第7章 原核生物基因表達的調控

第七章

原核生物基因表達的調控基因表達調控的基本概念乳糖操縱子色氨酸操縱子其它操縱子轉錄后水平的調控本章主要內容1基因表達調控的基本概念基因表達（geneexpression）:基因轉錄及翻譯的過程，或基因指導下RNA和蛋白質的合成過程。

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

基因的差別表達(differentialgeneexpression):

在個體發(fā)育中，某些基因在特定條件下才進行表達，而另一些基因在該條件下卻關閉?；虮磉_的時、空特異性時間特異性（temporalspecificity）：某些基因的表達嚴格按照特定的時間順序進行。空間特異性(spatialspecificity)：某些基因在個體不同組織細胞中按照一定的順序表達。又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。持(看)家基因(housekeepinggenes):始終或經常性開啟的基因,是維持細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。

基因表達調控的意義：適應環(huán)境、維持個體的生長發(fā)育、分化和增殖?；虮磉_的調控水平：轉錄水平（transcriptionalregulation）的調控；轉錄后水平（post-transcriptionalregulation）的調控（RNA加工水平上的調控；翻譯水平上的調控）。組成性酶與誘導酶組成性酶：不經誘導就經常而大量地存在于細胞中。誘導酶：需經誘導才能（大量）產生。調節(jié)蛋白（轉錄調節(jié)因子）：由調節(jié)基因所編碼的蛋白因子。負調節(jié)蛋白：阻遏蛋白正調節(jié)蛋白：激活蛋白

根據操縱子對調節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應答情況，可分為：正轉錄調控（正控制）和負轉錄調控（負控制）。2大腸桿菌的乳糖操縱子2.1二度生長現象（葡萄糖效應，降解物阻遏效應）當葡萄糖和另一種須經誘導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

lac操縱子的本底水平表達

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，而后者的合成也需要誘導。解釋：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？(√)②真正的誘導物是異構乳糖而非乳糖，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,在非誘導狀態(tài)下,lacZ操縱子有本底水平上的表達（有少量lacmRNA合成及翻譯）。安慰性誘導物：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。乳糖的結構2.2E.colilac操縱子學說的提出操縱子：由啟動子、操縱基因及其控制下的一組功能相關的結構基因所組成的轉錄單位。操縱基因受調節(jié)基因產物的控制。乳糖操縱子調控模型①Z、Y、A基因的產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），是阻遏物的結合位點。④當阻遏物與操縱基因結合時，lacmRNA轉錄起始受到抑制。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）能透過大腸桿菌細胞壁和原生質膜進入細胞內。A編碼β-半乳糖苷乙?；D移酶：乙酰輔酶A上的乙酰基轉到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。足跡法鑒定蛋白質在DNA上的結合部位操縱基因試驗鑒定操縱基因的結構特征：長21bp，與啟動子-10區(qū)和編碼鏈部分重疊，含反向重復序列。操縱位點的回文序列阻遏蛋白與操縱基因的結合方式：每個單體靠次級鍵與操縱基因的一半相結合。λ阻遏蛋白為二聚體。DNA結合蛋白與DNA之間的相互作用2.3葡萄糖降解物效應培養(yǎng)基中葡萄糖含量高，則大腸桿菌細胞內的葡萄糖代謝旺盛，降解物濃度高，cAMP含量少，乳糖操縱子轉錄被抑制；反之，cAMP含量多，乳糖操縱子轉錄被激活。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是其效應物。CAP正控制的實質性作用是：cAMP與CAP結合，CAP構像發(fā)生變化，專一性識別并結合DNA，促進RNA聚合酶有效地與啟動子結合。CAP:Cataboliteactivatorprotein(降解物激活蛋白)CRP:Catabolitereceptorprotein(降解物受體蛋白)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：透酶A：乙?；D移酶cAMP—CAP復合物

lac操縱子的雙重調控TheLacOperon:

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

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

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!3色氨酸操縱子細菌基因組中含有負責某些物質合成的操縱子，如負責AA合成的操縱子。當無外源AA時，這類操縱子表達，使細胞內有足夠的AA以進行蛋白質的合成；有外源AA時，細菌就不必自己合成，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；前導序列L：162bp，其末端為弱化子（attenuator）。3.1trp操縱子的結構特點:(1)trpR和trpABCDE不連鎖；(2)有衰減子(attenuator)/弱化子;(3)啟動子和結構基因不直接相連，二者被前導序列(Leader)所隔開

trp操縱子結構返回LeaderSequenceofthetrpOperon3.2調控機制阻遏作用：當Trp充分時，阻遏蛋白與Trp結合而被活化，阻止轉錄。弱化作用：使正在進行的操縱子轉錄在到達結構基因以前就中途停止的基因調控作用。

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

低Trp時：阻遏物不結合操縱基因高Trp時：阻遏物+Trp結合操縱基因3.2.1

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

研究引起終止的mRNA堿基序列，發(fā)現該區(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。前導序列：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等操縱子前導序列的末端部分，具有減弱轉錄的功能。當Trp過剩時,前導肽的翻譯合成到達前導mRNA的終止密碼子處,這時,弱化子形成終止子發(fā)夾以阻遏下游相應氨基酸操縱子的轉錄，即,使正在進行的操縱子轉錄在到達結構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構實現其控制作用。只有一種負控制作用（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個結構基因:

galE編碼:異構酶(UDP-galactose-4-epimerase)

galT編碼:半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉移酶(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。

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錄②兩個O區(qū)，一個在P區(qū)上游，另一個在結構基因galE內部。

兩個啟動子分別擁有各自的RNA聚合酶結合位點S1和S2。當有cAMP-CAP時，轉錄從S1開始；當無cAMP-CAP時，轉錄從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。三個基因的表達受到ara操縱子中araC基因產物AraC蛋白的調控。結構（1）結構基因B、A、D。（2）基因c編碼C蛋白——調控蛋白，C蛋白既是正調節(jié)蛋白，又是阻遏物(負調節(jié)蛋白)

。

（3）調節(jié)基因c與結構基因的轉錄方向相反。

調控機制（C蛋白和CAP的雙重調控）4.4多啟動子調控的操縱子

大腸桿菌rRNA操縱子（rrnE）上有兩個啟動子，P1和P2。P1是強啟動子，營養(yǎng)充沛時，由P1起始的轉錄產物比由P2起始的轉錄產物高3-5倍。當營養(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復制中可能出現的錯誤。在RNA聚合酶活性較低時，操縱子的轉錄由弱啟動子P2控制；而RNA聚合酶活性較高時，就開始利用強啟動子P1。(2)DnaQ蛋白操縱子阻遏蛋白LexA的降解與細菌中的SOS應答

SOS反應的機理：由RecA蛋白和LexA阻遏物的相互作用引起的。當RecA水解LexA阻遏物后，LexA阻遏效應被解除，導致SOS體系（包括recA基因）高效表達，DNA得到修復。

LexA阻遏物：是SOSDNA修復系統所有基因的阻遏物。

RecA蛋白：是SOS反應的最初的發(fā)動因子。在單鏈DNA和ATP存在時，RecA蛋白被激活，表現出水解酶活性，分解LexA阻遏物。5固氮基因調控（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，將從光合作用產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，其固氮量遠遠低于共生固氮。

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