第章基因的表達與調控上

概述一、基因表達的概念geneexpression

：基因轉錄及翻譯的過程。對這個過程的調節(jié)就稱為generegulation

。rRNA、tRNA編碼基因轉錄合成RNA的過程也屬于基因表達。目前一頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點

組成性表達(constitutiveexpression)

適應性表達(adaptiveexpression）二、基因表達的方式目前二頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點

1、組成型表達：

指不大受環(huán)境變動而變化的一類基因表達。某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續(xù)表達，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。無論表達水平高低，管家基因較少受環(huán)境因素影響，而是在個體各個生長階段的大多數(shù)或幾乎全部組織中持續(xù)表達，或變化很小。區(qū)別于其他基因，這類基因表達被視為組成型表達(constitutiveexpression)。目前三頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點

2、適應性表達指環(huán)境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。應環(huán)境條件變化基因表達水平增高的現(xiàn)象稱為誘導(induction)，這類基因被稱為可誘導的基因(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)，相應的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。在一定機制控制下，功能上相關的一組基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調一致、共同表達，即為協(xié)調表達(coordinateexpression)，這種調節(jié)稱為協(xié)調調節(jié)(coordinateregulation)。目前四頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點三、基因表達的規(guī)律

——時間性和空間性1、時間特異性（temporalspecificity）按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性。多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性(stagespecificity)。

目前五頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點2、空間特異性(spatialspecificity)基因表達伴隨時間順序所表現(xiàn)出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現(xiàn)，稱之為基因表達的空間特異性。目前六頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點四、基因表達調控的生物學意義適應環(huán)境、維持生長和增殖（原核、真核）

維持個體發(fā)育與分化（真核）目前七頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點五、基因表達調控的層次轉錄水平基因結構活化轉錄起始（基因表達基本控制點）轉錄后水平轉錄后加工轉錄產物的轉運翻譯水平翻譯調控翻譯后加工蛋白質降解目前八頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點六、轉錄水平----基因轉錄激活調節(jié)基本要素

（一）特異DNA序列（二）調節(jié)蛋白（三）RNA聚合酶目前九頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點原核生物的特異DNA序列

原核生物基因表達與調控是通過操縱子機制來實現(xiàn)的。操縱子

是由功能上相關聯(lián)的多個編碼序列（結構基因）及其上游的調控序列成簇串聯(lián)在一起構成的一個轉錄協(xié)調單位。調控序列包括操縱序列(O)、啟動序列(P)和調節(jié)基因(I/R)等組件。

（一）特異DNA序列目前十頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點

操縱子調節(jié)基因啟動序列操縱序列編碼序列（結構基因）

表達

轉錄ICAPPOZYA阻遏蛋白結合部位RNA聚合酶結合部位啟動序列（P）：其中的-35區(qū)-10區(qū)是RNA聚合酶識別并結合的部位。多順反子mRNA阻遏蛋白（負性調節(jié)）

（正性調節(jié)）多種蛋白質目前十一頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點真核生物的特異DNA序列

真核生物基因組中含有可以調控自身基因表達的特異DNA序列，稱為順式作用元件。

順式作用元件能夠被各種轉錄調節(jié)蛋白特異識別和結合，從而影響基因表達活性。啟動子順式作用元件又分增強子沉默子目前十二頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點1)順式作用元件(cis-actingelement)——可影響自身基因表達活性的DNA序列BADNA編碼序列轉錄起始點不同真核生物的順式作用元件中也會發(fā)現(xiàn)一些共有序列，如TATA盒、CAAT盒等，這些共有序列是RNA聚合酶或特異轉錄因子的結合位點。目前十三頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點（二）調節(jié)蛋白原核生物的調節(jié)蛋白（3類）特異因子

決定RNA聚合酶對啟動序列的特異識別和結合能力；

(如，RNA聚合酶的因子)阻遏蛋白

通過與操縱序列結合，阻遏基因轉錄，發(fā)揮負性調控作用；（由調節(jié)基因表達的阻遏蛋白）激活蛋白

與啟動子上游DNA序列結合，促進RNA聚合酶轉錄活性，發(fā)揮正性調控作用。(如，CAP—分解代謝物基因活化蛋白)目前十四頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點2.真核生物的調節(jié)蛋白

反式作用因子

能直接或間接與順式作用元件相互作用，進而調控基因轉錄的一類調節(jié)蛋白，統(tǒng)稱為反式（作用）因子。(trans-actingfactor)

按其功能不同，常有以下三類：

基本轉錄因子轉錄調節(jié)因子共調節(jié)因子目前十五頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點（1）基本轉錄因子（TF）是指能夠在啟動子部位與核心序列TATA盒和RNAPolⅡ結合，形成轉錄前起始復合物（PIC）的一類調節(jié)蛋白，以起動轉錄。與RNA聚合酶(RNAPolⅡ)結合的(基本)轉錄因子有：TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡH,TFⅡJ等。

首先由TFⅡD與啟動子TATA盒結合，然后按一定的時空順序依次結合RNAPolⅡ和其它轉錄因子，形成PIC。目前十六頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點(2)轉錄調節(jié)因子

這類調節(jié)蛋白能識別并結合轉錄起始點上游的調控序列或遠端的增強子元件，通過蛋白質-DNA相互作用而影響轉錄活性。起激活轉錄作用——轉錄激活因子；起阻遏轉錄作用——轉錄阻遏因子。（3）共調節(jié)因子另有一類與轉錄調節(jié)因子發(fā)生蛋白－蛋白相互作用，進而影響它們的分子構象，影響轉錄活性，稱共調節(jié)因子。如果與轉錄激活因子有協(xié)同作用——共激活因子；與轉錄阻遏因子有協(xié)同作用——共阻遏因子。目前十七頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點7.1原核基因表達調控總論7.1.1原核基因表達調控的類型與特點1、根據操縱子對調節(jié)蛋白(阻遏蛋白或激活蛋白)的應答，正轉錄調控負轉錄調控調節(jié)基因RNA調節(jié)蛋白目前十八頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點調節(jié)基因操縱基因結構基因激活蛋白正轉錄調控正轉錄調控如果在沒有調節(jié)蛋白質存在時基因是關閉的，加入這種調節(jié)蛋白質后基因活性就被開啟，這樣的調控正轉錄調控。目前十九頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點調節(jié)基因操縱基因結構基因阻遏蛋白負轉錄調控負轉錄調控在沒有調節(jié)蛋白質存在時基因是表達的，加入這種調節(jié)蛋白質后基因表達活性便被關閉，這樣的調控負轉錄調控。目前二十頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點

根據輔因子(小分子)結合后調控效果，可分：

開啟調控系統(tǒng)中結構基因的轉錄活性——誘導關閉調控系統(tǒng)中結構基因的轉錄活性——阻遏操縱子調控系統(tǒng)的基本類型可誘導負控制系統(tǒng)可誘導正控制系統(tǒng)可阻遏負控制系統(tǒng)可阻遏正控制系統(tǒng)目前二十一頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點目前二十二頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點幾個概念：誘導物(inducer)：指當作用于細胞群體時,通過誘導機制、能增加特定基因轉錄的mRNA含量的一種化學因子或物理因子,輔阻遏物(corepressor)：一種能與阻遏蛋白形成功能阻遏物，而使合成代謝的操縱子受到阻遏的代謝終產物。

目前二十三頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點正調控與負調控并非互相排斥的兩種機制，而是生物體適應環(huán)境的需要，有的系統(tǒng)既有正調控又有負調控；

原核生物以負調控為主，真核生物以正調控為主；

降解代謝途徑中既有正調控又有負調控；合成代謝途徑中一般以負調控來控制產物自身的合成。

目前二十四頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點可誘導調節(jié)可阻遏調節(jié)7.1.2原核基因表達調控的主要特點7.1.3弱化子對基因活性的影響7.1.4降解物對基因活性的影響7.1.5細菌的應急反應目前二十五頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點1、DiscoveryofOperon

1961年,F.Jacob&J.Monod提出,此后不斷完善。獲1965年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎1940年，Monod發(fā)現(xiàn)：細菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時，細菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉變期，細菌的生長會出現(xiàn)停頓。即產生細胞中存在兩種酶，即組成酶與誘導酶1947年，報告：“酶的適應現(xiàn)象及其在細胞分化中的意義”FrancisJacob

JacquesMonod

7.2乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)目前二十六頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點1951年，Monod與Jacob合作，發(fā)現(xiàn)兩對基因：Z基因：與合成β-半乳糖苷酶有關；I基因：決定細胞對誘導物的反應。Szilard：I基因決定阻遏物的合成，當阻遏物存在時，酶無法合成，只有有誘導物存在，才能去掉該阻遏物。

Jacob：結構基因旁有開關基因（操縱基因），阻遏物通過與開關基因的結合，控制結構基因的表達。目前二十七頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點操縱子是一種完整的具有特定功能的細菌基因表達和調節(jié)的單位，包括調節(jié)基因，操縱位點，結構基因，組成一個控制單元。結構基因：產生mRNA,合成蛋白質操縱位點operator：啟動子結合位點調節(jié)基因：產生調節(jié)蛋白（與操縱位點結合）→結構基因不轉錄誘導物存在時，可與阻遏蛋白結合→結構基因轉錄2、操縱子的定義目前二十八頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點7.2.1酶的誘導——lac體系受調控的證據目前二十九頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點細菌對乳糖的利用及其相關的酶:

乳糖(在通透酶作用下進入細菌）

β-半乳糖苷酶

別構乳糖

β-半乳糖苷酶

葡萄糖+半乳糖

β-半乳糖苷乙?；D移酶目前三十頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點1)lac操縱子的本底水平(basallevel)表達有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的：①誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結合，而轉運誘導物需要透過酶，后者的合成有需要誘導。②真正的誘導物是異構乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的預先存在。一些誘導物可以在透過酶不存在時進入細胞？一些透過酶可以在沒有誘導物的情況下合成？解釋：本底水平的組成型合成：非誘導狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成。目前三十一頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點分解底物的酶只有在底物存在時才出現(xiàn)！無乳糖時，幾個b-gal/cell

加入乳糖時，5000個

乳糖的誘導作用是由酶前體轉化而來，還是誘導新酶合成？培養(yǎng)基（35S-aa,無乳糖）→E.coli繁殖→培養(yǎng)基（無35S-aa,加入乳糖）→β-gal(無35S)目前三十二頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點大腸桿菌對乳糖的反應

培養(yǎng)基：甘油按照lac操縱子本底水平的表達，每個細胞內有幾個分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透過酶；培養(yǎng)基：加入乳糖少量乳糖透過酶進入細胞β-半乳糖苷酶異構乳糖誘導物誘導lacmRNA的生物合成大量乳糖進入細胞多數(shù)被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）異構乳糖目前三十三頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點乙酰基轉移酶半乳糖苷透性酶?-半乳糖苷酶操縱位點調節(jié)基因7.2.2lacOperon的模型及其影響因子目前三十四頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點Z編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y編碼β-半乳糖苷透過酶：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膜進入細胞內。A編碼β-半乳糖苷乙酰基轉移酶：乙酰輔酶A上的乙?；D到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。目前三十五頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏蛋白的調節(jié)阻遏基因1.乳糖操縱子調控模型目前三十六頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖別構乳糖β-半乳糖苷酶目前三十七頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點（1）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。2.乳糖操縱子調控機制阻遏物lacI基因產物及功能

lac操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的，每個細胞中有5-10個阻遏物分子。當I基因由弱啟動子突變成強啟動子，細胞內就不可能產生足夠的誘導物來克服阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導。目前三十八頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點RNA聚合酶結合部位阻遏物結合部位（2）操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結合位點。目前三十九頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點操縱位點的回文序列目前四十頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點（3）當阻遏物與操縱基因結合時，lacmRNA的轉錄起始受到抑制。

目前四十一頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點（4）誘導物通過與阻遏物結合，改變它的三維構象，使之不能與操縱基因結合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。當有誘導物存在時，操縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據，所以啟動子能夠順利起始mRNA的合成。目前四十二頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點阻遏蛋白單體的結構阻遏蛋白單體的三級結構目前四十三頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點目前四十四頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點乳糖（5）誘導物不是乳糖乳糖代謝生成lac誘導物Allolctose異構乳糖別構乳糖β-半乳糖苷酶目前四十五頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點IPTG，異丙基-β–D-硫代半乳糖苷TMG，巰甲基半乳糖苷ONPG,O-硝基半乳糖苷在研究誘導作用時，很少使用乳糖安慰誘導物(gratuitousinducer)：如果某種物質能夠促使細菌產生酶而本身又不被分解，這種物質被稱為安慰誘導物，如:目前四十六頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點目前四十七頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點α-complementation

lacZ△M15基因是缺失了編碼β-半乳糖苷酶中第11-41個氨基酸的lacZ基因，無酶學活性。對于只編碼N-端140個氨基酸的lacZ基因（稱為lacZ'），其產物也沒有酶學活性。但這兩個無酶學活性的產物混合在一起時，可恢復

β-半乳糖苷酶的活性，實現(xiàn)基因內互補。在lacZ'

編碼區(qū)上游插入一小段DNA片段（如51個堿基對的多克隆位點），不影響β-半乳糖苷酶的功能內互補。但是，若在該DNA小片段中再插入一個片段，將幾乎不可避免地導致產生無α-互補能力的β-半乳糖苷酶片段。利用這一互補性質，可用于篩選在載體上插入了外源片段的重組質粒。在相應的載體系統(tǒng)中，lacZ△M15放在F質粒上,隨宿主傳代；lacZ'放在載體上,作為篩選標記。XL1-Blue菌株基因型：endA1gyrA96(nalR)thi-1recA1relA1lacglnV44F‘[Tn10proAB+lacIqΔ(lacZ)M15]hsdR17(rK-mK+)目前四十八頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點+glucose-glucoseTime(hr)Unitsofb-galactosidase+lactoseGlucoseadded（6）葡萄糖對lac操縱子的影響

代謝物阻遏效應實驗，在Lac＋Glu培養(yǎng)基上

E.coli只利用G，只有G

耗盡時，才會利用lac葡萄糖抑制lacmRNA的轉錄：可阻止誘導物引起的阻遏物失活效應，僅去掉阻遏物并不能啟動lac基因表達,有其它因素參與分解代謝阻遏(cataboliterepression)目前四十九頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點只有當以乳糖為唯一碳源時，β-半乳糖苷酶的合成才增加。但是在以乳糖和葡萄糖為碳源時，如果加入cAMP，β-半乳糖苷酶的合成速率也會大大提高，可達到只用乳糖為碳源時的水平。這說明，cell內cAMP的濃度能影響到β-半乳糖苷酶的合成速率。葡萄糖對lac操縱子表達的抑制是間接的目前五十頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點ATP腺甘酸環(huán)化酶cAMP（環(huán)腺甘酸）

大腸桿菌中：無葡萄糖，cAMP濃度高；有葡萄糖，cAMP濃度低cAMP（環(huán)化腺苷一磷酸，cyclicAMP）1965年，B.Magasonik發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌中也含有cAMP，而且菌株內cAMP的含量常隨細胞的生理狀態(tài)發(fā)生變化，即當細胞處于碳源饑餓條件下，cAMP水平顯著提高，反之．在細胞生長的培養(yǎng)基中含有大量葡萄糖時，cAMP水平明顯降低；目前五十一頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點腺苷環(huán)化酶腺苷酸環(huán)化酶位于細胞膜上，其活性與葡萄糖運輸?shù)拿赣嘘P，因此cAMP調控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等其他糖類代謝有關的酶。目前五十二頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點目前五十三頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點

葡萄糖的降解是通過cAMP與CAP結合起作用。

CAP,cataboliteactivatorprotein，由crp編碼CRP,catabolitereceptorprotein代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺甘酸受體蛋白（CRP）CAP激活轉錄?（1）可能直接和RNAPol相互作用；

（2）作用于DNA，改變其結構，從而幫助RNAPol結合。目前五十四頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點CAP結合位點CAP為二聚體，45KD，被cAMP激活結合位點～22bpI-70~-50II-50~-40目前五十五頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點CAP的結合對DNA構型的影響DNA彎曲彎曲點位于CAP結合位點二重對稱的中心彎曲使CAP能與啟動子上的RNApol接觸目前五十六頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時促進轉錄有葡萄糖，cAMP濃度低時不促進轉錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調控目前五十七頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統(tǒng)不能發(fā)揮作用如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。cAMP—CAP復合物與啟動子區(qū)的結合是轉錄起始所必需的。協(xié)調調節(jié)葡萄糖對lac

操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。目前五十八頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點ZYAOPDNA

調控區(qū)CAP結合位點啟動序列操縱序列

結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：通透酶A：乙?；D移酶cAMP—CAP復合物目前五十九頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點ThelacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP目前六十頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點TheLacOperon:

WhenGlucoseAndLactoseArePresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great,Icantranscribe!Sometranscriptionoccurs,butataslowrateThislactosehasbentmeoutofshape目前六十一頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點ThelacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!目前六十二頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!目前六十三頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點SummaryoflacoperonregulationGlucosecAMPLactoseTranscriptionoflacmRNAHighLowPresentlowrateofexpressionHighLowAbsentessentiallynoneLowHighAbsentessentiallynoneLowHighPresenthighrateofexpression目前六十四頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點lacoperon的其它問題lacoperon的功能是在正負兩個調控體系的協(xié)調作用(coordinateregulation)下實現(xiàn)的。阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP不發(fā)揮作用；如沒有CAP加強轉錄，即使阻遏蛋白從P上解聚仍無轉錄活性CAP組成型合成，所以cAMP－CAP復合物取決于cAMP含量腺苷酸環(huán)化酶位于細胞膜上，其活性與葡萄糖運輸?shù)拿赣嘘P，因此cAMP－CAP調控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖類代謝有關的酶降解物敏感型操縱子：只要有葡萄糖存在，這些操縱子就不表達目前六十五頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點2.A基因及其生理功能編碼b-半乳糖苷乙酰基轉移酶，使半乳糖苷乙?；?。該酶不參與乳糖代謝！生理意義：在細胞中有許多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷類物質，其分解產物不能進一步代謝，積累，抑制細胞生長。半乳糖苷乙酰化后，即無毒.所以lacA雖不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物質的積累3.lac基因產物數(shù)量，1：0.5：0.2

不同酶的數(shù)量差異,是由于在翻譯水平上的調節(jié).方式有二：核糖體脫離；多順反子的差別性翻譯

內切酶作用:在lacmRNA分子內部，a基因比z基因更易受內切酶作用目前六十六頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點總結---乳糖操縱子的作用機制1、乳糖操縱子的組成：大腸桿菌乳糖操縱子含Z、Y、A三個結構基因，分別編碼半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰轉移酶，此外還有一個操縱序列O，一個啟動子P和一個調節(jié)基因I。2、阻遏蛋白的負性調節(jié)：沒有乳糖存在時，I基因編碼的阻遏蛋白結合于操縱序列O處，乳糖操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能合成分解乳糖的三種酶；有乳糖存在時，乳糖作為誘導物誘導阻遏蛋白變構，不能結合于操縱序列，乳糖操縱子被誘導開放合成分解乳糖的三種酶。所以，乳糖操縱子的這種調控機制為可誘導的負調控。目前六十七頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點3、CAP的正調節(jié)：在啟動子上游有CAP結合位點，當大腸桿菌從以葡萄糖為碳源的環(huán)境轉變?yōu)橐匀樘菫樘荚吹沫h(huán)境時，cAMP濃度升高，與CAP結合，使CAP發(fā)生變構，CAP結合于乳糖操縱子啟動序列附近的CAP結合位點，激活RNA聚合酶活性，促進結構基因轉錄，調節(jié)蛋白結合于操縱子后促進結構基因的轉錄，對乳糖操縱子實行正調控，加速合成分解乳糖的三種酶。4、協(xié)調調節(jié)：乳糖操縱子中的I基因編碼的阻遏蛋白的負調控與CAP的正調控兩種機制，互相協(xié)調、互相制約?？偨Y---乳糖操縱子的作用機制目前六十八頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點7.4其他操縱子

GalactoseOperon

ArabinoseOperon目前六十九頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點半乳糖操縱子大腸桿菌半乳糖操縱子(galactoseoperon)包括3個結構基因：

異構酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉移酶(galactosetransferase,galT)半乳糖激酶(galactosekinase,galk)。

目前七十頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點MapoftheE.coligaloperonandnucleotidesequenceoftheregulatoryregion3個酶的作用：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，而galR產物對galO的作用與lacI-lacO的作用相同。目前七十一頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點gal操縱子的特點：①它有兩個啟動子，其mRNA可從兩個不同的起始點開始轉錄；②它有兩個O區(qū)，一個在P區(qū)上游-67--53，另一個在結構基因galE內部。CAP,cataboliteactivatorprotein，由crp編碼CRP,catabolitereceptorprotein代謝物激活蛋白（CAP）/環(huán)腺甘酸受體蛋白（CRP）目前七十二頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點因為半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人們猜想葡萄糖存在時半乳糖操縱子不被誘導，但實際上有葡萄糖存在時，gal操縱子仍可被誘導?，F(xiàn)已分離到一些突變株，其中一類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（gal結構基因高效表達）；而另一類突變株中gal基因的表達完全依賴于葡萄糖，培養(yǎng)基中如無葡萄糖存在，這些細菌的gal基因不表達，不合成半乳糖代謝酶類。目前七十三頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點分析gal操縱子P-O區(qū)的DNA序列發(fā)現(xiàn)，該操縱子確實存在兩個相距僅5bp的啟動子，可以分別起始mRNA的合成。每個啟動子擁有各自的RNA聚合酶結合位點S1和S2。從S1起始的轉錄只有在培養(yǎng)基中無葡萄糖時，才能順利進行，RNA聚合酶與S1的結合需要半乳糖、CAP和較高濃度的cAMP。從S2起始的轉錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由這個啟動子起始的轉錄。當有cAMP-CAP時，轉錄從S1開始，當無cAMP-CAP時，轉錄從S2開始。1.cAMP-CRP對gal啟動子的作用目前七十四頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點為什么gal操縱子需要兩個轉錄起始位點？半乳糖不僅可以作為唯一碳源供細胞生長，而且與之相關的物質--尿苷二磷酸半乳糖（UDP-gal）是大腸桿菌細胞壁合成的前體。在沒有外源半乳糖的情況下，UDP-gal是通過半乳糖差向異構酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，該酶是galE基因的產物。異構酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，目前七十五頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點生長過程中的所有時間里細胞必須能夠合成差向異構酶。現(xiàn)在設想只有S1一個啟動子，那么由于這個啟動子的活性依賴于cAMP-CRP，當培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時就有能合成異構酶。假如唯一的啟動子是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狀態(tài)，這無疑是一種浪費。無論從必要性或經濟性考慮，都需要一個不依賴于cAMP-CAP的啟動子（S1）對高水平合成進行調節(jié)。目前七十六頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點

在E.coli中阿拉伯糖的降解需要3個基因：araB、araA和araD，形成一個基因簇，簡寫為araBAD

分別編碼阿拉伯糖代謝需要的三種酶：核酮糖激酶（ribulosekinase），阿拉伯糖異構酶（arabinoseisomerase）核酮糖-5-磷酸差向異構酶(ribulose-5-phosphateeimerase)7.4.2阿拉伯糖操縱子目前七十七頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點araBAD和araC基因的轉錄是以相反的方向進行的。在標準的遺傳學圖譜上，araBAD基因簇從啟動子PBAD開始向右進行轉錄，而araC基因則是從Pc向左轉錄。復合啟動子區(qū)主要有：1、PBAD區(qū)：AraBAD啟動子區(qū)2、araC位點：C蛋白·阿拉伯糖復合物與操縱子結合區(qū)3、-280區(qū)：是C蛋白與操縱子結合區(qū)目前七十八頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點結構:具有正負調節(jié)功能的操縱子與araB、araA和araD這3結構基因相鄰的是一個復合啟動子區(qū)和一個調節(jié)基因C，由調節(jié)基因C合成的AraC蛋白是一個自我調節(jié)蛋白(autoregulatedprotein)，它既是ara操縱子的正調節(jié)蛋白，又是ara操縱子的負調節(jié)蛋白。目前七十九頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點1.阿拉伯糖操縱子的調節(jié)機制目前八十頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點目前八十一頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點ara操縱子的調控有三個特點：第一，araC表達受到AraC的自動調控。第二，AraC既可充當阻遏物，也可作為激活劑。第三，AraC與CAP結合可充分誘導ara操縱子。

目前八十二頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點

AraC蛋白作為PBAD活性正、負調節(jié)因子的雙重功能是通過該蛋白的兩種異構體來實現(xiàn)的。Pr是起阻遏作用的形式，而Pi是起誘導作用的形式，它通過與PBAD啟動子結合進行調節(jié)。在沒有阿拉伯糖時，Pr形式占優(yōu)勢；一旦有阿拉伯糖存在，它就能夠與AraC蛋白結合，使平衡趨向于Pi形式。這樣，阿拉伯糖的誘導作用就可以解釋為阿拉伯糖與Pr的結合，使Pr離開它的結合位點，然后，產生大量的Pi，并與啟動子結合。目前八十三頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點

因為培養(yǎng)基中含有葡萄糖，所以cAMP-CAP沒有與操縱區(qū)位點相結合，AraC蛋白處于Pr形式并與A位點結合，RNA聚合酶很少再與Pc結合，araC基因雖然仍有轉錄，但受到抑制，只有少量AraC蛋白形成，整個系統(tǒng)幾乎處于靜止狀態(tài)。沒有葡萄糖，也沒有阿拉伯糖，因為沒有誘導物，盡管有cAMP-CAP與操縱區(qū)位點相結合，AraC蛋白仍以Pr形式為主，無法與操縱區(qū)B位點相結合，無araBADmRNA轉錄。無葡萄糖，有阿拉伯糖時，大量araC基因產物以Pi形式存在，并分別與操縱區(qū)B、A位點相結合，在cAMP-CAP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表達，操縱子充分激活。目前八十四頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點araC的表達受到自身產物AraC的自動調控。當沒有阿拉伯糖時，AraC起著一個轉錄阻遏物的作用。細胞中AraC蛋白質穩(wěn)態(tài)水平的測量表明，阻遏araC轉錄大約需要40個AraC。因此當AraC蛋白水平低時(就是說在細胞剛分裂之后)，araC將表達直至存在足夠的AraC去阻遏它的轉錄。

2.阿拉伯糖操縱子的自主調節(jié)目前八十五頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點阿拉伯糖的作用象AraC的一個調控器，可將AraC由一個阻遏物轉換為一個激活劑。阿拉伯糖與AraC結合似乎改變了AraC同源二聚體化特性和促進了AraC-CAP復合物的形成。在這樣的條件下，AraC－阿拉伯糖的作用象是一個轉錄激活劑，這正是CAP-cAMP誘導araB，araA，araD轉錄所需要的。目前八十六頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點當由于araBAD編碼的蛋白質的代謝使得阿拉伯糖水平下降時，AraC又轉換成一個阻遏物，同時araBAD轉錄減少，此時盡管CAP-cAMP復合物仍然存在于細胞中。有趣的是，當葡萄糖和阿拉伯糖都很豐富時，ara操縱子被阻遏，這個結果表明araBAD誘導與AraC-阿拉伯糖和CAP-cAMP復合物都有關。目前八十七頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點目前八十八頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點7.3trpoperon與負調控阻遏系統(tǒng)目前八十九頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點

lac,

gal和ara操縱子是編碼分解代謝途徑酶系的操縱子，負責碳源（例如乳糖和阿拉伯糖等）的分解利用，這些操縱子的表達受相應碳源的誘導。在細菌中還有負責一些物質合成代謝的操縱子，例如色氨酸操縱子（tryptophanoperon,trpoperon）就是負責色氨酸合成的操縱子。目前九十頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點Trpoperon生物細胞中的氨基酸合成，也受操縱子的調節(jié)。細胞需要某種氨基酸時，其基因即表達，不需要時基因關閉，達到經濟的原則。目前九十一頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點

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的調控。色氨酸的合成主要分5步完成，有7個基因參與整個合成過程。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移酶，trpF編碼異構酶，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。一、色氨酸操縱子的結構目前九十二頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點催化分枝酸轉變?yōu)樯彼岬拿敢?、色氨酸操縱子的結構特點:(1)trpR和trpABCDE不連鎖；

(2)操縱基因在啟動子內

(3)有衰減子(attenuator)/弱化子

(4)啟動子和結構基因不直接相連，二者被前導序列(Leader)所隔開目前九十三頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點trpoperon的阻遏系統(tǒng)TrpR四聚體目前九十四頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點阻遏蛋白＋trp

→有活性的阻遏物SNE299＋trpO→不轉錄目前九十五頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點2阻遏蛋白的結合位點trpO-21~+1，反向重復序列trpP-40~+18活性阻遏物與trpO的結合與RNApol與啟動子的結合發(fā)生競爭目前九十六頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點3阻遏系統(tǒng)主管轉錄是否啟動，低濃度Trp時，mRNA起始合成

粗調開關目前九十七頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點3阻遏系統(tǒng)在trpmRNA5‘端trpE基因的起始密碼前有一個長162bp的mRNA片段，如果其中123～150位堿基序列缺失，trp基因表達可提高6-10倍，而且無論是在阻遏細胞內還是在永久性突變的細胞內都一樣。當mRNA合成起始以后，除非培養(yǎng)基中完全沒有色氨酸，轉錄總是在這個區(qū)域終止，產生一個僅有140個核苷酸的RNA分子，終止trp基因轉錄。162bp的片段----前導區(qū)123～150區(qū)序列----弱化子終止的轉錄的調節(jié)區(qū)域稱為弱化子(衰減子)目前九十八頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點1）弱化子：

DNA中可導致轉錄過早終止的一段核甘酸序列（123-150區(qū)）。123~150目前九十九頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點實驗表明弱化作用需要負載tRNATrp參與，意味著前導序列的某些部分被翻譯了。分析前導序列發(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，應該產生一個含有14個氨基酸的多肽。這個假設的多肽（實際未觀察到）稱為前導肽。目前一百頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點前導序列具有一個非常有意義的特點，在其第10和第11位上有相鄰的兩個色氨酸密碼子。組氨酸操縱子中，也具有弱化子，也具有一個類似的能編碼前導肽的堿基序列，此序列中含有7個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構，其前導序列中也有7個苯丙氨酸密碼子。這些密碼子參與了trp及其他操縱子的轉錄弱化機制。目前一百零一頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點目前一百零二頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點

POE4321LDNARNAATGTGA2trpcodons1432mRNA前導區(qū)的序列分析

trp前導區(qū)的堿基序列已經全部測定，引人注目的是其中4個分別以1、2、3和4表示的片段能以兩種不同的方式進行堿基配對，有時以1-2和3-4配對，有時只以2-3方式互補配對。RNaseT1降解實驗（此酶不能水解配對的RNA）表明，純化的trp前導序列中確有1-2和3-4的配對方式，由此定位的3-4配對區(qū)正好位于終止密碼子的識別區(qū)，當這個區(qū)域發(fā)生破壞自我配對的堿基突變時有利于轉錄的繼續(xù)進行。目前一百零三頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點UUUU……UUUU……調節(jié)區(qū)結構基因trpROP前導序列弱化子區(qū)域UUUU……前導mRNA1234弱化子結構第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結構能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子UUUU……目前一百零四頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點Terminator

研究引起終止的mRNA堿基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNA通過自我配對可以形成莖-環(huán)結構，有典型的終止子特點。目前一百零五頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點UUUU……34UUUU3’34核糖體前導肽前導mRNA1.當色氨酸濃度高時轉錄衰減機制125’trp密碼子弱化子結構就是終止子可使轉錄前導DNAUUUU3’RNA聚合酶終止目前一百零六頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點UUUU……342423UUUU……核糖體前導肽前導mRNA15’trp密碼子

結構基因前導DNARNA聚合酶2.當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關結構基因被轉錄序列3、4不能形成弱化子結構目前一百零七頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點弱化子對轉錄調控的關鍵空間結構，10thand11thcodonsencodethetrpresidues(rareAA)時間，核糖體停頓在2個Trp密碼子上時，產生延宕(delay

)，此時4區(qū)未轉錄出來Theleaderpeptideistodeterminertrpavailabilityandtoregulatetranscriptiontermination14–amino-acid(encodedby27-68oftheleaderRNAsummary目前一百零八頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點trpOperon:阻遏作用與弱化作用的協(xié)調trp操縱子具有雙重調節(jié)體系細菌通過弱化作用彌補阻遏作用的不足，因為阻遏作用只能使轉錄不起始，對于已經起始的轉錄，只能通過弱化作用使之中途停下來。阻遏作用的信號是細胞內色氨酸的多少；弱化作用的信號則是細胞內載有色氨酸的tRNA的多少。它通過前導肽的翻譯來控制轉錄的進行，在細菌細胞內這兩種作用相輔相成，體現(xiàn)著生物體內周密的調控作用。目前一百零九頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點Negative—repressibleoperon可以被最終合成產物所阻遏RPOleadingseq.EDCBAtrp+為什么需要阻遏體系？當大量Trp存在時，阻遏系統(tǒng)起作用。阻遏物與之結合，阻止先導mRNA合成。

經濟目前一百一十頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點僅有少量trp時，RNApol啟動RPOleadingseq.EDCBA少量trp+不足以結合

O

位點，弱化子不起作用為什么需要弱化系統(tǒng)？當Trp濃度低時，阻遏物從有活性變?yōu)闊o活性，以保持培養(yǎng)基中適當?shù)腡rp水平。目前一百一十一頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點細菌演化出弱化系統(tǒng)的生物學意義

通過tRNA荷載與否進行調控，更為靈敏氨基酸的主要用途是合成蛋白質，因而tRNA荷載為標準進行調控更為恰當兩個調控系統(tǒng)，避免浪費提高效率阻遏系統(tǒng)高水平trp時，不轉錄低水平trp時，轉錄至滿足生長需求

弱化系統(tǒng)細調原核生物細致的精細調控機制增強原核生物對環(huán)境的適應性目前一百一十二頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點在負轉錄調控系統(tǒng)中，調節(jié)基因的產物是阻遏蛋白（repressor），起著阻止結構基因轉錄的作用。根據其作用特征又可分為負控誘導和負控阻遏：在負控誘導系統(tǒng)中，阻遏蛋白與誘導物結合時，結構基因轉錄；在負控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白輔阻遏物結合時，結構基因不轉錄。原核基因調控機制的類型總結目前一百一十三頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點負控誘導在負控誘導系統(tǒng)中，阻遏蛋白與誘導物結合時，結構基因轉錄。目前一百一十四頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點負控阻遏在負控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與輔阻遏物結合時，結構基因不轉錄。目前一百一十五頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點在正轉錄調控系統(tǒng)中，調節(jié)基因的產物是激活蛋白（activator）。根據激活蛋白的作用性質分為正控誘導和正控阻遏：在正控誘導系統(tǒng)中，誘導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，輔阻遏物的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。目前一百一十六頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點正控誘導在正控誘導系統(tǒng)中，效應物分子(誘導物)的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)；目前一百一十七頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點正控阻遏在正控阻遏系統(tǒng)中，輔阻遏物的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。目前一百一十八頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點未發(fā)現(xiàn)目前一百一十九頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點7.4.3阻遏蛋白LexA的降解與細胞中的SOS應答AnoverviewoftheSOSresponseinE.coli.目前一百二十頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點7.4.3阻遏蛋白LexA的降解與細胞中的SOS應答AnoverviewoftheSOSresponseinE.coli.目前一百二十一頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點7.4.4二組分調控系統(tǒng)和信號轉導

7.4.5受多啟動子調控的操縱子

目前一百二十二頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點操縱子的融合與基因工程POZYA結構基因缺失lacoperon結構基因I目前一百二十三頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點IPTG，異丙基-β–D-硫代半乳糖苷TMG，巰甲基半乳糖苷ONPG,O-硝基半乳糖苷在研究誘導作用時，很少使用乳糖安慰誘導物(gratuitousinducer)：如果某種物質能夠促使細菌產生酶而本身又不被分解，這種物質被稱為安慰誘導物，如:目前一百二十四頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點目前一百二十五頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點10.11重疊基因的調控作用重疊基因最早在大腸桿菌噬菌體ΦX174中發(fā)現(xiàn)，用不同的閱讀方式得到不同的蛋白質，絲狀RNA噬菌體、線粒體DNA和細菌染色體上都有重疊基因存在。目前一百二十六頁\總數(shù)一百四十一頁\編于十八點TrpB–谷氨酸-異亮氨酸-終止

GAA--AUC--UGA

--UGG--AA

AUG--GAA

甲硫氨酸–谷氨酸–trpAtrpE—蘇氨酸—苯丙氨酸—終止

ACU--UUC--UGA--UGG--CUAUG

AUG–GCU

甲硫氨酸--丙氨酸