第五章 基因的表達(dá)與調(diào)控

第六章基因的表達(dá)與調(diào)控(上)

——原核基因表達(dá)調(diào)控模式Contents5．1原核基因表達(dá)調(diào)控總論5．2乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)5．3色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)5．4轉(zhuǎn)錄后調(diào)控原核生物和單細(xì)胞真核生物：環(huán)境影響蛋白質(zhì)合成高等真核生物出現(xiàn)細(xì)胞分化：不同細(xì)胞所合成蛋白質(zhì)在質(zhì)和量上均有差異因此，不論真核還是原核細(xì)胞都有一套準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)合成的機制如果每個基因等同翻譯，每一個多肽應(yīng)有相同的拷貝數(shù)。

結(jié)論是否定的，基因的表達(dá)是被控制的。組成型合成蛋白質(zhì)適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型合成蛋白質(zhì)如DNA合成酶，RNA聚合酶等如β-半乳糖苷酶及參與糖代謝的酶，氨基酸、核苷酸合成系統(tǒng)的酶類等一個系統(tǒng)處于“off”狀態(tài)時可能是本底水平的基因表達(dá)，常常是每世代每個細(xì)胞合成1～2個mRNA分子和極少量的蛋白質(zhì)分子。必須明白所謂“關(guān)”實際的意思是基因表達(dá)量特別低，或者無法檢測。細(xì)菌中的基本調(diào)控機制有如下規(guī)律:一個體系在需要時被打開，不需要時被關(guān)閉。這種“開-關(guān)”(on-off)活性是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄來建立的。即通過調(diào)節(jié)mRNA的合成來實現(xiàn)的5．1原核基因表達(dá)調(diào)控總論生物信息DNARNAProtein執(zhí)行生命活動調(diào)節(jié)基因表達(dá)調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控在兩個水平上體現(xiàn)

(1)轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptionalregulation);(2)轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控(post-transcriptionalregulation)①mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(differentialprocessingofRNAtranscript)②翻譯水平上的調(diào)控(differentialtranslationofmRNA)指揮基因調(diào)控的信號不同

Prok中，營養(yǎng)狀況和環(huán)境因素——主要

Euk中，激素水平和發(fā)育階段——主要在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達(dá)調(diào)控取決于DNA的結(jié)構(gòu)、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。5.1.1原核基因調(diào)控機制的類型與特點原核生物的基因調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，根據(jù)調(diào)控機制的不同可分為：負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控(negativetranscriptionregulation)正轉(zhuǎn)錄調(diào)控(Positivetranscriptionregulation)負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的物質(zhì)是阻遏蛋白(repressor)－－阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。其作用部位是操縱區(qū)。它與操縱區(qū)結(jié)合，轉(zhuǎn)錄受阻。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。負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)－－阻遏蛋白不與誘導(dǎo)物結(jié)合時，阻遏蛋白與操縱區(qū)相結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄，阻遏蛋白結(jié)合上誘導(dǎo)物時，阻遏蛋白與操縱區(qū)分離，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。

負(fù)控阻遏系統(tǒng)－－阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)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)，激活蛋白結(jié)合與DNA的啟動子及RNA聚合酶后，轉(zhuǎn)錄才會進行。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。在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，誘導(dǎo)物的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)，轉(zhuǎn)錄進行。在正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)，轉(zhuǎn)錄不進行?？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。可阻遏調(diào)節(jié)：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。一般規(guī)律

可誘導(dǎo)的操縱子是一些編碼分解代謝糖和氨基酸的蛋白的基因。這些操縱子常常是關(guān)閉的。一旦生存條件發(fā)生變化，如葡萄糖缺乏而必須利用乳糖作為能源時，就要打開這些基因。可阻遏基因是一些合成各種細(xì)胞代謝過程中所必須的小分子物質(zhì)（如氨基酸、嘌呤和嘧啶等的基因），這些基因總是打開著的。只有當(dāng)細(xì)菌生活環(huán)境中有充分供應(yīng)時，才關(guān)閉這些基因，停止其合成。弱化子對基因活性的影響在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號作用的是有特殊負(fù)載的氨酰-tRNA的濃度。當(dāng)操縱子被阻遏，RNA合成被終止時，起終止轉(zhuǎn)錄信號作用的那一段DNA序列被稱為弱化子。當(dāng)基因轉(zhuǎn)錄使轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（RNA）到不同長度時，核糖體會在對應(yīng)的DNA位置上；此時RNA可以形成某種形式的二級結(jié)構(gòu)；由此決定延伸復(fù)合物的結(jié)合能力，從而決定基因能否繼續(xù)轉(zhuǎn)錄。細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)細(xì)菌有時會碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓－－氨基酸的全面匱乏。為了緊縮開支，渡過難關(guān)，細(xì)菌會產(chǎn)生一個應(yīng)急反應(yīng)－－停止包括生產(chǎn)各種RNA、糖、脂肪和蛋白質(zhì)的幾乎全部生物化學(xué)反應(yīng)過程。實施這一應(yīng)急反應(yīng)的信號是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸(pppGpp)。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物是空載tRNA。當(dāng)氨基酸饑餓時，細(xì)胞中便存在大量的不帶氨基酸的tRNA，這種空載的tRNA會激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp的出現(xiàn)會關(guān)閉許多基因，以應(yīng)付這種緊急狀況。ppGpp影響RNA聚合酶與這些基因轉(zhuǎn)錄起始位點的結(jié)合，使基因被關(guān)閉。ppGpp與pppGpp的作用范圍十分廣泛，它們影響一大批操縱子而被稱為超級調(diào)控因子。5．2乳糖操縱子－－負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)1、操縱子模型的提出

1961年，Monod和Jacob提出獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎JacobandMonod2、操縱子的定義操縱子：是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。操縱序列O啟動序列P——上游含CAP（分解代謝物基因激活蛋白）調(diào)控區(qū)調(diào)節(jié)基因I——編碼一種阻遏蛋白結(jié)構(gòu)基因Z——-半乳糖苷酶Y——透酶A——乙?；D(zhuǎn)移酶乙酰基轉(zhuǎn)移酶半乳糖苷透性酶?-半乳糖苷酶操作位點3乳糖操縱子結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)基因一、乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)Z編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y編碼β-半乳糖苷透過酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進入細(xì)胞內(nèi)。A編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶A上的乙酰基轉(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。操縱子是一種完整的具有特定功能的細(xì)菌基因表達(dá)和調(diào)節(jié)的單位，包括調(diào)節(jié)基因，操縱位點，結(jié)構(gòu)基因，組成一個控制單元結(jié)構(gòu)基因：產(chǎn)生mRNA,合成蛋白質(zhì)操縱位點promotor,operator：啟動子結(jié)合位點調(diào)節(jié)基因：產(chǎn)生調(diào)節(jié)蛋白（與操縱位點結(jié)合）→結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)物存在時，可與阻遏蛋白結(jié)合→結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄ControlelementStructuralgenes5.2.2酶的誘導(dǎo)現(xiàn)象B-半乳糖苷酶二、酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)分解底物的酶只有在底物存在時才出現(xiàn)！無乳糖時，幾個β-gal/cell加入乳糖時，5000個再去掉乳糖，lacmRNA下降

乳糖能激發(fā)lacmRNA的合成

乳糖的誘導(dǎo)作用是由酶前體轉(zhuǎn)化而來，還是誘導(dǎo)新酶合成？培養(yǎng)基（35S-aa,無乳糖）→E.coli繁殖→培養(yǎng)基（無35S-aa,加入乳糖）→β-gal(無35S)安慰誘導(dǎo)物：

如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）。gratuitousinducer

安慰誘導(dǎo)物

義務(wù)誘導(dǎo)物可誘導(dǎo)半乳糖苷酶產(chǎn)生，但不是其底物IPTG，異丙基巰基半乳糖苷TMG，巰甲基半乳糖苷ONPG,O-硝基半乳糖苷在研究誘導(dǎo)作用時，很少使用乳糖5.2.3調(diào)控機理1調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)lacI,1045bp，獨立PiP,82bp，－82～＋1O,35bp，－7～＋28lacZYA體外結(jié)合競爭實驗:

阻遏物＋RNApol,off

RNApol＋阻遏物，on2.阻遏狀態(tài)3誘導(dǎo)狀態(tài)誘導(dǎo)物誘導(dǎo)作用：在可誘導(dǎo)的操縱元中，加入對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)作用的小分子后，開啟基因的轉(zhuǎn)錄活性4誘導(dǎo)物不是乳糖生成lac誘導(dǎo)物乳糖代謝Allolctose異構(gòu)乳糖別乳糖細(xì)胞內(nèi)β-半乳糖苷酶來源?5.2.4阻遏蛋白的作用機制1阻遏蛋白結(jié)構(gòu)38KD，4聚體，一個亞基結(jié)合一個IPTG分子lacI

組成型轉(zhuǎn)錄Pi弱啟動子，5－10個／cell具有二重性阻止轉(zhuǎn)錄（與lacO結(jié)合）開始轉(zhuǎn)錄（與誘導(dǎo)物結(jié)合）阻遏蛋白單體的結(jié)構(gòu)阻遏蛋白的結(jié)構(gòu)域頭段，-NH2端，lacO結(jié)合區(qū)絞鏈區(qū)

核心段，-COOH，誘導(dǎo)物結(jié)合區(qū)4個亞基的核心片段接觸形成四聚體對稱軸，+11對稱序列，6bp阻遏蛋白的結(jié)合位點－－lacO的結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)物

和阻遏

蛋白結(jié)合的模型阻遏能發(fā)生在多個位點上3阻遏蛋白對RNApol功能的影響阻遏蛋白和RNApol可同時與DNA結(jié)合RNApol與啟動子結(jié)合的平衡常數(shù)1.9×107有阻遏蛋白時,2.5×109結(jié)合著的RNApol不能轉(zhuǎn)錄.但加入誘導(dǎo)物后,釋放出阻遏蛋白,變?yōu)殚_放型啟動子復(fù)合物.阻遏蛋白實際上使RNApol貯存在啟動子上。這一模式是否存在于其它操縱元系統(tǒng)中？5.2.5乳糖操縱子調(diào)控模型主要內(nèi)容：①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼

②這個mRNA分子的啟動子緊接著O區(qū)，而位于I與O之間的啟動子區(qū)（P），不能單獨起動合成β-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。③操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點。RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位操縱位點的回文序列

④當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。

阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)

沒有乳糖存在時⑤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)lacmRNA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mRNA的合成。

有乳糖存在時2.2操縱子突變－操縱子的發(fā)現(xiàn)（1）Oc操縱基因的組成型突變(順式顯性)

順式顯性突變（cis-dominance）：操縱基因只控制臨近基因，對其他等位基因無作用，或者顯性效應(yīng)只對處于同一染色體上它所調(diào)控的結(jié)構(gòu)基因才起作用的現(xiàn)象。

（2）lacIS

阻遏蛋白不可誘導(dǎo)性突變，阻遏蛋白失去誘導(dǎo)物結(jié)合位點；（3）lacI-

阻遏蛋白不能形成寡聚物（4）lacI-d

阻遏蛋白不能和DNA結(jié)合，且呈負(fù)互補(反式顯性)

等位基因間的互補（interalleliccomplementation）。

負(fù)的互補（negativecomplementation）：lacI-d的產(chǎn)物和lacI+的產(chǎn)物組成多聚體時，阻遏蛋白無活性。也稱為反式顯性（trans-dominant）。阻遏蛋白不能與突變的操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因組成型表達(dá)（1）操縱基因突變（O+

Oc），結(jié)構(gòu)基因組成型表達(dá)組成型突變：lacOc

（2）操縱子不可誘導(dǎo)型突變阻遏蛋白失去結(jié)合誘導(dǎo)物位點的突變lacIs,結(jié)構(gòu)基因組成型表達(dá)（3）阻抑蛋白基因的I-突變阻遏蛋白失活或者缺乏，不能和操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因組成型表達(dá)組成型突變：

lacI-二倍體中，lacI+比lacI-占優(yōu)勢，表現(xiàn)為基因關(guān)閉，lacI-為隱性突變當(dāng)野生型lacI+和突變型I-在同一細(xì)胞中不可誘導(dǎo)突變（超阻遏）：四、影響因子1、lac操縱子的本底水平表達(dá)有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的：①誘導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運誘導(dǎo)物需要透過酶，后者的合成有需要誘導(dǎo)。解釋：一些誘導(dǎo)物可以在透過酶不存在時進入細(xì)胞？一些透過酶可以在沒有誘導(dǎo)物的情況下合成？√②真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的預(yù)先存在。解釋：本底水平的組成型合成：非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成。2、大腸桿菌對乳糖的反應(yīng)培養(yǎng)基：甘油按照lac操縱子本底水平的表達(dá)，每個細(xì)胞內(nèi)有幾個分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透過酶；培養(yǎng)基：加入乳糖少量乳糖透過酶進入細(xì)胞β-半乳糖苷酶異構(gòu)乳糖誘導(dǎo)物誘導(dǎo)lacmRNA的生物合成大量乳糖進入細(xì)胞多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）異構(gòu)乳糖乳糖3、阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能Lac操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的，每個細(xì)胞中有5-10個阻遏物分子。當(dāng)I基因由弱啟動子突變成強啟動子，細(xì)胞內(nèi)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來克服阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。4、葡萄糖對lac操縱子的影響如果將葡萄糖和乳糖同時加入培養(yǎng)基中，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導(dǎo)；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會誘導(dǎo)lac操縱子表達(dá)分解乳糖所需的三種酶。代謝物阻遏效應(yīng)mRNA無乳糖時有乳糖時無葡萄糖cAMP濃度高有葡萄糖cAMP濃度低RNA-polOOOOlac操縱子基因表達(dá)既需要乳糖又需缺乏葡萄糖5、cAMP與代謝物激活蛋白代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺甘酸受體蛋白（CRP）

葡萄糖對lac操縱元表達(dá)的抑制是間接的

葡萄糖的降解是通過cAMP與CAP結(jié)合起作用的cAMP:環(huán)化腺苷酸CAP,cataboliteactivatorprotein由crp編碼CRP,catabolitereceptorproteinZYAOPDNA調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶cAMP—CAP復(fù)合物CAP的結(jié)合對DNA構(gòu)型的影響DNA彎曲彎曲點位于CAP結(jié)合位點二重對稱的中心彎曲使CAP能與啟動子上的RNApol接觸ATP腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺甘酸）

大腸桿菌中：無葡萄糖，cAMP濃度高；

有葡萄糖，cAMP濃度低++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時促進轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，cAMP濃度低時不促進轉(zhuǎn)錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調(diào)控

CAP的正性調(diào)節(jié)

當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。cAMP—CAP復(fù)合物與啟動子區(qū)的結(jié)合是轉(zhuǎn)錄起始所必需的。協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

單純?nèi)樘谴嬖跁r，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細(xì)菌首先利用葡萄糖。

協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAPTheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!五、Lac操縱子中的其他問題1、A基因及其生理功能半乳糖甘分子（IPTG）β-半乳糖甘酶分解產(chǎn)物（體內(nèi)積累）β-半乳糖甘乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖甘分子（IPTG）乙?；?、lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較β-半乳糖苷酶：透過酶：乙?；D(zhuǎn)移酶=1：0.5：0.2翻譯水平上受到調(diào)節(jié)：（1）lacmRNA可能與翻譯過程中的核糖體相脫離，從而終止蛋白質(zhì)鏈的翻譯；（2）在lacmRNA分子內(nèi)部，A基因比Z基因更容易受內(nèi)切酶作用發(fā)生降解。3、操縱子的融合與基因工程POZYAtsxPOpur結(jié)構(gòu)基因缺失lacoperonpuroperonSummarySummaryoflacoperonregulationGlucose（葡萄糖）cAMPLactose（乳糖）TranscriptionoflacmRNAHighLowPresentlowrateofexpressionHighLowAbsentessentiallynoneLowHighAbsent（停止）essentiallynoneLowHighPresenthighrateofexpression

（一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)R

（二）阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)

沒有乳糖存在時

有乳糖存在時

（三）CAP的正性調(diào)節(jié)

（四）協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)lac操縱子小結(jié)通常情況（葡萄糖供應(yīng)正常）阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，基因不轉(zhuǎn)錄。細(xì)胞外的乳糖通過透性酶吸收到細(xì)胞內(nèi)；細(xì)胞內(nèi)的β-半乳糖苷酶將乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾樘?。異乳糖結(jié)合到乳糖阻抑物上使之從操縱序列上脫離，聚合酶迅速開始lacZYA基因的轉(zhuǎn)錄。這就是負(fù)控誘導(dǎo)。然而，還需要細(xì)菌生長系統(tǒng)中缺少葡萄糖，使cAMP含量增加，才有足夠量的cAMP與CRP結(jié)合形成CRP-cAMP復(fù)合物結(jié)合于Plac上游。使DNA雙螺旋發(fā)生彎曲，轉(zhuǎn)錄才可以有效地進行。5.3色氨酸操縱子（trpoperon）內(nèi)容提要：色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子的弱化機制Trpoperon生物細(xì)胞中的氨基酸合成，也受操縱元的調(diào)節(jié)。細(xì)胞需要某種氨基酸時，其基因即表達(dá)，不需要時基因關(guān)閉，達(dá)到經(jīng)濟的原則。一、色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)

調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因

催化分枝酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼?/p>

的酶

trpRtrptrpR,阻遏蛋白P：

-40～+18O：-21～+1L：

+1～+162結(jié)構(gòu)基因t：

A下游36bp,不依賴pt′：t下游250bp，依賴p基因組成特點:(1)trpR和trpABCDE不連鎖；(2)操縱基因在啟動子內(nèi)(3)有衰減子(attenuator)/弱化子(4)啟動子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被前導(dǎo)序列(Leader)所隔開二、trp操縱子的阻遏系統(tǒng)低Trp時：阻遏物不結(jié)合操縱基因;高Trp時：阻遏物+Trp結(jié)合操縱基因1TrpR四聚體阻遏蛋白＋trp

→

有活性的阻遏物SNE299＋trpO→不轉(zhuǎn)錄2阻遏蛋白的結(jié)合位點trpO-21~+1，反向重復(fù)序列trpP-40~+18活性阻遏物與trpO的結(jié)合與RNApol與啟動子的結(jié)合發(fā)生競爭SNE2993阻遏系統(tǒng)主管轉(zhuǎn)錄是否啟動，在缺乏Trp時，mRNA起始合成，但不能自動延伸，一般在trpE之前終止轉(zhuǎn)錄粗調(diào)開關(guān)Trp有Trp無TrpmRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶高低?色氨酸操縱子三、trp操縱子的弱化機制衰減子（attenuator）/弱化子前導(dǎo)序列（leadersequence）1、弱化子：DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核甘酸序列（123-150區(qū)）。123~150

研究引起終止的mRNA堿基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNA通過自我配對可以形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點。2、前導(dǎo)序列：在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前一個長162bp的mRNA片段。

S312POE4321LDNARNAATGTGA2trpcodons1432前導(dǎo)肽14aa3、弱化機制

前導(dǎo)肽轉(zhuǎn)錄終止結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)錄衰減（attenuation）：

是指轉(zhuǎn)錄可正常起動，但在轉(zhuǎn)錄進入

第一個結(jié)構(gòu)基因前即突然停止的過程。 由于這一終止作用并不能使正在進行的 結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄中途停止，而僅是部分中 途停止轉(zhuǎn)錄，所以稱為轉(zhuǎn)錄衰減。

衰減子（attenuator）：

操縱子前導(dǎo)區(qū)內(nèi)類似于終止子結(jié)構(gòu)的一段DNA序列，稱為衰減子。其作用是減弱操縱子的轉(zhuǎn)錄。

.轉(zhuǎn)錄衰減UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時轉(zhuǎn)錄衰減機制125’trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’

RNA聚合酶終止UUUU……342423UUUU……核糖體

前導(dǎo)肽

前導(dǎo)mRNA

15’trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNA

RNA聚合酶2.當(dāng)色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄

序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)LowTrpHighTrp轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián),產(chǎn)生前導(dǎo)肽Trp-tRNATrp存在核糖體通過片段1(2個Trp密碼子)封閉片段2片段3，4形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)類似于不依賴ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止序列RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄,產(chǎn)生衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物高Trp時：RNA聚合酶繼續(xù)轉(zhuǎn)錄Trp-tRNATrp沒有供應(yīng)核糖體翻譯停止在片段1（2個Trp密碼子）片段2，3形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄不終止低Trp時：弱化子對轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)鍵空間結(jié)構(gòu)，10thand11thcodonsencodetrpresidues(rareAA)時間，核糖體停頓在2個Trp密碼子上時，產(chǎn)生延宕，此時4區(qū)未轉(zhuǎn)錄出來Theleaderpeptideistodeterminertrpavailabilityandtoregulatetranscriptiontermination14–amino-acid(encodedby27-68oftheleaderRNAsummary5.3.4阻遏作用與弱化作用的協(xié)調(diào)

阻遏效率啟動子的轉(zhuǎn)錄起始頻率在R+和R-相差70倍弱化作用trp存在時，約有10％的RNApol僥幸轉(zhuǎn)錄

-trp

活性阻遏物－－－－→無活性阻遏物

←－－－－

+trptrp操縱子具有雙重調(diào)節(jié)體系？Negative—repressibleoperon可以被最終合成產(chǎn)物所阻遏RPOleadingseq.EDCBAtrp+為什么需要阻遏體系？當(dāng)大量Trp存在時，阻遏系統(tǒng)起作用。阻遏物與之結(jié)合，阻止先導(dǎo)mRNA合成。

經(jīng)濟僅有少量trp時，RNApol啟動，但在L.S.處脫落，轉(zhuǎn)錄中斷RPOleadingseq.EDCBA少量trp+不足以結(jié)合O位點為什么需要弱化系統(tǒng)？當(dāng)trp濃度低時，阻遏物從有活性變?yōu)闊o活性，速度極慢，不能很快引發(fā)trp合成。因此需要一個能快速作出反應(yīng)的系統(tǒng)，以保持培養(yǎng)基中適當(dāng)?shù)腡rp水平。5.3.5細(xì)菌演化出弱化系統(tǒng)的生物學(xué)意義通過tRNA荷載與否進行調(diào)控，更為靈敏氨基酸的主要用途是合成蛋白質(zhì)，因而tRNA荷載為標(biāo)準(zhǔn)進行調(diào)控更為恰當(dāng)兩個調(diào)控系統(tǒng)，避免浪費提高效率阻遏系統(tǒng)高水平trp時，不轉(zhuǎn)錄低水平trp時，轉(zhuǎn)錄至LS弱化系統(tǒng)細(xì)調(diào)原核生物細(xì)致的精細(xì)調(diào)控機制增強原核生物對環(huán)境的適應(yīng)性細(xì)菌通過弱化作用彌補阻遏作用的不足，因為阻遏作用只能使轉(zhuǎn)錄不起始，對于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過弱化作用使之中途停下來。阻遏作用的信號是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少；弱化作用的信號則是細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少。它通過前導(dǎo)肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄的進行，在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)這兩種作用相輔相成，體現(xiàn)著生物體內(nèi)周密的調(diào)控作用。一、翻譯起始的調(diào)控

RBS（核糖體結(jié)合位點）：mRNA鏈上起始密碼子AUG上游的一段非翻譯區(qū)。RBS的結(jié)合強度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼子AUG之間的距離。

SD-4-10（9）-AUG5.4轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控二、稀有密碼子對翻譯的影響dnaG(引物酶)RNA引物dnaG、rpoD和rpsU屬于大腸桿菌基因組上的同一個操縱子50個拷貝的dnaG蛋白、2800個拷貝的rpoD和40000個拷貝的rpsU幾種蛋白質(zhì)中異亮氨酸密碼子使用頻率比較蛋白質(zhì)AUU/%AUC%AUA%結(jié)構(gòu)蛋白37621σ亞基26740DnaG蛋白363232細(xì)胞內(nèi)對應(yīng)于稀有密碼子的tRNA較少，高頻率使用這些密碼子的基因翻譯過程容易受阻，影響了蛋白