第六章 基因的表達與調控(上)-原核基因表達調控模式

第一節(jié)原核基因表達調控總論1.組成型蛋白質（constitutiveprotein）

在代謝過程中十分必需的酶或蛋白質，其合成速率不受環(huán)境變化或代謝狀態(tài)的影響。2.適應型或調節(jié)型蛋白質（adaptiveorregulatedprotein）這類蛋白質的合成速率明顯地受環(huán)境的影響而改變。3.基因表達（geneexpression）以RNA為模板翻譯成蛋白質的過程。

4.基因表達調控（generegulationorcontrol）對基因表達過程的調節(jié)。5.基因表達調控主要表現(xiàn)在以下兩個方面：（1）轉錄水平上的調控（transcriptionalregulation）（2）轉錄后水平上的調控（post-transcriptionalregulation）

包括：

①mRNA加工成熟水平上的調控②翻譯水平上的調控

6.原核生物與真核生物轉錄及翻譯調控的不同（1）原核生物中，營養(yǎng)狀況和環(huán)境因素對基因表達起著舉足輕重的影響。（2）在高等真核生物中，激素水平和發(fā)育階段是基因表達調控的主要手段，營養(yǎng)狀況和環(huán)境因素的影響不大。（3）原核生物的轉錄與翻譯幾乎同時發(fā)生，即轉錄與翻譯相偶聯(lián)。（4）真核生物中，轉錄產物只有從核內運到核外，才能被核糖體翻譯成蛋白質。一.原核生物調控機制的類型與特點1.原核生物基因表達調控模型——操縱子模型操縱子（operon）：由幾個相關的結構基因及其控制區(qū)組成，是基因表達的協(xié)同單位。操縱子的兩個類型：誘導型阻遏型2.原核生物的基因調控主要發(fā)生在轉錄水平上，分為負轉錄調控和正轉錄調控。（1）在負轉錄調控中，調節(jié)基因的產物是組遏蛋白，起著阻止結構基因轉錄的作用。

①負控誘導

正常情況下基因不表達或表達水平低，在環(huán)境改變或誘導物存在時，才開放轉錄。（乳糖操縱子、半乳糖操縱子）②負控組遏正常情況下開放，當阻遏物出現(xiàn)時操縱子關閉。（色氨酸操縱子、組氨酸操縱子）（2）在正轉錄調控中，調節(jié)基因的產物是激活蛋白。

①正控誘導系統(tǒng)效應物分子（誘導物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)。

②正控組遏系統(tǒng)效應物分子（誘導物）的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。二.操縱子(operon)的基本組成1.結構基因（structuralgene,SG

）操縱子中被調控的編碼蛋白質的基因。2.啟動子(promoter,P)是指能被RNA聚合酶識別、結合并啟動基因轉錄的一段DNA序列。操縱子至少有一個啟動子，一般在第一個結構基因5?側上游，控制整個結構基因群的轉錄。3.操縱區(qū)（operator，O）是指能被調控蛋白特異性結合的一段DNA序列，常與啟動子鄰近或與啟動子序列重疊，當調控蛋白結合在操縱子序列上，會影響其下游基因轉錄的強弱。4.調控基因（regulatorygene）是編碼能與操縱序列結合的調控蛋白的基因。與操縱子結合后能減弱或阻止其調控基因轉錄的調控蛋白稱為阻遏蛋白（repressiveprotein），其介導的調控方式稱為負性調控（negativeregulation）；與操縱子結合后能增強或起動其調控基因轉錄的調控蛋白稱為激活蛋白（activatingprotein），所介導的調控方式稱為正性調控（positiveregulation）。5.終止子（terminator，T）是給予RNA聚合酶轉錄終止信號的DNA序列。在一個操縱元中至少在結構基因群最后一個基因的后面有一個終止子。

第二節(jié)乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)一.大腸桿菌乳糖操縱子的組成由三個結構基因和一個調節(jié)基因、操縱基因、啟動子構成：Z基因——編碼b-半乳糖苷酶Y基因——編碼b-半乳糖苷透性酶A基因——編碼b-半乳糖苷乙?；刚{節(jié)基因I——編碼阻遏蛋白操縱基因Ｏ啟動子P二.酶的誘導——lac體系受調控的證據當培養(yǎng)基中無乳糖及其它誘導物時，抑制基因表達產生阻遏蛋白，與操縱基因結合，阻止結合在啟動子上的RNA聚合酶向前移動，轉錄不能進行；當培養(yǎng)基中有乳糖及其它誘導物時，誘導物與阻遏蛋白結合而不能與操縱基因結合，基因轉錄。主要誘導物是乳糖

三.影響因子1.

阻遏物lacI基因產物及功能（1）lacI轉錄產生阻遏物單體，結合形成同源四體。（2）lacI同源四體與O區(qū)DNA相結合，阻遏基因轉錄。2.葡萄糖對lac操縱子的影響當細菌在含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基中生長時，通常優(yōu)先利用葡萄糖而不利用乳糖；只有當葡萄糖耗盡后，經一段停滯期，在乳糖誘導下β-半乳糖苷酶開始合成，細菌才能充分利用乳糖的現(xiàn)象。大腸桿菌生長在含葡萄糖的培養(yǎng)基上時，β-半乳糖苷酶等分解代謝的活性很低，研究發(fā)現(xiàn)cAMP能解除葡萄糖的阻遏作用3.cAMP與代謝物激活蛋白CRP-環(huán)腺苷酸受體蛋白cAMP-環(huán)一腺苷酸當CRP與cAMP結合后酶被活化，作用于啟動子前的CRP結合位點上，使RNA聚合酶容易結合到啟動子上，促進轉錄的進行。四.半乳糖苷酶基因表達的條件：CRP結合位點——CRP與cAMP結合，使RNA聚合酶識別-35和-10區(qū)；啟動子識別——RNA聚合酶識別啟動子序列；操縱基因——阻遏蛋白結合乳糖或類似物五.結構基因轉錄的調控方式：負調控——沒有調節(jié)蛋白時操縱子內結構基因表達，加入調節(jié)蛋白后操縱子內結構基因的活性被關閉。（阻遏蛋白對乳糖操縱子的負調控）正調控——沒有調節(jié)蛋白時結構基因的活性關閉，加入調節(jié)調節(jié)蛋白后結構基因的活性被開啟。（cAMP-CRP是一個正調節(jié)因子）

第三節(jié)色氨酸操縱子與負控誘導系統(tǒng)

一.大腸桿菌trp操縱子的組成由七個結構基因和一個調節(jié)基因、操縱基因、啟動子、前導區(qū)、

弱化子區(qū)構成：E和G基因—編碼鄰氨基苯甲酸合成酶D基因—編碼鄰氨基苯甲酸磷酸核糖轉移酶A和B基因—分別編碼色氨酸合成酶的α、b亞基調節(jié)基因R—編碼輔阻遏蛋白，距trp基因簇很遠操縱基因Ｏ啟動子P

前導區(qū)trpL弱化子區(qū)trpα

二.

trp操縱子的阻遏系統(tǒng)1.trpR基因突變常引起trpmRNA的組成型合成，該基因產物因此被稱為輔阻遏蛋白。輔阻遏蛋白與色氨酸相結合形成有活性的阻遏物，與操縱區(qū)結合并關閉trpmRNA的轉錄。2.當培養(yǎng)基中色氨酸含量較高時，它與游離的輔阻遏蛋白相結合，并使之與操縱區(qū)DNA緊密結合，關閉trpmRNA的轉錄。3.當培養(yǎng)基中色氨酸供應不足時，輔阻遏物失去色氨酸并從操縱區(qū)上解離，trp操縱子去阻遏，trpmRNA開始轉錄。

三.

弱化子與前導肽1.

弱化子位于trpmRNA5ˊ端trpE基因的起始密碼前，調節(jié)已啟動轉錄的trp操縱子是否繼續(xù)下去的特定區(qū)域。(1)粗調開關阻遏-操縱機制，主管轉錄是否啟動(2)細微調控決定已啟動的轉錄是否繼續(xù)下去，色氨酸的濃度起決定作用。

2.前導區(qū)在trpmRNA5，端trpE基因的起始密碼前長162bp的mRNA片段。參與操縱子的轉錄弱化機制。3.

mRNA前導區(qū)的序列分析4.

轉錄弱化作用

第四節(jié)其它操縱子

一.半乳糖操縱子1.半乳糖操縱子的組成由三個結構基因和一個調節(jié)基因、操縱基因、啟動子構成：E基因——編碼半乳糖苷異構酶T基因——編碼半乳糖1-磷酸尿嘧啶核苷轉移酶K基因——編碼b-半乳激酶調節(jié)基因R——編碼阻遏蛋白操縱基因Ｏ啟動子P2.

半乳糖操縱子與乳糖操縱子的不同（1）二者三個結構基因編碼的產物不同。（2）半乳糖操縱子調節(jié)基因R與結構基因E、T、K基因簇距離很遠；乳糖操縱子的調節(jié)基因I與結構基因Y、Z、A只隔一個操縱區(qū)和啟動區(qū)。（3）半乳糖操縱子有兩個啟動子，mRNA從兩個不同的起始點開始轉錄；乳糖操縱子只有一個啟動子，mRNA只能從一個起始點開始轉錄。（4）半乳糖操縱子有兩個O區(qū)，不在P區(qū)與結構基因之間，一個在P區(qū)上游-67~-53的地方，另一個在結構基因E的內部；乳糖操縱子只有一個O區(qū)，在P區(qū)與結構基因之間

（5）半乳糖操縱子的主要誘導物是半乳糖；乳糖操縱子的主要誘導物是乳糖。

3.

cAMP-CRP對gal啟動子的作用（1）cAMP-CRP對從S1和S2起始的轉錄有不同的作用。從S1起始的轉錄只有在培養(yǎng)基中無葡萄糖時才能順利進行，RNA聚合酶與S1的結合需要半乳糖、CRP和較高濃度的cAMP；從S2起始的轉錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CRP能抑制從S2起始的轉錄。（2）當有cAMP-CRP時，轉錄從S1開始，當無cAMP-CRP時，轉錄從S2開始。cAMP-CRP有利于RNA聚合酶-S1復合物形成開鏈構象，從而起始基因轉錄。同時，由于S1和S2的核苷酸部分重疊，這一復合物的存在干擾了RNA聚合酶-S2復合物的形成，抑制從S2起始的轉錄。

4.雙啟動子的生理功能半乳糖不僅可以作為惟一的碳源供細胞生長，還是大腸桿菌細胞壁組成物質—尿苷二磷酸半乳糖的前體。當培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時，不依賴于cAMP-CRP的啟動子S2進行本底水平的組成型合成；當培養(yǎng)基中無葡萄糖時，半乳糖誘導依賴于cAMP-CRP的啟動子S1進行高水平的合成。

二.阿拉伯糖操縱子1.阿拉伯糖操縱子的組成（1）三個結構基因：araB、araA、araD，簡寫為araBAD。araB—核酮糖激酶

araA—L-阿拉伯糖異構酶araD—L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構酶（2）與araBAD相鄰的是一個復合的啟動子區(qū)域、兩個操縱區(qū)（O1，O2）和一個調節(jié)基因araC。

2.araC蛋白同時顯示正、負調節(jié)因子的功能。而在lac和gal操縱子中，阻遏蛋白只能作為負調節(jié)因子，cAMP-CRP只能作為正調節(jié)因子。3.araBAD和araC基因的轉錄是分別在兩條連上以相反的方向進行。araBAD基因簇從啟動子PBAD開始向向左右進行轉錄，而araC基因則從Pc向左轉錄。

4.

araC蛋白的正、負調節(jié)作用（1）當體系中葡萄糖水平較高，阿拉伯糖葡萄糖水平較低，araC蛋白起負調節(jié)作用。（2）當體系無葡萄糖存在，只有阿拉伯糖時，ara