分子生物學(xué) 轉(zhuǎn)錄及其調(diào)控

第三章轉(zhuǎn)錄及其調(diào)控遺傳信息由DNA轉(zhuǎn)換到RNA的過(guò)程。蛋白質(zhì)生物合成的第一步，合成mRNA以及非編碼RNA（tRNA、rRNA等）轉(zhuǎn)錄(transcription)多核苷酸鏈的合成都是以5’→3’的方向.轉(zhuǎn)錄特點(diǎn)：（1）對(duì)于一個(gè)基因組來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)錄只發(fā)生在一部分基

因，而且每個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄都受到相對(duì)獨(dú)立的控制（2）轉(zhuǎn)錄是不對(duì)稱的(3）轉(zhuǎn)錄時(shí)不需要引物，而且RNA鏈的合成是連續(xù)的。一、所需因素第一節(jié)原核生物轉(zhuǎn)錄1.轉(zhuǎn)錄模板DNA模板：指導(dǎo)RNA合成的一股DNA鏈稱為模板鏈（templatestrand），與之相對(duì)的另一股鏈為編碼鏈（codingstrand）.2.RNA聚合酶（RNApolymerase）RNA聚合酶有以下特點(diǎn)：（1）無(wú)需引物的存在能獨(dú)自起始新RNA鏈

的合成（2）沒(méi)有校對(duì)能力；（3）催化的底物是核糖核苷三磷酸。大腸桿菌只有一種RNA聚合酶，負(fù)責(zé)所有rRNA、mRNA和tRNA的合成。該酶具有全能性，基本上不需要其他蛋白因子的參與，即可獨(dú)立的進(jìn)行。功能：（1）識(shí)別DNA雙鏈上的啟動(dòng)子（2）通過(guò)閱讀啟動(dòng)子序列，確定轉(zhuǎn)錄方向和模板鏈（3）解開(kāi)DNA部分雙螺旋，產(chǎn)生約17bp的單鏈DNA模板（4）選擇正確的核糖核苷三磷酸（rNTP）底物并催化形成磷

酸二酯鍵，使合成的RNA鏈不斷延伸。（5）最后當(dāng)它達(dá)到終止子時(shí)，識(shí)別轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)，停止轉(zhuǎn)錄。大腸桿菌RNA聚合酶結(jié)構(gòu)：5種亞基組成：兩個(gè)α亞基、1個(gè)β亞基、1個(gè)β′亞基

和1個(gè)δ亞基。轉(zhuǎn)錄的起始階段：

δ亞基和核心酶（α2ββ′）組裝成全酶共同起作用。δ亞基無(wú)催化活性，但它能識(shí)別啟動(dòng)子并將封閉的啟動(dòng)子復(fù)合物轉(zhuǎn)換成開(kāi)放狀態(tài)。一旦轉(zhuǎn)錄起始，δ亞基就從全酶上脫離下來(lái)。核心酶與模板DNA結(jié)合的親和力弱，特異性差，這有利于它在模板鏈上移動(dòng)，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄延伸。σ因子負(fù)責(zé)識(shí)別啟動(dòng)子的保守序列，不同的σ因子識(shí)別不同的啟動(dòng)子。許多細(xì)菌能產(chǎn)生多種可取代的σ因子，以識(shí)別不同的啟動(dòng)子。σ因子大腸桿菌只有一種RNA聚合酶，負(fù)責(zé)所有rRNA、mRNA和tRNA的合成。并且該酶具有全能性，基本上不需要其他蛋白因子的參與，即可獨(dú)立的進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的起始、延伸和終止。一些抗生素，如利鏈菌素，可以抑制原核生物的RNA聚合酶，使得原核生物的基因無(wú)法轉(zhuǎn)錄成mRNA，從而達(dá)到殺死細(xì)菌等原核生物的效果。1.轉(zhuǎn)錄起始1）全酶與模板的DNA接觸，生成非專一的，不穩(wěn)定的復(fù)合物在模板上移動(dòng)。2.起始識(shí)別：全酶與-35序列結(jié)合，產(chǎn)生封閉的酶-啟動(dòng)子二元復(fù)合物。3.全酶緊密地結(jié)合在-10序列處，DNA模板局部變性，形成開(kāi)放的啟動(dòng)子二元復(fù)合物。（RNA聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合后造成約10bp的DNA解鏈）4.合成短多聚核苷酸（<10nt),三元復(fù)合物形成。（酶-啟動(dòng)子-NTP）5.σ因子從全酶中解離下來(lái)，聚合酶轉(zhuǎn)變?yōu)檠娱L(zhǎng)構(gòu)型。酶分子與啟動(dòng)子特異性結(jié)合性的結(jié)合力下降，延伸階段開(kāi)始。二、原核生物轉(zhuǎn)錄的起始延伸轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)三、轉(zhuǎn)錄的終止終止序列和釋放因子終止子：提供終止信號(hào)的序列。

分為兩類：

不依賴ρ因子而實(shí)現(xiàn)終止作用。

依賴ρ因子才能實(shí)現(xiàn)終止作用。ρ因子---蛋白質(zhì)輔助因子不依賴ρ因子終止作用：

在轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)之前有一段回文序列，回文序列的兩個(gè)重復(fù)部分之間由幾個(gè)堿基對(duì)的不重復(fù)階段隔開(kāi)依賴于ρ因子終止作用ρ因子是55KDa蛋白，其活性形式為六聚體1）促進(jìn)轉(zhuǎn)錄終止活性2）NTPase活性，需要RNA鏈。轉(zhuǎn)錄單元是一段被轉(zhuǎn)錄成單鏈RNA的DNA序列，它起始于啟動(dòng)子，結(jié)束于終止子。一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元可能包含不止一個(gè)基因。一、所需因素轉(zhuǎn)錄起始需要啟動(dòng)子，RNA聚合酶和轉(zhuǎn)錄因子參與。1.轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)具有啟動(dòng)子核心序列。不同物種、不同細(xì)胞或不同的基因轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游有不同的DNA序列，統(tǒng)稱為順式作用元件（cis-actingelement).順式作用元件包括啟動(dòng)子、啟動(dòng)子上游元件等近端調(diào)控元件和增強(qiáng)子等遠(yuǎn)隔序列。第二節(jié)真核生物轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游多數(shù)有共同的TATA序列，稱為TATA盒。（啟動(dòng)子核心序列）啟動(dòng)子上游元件是位于TATA盒上游的DNA序列，多在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)約-40~-100nt的位置，常見(jiàn)的是GC盒和CAAT盒。增強(qiáng)子-能夠結(jié)合特異基因調(diào)節(jié)蛋白，促進(jìn)鄰近或遠(yuǎn)隔特定基因表達(dá)的DNA序列。結(jié)構(gòu)基因順式作用元件2.真核生物有三種DNA依賴RNA聚合酶

真核生物轉(zhuǎn)錄起始十分復(fù)雜，往往需要多種蛋白因子的協(xié)助。能直接、間接辨認(rèn)和結(jié)合轉(zhuǎn)錄上游區(qū)段DNA的蛋白質(zhì)，已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種。統(tǒng)稱為反式作用因子（trans-actingfactors)反式作用因子中，直接或間接結(jié)合RNA聚合酶的稱為轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionalfactors,TF).3.轉(zhuǎn)錄因子真核生物RNA聚合酶不與DNA分子直接結(jié)合，而需依靠眾多的轉(zhuǎn)錄因子，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物（pre-initiationcomplex,PIC).第一類為普遍轉(zhuǎn)錄因子它們與RNA聚合酶Ⅱ共同組成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物，轉(zhuǎn)錄才能在正確的位置開(kāi)始。TFⅡD,TFⅡA，TFⅡF，TFⅡE，TFⅡH等，它們?cè)谵D(zhuǎn)錄起始復(fù)合物組裝的不同階段起作用。第二類轉(zhuǎn)錄因子為組織細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子，這此TF是在特異的組織細(xì)胞或是受到一些類固醇激素，生長(zhǎng)因子或其它刺激后，開(kāi)始表達(dá)某些特異蛋白質(zhì)分子時(shí)，才需要的一類轉(zhuǎn)錄因子。根據(jù)轉(zhuǎn)錄因子的作用特點(diǎn)可分為二類轉(zhuǎn)錄起始內(nèi)部啟動(dòng)子的起始各階段，涉及三個(gè)起始因子1.原核生物聚合酶僅有一種，有多個(gè)亞基。真核生物有三種DNA依賴性RNA聚合酶，有兩個(gè)不同的大亞基和十幾個(gè)不同的小亞基。2.原核生物RNA聚合酶可直接結(jié)合DNA模板，而真核生物RNA聚合酶與輔助因子結(jié)合后才結(jié)合模板。3.轉(zhuǎn)錄起始：原核生物RNA聚合酶要結(jié)合到DNA模板上，DNA雙鏈局部打開(kāi)，使其中一條鏈作為轉(zhuǎn)錄模板。真核生物轉(zhuǎn)錄起始前的上游區(qū)段具有啟動(dòng)子核心序列，RNA聚合酶不能直接結(jié)合模板，RNA聚合酶II啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄時(shí)需要轉(zhuǎn)錄因子才能形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物。原核生物與真核生物轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控差異當(dāng)合成一段含有60-70個(gè)核苷酸的RNA時(shí)，TFIIＥ和TFIIH釋放，RNA聚合酶II進(jìn)入轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)期。終止無(wú)特定的終止子序列可在無(wú)輔助因子參與下終止一串A殘基終止轉(zhuǎn)錄mRNA:識(shí)別末端加尾信號(hào)RNA轉(zhuǎn)錄后加工和修飾絕大多數(shù)原核生物轉(zhuǎn)錄和翻譯是同時(shí)進(jìn)行的，隨著mRNA開(kāi)始在DNA上合成，核蛋白體即附著在mRNA上并以其為模板進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成，因此原核細(xì)胞的mRNA并無(wú)特殊的轉(zhuǎn)錄后加工過(guò)程，相反，真核生物轉(zhuǎn)錄和翻譯在時(shí)間和空間上是分天的，剛轉(zhuǎn)錄出來(lái)的mRNA是分子很大的前體，即核內(nèi)不均一RNA。hnRNA分子中大約只有10%的部分轉(zhuǎn)變成成熟的mRNA，其余部分將在轉(zhuǎn)錄后的加工過(guò)程中被降解掉。三、真核生物RNA成熟真核生物轉(zhuǎn)錄生成的mRNA為單順?lè)醋?，即一個(gè)mRNA分子只為一種蛋白質(zhì)分子編碼。真核生物mRNA的加工修飾，主要包括對(duì)5’端和3’端的修飾以及對(duì)中間部分進(jìn)行剪接。（一）真核生物mRNA加工修飾1．在5’端加帽成熟的真核生物mRNA，其結(jié)構(gòu)的5’端都有一個(gè)m7G-PPNmN結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被稱為甲基鳥(niǎo)苷的帽子。2．在3’端加尾

大多數(shù)的真核mRNA都有3’端的多聚尾巴（A)，多聚（A)尾巴大約為200bp。

多聚（A)屠巴不是由DNA編碼的，而是轉(zhuǎn)錄后在核內(nèi)加上去的。受polyA聚合酶催化，該酶能識(shí)別，mRNA的游離3’-OH端，并加上約200個(gè)A殘基。在大多數(shù)真核基因的3’一端有一個(gè)AATAA序列，這個(gè)序列是mRNA3’-端加polyA尾的信號(hào)?？亢怂崦冈诖诵盘?hào)下游10-15堿基外切斷磷酸二酯鍵，在polyA聚合酶催化下，在3’-OH上逐一引入100-200個(gè)A堿基。3.mRNA前體（hnRNA）的剪接（splicing)真核生物基因往往是斷裂基因，即編碼一個(gè)蛋白質(zhì)分子的核苷酸序列被多個(gè)插入片斷所隔開(kāi)，一個(gè)真核生物結(jié)構(gòu)基因中內(nèi)含子的數(shù)量，往往與這個(gè)基因的大小有關(guān)，例如胰島素是一個(gè)很小的蛋白質(zhì)，它結(jié)構(gòu)基因只有兩個(gè)內(nèi)含子，而有些很大的蛋白質(zhì)，它的結(jié)構(gòu)基因中可以有幾十個(gè)內(nèi)含子。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的過(guò)程后，切去內(nèi)含子，將有編碼意義的核苷酸片段（Extron，外顯子）連接起來(lái)

內(nèi)含子與外顯子接界處的高度守恒序列,為準(zhǔn)確和有效的剪接過(guò)程所必需。內(nèi)含子5′末端與外顯子接界序列為CAAG/GTAGAGT,而3′末端與外顯子接界序列為(TC)_πN(CT)AG/G。內(nèi)含子序列內(nèi)的各種缺失,并不影響剪接的準(zhǔn)確和效率,這似乎說(shuō)明,內(nèi)含子的其他部份并不為剪接所要求。mRNA的剪接是基于對(duì)間接位點(diǎn)識(shí)別的基礎(chǔ)上，由被稱為剪接體的核酸蛋白復(fù)合物完成剪接體包含5種SnRNP和超過(guò)200種蛋白質(zhì)因子。hnRNA的剪接過(guò)程不論拼接過(guò)程如何，拼接必須極為精確，否則會(huì)導(dǎo)致遺傳信息傳遞障礙，合成的蛋白質(zhì)可能喪失其正常的功能。我國(guó)南方廣大地區(qū)是β-地中海貧血的高發(fā)區(qū)，這是由于β-珠蛋白鏈的合成受到部分或完全抑制所引起的一種血紅蛋白病。實(shí)驗(yàn)表明β-珠蛋白基因元1中核苷酸的點(diǎn)突變改變了正常拼接部位的堿基順序，結(jié)果造成錯(cuò)誤部位的拼接。加工成熟的mRNA雖能翻譯，但產(chǎn)物不是正常的β-珠蛋白，結(jié)果引起血紅蛋白級(jí)結(jié)構(gòu)和功能的改變。（二）rRNA轉(zhuǎn)錄后加工原核生物rRNA轉(zhuǎn)錄后加工，包括以下幾方面：①rRNA前體被大腸桿菌RNaseⅢ,RNaseE等剪切成一定鏈長(zhǎng)的rRNA分子；②rRNA在修飾酶催化下進(jìn)行堿基修飾；③rRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核糖體的大、小亞基真核生物rRNA前體比原核生物大，哺乳動(dòng)物的初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為45s，低等真核生物的rRNA前體為38s，真核生物5sRNA前體獨(dú)立于其他三種rRNA的基因轉(zhuǎn)錄。真核生物rRNA前體中含有插入順序，rRNA前體要形成成熟的rRNA，需要經(jīng)過(guò)拼接反應(yīng)。例如，四膜蟲(chóng)的rRNA前體的拼接是一種無(wú)酶催化的自動(dòng)拼接過(guò)程。四膜蟲(chóng)基因組內(nèi)，26srRNA編碼的區(qū)域內(nèi)有413bp的插入順序。該插放序列可以不消耗能量從rRNA前體中被除掉。用SDS煮沸和用蛋白酶外理等破壞酶活性辦法，都不能破壞拼接活性，但反應(yīng)中Mg2+和鳥(niǎo)嘌呤核苷酸是必在的。這種有酶催化活性的RNA分子命名為Ribozyme。用32P-GTP進(jìn)行追蹤實(shí)驗(yàn)表明，起始過(guò)程是GTP在插入順序5’端發(fā)生親核反應(yīng)，同時(shí)GMP與5’端切點(diǎn)的切除段形成磷酸二酯鍵并使原RNA斷開(kāi)。第二步是5’切點(diǎn)的外元3’-OH與3’切點(diǎn)的外元5’-P共價(jià)連接，獲得成熟的rRNA，被切除部分最后環(huán)化，形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)從5’端去掉一個(gè)15核苷酸碎片。剩余部分連接成399核苷酸的環(huán)狀產(chǎn)物，再經(jīng)過(guò)幾步，最后切下一個(gè)19個(gè)核苷酸的線性內(nèi)含子序列即L-19，它具有催化活性，上面的剪接作用，是由內(nèi)含子本身的催化性質(zhì)決定的。不只是溝通核酸和蛋白質(zhì)的橋梁，可能是功能比DNA更廣泛的信息分子。（三）tRNA轉(zhuǎn)錄后的加工修飾原核生物和真核生物剛轉(zhuǎn)錄生成的tRNA前體一般無(wú)生物活性，需要進(jìn)行①剪切和拼接②堿基修飾③3’-OH連接-ACC結(jié)構(gòu)①tRNA前體在tRNA剪切酶的作用下，切成一定在小的tRNA分子。大腸桿菌RNaseP可特異剪切tRNA前體的5’旁順序，因此，該酶被稱為tRNA5’成熟酶。除了RNaseP外，tRNA前體的剪切尚需要一個(gè)3’-核酸內(nèi)切酶，這可將tRNA前體3’端的一段核苷酸序列切下來(lái)。RNaseD是tRNA3’端成熟酶。近年來(lái)的研究表明大腸桿菌RNaseP是一種非常特殊的酶分子，它是由RNA和蛋白質(zhì)組成，最近發(fā)現(xiàn)RNAaseP分子中的RNA部分在某些條件下，可以單獨(dú)地催化tRNA前體的加工成熟，這個(gè)發(fā)現(xiàn)和四膜蟲(chóng)tRNA能自我拼接被認(rèn)為是近十年來(lái)生化領(lǐng)域內(nèi)最令人鼓舞的發(fā)現(xiàn)之一。說(shuō)明RNA分子確具有酶的催化活性。經(jīng)過(guò)剪切后的tRNA分子還要在拼接酶作用下，將成熟tRNA分子所需的片段拼起來(lái)。在核苷酸轉(zhuǎn)移酶作用下，3’--末端除去個(gè)別堿基后，換上tRNA分子統(tǒng)一的CCA-OH末端，完成tRNA分子中的氨基酸臂結(jié)構(gòu)。tRNA3’-末端-CCA序列的添加成熟的tRNA分子中有許多的稀有堿基，因此tRNA在甲基轉(zhuǎn)移酶催化下，某些嘌呤生成甲基嘌呤如A→mA,G→mA。有些尿嘧啶還原為雙氫尿嘧啶。尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)變不假尿嘧啶核苷。某些腺苷酸脫氨基為成為次黃嘌呤核苷酸（Ⅰ）tRNA的堿基修飾RNA編輯（RNAediting)RNA編輯是指在mRNA水平上改變遺傳信息的過(guò)程.具體說(shuō)來(lái)，指基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA分子中，由于核苷酸的缺失，插入或置換，基因轉(zhuǎn)錄物的序列不與基因編碼序列互補(bǔ)，使翻譯生成的蛋白質(zhì)的氨基酸組成，不同于基因序列中的編碼信息現(xiàn)象。RNA編輯是通過(guò)比較成熟的mRNA與相應(yīng)基因的編碼信息時(shí)發(fā)現(xiàn)的，成熟的mRNA序列中有幾種意想不到的變化，包括尿嘧啶（U）突變?yōu)榘奏ぃ–）、胞嘧啶突變?yōu)槟蜞奏ぁ⒛蜞奏さ牟迦牖蛉笔?、多個(gè)鳥(niǎo)嘌呤（G）或胞嘧啶的插入等。最典型的例子是錐蟲(chóng)(Trypanosome)動(dòng)質(zhì)體(kinetoplastid)的線粒體基因mRNA的編輯,涉及上百個(gè)尿嘧啶的缺失和插入。由于RNA編輯是基因轉(zhuǎn)錄后在mRNA中插入、缺失或核苷酸的替換而改變DNA模板來(lái)源的遺傳信息，翻譯出多種氨基酸序列不同的蛋白質(zhì)，RNA編輯的結(jié)果不僅擴(kuò)大了遺傳信息，而且使生物更好地適應(yīng)生存環(huán)境。有些基因的主要轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物必須經(jīng)過(guò)編輯才能有效地起始翻譯，或產(chǎn)生正確的可讀框(ORF)。例：組織靶標(biāo)RNA所改變的堿基結(jié)果肝，腸肌肉睪丸，腫瘤等腫瘤腦載脂蛋白B半乳糖苷酶Wilms腫瘤基因-1神經(jīng)纖維瘤基因-1谷氨酸受體蛋白C→UU→AU→CC→UA→I谷氨酰胺密碼子→終止子苯丙氨酸密碼子→酪氨酸亮氨酸密碼子→脯氨酸精氨酸密碼子→終止子多個(gè)谷氨酸密碼子→精氨酸RNA編輯機(jī)制核苷的插入或刪除編輯堿基替換編輯單堿基突變（apoB)RNA的編輯類型RNA編輯影響了基因的表達(dá)，生成不同的氨基酸和新的開(kāi)放讀碼框。RNA編輯同基因的選擇剪接或可變剪接(alternativesplicing)一樣，使得一個(gè)基因序列有可能產(chǎn)生幾種不同的蛋白質(zhì)，這可能是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的、更經(jīng)濟(jì)有效地?cái)U(kuò)展原有遺傳信息的機(jī)制。一、原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控(ControlofProkaryoticGeneExepression)原核生物在對(duì)外環(huán)境突然變化的反應(yīng)中，是通過(guò)誘導(dǎo)或阻遏合成一些相應(yīng)的蛋白質(zhì)來(lái)調(diào)整與外環(huán)境之間的關(guān)系。由于原核生物的轉(zhuǎn)錄與翻譯的過(guò)程是偶聯(lián)的，而且這種過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間很短，只需數(shù)分鐘，同時(shí)由于大多數(shù)原核生物的mRNA在幾分鐘內(nèi)就受到酶的影響而降解，因此就消除了外環(huán)境突然變化后所造成的不必要的蛋白質(zhì)的合成。與真核生物相比，原核生物基因表達(dá)的一個(gè)特點(diǎn)是快速。主要在轉(zhuǎn)錄起始水平調(diào)控第三節(jié)轉(zhuǎn)錄調(diào)控σ因子對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)

操縱子對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)（一）調(diào)控特點(diǎn)：

（二）調(diào)控機(jī)制Lac操縱子（負(fù)調(diào)控）Trp操縱子參與乳糖分解的一個(gè)基因群，由乳糖系統(tǒng)的阻遏物和操縱基因受負(fù)的控制，而同時(shí)又同步地受支配。細(xì)菌相關(guān)功能的結(jié)構(gòu)基因常連在一起，形成一個(gè)基因簇。它們編碼同一個(gè)代謝途徑中的不同的酶。一個(gè)基因簇受到同一的調(diào)控，這一個(gè)完整的調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)基因和控制這些基因表達(dá)的元件，形成了一個(gè)共同的調(diào)節(jié)單位，這種調(diào)節(jié)單位就稱為操縱子（opron）。操縱子的活性是由調(diào)節(jié)基因控制的，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物可以和操縱子上的順式作用控制元件相互作用。乳糖操縱子

例1大腸桿菌乳糖酶誘導(dǎo)合成阻遏蛋白操縱基因結(jié)構(gòu)基因半乳糖苷酶半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶半乳糖苷透性酶操縱基因——基因合成的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)基因關(guān)——阻遏蛋白阻擋操縱基因，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)誘導(dǎo)物（乳糖）開(kāi)——誘導(dǎo)物阻止阻遏蛋白功能發(fā)揮。mRNA酶蛋白乳糖操縱子調(diào)控的機(jī)制

lacZ編碼β-半乳糖苷酶，此酶由500kd的四聚體構(gòu)成，它可以切斷乳糖的半乳糖苷鍵，而產(chǎn)生半乳糖和葡萄糖

lacY編碼β一半乳糖苷透性酶，這種酶是一種分子量為30kDd膜結(jié)合蛋白，它構(gòu)成轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，將半乳糖苷運(yùn)入到細(xì)胞中。

lacA編碼β-半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶，其功能只將乙酰-輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)移到β-半乳糖苷上。

無(wú)論是lacZ發(fā)生突變還是lacY發(fā)生突變卻可以產(chǎn)生lac-型表型，這種lac—表型的細(xì)胞不能利用乳糖。lacZ-突變體中半乳糖苷酶失去活性，直接阻止了乳糖的代謝。lacY-突變體不能從膜上吸取乳糖。

lacZ、Y、A基因的轉(zhuǎn)錄是由lacI基因指令合成的阻遏蛋白所控制。lacI一般和結(jié)構(gòu)基因相毗連，但它本身具有自己的啟動(dòng)子和終止子，成為獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄單位。lac基因簇是受到負(fù)調(diào)節(jié)（negativeregulation）。它們的轉(zhuǎn)錄可被調(diào)節(jié)蛋白所關(guān)閉。

lacI的產(chǎn)物稱為lac阻遏物（lacrepressor），其功能是和lacZ、Y、A基因簇5′端的操縱基因（lacO）,操縱基因位于啟動(dòng)子(lacP)和結(jié)構(gòu)基因（lacZYA）之間。當(dāng)阻遏物結(jié)合在操縱基因上時(shí)就阻礙了啟動(dòng)子上的轉(zhuǎn)錄起始。lacO從mRNA轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的上游-5處延伸到轉(zhuǎn)錄單位+21處。阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)：在缺乏誘導(dǎo)物（乳糖）時(shí)，這些基因不能轉(zhuǎn)錄，因?yàn)樽瓒舻鞍资腔钚誀顟B(tài)結(jié)合在操縱基因上。lac阻遏物（lacrepressor）由lacI產(chǎn)生，其功能是和lacZ、Y、A基因簇5′端的操縱基因（lacO）,操縱基因位于啟動(dòng)子(lacP)和結(jié)構(gòu)基因（lacZYA）之間。乳糖操縱子的調(diào)控機(jī)理有乳糖時(shí)在此系統(tǒng)中的誘導(dǎo)物并非乳糖本身,而是乳糖的同素異形體,稱為異乳糖(allolactose)。乳糖進(jìn)入E.coli細(xì)胞,被轉(zhuǎn)化成異乳糖。異乳糖與阻遏蛋白結(jié)合后,它們即從操縱基因上解離下來(lái),lac操縱子基因即開(kāi)始表達(dá)。β半乳糖苷酶的濃度可以增加1000倍之多。一個(gè)誘導(dǎo)物分子結(jié)合在阻遏蛋白的特異部位上,引起阻遏蛋白構(gòu)象的改變,結(jié)果使阻遏蛋白從操縱基因上解離下來(lái)。有乳糖時(shí)，乳糖受β-半乳糖苷酶的催化轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖，與R結(jié)合使R構(gòu)象變化，R四聚體解聚而與O解離。特殊底物的存在導(dǎo)致了酶的合成，此現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)（induction）。這種類型的調(diào)控廣泛存在于細(xì)菌中，在較低等的真核生物（如酶母）也有這種情況。當(dāng)E.coli生長(zhǎng)在缺乏β一半乳糖苷的條件下是不需要β-半乳糖苷酶的，因此細(xì)胞中含量很低，大約每個(gè)細(xì)胞不高于5個(gè)分子，當(dāng)加入底物后細(xì)菌中十分迅速地合成了這種酶，僅在2-3分鐘之內(nèi)酶就可以產(chǎn)生并很快增長(zhǎng)到5000個(gè)分子/每個(gè)細(xì)胞。如在酶的濃度將達(dá)到細(xì)胞總蛋白的5-10%。如在培養(yǎng)基中除去底物，那么酶的合成也就迅速停止，恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。阻遏蛋白的活性受到小分子誘導(dǎo)的控制

負(fù)反饋：細(xì)胞質(zhì)中有了β—半乳糖苷酶后，便催化分解乳糖為半乳糖和葡萄糖。乳糖被分解后，又造成了阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，使結(jié)構(gòu)基因關(guān)閉。一些乳糖類似物不能被β-半乳糖苷酶分解，卻也能與R特異性結(jié)合而使其構(gòu)象改變，誘導(dǎo)1ac操縱子的開(kāi)放。如異丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiogalactoside,IPTG)是很強(qiáng)的非代謝性誘導(dǎo)劑；X-gal（5-溴-4-氯-3-吲哚-β-半乳糖苷）也是一種人工合成的半乳糖苷，可被β-半乳糖苷酶水解產(chǎn)生蘭色化合物，因此可以用作β-半乳糖苷酶活性的指示劑。IPTG和X-gal被廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)和基因工程工作中。CAP-分解（代謝）物基因結(jié)合蛋白CAP的正性調(diào)節(jié)作用1ac操縱子的強(qiáng)誘導(dǎo)既要有乳糖又要無(wú)葡萄糖。乳糖操縱子屬于可誘導(dǎo)操縱子(inducibleoperon)，在缺乏誘導(dǎo)物時(shí)，這類操縱子只有本底水平的表達(dá)，約為誘導(dǎo)時(shí)表達(dá)水平的0.1%左右，lac操縱子的表達(dá)水平在誘導(dǎo)和阻遏之間的差別在103倍。這也與阻遏蛋白的量有關(guān)，若阻遏蛋白少于10個(gè)/細(xì)胞，就不可能建立起嚴(yán)密的阻遏。

色氨酸操縱子(tryptophaneoperon)代表了一種衰減調(diào)控模式。Trp是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，當(dāng)有足夠的Trp時(shí)，操縱子自動(dòng)關(guān)閉。細(xì)菌直接利用外界的Trp。缺乏Trp時(shí)，Trp操縱子被打開(kāi)，5個(gè)結(jié)構(gòu)基因表達(dá)，產(chǎn)生3個(gè)酶催化分支酸合成為Trp。色氨酸操縱子(trpoperon)1.負(fù)調(diào)控合成Trp所需要酶類的5個(gè)基因E、D、C、B、A頭尾相接串連排列組成結(jié)構(gòu)基因群；受其上游的啟動(dòng)子P和操縱子O的調(diào)控。調(diào)控基因trpR的位置遠(yuǎn)離P-O-結(jié)構(gòu)基因群，在其自身的啟動(dòng)子作用下，以組成性方式低水平表達(dá)調(diào)控蛋白R(shí)’。R’并無(wú)活性，當(dāng)提供足夠的Trp時(shí)，Trp與R’結(jié)合使其構(gòu)象改變而成為活性形式R，R可與O特異性結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，R的阻遏能力僅為lacI產(chǎn)物的1/1000。調(diào)控機(jī)理當(dāng)Trp達(dá)到一定濃度，但還沒(méi)有高到能夠活化R使其起阻遏作用的程度時(shí)，產(chǎn)生Trp合成酶類的量已經(jīng)明顯