第六章原核基因表達(dá)調(diào)控模式2012.5.31

第六章

基因的表達(dá)與調(diào)控（上）---

原核基因的表達(dá)調(diào)控模式本章的主要內(nèi)容有：第一節(jié)原核基因表達(dá)調(diào)控總論第二節(jié)乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)第三節(jié)色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)第四節(jié)其他操縱子第五節(jié)固氮基因調(diào)控第六節(jié)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控準(zhǔn)備知識(shí)一、基因表達(dá)調(diào)控的現(xiàn)象和概念

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。

既然從DNA到蛋白質(zhì)的過(guò)程稱(chēng)為基因表達(dá)，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）?；虮磉_(dá)調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的中心課題。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。但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，大腸桿菌基因組含有約4000個(gè)基因，一般情況下只有5－10%在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達(dá)，有的就暫時(shí)不表達(dá)。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(tissuespecificity)。例如肝細(xì)胞中涉及編碼鳥(niǎo)氨酸循環(huán)酶類(lèi)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β細(xì)胞合成胰島素；甲狀腺濾泡旁細(xì)胞(C細(xì)胞)專(zhuān)一分泌降血鈣素等。

細(xì)胞分化發(fā)育的不同時(shí)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(stagespecificity)。一個(gè)受精卵含有發(fā)育成一個(gè)成熟個(gè)體的全部遺傳信息，在個(gè)體發(fā)育分化的各個(gè)階段，各種基因極為有序地表達(dá)，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(turnoff)、某些基因轉(zhuǎn)向開(kāi)放(turnon)，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，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從上所述，不難看出：生物的基因表達(dá)不是雜亂無(wú)章的，而是受著嚴(yán)密、精確調(diào)控的，不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。

二、基因表達(dá)適應(yīng)環(huán)境的變化

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(lèi)：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)。其中某些基因表達(dá)產(chǎn)物是細(xì)胞或生物體整個(gè)生命過(guò)程中都持續(xù)需要而必不可少的，這類(lèi)基因可稱(chēng)為看家基因(housekeepinggene)，這些基因中不少是在生物個(gè)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)。

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)胞生物中尤其顯得突出和重要，因?yàn)榧?xì)胞的生存環(huán)境經(jīng)常會(huì)有劇烈的變化。例如：周?chē)谐渥愕钠咸烟?，?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(lèi)的酶類(lèi)，當(dāng)外界沒(méi)有葡萄糖時(shí)，細(xì)菌就要適應(yīng)環(huán)境中存在的其它糖類(lèi)(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)，開(kāi)放能利用這些糖的酶類(lèi)基因，以滿(mǎn)足生長(zhǎng)的需要。即使是內(nèi)環(huán)境保持穩(wěn)定的高等哺乳類(lèi)，也經(jīng)常要變動(dòng)基因的表達(dá)來(lái)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(dòng)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。第一節(jié)

原核基因表達(dá)調(diào)控總論

本節(jié)的主要內(nèi)容有：一、原核基因調(diào)控機(jī)制的類(lèi)型與特點(diǎn)二、弱化子對(duì)基因活性的影響三、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)四、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)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（transcriptionalregulation）；2．轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控（post-transcriptionalregulation），包括①

mRNA加工成熟水平上的調(diào)控（differentialprocessingofRNAtranscript）；②

翻譯水平上的調(diào)控（differentialtranslationofmRNA）。第一節(jié)原核基因表達(dá)調(diào)控總論原核生物中，營(yíng)養(yǎng)狀況（nutritionalstatus）和環(huán)境因素（environmentalfactor）對(duì)基因表達(dá)起著舉足輕重的影響。真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平（hormonelevel）和發(fā)育階段（developmentalstage）是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段，營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。在轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控決定于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。因?yàn)榧?xì)菌mRNA在形成過(guò)程中與核糖體混合在一起，所以，細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄與翻譯過(guò)程幾乎發(fā)生在同一時(shí)間間隔內(nèi)，轉(zhuǎn)錄與翻譯相耦聯(lián)（coupledtranscriptionandtranslation）。真核生物中，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（primarytranscript）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)。轉(zhuǎn)錄因子

一個(gè)基因是由基因產(chǎn)物的調(diào)控和表達(dá)所需要的所有DNA序列組成的。意味著在一個(gè)典型的編碼蛋白質(zhì)的基因中，它的啟動(dòng)子和上游的調(diào)節(jié)區(qū)位于基因的非轉(zhuǎn)錄部分，而mRNA轉(zhuǎn)錄區(qū)代表轉(zhuǎn)錄單位。被稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactors）的DNA結(jié)合蛋白與基因調(diào)控區(qū)中特殊的效應(yīng)元件（responseelements，RE）DNA序列相互作用，調(diào)節(jié)RNA聚合酶活性，達(dá)到控制基因轉(zhuǎn)錄的目的。轉(zhuǎn)錄因子的功能

常用轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)（transcriptionalinduction）（增加起始速率）和轉(zhuǎn)錄阻遏（transcriptionalrepression）（降低起始速率）等術(shù)語(yǔ)來(lái)描述轉(zhuǎn)錄因子的功能。誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子稱(chēng)之激活劑（activators），而阻遏轉(zhuǎn)錄的稱(chēng)之為阻遏物（repressors）。轉(zhuǎn)錄因子起著激活劑作用，還是起著阻遏物的作用取決于細(xì)胞的生理狀態(tài)和不同啟動(dòng)子之間的DNA序列差別。在原核生物中，效應(yīng)分子可以是cAMP或某些小的代謝產(chǎn)物，而真核生物轉(zhuǎn)錄效應(yīng)分子常常受到磷酸化作用的調(diào)節(jié)。從下圖可以看到轉(zhuǎn)錄速率增加（誘導(dǎo)和去阻遏）和降低（阻遏和去誘導(dǎo)）的兩種轉(zhuǎn)錄機(jī)制，主要的調(diào)節(jié)機(jī)制是DNA結(jié)合活性的調(diào)節(jié)。圖20.2(a)、(b)分別表示阻遏物被效應(yīng)分子抑制和激活；下圖(c)和(d)分別表示激活劑被效應(yīng)分子激活和抑制。

調(diào)節(jié)機(jī)制

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(jī)制的不同可分為：負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（negativetranscriptionregulation）正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（positivetranscriptionregulation）。一、原核基因調(diào)控機(jī)制的類(lèi)型與特點(diǎn)

在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)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)其作用特征又可分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏二大類(lèi)。在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白不與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄；在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白作用的部位是操縱區(qū)。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）。也可根據(jù)激活蛋白的作用性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)。在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（誘導(dǎo)物）的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；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)。參與大腸桿菌中基因表達(dá)調(diào)控最常見(jiàn)的蛋白質(zhì)可能是σ因子，共存在六種σ因子，其中σ70是調(diào)控最基本的生理功能如碳代謝、生物合成等基因的轉(zhuǎn)錄所必須的。

除參與氮代謝的σ54以外，其它5種σ因子在結(jié)構(gòu)上具有同源性，所以統(tǒng)稱(chēng)σ70家族。所有σ因子都含有4個(gè)保守區(qū)，其中第2個(gè)和第4個(gè)保守區(qū)參與結(jié)合啟動(dòng)區(qū)DNA，第2個(gè)保守區(qū)的另一部分還參與雙鏈DNA解開(kāi)成單鏈的過(guò)程。與上述σ因子特異性結(jié)合DNA上的-35區(qū)和-10區(qū)不同，σ54因子識(shí)別并與DNA上的-24和-12區(qū)相結(jié)合。在與啟動(dòng)子結(jié)合的順序上，σ70類(lèi)啟動(dòng)子在核心酶結(jié)合到DNA鏈上之后才能與啟動(dòng)子區(qū)相結(jié)合，而σ54則類(lèi)似于真核生物的TATA區(qū)結(jié)合蛋白（TBP），可以在無(wú)核心酶時(shí)獨(dú)立結(jié)合到啟動(dòng)子上。二、弱化子對(duì)基因活性的影響

屬于這種調(diào)節(jié)方式的有大腸桿菌中的色氨酸操縱子、苯丙氨酸操縱子、蘇氨酸操縱子、異亮氨酸操縱子等等。

起信號(hào)作用的是有特殊負(fù)載的氨基酰-tRNA的濃度，在色氨酸操縱子中就是色氨酰-tRNA的濃度。

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(chēng)為弱化子。這種因?yàn)楹颂求w在基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上的不同位置，決定了RNA可以形成哪一種形式的二級(jí)結(jié)構(gòu)、并由此決定基因能否繼續(xù)轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)方式確實(shí)是非常巧妙的。起調(diào)節(jié)作用的信號(hào)分子是細(xì)胞中某一氨基酸或嘧啶的濃度，因此是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)中的微調(diào)整，好比無(wú)線(xiàn)電調(diào)諧器中的微調(diào)一樣，只要稍加變動(dòng)就可影響整個(gè)體系的功能。三、降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)

操縱子學(xué)說(shuō)的核心是使基因從表達(dá)抑制狀態(tài)中解脫出來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，是從負(fù)調(diào)節(jié)的角度來(lái)考慮基因表達(dá)調(diào)控的。那么，有沒(méi)有從相反的角度進(jìn)行正調(diào)節(jié)以提高基因的轉(zhuǎn)錄水平？有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、阿拉伯糖或麥芽糖等誘導(dǎo)物，與其相對(duì)應(yīng)的操縱子也不會(huì)啟動(dòng)，產(chǎn)生出代謝這些糖的酶來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為葡萄糖效應(yīng)或稱(chēng)為降解物抑制作用。為什么會(huì)產(chǎn)生這種效應(yīng)呢？因?yàn)樘砑悠咸烟呛?，?xì)菌所需要的能量便可從葡萄糖得到滿(mǎn)足，葡萄糖是最方便的能源，細(xì)菌無(wú)需開(kāi)動(dòng)一些不常用的基因去利用這些稀有的糖類(lèi)。葡萄糖的存在會(huì)抑制細(xì)菌的腺苷酸環(huán)化酶活性，減少環(huán)腺苷酸（cAMP）的合成，與它相結(jié)合的蛋白質(zhì)，即環(huán)腺苷酸受體蛋白CRP又稱(chēng)分解代謝物激活蛋白CAP，因找不到配體而不能形成復(fù)合物。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，是一種積極的調(diào)節(jié)方式。四、細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)

細(xì)菌有時(shí)會(huì)碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓時(shí)，就不是缺少一二種氨基酸，而是氨基酸的全面匱乏。為了緊縮開(kāi)支，渡過(guò)難關(guān)，細(xì)菌將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)急反應(yīng)，包括生產(chǎn)各種RNA、糖、脂肪和蛋白質(zhì)在內(nèi)的幾乎全部生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程均被停止。實(shí)施這一應(yīng)急反應(yīng)的信號(hào)是鳥(niǎo)苷四磷酸（ppGpp）和鳥(niǎo)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(shí)，細(xì)胞中便存在大量的不帶氨基酸的tRNA，這種空載的tRNA會(huì)激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成，其濃度可增加10倍以上。ppGpp的出現(xiàn)會(huì)關(guān)閉許多基因，當(dāng)然也會(huì)打開(kāi)一些合成氨基酸的基因，以應(yīng)付這種緊急狀況。關(guān)于ppGpp的作用原理還不大清。ppGpp與pppGpp的作用范圍十分廣泛，它們不是只影響一個(gè)或幾個(gè)操縱子，而是影響一大批，所以它們是超級(jí)調(diào)控因子。操縱子學(xué)說(shuō)

法國(guó)巴斯德研究院的FrancoisJacob與JacquesMonod于1960年在法國(guó)科學(xué)院院報(bào)(ProceedingoftheFrenchAcademyofSciences)上發(fā)表了一篇論文，提出乳糖代謝中的兩個(gè)基因被一靠近它們的遺傳因子所調(diào)節(jié)。這二個(gè)基因?yàn)棣?半乳糖苷酶(β-galactosidase)和半乳糖苷透過(guò)酶(galactosidepermease)。在此文中他們首先提出了操縱子(operon)和操縱基因(operator)的概念，他們的操縱子學(xué)說(shuō)(theoryofoperon)使我們得以從分子水平認(rèn)識(shí)基因表達(dá)的調(diào)控，是一個(gè)劃時(shí)代的突破，因此他們二人于1965年榮獲諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。大腸桿菌能以乳糖為唯一碳源生長(zhǎng)，這是由于它能產(chǎn)生一套利用乳糖的酶。這些酶受乳糖操縱子的控制。大腸桿菌乳糖操縱子是大腸桿菌DNA的一個(gè)特定區(qū)段，由調(diào)節(jié)基因I，啟動(dòng)基因P，操縱基因O和結(jié)構(gòu)基因Z、Y、A組成。P區(qū)是轉(zhuǎn)錄起始時(shí)RNA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。平時(shí)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。

Z編碼β-半乳糖苷酶；Y編碼β-半乳糖苷透過(guò)酶；A編碼β-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶。β-半乳糖苷酶是一種β-半乳糖苷鍵的專(zhuān)一性酶，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。β-半乳糖苷透過(guò)酶的作用是使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過(guò)大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。β-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶的作用是把乙酰輔酶A上的乙酰基轉(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。

RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位乳糖操縱子的控制模型，其主要內(nèi)容如下：

①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順?lè)醋拥膍RNA分子所編碼。

②這個(gè)mRNA分子的啟動(dòng)子緊接著O區(qū)，而位于I與O之間的啟動(dòng)子區(qū)（P），不能單獨(dú)起動(dòng)合成β-半乳糖苷酶和透過(guò)酶的生理過(guò)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(diǎn)。

④當(dāng)阻遏物與操縱基因結(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，使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，操縱基因區(qū)沒(méi)有被阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始mRNA的合成。

當(dāng)一個(gè)mRNA含有編碼一個(gè)以上蛋白質(zhì)的編碼信息，而且這些蛋白質(zhì)都是以獨(dú)立的多肽被翻譯時(shí)，這樣的mRNA稱(chēng)之多順?lè)醋觤RNA。多順?lè)醋觤RNA在細(xì)菌中是很普遍的。多順?lè)醋觢acmRNA中的lacZ，lacY，lacA經(jīng)翻譯生成的產(chǎn)物分別為L(zhǎng)acZ（β-半乳糖苷酶（β-galactosidase））、LacY（β-半乳糖苷通透酶（β-galactosidepermease））和LacA（β-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；福╰hiogalactosidetransacetylase））。

別乳糖是lac操縱子轉(zhuǎn)錄的活性誘導(dǎo)物，人們發(fā)現(xiàn)一個(gè)合成的、結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于別乳糖、不能被β-半乳糖苷酶水解的β-半乳糖苷異丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside：IPTG）起著lac操縱子的一個(gè)誘導(dǎo)物的作用，所以IPTG常用于誘導(dǎo)含有使用了lac啟動(dòng)子的質(zhì)粒載體的細(xì)菌中的重組蛋白的表達(dá)。

lac操縱子受LacI阻遏蛋白調(diào)控。在沒(méi)有誘導(dǎo)劑（乳糖或IPTG）存在時(shí)，LacI阻遏蛋白與lac操縱子DNA序列結(jié)合得非常緊密，lac基因不能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。當(dāng)IPTG存在時(shí)，IPTG與LacI阻遏蛋白相互作用，形成LacI阻遏蛋白－IPTG復(fù)合物，體外研究表明，該復(fù)合物對(duì)lac操縱基因的親和性為單獨(dú)LacI阻遏蛋白的親和性的千分之一。所以IPTG作為lac基因表達(dá)的一個(gè)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（lac操縱基因）也是LacI阻遏蛋白的結(jié)合部位，實(shí)驗(yàn)表明RNA聚合酶和LacI阻遏蛋白對(duì)操縱基因序列的結(jié)合是相互排斥的。

通過(guò)去阻遏調(diào)控lac操縱子只是調(diào)控的一種方式，另一調(diào)控系統(tǒng)也可起到lac操縱子的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)作用。分解物基因激活蛋白（catabolicgene-activatorprotein:CAP）可以部分調(diào)控細(xì)菌對(duì)糖的代謝。在有乳糖存在，而且葡萄糖水平低時(shí)，CAP可以激活象lac操縱子那樣的操縱子的轉(zhuǎn)錄。

當(dāng)葡萄糖和乳糖都存在時(shí)，即使阻遏物不結(jié)合，轉(zhuǎn)錄也是非常弱的。然而當(dāng)葡萄糖濃度降低，而乳糖仍然存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄激烈增加。這是由于CAP是lac操縱子的一個(gè)激活劑，并且起始了正調(diào)控轉(zhuǎn)錄。cAMP的作用象個(gè)調(diào)節(jié)器，它與CAP結(jié)合正向調(diào)控CAP的DNA結(jié)合活性。E.Coli中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)將導(dǎo)致腺苷酸環(huán)化酶的去活化（作用），這使得細(xì)胞內(nèi)cAMP處于低水平。因此當(dāng)葡萄糖存在時(shí)，cAMP水平低，而CAP無(wú)活性。然而當(dāng)葡萄糖水平低時(shí)，腺苷環(huán)化酶有活性，細(xì)胞內(nèi)cAMP水平增加，導(dǎo)致CAP的激活，結(jié)果促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)。（下圖）概括了在葡萄糖和乳糖水平低和高的條件下lac操縱子的轉(zhuǎn)錄活性。只有當(dāng)葡萄糖水平低，而乳糖存在時(shí)，lac操縱子才被最大程度地轉(zhuǎn)錄。當(dāng)葡萄糖和乳糖的水平都很低時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？實(shí)驗(yàn)表明，盡管有激活的CAP存在，lac阻遏物與lac操縱基因結(jié)合仍然能夠阻止RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合。

Thecircuitryfortheeffectisshowninthefigurebelow.Ontheleftisthesituationforhighglucose/lowcAMPandontherightforlowglucose/highcAMP:HowdoestheCAP-cAMPstimulatetranscription?Inthefirstmodel,theCAP-cAMPinteractswiththeRNApolymerasebybindingtotheC-terminaldomainofoneofthetheasubunits.

ThesecondmodelhastheincreasedtranscriptionrateoftheoperonduetobendingoftheDNAbecauseofthebindingofCAP-cAMPSuchbindingcanbeobservedexperimentally.Infact,X-raycrystalstructuresoftheCAP-cAMPbondtoDNAshowabendingofthistype.ThebendingmightallowtheRNApolymerasetobindmoretightlytothepromoter.CAPBindingBendsDNAThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebindingDNACAPLacICrystalStructureofLacIandCAPComplexedtoDNATheresultisthatthelacoperonrespondstoboththepresenceorabsenceoflactoseaswellastothelevelofglucosethecellhasavailable.HereisatablethatpresentsthesepossibilitiesintermsoflacmRNAsynthesis:PositiveControlofTranscription:CAP

Absenceofthelacrepressorisessentialbutnotsufficientforeffectivetranscriptionofthelacoperon.TheactivityofRNApolymerasealsodependsonthepresenceofanotherDNA-bindingproteincalledcataboliteactivatorproteinorCAP.CAPhastwotypesofbindingsites:OnebindsthenucleotidecyclicAMP;theotherbindsasequenceof16basepairsupstreamofthepromoterHowever,CAPcanbindtoDNAonlywhencAMPisboundtoCAP.sowhencAMPlevelsinthecellarelow,CAPfailstobindDNAandthusRNApolymerasecannotbeginitswork,evenintheabsenceoftherepressor.Sothelacoperonisunderbothnegative(therepressor)andpositive(CAP)control.CAPconsistsoftwoidenticalpolypeptides(henceitisahomodimer).TowardtheC-terminal,eachhastworegionsofalphahelixwithasharpbendbetweenthem.ThelongeroftheseiscalledtherecognitionhelixbecauseitisresponsibleforrecognizingandbindingtoaparticularsequenceofbasesinDNA.Thereareactuallythreelacoperators.TheonecommonlyshownindiagramsiscalledlacO1.Theothersaredownstream(lacO2)andupstream(lacO3)fromthisone.O2andO3arecalledauxiliaryoperators.NoticethatO2isplacedwithinthelacZreadingframe!Alsonoticetheslightsequencedifferencesbetweenthemainoperator(O1)andtheothertwo.(CAPisthebindingsiteforthecAMP:CAPcomplexandRNAPistheRNApolymerasebindingsite,otherwiseknownasthepromoter).Genetranscriptionbeginsataparticularnucleotideshowninthefigureas"+1".RNApolymeraseactuallybindstoasite"upstream"(i.e.,onthe5'side)ofthissiteandopensthedoublehelixsothattranscriptionofonestrandcanbegin.ThebindingsiteforRNApolymeraseiscalledthepromoter.Inbacteria,twofeaturesofthepromoterappeartobeimportant:asequenceofTATAAT(orsomethingsimilar)centered10nucleotidesupstreamofthe+1siteandanothersequence(TTGACAorsomethingquiteclosetoit)centered35nucleotidesupstream.ThestructureofamonomerofLacrepressoridentifiesseveralindependentdomains.PhotographkindlyprovidedbyMitchellLewis.Repressorproteinbindstotheoperatorandisreleasedbyinducer

ThecrystalstructureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.PhotographskindlyprovidedbyAlanFriedman.

ThecrystalstructureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.PhotographskindlyprovidedbyAlanFriedman.

ThecrystalstructureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.PhotographskindlyprovidedbyAlanFriedman.

ThecrystalstructureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.PhotographskindlyprovidedbyAlanFriedman.

操縱基因的鑒定

小結(jié)

1.Thelacgenesarecontrolledbyarepressor

2.Thelacoperoncanbeinduced

3.Repressoriscontrolledbyasmallmoleculeinducer

4.Repressorproteinbindstotheoperator

5.Bindingofinducerreleasesrepressorfromtheoperator 6.Repressorisatetramer

7.RepressorbindstothreeoperatorsandinteractswithRNApolymerase

8.RepressorisalwaysboundtoDNA

9.CAPfunctionsindifferentwaysindifferenttargetoperons 10.CAPbendsDNA

OrganizationofLacOperonandLacIOperonpromoterRibosomeinitiationTheLacOperon:

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

WhenGlucoseAndLactoseArePresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great,Icantranscribe!Sometranscriptionoccurs,butataslowrateThislactosehasbentmeoutofshapeTheLacOperon:

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

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!第二節(jié)乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)本節(jié)的主要內(nèi)容有：一、乳糖操縱子二、正調(diào)控和負(fù)調(diào)控一、乳糖操縱子1調(diào)控位點(diǎn)(1)Operator操縱基因(2)CAP(catabolitegeneactivationprotein)orCRP(cAMP受體蛋白)結(jié)合位點(diǎn)(3)Promotor2別乳糖為誘導(dǎo)物3本底組成型(backgroundconstitutivesynthesis)組成型(constitutivegene)即看家基因（Houskeepinggene)誘導(dǎo)物

的加入

和去除

對(duì)lacmRNA

的影響二、正調(diào)控和負(fù)調(diào)控正調(diào)控負(fù)調(diào)控誘導(dǎo)(induction)阻遏(repression)誘導(dǎo)物(inductor)阻遏物(repressor)輔阻遏物(corepressor)使阻遏蛋白具有活性或使活性蛋白失去活性的物質(zhì)稱(chēng)～。第三節(jié)

色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)本節(jié)的主要內(nèi)容有：一、trp操縱子的阻遏系統(tǒng)二、弱化子與前導(dǎo)肽三、trp操縱子弱化機(jī)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)

lac和ara操縱子是編碼分解代謝途徑酶系的操縱子，負(fù)責(zé)碳源（例如乳糖和阿拉伯糖等）的分解利用，這些操縱子的表達(dá)受相應(yīng)碳源的誘導(dǎo)。在細(xì)菌中還有負(fù)責(zé)一些物質(zhì)合成代謝的操縱子，例如色氨酸操縱子（tryptophanoperon,trpoperon）就是負(fù)責(zé)色氨酸合成的操縱子。trp操縱子是由一個(gè)啟動(dòng)子和一個(gè)操縱基因區(qū)組成，該操縱基因區(qū)控制一個(gè)編碼色氨酸生物合成需要的5種蛋白的多順?lè)醋觤RNA的表達(dá)。

一、色氨酸（trp）操縱子

由于trp體系參與生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CRP的調(diào)控。色氨酸的合成主要分5步完成，有7個(gè)基因參與整個(gè)合成過(guò)程。trpE和trpG編碼鄰氨基苯甲酸合酶，trpD編碼鄰氨基苯甲酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶，trpF編碼異構(gòu)酶，trpC編碼吲哚甘油磷酸合酶，trpA和trpB則分別編碼色氨酸合酶的α和β亞基。trpE基因是第一個(gè)被翻譯的基因，和trpE緊鄰的是啟動(dòng)子區(qū)和操縱區(qū)。另外，前導(dǎo)區(qū)和弱化子區(qū)分別定名為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)。后者位于大腸桿菌染色體圖上25分鐘處，而前者則位于90分鐘處。在位于65分鐘處還有一個(gè)trpS（色氨酸t(yī)RNA合成酶），它與攜帶有色氨酸的tRNATrp共同參與trp操縱子的調(diào)控作用。二、弱化子與前導(dǎo)肽

（一）弱化子

在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前有一個(gè)長(zhǎng)162bp的mRNA片段被稱(chēng)為前導(dǎo)區(qū)，其中123～150位堿基序列如果缺失，trp基因表達(dá)可提高6-10倍，而且無(wú)論是在阻遏細(xì)胞內(nèi)還是在永久性突變的細(xì)胞內(nèi)都是這樣。當(dāng)mRNA合成起始以后，除非培養(yǎng)基中完全沒(méi)有色氨酸，轉(zhuǎn)錄總是在這個(gè)區(qū)域終止，產(chǎn)生一個(gè)僅有140個(gè)核苷酸的RNA分子，終止trp基因轉(zhuǎn)錄，這就是123～150區(qū)序列缺失會(huì)提高trp基因表達(dá)的原因。因?yàn)檗D(zhuǎn)錄終止發(fā)生在這一區(qū)域，并且這種終止是被調(diào)節(jié)的，這個(gè)區(qū)域就被稱(chēng)為弱化子。

研究引起終止的mRNA堿基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNA通過(guò)自我配對(duì)可以形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)。（二）前導(dǎo)肽實(shí)驗(yàn)表明衰減作用需要負(fù)載tRNATrp參與，這意味著前導(dǎo)序列的某些部分被翻譯了。分析前導(dǎo)序列發(fā)現(xiàn)，它包括起始密碼子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)含有14個(gè)氨基酸的多肽。這個(gè)假設(shè)的多肽（還未實(shí)際觀察到）被稱(chēng)為前導(dǎo)肽。

前導(dǎo)序列具有一個(gè)非常有意義的特點(diǎn)，在其第10和第11位上有相鄰的兩個(gè)色氨酸密碼子。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榻M氨酸操縱子中，也具有弱化子，也具有一個(gè)類(lèi)似的能編碼前導(dǎo)肽的堿基序列，此序列中含有7個(gè)相鄰的組氨酸密碼子。苯丙氨酸操縱子中同樣存在弱化子結(jié)構(gòu)，其前導(dǎo)序列中也有7個(gè)苯丙氨酸密碼子。這些密碼子參與了trp及其他操縱子中的轉(zhuǎn)錄弱化機(jī)制。（三）mRNA前導(dǎo)區(qū)的序列分析

trp前導(dǎo)區(qū)的堿基序列已經(jīng)全部測(cè)定，引人注目的是其中4個(gè)分別以1、2、3和4表示的片段能以?xún)煞N不同的方式進(jìn)行堿基配對(duì)（圖6-22），有時(shí)以1-2和3-4配對(duì)，有時(shí)只以2-3方式互補(bǔ)配對(duì)。RNaseT1降解實(shí)驗(yàn)（此酶不能水解配對(duì)的RNA）表明，純化的trp前導(dǎo)序列中確有1-2和3-4的配對(duì)方式，由此定位的3-4配對(duì)區(qū)正好位于終止密碼子的識(shí)別區(qū)，當(dāng)這個(gè)區(qū)域發(fā)生破壞自我配對(duì)的堿基突變時(shí)有利于轉(zhuǎn)錄的繼續(xù)進(jìn)行。（四）轉(zhuǎn)錄弱化作用

轉(zhuǎn)錄的弱化理論認(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)相鄰的色氨酸密碼子，所以這個(gè)前導(dǎo)肽的翻譯必定對(duì)tRNATrp的濃度敏感。當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸的濃度很低時(shí)，負(fù)載有色氨酸的tRNATrp也就少，這樣翻譯通過(guò)兩個(gè)相鄰色氨酸密碼子的速度就會(huì)很慢，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)相鄰的trp密碼子處），這時(shí)的前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)是2-3配對(duì)，不形成3-4配對(duì)的終止結(jié)構(gòu)，所以轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進(jìn)行，直到將trp操縱子中的結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄。而當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸濃度高時(shí)，核糖體可順利通過(guò)兩個(gè)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(duì)，3-4區(qū)可以自由配對(duì)形成莖-環(huán)狀終止子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停止，trp操縱子中的結(jié)構(gòu)基因被關(guān)閉而不再合成色氨酸（圖6-24）。所以，弱化子對(duì)RNA聚合酶的影響依賴(lài)于前導(dǎo)肽翻譯中核糖體所處的位置。ThetrpoperonisnegativelyregulatedbytheTrprepressorTrprepressorbindsitstargetDNAsequenceonlywhenititselfisboundbyitsco-repressor,tryptophan.Thetrpoperatorisapalindromic

DNAsequencetrp操縱子轉(zhuǎn)錄的調(diào)控是通過(guò)Trp阻遏物實(shí)現(xiàn)的，它結(jié)合于trp操縱基因序列

，但Trp阻遏物的DNA結(jié)合活性直接受色氨酸調(diào)控，色氨酸結(jié)合Trp阻遏物，并起著一個(gè)效應(yīng)分子的作用（也稱(chēng)之輔阻遏物）。在有高濃度色氨酸存在時(shí)，Trp阻遏物-色氨酸復(fù)合物形成一個(gè)同源二聚體，并且緊密結(jié)合于trp操縱基因序列，因此可以阻止轉(zhuǎn)錄。然而當(dāng)色氨酸水平低時(shí)，缺少色氨酸的Trp阻遏物以一種非活性形式存在，不能結(jié)合DNA。在這樣的條件下，trp操縱子被RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄，同時(shí)色氨酸生物合成途徑被激活。

三、trp操縱子弱化機(jī)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)trp操縱子的另一種轉(zhuǎn)錄調(diào)控是稱(chēng)之衰減作用（attenuation）的調(diào)控機(jī)制，這是一種將翻譯與轉(zhuǎn)錄聯(lián)系在一起的新的轉(zhuǎn)錄調(diào)控形式。細(xì)胞內(nèi)Trp-tRNATrp濃度決定核糖體是否停留在trpmRNA中的前導(dǎo)序列內(nèi)的兩個(gè)連續(xù)的色氨酸密碼子處。當(dāng)色氨酸水平高和Trp-tRNATrp可利用時(shí)，起轉(zhuǎn)錄終止作用的發(fā)卡環(huán)結(jié)構(gòu)（由區(qū)3和區(qū)4之間）形成，RNA聚合酶剛好在一個(gè)聚尿嘧啶的下游處脫離DNA模板，轉(zhuǎn)錄終止。當(dāng)由于細(xì)胞內(nèi)色氨酸有限，Trp-tRNATrp水平低時(shí)，核糖體就停留在RNA中連續(xù)的一對(duì)色氨酸密碼子處。核糖體這一瞬間的停留給出時(shí)間使得一種替換的發(fā)卡結(jié)構(gòu)在新的RNA中（由區(qū)2和區(qū)3之間）形成，是一種抗終止的RNA結(jié)構(gòu)，它破壞了轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)，使得RNA聚合酶能夠繼續(xù)沿著DNA模板滑動(dòng)完成轉(zhuǎn)錄。

ThetrpoperonP=promoterT=terminatorO=operatortrpRtrpAPOPTTPolycistronicmRNA(encodes5proteins)mRNATrpR(repressor)5separateproteinsthatweresynthesizedfromonemRNAtrpBtrpCtrpDtrpEAttenuatorTrpRAttenuationinthetrpoperonEffectivelyaddsafinetuningtotheregulationofthetrpoperon.Severalkeypoints:Transcription&translationaretightlycoupledinbacteria(attenuationrequiresthis).SynthesisofaleadersequencerichinTrpinfluenceswhethertranscriptionofthetrp

operoniscomplete.If[Trp]isadequatetranscriptionisterminatedbeforethetrp

operon.If[Trp]isinadequatetranscriptioniscompleted.TerminationoftranscriptionisdeterminedbyleadermRNAsequence.Attenuation–atranscriptionalformofcontrol

mRNAleadersequenceAttenuator110140trpELeaderpolypeptide14aawith2Trpaa1162TypicalstemloopofTerminationsiteAttenuation12344231mRNATrpcodonsmRNAsectionsbasepairswith2basepairswith4ONLY3+4generatetheterminationsiteAttenuation–Inadequate[Trp]1234mRNATrpcodons2314Ribosomestalls

duetolow[Trp]Thislargestemloopof2+3doesNOTactasaterminator.Transcriptioncontinues!!RNApolymeraseAttenuation–Adequate[Trp]1234431RibosomemovesRapidlyalongmRNAmRNAsectionsbasepairswith4toformaterminationsite,suchthatRNApolymeraseprematurelyfallsoffthemRNAandabortsfurthertranscription.mRNAAttenuationworksbyhavetheRNApolymerasestop(terminate)beforethetranscriptionofthestructuralgenes,butAFTERithasalreadystartedtomakeanRNA.ThekeyistheregionoftheoperoncalledtrpL(seethefiguresabove).ThetrpoperonofE.coliIntryptophan-poormediumIntryptophan-richmediumOperonSummary

Wehaveconsideredindetailthreeoperons:thelacoperon,thearaoperon,andthetrpoperon.Thefirsttwoareoperonsconcernedwiththecontrolofcatabolicprocesses(utilizationofenergysubstrates)whilethethirdisconcernedwithanabolicprocesses(synthesisofamoleculethecellneeds).Allthreesharenegativecontrolfeatures,usingrepressorproteinsbindingtooperatorstoplacetheoperoninthe"off"state.Thefirsttwohavepositivecontrolfeaturesthatincreasetranscriptioninresponsetolowglucose(CAP-cAMPbindingtotheCAPsite).Thisisnotthecaseforthetryptophanoperon.Thetryptophanoperon,however,hastheadditionalnegativecontrolfeatureofattenuation.Thesefeaturesaresummarizedinthefollowingtable:consensusTATA(Pribnow)boxE.coliPromoters

AllostericEffectorsBindingcanalsoberequiredforbindingofrepressor(e.g.Trp)orcanblockanactivator.GenomicOrganizationoftheTrpOperon

TheTrpOperon

Notethattheorderofthegenesfollowstheorderofthebiosyntheticpathway!!ControlofGeneExpressionintheTrpOperonTheenzymecatalyzingthefirststepinthepathwayisinhibitedbyTrp(feedbackcontrol).InthepresenceofTrp,arepressorproteinbindstoanoperatorupstreamoftheTrp

operonandshutsofftranscriptionAttenuation.Thereisa160basepairregionintheTrpmRNAthatcausestranscriptiontoterminateprematurelyifTrpispresent.FeedbackControl

TranscriptionalControlAttenuationControlAttenuationControlHighTrpLevels

Ribosomeproceeds

Loop3/4forms

TranscriptionterminatesLowTrpLevels

Ribosomestalls

Loop2/3forms

TranscriptioncontinuesTrpOperonControlledbyAttenuationtrpR

PO1234trpEtrpDtrpCtrpBtrpAattenuatorLeaderattenuationcanformundercertainconditionsbase-pairingcanoccurbetween1-22-33-4Attenuation149HighlevelsofTryptophaninCelltranscription&translationoccursimultaneouslyinProkaryotesleadertranscript(1)has2trp

codons(UGGUGG)ribosomesmovesfastalongtranscriptstem-loop3-4forms,polyUsafterearlyterminationoftranscription,

translationstops(onlyleaderpeptideforms-hasnofunction)150LowLevelsofTryptophaninCellribosomestallsatUGGUGGinleadertranscript(1)stem-loop2-3forms,nopolyUaftertranscriptioncontinues151LowLevelsofotherAminoAcidsribosomestallswayearlystem-loops1-2&3-4form,polyUafterearlyterminationoftranscription152TheTrpOperon:

WhenTryptophanIsPresentSTOPRighttherePolymeraseTrpTrpRepressorRepressorRepressorPromo.trpDtrpBLead.OperatortrpAtrpCtrpEAten.RNAPol.FoiledAgain!RepressormRNAHeyman,I’mconstitutive3’5’5’3’TranscriptionAndTranslationInProkaryotesRibosomeRibosome5’mRNARNAPol.

Met-Lys-Ala-Ile-Phe-Val-AAGUUCACGUAAAAAGGGUAUCGACA-AUG-AAA-GCA-AUU-UUC-GUA-Leu-Lys-Gly-Trp-Trp-Arg-Thr-Ser-STOPCUG-AAA-GGU-UGG-UGG-CGC-ACU-UCC-UGA-AACGGGCAGUGUAUUCACCAUGCGUAAAGCAAUCAGAUACCCAGCCCGCCUAAUGAGCGGGCUUUU

Met-Gln-Thr-Gln-Lys-ProUUUU-GAACAAAAUUAGAGAAUAACA-AUG-CAA-ACA-CAA-AAA-CCGtrpE...TerminatorTheTrpLeaderandAttenuator4123ThemRNASequenceCanFoldInTwoWays4123Terminatorharipin41233’5’5’3’TheAttenuator

WhenStarvedForTryptophan4123RNAPol.RibosomeHelp,IneedTryptophan3’5’5’3’TheAttenuator

WhenTryptophanIsPresent4123RNAPol.RibosomeRNAPol.第四節(jié)

其他操縱子本節(jié)的主要內(nèi)容有：一、半乳糖操縱子二、阿拉伯糖操縱子三、多啟動(dòng)子調(diào)控的操縱子大腸桿菌半乳糖操縱子(galactoseoperon)包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：

異構(gòu)酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，

半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galactosetransferase,galT)，

半乳糖激酶(galactosekinase,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。一、半乳糖操縱子gal操縱子的特點(diǎn)：

①它有兩個(gè)啟動(dòng)子，其mRNA可從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)錄；

②它有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游-67--53，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。因?yàn)榘肴樘堑睦眯时绕咸烟堑停藗儾孪肫咸烟谴嬖跁r(shí)半乳糖操縱子不被誘導(dǎo)，但實(shí)際上有葡萄糖存在時(shí)，gal操縱子仍可被誘導(dǎo)?，F(xiàn)已分離到一些突變株，其中一類(lèi)突變株能在不含葡萄糖的培養(yǎng)基中高水平合成半乳糖代謝酶類(lèi)（gal結(jié)構(gòu)基因高效表達(dá)）；而另一類(lèi)突變株中g(shù)al基因的表達(dá)完全依賴(lài)于葡萄糖，培養(yǎng)基中如無(wú)葡萄糖存在，這些細(xì)菌的gal基因不表達(dá)，不合成半乳糖代謝酶類(lèi)。

分析gal操縱子P-O區(qū)的DNA序列發(fā)現(xiàn)，該操縱子確實(shí)存在兩個(gè)相距僅5bp的啟動(dòng)子，可以分別起始mRNA的合成。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。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(lài)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)錄從S1開(kāi)始，當(dāng)無(wú)cAMP-CAP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S2開(kāi)始。

為什么gal操縱子需要兩個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)？

半乳糖不僅可以作為唯一碳源供細(xì)胞生長(zhǎng)，而且與之相關(guān)的物質(zhì)--尿苷二磷酸半乳糖（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，UDP-gal是通過(guò)半乳糖差向異構(gòu)酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，該酶是galE基因的產(chǎn)物。生長(zhǎng)過(guò)程中的所有時(shí)間里細(xì)胞必須能夠合成差向異構(gòu)酶?，F(xiàn)在設(shè)想只有S1一個(gè)啟動(dòng)子，那么由于這個(gè)啟動(dòng)子的活性依賴(lài)于cAMP-CRP，當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時(shí)就有能合成異構(gòu)酶。假如唯一的啟動(dòng)子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的情況下，半乳糖也將使操縱子處于充分誘導(dǎo)狀態(tài)，這無(wú)疑是一種浪費(fèi)。無(wú)論從必要性或經(jīng)濟(jì)性考慮，都需要一個(gè)不依賴(lài)于cAMP-CAP的啟動(dòng)子（S1）對(duì)高水平合成進(jìn)行調(diào)節(jié)。MapoftheE.coligaloperonandnucleotidesequenceoftheregulatoryregion組氨酸操縱子與His降解代謝有關(guān)的兩組酶類(lèi)被稱(chēng)為hut酶(histidineutilizingenzyme)，控制這些酶合成的操縱子被稱(chēng)為hutoperon。由一個(gè)多重調(diào)節(jié)的操縱子控制，有兩個(gè)啟動(dòng)子，兩個(gè)操縱區(qū)及兩個(gè)正調(diào)節(jié)蛋白。

Hut操縱子共編碼4種酶和一個(gè)阻遏物。4種酶分別由hutG、hutH、hutI及hutU基因編碼，阻遏物則由hutC基因編碼。在產(chǎn)氣克氏菌中，以上基因構(gòu)成兩個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，hutI、hutG、hutC和hutU、hutH分別被轉(zhuǎn)錄合成兩條mRNA長(zhǎng)鏈。這兩個(gè)轉(zhuǎn)錄單位各自都有一個(gè)啟動(dòng)子和一個(gè)操縱區(qū)，其轉(zhuǎn)錄過(guò)程都是從左向右進(jìn)行的，hutC阻遏物能與每個(gè)操縱區(qū)相結(jié)合。無(wú)論以組氨酸作為唯一碳源或氮源，hut操縱子都會(huì)處于有活性狀態(tài)。Hut操縱子的每一個(gè)啟動(dòng)子上都有cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)，當(dāng)碳供應(yīng)匱乏時(shí)，能合成cAMP，出現(xiàn)cAMP-CAP復(fù)合物，并與操縱區(qū)上的相應(yīng)位點(diǎn)結(jié)合，誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄。雖然尚不清楚氮源缺乏時(shí)的信號(hào)是什么，但它很可能也是一個(gè)正效應(yīng)子。

在大腸桿菌中阿拉伯糖的降解需要3個(gè)基因：araB、araA和araD，它們形成一個(gè)基因簇，簡(jiǎn)寫(xiě)為araBAD

二、阿拉伯糖操縱子E.Coli的ara操縱子（arabinoseoperon）中的araB基因、araA基因和araD基因分別編碼阿拉伯糖代謝需要的三種酶：

核酮糖激酶（ribulosekinase），

阿拉伯糖異構(gòu)酶（arabinoseisomerase）

核酮糖-5-磷酸差向異構(gòu)酶（ribulose-5-phosphateeimerase）。

三個(gè)基因的表達(dá)受到ara操縱子中第4個(gè)基因araC產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄因子AraC的調(diào)控。

ara操縱子的調(diào)控有三個(gè)特點(diǎn)：第一，araC表達(dá)受到AraC的自動(dòng)調(diào)控。第二，AraC既可充當(dāng)阻遏物，也可作為激活劑。第三，AraC與CAP結(jié)合可充分誘導(dǎo)ara操縱子。

與araBAD相鄰的是一個(gè)復(fù)合的啟動(dòng)子區(qū)域和一個(gè)調(diào)節(jié)基因araC，這個(gè)AraC蛋白同時(shí)顯示正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的功能。AraBAD和araC基因的轉(zhuǎn)錄是分別在兩條鏈上以相反的方向進(jìn)行的。在標(biāo)準(zhǔn)的遺傳學(xué)圖譜上，araBAD基因簇從啟動(dòng)子PBAD開(kāi)始向右進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，而araC基因則是從Pc向左轉(zhuǎn)錄。

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是起阻遏作用的形式，可以與現(xiàn)在尚未鑒定的類(lèi)操縱區(qū)位點(diǎn)相結(jié)合，而Pi是起誘導(dǎo)作用的形式，它通過(guò)與PBAD啟動(dòng)子結(jié)合進(jìn)行調(diào)節(jié)。在沒(méi)有阿拉伯糖時(shí)，Pr形式占優(yōu)勢(shì)；一旦有阿拉伯糖存在，它就能夠與AraC蛋白結(jié)合，使平衡趨向于Pi形式。這樣，阿拉伯糖的誘導(dǎo)作用就可以解釋為阿拉伯糖與Pr的結(jié)合，使Pr離開(kāi)它的結(jié)合位點(diǎn)，然后，產(chǎn)生大量的Pi，并與啟動(dòng)子結(jié)合。因?yàn)榕囵B(yǎng)基中含有葡萄糖，所以cAMP-CAP沒(méi)有與操縱區(qū)位點(diǎn)相結(jié)合，AraC蛋白處于Pr形式并與A位點(diǎn)結(jié)合，RNA聚合酶很少再與Pc結(jié)合，araC基因雖然仍有轉(zhuǎn)錄，但受到抑制，只有少量AraC蛋白形成，整個(gè)系統(tǒng)幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。沒(méi)有葡萄糖，也沒(méi)有阿拉伯糖，因?yàn)闆](méi)有誘導(dǎo)物，盡管有cAMP-CAP與操縱區(qū)位點(diǎn)相結(jié)合，AraC蛋白仍以Pr形式為主，無(wú)法與操縱區(qū)B位點(diǎn)相結(jié)合，無(wú)araBADmRNA轉(zhuǎn)錄。無(wú)葡萄糖，有阿拉伯糖時(shí)，大量araC基因產(chǎn)物以Pi形式存在，并分別與操縱區(qū)B、A位點(diǎn)相結(jié)合，在cAMP-CAP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表達(dá)，操縱子充分激活。araC的表達(dá)受到自身產(chǎn)物AraC的自動(dòng)調(diào)控。當(dāng)沒(méi)有阿拉伯糖時(shí)，AraC起著一個(gè)轉(zhuǎn)錄阻遏物的作用。細(xì)胞中AraC蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)水平的測(cè)量表明，阻遏araC轉(zhuǎn)錄大約需要40個(gè)AraC。因此當(dāng)AraC蛋白水平低時(shí)（就是說(shuō)在細(xì)胞剛分裂之后），araC將表達(dá)直至存在足夠的AraC去阻遏它的轉(zhuǎn)錄。

阿拉伯糖作為E.Coli的碳源，可以誘導(dǎo)ara操縱子的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)細(xì)胞中葡萄糖水平高（導(dǎo)致cAMP處于低濃度）和阿拉伯糖水平低時(shí)，AraC阻遏araB，araA，araD的轉(zhuǎn)錄。

然而當(dāng)阿拉伯糖水平高，而葡萄糖水平低（cAMP高）時(shí)，CAP-cAMP復(fù)合物能夠與ara操縱子中的CAP結(jié)合部位結(jié)合，使DNA突環(huán)打開(kāi)。

阿拉伯糖的作用象AraC的一個(gè)調(diào)控器，可將AraC由一個(gè)阻遏物轉(zhuǎn)換為一個(gè)激活劑。阿拉伯糖與AraC結(jié)合似乎改變了AraC同源二聚體化特性和促進(jìn)了AraC-CAP復(fù)合物的形成。在這樣的條件下，AraC－阿拉伯糖的作用象是一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活劑，這正是CAP-cAMP誘導(dǎo)araB，araA，araD轉(zhuǎn)錄所需要的。

當(dāng)由于araBAD編碼的蛋白質(zhì)的代謝使得阿拉伯糖水平下降時(shí)，AraC又轉(zhuǎn)換成一個(gè)阻遏物，同時(shí)araBAD轉(zhuǎn)錄減少，此時(shí)盡管CAP-cAMP復(fù)合物仍然存在于細(xì)胞中。有趣的是，當(dāng)葡萄糖和阿拉伯糖都很豐富時(shí)，ara操縱子被阻遏，但阻遏的道理現(xiàn)在還不完全清楚，但這個(gè)結(jié)果表明araBAD誘導(dǎo)與AraC-阿拉伯糖和CAP-cAMP復(fù)合物都有關(guān)。

WhenthearaCproteinisboundtotheoperatoraraO1,transcriptionfromPCisprevented.Whenarabinoselevelsarelow,theAraCproteinactsasarepressorandbindstotwooperatorsites,araO1andaraO2,aswellastoaraI.Bindi