第十章原核生物基因表達(dá)的調(diào)控

第十章原核生物基因表達(dá)的調(diào)控生物的遺傳信息是以基因的形式儲(chǔ)藏在細(xì)胞內(nèi)的DNA(或RNA)分子中的。隨著個(gè)體的發(fā)育，DNA有序地將遺傳信息，通過轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，執(zhí)行各種生理生化功能，完成生命的全過程。從DNA到蛋白質(zhì)的過程，叫做基因表達(dá)(geneexpression)，對(duì)這個(gè)過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控(generegulation或genecontrol)?；蛘{(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的中心課題。要了解生物生長(zhǎng)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(shí)間和空間概念?；虮磉_(dá)調(diào)控在兩個(gè)水平上體現(xiàn)(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①mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(differentialprocessingofRNAtranscript);②翻譯水平上的調(diào)控(differentialtranslationofmRNA)。無(wú)論原核還是真核生物，其基因調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，包括在轉(zhuǎn)錄的起始階段和終止階段。對(duì)于原核生物，以營(yíng)養(yǎng)狀況(nutritionalstatus)和環(huán)境因素(environmentalfactor)為主要的基因表達(dá)影響因素。在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，而營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。在轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)基因表達(dá)調(diào)控取決于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?；靖拍畈倏v子（operon）很多功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因在染色體上串連排列，由一個(gè)共同的控制區(qū)來(lái)操縱這些基因的轉(zhuǎn)錄。包含這些結(jié)構(gòu)基因和控制區(qū)的整個(gè)核苷酸序列就稱為操縱子(operon)。一個(gè)完整的操縱子主要包括啟動(dòng)子、操縱基因、結(jié)構(gòu)基因和終止子。2.阻遏物和激活物（reperssorandactivator）結(jié)構(gòu)基因：編碼蛋白質(zhì)或RNA的基因。調(diào)節(jié)基因：參與其它基因表達(dá)調(diào)控的RNA和蛋白質(zhì)的編碼基因。其編碼的調(diào)節(jié)蛋白稱為阻遏物或激活物。調(diào)節(jié)蛋白具有與其它DNA結(jié)合蛋白類似的結(jié)構(gòu)特征：螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）。兩個(gè)螺旋分別由7-9個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成，其間間隔4個(gè)氨基酸殘基。兩個(gè)螺旋之間約為直角，螺旋2嵌入DNA雙螺旋大溝內(nèi)，負(fù)責(zé)與DNA的特異性結(jié)合，稱為“識(shí)別螺旋”；螺旋1中的氨基酸與DNA的磷酸戊糖骨架非特異性結(jié)合，基本上平行于雙螺旋。CⅠ蛋白的N端含有5個(gè)螺旋,第2和第3個(gè)螺旋形成HTH(螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋)3.負(fù)調(diào)控和正調(diào)控（negativeandpositiveregulation）調(diào)節(jié)蛋白與DNA特定位點(diǎn)的相互作用，啟動(dòng)或增強(qiáng)操縱子的轉(zhuǎn)錄活性，這種調(diào)控方式叫做正調(diào)控，如激活物參與的調(diào)控。調(diào)節(jié)蛋白與DNA特定位點(diǎn)的相互作用，關(guān)閉或降低操縱子的轉(zhuǎn)錄活性，這種調(diào)控方式叫做負(fù)調(diào)控，如阻遏物參與的調(diào)控。4.誘導(dǎo)物和共阻遏物（inducerandcorepressor）效應(yīng)物（effector）：能與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合并改變其性質(zhì)的小分子化合物。誘導(dǎo)物：與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合后啟動(dòng)操縱子轉(zhuǎn)錄的效應(yīng)物。共阻遏物：與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合后關(guān)閉操縱子轉(zhuǎn)錄的效應(yīng)物。第一節(jié)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控一、轉(zhuǎn)錄的起始

轉(zhuǎn)錄是原核生物基因表達(dá)的主要調(diào)控點(diǎn)，主要涉及兩個(gè)方面：1、RNA合成的酶系；2、RNA合成起始和終止信號(hào)，即DNA分子上的特定序列。通過RNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄因子和啟動(dòng)子的相互作用實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄調(diào)控，改變細(xì)胞的表型，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生理狀態(tài)和環(huán)境的變化。1.RNA聚合酶(RNApolymerase)：

大腸桿菌的RNA聚合酶：由5個(gè)亞基組成，即α2ββ’σ，有時(shí)還有2個(gè)ω亞基。以α2ββ’σ組成的酶稱全酶。σ亞基與其他亞基結(jié)合較松弛，易從全酶上解離；其余部分α2ββ’稱為核心酶(coreenzyme)。在大腸桿菌中還發(fā)現(xiàn)一種新的σ因子，稱為σ’因子，因此將含有σ亞基的全酶稱為全酶I，含有σ’亞基的稱為全酶Ⅱ。二者的不同在于：全酶Ⅱ可以利用雙鏈DNA為模板合成po1y〔A)。σ亞基作用：參與啟動(dòng)子的識(shí)別和結(jié)合以及轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的異構(gòu)化。細(xì)胞內(nèi)哪條DNA鏈被轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄方向與轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)的選擇都與σ亞基有關(guān)。離體實(shí)驗(yàn)表明：全酶所轉(zhuǎn)錄的RNA和細(xì)胞內(nèi)所轉(zhuǎn)錄出的RNA，其起始點(diǎn)相同，序列相同，若僅用核心酶進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，則模扳鏈和起始點(diǎn)的選擇都有很大的隨意性，而且往往同一段DNA的兩條鏈都被轉(zhuǎn)錄。由此可見：σ亞基對(duì)識(shí)別DNA鏈上的轉(zhuǎn)錄信號(hào)是不可缺少的，它是核心酶和啟動(dòng)子之間的橋梁。σ因子的取代在細(xì)胞發(fā)育和對(duì)環(huán)境應(yīng)答的反應(yīng)中起主導(dǎo)作用。2.啟動(dòng)子(promotor)：

轉(zhuǎn)錄的起始是基因表達(dá)的關(guān)鍵階段，啟動(dòng)子就是連接在基因5’端上游的DNA序列，其長(zhǎng)度從100bp到200bp不等，是轉(zhuǎn)錄起始時(shí)RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合的特定部位，但其本身并不被轉(zhuǎn)錄。此外，啟動(dòng)子還包括與調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合的位點(diǎn)。在啟動(dòng)子與終止子之間是一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，通常將mRNA開始的一個(gè)核苷酸定為起點(diǎn)(即+1)．由此向右常稱為下游(downstream)，其核苷酸依次編為正序號(hào)；起始點(diǎn)左例稱為上游(upstream)．其核苷酸則依次以負(fù)號(hào)表示．緊接起始點(diǎn)左側(cè)的核昔酸為-1。啟動(dòng)子區(qū)的上游激活序列和操縱基因啟動(dòng)子區(qū)中與正調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合的位點(diǎn)，叫做上游激活序列（upstreamactivatingsequence，UAS），一般位于-35區(qū)上游；與負(fù)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合的位點(diǎn)稱操縱基因（operator），一般與啟動(dòng)子重疊。具有UAS序列的啟動(dòng)子，一般沒有典型的-35區(qū)，因此RNA聚合酶不能很好地與之結(jié)合。只有當(dāng)激活蛋白結(jié)合在UAS上后，通過與RNA聚合酶在空間上相互作用或改變啟動(dòng)子區(qū)中與RNA聚合酶結(jié)合部位的DNA的構(gòu)型，從而提高啟動(dòng)子的活性。如大腸桿菌中依賴cAMP-CAP激活的乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等操縱子。有時(shí)，一個(gè)基因或操縱子需要2個(gè)相互分開的操縱基因，一個(gè)位于轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)附近，另一個(gè)在距離啟動(dòng)子區(qū)約幾百bp的上游或下游。其中每個(gè)操縱基因都與一個(gè)阻遏物結(jié)合，然后兩個(gè)阻遏物在空間上相互作用，形成一個(gè)DNA環(huán)，從而抑制RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合。二、σ因子與轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控---

σ因子的替代可以控制起始1.在E.coli，不同類型的啟動(dòng)子需要不同類型的σ因子在正常的溫度和環(huán)境下，大腸桿菌主要依靠σ70進(jìn)行基因的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，許多原核和真核生物都會(huì)產(chǎn)生熱激狀態(tài)，正常表達(dá)的基因會(huì)關(guān)閉或表達(dá)水平下降，而編碼熱激蛋白（heatshockprotein）的基因開始表達(dá)，這些蛋白質(zhì)能提高菌體對(duì)高溫的抵抗力，此即謂熱激反應(yīng)。在大腸桿菌中，編碼熱激蛋白的基因有30多種，其中絕大多數(shù)熱激基因的啟動(dòng)子是σ32。2.枯草芽孢桿菌中σ亞基的更替與生活周期的轉(zhuǎn)變目前已從枯草芽孢桿菌中發(fā)現(xiàn)至少10種σ因子，其中正常生活的RNA聚合酶的σ因子為σ43，識(shí)別與σ70相同的啟動(dòng)子保守序列。大部分σ因子轉(zhuǎn)換的例子都發(fā)生在孢子形成（sporulation）中。孢子形成分為三個(gè)階段（1）DNA復(fù)制；（2）在細(xì)胞的一端基因組被分離；（3）分離的基因組外包上一層子外殼。細(xì)菌孢子的形成和釋放

F對(duì)E的活性控制在前孢子中由早期基因產(chǎn)生

G,G使RNA聚合酶在前孢子中轉(zhuǎn)錄晚期孢子形成基因。另一個(gè)早期孢子形成基因產(chǎn)物負(fù)責(zé)和母細(xì)胞中的成分聯(lián)系，

F激活SpoⅡR，SpoⅡR由前孢子分泌，然后它激活膜結(jié)合蛋白SpoⅡGA?；罨腟poⅡGA在母細(xì)胞中剪切失活的前體物Pro-E使其成為活化因子E。三、轉(zhuǎn)錄的終止和抗終止1.終止子的結(jié)構(gòu)

DNA上提供轉(zhuǎn)錄停止信號(hào)的一段序列稱為終止子(terminator)，是一個(gè)基因的末端或是一個(gè)操縱子的末端的一段特定序列。與啟動(dòng)子不同，終止子能被轉(zhuǎn)錄成mRNA。類型：強(qiáng)終止子和弱終止子強(qiáng)終止子：不依賴于Rho蛋白質(zhì)輔助因子而能實(shí)現(xiàn)終止作用，這類終止子屬于強(qiáng)終止子；弱終止子：依賴于Rho因子才能實(shí)現(xiàn)終止作用，這類終止子屬于弱終止子。蛋白質(zhì)輔助因子稱為釋放因子，通常稱為ρ因子。所有原核生物的終止子共同的序列特征：即在轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)之前有一段回文結(jié)構(gòu)，因而所產(chǎn)生的mRNA可形成莖環(huán)狀的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，它可使RNA聚合酶的移動(dòng)停止或減緩。強(qiáng)終止子回文結(jié)構(gòu)中富含GC對(duì)，在回文序列的下游常有6—8個(gè)A，因此這段終止子轉(zhuǎn)錄后形成的RNA具有與A相對(duì)應(yīng)的寡聚U，是使RNA聚合酶脫離模板的信號(hào)。依賴于ρ因子的終止子其回文序列中GC對(duì)含量較少，回文序列下方?jīng)]有固定結(jié)構(gòu)，其AU對(duì)含量也較低；由于其莖環(huán)結(jié)構(gòu)常較短，在沒有ρ因子時(shí)這種莖環(huán)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。如果沒有ρ因子存在，RNA聚合酶會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)錄下去，產(chǎn)生通讀(readthrough)，當(dāng)ρ因子存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄才能終止。在強(qiáng)終止子中，轉(zhuǎn)錄的RNA在終止子部位形成的發(fā)夾結(jié)構(gòu)破壞了轉(zhuǎn)錄泡中RNA-DNA雜合鏈的形成，而RNA-DNA雜合鏈能幫助RNA聚合酶固定在DNA鏈上，因此轉(zhuǎn)錄泡中的RNA-RNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)使RNA聚合酶變得不穩(wěn)定，結(jié)果RNA聚合酶和RNA都從DNA鏈上脫離，轉(zhuǎn)錄終止。ρ因子輔助的終止作用ρ因子結(jié)合于正在合成的RNA的rut（rhoutilizationsite）位點(diǎn)（如果rut位點(diǎn)被核糖體翻譯，則ρ因子不能與之結(jié)合），利用其依賴于RNA的ATP酶活性水解ATP獲得能量沿RNA按5’-3’方向移動(dòng)；當(dāng)RNA聚合酶遇到終止子而暫停轉(zhuǎn)錄時(shí)，ρ因子得以在終止子處追上RNA聚合酶并進(jìn)入轉(zhuǎn)錄泡的RNA-DNA雜合鏈中；其RNA-DNA解旋酶活性使雜合雙鏈解旋，釋放RNA聚合酶，轉(zhuǎn)錄終止。2.基因表達(dá)的極性效應(yīng)在正常情況下原核基因表達(dá)時(shí)，其轉(zhuǎn)錄出來(lái)的mRNA隨即進(jìn)行翻譯，這時(shí)整個(gè)mRNA都覆蓋著核糖體，ρ因子無(wú)法接近mRNA，而RNA聚合酶早已越過前面的基因的依賴ρ因子的終止子，所以轉(zhuǎn)錄實(shí)際上并不停止，而是繼續(xù)轉(zhuǎn)錄后續(xù)基因。如果在某一基因的依賴于ρ的終止子之前發(fā)生無(wú)義突變，核糖體便從無(wú)義密碼子上解離下來(lái)，翻譯停止，于是ρ就可以自由進(jìn)入RNA并移動(dòng)，直到趕上停留在終止子上的RNA聚合酶，結(jié)果使RNA聚合酶釋放，不能再轉(zhuǎn)錄下游基因?；虮磉_(dá)的極性現(xiàn)象：在某些情況下同一轉(zhuǎn)錄單元里，由于一個(gè)基因的無(wú)義突變，阻礙了下游相鄰基因表達(dá)的效應(yīng)，就稱為基因表達(dá)的極性現(xiàn)象。除了無(wú)義突變可以導(dǎo)致極性現(xiàn)象外，插入序列IS1、IS2等DNA片段插入到操縱子的基因中也會(huì)發(fā)生極性現(xiàn)象。3.抗終止作用（anti-termination）ρ因子的作用可以被抗終止因子所抵消，這樣，RNA聚合酶便可通過終止子(依賴于ρ因子的)繼續(xù)轉(zhuǎn)錄后面的基因，這種現(xiàn)象稱為抗終止作用(anti-termination)。第二節(jié)操縱子類型可誘導(dǎo)負(fù)控制系統(tǒng)可誘導(dǎo)正控制系統(tǒng)可阻遏負(fù)控制系統(tǒng)可阻遏正控制系統(tǒng)操縱子調(diào)控系統(tǒng)的基本類型原核生物結(jié)構(gòu)基因表達(dá)的4種調(diào)控類型一、大腸桿菌乳糖操縱子1）大腸桿菌的乳糖利用系統(tǒng)大腸桿菌的乳糖代謝需要有β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）的催化，這種酶能把乳糖水解為半乳糖和葡萄糖，或轉(zhuǎn)化為異乳糖作為誘導(dǎo)物。另外有β-半乳糖苷透性酶和β-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶，前者協(xié)助乳糖分子穿膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，后者可將乙?；鶑囊阴］o酶A上轉(zhuǎn)移至β-半乳糖苷上。三種酶協(xié)同作用，使得乳糖得以分解和利用。乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控β-半乳糖苷酶催化乳糖的兩種反應(yīng)誘導(dǎo)物

的加入

和去除

對(duì)lacmRNA及LacZ合成

的影響項(xiàng)目功能結(jié)構(gòu)基因3個(gè)不同結(jié)構(gòu)基因能夠產(chǎn)生3種不同的酶。（lacZ、Y、A）操縱基因（O）是結(jié)構(gòu)基因的開關(guān).通過對(duì)RNA聚合酶阻抑與否來(lái)控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄或停止。啟動(dòng)子（P）是RNA聚合酶與DNA結(jié)合的部位，可識(shí)別轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)。調(diào)節(jié)基因（I）有自己獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄單位，能產(chǎn)生阻遏蛋白，通過與操縱基因的結(jié)合與否來(lái)控制操縱基因的關(guān)閉和開啟。乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和功能2）乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控（可誘導(dǎo)）誘導(dǎo)因子：異乳糖、?-半乳糖苷、異丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPDG）。機(jī)制：沒有誘導(dǎo)物時(shí)，具有活性的阻遏物和操縱基因結(jié)合，轉(zhuǎn)錄不能進(jìn)行。有誘導(dǎo)物時(shí)，乳糖與阻遏物結(jié)合，使阻遏物發(fā)生構(gòu)象變化而失活，不能與操縱子結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因正常轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而再翻譯出蛋白質(zhì)。IPTG：有極強(qiáng)的誘導(dǎo)效應(yīng)，本身又不被分解，稱為非底物誘導(dǎo)誘導(dǎo)物和阻遏

蛋白結(jié)合的模型3）乳糖代謝的突變型1961年Jacob&Monod等通過對(duì)突變體的研究，證明了調(diào)節(jié)基因和操縱基因的存在。通過構(gòu)建部分二倍體，如：F’lacI-lacZ+Y-A+XF-lacI+lacZ-Y+A-lacI-lacZ+Y-A+/lacI+lacZ-Y+A-，發(fā)現(xiàn)了以下突變：lacI

S

阻遏蛋白不可誘導(dǎo)性突變，阻遏蛋白失去誘導(dǎo)物結(jié)合位點(diǎn)，始終作用于結(jié)構(gòu)基因，為超阻遏突變型。lacI

-

阻遏蛋白不能形成寡聚物，對(duì)lacI+隱性。lacI

-d

阻遏蛋白不能和DNA結(jié)合，且呈負(fù)互補(bǔ)(反式顯性)Oc

操縱基因的組成型突變，只對(duì)同一染色體上的結(jié)構(gòu)基因起作用，為順式顯性。關(guān)于lacI-d阻遏蛋白上具有兩種不同類型的結(jié)合位點(diǎn)：DNA-結(jié)合位點(diǎn)識(shí)別操縱基因，誘導(dǎo)物結(jié)合位點(diǎn)與小分子誘導(dǎo)物結(jié)合。一旦與誘導(dǎo)物作用使其構(gòu)象發(fā)生改變而失去與操縱基因DNA結(jié)合的能力。DNA-結(jié)合位點(diǎn)的突變是組成型的（因?yàn)樽瓒粑锊荒芎虳NA結(jié)合來(lái)阻斷轉(zhuǎn)錄）。誘導(dǎo)物結(jié)合位點(diǎn)的突變是不可誘導(dǎo)性的（由于誘導(dǎo)物不能減少阻遏物和DNA的親和力）。阻遏物功能的一個(gè)重要的特點(diǎn)是形成多聚體蛋白。在細(xì)胞中阻遏蛋白的亞基隨機(jī)結(jié)合成四聚體。當(dāng)不同的lacI

等位基因存在時(shí)，它們的產(chǎn)物作為亞基結(jié)合成異聚四聚體，其特性和同聚四聚體不同。這種亞基之間的作用類型具有多聚體蛋白的性質(zhì)，被稱為等位基因間的互補(bǔ)（interalleliccomplementation）。阻遏蛋白的結(jié)構(gòu)：N端：1～59aa，頭部片段，為HTH，與操縱基因DNA大溝結(jié)合；核心區(qū)：有6個(gè)折疊，誘導(dǎo)物就結(jié)合在兩個(gè)核心區(qū)之間的裂縫中；C端：為兩組亮氨酸拉鏈，形成四聚體。阻遏蛋白單體

的三級(jí)結(jié)構(gòu)負(fù)的互補(bǔ)（negativecomplementation）：此lacI-d的突變導(dǎo)致阻遏蛋白不能和操縱基因結(jié)合。因此它像lacI

-等位基因一樣，使操縱子呈組成型表達(dá)。由于lacI-類型的突變產(chǎn)生的阻遏物沒有活性，它相對(duì)于野生型基因是隱性的，而“-d”這個(gè)符號(hào)表示負(fù)互補(bǔ)這種突變類型是顯性的。這種突變稱反式顯性（trans-dominant），也稱為顯性失活（dominantnegatives）。這種顯性的原因是由于lacI-d等位基因產(chǎn)生一個(gè)“壞”的亞基，減少了與DNA結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)目，使四聚體和操縱基因的親和力減少。不僅它本身不能結(jié)合操縱基因的DNA，而且它還通過作為四聚體的一部分阻止四聚體中“好”的亞基與DNA結(jié)合。這就意味著阻遏蛋白四聚體是作為一個(gè)總體，而不是單個(gè)單體的簡(jiǎn)單的集合，這對(duì)完成阻遏來(lái)說是很必要的。在體外將“好”的亞基和“壞”的亞基混合起來(lái)也會(huì)產(chǎn)生破壞作用。2.乳糖操縱子的正調(diào)控1）cAMP-CAP的正調(diào)控作用cAMP由腺苷環(huán)化酶（adenylatecyclase）催化合成。CAP（cataboliteactivatorprotein，分解代謝物激活蛋白）22.5kD，是原核生物基因表達(dá)的一種正調(diào)節(jié)蛋白。乳糖啟動(dòng)子的-70到-50區(qū)是cAMP-CAP的結(jié)合位點(diǎn)。cAMP-CAP以兩種方法來(lái)激活轉(zhuǎn)錄：（1）它可能直接和RNAPol相互作用；（2）作用于DNA，改變其結(jié)構(gòu)，從而幫助RNAPol結(jié)合。cAMP-CAP可結(jié)合于相對(duì)于啟動(dòng)子的不同位點(diǎn)2）分解代謝產(chǎn)物阻遏作用當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時(shí)，即使有乳糖存在，也不誘導(dǎo)靶基因表達(dá)。這種現(xiàn)象稱為葡萄糖效應(yīng)或分解代謝產(chǎn)物阻遏，這樣的操縱子稱葡萄糖敏感操縱子。葡萄糖抑制操縱子的原理：cAMP-CAP復(fù)合物的形成取決于AMP的濃度，當(dāng)以葡萄糖為能源時(shí)，由于其抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性，ATP不能轉(zhuǎn)化為cAMP，cAMP濃度下降，不能形成cAMP-CAP復(fù)合物，RNA聚合酶無(wú)法結(jié)合在DNA上，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)。3）代謝物阻遏與誘導(dǎo)的關(guān)系受CAP調(diào)控的操縱子，其轉(zhuǎn)錄必須滿足2個(gè)條件：培養(yǎng)基中缺少葡萄糖；有操縱子的誘導(dǎo)物存在。乳糖操縱子：兩個(gè)開關(guān)第一：cAMP-CAP復(fù)合物——受葡萄糖影響第二：異乳糖復(fù)合物——受乳糖影響二、半乳糖操縱子(galactoseoperon)大腸桿菌半乳糖操縱子包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：

異構(gòu)酶(UDP-galactose-epimerase,galE)

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

半乳糖激酶(galactosekinase,galK)這3個(gè)酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖-1-磷酸。因?yàn)榘肴樘堑睦眯时绕咸烟堑?，人們猜想葡萄糖存在時(shí)半乳糖操縱子不被誘導(dǎo)，但實(shí)際上有葡萄糖存在時(shí)，gal操縱子仍可被誘導(dǎo)。現(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(jié)構(gòu)基因高效表達(dá)）；而另一類突變株中g(shù)al基因的表達(dá)完全依賴于葡萄糖，培養(yǎng)基中如無(wú)葡萄糖存在，這些細(xì)菌的gal基因不表達(dá)，不合成半乳糖代謝酶類。分析gal操縱子P-O區(qū)的DNA序列發(fā)現(xiàn)，該操縱子確實(shí)存在兩個(gè)相距僅5bp的啟動(dòng)子，可以分別起始mRNA的合成。每個(gè)啟動(dòng)子擁有各自的RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)S1和S2。從S1起始的轉(zhuǎn)錄只有在培養(yǎng)基中無(wú)葡萄糖時(shí)，才能順利進(jìn)行，RNA聚合酶與S1的結(jié)合需要半乳糖、CAP和較高濃度的cAMP。從S2起始的轉(zhuǎn)錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由這個(gè)啟動(dòng)子起始的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)有cAMP-CAP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S1開始，當(dāng)無(wú)cAMP-CAP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S2開始。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)雙啟動(dòng)子：P1依賴于cAMP-CAP，轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)為+1，-10順序位于-12~-6，稱為-10S1；P2不依賴于cAMP-CAP，轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)為-5，-10順序位于-17~-11，稱為-10S2；

(2)雙操縱基因：OE位于CAP位點(diǎn)內(nèi)，OI在galE內(nèi)部；

(3)無(wú)-35順序。

Gal既可為碳源，同時(shí)UDP-Gal又是合成細(xì)菌細(xì)胞壁的重要前體。gal操縱子的結(jié)構(gòu)(1)有GalP1啟動(dòng)K,T,E轉(zhuǎn)錄無(wú)Glc無(wú)GalP1不啟動(dòng)無(wú)GalOE與OI

結(jié)合形成環(huán)，僅轉(zhuǎn)有錄20bp有GalP2啟動(dòng)S2

轉(zhuǎn)錄galE，組成型(2)CAP-cAMP對(duì)P1正調(diào)節(jié)，對(duì)P2

抑制(3)阻遏物對(duì)P1，P2

都是負(fù)調(diào)控，CAP-cAMP含量少時(shí)P2可轉(zhuǎn)錄(機(jī)制不清)(4)P1與RNAPol親和力>>P2與RNAPol親和力，所以在沒有Glc而有Gal存在時(shí)，P1轉(zhuǎn)錄，而P2不轉(zhuǎn)錄。2.調(diào)節(jié)沒有葡萄糖的條件下有Gal存在時(shí)，galR（位于62ˊ）編碼的阻遏物失活，CAP結(jié)合在-47~23區(qū)域，RNAPol結(jié)合在-10S1區(qū)，CAP和RNAPol直接相互作用，使P1順利轉(zhuǎn)錄；無(wú)Gal時(shí)，GalR結(jié)合在OE上，OE離啟動(dòng)子有一段距離，當(dāng)GalR結(jié)合在OE上時(shí)不大可能像lac操縱子中l(wèi)acI阻遏那樣去阻礙RNAPol的結(jié)合，它阻斷S1的轉(zhuǎn)錄可能有兩種方式：影響cAMP-CAP和RNA聚合酶的作用；或通過干擾cAMP-CAP與DNA的相互作用來(lái)阻斷。有葡萄糖存在的情況下，cAMP-CAP含量少當(dāng)Gal存在時(shí)，P1不能啟動(dòng)而P2啟動(dòng)，RNA聚合酶結(jié)合在-10S2順序上，-10S2（TATGCTA）和-10S1（TATGGTT）順序相似，從S2開始轉(zhuǎn)錄galE而不轉(zhuǎn)錄另外的2個(gè)基因galT和galK。若無(wú)Gal存在，GalR可結(jié)合在OE和OI上，并使DNA彎曲形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)。S2位點(diǎn)阻遏作用和S1的阻遏機(jī)制完全不同，在上述條件下，即使有GalR存在，P2仍不受阻遏開始轉(zhuǎn)錄（組成型），但由于OI上也有GalR的結(jié)合并且成環(huán)，故轉(zhuǎn)錄只進(jìn)行20bp便停止，這個(gè)過程如何發(fā)生尚不清楚。為什么gal操縱子需要兩個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)？半乳糖不僅可以作為唯一碳源供細(xì)胞生長(zhǎng)，而且與之相關(guān)的物質(zhì)--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大腸桿菌細(xì)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(gòu)酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，該酶是galE基因的產(chǎn)物。生長(zhǎng)過程中的所有時(shí)間里細(xì)胞必須能夠合成差向異構(gòu)酶。假如只有S1一個(gè)啟動(dòng)子，那么由于這個(gè)啟動(dòng)子的活性依賴于cAMP-CAP，當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時(shí)就不能合成異構(gòu)酶。假如唯一的啟動(dòng)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(dǎo)狀態(tài)，這無(wú)疑是一種浪費(fèi)。無(wú)論從必要性或經(jīng)濟(jì)性考慮，都需要一個(gè)不依賴于cAMP-CAP的啟動(dòng)子（S2）對(duì)高水平合成進(jìn)行調(diào)節(jié)。三、阿拉伯糖操縱子參與阿拉伯糖代謝的酶基因分為3個(gè)操縱子，即araBAD、araE和araF，它們位于染色體的不同位置，但都由一個(gè)共同的調(diào)節(jié)基因araC進(jìn)行調(diào)控。這種由一個(gè)調(diào)節(jié)基因同時(shí)控制幾個(gè)操縱子的系統(tǒng)，稱為調(diào)節(jié)子（regulon）。1.結(jié)構(gòu)：具有正負(fù)調(diào)節(jié)功能的操縱子。2.特點(diǎn)：(1)araC和araBAD有各自的啟動(dòng)子PC、PBAD，它們的轉(zhuǎn)錄方向相反。(2)AraC有雙重功能，既可起正調(diào)控作用，又可起負(fù)調(diào)控作用；(3)Ｏ：O1，位于-140~-110之間，阻遏蛋白AraC結(jié)合后對(duì)araBAD只表現(xiàn)輕微的阻遏作用