基因表達(dá)的調(diào)控

Theone-dimensionalgeneticinformationDNAmRNAAUGpolypeptideProtein

Thethree-dimensionalinformationButnotallgenesareexpressedinallcellsallthetimeOneofthebeststrategiesforanorganism’ssurvivalistobeabletoadaptquicklytochangesinitsenvironment.Infact,afundamentalpropertyoflivingcellsistheirabilitytoturntheirgenesonandoffinresponsetoextracellularsignals.生物生存的最好策略之一就是能夠盡快適應(yīng)變化了的環(huán)境。事實(shí)上，依據(jù)胞外信號(hào)打開(kāi)或關(guān)閉基因表達(dá)，是活細(xì)胞具有的基本特性。Thiscontrolofgeneexpressionmakesitpossibleforcellstoproducespecifickindsofproteinswhenandwheretheyareneeded.控制基因的表達(dá)，可以使細(xì)胞在一定的時(shí)空條件下，產(chǎn)生其所需的一組特定蛋白質(zhì)。DifferentialGeneExpression基因的差異表達(dá)E.coligenome4.6106bp,4288ORF.DetailanalysisofproteininE.colihasshownthatformorethan107polypeptidechainspercell,theneachpolypeptidechainshouldhad2300copiespercell.Someproteinsmaybepresentinasfewas5-10moleculespercell,whereasothers,suchasribosomalproteinsandthemanyproteinsinvolvedintheglycolyticpathway,are

presentinasmanyas100,000copiespercell.在每個(gè)細(xì)胞中，有些蛋白質(zhì)僅有5-10個(gè)分子拷貝，而另一些蛋白質(zhì)如核糖體蛋白以及許多參與糖代謝的蛋白質(zhì)卻高達(dá)10萬(wàn)個(gè)分子拷貝?；虮磉_(dá)的時(shí)間特異性（temporalspecificity）:是指特定基因的表達(dá)嚴(yán)格按照特定的時(shí)間順序發(fā)生，以適應(yīng)細(xì)胞或個(gè)體特定分化、發(fā)育階段的需要。又稱為階段特異性?；虮磉_(dá)的空間特異性（spatialspecificity）:是指多細(xì)胞生物個(gè)體在某一特定生長(zhǎng)發(fā)育階段，同一基因的表達(dá)的細(xì)胞或組織器官不同，從而導(dǎo)致特異性的蛋白質(zhì)分布于不同的細(xì)胞或組織器官。故又稱為細(xì)胞特異性或組織特異性。6.1原核生物與真核生物基因在表達(dá)調(diào)控機(jī)制

具有驚人的相似性共同的起源與共同的分子基礎(chǔ)調(diào)控機(jī)理上調(diào)控層次上InteractionbetweennucleicacidsInteractionbetweennucleicacidsandprotein.Interactionbetweenproteins.transcriptionallevelPost-transcriptionalleveltranslationallevelPost-translationallevel結(jié)構(gòu)改變緊密的DNA松弛的DNAAAAn轉(zhuǎn)錄mRNA加工RNA穩(wěn)定翻譯翻譯基礎(chǔ)上進(jìn)行修飾修飾的蛋白質(zhì)（有活性）加工后的mRNA蛋白質(zhì)（無(wú)活性）前體mRNAGeneExpressionisregulationatanumberofdistinctlevelsRNAtranscription:on/off、amount、processing（加工）.ProteinTranslation:rate、amount、processing、degradation.MannerofGeneticexpression

Transcripome

isthecompletesetofgenesexpressedunderparticularconditionsinacell,tissue,ororganism.轉(zhuǎn)錄組：是一個(gè)細(xì)胞、組織或有機(jī)體在特定條件下表達(dá)的一組完整的基因。constitutiveexpressionLuxurygenes奢侈基因是在特定細(xì)胞中大量合成有特殊功能的蛋白質(zhì).Housekeepinggenes

（Constitutivegenes)持家基因（組成型基因）：在所有細(xì)胞中都表達(dá)，它們提供所有的細(xì)胞生長(zhǎng)所需的基本物質(zhì).inducibleexpression6.2轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控是最為經(jīng)濟(jì)、靈活，

又是最為重要、復(fù)雜的調(diào)控

在復(fù)雜的基因組內(nèi)，確定需要基因轉(zhuǎn)錄的起始位點(diǎn)；

精細(xì)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的水平,以保證生物體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)；cis-element&trans-factor間嚴(yán)格而靈活的互作；

保證RNApol的進(jìn)行性轉(zhuǎn)錄（不中斷，準(zhǔn)確終止）；6.3原核生物基因表達(dá)調(diào)控的理論與模式LacoperonrepressorproteinbindingtoDNA6.3.1transcriptionallevelcontrolOperon（操縱子）

stringentresponse（應(yīng)急反應(yīng)）

Attenuator（弱化子）

Transposon（轉(zhuǎn)座子）原核生物的基因表達(dá)調(diào)控經(jīng)常發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，尤其表現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄的起始上。Inbacterialsystem,whenseveralenzymesactinsequenceinasinglemetabolicpathway,usuallyeitherallornoneoftheseenzymesareproduced.在細(xì)菌系統(tǒng)中，順次參與同一代謝途徑的酶通常會(huì)同時(shí)在細(xì)胞中合成。Thephenomenon,coordinateregulation,resultsfromcontrolofthesynthesisofasinglepolycistronicmRNAmoleculethatencodesallofthegeneproducts.

這種現(xiàn)象稱為協(xié)同調(diào)節(jié)。是通過(guò)控制能夠編碼所有基因產(chǎn)物的多順?lè)醋觤RNA的分子合成的結(jié)果。大腸桿菌乳糖操縱子

IPOZYA調(diào)控基因啟動(dòng)子操縱基因半乳糖苷酶半乳糖通透酶轉(zhuǎn)乙?；?/p>

Operonisaunitofbacterialgeneexpressionandregulation,includingstructuralgenesand

cis-actingcontrolelementsinDNArecognizedbyregulatorgeneproduct(s).操縱子是細(xì)菌基因表達(dá)調(diào)控的單元，包括結(jié)構(gòu)基因以及能夠被調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物所識(shí)別的存在于DNA分子上的順式作用元件。FrancoisJacobJacquesMonodOperoncontrol

(1961Jacob&Monod，PhysiologyorMedicine1965)

操縱子調(diào)控模型：控制某一代謝途徑的相關(guān)基因,緊密連鎖地排列在一起,受同一操縱子控制。PromoterOperator

cis-actingregulatoryelements反式作用調(diào)節(jié)因子的基因有自己的啟動(dòng)子和終止子

各結(jié)構(gòu)基因按一定比例協(xié)調(diào)翻譯(Z:Y:A=5:2:1);

具有極性突變效應(yīng)(polarity)：位于前面的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生突變，導(dǎo)致翻譯終止，使多順?lè)醋又型蛔兾稽c(diǎn)下游的基因不表達(dá)。

P&O基因（cis）緊密連鎖或彼此重疊，I基因（trans）位點(diǎn)不固定。PlacI+lacI+lacZ+lacY+lacA+terminatorPlac+lacO+

結(jié)構(gòu)基因簇被協(xié)同調(diào)控;operoncontroltype：Negative&PositiveNeg.Pos.

I-

or不加入I基因產(chǎn)物

operonon

I+

or加入I基因產(chǎn)物

operonoffI-or不加入I基因產(chǎn)物

operonoffI+

or加入I基因產(chǎn)物

operonon抑制蛋白NegativePositive誘導(dǎo)蛋白I

gene●RepressorbindingonOsite●Operonoff●Negativecontrol是廣泛保險(xiǎn)的機(jī)制（自然選擇使Prok.獲得選擇優(yōu)勢(shì)）Positivecontrol是靈活、嚴(yán)格、經(jīng)濟(jì)的調(diào)控機(jī)制ApoinducerbindingfrontPsite

意味轉(zhuǎn)錄效率極低阻止轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)激活轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)Model：模型●

兩種模型都需要信號(hào)分子的參與：Addsignalmol.

OperononAddsignalmol.

OperonoffCo-repressor（輔阻遏物）Inducer（誘導(dǎo)物）(inducibleoperon)(repressibleoperon)原核基因調(diào)控機(jī)制的類型和特點(diǎn)基因表達(dá)的調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，根據(jù)調(diào)控機(jī)制不同，可以分為負(fù)調(diào)控和正調(diào)控。在負(fù)調(diào)控中，調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物是阻遏蛋白，起阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。根據(jù)其作用特征又可以分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏兩大類。在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白不與效應(yīng)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)。在正調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白?？梢愿鶕?jù)激活蛋白的性質(zhì)分為正控誘導(dǎo)系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)。正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；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)。NegativecontrolInactiverepressor

InductionandrepressioncanbeunderpositiveornegativecontrolRepressorInducerInductionCorepressorActiverepressor

Inactiverepressor

RepressionPositivecontrolInactiveactivator

InducerActiveactivator

Activeactivator

Inactiveactivator

Corepressor沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白時(shí)操縱元內(nèi)結(jié)構(gòu)基因是表達(dá)的，而加入調(diào)節(jié)蛋白后結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)活性被關(guān)閉，這種調(diào)節(jié)稱為負(fù)調(diào)節(jié)。Negativeregulation：arepressorproteinbindstoanoperatortopreventagenefrombeingexpressed.負(fù)調(diào)控：阻遏蛋白結(jié)合在操作子位點(diǎn)，阻止基因的表達(dá)。3’5’阻遏物阻止RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄GeneturnedonbecauseRNApolymeraseinitiatestranscriptionatpromoter當(dāng)阻遏物結(jié)合到操縱子處，基因的表達(dá)關(guān)閉3’5’StructuralgenePromoterPositiveregulation：atranscriptionfactorisrequiredtobindatthepromoterinordertoenableRNApolymerasetoinitiatetranscription.正調(diào)控：轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合在啟動(dòng)子位點(diǎn)，是RNA聚合酶能夠起始轉(zhuǎn)錄所需要的。沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白時(shí)操縱元內(nèi)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄活性是關(guān)閉的，而加入調(diào)節(jié)蛋白后結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄活性被開(kāi)啟，這種調(diào)節(jié)方式稱為正調(diào)節(jié)。3’5’TranscriptionfactorsassistRNApolymeraseGeneturnedonbyactivatorsStructuralgeneGeneturnedoffbydefaultStartpointStructuralgenePromoter3’5’Repressor:isaproteinthatinhibitsexpressionofagene.ItmayacttopreventtranscriptionbybindingtoanoperatorsiteinDNA,ortopreventtranslationbybindingtoRNA.阻遏蛋白：抑制基因表達(dá)的蛋白質(zhì)，通過(guò)結(jié)合在DNA的操縱子位點(diǎn)上而阻止轉(zhuǎn)錄；或結(jié)合在RNA分子上而阻止翻譯。Apoinducer:

isrequiredforRNApolymerasetoinitiatetranscriptionatspecific

promoter,butisnotitselfpartoftheenzyme.誘導(dǎo)物：是RNA聚合酶在特定起始子位點(diǎn)起始轉(zhuǎn)錄所必需的，但無(wú)輔基誘導(dǎo)蛋白本身并不是聚合酶的組成組分。Induction

referstoswitchingontranscriptionasaresultofinteractionoftheinducerwiththeregulatorprotein.誘導(dǎo)：通過(guò)誘導(dǎo)分子與調(diào)節(jié)蛋白的相互作用而起始轉(zhuǎn)錄的過(guò)程。Repression

referstoinhibitionoftranscription(ortranslation)bybindingofrepressorproteintoaspecificsiteonDNA(ormRNA)byinteractionofthe

corepressor.阻遏：通過(guò)與輔阻遏分子的相互作用，而使阻遏蛋白結(jié)合在DNA（或RNA）特定位點(diǎn)上的從而阻止轉(zhuǎn)錄（或翻譯）的起始。Inducerisasmallsignalmoleculethattriggersgenetranscriptionbybindingtoaregulatorprotein.誘導(dǎo)物是通過(guò)與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合而觸發(fā)基因轉(zhuǎn)錄的小分子。Corepressorisasmallmoleculethattriggersrepressionoftranscriptionbybindingtoaregulatorprotein.

輔阻遏物是通過(guò)與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合而抑制基因轉(zhuǎn)錄的小分子。P218降解物對(duì)基因活性的影響在有葡萄糖的時(shí)候，即使細(xì)菌的培養(yǎng)基中有乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等誘導(dǎo)物，相對(duì)應(yīng)的操縱子也不會(huì)開(kāi)啟，不會(huì)產(chǎn)生出相對(duì)應(yīng)的酶類，這叫葡萄糖效應(yīng)或降解物抑制作用。因?yàn)橛衅咸烟堑拇嬖?，?xì)菌所需要的能量能夠從葡萄糖得到滿足，它是最方便的能源，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。

6.3.1.1乳糖操縱子和負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)大腸桿菌的乳糖操縱子（lactoseoperon）包括三個(gè)結(jié)構(gòu)基因Z、Y和A，以及啟動(dòng)子、控制子和阻遏子等。轉(zhuǎn)錄時(shí)，RNA聚合酶首先與啟動(dòng)區(qū)P結(jié)合，通過(guò)操縱區(qū)O向右轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的每一條mRNA上都有這三個(gè)基因。轉(zhuǎn)錄的調(diào)控是在啟動(dòng)區(qū)和操縱區(qū)進(jìn)行的。0246810Bacterialdensity(cells/mL)Time(h)LactoseE.coliE.coliGlucoseNegative—inducibleoperon

（lactoseoperon）GlucoseusedLactoseused酶可以形成的原因是編碼它們的基因在有相應(yīng)糖類物質(zhì)存在時(shí)可以被活躍轉(zhuǎn)錄。如果沒(méi)有糖類的出現(xiàn)這些基因是不轉(zhuǎn)錄的。換句話說(shuō)，這些基因是被調(diào)節(jié)的基因，只在特定的階段產(chǎn)生它們的產(chǎn)物。β-Galactosidase

β－半乳糖苷酶β-Galactosidepermease

β－半乳糖苷透性酶β-Galactosidetransacetylase

β

－半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶lacIPromoterOperatorlacZlacYlacA

Repressor38kd/monomer如果乳糖操縱子是被抑制的，沒(méi)有透性酶將乳糖帶到細(xì)胞中，沒(méi)有β－半乳糖苷酶催化反應(yīng)的發(fā)生，乳糖是如何代謝生成異乳糖的？異乳糖OOHOHOHCH2OHOOHOCH2OHOHOHOOHOHOHCH2OHOOCH2OHOHOHOHOHlactose

β-galactosidase

Whatisthenatureofthisinducer?

Whentranscriptionisinthe“off”state,abasallevelofgeneexpressionnearlyalwaysremains,oftenaveragingonetranscriptionaleventorfewerpercellgeneration;hence“off”reallymeansthatthereisverylittlesynthesisofthegeneproduct.當(dāng)轉(zhuǎn)錄處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，幾乎總是保持一個(gè)本底水平的基因表達(dá)，在每個(gè)細(xì)胞世代中，通常只有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)轉(zhuǎn)錄事件的發(fā)生；因此，關(guān)閉的真正含義是指有較少基因產(chǎn)物的合成。換句話說(shuō)，如果操縱子處于被抑制狀態(tài)，誘導(dǎo)物是如何進(jìn)入到細(xì)胞中去起始誘導(dǎo)過(guò)程的？?Thebasalleveloftranscriptionofageneisthelevelthatoccursintheabsenceofanyspecificactivation.一個(gè)基因的本底水平的表達(dá)是指在沒(méi)有任何特殊激活物存在時(shí)的表達(dá)水平someinducerentersanywayviaanotheruptakesystem.總會(huì)有一些誘導(dǎo)物可通過(guò)其他途徑被攝入到細(xì)胞內(nèi)SnowballrollingOnlyabout10tetramersofrepressorarepresentpercell.由于每個(gè)細(xì)胞中大概有10個(gè)四聚體抑制物的存在，因此不需要太多的誘導(dǎo)物就可以啟動(dòng)乳糖操縱元的表達(dá)。Moreandmoreoperonproductsareavailabletoproducemoreandmoreinducer.隨著乳糖操縱元產(chǎn)物的增多，會(huì)引起更多誘導(dǎo)物的形成，就像滾雪球一樣。

024681012minInducedlevelBasallevelBasallevelAddinducerRemoveinducerLeveloflacmRNALevelofβ-galactosidaseBasallevelInducedlevelLagLac基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控對(duì)于誘導(dǎo)物的應(yīng)答非常迅速，當(dāng)誘導(dǎo)物不存在時(shí)，操縱元以極低的本地水平表達(dá)。誘導(dǎo)物的加入會(huì)立即激活轉(zhuǎn)錄，此時(shí)lacmRNA的數(shù)量迅速增加至誘導(dǎo)水平，從而達(dá)到mRNA合成與降解的平衡。lacmRNA翻譯產(chǎn)生β-半乳糖苷酶。第一個(gè)酶分子的出現(xiàn)稍微落后于lacmRNA的出現(xiàn)。在mRNA和蛋白質(zhì)達(dá)到最高水平之間也存在同樣的延遲。當(dāng)誘導(dǎo)物一旦除去，酶的合成立即停止，但β-半乳糖苷酶在細(xì)胞中比mRNA更為穩(wěn)定，所以酶活性可保持在誘導(dǎo)水平時(shí)間較長(zhǎng).

IPTG

（異丙基硫代半乳糖苷）極強(qiáng)的誘導(dǎo)劑%InputDNA-boundCohn.JournalofMolecularBiology,Vol.34:366.1968Repressor(μg/ml)102030400.10.20.30.4-IPTG+IPTGbindingbetweenlabeledlacO-DNAwith32pandaddedincreasingamountsoflacrepressor.IPTG;異丙基-β-D-硫代半乳糖苷，自己不被分解的強(qiáng)誘導(dǎo)物L(fēng)acorIPTG

lactoseanalog

isinducerofLacoperonmRNAstartpointRNApolymerasebindingRepressorbinding-50-40-30-20-101102030Olac(operator)cis-actionelementunwinding阻遏?競(jìng)爭(zhēng)?雙鏈DNA具有回文對(duì)稱性，能形成十字型的莖環(huán)結(jié)構(gòu)Olac(操作子)乳糖操縱元的順式作用元件研究發(fā)現(xiàn)，乳糖操縱元的操作子與啟動(dòng)子具有一定的重疊，那么阻遏蛋白的阻遏作用是通過(guò)與RNA聚合酶發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合還是通過(guò)空間位阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的？Olac(operator)cis-actionelementATGTTACTTACAATGA+578910111417這8個(gè)堿基每一個(gè)堿基的替換都會(huì)引起結(jié)構(gòu)基因的組成型表達(dá)。TGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGT+10+5+1-5-10+15+20+25-7+28Protectedbyboundrepressor

嘌呤被抑制物保護(hù)以防甲基化

嘌呤的甲基化由于抑制物的結(jié)合而增強(qiáng)T能夠與抑制物交叉結(jié)合

O+—mut.

OCoccurfrequentlyatleftsiteofaxisO+突變成OC

（操縱子組成型突變）經(jīng)常發(fā)生在軸的左側(cè)TGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGT+10+5+1-5-10+15+20+25-7+28ATGTTACTTACAATGA+578910111417ConstitutivemutationsOclac操縱子與抑制物的結(jié)合能力要低于野生型的操縱子與抑制物的結(jié)合力。Oc需要高濃度的抑制物存在才能夠?qū)崿F(xiàn)與操縱子的充分結(jié)合。wild-typeoperator(O+)operator-constitutivemutation(Oc)controlλФ80DNA

TGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGT+10+5+1-5-10+15+20+25-7+28

阻遏Olac(operator)cis-actionelementExperiment：聚合酶＋含有操縱子的DNA＋阻遏物共同培養(yǎng)，

＋誘導(dǎo)物IPTG和利福平，Result：可以發(fā)生轉(zhuǎn)錄Conclusion：RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合，開(kāi)放的啟動(dòng)子復(fù)合物的形成但是由于抑制物的阻擋，不能時(shí)開(kāi)放的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物轉(zhuǎn)換為延伸狀態(tài)。假如阻遏物能阻止開(kāi)放的啟動(dòng)子復(fù)合物形成，如果加入利福平會(huì)與RNA聚合酶結(jié)合，使之失去與啟動(dòng)子結(jié)合的能力，就不能起始轉(zhuǎn)錄。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明加入利福平前開(kāi)放的啟動(dòng)子復(fù)合物已經(jīng)形成，加入誘導(dǎo)物后解除了阻遏物的抑制作用。?TGTTGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAACAACACACCTTAACACTCGCCTATTGTTAAAGTGTGT+10+5+1-5-10+15+20+25-7+28CompetitionOlac(operator)cis-actionelement2.302.342.382.4220004000600002.26熒光強(qiáng)度Time(sec)Noaddition+Heparin+RepressorNoDNARNA聚合酶，啟動(dòng)子和操縱子的DNA，然后研究由此復(fù)合物、加入了抑制物或加入了肝素之后引導(dǎo)的流產(chǎn)式的轉(zhuǎn)錄合成。通過(guò)UTP類似物（熒光標(biāo)簽在γ磷酸上，*pppU）檢測(cè)了轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。如果*pppU加入到了正在合成的RNA中，標(biāo)記的磷酸會(huì)脫離掉，熒光的強(qiáng)度會(huì)降低。聚合酶和抑制物競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合操縱子如果有肝素和抑制物，轉(zhuǎn)錄的水平會(huì)大大下降。加入肝素，它與聚合酶結(jié)合，阻止了聚合酶與DNA的結(jié)合，可以使轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物減少。加入了低濃度的抑制物，與聚合酶競(jìng)爭(zhēng)作用位點(diǎn)，在一定程度上阻止了聚合酶的移動(dòng)。對(duì)照是沒(méi)有DNA的試驗(yàn)。O和P是重疊的，抑制物和RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)在操縱子的起始位點(diǎn)附近重疊。repressor&RNApolymerase對(duì)重疊位點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)以上試驗(yàn)證明競(jìng)爭(zhēng)的假設(shè)是正確的O+—mut.

OCoccurfrequentlyatleftsiteofaxisRepressor對(duì)重疊位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)力下降有利于RNApolymerase的結(jié)合---調(diào)控機(jī)理Inducer(Alloactose)

與repressor

特異結(jié)合tetramer變構(gòu)

特異結(jié)合力下降1000X作用于O

位點(diǎn)上的repressor

變構(gòu)

脫離O位作用于游離的repressoroperononrepessortetramer與operator發(fā)生特異結(jié)合

operonoff

變構(gòu)

失去結(jié)合于O位的能力操縱子上的基因在翻譯的時(shí)候，核糖體沿著多順?lè)醋右苿?dòng)，在翻譯完上一個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)后，核糖體解離，小亞基不立即從mRNA上解離而是繼續(xù)沿著mRNA移動(dòng)，直到遇到下一個(gè)基因的起始密碼，核糖體重新聚合，翻譯下一個(gè)蛋白質(zhì)。lac操縱子的本底水平表達(dá)在沒(méi)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，也能夠合成透過(guò)酶，才能夠把第一個(gè)誘導(dǎo)物從細(xì)胞膜外運(yùn)送到細(xì)胞膜內(nèi)發(fā)揮其功能。乳糖不與阻遏物結(jié)合，真正的與之結(jié)合的是乳糖的異構(gòu)體——異構(gòu)乳糖，是在β-半乳糖苷酶的催化下形成的。所以這同樣需要在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lacmRNA的合成，這種合成稱為本底水平的組成型合成。由于阻遏物與操縱區(qū)的結(jié)合不是非常緊密的，偶爾也會(huì)從操縱區(qū)上掉下來(lái)，這樣就可以開(kāi)始mRNA的合成。lacI基因產(chǎn)物及功能阻遏物lacI基因的產(chǎn)物是由弱啟動(dòng)子誘導(dǎo)的組成型表達(dá)的。阻遏蛋白由四個(gè)相同的亞基組成。能夠與IPTG結(jié)合。當(dāng)I基因的弱啟動(dòng)子變?yōu)閺?qiáng)啟動(dòng)子時(shí)，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)操縱子在突變體中不可誘導(dǎo)。大腸桿菌對(duì)乳糖的反應(yīng)在以甘油為碳源的培養(yǎng)基中，lac操縱子的本底表達(dá)使每個(gè)細(xì)胞中有1-2個(gè)兩類的酶分子存在。加入乳糖，乳糖分子可以進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)變構(gòu)形成異構(gòu)乳糖，與阻遏物結(jié)合導(dǎo)致lacmRNA的表達(dá)，產(chǎn)生出大量的酶分子，酶分子繼續(xù)作用于培養(yǎng)基中的乳糖，促進(jìn)了此類循環(huán)。當(dāng)培養(yǎng)基中的乳糖消耗完后，阻遏物的合成繼續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致操縱子的mRNA的合成被阻止。葡萄糖對(duì)lac操縱子的影響如果將葡萄糖和乳糖同時(shí)加入到培養(yǎng)基中，大腸桿菌在消耗完葡萄糖之前是不會(huì)利用乳糖的。葡萄糖對(duì)lac操縱子的抑制是間接的。例如一個(gè)大腸桿菌突變體，它在糖酵解途徑中不能將葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)化為下一個(gè)代謝中間產(chǎn)物，這個(gè)細(xì)菌中在有葡萄糖存在時(shí)也可以誘導(dǎo)lacmRNA的表達(dá)。說(shuō)明不是葡萄糖而是它的某些代謝產(chǎn)物抑制了lacmRNA的合成。將葡萄糖的這種效應(yīng)稱為分解代謝物阻遏效應(yīng)。lac操縱子中的其他問(wèn)題A基因的生理功能：抑制β-半乳糖苷酶產(chǎn)物的有害性衍生物在細(xì)胞內(nèi)的積累，對(duì)生物的進(jìn)化有積極作用。Lac基因產(chǎn)物數(shù)量上的比較：三個(gè)基因的酶分子的拷貝數(shù)比例是1：0.5：0.2。不同的酶在數(shù)量上的差異是由于在翻譯水平上受到調(diào)節(jié)的結(jié)果。操縱子的融合與基因工程：lac啟動(dòng)子是一個(gè)很強(qiáng)的啟動(dòng)子，通過(guò)它可以使弱啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)。從而增加蛋白質(zhì)的合成量。此技術(shù)經(jīng)常應(yīng)用于基因工程中。操縱子突變P221操縱基因突變和順式顯性最早通過(guò)組成型突變鑒定了操縱基因，這種突變被稱為Oc，是一種組成型突變。與發(fā)生Oc突變相鄰的結(jié)構(gòu)基因呈組成型表達(dá)，其機(jī)制是突變使操縱基因改變，不再與阻抑蛋白結(jié)合，因此阻抑蛋白不能阻止RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄，于是操縱子持續(xù)不斷地表達(dá)。操縱基因控制著鄰近的基因，而對(duì)細(xì)胞內(nèi)存在的其他等位基因無(wú)作用。此位點(diǎn)的突變，如Oc突變稱為順式顯性(cis-dominance)突變。順式顯性突變的概念適用于其功能是被識(shí)別而不是轉(zhuǎn)換成可擴(kuò)散性產(chǎn)物的任何DNA序列的突變。因此，順式顯性突變屬于順式作用位點(diǎn)突變。乳糖操縱子突變類型調(diào)控基因（I）mutant突變發(fā)生在阻遏蛋白的DNA結(jié)合位點(diǎn)

表達(dá)產(chǎn)物失去與O的結(jié)合能力突變發(fā)生在阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合位點(diǎn)

表達(dá)產(chǎn)物失去與效應(yīng)物的結(jié)合能力operonon

Icoperonoff

Is操縱基因（O）mutantOc

操縱基因突變使起不再與阻遏蛋白結(jié)合operonon

Oc乳糖操縱子突變類型調(diào)控基因（I）mutant突變發(fā)生在阻遏蛋白的DNA結(jié)合位點(diǎn)

表達(dá)產(chǎn)物失去與O的結(jié)合能力operonon

Ic操縱基因（O）mutantOc

操縱基因突變使起不再與阻遏蛋白結(jié)合operonon

OcIcZ+/I+Z+OcZ+/O+Z+operonoffIc對(duì)I+表現(xiàn)為隱性operononOc對(duì)O+表現(xiàn)為顯性操縱子不可誘導(dǎo)型突變操縱子不可誘導(dǎo)型突變?cè)谶z傳學(xué)上可分成兩類。每一類的顯性關(guān)系都能用于確定基因座的性質(zhì)。啟動(dòng)子突變是順式作用。如果突變使得RNA聚合酶不能與Plac結(jié)合，就會(huì)使操縱子不能轉(zhuǎn)錄而喪失功能。阻抑蛋白失去結(jié)合誘導(dǎo)物能力的突變被稱為lacIs（超阻型突變）。在這種突變中，由于阻抑蛋白上誘導(dǎo)物的結(jié)合位點(diǎn)缺失，加入誘導(dǎo)物也不起作用，所以不可能將阻抑蛋白轉(zhuǎn)變成非活性形式。Positive—inducibleoperon(多為分解酶類)PositivecontrolInactiveactivator

InducerActiveactivator

cAMPcontrol(普遍調(diào)控系統(tǒng)

)p224LacoperonopenbutnotranscriptsGlucoseLactoseE.coliWhy?葡萄糖缺乏時(shí)葡萄糖充足時(shí)葡萄糖充足時(shí)cAMP水平很低，且cAMP很少與CAP結(jié)合1葡萄糖含量低時(shí)cAMP水平很高1CAP很容易結(jié)合cAMP，形成復(fù)合物結(jié)合DNA2增加聚合酶結(jié)合的效率3RNA聚合酶無(wú)法高效地結(jié)合到DNA上2cAMPcAMPcAMPcAMPplacICAPcAMPCAPCAPcAMP轉(zhuǎn)錄并翻譯透性酶β半乳糖苷酶轉(zhuǎn)乙酰酶乳糖葡萄糖半乳糖cAMPcAMPplacICAPCAP低水平轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因高效率的轉(zhuǎn)錄和翻譯4××ATPpppcAcAMPpcA5’-AMPpcAI(capgene)(cAMP受體蛋白或代謝物基因激活蛋白)p224cAMPase(-)磷酸二酯酶(+)+GlucoseLacOperonIPO

在轉(zhuǎn)錄一章我們了解到，RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄需要CAP-cAMP與RNA聚合酶的CTP相互作用才能有效起始轉(zhuǎn)錄。而細(xì)胞內(nèi)cAMP的濃度恰好受到葡萄糖代謝產(chǎn)物的影響。其具體機(jī)制如下：葡萄糖的代謝產(chǎn)物會(huì)抑制細(xì)胞內(nèi)腺苷酸環(huán)化酶活性，同時(shí)激活磷酸二酯酶的活性，而者共同作用的結(jié)果是導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)cAMP的濃度很低，不足以活化CAP。這樣即使異乳糖使阻遏蛋白失活，從操作子上脫離下來(lái)，無(wú)CAP-cAMP的輔助，結(jié)合在啟動(dòng)子上的RNA聚合酶也不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。因此葡萄糖效應(yīng)又稱代謝阻遏。CAP和cAMP促進(jìn)了開(kāi)放的啟動(dòng)子復(fù)合物的形成Lac的調(diào)控區(qū)：在操縱子的上游啟動(dòng)子的左側(cè)含有激活位點(diǎn)，也叫CAP結(jié)合位點(diǎn)Upelement提高ARⅡ的結(jié)合效率CAP-cAMPbindingsite(Activatorregion，AR)IR-60

ARⅠ

-40ARⅡ

-50-30-20-10+1-70IRInvertedrepeat（反向重復(fù)）ARⅠ是CAP-cAMP的強(qiáng)結(jié)合位點(diǎn)（-70~-50）

ARⅡ是CAP-cAMP的弱結(jié)合位點(diǎn)（-50~-40）

ARⅠ+CAP-cAMPcooperativeeffect

RNApol

ARII+CAP-cAMP復(fù)合體

促使SextamaBox附近GC島區(qū)的雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，

PribnowBox的解鏈溫度降低，利于轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)ARIARIIGCIslandSextamaPribnowNullARII

RNApol.intopribnowBox

BUTtranscriptionoff轉(zhuǎn)錄關(guān)閉RNApolRNApolTheCAP-cAMPcomplexstimulatestranscriptionofLacoperonbybindingtoanactivatorsiteadjacenttothepromoterandhelpingRNApolymerasebindtothepromoterCAP-cAMP復(fù)合物通過(guò)與啟動(dòng)子相鄰的激活位點(diǎn)的結(jié)合并有助于RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合，從而促進(jìn)乳糖操縱元的轉(zhuǎn)錄。CAP-cAMP

通過(guò)蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用與RNA聚合酶的αCTD末端相互作用。CAP-cAMP結(jié)合在靶DNA上時(shí)使DNA大概彎曲100°。CAP-cAMP二聚體結(jié)合到DNA上的激活物結(jié)合位點(diǎn)上，RNA聚合酶的α亞基的CTD與CAP蛋白上的特殊位點(diǎn)相互作用，增強(qiáng)了聚合酶和啟動(dòng)子的結(jié)合。RNA聚合酶在CAP的協(xié)助下結(jié)合到啟動(dòng)子上，CAP由α-CTD（C端結(jié)構(gòu)域）識(shí)別。CAP-cAMP激活乳糖操縱子的假說(shuō)

Busby,S.andR.H.EbrightCell79:742,1994cAMP與代謝物激活蛋白在大腸桿菌中，cAMP的濃度受到葡萄糖代謝的調(diào)節(jié)。如果將細(xì)菌放在缺乏碳源的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，細(xì)胞內(nèi)cAMP的濃度就高。如果在含葡萄糖的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，cAMP的濃度就低；如果培養(yǎng)基中只有甘油或乳糖等不進(jìn)行糖酵解途徑的碳源，cAMP的濃度也會(huì)很高。因此推測(cè)糖酵解途徑中位于葡萄糖-6-磷酸與甘油之間的某些代謝產(chǎn)物是腺苷酸環(huán)化酶的抑制劑。CAP因子是由兩個(gè)相同的亞基構(gòu)成的二聚體。明顯特點(diǎn)是不同操縱子CAP結(jié)合位點(diǎn)與轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)的相對(duì)位置不同。結(jié)合位點(diǎn)位于啟動(dòng)子內(nèi)（-41bp），只有一個(gè)CAP與DNA結(jié)合，并與RNA聚合酶緊密接觸。Gal操縱子。結(jié)合位點(diǎn)與啟動(dòng)子相鄰（-61bp），有兩個(gè)CAP與DNA結(jié)合，CAP與RNA聚合酶毗鄰。Lac操縱子。結(jié)合位點(diǎn)位于啟動(dòng)子上游（-92bp），有一個(gè)CAP與DNA結(jié)合，CAP與RNA聚合酶之間有另一個(gè)調(diào)控蛋白結(jié)合。Ara操縱子。理論上CAP激活轉(zhuǎn)錄有兩種作用方式：直接作用于RNA聚合酶。作用于DNA并改變其結(jié)構(gòu)，以協(xié)助RNA聚合酶的結(jié)合。cAMP—CAP具有廣泛生理效應(yīng)的正控制系統(tǒng)存在于多種基因表達(dá)調(diào)控體系中LacoperonexpressioncAMP(Positive-inducible)

正控誘導(dǎo)lactose(Negative-inducible)

負(fù)控誘導(dǎo)

Negative—repressibleoperon(Anabolicenzyme)（Operonstendtobeturnedonbythepresenceofthatsubstance）前面我們介紹的乳糖操縱元是可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)控，當(dāng)?shù)孜锏某霈F(xiàn)操縱元才具有轉(zhuǎn)錄活性，編碼的蛋白質(zhì)是參與分解底物的酶。（Negative—repressibleoperon(Anabolicenzyme)）大腸桿菌基因組還具有可阻遏的負(fù)調(diào)控操縱元，主要是編碼參與合成代謝的酶類的基因。（Operonstendtobeturnedoffbythepresenceofthatsubstance）由于底物的存在，操縱元是關(guān)閉的，因?yàn)榕囵B(yǎng)基中含有這種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，生物體沒(méi)必要再消耗原材料和能量自己合成這種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。（e.g.tryptophansynthetaseoperon）如大腸桿菌的色氨酸合成酶操縱元。（Igene

inactiverepressor）其調(diào)節(jié)基因編碼的阻遏物是無(wú)活性的，只有當(dāng)輔阻遏物（色氨酸）存在時(shí)，操縱元才被關(guān)閉（Co-repressor(tryptophan)。6.3.1.2色氨酸操縱子與負(fù)調(diào)控阻遏系統(tǒng)它不受葡萄糖或cAMP-CAP的調(diào)控。操縱子除了具有阻遏系統(tǒng)以外還有弱化系統(tǒng)。NegativecontrolInactiverepressor

InductionandrepressioncanbeunderpositiveornegativecontrolRepressorInducerInductionCorepressorActiverepressor

Inactiverepressor

RepressionPositivecontrolInactiveactivator

InducerActiveactivator

Activeactivator

Inactiveactivator

Corepressor

Negative—repressibleoperon(Anabolicenzyme)e.g.1tryptophansynthetaseoperon（色氨酸合成操縱子）Igene

inactiverepressor（無(wú)活性的阻遏物）Co-repressor(tryptophan，色氨酸)底物的出現(xiàn)操縱子打開(kāi)；由于信號(hào)分子（輔阻遏物）的出現(xiàn)操縱子關(guān)閉Ptrp+trpEtrpDtrpCOtrptrpLAttenuatortrpBtrpAtrpRLeaderregiontrpE：鄰氨基苯甲酸合成酶亞基ⅠtrpD：鄰氨基苯甲酸合成酶亞基ⅡtrpC：鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶;吲哚甘油磷酸合成酶trpB：色氨酸合成酶β亞基trpA：色氨酸合成酶α亞基trpR：產(chǎn)生阻遏物的基因,AporepressormonomertrpL：前導(dǎo)肽色氨酸的合成分五步完成，共有7個(gè)基因參與。培養(yǎng)基中色氨酸含量高時(shí)，與游離的輔阻遏蛋白結(jié)合，并使之與操縱區(qū)DNA緊密結(jié)合；當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸供應(yīng)不足時(shí)，輔阻遏物失去色氨酸并從操縱區(qū)上解離，操縱子去阻遏。細(xì)菌中參與分枝酸代謝的主要酶系大腸桿菌中的trp操縱子1.鄰氨基苯甲酸合酶（包括ADIC合酶合ADIC裂解酶）；2.ADC合酶，ADC裂解酶；3.異構(gòu)分枝酸合酶；4.分枝酸裂解酶trpR基因產(chǎn)物被稱為阻遏物蛋白前體，無(wú)活性。該基因的突變常常引起trpmRNA的組成型表達(dá)。此系統(tǒng)中的效應(yīng)物分子是色氨酸。除非培養(yǎng)基中有色氨酸，否則這個(gè)阻遏蛋白不會(huì)與操縱區(qū)結(jié)合。阻遏蛋白與色氨酸相結(jié)合形成有活性的阻遏物，才會(huì)與操縱區(qū)結(jié)合，從而關(guān)閉trpmRNA的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)培養(yǎng)基中的色氨酸含量較高時(shí)，與游離的輔阻遏蛋白結(jié)合，并使之與操縱區(qū)的DNA緊密結(jié)合；當(dāng)培養(yǎng)基中的色氨酸供應(yīng)不足時(shí)，輔阻遏物失去色氨酸并從操縱區(qū)上解離，色氨酸操縱子去阻遏。OperatoroperononoperonoffRepressor+trpactiverepressorInactiverepressorPtrp+trpEtrpDtrpCOtrptrpBtrpAtrpRPtrp+trpEtrpDtrpCOtrptrpBtrpAtrpRtryptophanRepressor(inactive)cannotbindontheOsite(trpabsent)discovery●

E.colitrpsynthetaseoperon(

C.YanofskystanfordUniv.)Negative-repressibleoperon負(fù)阻遏操縱子與完全沒(méi)有阻遏物時(shí)相比，可以使阻遏的效率上升70倍。IPOleadingseq.EDCBAtrp+●1968.ImamatoLab.當(dāng)trp水平較低時(shí)，RNApol移動(dòng)但是在L.S.處脫落，結(jié)構(gòu)基因停止轉(zhuǎn)錄。IPOleadingseq.EDCBALowtrp+thecomplexcannotbindwiththeOsite●1975ImamatoLab.E.colitrp-AARS(t.s，溫度敏感型突變體，42℃不能負(fù)載色氨酸)w.t.30℃trpEt.s.mut.42℃trpELowtrp，operonopen培養(yǎng)在Trp含量低的培養(yǎng)基上檢測(cè)操縱子中trpE的表達(dá)活性TrptRNAtrp30℃42℃t.s.(42℃)t.s.(30℃)w.t.(30℃)

w.t.(42℃)trpEWhy?AARS

t.s.(42℃)AARSinactive

notrp-tRNAtrpsynthesis

RNApolmovepastL.S

transcriptoftrpE(Eenzymelevelishigh）

t.s.(30℃),w.t.(30℃),(42℃)AARSactivesynthesizetrp-tRNAtrpRNApolbreakoffatL.S.notranscriptionoftrpE

（Eenzymelevelislow）Conclusion:---Whentrpand/ortrp-tRNAtrp

existincells,thereisnosynthesisoftrp---t.s.(42℃)noAARSandtrp-tRNAtrp,（initiatethetranscriptionoftrpsynthetaseRNA)---trp-tRNAtrp

isthemainfactorleadingtoRNApol.falling

offatL.S.TheprimarystructureoftrpoperonRNA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。研究發(fā)現(xiàn)，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。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。研究發(fā)現(xiàn)，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)。這種調(diào)控機(jī)制就是弱化作用（attenuation）。事實(shí)上，阻遏機(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trp操縱子的粗調(diào)開(kāi)關(guān)。trp操縱子中的弱化子系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)控，決定已經(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，細(xì)胞中色氨酸的濃度是實(shí)現(xiàn)過(guò)早終止的根本原因。TheprimarystructureoftrpoperonRNA

60~68—75~83&110~121—126~134(palindromicseq.),poly(U)27—68base

ORFof14aa140baseRNAalmostbindingwithprotein(translableseq.)trphighfrequencywith2/14in14aa前導(dǎo)肽弱化作用需要負(fù)載tRNAtrp參與，這說(shuō)明前導(dǎo)序列的某些部分被翻譯了。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)含有14個(gè)氨基酸的多肽。前導(dǎo)序列具有一個(gè)非常有意義的特點(diǎn)：在第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。這些密碼子參與了操縱子中的轉(zhuǎn)錄弱化機(jī)制。(7/16)(7/16)(8/15)RegulatorycomponentsofthetrpLregionmRNA前導(dǎo)區(qū)的序列分析trp前導(dǎo)區(qū)的堿基序列中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)，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)。RNaseTl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。衰減子調(diào)控機(jī)制是控制RNA聚合酶通讀衰減子的能力。通過(guò)細(xì)胞內(nèi)是否存在已經(jīng)負(fù)載氨基酸的氨酰tRNA，調(diào)節(jié)內(nèi)部終止子發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成。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，直到將結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸的濃度很高時(shí)，核糖體可以順利的通過(guò)兩個(gè)相鄰色氨酸密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前，核糖體就到達(dá)2區(qū)，這樣致使2-3不能配對(duì)，3-4區(qū)可以自由配對(duì)形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)狀終止結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄停止。所以弱化子對(duì)RNA聚合酶的影響依賴于前導(dǎo)肽翻譯中核糖體所處的位置。Trp(Arg)starvedNon-starvedRibosomepassthrough

TrpcodonUUUUUU1234核糖體通過(guò)Trp密碼子，占據(jù)1和2序列，轉(zhuǎn)錄形成的3和4可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，阻止轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，轉(zhuǎn)錄停止，出現(xiàn)弱化作用。RibosomepausingatTrpcodon1423核糖體停留在Trp密碼子處，此時(shí)沒(méi)有足夠的Trp，核糖體停留于此，此時(shí)轉(zhuǎn)錄出來(lái)的2和3形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄出來(lái)的4沒(méi)有和3形成終止子的機(jī)會(huì)，RNA聚合酶繼續(xù)向下移動(dòng)，轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因，此時(shí)不表現(xiàn)出抑制作用。tRNAtrp+AARStrptrp-tRNAtrpProteinsynthesisTrpsynthetaseopron

IPOL.SEDCBAThetrpoperonofE.coliIntryptophan-poormediumIntryptophan-richmedium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)色氨酸的多少，弱化作用的信號(hào)則是細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少。它通過(guò)前導(dǎo)肽的翻譯來(lái)控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)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。細(xì)菌中為什么需要有弱化子系統(tǒng)呢?一般認(rèn)為，阻遏物從有活性向無(wú)活性的轉(zhuǎn)變速度較慢，需要有一個(gè)能更快地做出反應(yīng)的系統(tǒng)，以保持培養(yǎng)基中適當(dāng)?shù)纳彼崴健Ｈ趸幽茌^快地通過(guò)抗終止的方法來(lái)增加基因表達(dá)，迅速提高內(nèi)源色氨酸濃度。那么，為什么還要有阻遏體系呢?沒(méi)有阻遏體系，似乎只有弱化也可以調(diào)節(jié)色氨酸酶系的合成。目前認(rèn)為阻遏物的作用是在有大量外源色氨酸存在時(shí)，阻止非必需的先導(dǎo)mRNA的合成，它使這個(gè)合成系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。事實(shí)上，自然界中存在著不同類型的合成體系。組氨酸操縱子擁有在功能上與操縱子完全相同的弱化子結(jié)構(gòu)，但沒(méi)有阻遏物，它的表達(dá)完全受弱化子調(diào)節(jié)。6.3.1.3其他操縱子

(1)半乳糖操縱子

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(galE)/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。半乳糖操縱子的調(diào)節(jié)基因是galR。galR與結(jié)構(gòu)基因及操縱區(qū)O等的距離都很遠(yuǎn)，而galR產(chǎn)物對(duì)galO的作用與lacl-lacO的作用相同。gal操縱子的誘導(dǎo)物主要是半乳糖。目前為止gal阻遏蛋白的作用機(jī)理還不清楚.此外，gal操縱子還有兩個(gè)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—-73，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。gal操縱子、lac操縱子和ara操縱子的結(jié)構(gòu)及其代謝途徑cAMP-CRP對(duì)gal啟動(dòng)子的作用

gal操縱子P-O區(qū)的堿基序列有兩個(gè)相距僅為5bp的啟動(dòng)子，gal操縱子可以從兩個(gè)啟動(dòng)子分別起始基因轉(zhuǎn)錄，每個(gè)啟動(dòng)子擁有各自的RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)Sl和S2。cAMP-CRP對(duì)從S1和S2起始的轉(zhuǎn)錄有不同的作用。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Sl的結(jié)合需要半乳糖、CAP和較高濃度的cAMP。體外轉(zhuǎn)錄的實(shí)驗(yàn)證明，cAMP-CAP能夠刺激gal操縱子從S1的轉(zhuǎn)錄，cAMP-CAP抑制從S2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。從S2起始的轉(zhuǎn)錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CRP能抑制由這個(gè)啟動(dòng)子起始的轉(zhuǎn)錄，因此，cAMP-CRP在gal操縱子中所起的調(diào)節(jié)作用比在lac操縱子中更為復(fù)雜。一般認(rèn)為，cAMP-CRP有利于RNA聚合酶-S1區(qū)復(fù)合物形成開(kāi)鏈構(gòu)象，從而起始基因轉(zhuǎn)錄。同時(shí)，由于S1和S2區(qū)的核苷酸部分重疊，這一復(fù)合物的存在干擾了RNA聚合酶-S2復(fù)合物的形成，抑制S2起始的基因轉(zhuǎn)錄。雙啟動(dòng)子的生理功能

為什么gal操縱子需要兩個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)?這與半乳糖在細(xì)胞代謝中的雙重功能有關(guān)。半乳糖不僅可以作為惟一碳源供細(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。生長(zhǎng)過(guò)程中細(xì)胞必須隨時(shí)合成相應(yīng)的酶，以保證UDPgal的供應(yīng)。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)酶的作用由UDP—葡萄糖合成UDPgal。因?yàn)楹铣杉?xì)胞壁過(guò)程中對(duì)異構(gòu)酶的需要量很小，本底水平的組成型合成就能夠滿足生理需要。顯然此mRNA是在沒(méi)有半乳糖的情況下合成的。如果只有S1一個(gè)啟動(dòng)子，由于這個(gè)啟動(dòng)子的活性依賴cAMP-CAP，當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖時(shí)就不能合成異構(gòu)酶。假如只有啟動(dòng)子S2，在沒(méi)有葡萄糖存在有半乳糖存在時(shí)，細(xì)菌不能利用半乳糖，就算本底水平的合成也被阻遏了。所以，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-CAP的S2啟動(dòng)子進(jìn)行本底水平的組成型合成，以及一個(gè)依賴于cAMP-CRP的S1啟動(dòng)子對(duì)高水平合成進(jìn)行調(diào)節(jié)。（2）阿拉伯糖操縱子阿拉伯糖(arabinose)是另一個(gè)可以為代謝提供碳源的五碳糖。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。araBAD相鄰的是一個(gè)復(fù)合的啟動(dòng)子區(qū)域、兩個(gè)操縱區(qū)（Ol，O2）和一個(gè)調(diào)節(jié)基因araC。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。caparaIaraBaraA

araDaraO2araO1araC存在兩個(gè)操作子位點(diǎn)araO1和araO2

Theara

Operon//阿拉伯糖操縱元第一個(gè)操縱子araO1控制調(diào)控基因araC的轉(zhuǎn)錄活性，第二個(gè)操縱子araO2位于其控制的基因PBAD啟動(dòng)子的遠(yuǎn)上游的位置TheCAP-bindingsiteisabout200bpupstreamof

arapromoter.CAP結(jié)合位點(diǎn)在PBAD的上游約200bp處。Theoperonhassystemofnegativeregulation,mediatedbytheAraCprotein.阿拉伯糖操縱元具有由AraC蛋白介導(dǎo)的負(fù)調(diào)控系統(tǒng)IsomerasearaA編碼異構(gòu)酶（Isomerase）催化L-阿拉伯糖（L-Arabinose）形成L-核酮糖（L-Ribulose）；araB編碼L-核酮糖激酶（L-Ribulokinase）催化L-核酮糖（L-Ribulose）形成L-5-磷酸核酮糖（L-Ribulose-5-P）；araD編碼L-5-磷酸核酮糖差向異構(gòu)酶（L-Ribulose-5-Pepimerase）催化L-5-磷酸核酮糖（L-Ribulose-5-P）形成D-5-磷酸木酮糖（D-Xylulose-5-P）阿拉伯糖操縱元的調(diào)控蛋白AraC具有雙重效應(yīng)，即可以作為正調(diào)控蛋白又可以作為負(fù)調(diào)控蛋白，其在操縱元上具有三個(gè)結(jié)合位點(diǎn)：araO2,araO1,andaraI.CAPsitearaI

araB

araA

araDaraO2araO1araCPCPBADAraCL-ArabinoseL-RibuloseL-RibulokinaseL-Ribulose-5-PATPADPRibulose-5-PepimeraseD-Xylulose-5-ParaC基因的轉(zhuǎn)錄方向與結(jié)構(gòu)基因araB、araA、araD的轉(zhuǎn)錄方向相反。

當(dāng)cAMP水平很低及阿拉伯糖缺乏時(shí)，AraC蛋白執(zhí)行負(fù)調(diào)控蛋白的作用，結(jié)合在araO2和araI

位點(diǎn)上。引起DNA的彎曲，形成能夠阻止轉(zhuǎn)錄的抑制Loop結(jié)構(gòu)。CAPsitearaI

araB

araA

araDaraO2araO1araCPCPBADAraCAraCaraI

araO2AraCAraCCAPsitearaB

araA

araDaraO1araCPCPBAD當(dāng)阿拉伯糖存在時(shí)，阿拉伯糖與AraC蛋白結(jié)合使之構(gòu)像發(fā)生改變，失去了與araO2位點(diǎn)結(jié)合的能力，但能夠繼續(xù)與araI1和araI2位點(diǎn)結(jié)合，結(jié)果導(dǎo)致抑制Loop結(jié)構(gòu)的解體操縱元處于啟動(dòng)狀態(tài)。araC基因具有自主調(diào)節(jié)的能力，當(dāng)AraC蛋白增多時(shí)，AraC蛋白結(jié)合在araO1位點(diǎn)上，抑制araC基因的轉(zhuǎn)錄，防止阻遏蛋白的過(guò)多積聚。CAPsitearaI

araB

araA

ara