活性正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的雙重功能是通過(guò)該蛋白的兩種異構(gòu)體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Pr：阻遏形式。無(wú)ara時(shí)占優(yōu)勢(shì)Pi：誘導(dǎo)形式，通過(guò)與PBAD結(jié)合進(jìn)行調(diào)節(jié)。有ara時(shí)占優(yōu)勢(shì)。□有實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)AraC蛋白以正調(diào)控因子作用時(shí)，起始轉(zhuǎn)錄還需要cAMP-CRP的共同參與。當(dāng)前43頁(yè)，總共56頁(yè)。3.營(yíng)養(yǎng)狀況對(duì)ara操縱子活性的影響

（a）有G但無(wú)aracAMP-CRP沒(méi)有與操縱區(qū)位點(diǎn)結(jié)合，AraC蛋白處于阻遏形式Pr，Pr與操縱區(qū)A位點(diǎn)（O1）結(jié)合，RNA-Pol不能與Pc結(jié)合，araC只少量轉(zhuǎn)錄，系統(tǒng)幾乎靜止

（b）無(wú)G和ara（誘導(dǎo)物）盡管cAMP-CRP與操縱區(qū)位點(diǎn)結(jié)合，因沒(méi)有誘導(dǎo)物，AraC蛋白仍以Pr形式存在，無(wú)法與操縱區(qū)B位點(diǎn)（araI）結(jié)合，無(wú)araBADmRNA轉(zhuǎn)錄

（c）無(wú)G有ara大量araC基因產(chǎn)物以Pi形式存在，分別與操縱區(qū)B、A位點(diǎn)結(jié)合，在cAMP-CRP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表達(dá)，操縱子充分激活。當(dāng)前44頁(yè)，總共56頁(yè)。7.4.3阻遏蛋白LexA的降解與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答□當(dāng)細(xì)菌DNA遭到破壞時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)啟動(dòng)SOS的誘導(dǎo)型DNA修復(fù)系統(tǒng)?！鮏OS反應(yīng)是由RecA蛋白和LexA阻遏物相互作用引起的；LexA蛋白是許多基因的阻遏物?！鮎ecA蛋白是SOS反應(yīng)的最初發(fā)動(dòng)因子。在有單鏈DNA和ATP存在時(shí)，RecA蛋白被激活成蛋白酶，將LexA蛋白切割成沒(méi)有阻遏和操縱區(qū)DNA結(jié)合活性的兩個(gè)片段，導(dǎo)致SOS高效表達(dá)，DNA得到修復(fù)?！鮏OS體系的誘導(dǎo)表達(dá)過(guò)程就是把LexA蛋白從這些基因的上游調(diào)控區(qū)移開(kāi)的過(guò)程。當(dāng)前45頁(yè)，總共56頁(yè)?！跣盘?hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)：外部信號(hào)（效應(yīng)物）先通過(guò)傳感器（而不直接傳遞給調(diào)解蛋白）接收信號(hào)，然后以不同方式傳到調(diào)節(jié)部位?！醵M分系統(tǒng)：最簡(jiǎn)單的細(xì)胞信號(hào)系統(tǒng)□二組分系統(tǒng)的組成：1）傳感蛋白：位于細(xì)胞質(zhì)膜上。因其具有激酶活性，又稱為傳感激酶2）應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白7.4.4二組分調(diào)控系統(tǒng)（two-componentsystem）和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)□二組分系統(tǒng)：由位于細(xì)胞質(zhì)膜上的傳感蛋白（該蛋白常具有激酶活性）以及位于細(xì)胞質(zhì)中的應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白組成。傳感激酶常在受到膜外環(huán)境信號(hào)刺激時(shí)被磷酸化，并將其磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白上，使該磷酸化的調(diào)節(jié)蛋白成為阻遏物或誘導(dǎo)蛋白，通過(guò)對(duì)操縱子的阻遏或激活作用調(diào)控下游基因的表達(dá)當(dāng)前46頁(yè)，總共56頁(yè)。7.4.5多啟動(dòng)子調(diào)控的操縱子rRNA操縱子（rrnE）□2個(gè)啟動(dòng)子：P1（強(qiáng)啟動(dòng)子）和P2；□細(xì)菌在緊急狀態(tài)下，ppGpp增加，P1被抑制，P2成為強(qiáng)啟動(dòng)子（蛋白質(zhì)合成需要rRNA！）2.DnaQ蛋白操縱子□DnaQ蛋白是DNAPol全酶亞基之一，能校正DNA復(fù)制中的錯(cuò)誤□DnaQ蛋白操縱子受RNAPol活性調(diào)節(jié)，有2個(gè)啟動(dòng)子□在RNAPol活性較低時(shí)，操縱子轉(zhuǎn)錄由弱啟動(dòng)子P2控制（RNAPol活性與細(xì)胞增殖速度有關(guān)，DNA復(fù)制緩慢時(shí)，RNAPol活性往往較低）；RNAPol活性較高時(shí)，利用強(qiáng)啟動(dòng)子P1。當(dāng)前47頁(yè)，總共56頁(yè)。7.4轉(zhuǎn)錄水平的其他調(diào)控方式7.4.1σ因子的調(diào)節(jié)作用□原核生物RNAPol具有全能性，不同基因的轉(zhuǎn)錄依靠不同的σ因子與核心酶結(jié)合組成不同的全酶來(lái)實(shí)施，即為了保證細(xì)胞準(zhǔn)確響應(yīng)不同的環(huán)境信號(hào)的變化，σ因子之間常常交互作用構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)調(diào)控模式，使得原核基因的表達(dá)穩(wěn)定而平衡?！酽乙蜃拥恼{(diào)節(jié)1）σ因子本身的活性受蛋白水解酶的調(diào)控2）被同源的抗σ因子失活。這些抗σ因子能夠與特定的σ因子結(jié)合，阻止它們與RNAPol的組裝。當(dāng)前48頁(yè)，總共56頁(yè)。例子1：營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)，枯草桿菌會(huì)形成孢子來(lái)度過(guò)困難時(shí)期?！蹑咦有纬尚枰?種不同的σ因子：σE、σK、σF和σGσE和σK存在于母細(xì)胞，一旦開(kāi)始形成孢子，就產(chǎn)生σF和σG1）σE和σK先以非活性的前體被合成，再經(jīng)特定的蛋白酶作用轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚孕问?）σF被合成后，與抗σ因子SpoⅡAB結(jié)合，以非活性形式存在于細(xì)胞中。3）環(huán)境刺激導(dǎo)致SpoⅡAA抗-抗σ因子去磷酸化，并與SpoⅡAB結(jié)合，釋放出有活性的σF。4）σF促使早期孢子形成的相關(guān)基因表達(dá)包括σG和需要進(jìn)入母細(xì)胞中降解前體σE蛋白酶基因的轉(zhuǎn)錄5）σG激活后期孢子形成相關(guān)基因和需要進(jìn)入母細(xì)胞中降解前體σK蛋白酶基因的轉(zhuǎn)錄當(dāng)前49頁(yè)，總共56頁(yè)。例子2：噬菌體σ因子枯草桿菌SPO1噬菌體通過(guò)按級(jí)聯(lián)表達(dá)一系列σ因子。來(lái)實(shí)現(xiàn)噬菌體早中晚期基因的順序表達(dá)。當(dāng)需要一個(gè)σ因子轉(zhuǎn)錄編碼下一條σ因子的基因時(shí)，就形成σ因子的級(jí)聯(lián)反應(yīng)1）早期基因的表達(dá)由宿主菌的全酶負(fù)責(zé)。早期基因中含有編碼σ28的基因，它隨即取代RNAPol上細(xì)菌的σ因子。2）中期基因的表達(dá)中期基因包括基因33和34，它們能產(chǎn)生后期基因轉(zhuǎn)錄所需的σ因子。3）后期基因的表達(dá)由中期基因表達(dá)產(chǎn)生的σ因子與核心酶結(jié)合組成全酶，負(fù)責(zé)后期基因的表達(dá)細(xì)菌全酶（σ55）→早期基因（含σ28）——————→中期基因（33和34）——————→后期基因σ28取代σ55取代σ28當(dāng)前50頁(yè)，總共56頁(yè)。7.5轉(zhuǎn)錄后調(diào)控7.5.1mRNA自身結(jié)構(gòu)元件對(duì)翻譯起始的調(diào)節(jié)1）對(duì)起始密碼的識(shí)別fMet-tRNA對(duì)AUG配對(duì)能力強(qiáng)；對(duì)不常用的起始密碼子GUG（14％）、UUG（13％）及AUU配對(duì)能力弱，導(dǎo)致翻譯效率降低。2）SD序列與核糖體結(jié)合位點(diǎn)（ribosomebindingsite,RBS）的結(jié)合（SD序列：存在于原核生物起始密碼子AUG上游7－12nt處的一種4－7nt的保守序列，它與16SrRNA3’端反向互補(bǔ)，可將mRNA的AUG起始密碼子置于核糖體的適當(dāng)位置以便起始翻譯作用）即SD序列與核糖體16SrRNA的3’端互補(bǔ)配對(duì)。

RBS的結(jié)合強(qiáng)度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼子AUG的距離SD與AUG之間的距離一般以4－10nt為佳，9nt為最佳。3）mRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)也影響翻譯的起始。30S亞基與mRNA的結(jié)合，要求mRNA5’端有一定的空間結(jié)構(gòu)。SD序列的微小變化會(huì)導(dǎo)致mRNA5’端空間結(jié)構(gòu)的變化，影響30S亞基與mRNA的結(jié)合，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)合成的效率。當(dāng)前51頁(yè)，總共56頁(yè)。7.5.2mRNA穩(wěn)定性對(duì)轉(zhuǎn)錄水平的影響□所有細(xì)胞都有一系列的核酸酶，用來(lái)清除無(wú)用的mRNA。