原核基因的表達調(diào)控模式

原核基因的表達調(diào)控模式第1頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四基因組(genome)是指含有一個生物體生存、發(fā)育、活動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全部都表達出來的，大腸桿菌基因組含有約4000個基因，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，有的就暫時不表達。

不同組織細胞中不僅表達的基因數(shù)量不相同，而且基因表達的強度和種類也各不相同，這就是基因表達的組織特異性(tissuespecificity)。

例如肝細胞中涉及編碼鳥氨酸循環(huán)酶類的基因表達水平高于其它組織細胞，合成的某些酶(如精氨酸酶)為肝臟所特有；胰島β細胞合成胰島素；甲狀腺濾泡旁細胞(C細胞)專一分泌降血鈣素等。

第2頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四細胞分化發(fā)育的不同時期，基因表達的情況是不相同的，這就是基因表達的階段特異性(stagespecificity)。

一個受精卵含有發(fā)育成一個成熟個體的全部遺傳信息，在個體發(fā)育分化的各個階段，各種基因極為有序地表達，一般在胚胎時期基因開放的數(shù)量最多，隨著分化發(fā)展，細胞中某些基因關(guān)閉(turnoff)、某些基因轉(zhuǎn)向開放(turnon)，胚胎發(fā)育不同階段、不同部位的細胞中開放的基因及其開放的程度不一樣，合成蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量都不相同，顯示出基因表達調(diào)控在空間和時間上極高的有序性，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：生物的基因表達不是雜亂無章的，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調(diào)控也是生命本質(zhì)所在。

第3頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四6.1.2、基因表達適應(yīng)環(huán)境的變化

生物體內(nèi)的基因調(diào)控各不相同，基因表達隨環(huán)境變化的情況，可以大致把基因表達分成兩類：①組成性表達(constitutiveexpression)指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達。其中某些基因表達產(chǎn)物是細胞或生物體整個生命過程中都持續(xù)需要而必不可少的，這類基因可稱為看家基因(housekeepinggene)，這些基因中不少是在生物個體其它組織細胞、甚至在同一物種的細胞中都是持續(xù)表達的，可以看成是細胞基本的基因表達。組成性基因表達也不是一成不變的，其表達強弱也是受一定機制調(diào)控的。第4頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四②適應(yīng)性表達(adaptiveexpression)指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(dǎo)(induction)，這類基因被稱為可誘導(dǎo)的基因(induciblegene)；相反，隨環(huán)境條件變化而基因表達水平降低的現(xiàn)象稱為阻遏(repression)，相應(yīng)的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。

第5頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四改變基因表達的情況以適應(yīng)環(huán)境，在原核生物、單細胞生物中尤其顯得突出和重要，因為細胞的生存環(huán)境經(jīng)常會有劇烈的變化。

例如：周圍有充足的葡萄糖，細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的酶類，當(dāng)外界沒有葡萄糖時，細菌就要適應(yīng)環(huán)境中存在的其它糖類(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等)，開放能利用這些糖的酶類基因，以滿足生長的需要。即使是內(nèi)環(huán)境保持穩(wěn)定的高等哺乳類，也經(jīng)常要變動基因的表達來適應(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，基因表達調(diào)控是生物適應(yīng)環(huán)境生存的必需。第6頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四基因表達調(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）。6.2

原核基因表達調(diào)控總論

第7頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第8頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四原核生物中，營養(yǎng)狀況（nutritionalstatus）和環(huán)境因素（environmentalfactor）對基因表達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）是基因表達調(diào)控的最主要手段，營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達的調(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。第9頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

因為細菌mRNA在形成過程中與核糖體混合在一起，所以，細菌的轉(zhuǎn)錄與翻譯過程幾乎發(fā)生在同一時間間隔內(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)運轉(zhuǎn)到核外，才能被核糖體翻譯成蛋白質(zhì)。第10頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)錄因子

一個基因是由基因產(chǎn)物的調(diào)控和表達所需要的所有DNA序列組成的。意味著在一個典型的編碼蛋白質(zhì)的基因中，它的啟動子和上游的調(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，達到控制基因轉(zhuǎn)錄的目的。第11頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四轉(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)語來描述轉(zhuǎn)錄因子的功能。誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子稱之激活劑（activators），而阻遏轉(zhuǎn)錄的稱之為阻遏物（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胞的生理狀態(tài)和不同啟動子之間的DNA序列差別。第12頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第13頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四在原核生物中，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)錄機制，主要的調(diào)節(jié)機制是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)機制

第14頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第15頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第16頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四原核生物的基因調(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轉(zhuǎn)錄調(diào)控（negativetranscriptionregulation）正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（positivetranscriptionregulation）。6.2.1原核基因調(diào)控機制的類型與特點

第17頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四在負轉(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控誘導(dǎo)和負控阻遏二大類。在負控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白不與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄；在負控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白作用的部位是操縱區(qū)。第18頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四在正轉(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)。第19頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

參與大腸桿菌中基因表達調(diào)控最常見的蛋白質(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σ70家族。所有σ因子都含有4個保守區(qū)，其中第2個和第4個保守區(qū)參與結(jié)合啟動區(qū)DNA，第2個保守區(qū)的另一部分還參與雙鏈DNA解開成單鏈的過程。第21頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

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因子識別并與DNA上的-24和-12區(qū)相結(jié)合。在與啟動子結(jié)合的順序上，σ70類啟動子在核心酶結(jié)合到DNA鏈上之后才能與啟動子區(qū)相結(jié)合，而σ54則類似于真核生物的TATA區(qū)結(jié)合蛋白（TBP），可以在無核心酶時獨立結(jié)合到啟動子上。第22頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四6.2.2

弱化子對基因活性的影響

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。起信號作用的是有特殊負載的氨基酰-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，起終止轉(zhuǎn)錄信號作用的那一段核苷酸被稱為弱化子。這種因為核糖體在基因轉(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)方式確實是非常巧妙的。起調(diào)節(jié)作用的信號分子是細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，好比無線電調(diào)諧器中的微調(diào)一樣，只要稍加變動就可影響整個體系的功能。第23頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四6.2.3

降解物對基因活性的調(diào)節(jié)

操縱子學(xué)說的核心是使基因從表達抑制狀態(tài)中解脫出來進行轉(zhuǎn)錄，是從負調(diào)節(jié)的角度來考慮基因表達調(diào)控的。那么，有沒有從相反的角度進行正調(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，與其相對應(yīng)的操縱子也不會啟動，產(chǎn)生出代謝這些糖的酶來，這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)或稱為降解物抑制作用。

為什么會產(chǎn)生這種效應(yīng)呢？因為添加葡萄糖后，細菌所需要的能量便可從葡萄糖得到滿足，葡萄糖是最方便的能源，細菌無需開動一些不常用的基因去利用這些稀有的糖類。葡萄糖的存在會抑制細菌的腺苷酸環(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提高轉(zhuǎn)錄強度來調(diào)節(jié)基因表達的，是一種積極的調(diào)節(jié)方式。第24頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四6.2.4

細菌的應(yīng)急反應(yīng)

細菌有時會碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓時，就不是缺少一二種氨基酸，而是氨基酸的全面匱乏。為了緊縮開支，渡過難關(guān)，細菌將會產(chǎn)生一個應(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)過程均被停止。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，其濃度可增加10倍以上。ppGpp的出現(xiàn)會關(guān)閉許多基因，當(dāng)然也會打開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或幾個操縱子，而是影響一大批，所以它們是超級調(diào)控因子。

第25頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四操縱子學(xué)說

法國巴斯德研究院的FrancoisJacob與JacquesMonod于1960年在法國科學(xué)院院報(ProceedingoftheFrenchAcademyofSciences)上發(fā)表了一篇論文，提出乳糖代謝中的兩個基因被一靠近它們的遺傳因子所調(diào)節(jié)。這二個基因為β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)和半乳糖苷透過酶(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(theoryofoperon)使我們得以從分子水平認識基因表達的調(diào)控，是一個劃時代的突破，因此他們二人于1965年榮獲諾貝爾生理學(xué)獎。第26頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四大腸桿菌能以乳糖為唯一碳源生長，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的一個特定區(qū)段，由調(diào)節(jié)基因I，啟動基因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I基因經(jīng)常進行轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生有活性的阻遏蛋白。第27頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

Z編碼β-半乳糖苷酶；Y編碼β-半乳糖苷透過酶；A編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶。

β-半乳糖苷酶是一種β-半乳糖苷鍵的專一性酶，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。

β-半乳糖苷透過酶的作用是使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細胞壁和原生質(zhì)膜進入細胞內(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?；D(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。

第28頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第29頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位第30頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四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。

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。

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。第31頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

第32頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

第33頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

第34頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第35頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第36頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

第37頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

第38頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

當(dāng)一個mRNA含有編碼一個以上蛋白質(zhì)的編碼信息，而且這些蛋白質(zhì)都是以獨立的多肽被翻譯時，這樣的mRNA稱之多順反子mRNA。多順反子mRNA在細菌中是很普遍的。多順反子lacmRNA中的lacZ，lacY，lacA經(jīng)翻譯生成的產(chǎn)物分別為LacZ（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））。第39頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

別乳糖是lac操縱子轉(zhuǎn)錄的活性誘導(dǎo)物，人們發(fā)現(xiàn)一個合成的、結(jié)構(gòu)上類似于別乳糖、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操縱子的一個誘導(dǎo)物的作用，所以IPTG常用于誘導(dǎo)含有使用了lac啟動子的質(zhì)粒載體的細菌中的重組蛋白的表達。

第40頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第41頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

lac操縱子受LacI阻遏蛋白調(diào)控。在沒有誘導(dǎo)劑（乳糖或IPTG）存在時，LacI阻遏蛋白與lac操縱子DNA序列結(jié)合得非常緊密，lac基因不能進行轉(zhuǎn)錄。當(dāng)IPTG存在時，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lac操縱基因的親和性為單獨LacI阻遏蛋白的親和性的千分之一。所以IPTG作為lac基因表達的一個誘導(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，實驗表明RNA聚合酶和LacI阻遏蛋白對操縱基因序列的結(jié)合是相互排斥的。

第42頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第43頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

通過去阻遏調(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)控細菌對糖的代謝。在有乳糖存在，而且葡萄糖水平低時，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，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，轉(zhuǎn)錄激烈增加。這是由于CAP是lac操縱子的一個激活劑，并且起始了正調(diào)控轉(zhuǎn)錄。cAMP的作用象個調(diào)節(jié)器，它與CAP結(jié)合正向調(diào)控CAP的DNA結(jié)合活性。第44頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四E.Coli中葡萄糖轉(zhuǎn)運將導(dǎo)致腺苷酸環(huán)化酶的去活化（作用），這使得細胞內(nèi)cAMP處于低水平。因此當(dāng)葡萄糖存在時，cAMP水平低，而CAP無活性。然而當(dāng)葡萄糖水平低時，腺苷環(huán)化酶有活性，細胞內(nèi)cAMP水平增加，導(dǎo)致CAP的激活，結(jié)果促進RNA聚合酶與啟動子結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄增強。（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，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會出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？實驗表明，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聚合酶與啟動子結(jié)合。

第45頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第46頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第47頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Thecircuitryfortheeffectisshowninthefigurebelow.Ontheleftisthesituationforhighglucose/lowcAMPandontherightforlowglucose/highcAMP:第48頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第49頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四HowdoestheCAP-cAMPstimulatetranscription?Inthefirstmodel,theCAP-cAMPinteractswiththeRNApolymerasebybindingtotheC-terminaldomainofoneofthetheasubunits.第50頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

ThesecondmodelhastheincreasedtranscriptionrateoftheoperonduetobendingoftheDNAbecauseofthebindingofCAP-cAMPSuchbindingcanbeobservedexperimentally.Infact,X-raycrystalstructuresoftheCAP-cAMPbondtoDNAshowabendingofthistype.ThebendingmightallowtheRNApolymerasetobindmoretightlytothepromoter.第51頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四CAPBindingBendsDNAThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebinding第52頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四DNACAPLacICrystalStructureofLacIandCAPComplexedtoDNA第53頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Theresultisthatthelacoperonrespondstoboththepresenceorabsenceoflactoseaswellastothelevelofglucosethecellhasavailable.HereisatablethatpresentsthesepossibilitiesintermsoflacmRNAsynthesis:第54頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四PositiveControlofTranscription:CAP

Absenceofthelacrepressorisessentialbutnotsufficientforeffectivetranscriptionofthelacoperon.TheactivityofRNApolymerasealsodependsonthepresenceofanotherDNA-bindingproteincalledcataboliteactivatorproteinorCAP.CAPhastwotypesofbindingsites:OnebindsthenucleotidecyclicAMP;theotherbindsasequenceof16basepairsupstreamofthepromoter第55頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四However,CAPcanbindtoDNAonlywhencAMPisboundtoCAP.sowhencAMPlevelsinthecellarelow,CAPfailstobindDNAandthusRNApolymerasecannotbeginitswork,evenintheabsenceoftherepressor.Sothelacoperonisunderbothnegative(therepressor)andpositive(CAP)control.第56頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第57頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四CAPconsistsoftwoidenticalpolypeptides(henceitisahomodimer).TowardtheC-terminal,eachhastworegionsofalphahelixwithasharpbendbetweenthem.ThelongeroftheseiscalledtherecognitionhelixbecauseitisresponsibleforrecognizingandbindingtoaparticularsequenceofbasesinDNA.第58頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Thereareactuallythreelacoperators.TheonecommonlyshownindiagramsiscalledlacO1.Theothersaredownstream(lacO2)andupstream(lacO3)fromthisone.O2andO3arecalledauxiliaryoperators.第59頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四NoticethatO2isplacedwithinthelacZreadingframe!Alsonoticetheslightsequencedifferencesbetweenthemainoperator(O1)andtheothertwo.(CAPisthebindingsiteforthecAMP:CAPcomplexandRNAPistheRNApolymerasebindingsite,otherwiseknownasthepromoter).第60頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Genetranscriptionbeginsataparticularnucleotideshowninthefigureas"+1".RNApolymeraseactuallybindstoasite"upstream"(i.e.,onthe5'side)ofthissiteandopensthedoublehelixsothattranscriptionofonestrandcanbegin.ThebindingsiteforRNApolymeraseiscalledthepromoter.Inbacteria,twofeaturesofthepromoterappeartobeimportant:asequenceofTATAAT(orsomethingsimilar)centered10nucleotidesupstreamofthe+1siteandanothersequence(TTGACAorsomethingquiteclosetoit)centered35nucleotidesupstream.第61頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第62頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四ThestructureofamonomerofLacrepressoridentifiesseveralindependentdomains.PhotographkindlyprovidedbyMitchellLewis.Repressorproteinbindstotheoperatorandisreleasedbyinducer第63頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四第64頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

ThecrystalstructureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.PhotographskindlyprovidedbyAlanFriedman.

第65頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

ThecrystalstructureofthecoreregionofLacrepressoridentifiestheinteractionsbetweenmonomersinthetetramer.Eachmonomerisidentifiedbyadifferentcolor.PhotographskindlyprovidedbyAlanFriedman.

第66頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Thecrystalstructure