第六章 原核生物表達(dá)調(diào)控

第六章

基因的表達(dá)與調(diào)控（上）---

原核基因的表達(dá)調(diào)控模式RegulationofGeneExpression6.1基因表達(dá)調(diào)控的現(xiàn)象和概念

一、基因表達(dá)調(diào)控是生命的必需

基因表達(dá)(geneexpression)細(xì)胞在生命過程中，把蘊(yùn)藏在DNA中的遺傳信息經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯，轉(zhuǎn)變成為具有功能的蛋白質(zhì)分子的過程。典型的基因表達(dá)是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程。圍繞基因表達(dá)過程中發(fā)生的各種各樣的調(diào)節(jié)方式都通稱為基因表達(dá)調(diào)控（generegulation或gene

control）。基因表達(dá)調(diào)控是生物體內(nèi)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制機(jī)制，使細(xì)胞中基因表達(dá)的過程在時間、空間上處于有序狀態(tài)，并對環(huán)境條件的變化做出適當(dāng)反應(yīng)的復(fù)雜過程?；虮磉_(dá)調(diào)控是生物體內(nèi)細(xì)胞分化、形態(tài)發(fā)生和個體發(fā)育的分子基礎(chǔ)。要了解動、植物生長發(fā)育的規(guī)律、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和生物學(xué)功能，就必須弄清楚基因表達(dá)調(diào)控的時間和空間的概念。基因表達(dá)調(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的中心課題。DNA復(fù)制RNA轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)翻譯基因表達(dá)機(jī)體如何控制遺傳信息的傳遞過程、有何規(guī)律?；虮磉_(dá)調(diào)控二、基因表達(dá)的時間性和空間性調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)基因何時表達(dá)何處表達(dá)基因組(genome)是指生物有機(jī)體的單倍體細(xì)胞中的所有DNA，包括核中的染色體DNA和線粒體、葉綠體等亞細(xì)胞器中的DNA。但生物基因組的遺傳信息并不是同時全部都表達(dá)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(dá)，有的就暫時不表達(dá)。（一）時間特異性在生物體不同的階段，根據(jù)功能的需要，相應(yīng)基因嚴(yán)格按一定的時間順序開啟或關(guān)。AB細(xì)胞分化發(fā)育的不同時期，基因表達(dá)的情況是不相同的，這就是基因表達(dá)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(dá)，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(xì)胞中某些基因關(guān)閉(turnoff)、某些基因轉(zhuǎn)向開放(turnon)，例如：與開花有關(guān)的基因只有在開花前才表達(dá)，而在植物營養(yǎng)體生長時全部被關(guān)閉；胚胎發(fā)育不同階段、不同部位的細(xì)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(dá)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。（二）空間特異性生物體中，各種基因在不同的組織、器官中表達(dá)的差異性。

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

例如肝細(xì)胞中涉及編碼鳥氨酸循環(huán)酶類的基因表達(dá)水平高于其它組織細(xì)胞，合成的某些酶(如精氨酸酶)為肝臟所特有；胰島β細(xì)胞合成胰島素；甲狀腺濾泡旁細(xì)胞(C細(xì)胞)專一分泌降血鈣素等。從上所述，不難看出：生物的基因表達(dá)不是雜亂無章的，而是受著嚴(yán)密、精確調(diào)控的，盡管我們現(xiàn)在對調(diào)控機(jī)理的奧妙所知還不多，但已經(jīng)可以認(rèn)識到，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(dá)調(diào)控也是生命本質(zhì)所在。

生物體內(nèi)的基因調(diào)控各不相同，基因表達(dá)隨環(huán)境變化的情況，可以大致把基因表達(dá)分成兩類：①組成性表達(dá)(constitutiveexpression)指合成速率不受環(huán)境變化而變動的一類基因表達(dá)。某些基因表達(dá)產(chǎn)物是細(xì)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)，如：DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代謝過程中十分必需的酶或蛋白質(zhì)。其數(shù)量不受外界環(huán)境影響。組成性基因表達(dá)也不是一成不變的，其表達(dá)強(qiáng)弱也是受一定機(jī)制調(diào)控的。三、基因表達(dá)的方式組成性表達(dá)管家基因

無時間和空間特異性，幾乎在生命的全過程和生物體的所有細(xì)胞中持續(xù)表達(dá)。②適應(yīng)性表達(dá)(adaptiveexpression)指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動的一類基因表達(dá)。應(yīng)環(huán)境條件變化基因表達(dá)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(dá)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)。

表達(dá)升高的為誘導(dǎo)，表達(dá)降低的為阻遏。環(huán)境信號表達(dá)增強(qiáng)誘導(dǎo)表達(dá)減弱阻遏四、基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義（一）適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（二）維持個體發(fā)育與分化外環(huán)境不斷變化機(jī)體相應(yīng)的適應(yīng)性反應(yīng)生物體適應(yīng)變化著的環(huán)境、維持正常生長生長發(fā)育的不同階段、不同組織器官蛋白質(zhì)種類和含量不同。改變基因表達(dá)的情況以適應(yīng)環(huán)境，在原核生物、單細(xì)胞生物中尤其顯得突出和重要，因?yàn)榧?xì)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(xì)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(xì)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(dá)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(dá)調(diào)控是生物適應(yīng)環(huán)境生存的必需。幾個基本概念1、順式作用元件和反式作用因子：基因活性的調(diào)控主要通過反式作用因子（通常是蛋白質(zhì)）與順式作用元件（通常在DNA上）相互作用而實(shí)現(xiàn)。

順式作用元件是指對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，其活性只影響與其自身同處在一個DNA分子上的基因；同時，這種DNA序列通常不編碼蛋白質(zhì)，多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中，如啟動子和終止子，都是典型的順式作用元件。

反式作用因子是能調(diào)節(jié)與它們接觸的基因的表達(dá)的各種擴(kuò)散分子（通常是蛋白質(zhì)），如RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄因子。2、結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因:

結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)是編碼蛋白質(zhì)或RNA的基因。細(xì)菌的結(jié)構(gòu)基因一般成簇排列，多個結(jié)構(gòu)基因受單一啟動子共同控制，使整套基因或都表達(dá)或都不表達(dá)。調(diào)節(jié)基因(regulatorgene)是編碼合成那些參與其他基因表達(dá)調(diào)控的RNA或蛋白質(zhì)的特異DNA序列。

調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物質(zhì)通過與DNA上的特定位點(diǎn)結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄是調(diào)控的關(guān)鍵。比如：它能使結(jié)構(gòu)基因在需要某種酶時就合成某種酶,不需要時,則停止合成，它對不同染色體上的結(jié)構(gòu)基因有調(diào)節(jié)作用。調(diào)節(jié)物與DNA特定位點(diǎn)的相互作用能以正調(diào)控的方式（啟動或增強(qiáng)基因表達(dá)活性）調(diào)節(jié)靶基因，也能以負(fù)調(diào)控的方式（關(guān)閉或降低基因表達(dá)活性）調(diào)節(jié)靶基因。DNA位點(diǎn)通常位于受調(diào)節(jié)基因的上游，但也有例外.3、操縱基因和阻遏蛋白

操縱基因(operator)是操縱子中的控制基因，在操縱子上一般與啟動子相鄰，通常處于開放狀態(tài)，使RNA聚合酶能夠通過并作用于啟動子啟動轉(zhuǎn)錄。但當(dāng)它與調(diào)節(jié)基因所編碼的阻遏蛋白結(jié)合時，就從開放狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，使轉(zhuǎn)錄過程不能發(fā)生。

阻遏蛋白(aporepressor)是負(fù)調(diào)控系統(tǒng)中由調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白，它本身或與輔阻遏物(corepressor)一起結(jié)合于操縱基因，阻遏操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白可被誘導(dǎo)物變構(gòu)失活，從而導(dǎo)致不可阻遏或去阻遏。4、組成蛋白和調(diào)節(jié)蛋白細(xì)胞內(nèi)有許多種蛋白質(zhì)的數(shù)量幾乎不受外界環(huán)境的影響，這些蛋白質(zhì)稱為組成蛋白或持家蛋白。

調(diào)節(jié)蛋白是一類特殊蛋白，它們可以控制和影響一種或多種基因的表達(dá)。有兩種類型的調(diào)節(jié)蛋白，即正調(diào)節(jié)蛋白和負(fù)調(diào)節(jié)蛋白，前者是激活蛋白，而后者屬于阻遏蛋白。

調(diào)節(jié)本身也可有被調(diào)控，最典型的就是被一些小分子所調(diào)控，面這些小分子的產(chǎn)生是周圍環(huán)境所致。

5、操縱子(operon)：是原核生物在分子水平上基因表達(dá)調(diào)控的單位，由調(diào)節(jié)基因、啟動子、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因等序列組成。

例如：在細(xì)菌基因組中，同一個代謝途徑的酶的基因一般成簇排列。把功能密切相關(guān)的一組蛋白質(zhì)編碼的結(jié)構(gòu)基因區(qū)域加上其調(diào)控區(qū)域組成的控制單元就叫操縱子。

6、小分子效應(yīng)物的作用

原核生物的操縱子通過調(diào)節(jié)蛋白與小分子物質(zhì)相互作用達(dá)到誘導(dǎo)狀態(tài)或阻遏狀態(tài)。某些特定的物質(zhì)能與調(diào)控蛋白結(jié)合，使調(diào)控蛋白的空間構(gòu)像發(fā)生變化，從而改變其對基因轉(zhuǎn)錄的影響，這些特定物質(zhì)可稱為效應(yīng)物（effector）。細(xì)菌細(xì)胞有兩種類型的效應(yīng)物。

(1)誘導(dǎo)物:能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子；有些阻遏蛋白在自然狀態(tài)下結(jié)合在操縱基因上，當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時，誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合，促使后者空間構(gòu)象變化，使阻遏蛋白與操縱基因親和力下降而解離下來，RNA聚合酶能夠進(jìn)入啟動子區(qū)域，開啟了結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。

由誘導(dǎo)物存在而使基因表達(dá)開放的調(diào)節(jié)又稱為可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)。如大腸桿菌的乳糖操縱子中的乳糖。

(2)輔阻遏物:能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子。有些阻遏蛋白本身不具有結(jié)合操縱基因的活性，當(dāng)細(xì)胞中有輔阻遏物存在時，它可以結(jié)合到阻遏蛋白分子上，提高阻遏蛋白與操縱基因的親和性。

由輔阻遏物參與引起的調(diào)節(jié)又稱為可阻遏的調(diào)節(jié)。如大腸桿菌的色氨酸操縱子中，色氨酸與阻遏蛋白結(jié)合，使后者表現(xiàn)出結(jié)合操縱基因的活性，阻止了RNA聚合酶與啟動子結(jié)合的結(jié)合，使操縱子關(guān)閉。原核生物和真核生物轉(zhuǎn)錄的差異

原核生物真核生物1、一種RNA聚合酶1、多種RNA聚合酶2、不同啟動子間有相當(dāng)大的同源性2、各種不同啟動子間的差異較大3、聚合酶直接同啟動子結(jié)合3、聚合酶通過同轉(zhuǎn)錄因子的相互作用促進(jìn)結(jié)合4、轉(zhuǎn)錄的終止由在幾個Us前形成莖環(huán)4、轉(zhuǎn)錄的終止機(jī)制了解不清楚5、啟動子通常位于基因的上游5、聚合酶Ⅲ的啟動子位于被轉(zhuǎn)錄的序列之中6、轉(zhuǎn)錄單位常常含有多個基因6、轉(zhuǎn)錄單位只含一個基因原核與真核生物RNA翻譯的異同

原核生物真核生物

轉(zhuǎn)錄和翻譯在同一地點(diǎn)翻譯在細(xì)胞質(zhì)，轉(zhuǎn)錄在細(xì)胞核核糖體整體70S80S亞基30S和50S40S和60SmRNA無5′帽子，無poly（A）尾有5′帽子和poly（A）尾多順反子單順反子起始密碼AUG，GUGAUG起始tRNA載體甲酰甲硫氨酸甲硫氨酸起始位點(diǎn)SD序列相關(guān)序列起始因子三個IF約有10個eIF延伸因子EF-Ts/Tu/GEF-1/2釋放因子三個RF一個eRF基因表達(dá)調(diào)控的多層次性，主要表現(xiàn)在：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(dá)調(diào)控總論

基因調(diào)控的指揮系統(tǒng)也是多樣的，不同的生物使用不同的信號來指揮基因調(diào)控。原核生物中，營養(yǎng)狀況（nutritionalstatus）和環(huán)境因素（environmentalfactor）對基因表達(dá)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(dá)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(dá)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。轉(zhuǎn)錄因子（transcriptionfactors）

轉(zhuǎn)錄因子是轉(zhuǎn)錄起始過程中RNA聚合酶所需的輔助因子。真核生物基因在無轉(zhuǎn)錄因子時處于不表達(dá)狀態(tài)，RNA聚合酶自身無法啟動基因轉(zhuǎn)錄，只有當(dāng)轉(zhuǎn)錄因子(蛋白質(zhì))結(jié)合在其識別的DNA序列上后，基因才開始表達(dá)。

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(dá)到控制基因轉(zhuǎn)錄的目的。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(xì)胞的生理狀態(tài)和不同啟動子之間的DNA序列差別。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(jī)制的不同可分為：負(fù)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(jī)制的類型與特點(diǎn)

在負(fù)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(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏二大類。在負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄；在負(fù)控阻遏系統(tǒng)中，阻遏蛋白與效應(yīng)物(輔阻遏物)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)。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(輔阻遏物)的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。Controlcircuitsareversatile.

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。概念：弱化子是指當(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。弱化子對基因活性的影響是通過影響前導(dǎo)序列mRNA的結(jié)構(gòu)而起作用的。起調(diào)節(jié)作用的是某種氨基酰-tRNA的濃度。具體在Trp操縱子中講。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(dá)抑制狀態(tài)中解脫出來進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，是從負(fù)調(diào)節(jié)的角度來考慮基因表達(dá)調(diào)控的。那么，有沒有從相反的角度進(jìn)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(xì)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?yàn)樘砑悠咸烟呛?，?xì)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(xì)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(xì)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.復(fù)合物是啟動基因轉(zhuǎn)錄的正調(diào)節(jié)物質(zhì)（CRP與啟動子結(jié)合是激活轉(zhuǎn)錄的必要條件，而cAMP與CRP的結(jié)合能增強(qiáng)CRP對DNA雙鏈的親和力），從而抑制糖類代謝操縱子的表達(dá)。。

降解物抑制作用是通過提高轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度來調(diào)節(jié)基因表達(dá)的，是一種積極的調(diào)節(jié)方式。6.2.4

細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)

細(xì)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(xì)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(shí)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(xì)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)控因子或稱為魔斑。

6.3操縱子學(xué)說(theoryofoperon)

操縱子學(xué)說是關(guān)于原核生物基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控的經(jīng)典學(xué)說，由法國巴斯德研究所的FrancoisJacob與JacquesMonod于1961年首先提出的。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(rèn)識基因表達(dá)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。大腸桿菌能以乳糖（Lactose）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(promoter)區(qū)是轉(zhuǎn)錄起始時RNA聚合酶的結(jié)合部位。O(operator)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(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生有活性的阻遏蛋白。

(弱啟動子控制的永久性表達(dá))lacI基因編碼的阻抑物(repressor)Z編碼β-半乳糖苷酶；Y編碼β-半乳糖苷透過酶；A編碼β-半乳糖苷乙酰基轉(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外，還能水解其他β-半乳糖苷。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(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。β-半乳糖苷乙?；D(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。（注:該酶不參與乳糖代謝！在細(xì)胞中有許多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷類物質(zhì)，其分解產(chǎn)物不能進(jìn)一步代謝，積累，抑制細(xì)胞生長。半乳糖苷乙?；?，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(zhì)的積累）

乙?；D(zhuǎn)移酶半乳糖苷透性酶?-半乳糖苷酶操縱基因乳糖操縱元結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)基因RepressorandRNApolymerasebindatsitesthatoverlaparoundthetranscriptionstartpointofthelacoperon.-5~+21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(dú)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(diǎn)。

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。6.3.1乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控（negativetranscriptionregulation）阻遏狀態(tài)mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因誘導(dǎo)狀態(tài)mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖別乳糖β-半乳糖苷酶A：兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的：1、誘導(dǎo)物需要穿過細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而移動誘導(dǎo)物需要透過酶，后者的合成又需要誘導(dǎo)。第一個誘導(dǎo)物是如何到達(dá)細(xì)胞內(nèi)的？2、研究發(fā)現(xiàn)乳糖(葡萄糖-1,4-半乳糖)并不與阻遏物相結(jié)合，真正的誘導(dǎo)物是乳糖的異構(gòu)體—異構(gòu)乳糖(葡萄糖-1,6-半乳糖，allolactose)，乳糖進(jìn)入細(xì)胞后由β-半乳糖苷酶催化形成異構(gòu)乳糖(別乳糖)。因此，乳糖誘導(dǎo)β-半乳糖苷酶的合成需要有β-半乳糖苷酶的預(yù)先存在。細(xì)胞內(nèi)β-半乳糖苷酶來源?

本底水平表達(dá)(backgroundlevelconstitutivesyntyesis)：指在非誘導(dǎo)狀態(tài)下有少量的lacmRNA合成(大約每個世代每個細(xì)胞只合成1-5個mRNA分子)。

B：

誘導(dǎo)物

不是乳糖!生成lac誘導(dǎo)物乳糖代謝Allolactose異構(gòu)乳糖別乳糖C：安慰誘導(dǎo)物

（義務(wù)誘導(dǎo)物）gratuitousinducer

可誘導(dǎo)半乳糖苷酶產(chǎn)生，但不是其底物(結(jié)構(gòu)上類似、不能被水解)IPTG，異丙基巰基半乳糖苷TMG，巰甲基半乳糖苷ONPG,O-硝基半乳糖苷在研究誘導(dǎo)作用時，很少使用乳糖(被降解，濃度不斷變化)

ZYX

I

POCAP阻遏蛋白的負(fù)調(diào)節(jié)誘導(dǎo)物

ZYX

I

POCAP

ZYX

I

POCAP6.3.2乳糖操縱子正性調(diào)節(jié)(CAP的正調(diào)控)細(xì)菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖分解產(chǎn)生能量時，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，當(dāng)環(huán)境中無葡萄糖可供利用時，cAMP含量就升高。細(xì)菌中有一種能與cAMP特異結(jié)合的cAMP受體蛋白CRP(cAMPreceptorprotein)，當(dāng)CRP未與cAMP結(jié)合時它是沒有活性的，當(dāng)cAMP濃度升高時，CRP與cAMP結(jié)合并發(fā)生空間構(gòu)象的變化而活化，稱為CAP(CRP-cAMPactivatedprotein)，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合。

在lac操縱子的啟動子Plac上游端有一段序列與Plac部分重疊的序列，能與CAP特異結(jié)合，稱為CAP結(jié)合位點(diǎn)（CAPbindingsite）。CAP與這段序列結(jié)合時，可增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，使轉(zhuǎn)錄提高50倍。相反，當(dāng)有葡萄糖可供分解利用時，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，lac操縱子的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)下降。

由于Plac是弱啟動子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱子轉(zhuǎn)錄開放，還不能使細(xì)菌很好利用乳糖，必需同時有CAP來加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，細(xì)菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。

lac操縱子的強(qiáng)誘導(dǎo)既需要有乳糖的存在又需要沒有葡萄糖可供利用。通過這機(jī)制，細(xì)菌是優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無葡萄糖而又有乳糖時，細(xì)菌才去充分利用乳糖。

細(xì)菌對葡萄糖以外的其他糖（如阿拉伯糖、半乳糖、麥芽糖等）的利用上也有類似對乳糖利用的情況，在含有編碼利用阿拉伯糖的酶類基因群的阿拉伯糖操縱子（araoperon）、半乳糖操縱子（galoperon）中也有CAP結(jié)合位點(diǎn)，CAP也起類似的正性調(diào)控作用。所以CAP的通用名稱是分解代謝基因激活蛋白（catabolicgeneactivatorprotein）。

CAP的結(jié)合對DNA構(gòu)型的影響CRP在它的結(jié)合位點(diǎn)可使DNA成＞90℃彎曲。彎曲使CAP能與啟動子上的RNApol接觸CAPBindingBendsDNAThisDNAbendingresultsinmoreefficientRNApolymerasebinding乳糖操縱子正性調(diào)節(jié)IPO

ZYACAPsiteCAPcAMP阻遏基因轉(zhuǎn)錄翻譯阻遏蛋白R，R與操縱基因結(jié)合，阻止結(jié)合在啟動子上的DDRP前移，結(jié)構(gòu)基因不被轉(zhuǎn)錄

1）無乳糖也無葡萄糖存在時：OO2）當(dāng)無乳糖，有葡萄糖時：由于葡萄糖不能使阻遏蛋白失活，乳糖操縱子關(guān)閉，另外，由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調(diào)節(jié)不起作用總結(jié)：所以：無乳糖時，無論有無葡萄糖，操縱子關(guān)閉由于有葡萄糖，cAMP含量低，CAP的正性調(diào)節(jié)不起作用，抑制乳糖操縱子的轉(zhuǎn)錄，使細(xì)菌只能利用葡萄糖。

3）既有乳糖，又有葡萄糖時：O乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白變構(gòu)，失去與操縱基因結(jié)合的能力而脫落由于不含葡萄糖，細(xì)胞內(nèi)cAMP含量高，cAMP與CAP結(jié)合成復(fù)合物，與DNA結(jié)合，并推動DDRP向前移動，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄。4）有乳糖，無葡萄糖時：mRNARNA-polO乳糖與阻遏蛋白結(jié)合，使阻遏蛋白變構(gòu)，失去與操縱基因結(jié)合的能力而脫落，結(jié)合在啟動子上的DDRP向前移動，結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄翻譯，合成與乳糖代謝有關(guān)的酶類從而利用乳糖所以：有乳糖時，只有沒有葡萄糖，操縱子才開放有葡萄糖存在，操縱子關(guān)閉※當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)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(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性?！鶈渭?nèi)樘谴嬖跁r，細(xì)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(xì)菌首先利用葡萄糖。

TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAPSummaryTheLacOperon:

WhenGlucoseAndLactoseArePresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great,Icantranscribe!Sometranscriptionoccurs,butataslowrateThislactosehasbentmeoutofshapeTheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yippee…!TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacA