原核生物基因表達(dá)調(diào)控

一.原核生物基因表達(dá)調(diào)控概述

隨著生物個(gè)體的發(fā)育，DNA分子能有序地將其所承載的遺傳信息，通過(guò)密碼子-反密碼子系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，執(zhí)行各種生理生化功能?？茖W(xué)家把從DNA到蛋白質(zhì)的過(guò)程稱為基因表達(dá)（geneexpression），對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控（generegulation或genecontrol）。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第1頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分1.基因表達(dá)調(diào)控的生物學(xué)意義適應(yīng)環(huán)境、維持生長(zhǎng)和增殖維持個(gè)體發(fā)育與分化本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第2頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分2.原核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)1）原核生物基因表達(dá)調(diào)控包括在DNA水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平和翻譯水平，但轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)是最有效、最經(jīng)濟(jì)的方式，也是最主要的調(diào)節(jié)方式。2）原核生物基因的表達(dá)調(diào)控多以操縱子為單位進(jìn)行，即：將功能相關(guān)的基因組織在一起，同時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉基因表達(dá)。3）基因調(diào)控的模式可分成兩大類，正調(diào)控和負(fù)調(diào)控，原核生物以負(fù)調(diào)控為主。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第3頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分3.原核基因表達(dá)調(diào)控的幾個(gè)概念1）順式作用元件和反式作用因子基因表達(dá)的產(chǎn)物(蛋白質(zhì)或RNA)從合成的場(chǎng)所擴(kuò)散到目標(biāo)場(chǎng)所而發(fā)揮作用的過(guò)程稱為反式作用（trans-acting），此基因表達(dá)產(chǎn)物被稱為反式作用因子（trans-actingfactor）。反式作用因子通常為的蛋白質(zhì)或RNA。順式作用（cis-acting）:任一不轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏纹渌问降腄NA序列在原位發(fā)揮作用，影響與其相連的其它DNA序列的活性。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第4頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分順式作用元件（cis-actingfactor）：指對(duì)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(gè)DNA分子上的基因。順式作用元件通常不編碼蛋白質(zhì)，多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中。如：位于轉(zhuǎn)錄單位開(kāi)始和結(jié)束位置上的啟動(dòng)子和終止子，都是典型的順式作用元件?；蚧钚缘恼{(diào)控主要通過(guò)反式作用因子和順式作用元件相互作用而實(shí)現(xiàn)。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第5頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分2）結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因

組成基因/管家基因（constitutivegene,

housekeepinggene）是指不大受環(huán)境變動(dòng)而持續(xù)表達(dá)的一類基因。如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代謝過(guò)程中十分必需的酶或蛋白質(zhì)的基因。調(diào)節(jié)基因（regulatedgene）指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動(dòng)的一類基因。如：不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期表達(dá)的一些基因。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第6頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分3）正調(diào)控和負(fù)調(diào)控正調(diào)控(positivecontrol)在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是關(guān)閉的，加入某種調(diào)節(jié)蛋白后基因活性就被開(kāi)啟，這樣的調(diào)控為正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因mRNA酶蛋白調(diào)節(jié)蛋白本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第7頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分負(fù)調(diào)控（negativecontrol)

在沒(méi)有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時(shí)基因是表達(dá)的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達(dá)活性便被關(guān)閉，這樣的調(diào)控負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控。調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白不轉(zhuǎn)錄，基因封閉本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第8頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分4）激活蛋白和阻遏蛋白激活蛋白（activator)，在正調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)蛋白稱誘導(dǎo)蛋白或激活蛋白。和操縱基因結(jié)合后引起基因表達(dá)開(kāi)放。

阻遏蛋白（repressor),

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。和操縱基因結(jié)合后引起基因表達(dá)關(guān)閉。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第9頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分

倒位片段阻遏蛋白二、DNA水平調(diào)控1.細(xì)菌DNA重排對(duì)基因表達(dá)的影響鼠傷寒沙門(mén)菌鞭毛素基因的調(diào)節(jié)本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第10頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分鼠傷寒沙門(mén)氏菌（S.typhimrium）的相轉(zhuǎn)變（phasevariation）本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第11頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分2.

σ因子對(duì)原核生物轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控σ因子:原核生物RNA聚合酶的一個(gè)亞基，是轉(zhuǎn)錄起始所必需的因子，主要影響RNA聚合酶對(duì)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的正確識(shí)別，這種σ因子稱σ70,此外還有分子量不同,功能不同的其他σ因子。在轉(zhuǎn)錄起始階段，σ因子識(shí)別特異啟動(dòng)序列；不同的σ因子決定特異編碼基因的轉(zhuǎn)錄激活，也決定不同RNA（mRNA、rRNA和tRNA）基因的轉(zhuǎn)錄。σ亞基在轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)時(shí)脫落。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第12頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分在E.coli，不同類型的啟動(dòng)子需要不同類型的σ因子

σ32

調(diào)控?zé)嵝菘嘶颍╤eatshockgenes）

σ54/60

調(diào)控氮代謝基因

σF

調(diào)控鞭毛基因

σ43

調(diào)控噬菌體基因枯草桿菌(B.subtilis)

本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第13頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分1.操縱子學(xué)說(shuō)（theoryofoperon)1961年，法國(guó)巴斯德研究院的FrancoisJacob（雅各布）與JacquesMonod（莫洛）提出獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)三.操縱子對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第14頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分2.操縱子：是原核生物在分子水平上基因表達(dá)調(diào)控的單位，由啟動(dòng)子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。操縱子可視為原核生物的轉(zhuǎn)錄單位，它可以逐個(gè)地從原核生物基因組中分離出來(lái)，對(duì)其結(jié)構(gòu)功能加以研究。ＯＰ本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第15頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分3.乳糖操縱子1)乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白）啟動(dòng)子操縱基因結(jié)構(gòu)基因本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第16頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分Z編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，還能將乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)楫悩?gòu)乳糖Y編碼β-半乳糖苷透過(guò)酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過(guò)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-半乳糖苷乙酰基轉(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。3個(gè)編碼的結(jié)構(gòu)基因本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第17頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分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?lè)醋拥膍RNA分子所編碼。

②這個(gè)mRNA分子的啟動(dòng)子緊接著操縱基因（O區(qū)），而位于I與O之間的啟動(dòng)子區(qū)（P），不能單獨(dú)啟動(dòng)下游mRNA分子的轉(zhuǎn)錄。

③操縱基因（Ｏ區(qū)）是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。

ＯＰ本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第18頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分④當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。

⑤誘導(dǎo)物通過(guò)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(shí)，操縱基因區(qū)沒(méi)有被阻遏物占據(jù)，所以啟動(dòng)子能夠順利起始mRNA的合成。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第19頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分2）lac體系受調(diào)控的證據(jù)在不含乳糖的培養(yǎng)基中，每個(gè)大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)大約只有1-2個(gè)利用乳糖的酶分子。如果在培養(yǎng)基中加入乳糖，利用乳糖的酶濃度很快達(dá)到細(xì)胞總蛋白量的6%或7%，每個(gè)細(xì)胞中可有超過(guò)105個(gè)酶分子。由底物誘導(dǎo)合成利用該底物的酶，這種現(xiàn)象稱為酶的誘導(dǎo)。

本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第20頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分

把大腸桿菌細(xì)胞放在加有放射性35S標(biāo)記的氨基酸,但沒(méi)有半乳糖誘導(dǎo)物的培養(yǎng)基中繁殖幾代然后再將這些帶有放射活性的細(xì)菌轉(zhuǎn)移到不含35S、無(wú)放射性的培養(yǎng)基中隨著培養(yǎng)基中誘導(dǎo)物的加入，β-半乳糖苷酶便開(kāi)始合成。分離β-半乳糖苷酶，發(fā)現(xiàn)這種酶無(wú)35S標(biāo)記說(shuō)明酶的合成不是由前體轉(zhuǎn)化而來(lái)的，而是加入誘導(dǎo)物后新合成的。同位素示蹤實(shí)驗(yàn)Jacob和Monod認(rèn)為誘導(dǎo)酶（他們當(dāng)時(shí)稱為適應(yīng)酶）現(xiàn)象是個(gè)基因調(diào)控問(wèn)題，可以用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究，因此選為突破口，終于通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)及分析，于1961年建立了該操縱子的控制模型。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第21頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分酶的誘導(dǎo)本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第22頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分酶的誘導(dǎo)現(xiàn)象是生物進(jìn)化過(guò)程中出現(xiàn)的一種合理、經(jīng)濟(jì)地利用有限資源的本能。酶誘導(dǎo)已證明是低等生物的普遍現(xiàn)象。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第23頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分3）乳糖操縱子可誘導(dǎo)的負(fù)調(diào)節(jié)機(jī)制無(wú)乳糖:lac操縱子處于阻遏狀態(tài)(repression)有乳糖:lac操縱子即可被誘導(dǎo)誘導(dǎo)劑(inducer):別乳糖、半乳糖、IPTG

（異丙基硫代半乳糖苷）本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第24頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第25頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第26頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第27頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分經(jīng)誘導(dǎo)后，RNA聚合酶首先與啟動(dòng)區(qū)(P)結(jié)合，通過(guò)操縱區(qū)(O)向右轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄從O區(qū)的中間開(kāi)始，按Z→Y→A方向進(jìn)行，每次轉(zhuǎn)錄出來(lái)的一條mRNA上都帶有這3個(gè)基因。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第28頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分

別乳糖是lac操縱子轉(zhuǎn)錄的活性誘導(dǎo)物異丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside：IPTG）結(jié)構(gòu)上類似于別乳糖，是乳糖操縱子非常有效的誘導(dǎo)物。可誘導(dǎo)lac操縱子表達(dá)，但不能被β-半乳糖苷酶水解。這種能誘導(dǎo)酶合成，但不能被酶分解的分子稱為安慰誘導(dǎo)物（gratuitousinducer）。安慰誘導(dǎo)物由于能在細(xì)胞內(nèi)保持原型不變，因此很有用處。IPTG常用于誘導(dǎo)含有使用了lac啟動(dòng)子的質(zhì)粒載體的細(xì)菌中的重組蛋白的表達(dá)。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第29頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第30頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分4）乳糖操縱子的正調(diào)控當(dāng)大腸桿菌以乳糖為唯一碳原時(shí)，lac操縱子可被乳糖誘導(dǎo)而表達(dá)，可是在培養(yǎng)基中同時(shí)加入葡萄糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖，只有葡萄糖耗盡時(shí)，乳糖才能誘導(dǎo)基因的表達(dá)，這種現(xiàn)象稱為分解物阻遏/代謝物阻遏（cataboliterepression);葡萄糖效應(yīng)：是指當(dāng)葡萄糖和其它糖類一起作為細(xì)菌的碳源時(shí)葡萄糖總是優(yōu)先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖類的利用的現(xiàn)象。

本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第31頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分細(xì)菌在富含葡萄糖的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的時(shí)，葡萄糖可降低細(xì)菌體內(nèi)cAMP的水平。在細(xì)菌中，cAMP與CAP（cataboliteactivatorprotein）結(jié)合形成二元復(fù)合物共同發(fā)揮作用。只有cAMP存在時(shí)，CAP才有活性。CAP是cAMP受體蛋白（cAMPreceptorprotein,CRP),其分子內(nèi)有DNA結(jié)合區(qū)及cAMP結(jié)合位點(diǎn)，是一個(gè)正調(diào)控因子，生化和遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，CAP可以結(jié)合到啟動(dòng)子的某個(gè)部位而激活操縱子的轉(zhuǎn)錄。在依賴CAP的啟動(dòng)子上起始轉(zhuǎn)錄必須有CAP參與。cAMP下降，CAP無(wú)活性不能與控制區(qū)結(jié)合，RNA聚合酶就不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。原因：本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第32頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分在lac操縱元的啟動(dòng)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(shí)，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(shí)，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，lac操縱元的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)下降。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第33頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第34頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分

TheLacOperon:

I.葡萄糖存在，乳糖不存在RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNACAP葡萄糖存在，乳糖不存在，阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，基因不轉(zhuǎn)錄X本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第35頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分

TheLacOperon:

II.乳糖存在，葡萄糖不存在RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNACAPcAMPLacRepressorRepressorXCAPcAMPCAPcAMPRNAPol.RNAPol.葡萄糖不存在，乳糖存在，阻遏蛋白失活，cAMP+CAP與CAP位點(diǎn)結(jié)合結(jié)合，促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第36頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分TheLacOperon:

III.葡萄糖和乳糖都存在RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNACAPLacRepressorRepressorXRNAPol.X葡萄糖存在，乳糖存在，阻遏蛋白失活，cAMP缺乏，不與CAP結(jié)合，基因不轉(zhuǎn)錄本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第37頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分

TheLacOperon:

IV.乳糖不存在，葡萄糖也不存在RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPRNAPol.RepressorRepressormRNARepressor葡萄糖不存在，乳糖不存在，阻遏蛋白與操縱基因結(jié)合，cAMP+CAP與CAP位點(diǎn)結(jié)合，基因不轉(zhuǎn)錄本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第38頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分Plac是弱啟動(dòng)子，僅由乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱子轉(zhuǎn)錄開(kāi)放，還不能使細(xì)菌很好利用乳糖，必需同時(shí)有CAP來(lái)加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，細(xì)菌才能合成足夠的酶來(lái)利用乳糖。細(xì)胞內(nèi)cAMP與CRP/CAP（環(huán)腺苷酸受體蛋白/代謝物激活蛋白，由Ｃrp基因編碼）形成的復(fù)合物是啟動(dòng)lac轉(zhuǎn)錄的必要條件。cAMP參與的正調(diào)節(jié)作用機(jī)制本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第39頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分葡萄糖的存在降低了細(xì)胞內(nèi)cAMP的含量，所以葡萄糖存在時(shí)，不能形成復(fù)合物，從而抑制乳糖代謝操縱子的表達(dá)。lac操縱子的強(qiáng)誘導(dǎo)既需要有乳糖的存在又需要沒(méi)有葡萄糖可供利用。通過(guò)這機(jī)制，細(xì)菌是優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無(wú)葡萄糖而又有乳糖時(shí)，細(xì)菌才去充分利用乳糖。結(jié)論：lac操縱子強(qiáng)的誘導(dǎo)作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第40頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)(coordinateregulation)

負(fù)調(diào)節(jié)與正調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)合作阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP不發(fā)揮作用如沒(méi)有CAP加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄，即使阻遏蛋白從操作基因上解聚仍無(wú)轉(zhuǎn)錄活性降解物敏感型操縱子都有類似調(diào)節(jié)機(jī)制。

如：乳糖操縱子、阿拉伯糖及麥芽糖等的操縱子。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第41頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分araB、araA和araD基因參與阿拉伯糖的降解，它們是一個(gè)基因簇，簡(jiǎn)寫(xiě)為araBAD。

araB編碼核酮糖激酶，

araA編碼L-阿拉伯糖異構(gòu)酶，

araD編碼L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構(gòu)酶。4.阿拉伯糖操縱子三個(gè)基因的表達(dá)受到ara操縱子中1個(gè)基因araC

轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物AraC的調(diào)控。

1）

阿拉伯糖操縱子結(jié)構(gòu)本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第42頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分araBAD具有復(fù)合啟動(dòng)子區(qū)域，兩個(gè)操縱區(qū)（O1，O2）和一個(gè)調(diào)節(jié)基因araC。AraC蛋白同時(shí)顯示正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的功能。（在lac和gal操縱子中，阻遏蛋白只能作為負(fù)調(diào)節(jié)因子）。

araBAD和araC基因的轉(zhuǎn)錄是分別在一條鏈上以相反的方向進(jìn)行的，araBAD基因簇從啟動(dòng)子PBAD開(kāi)始向右進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，而araC基因則是從Pc向左轉(zhuǎn)錄本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第43頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分PrPi本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第44頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分2）

阿拉伯糖操縱子特點(diǎn)ara操縱子的調(diào)控有三個(gè)特點(diǎn)：第一，araC表達(dá)受到AraC的自動(dòng)調(diào)控。第二，AraC既可充當(dāng)阻遏物，也可作為激活劑。第三，cAMP與CAP結(jié)合可作為正調(diào)節(jié)物誘導(dǎo)ara操縱子表達(dá)。

3）

阿拉伯糖操縱子調(diào)控本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第45頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分有葡萄糖，缺阿拉伯糖有阿拉伯糖，沒(méi)有葡萄糖存在葡萄糖和阿拉伯糖都存在本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第46頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分AraC蛋白具有PBAD活性正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的雙重功能。Pr是起阻遏作用的形式，可與類操縱區(qū)位點(diǎn)(araI,araO2)相結(jié)合，而Pi是起誘導(dǎo)作用的形式，它通過(guò)與araO1，araI結(jié)合啟動(dòng)araBAD轉(zhuǎn)錄。沒(méi)有阿拉伯糖時(shí)，Pr形式占優(yōu)勢(shì)；一旦有阿拉伯糖存在，它就能夠與AraC蛋白結(jié)合，使平衡趨向于Pi形式。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第47頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分a.當(dāng)葡萄糖和阿拉伯糖都存在時(shí),過(guò)量AraC蛋白結(jié)合于araO1處，使RNA聚合酶不能結(jié)合araPc，阻止由Pc啟動(dòng)子起始araC基因轉(zhuǎn)錄；b.葡萄糖水平較高時(shí)，阿拉伯糖水平低時(shí)，AraC蛋白為阻遏蛋白Pr，與操縱區(qū)O2以及araI上半?yún)^(qū)相結(jié)合，形成DNA回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，araBAD基因和araC基因均不表達(dá)；c.有阿拉伯糖但無(wú)葡萄糖存在時(shí)，AraC與阿拉伯糖相結(jié)合，成為激活蛋白Pi，與araO1和araI區(qū)相結(jié)合，在CRP-cAMP的共同作用下起始結(jié)構(gòu)基因表達(dá)。總結(jié)本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第48頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第49頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第50頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分1）色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)

色氨酸操縱子(tryptophaneoperon)負(fù)責(zé)色氨酸的生物合成，當(dāng)培養(yǎng)基中有足夠的色氨酸時(shí)，這個(gè)操縱子自動(dòng)關(guān)閉，缺乏色氨酸時(shí)操縱子被打開(kāi)，其結(jié)構(gòu)基因表達(dá)，為可阻遏的操縱子模型。由于trp體系參與生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CAP的調(diào)控。5.色氨酸操縱子色氨酸的合成分5步完成。每個(gè)環(huán)節(jié)需要一種酶。這5種酶的基因緊密連鎖在一起，被轉(zhuǎn)錄在一條多順?lè)醋觤RNA上。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第51頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分5個(gè)基因分別以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表，編碼了與色氨酸合成有關(guān)的五種酶。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第52頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分trpE基因是第一個(gè)被翻譯的基因，和trpE相鄰的是啟動(dòng)子區(qū)（P）和操縱區(qū)（O）。前導(dǎo)區(qū)和弱化子區(qū)分別定名為trpL和trpa（不是trpA）。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第53頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分trp操縱子中產(chǎn)生阻遏物的基因是trpR，該基因距trp基因簇很遠(yuǎn)，后者在大腸桿菌染色體圖上25cM處，而前者則位于90cM處。

本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第54頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分2）trp操縱子的阻遏機(jī)制trpR基因產(chǎn)物為無(wú)活性的阻遏蛋白，此蛋白平常不與操縱區(qū)相結(jié)合。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第55頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分當(dāng)培養(yǎng)基中有色氨酸時(shí)，該阻遏蛋白與色氨酸相結(jié)合形成有活性的阻遏物，與操縱區(qū)結(jié)合并關(guān)閉trpmRNA轉(zhuǎn)錄。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第56頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第57頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分阻遏-操縱機(jī)制對(duì)色氨酸來(lái)說(shuō)是一個(gè)一級(jí)開(kāi)關(guān)，主管轉(zhuǎn)錄是否啟動(dòng)，相當(dāng)于粗調(diào)開(kāi)關(guān)。trp操縱子中對(duì)應(yīng)于色氨酸生物合成的還有另一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)控，即：通過(guò)轉(zhuǎn)錄達(dá)到第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因之前終止轉(zhuǎn)錄來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)控。這個(gè)細(xì)微調(diào)控是由色氨酸的濃度來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)Trp濃度較低時(shí)，轉(zhuǎn)錄得到7kb的mRNA；當(dāng)有高濃度Trp存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄僅生成140核苷酸的前導(dǎo)RNA；這種調(diào)控機(jī)制就是弱化作用。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第58頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第59頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分

3）色氨酸操縱子的弱化系統(tǒng)

1）前導(dǎo)肽及其序列結(jié)構(gòu)

在trpmRNA5‘端trpE基因的起始密碼前有一個(gè)長(zhǎng)162bp的mRNA片段被稱為前導(dǎo)區(qū)。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第60頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分前導(dǎo)區(qū)（L區(qū)）編碼的多肽稱為前導(dǎo)肽。分析前導(dǎo)肽序列，發(fā)現(xiàn)它包括起始密碼子AUG，可編碼一個(gè)14個(gè)氨基酸的多肽。該多肽有一個(gè)特征，其第10位和11位有相鄰的兩個(gè)色氨酸密碼子。（組氨酸、苯丙氨酸操縱子中都有這種現(xiàn)象）若前導(dǎo)區(qū)當(dāng)中123－150位堿基序列缺失，trp基因表達(dá)可提高6－10倍。此區(qū)域被稱為弱化子。弱化子/衰減子（attenuator)：位于轉(zhuǎn)錄單位開(kāi)始區(qū)，起終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)作用的一段核苷酸序列。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第61頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分研究弱化子序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNA通過(guò)自我配對(duì)可形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第62頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)mRNA合成起始以后，如果培養(yǎng)基中有色氨酸，轉(zhuǎn)錄總是在前導(dǎo)區(qū)終止，產(chǎn)生一個(gè)僅有140個(gè)核苷酸的RNA分子，終止trp基因轉(zhuǎn)錄。2）mRNA前導(dǎo)區(qū)序列分析本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第63頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分trp前導(dǎo)區(qū)的堿基序列已經(jīng)全部測(cè)定，其中4個(gè)分別以1、2、3和4表示的片段能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對(duì)，有時(shí)以1-2和3-4配對(duì)，有時(shí)只以2-3方式互補(bǔ)配對(duì)。4123Terminatorharipin4123本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第64頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分3）轉(zhuǎn)錄的弱化效應(yīng)

（1）當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸的濃度很低時(shí)，負(fù)載有色氨酸的tRNA也就少，這樣翻譯通過(guò)兩個(gè)相鄰色氨酸密碼子的速度就會(huì)很慢，當(dāng)4區(qū)被轉(zhuǎn)錄完成時(shí)，核糖體才進(jìn)行到1區(qū)，這時(shí)的前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)是2-3配對(duì)，所以轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進(jìn)行。

本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第65頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分3’5’5’3’4123RNAPol.RibosomeHelp,IneedTryptophan本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第66頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分

（2）當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸濃度較高時(shí)，核糖體可順利通過(guò)兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前就到達(dá)2區(qū)，使2-3區(qū)不能配對(duì)，3-4區(qū)自由配對(duì)形成發(fā)夾終止子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄被終止，trp操縱子被關(guān)閉。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第67頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分3’5’5’3’4123RibosomeRNAPol.本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第68頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分4）弱化子的作用機(jī)制弱化子對(duì)基因活性的影響是通過(guò)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。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。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第69頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分四.轉(zhuǎn)錄終止階段的調(diào)控1）抗終止作用不同的終止子的作用也有強(qiáng)弱之分，有的終止子幾乎能完全停止轉(zhuǎn)錄；有的則只是部分終止轉(zhuǎn)錄，一部分RNA聚合酶能越過(guò)這類終止序列繼續(xù)沿DNA移動(dòng)并轉(zhuǎn)錄。如果一串結(jié)構(gòu)基因群中間有這種弱終止子的存在，則前后轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的量會(huì)有所不同，這也是終止子調(diào)節(jié)基因群中不同基因表達(dá)產(chǎn)物比例的一種方式。有的蛋白因子能作用于終止序列或與ρ因子結(jié)合，減弱或取消終止子的作用，稱為抗終止作用(antitermination)，這類引起抗終止作用蛋白因子就稱為抗終止因子(antiterminator)?？菇K止作用最有代表性的例子見(jiàn)于λ噬菌體的時(shí)序控制。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第70頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分噬菌體生活史溶菌途徑溶源途徑本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第71頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第72頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分PL

、PR

：左右向轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)子PRM:CⅠ蛋白基因維持啟動(dòng)子，受CⅠ濃度調(diào)控CⅠ蛋白：是PL、PR的主要阻遏物，并可自主調(diào)控PRMcro蛋白：

PL

、PR的阻遏蛋白，并可抑制PRM，抑制cⅠ表達(dá)

本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第73頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分

λ噬菌體裂解生長(zhǎng)與溶源化的建立取決于兩種阻遏蛋白CⅠ和Cro的合成。當(dāng)CⅠ蛋白的合成占優(yōu)勢(shì)時(shí)，PRM被激活，CⅠ蛋白繼續(xù)起始合成，因而溶源化狀態(tài)建立；相反Cro蛋白合成占優(yōu)勢(shì)，則PRM被抑制，沒(méi)有CⅠ蛋白的合成，于是λ噬菌體在

Cro蛋白的控制下進(jìn)入裂解生長(zhǎng)。CⅠ＞

Cro溶源；

CⅠ＜

Cro溶菌本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第74頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分λ噬菌體進(jìn)入細(xì)菌后，由于DNA上無(wú)調(diào)節(jié)蛋白。寄主RNA聚合酶分別結(jié)合于PL和PR。

PR轉(zhuǎn)錄Cro蛋白。PL轉(zhuǎn)錄翻譯產(chǎn)生抗終止蛋白N。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第75頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分

在抗終止蛋白N的幫助下，轉(zhuǎn)錄翻譯出CⅡ、CⅢ蛋白。在CⅡ、CⅢ蛋白作用下，PRE（PRE主管建立溶源，repressorforestablishmentoflysogeny，位于cro和cⅡ之間）的操縱子向左轉(zhuǎn)錄cⅠ基因，產(chǎn)生CⅠ蛋白。CⅡ、CⅢ蛋白活化PRE本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第76頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分溶菌途徑

cro表達(dá)在先，cⅠ在后，且cⅠ的表達(dá)需CⅡ和CⅢ幫助。而CⅡ可被寄主蛋白酶（hfl編碼）水解。因此，當(dāng)hfl產(chǎn)物存在時(shí)cⅠ基因不表達(dá)。此時(shí)Cro含量遠(yuǎn)大于cⅠ。且占據(jù)OR3則使cⅠ不能轉(zhuǎn)錄，進(jìn)入溶菌途徑。因此，Cro是進(jìn)入溶菌途徑的關(guān)鍵蛋白。溶源途徑hfl表達(dá)受一系列基因的調(diào)控，寄主細(xì)胞碳源和能源缺乏時(shí)，使hfl產(chǎn)物活性降低，同時(shí)，CⅢ抑制hfl產(chǎn)物活性。因此，CⅡ增加，從而導(dǎo)致CⅠ增加。

CⅠ可抑制cro的表達(dá)，使噬菌體進(jìn)入溶源途徑。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第77頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分2）弱化作用弱化作用（attennuation）是CharlesYanofsky等在研究色氨酸操縱子的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一種新的基因表達(dá)調(diào)控方式。弱化作用是通過(guò)DNA中可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過(guò)程過(guò)早終止的一段核苷酸序列而發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的。其共同特點(diǎn)是某些外部因素控制著弱化子發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第78頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分五.翻譯水平的調(diào)控1)mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)翻譯起始的調(diào)控SD序列與起始密碼子AUG之間的距離是影響mRNA轉(zhuǎn)錄、翻譯成蛋白的重要因素之一，某些蛋白質(zhì)與SD序列結(jié)合也會(huì)影響mRNA與核糖體的結(jié)合，從而影響蛋白質(zhì)的翻譯。SD序列與16SrRNA3’-端的相應(yīng)序列配對(duì)影響翻譯起始。強(qiáng)的配對(duì)可使翻譯頻率提高，反之翻譯頻率低。mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)影響隱蔽SD序列，影響核糖體小亞基與mRNA的結(jié)合，影響翻譯。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第79頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分E.coli的RNA噬菌體MS2,R17,f2和Qβ都非常?。ㄖ睆郊s為250）,是最簡(jiǎn)單的病毒?；蚪M長(zhǎng)3600～4200nt，只含4個(gè)基因：A、cp、Rep和Lys。CP(coatprotein)編碼外殼蛋白（含129aa,MW為13.7KDa）A（attachment）編碼附著蛋白（含393氨aa，MW為44KDa）Rep（replicase）編碼復(fù)制酶（含544aa，MW為61KKDa）；lys（lysis）編碼裂解蛋白,和cp，Rep基因重疊，該蛋白含75aa。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第80頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第81頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分翻譯一個(gè)順?lè)醋有枰?jí)結(jié)構(gòu)的改變。mRNA上有多個(gè)核糖體存在時(shí)，第一個(gè)順?lè)醋拥姆g會(huì)破壞mRNA原有的二級(jí)結(jié)構(gòu)，使核糖體能夠與下一個(gè)順?lè)醋拥姆g起始區(qū)域結(jié)合。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第82頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分mRNA的降解速度受細(xì)菌的生理狀態(tài)、環(huán)境因素及mRNA結(jié)構(gòu)的影響；mRNA分子自身回折產(chǎn)生的莖環(huán)結(jié)構(gòu)有助于維持mRNA穩(wěn)定性；2)

mRNA穩(wěn)定性對(duì)翻譯的調(diào)控本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第83頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第84頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分3)反義RNA的調(diào)控1984年Mizuno,T.和Iwoue發(fā)現(xiàn)干擾mRNA的互補(bǔ)RNA（mic-RNA,mRNA-interferingcomplementaryRNA）AntisenseRNA的作用可能有三種機(jī)制。(1)反義RNA與mRNA上核糖體結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，形成雙鏈區(qū)，使核糖體不能結(jié)合，使翻譯不能起始；(2)在復(fù)制水平，與引物RNA互補(bǔ)結(jié)合，抑制DNA復(fù)制；(3)在靶分子的部分區(qū)域形成雙鏈區(qū)，使靶分子成為內(nèi)切酶的特異底物。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第85頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第86頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分4)蛋白質(zhì)合成水平的自體調(diào)控指一個(gè)基因的表達(dá)產(chǎn)物蛋白質(zhì)或者RNA反過(guò)來(lái)控制自身基因的翻譯表達(dá)。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第87頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分細(xì)菌編碼核糖體蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)合成因子和RNA聚合酶亞基等蛋白質(zhì)的基因混合組成幾個(gè)操縱子。每個(gè)操縱子都含有數(shù)個(gè)基因。這些操縱子的表達(dá)都受操縱子自身的一些基因產(chǎn)物的調(diào)控。操縱子自身編碼的蛋白質(zhì)的富集會(huì)抑制其自身及一些相關(guān)基因產(chǎn)物的進(jìn)一步合成。一種蛋白質(zhì)或RNA調(diào)控其自身的表達(dá)，即為自體調(diào)控。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第88頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分（1）阻遏蛋白對(duì)翻譯起始的調(diào)控阻遏蛋白通過(guò)與mRNA的特定區(qū)域結(jié)合，抑制核糖體對(duì)翻譯起始區(qū)的識(shí)別。這種調(diào)控最常見(jiàn)的形式是，調(diào)控蛋白與含有起始密碼子AUG的序列直接結(jié)合，從而阻止核糖體的結(jié)合。（2）核糖體蛋白質(zhì)的合成與rRNA的合成直接相關(guān)。（3）RF2蛋白合成、T4噬菌體基因32的表達(dá)產(chǎn)物都與自體調(diào)控有關(guān)。本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第89頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第90頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第91頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分本文檔共103頁(yè)；當(dāng)前第92頁(yè)；編輯于星期一\13點(diǎn)58分