沈萍 微生物學(xué) 第九章微生物基因表達(dá)調(diào)控 要點(diǎn)

1、第九章 微生物基因表達(dá)的調(diào)控第一節(jié) 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控，是生物最經(jīng)濟(jì)的調(diào)控方式。一 操縱子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控operon 操縱子：原核生物細(xì)胞中,功能相關(guān)的基因組成操縱子結(jié)構(gòu)，由操縱區(qū)和一個(gè)或幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因聯(lián)合起來形成一個(gè)在結(jié)構(gòu)、功能上協(xié)同作用的整體，并受到同一調(diào)節(jié)基因和啟動(dòng)子的調(diào)控。 啟動(dòng)子 promoter：是RNA聚合酶和CAP（catabolite activator protein，分解物激活蛋白）的結(jié)合位點(diǎn)，控制轉(zhuǎn)錄的起始。1原核生物基因調(diào)控主要在轉(zhuǎn)錄水平上，最為經(jīng)濟(jì)的調(diào)控。調(diào)控意義不同可分為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控negative transcription control和正轉(zhuǎn)錄調(diào)控positive tr

2、anscription control。2負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控中，調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物是阻遏蛋白repressor，起著組織結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用，阻遏蛋白的作用部位為操縱區(qū)。根據(jù)阻遏蛋白作用性質(zhì)又可分為負(fù)控誘導(dǎo) 和負(fù)控阻遏：負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白不和效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白和效應(yīng)物（有阻遏作用的代謝產(chǎn)物，輔阻遏物）結(jié)合時(shí)，阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。輔阻遏物corepressor：與一個(gè)基因的調(diào)控序列或操縱基因結(jié)合以阻止該基因轉(zhuǎn)錄的一類蛋白質(zhì)。3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 protein，作用部位是離啟動(dòng)子很近的激活結(jié)合位點(diǎn)activator b

3、inding site，根據(jù)激活蛋白作用性質(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（誘導(dǎo)物）的存在使激活蛋白處于活動(dòng)狀態(tài)；正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子（有阻遏作用的代謝產(chǎn)物，抑制物）的存在使激活蛋白處于不活動(dòng)狀態(tài)。（該系統(tǒng)目前缺乏典型例子）（1）負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)大腸桿菌的lac I調(diào)節(jié)基因與乳糖操縱子lactose operon的作用是典型的負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)。I基因是調(diào)節(jié)基因，其產(chǎn)物為repressor，repressor與操縱區(qū)lac O結(jié)合時(shí)，RNA聚合酶不能轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因，故在環(huán)境中缺乏誘導(dǎo)物乳糖或乳糖類似物IPTG時(shí)，lactose operon受阻。當(dāng)環(huán)境中有乳糖時(shí)，進(jìn)入細(xì)胞

4、的乳糖在細(xì)胞內(nèi)長存的極少量-糖苷酶作用下發(fā)生分子重排，由乳糖變成異乳糖，異乳糖作為誘導(dǎo)物與repressor結(jié)合，使后者構(gòu)型發(fā)生改變不能識(shí)別 lac O，且不能與之結(jié)合，故RNA聚合酶能順利轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因形成大分子的多順反子mRNA polycistronic mRNA，翻譯三種不同蛋白：-半乳糖苷酶、透性酶和乙酰基轉(zhuǎn)移酶。（2） 負(fù)阻遏系統(tǒng) 大腸桿菌色氨酸操縱子 Trp operon 含有五個(gè)基因編碼Trp生物合成途徑中的各種酶。Trp 啟動(dòng)子臨近操縱區(qū)，轉(zhuǎn)錄通過操縱區(qū)和repressor控制，效應(yīng)物為Trp，即Trp operon的終產(chǎn)物。當(dāng)Trp 豐富時(shí)，Trp結(jié)合到游離的represso

5、r上誘發(fā)變構(gòu)轉(zhuǎn)換，使repressor緊密結(jié)合在操縱區(qū)；當(dāng)Trp供應(yīng)不足時(shí)，repressor失去了所結(jié)合的Trp，從操縱區(qū)上解離下來，Trp operon轉(zhuǎn)錄開始。Trp起著corepressor的功能。attenuation 弱化作用：該調(diào)控通過操縱子的前導(dǎo)區(qū)類似于終止子的一段DNA序列實(shí)現(xiàn)即前導(dǎo)區(qū)編碼一個(gè)14氨基酸的前導(dǎo)肽，被稱為弱化子attenuator 。弱化子其第10、11位含兩個(gè)色氨酸密碼子，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)某種氨酰-tRNA缺乏時(shí)，該attenuator不表現(xiàn)終止子功能；當(dāng)細(xì)胞內(nèi)某種氨酰-tRNA充足時(shí)，表現(xiàn)終止子功能，從而控制基因表達(dá)。因這種終止作用不使正在轉(zhuǎn)錄的所有mRNA都中途停

6、止，僅是部分中途停止，故稱為弱化。當(dāng)Trp缺乏時(shí)，色氨酰-tRNA也缺乏，前導(dǎo)肽不被翻譯，核糖體在兩個(gè)相鄰的Trp密碼子處停止，阻止1：2配對(duì)，使2：3配對(duì)，因此不能形成3:4配對(duì)的莖環(huán)終止子結(jié)構(gòu)。RNA聚合酶將放行越過先導(dǎo)區(qū)進(jìn)入結(jié)構(gòu)基因?qū)е虏倏v子表達(dá)；若Trp過量，則可得到色氨酰-tRNA，前導(dǎo)肽被翻譯使核糖體通過色氨酸密碼子位置，前導(dǎo)肽被正常翻譯，核糖體組織2:3配對(duì)，導(dǎo)致3:4配對(duì)終止信號(hào)出現(xiàn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄在尿苷酸殘基順序上中斷。（3） 正控誘導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)節(jié)蛋白為激活蛋白，促進(jìn)RNA聚合酶合成，從而增加mRNA合成。大腸桿菌麥芽糖操縱子 maltose operon的調(diào)控是典型例子。麥芽糖是誘導(dǎo)

7、物，激活蛋白只有與麥芽糖結(jié)合才能與DNA特殊位點(diǎn)結(jié)合促使RNA聚合酶開始轉(zhuǎn)錄。該結(jié)合位點(diǎn)為激活蛋白結(jié)合位點(diǎn)，與啟動(dòng)子臨近或相隔幾百個(gè)堿基。二 分解代謝物阻遏調(diào)控分解代謝物阻遏又稱為葡萄糖效應(yīng)（克勒勃屈利效應(yīng)），因?yàn)槭瞧咸烟潜皇紫劝l(fā)現(xiàn)具有這種阻遏效應(yīng)的物質(zhì)。分解代謝物種阻遏中，只有分解物激活蛋白CAP首先結(jié)合到啟動(dòng)子上游后，RNA聚合酶才與啟動(dòng)子結(jié)合。這種激活蛋白時(shí)一種變構(gòu)蛋白，當(dāng)它與cAMP結(jié)合后構(gòu)象發(fā)生變化，這時(shí)才能與DNA結(jié)合并促進(jìn)RNA聚合酶結(jié)合。cAMP由腺苷酸環(huán)化酶催化ATP產(chǎn)生，葡萄糖能抑制cAMP的形成并促進(jìn)其分泌到胞外。葡萄糖入胞后胞內(nèi)cAMP水平下降，RNA聚合酶不能與啟動(dòng)子

8、結(jié)合。分解代謝物阻遏實(shí)際上是cAMP缺少的結(jié)果。葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代謝產(chǎn)物阻遏某些誘導(dǎo)酶體系編碼的基因轉(zhuǎn)錄的現(xiàn)象。如大腸埃希氏菌培養(yǎng)在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上，在葡萄糖沒有被利用完之前，乳糖操縱子就一直被阻遏，乳糖不能被利用，這是因?yàn)槠咸烟堑姆纸馕镆鸺?xì)胞內(nèi)cAMP含量降低，啟動(dòng)子釋放cAMP-CAP蛋白，RNA聚合酶不能與乳糖的啟動(dòng)基因結(jié)合，以至轉(zhuǎn)錄不能發(fā)生，直到葡萄糖被利用完后，乳糖操縱子才進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，形成利用乳糖的酶，這種現(xiàn)象稱葡萄糖效應(yīng)。（百度解釋）真核生物中cAMP有其他調(diào)節(jié)作用：黏菌中cAMP是聚集過程中的一種胞外信號(hào)。凡是在降解過程中能被轉(zhuǎn)化成葡萄糖或糖酵解途徑中其

9、他代謝中間產(chǎn)物的糖代謝（如乳糖、半乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等）中，其有關(guān)的酶都是由和誘導(dǎo)的操縱子控制，只要有葡萄糖存在，這些操縱子都不表達(dá)。被稱為降解物敏感型操縱子catabolite sensitive operon，這些操縱子都是cAMP-CAP調(diào)節(jié)的，cAMP-CAP復(fù)合物是一個(gè)不同于阻遏物的正調(diào)控因子，從這個(gè)意義上講，lac operon 的功能是在正、負(fù)兩個(gè)相互獨(dú)立的調(diào)控體系下實(shí)現(xiàn)。乳糖操縱子受到阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)節(jié)：1 阻遏蛋白負(fù)性調(diào)節(jié)：a 沒有乳糖存在時(shí)，調(diào)節(jié)基因（阻遏基因）表達(dá)阻遏蛋白；阻遏蛋白結(jié)合到操縱基因上，封閉結(jié)構(gòu)基因，不表達(dá)酶。b 存在乳糖時(shí)，乳糖被-半乳糖酶催化為

10、半乳糖，半乳糖與阻遏蛋白結(jié)合使得阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因被活化，相關(guān)酶表達(dá)。乳糖操縱子的阻遏蛋白含有螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（HTH）的基序。2 CAP的正性調(diào)節(jié)：CAP（ catabolite gene activation） 降解物基因活化蛋白 或稱 cyclic AMP recepror protein CRP環(huán)腺苷酸受體蛋白,能與cAMP結(jié)合而活化，作用于啟動(dòng)子區(qū)域，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，也含有螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（HTH）的基序。a 當(dāng)有葡萄糖存在時(shí)，葡萄糖被組成酶（constitutive enzyme）降解的產(chǎn)物抑制了腺苷酸環(huán)化酶活性，活化磷酸二酯酶，使cAMP濃度下降，CAP含量隨之下降。

11、乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄受抑制；b 反之，無葡萄糖時(shí)，CAP含量促進(jìn)乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄。3 協(xié)同調(diào)節(jié)：當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP對(duì)該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。若無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱子序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。三 細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)當(dāng)細(xì)菌處于氨基酸饑餓狀態(tài)時(shí)，會(huì)采取一種應(yīng)急反應(yīng)以求生存，即停止包括各種RNA（特別是rRNA）在內(nèi)幾乎全部生化反應(yīng)，只維持生命最低限量的需要。應(yīng)急反應(yīng)的信號(hào)即為鳥苷四磷酸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。空載tRNA激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成，ppGpp的出現(xiàn)關(guān)閉很多基因，也會(huì)打開一些合成氨基酸應(yīng)對(duì)緊急情況，屬于超級(jí)調(diào)控

12、因子。二者的作用原理不清楚，有兩種可能：ppGpp與RNA聚合酶結(jié)合，使后者構(gòu)型發(fā)生改變，從而識(shí)別不同的啟動(dòng)子，改變基因轉(zhuǎn)錄效率，使之關(guān)閉、減弱或增加；ppGpp與啟動(dòng)子結(jié)合，使后者不再與RNA聚合酶結(jié)合，導(dǎo)致基因被關(guān)閉。magic spot nucleotide 魔斑核苷酸：受到嚴(yán)緊控制的細(xì)菌生長過程中一旦缺乏氨基酸供應(yīng)，細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)急反應(yīng)，使蛋白質(zhì)和RNA合成速率迅速下降，魔斑核苷酸指的就是此過程中由大量GTP合成的鳥苷四磷酸和鳥苷五磷酸，它們主要作用可能是影響RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合專一性，誘發(fā)應(yīng)急反應(yīng)幫細(xì)菌渡過難關(guān)。大腸桿菌對(duì)數(shù)期時(shí)，rRNA操縱子上兩個(gè)啟動(dòng)子P1和P2，前者轉(zhuǎn)錄產(chǎn)

13、物比后者大3-5倍，當(dāng)細(xì)菌處于饑餓時(shí)，P1被抑制，由P2啟動(dòng)少量rRNA合成，維持生命最低需要?？赡苁莗pGpp使RNA聚合酶構(gòu)型發(fā)生變化不識(shí)別P1識(shí)別P2或ppGpp與P1結(jié)合導(dǎo)致其關(guān)閉。四 通過因子更換的調(diào)控1 枯草桿菌芽孢形成過程中的因子更換因子：是RNA聚合酶核心酶與啟動(dòng)子之間的橋梁，參與啟動(dòng)子的識(shí)別和結(jié)合?？莶輻U菌不利生長條件下會(huì)產(chǎn)生芽孢，有至少6個(gè)因子和80多個(gè)gene，因子有序的依次更換使RNA聚合酶識(shí)別不同基因啟動(dòng)子，使與孢子形成有關(guān)基因有序表達(dá)。因子依次更迭的順序?yàn)椋?5、28、32、37、29。含55的RNA聚合酶只能識(shí)別營養(yǎng)生長階段的基因啟動(dòng)子，該啟動(dòng)子具有與大腸桿菌相似

14、的-10和-35序列；當(dāng)營養(yǎng)耗盡細(xì)胞處于饑餓狀態(tài)下，含有28的RNA聚合酶負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)能探測營養(yǎng)耗竭和起始孢子形成反應(yīng)的基因，是孢子形成的信號(hào)系統(tǒng)；32和37則是負(fù)責(zé)識(shí)別早期孢子形成基因的啟動(dòng)子；含有29的RNA聚合酶則負(fù)責(zé)中、晚期孢子形成的基因轉(zhuǎn)錄。2 大腸桿菌的熱激應(yīng)答大腸桿菌通常情況下只有一種亞基，但若生長在較高溫度（42-50）某些基因會(huì)迅速表達(dá)，誘導(dǎo)產(chǎn)生熱激蛋白，這種現(xiàn)象稱為熱激應(yīng)答反應(yīng)heat shock response。這是目前已知的最保守的遺傳系統(tǒng)，存在于每個(gè)生物體內(nèi)，從古生菌到真細(xì)菌，從植物到動(dòng)物。熱激應(yīng)答反應(yīng)的傳感蛋白可能是HSP70蛋白，其本身為一種熱激蛋白，感受到溫度變化

15、后調(diào)節(jié)熱激應(yīng)答系統(tǒng)的調(diào)節(jié)蛋白基因rPOH表達(dá)，該基因產(chǎn)物RpOH是一種次級(jí)因子，稱為32。由32參與構(gòu)成的RNA聚合酶全酶能夠識(shí)別熱激應(yīng)答基因的啟動(dòng)子；32所識(shí)別的啟動(dòng)子與“標(biāo)準(zhǔn)”因子識(shí)別的啟動(dòng)子不同：-35序列前面還有幾個(gè)保守堿基（TNNCNCNC），-10序列前面有保守的CCCC。細(xì)菌適應(yīng)高溫生長后，大多數(shù)熱激應(yīng)答基因變停止表達(dá)，開始表達(dá)常規(guī)基因。轉(zhuǎn)換機(jī)制還不清楚。正常情況下70作為操縱子（S21基因、DNA引發(fā)酶基因和70基因）的一部分轉(zhuǎn)錄多順反子，70基因本身有一個(gè)熱激應(yīng)答啟動(dòng)子，位于前一個(gè)基因（DNA引發(fā)酶基因）內(nèi)，熱激應(yīng)答反應(yīng)不需要70，但其還是在熱激應(yīng)答反應(yīng)中大量表達(dá)，可能與細(xì)菌

16、適應(yīng)較高溫度后開始表達(dá)常規(guī)基因有關(guān)。五 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和二組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)多數(shù)情況下外部信號(hào)首先通過傳感器senor檢測到然后以變化的形式傳遞到調(diào)節(jié)部位，這一過程稱為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)signal transduction。目前已知最簡單的細(xì)胞信號(hào)系統(tǒng)稱為二組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)two-component system，由兩種不同蛋白組成：（1）位于細(xì)胞質(zhì)膜上的傳感蛋白sensor protein，該蛋白具有激酶活性，故又稱傳感激酶。（2）應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白response regular protein，位于細(xì)胞質(zhì)中。傳感激酶與胞外信號(hào)反應(yīng)過程中自身磷酸化，磷酸基團(tuán)被轉(zhuǎn)移到應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白上，磷酸化的應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白即成為阻遏蛋白。r

17、epressor在通過對(duì)其操縱子的阻遏作用進(jìn)行調(diào)控。該系統(tǒng)中還需磷酸酶參與，以移去應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白磷酸基團(tuán)。二組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)位于很多細(xì)菌中，如大腸桿菌中的氮吸收、根瘤菌中的氮固定、芽孢桿菌中芽孢形成等，低等真核細(xì)胞如釀酒酵母中也有這類調(diào)節(jié)系統(tǒng)。二組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)細(xì)菌某些行為也調(diào)節(jié)。如趨化性chemotaxis，感知細(xì)胞外化學(xué)藥物濃度，調(diào)節(jié)鞭毛運(yùn)動(dòng)。細(xì)菌在無化學(xué)藥物濃度梯度環(huán)境中，運(yùn)動(dòng)方向隨機(jī)，一般是直線運(yùn)動(dòng)數(shù)秒后停翻筋斗，然后再以不同方向直線運(yùn)動(dòng)，往復(fù)進(jìn)行。在引誘物梯度環(huán)境中翻筋斗頻率減小，向高濃度引誘物直線運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加；若向低濃度區(qū)運(yùn)動(dòng)，則翻筋斗次數(shù)不減少。若有毒物濃度梯度，則會(huì)出現(xiàn)相反效果：高濃度

18、區(qū)，翻筋斗次數(shù)增加，向低濃度區(qū)移動(dòng)。向高濃度引誘物運(yùn)動(dòng)，直線運(yùn)動(dòng)和翻筋斗交替進(jìn)行，但直線運(yùn)動(dòng)時(shí)間長，翻筋斗頻率低，總方向是徐翔高濃度引誘物。趨化性的調(diào)控：接受甲基趨化性蛋白MCP是受體蛋白，二組分調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的傳感激酶是CheA。MCP是跨膜蛋白，在細(xì)胞質(zhì)側(cè)還與CheW和CheA蛋白結(jié)合成為復(fù)合物。當(dāng)MCP未與誘導(dǎo)物結(jié)合時(shí)，該復(fù)合物（MCP-CheW-CheA）刺激CheA自身磷酸化，進(jìn)而再使CheY和CheB兩個(gè)細(xì)胞質(zhì)蛋白磷酸化，形成CheY-P和CheB-P，CheY-P與鞭毛傳動(dòng)器結(jié)合，啟動(dòng)鞭毛順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，細(xì)菌做翻筋斗運(yùn)動(dòng)；若誘導(dǎo)物結(jié)合到MCP上，則CheA的自身磷酸化被抑制，CheY不能

19、與鞭毛傳動(dòng)器結(jié)合，此時(shí)鞭毛逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，細(xì)菌則進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。CheY磷酸化由于CheZ蛋白去磷酸化作用，只有很短的10s左右，使翻筋斗時(shí)間不太長，以適應(yīng)環(huán)境變化。細(xì)菌與引誘物和毒物應(yīng)答的能力還與MCP的甲基化有關(guān)：CheR以SAM作為甲基供體，以低頻率不斷將甲基基團(tuán)加到MCP上，而另一蛋白CheB（脫甲基酶活性）則和從MCP上去掉甲基。引誘物-MCP復(fù)合物是CheR合適作用基質(zhì)而不適于CheB，故當(dāng)引誘物與MCP結(jié)合時(shí)，不僅引起逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并作直線運(yùn)動(dòng)，也降低脫甲基酶活性，使MCP甲基化增加，導(dǎo)致構(gòu)型發(fā)生變化，故即使引誘物維持高水平但不再與MCP結(jié)合，CheA-P的水平仍增加，細(xì)胞又開始翻筋斗，失

20、去引誘物結(jié)合的MCP有獎(jiǎng)稱為CheB作用底物進(jìn)行去甲基反應(yīng)，去甲基的MCP又能再應(yīng)答引誘物。（下面作圖理解，不然看都能看吐了）六 噬菌體溶源化和裂解途徑的轉(zhuǎn)錄調(diào)控：噬菌體infect宿主后有兩種發(fā)育途徑：裂解途徑和溶原化途徑。調(diào)節(jié)兩種途徑的機(jī)制：一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位不管包括幾個(gè)操縱子都成為一個(gè)轉(zhuǎn)錄子。噬菌體感染宿主后最先轉(zhuǎn)錄并合成一些調(diào)節(jié)蛋白，通過調(diào)節(jié)蛋白作用，其他基因的轉(zhuǎn)錄或被激活或被阻遏，從而使之進(jìn)入裂解或溶原途徑。調(diào)節(jié)噬菌體轉(zhuǎn)錄的主要調(diào)節(jié)蛋白是CI和Cro，分別由cI基因和cro基因編碼。CI蛋白對(duì)cro基因的轉(zhuǎn)錄起負(fù)調(diào)控作用，對(duì)cI基因本身轉(zhuǎn)錄有正控制和負(fù)控制，Cro蛋白對(duì)cI基因和cro基因

21、都起負(fù)控制作用。當(dāng)噬菌體處于溶源化狀態(tài)時(shí)，噬菌體DNA以原噬菌體形式整合在宿主細(xì)菌染色體上，只有cI基因表達(dá)，其表達(dá)產(chǎn)物CI蛋白首先與右邊和左邊的操縱區(qū)OR和OL結(jié)合，組織右邊和左邊啟動(dòng)子PR和PL啟動(dòng)功能。CI蛋白占據(jù)了OR，抑制了cro基因轉(zhuǎn)錄，從而不利于右向轉(zhuǎn)錄（裂解），使整個(gè)噬菌體基因組作為宿主細(xì)胞染色體的一部分，其復(fù)制和基因表達(dá)完全處在宿主細(xì)胞染色體控制下。但由于cI基因是一種自我調(diào)節(jié)基因，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)CI蛋白含量過高時(shí)，可阻止cI基因表達(dá)，所以溶源性狀態(tài)下的噬菌體在不經(jīng)過誘導(dǎo)的情況下也會(huì)以極低的頻率進(jìn)入裂解循環(huán)。（此過程也含cI基因自發(fā)突變而失去阻遏活性）當(dāng)溶源菌lysogenic b

22、acteria即染色體上含有原噬菌體DNA的宿主菌受到紫外線等因素作用時(shí)，因DNA上的損傷，RecA 蛋白具有切割阻遏蛋白活性，使得CI蛋白被切割，亞基被破壞，CI蛋白從DNA上脫落，于是RNA聚合酶有機(jī)會(huì)與cro基因啟動(dòng)子結(jié)合，表達(dá)Cro蛋白，使轉(zhuǎn)錄向裂解方向進(jìn)行，即Cro蛋白組織cI基因表達(dá)，起負(fù)調(diào)控作用，這時(shí)CI蛋白處于劣勢，從而導(dǎo)致原噬菌體的釋放和裂解途徑開始。所以裂解和溶源化途徑之間的平衡在于CI蛋白和Cro蛋白與操縱區(qū)之間相互作用。（不做圖，不好記憶）第二節(jié) 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控一 翻譯起始的調(diào)控遺傳信息翻譯成多肽鏈?zhǔn)加趍RNA上的核糖體結(jié)合序列RBS。RBS核糖體結(jié)合位點(diǎn)：指起始密碼子AU

23、G上游30-40bp的一段非翻譯區(qū)，其含有的SD序列，長度一般為5bp富含G和A，功能是與核糖體16S rRNA的3端互補(bǔ)配對(duì)，使核糖體結(jié)合到mRNA上，以利于翻譯起始。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之間的距離。SD序列必須呈伸直狀，如果形成二級(jí)結(jié)構(gòu)則降低表達(dá)，SD序列與AUG之間相距一般4-10bp，9bp最佳。此外，mRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)也是翻譯起始調(diào)控的重要因素，因?yàn)楹颂求w30S亞基與mRNA的靠近要求mRNA的5端有一定空間結(jié)構(gòu)。這一空間結(jié)構(gòu)的改變與SD序列上游堿基以及mRNA與核糖體結(jié)合的-20至+14區(qū)域有關(guān)。核苷酸微小變化往往會(huì)影響mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)，可導(dǎo)致

24、表達(dá)效率上百倍伸直上千倍差別。這是由于核苷酸的變化改變了mRNA5端二級(jí)結(jié)構(gòu)自由能，影響核糖體30S亞基與mRNA結(jié)合，從而導(dǎo)致蛋白合成效率上的差異。二 mRNA的穩(wěn)定性基因表達(dá)量與RNA半衰期成正比。微生物某些胞外酶mRNA半衰期比較長，可在轉(zhuǎn)錄終止后仍然能繼續(xù)翻譯從而增加基因表達(dá)量。如解淀粉芽孢桿菌對(duì)數(shù)生長末期的細(xì)胞經(jīng)利福平或放線菌素D抑制其RNA合成后，仍和繼續(xù)分泌淀粉酶、蛋白酶及RNA酶達(dá)90min；氯霉素及其他翻譯抑制劑能抑制這種分泌作用。意味著這種合成作用代表了某種前期信息翻譯。不同mRNA在同一微生物細(xì)胞內(nèi)半衰期不同。三 稀有密碼子和重疊基因調(diào)控1 稀有密碼子：由于不同tRNA含

25、量上的差異生很大，產(chǎn)生了對(duì)密碼子的偏愛性，對(duì)應(yīng)tRNA豐富或稀少的密碼子分別稱為稱為偏愛密碼子biased codon或稀有密碼子rare codon。含有密碼子多的基因表達(dá)率很低，微生物利用稀有密碼子進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后調(diào)控主要反映在對(duì)同一操縱子中不同基因表達(dá)量的控制。例如細(xì)胞DNA復(fù)制起始時(shí)，岡崎片段的合成是在RNA引物上延續(xù)發(fā)生，RNA引物是由dnaG基因編碼并有引物酶催化合成的。細(xì)胞對(duì)這種酶需求量不大，但dnaG與另外兩基因（rpoD和rpsU）同屬一個(gè)操縱子，后二者產(chǎn)物是dnaG編碼產(chǎn)物的幾十到幾百倍。細(xì)胞解決的辦法就是稀有密碼子。dnaG序列中含有很多稀有密碼子。由于稀有密碼的tRNA比較少

26、，高頻使用這類密碼子的基因翻譯很容易受阻，從而控制了該種蛋白在細(xì)胞內(nèi)合成數(shù)量。2 重疊基因overlapping gene：是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列成為兩個(gè)或兩個(gè)以上基因的組成部分。Trp operon 由7個(gè)基因trpE（G）、trpD（C）、trpB（A）、trpI組成。trpE終止子和trpD基因起始密碼子公用一個(gè)A，這可能是保證兩基因產(chǎn)物在數(shù)量上相同的機(jī)制。許多放線菌抗生素合成基因與該抗生素的抗性基因之間也存在基因重疊現(xiàn)象。甚至可采用抗性基因作為探針從基因文庫中去分離到生物合成基因。這是抗生素產(chǎn)生菌對(duì)自身保護(hù)措施之一，可能抗性基因表達(dá)之后才合成有

27、毒性的抗生素，或抗性基因產(chǎn)物是對(duì)生物合成有激活作用。微生物產(chǎn)生的抗生素為什么不殺死自己？可能存在多種機(jī)制：A合成抗生素的基因與其抗性基因重疊來進(jìn)行互相協(xié)調(diào)，如紅霉素、新霉素、鏈霉素的抗生素合成與抗性基因之間存在這種關(guān)系；B抗生素作用的靶被修飾是一種常見方式。如紅霉素產(chǎn)生菌和硫鏈絲菌素產(chǎn)生菌的核糖體RNA被甲基化修飾后表現(xiàn)出對(duì)這兩匯總作用于rRNA的抗生素不敏感；C合成抗生素在細(xì)胞內(nèi)受到自身修飾（如乙酰化）或呈非活性結(jié)構(gòu)，以無活性狀態(tài)存在于細(xì)胞內(nèi)，而分泌到胞外時(shí)再去掉修飾和有某種膜蛋白催化，使其在胞外成為有活性結(jié)構(gòu)。D 有時(shí)以上兩種或多種機(jī)制共同起作用。四 反義RNA調(diào)控RNA除了催化功能（ri

28、bozyme）還有調(diào)節(jié)基因表達(dá)功能，調(diào)節(jié)RNA被稱為反義RNA antisense RNA，它具有能與靶RNA互補(bǔ)結(jié)合的堿基序列。原核生物中反義RNA調(diào)節(jié)基因表達(dá)是天然機(jī)制，調(diào)節(jié)作用主要在翻譯水平，也包括少數(shù)在轉(zhuǎn)錄或DNA復(fù)制前引物加工水平。編碼反義RNA的基因有時(shí)稱為反義基因。反義RNA調(diào)節(jié)作用設(shè)計(jì)的功能包括質(zhì)粒的復(fù)制、轉(zhuǎn)座作用、滲透調(diào)節(jié)、噬菌體裂解和溶源性轉(zhuǎn)化以及cAMP受體蛋白的基因表達(dá)等。如大腸桿菌質(zhì)粒ColEI復(fù)制，每個(gè)細(xì)胞中Col EI拷貝數(shù)為10-30因RNA I（一種約100bp的反義RNA）能夠與質(zhì)粒DNA復(fù)制時(shí)的引物RNA結(jié)合。使RNA聚合酶不能與引物RNA結(jié)合，致使質(zhì)粒復(fù)

29、制受阻。RNA I通過調(diào)節(jié)RNA引物的數(shù)目來對(duì)DNA復(fù)制進(jìn)行調(diào)控。大腸桿菌對(duì)滲透壓變化調(diào)節(jié)是反義RNA另一例：大腸桿菌含有兩種滲透壓調(diào)節(jié)的膜蛋白OmpC和OmpF，在高滲透時(shí)，OmpC合成增多，OmpF合成受抑制；在低滲透壓下則相反，但兩者總量保持不變。其中起調(diào)節(jié)作用的就是反義RNA：當(dāng)OmpC的基因轉(zhuǎn)錄時(shí)在OmpC的基因啟動(dòng)子上游方向有一段DNA序列，以相反方向同時(shí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生一個(gè)174bp的RNA，它能與OmpF mRNA的前導(dǎo)序列中的44bp（含SD序列）及編碼區(qū)（含AUG）形成雜合雙鏈，抑制OmpF mRNA的翻譯。故OmpC蛋白量增加而OmpF的含量減少，同時(shí)保證同一時(shí)間內(nèi)兩種蛋白總量恒

30、定。mRNA 前導(dǎo)區(qū)指：操縱子或單個(gè)基因內(nèi)，從轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的核苷酸到結(jié)構(gòu)基因起始密碼子間的DNA區(qū)段。反義RNA能轉(zhuǎn)移的結(jié)合到mRNA上并阻止其活性的現(xiàn)象具有很大實(shí)用性，作為一種研究工具，若需要研究某一特定基因作用，能與這個(gè)基因的mRNA結(jié)合的反義RNA可被構(gòu)建并導(dǎo)入細(xì)胞，可組織基因表達(dá)。此外也可用一段反義DNA結(jié)合mRNA達(dá)到同樣的效果。五 翻譯的阻遏調(diào)控翻譯水平也有類似轉(zhuǎn)錄水平的蛋白阻遏。大腸桿菌RNA噬菌體Q包含3個(gè)基因，從5到3方向依次為噬菌體裝配和吸附相關(guān)的成俗蛋白基因A、外殼蛋白基因、RNA酶基因。當(dāng)噬菌體感染大腸時(shí)，RNA進(jìn)入細(xì)胞，這條正鏈RNA一方面作為模板指導(dǎo)RNA復(fù)制酶的翻

31、譯，并與宿主中已有的亞基結(jié)合行使復(fù)制功能。但Q正鏈RNA上已結(jié)合有許多核糖體，會(huì)影響復(fù)制酶催化3向5方向進(jìn)行的負(fù)鏈RNA合成，這一矛盾需要Q RNA復(fù)制酶作為翻譯阻遏物進(jìn)行調(diào)控。純化的復(fù)制酶可和外殼蛋白翻譯起始區(qū)結(jié)合，抑制蛋白合成。因?yàn)閺?fù)制酶的存在使核糖體不能與翻譯起始區(qū)相結(jié)合，但已經(jīng)開始的翻譯將進(jìn)行下去。與正鏈RNA3端結(jié)合的復(fù)制酶便可以開始RNA復(fù)制。（其復(fù)制方向特殊）Q正鏈RNA5和3端都有CUUUUAAA序列，且可能形成穩(wěn)定的莖環(huán)結(jié)構(gòu)，復(fù)制酶既能和外殼蛋白翻譯起始區(qū)結(jié)合，又能和正鏈3端結(jié)合，故復(fù)制酶可作為翻譯阻遏物對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。六 ppGpp對(duì)核糖體蛋白合成的影響在缺乏AA情況下

32、，首先停止合成rRNA，由于某些核糖體蛋白mRNA部分二級(jí)結(jié)構(gòu)和rRNA的相似，故當(dāng)rRNA缺乏時(shí)，多余的核糖體蛋白就會(huì)與本身的mRNA結(jié)合，從而阻斷本身的翻譯，同時(shí)也會(huì)阻斷同一多順反子的mRNA下游其他核糖體蛋白編碼區(qū)的翻譯，使核蛋白和rRNA合成幾乎同時(shí)停止。這里rRNA合成是轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控，而核糖體蛋白的合成則是翻譯水平調(diào)控。七 細(xì)菌蛋白的分泌調(diào)控（與生化7 筆記對(duì)比記憶）能分泌到胞外的蛋白統(tǒng)稱為分泌蛋白，分泌蛋白N-末端都含有一段由15-30個(gè)疏水AA構(gòu)成的信號(hào)肽signal peptide。故提出信號(hào)肽假說signal peptide hypothesis：當(dāng)新生肽正在跨越膜時(shí)，信號(hào)序

33、列和其后的肽段折疊成兩個(gè)短的螺旋段，并曲成一個(gè)反向平行的螺旋發(fā)夾，該發(fā)夾結(jié)構(gòu)可插入到疏水的脂質(zhì)雙層中。一旦分泌蛋白的N端錨定在膜內(nèi)，后續(xù)合成的其他肽段部分將順利通過膜。疏水性信號(hào)肽完成功能后被信號(hào)肽酶signalase水解。分泌啟動(dòng)和抑制調(diào)控由信號(hào)識(shí)別顆粒signal recognition particle SRP介導(dǎo)。其作用是能與核糖體結(jié)合，并停止蛋白合成，阻止翻譯發(fā)生在肽鏈延長至約70個(gè)AA長時(shí)，這個(gè)長度時(shí)信號(hào)肽完全從核糖體出來的長度。SRP對(duì)翻譯起負(fù)調(diào)節(jié)作用，由于SRP暫時(shí)中止這些分泌蛋白的翻譯，能確保這些蛋白未到達(dá)細(xì)胞膜或內(nèi)膜之前不能完成翻譯，這樣信號(hào)肽和SRP共同作用下，分泌蛋白能

34、及時(shí)完成轉(zhuǎn)運(yùn)和分泌，避免在細(xì)胞內(nèi)積累。原核細(xì)胞信號(hào)序列發(fā)現(xiàn)的比真核細(xì)胞晚。首例原核細(xì)胞信號(hào)序列編碼一種外膜脂蛋白N端信號(hào)肽。G-細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)分泌蛋白包括質(zhì)膜多肽、周質(zhì)多肽和外膜多肽都有信號(hào)肽。G-細(xì)菌中目前已知的依賴于信號(hào)肽的分泌系統(tǒng)首先將蛋白分泌至周質(zhì)空間，經(jīng)端在停留后經(jīng)過特異性反應(yīng)再將蛋白分泌至胞外。G-細(xì)菌蛋白分泌如何跨外膜，機(jī)制不明。第三節(jié) 古生菌的轉(zhuǎn)錄及調(diào)控一古生菌基本轉(zhuǎn)錄裝置：RNA聚合酶（RNAP）、基本轉(zhuǎn)錄因子、啟動(dòng)子等。1 RNAP細(xì)菌（原核）中只有一種RNAP，由4個(gè)亞基2和若干因子組成。真核生物細(xì)胞中有3中RNA聚合酶（I、II、III）其中RNAP II包含10-15個(gè)亞基和5個(gè)不同的轉(zhuǎn)錄因子，專門轉(zhuǎn)錄mRNA 。RNAP I轉(zhuǎn)錄rRNA；RNAP III轉(zhuǎn)錄tRNA、5S rRNA和小RNA。古生菌