第7章 原核生物基因表達(dá)的調(diào)控

第七章

原核生物基因表達(dá)的調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控的基本概念乳糖操縱子色氨酸操縱子其它操縱子轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控本章主要內(nèi)容1基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)（geneexpression）:基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程，或基因指導(dǎo)下RNA和蛋白質(zhì)的合成過程。

rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達(dá)組成性表達(dá)(constitutiveexpression)：不易受環(huán)境變化而變化的一類基因的表達(dá)。

基因的差別表達(dá)(differentialgeneexpression):

在個體發(fā)育中，某些基因在特定條件下才進(jìn)行表達(dá)，而另一些基因在該條件下卻關(guān)閉?；虮磉_(dá)的時、空特異性時間特異性（temporalspecificity）：某些基因的表達(dá)嚴(yán)格按照特定的時間順序進(jìn)行?？臻g特異性(spatialspecificity)：某些基因在個體不同組織細(xì)胞中按照一定的順序表達(dá)。又稱細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。持(看)家基因(housekeepinggenes):始終或經(jīng)常性開啟的基因,是維持細(xì)胞基本生命活動所必須的，如編碼組成性蛋白的基因。

奢侈基因（luxurygene），指編碼組織特異性蛋白的基因(tissue-specificgene)

，對細(xì)胞分化有重要影響，如角蛋白基因、肌動蛋白基因和血紅蛋白基因等。

基因表達(dá)調(diào)控的意義：適應(yīng)環(huán)境、維持個體的生長發(fā)育、分化和增殖?；虮磉_(dá)的調(diào)控水平：轉(zhuǎn)錄水平（transcriptionalregulation）的調(diào)控；轉(zhuǎn)錄后水平（post-transcriptionalregulation）的調(diào)控（RNA加工水平上的調(diào)控；翻譯水平上的調(diào)控）。組成性酶與誘導(dǎo)酶組成性酶：不經(jīng)誘導(dǎo)就經(jīng)常而大量地存在于細(xì)胞中。誘導(dǎo)酶：需經(jīng)誘導(dǎo)才能（大量）產(chǎn)生。調(diào)節(jié)蛋白（轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子）：由調(diào)節(jié)基因所編碼的蛋白因子。負(fù)調(diào)節(jié)蛋白：阻遏蛋白正調(diào)節(jié)蛋白：激活蛋白

根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應(yīng)答情況，可分為：正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（正控制）和負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（負(fù)控制）。2大腸桿菌的乳糖操縱子2.1二度生長現(xiàn)象（葡萄糖效應(yīng)，降解物阻遏效應(yīng)）當(dāng)葡萄糖和另一種須經(jīng)誘導(dǎo)才能利用的糖同時存在時，E.coli總是首先利用葡萄糖做碳源而生長，直到葡萄糖消耗完畢后，才開始利用另一種糖。

β-半乳糖苷酶的誘導(dǎo)

lac操縱子的本底水平表達(dá)

有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，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要透過酶，而后者的合成也需要誘導(dǎo)。解釋：一些誘導(dǎo)物可以在透過酶不存在時進(jìn)入細(xì)胞？(×)

一些透過酶可以在沒有誘導(dǎo)物的情況下合成？(√)②真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖苷酶的預(yù)先存在。解釋：在本底水平上,有β-半乳糖苷酶的組成型合成,即,在非誘導(dǎo)狀態(tài)下,lacZ操縱子有本底水平上的表達(dá)（有少量lacmRNA合成及翻譯）。安慰性誘導(dǎo)物：如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）和TMG(巰甲基半乳糖苷)等。乳糖的結(jié)構(gòu)2.2E.colilac操縱子學(xué)說的提出操縱子：由啟動子、操縱基因及其控制下的一組功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成的轉(zhuǎn)錄單位。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。乳糖操縱子調(diào)控模型①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子mRNA分子所編碼。②啟動子區(qū)(P)緊接著操縱區(qū)(O)區(qū)。③操縱區(qū)(O)是一小段序列（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轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。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(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。A編碼β-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。足跡法鑒定蛋白質(zhì)在DNA上的結(jié)合部位操縱基因試驗鑒定操縱基因的結(jié)構(gòu)特征：長21bp，與啟動子-10區(qū)和編碼鏈部分重疊，含反向重復(fù)序列。操縱位點的回文序列阻遏蛋白與操縱基因的結(jié)合方式：每個單體靠次級鍵與操縱基因的一半相結(jié)合。λ阻遏蛋白為二聚體。DNA結(jié)合蛋白與DNA之間的相互作用2.3葡萄糖降解物效應(yīng)培養(yǎng)基中葡萄糖含量高，則大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)的葡萄糖代謝旺盛，降解物濃度高，cAMP含量少，乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄被抑制；反之，cAMP含量多，乳糖操縱子轉(zhuǎn)錄被激活。葡萄糖降解物的作用:控制cAMP的濃度。

cap或CR基因與正控制

cap或CR基因編碼一種激活Lac等操縱子的正控制蛋白CAP（一種二聚體蛋白），cAMP是其效應(yīng)物。CAP正控制的實質(zhì)性作用是：cAMP與CAP結(jié)合，CAP構(gòu)像發(fā)生變化，專一性識別并結(jié)合DNA，促進(jìn)RNA聚合酶有效地與啟動子結(jié)合。CAP:Cataboliteactivatorprotein(降解物激活蛋白)CRP:Catabolitereceptorprotein(降解物受體蛋白)ZYAOPDNA調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點啟動序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶cAMP—CAP復(fù)合物

lac操縱子的雙重調(diào)控TheLacOperon:

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

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

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!3色氨酸操縱子細(xì)菌基因組中含有負(fù)責(zé)某些物質(zhì)合成的操縱子，如負(fù)責(zé)AA合成的操縱子。當(dāng)無外源AA時，這類操縱子表達(dá)，使細(xì)胞內(nèi)有足夠的AA以進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成；有外源AA時，細(xì)菌就不必自己合成，這類操縱子就受到阻遏。這類可被最終合成產(chǎn)物所阻遏的操縱子叫做可阻遏操縱子。色氨酸操縱子就是一個典型的可阻遏操縱子。由trpE、D、C、B、A等5個基因所組成；P與O重疊，P：-40～+18，O：-21～+1；trpR編碼阻遏蛋白；前導(dǎo)序列L：162bp，其末端為弱化子（attenuator）。3.1trp操縱子的結(jié)構(gòu)特點:(1)trpR和trpABCDE不連鎖；(2)有衰減子(attenuator)/弱化子;(3)啟動子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被前導(dǎo)序列(Leader)所隔開

trp操縱子結(jié)構(gòu)返回LeaderSequenceofthetrpOperon3.2調(diào)控機(jī)制阻遏作用：當(dāng)Trp充分時，阻遏蛋白與Trp結(jié)合而被活化，阻止轉(zhuǎn)錄。弱化作用：使正在進(jìn)行的操縱子轉(zhuǎn)錄在到達(dá)結(jié)構(gòu)基因以前就中途停止的基因調(diào)控作用。

阻遏作用和弱化作用均屬負(fù)控制（轉(zhuǎn)錄水平上的控制）。前者，AA通過阻遏蛋白而影響轉(zhuǎn)錄—調(diào)控信號是AA的濃度；后者，AA通過tRNA的作用而影響轉(zhuǎn)錄—調(diào)控信號是AA-tRNA的濃度。

低Trp時：阻遏物不結(jié)合操縱基因高Trp時：阻遏物+Trp結(jié)合操縱基因3.2.1

Trp操縱子的阻遏系統(tǒng)123~1503.2.2trp操縱子的弱化機(jī)制弱化子:DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過早終止的一段核甘酸序列（123-150區(qū)）。

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(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點。前導(dǎo)序列：在trpmRNA5ˊ端trpE基因的起始密碼前一個長162bp的mRNA片段。Section1:nucleotides50-68Section2:nucleotides75-92Section3:nucleotides108-121Section4:nucleotides126-134

TheoperonisinactivedOncetheribosomeisremoved,section1isnowfreetobasepairwithsection2,thensection3isbasepairwithsection4,thesehairpinloopscauseterminationoftranscriptionandthedetachmentoftheleaderRNAfromtheDNAtemplateAttenuationofthetrpoperon

RibosomestallatapositionwheretwoconsecutivetrpcodonsarelocatedSection2basepairwithsection3,section4remainssingle-strand,andtheRNApolymerasecontinuestranscriptionthestructuralgenesTheoperonhasbeenactivatedAttenuationofthetrpoperon

再論弱化子（attenuator)與弱化作用(attenuation)

弱化子是指Trp等操縱子前導(dǎo)序列的末端部分，具有減弱轉(zhuǎn)錄的功能。當(dāng)Trp過剩時,前導(dǎo)肽的翻譯合成到達(dá)前導(dǎo)mRNA的終止密碼子處,這時,弱化子形成終止子發(fā)夾以阻遏下游相應(yīng)氨基酸操縱子的轉(zhuǎn)錄，即,使正在進(jìn)行的操縱子轉(zhuǎn)錄在到達(dá)結(jié)構(gòu)基因以前就中途停止——弱化作用。

4.1組氨酸等的操縱子His操縱子可單獨依靠弱化子的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)其控制作用。只有一種負(fù)控制作用（即弱化作用）。4其它操縱子4.2大腸桿菌半乳糖操縱子(galactoseoperon)galoperon包括3個結(jié)構(gòu)基因:

galE編碼:異構(gòu)酶(UDP-galactose-4-epimerase)

galT編碼:半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galactosetransferase)

galk編碼:半乳糖激酶(galactosekinase)

這3個酶的作用是使半乳糖轉(zhuǎn)變成葡萄糖-1-磷酸。

galR與galE、T、K及操縱區(qū)O等離得很遠(yuǎn)，而galR產(chǎn)物對galO的作用與lacI-lacO的作用相同。

gal操縱子的特點：①兩個啟動子，其mRNA可從兩個不同的起始點開始轉(zhuǎn)錄②兩個O區(qū)，一個在P區(qū)上游，另一個在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。

兩個啟動子分別擁有各自的RNA聚合酶結(jié)合位點S1和S2。當(dāng)有cAMP-CAP時，轉(zhuǎn)錄從S1開始；當(dāng)無cAMP-CAP時，轉(zhuǎn)錄從S2開始。4.3阿拉伯糖操縱子（arabinoseoperon)araB基因、araA基因和araD,形成一個基因簇，簡寫為araBAD。三個基因的表達(dá)受到ara操縱子中araC基因產(chǎn)物AraC蛋白的調(diào)控。結(jié)構(gòu)（1）結(jié)構(gòu)基因B、A、D。（2）基因c編碼C蛋白——調(diào)控蛋白，C蛋白既是正調(diào)節(jié)蛋白，又是阻遏物(負(fù)調(diào)節(jié)蛋白)

。

（3）調(diào)節(jié)基因c與結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄方向相反。

調(diào)控機(jī)制（C蛋白和CAP的雙重調(diào)控）4.4多啟動子調(diào)控的操縱子

大腸桿菌rRNA操縱子（rrnE）上有兩個啟動子，P1和P2。P1是強(qiáng)啟動子，營養(yǎng)充沛時，由P1起始的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物比由P2起始的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物高3-5倍。當(dāng)營養(yǎng)匱乏時，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。

(1)rRNA操縱子

DnaQ蛋白是DNA聚合酶全酶的亞基之一，其主要功能是校正DNA復(fù)制中可能出現(xiàn)的錯誤。在RNA聚合酶活性較低時，操縱子的轉(zhuǎn)錄由弱啟動子P2控制；而RNA聚合酶活性較高時，就開始利用強(qiáng)啟動子P1。(2)DnaQ蛋白操縱子阻遏蛋白LexA的降解與細(xì)菌中的SOS應(yīng)答

SOS反應(yīng)的機(jī)理：由RecA蛋白和LexA阻遏物的相互作用引起的。當(dāng)RecA水解LexA阻遏物后，LexA阻遏效應(yīng)被解除，導(dǎo)致SOS體系（包括recA基因）高效表達(dá)，DNA得到修復(fù)。

LexA阻遏物：是SOSDNA修復(fù)系統(tǒng)所有基因的阻遏物。

RecA蛋白：是SOS反應(yīng)的最初的發(fā)動因子。在單鏈DNA和ATP存在時，RecA蛋白被激活，表現(xiàn)出水解酶活性，分解LexA阻遏物。5固氮基因調(diào)控（簡介）5.1生物固氮簡介微生物利用自己獨特的固氮酶系統(tǒng)，將從光合作用產(chǎn)物或其它碳水化合物得到的電子和能量傳遞給氮（N2），使其還原成氨，這就是生物固氮。

生物固氮主要包括自生固氮和共生固氮兩大類。

自生固氮是指有些固氮微生物在土壤或培養(yǎng)基中能夠獨立地完成固定大氣中的分子態(tài)氮的作用，其固氮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于共生固氮。

共生固氮是指固氮微生物和寄生植物生活在一起，直接從寄生植物獲取能