第l七章原核生物基因表達調控模式

第六章基因的表達與調控(上)

——原核基因表達調控模式本文檔共113頁；當前第1頁；編輯于星期三\8點51分一、基因表達（geneexpression）

DNA

RNA

蛋白質基因表達的調控：生物有機體對其基因表達的時空程序、表達速率等所進行的調節(jié)和控制。本文檔共113頁；當前第2頁；編輯于星期三\8點51分

二、基因表達的調控（generegulation）

1、轉錄水平上的調控：轉錄水平上的對基因的調控決定于DNA的結構、RNA聚合酶的功能、蛋白質因子及其他小分子物質的相互作用。2、轉錄后水平上的調控：mRNA加工成熟水平上的調控；翻譯水平上的調控。本文檔共113頁；當前第3頁；編輯于星期三\8點51分基因激活轉錄起始mRNA水平蛋白質水平本文檔共113頁；當前第4頁；編輯于星期三\8點51分三、基因表達調控的信號：原核生物

營養(yǎng)狀況、環(huán)境因素真核生物

激素水平、發(fā)育階段環(huán)境變化基因表達調控適應細胞本文檔共113頁；當前第5頁；編輯于星期三\8點51分

第一節(jié)原核基因表達調控總論本文檔共113頁；當前第6頁；編輯于星期三\8點51分一、原核生物的基因表達調控類型（一）轉錄水平的調控起始階段----主要延伸階段----通常不受調控終止階段----可能受到調控（二）翻譯水平的調控主要發(fā)生在起始和終止階段本文檔共113頁；當前第7頁；編輯于星期三\8點51分（一）轉錄水平調控的類型正調控（positiveregulation）負調控（negativeregulation）inhibitorgenegeneactivator調控蛋白結構基因表達正調控負調控

負調控：抑制基因表達的調控方式正調控：促進基因表達的調控方式1、正調控和負調控本文檔共113頁；當前第8頁；編輯于星期三\8點51分inducergenegene誘導(induction)阻遏(repression)repressor特殊代謝物結構基因表達誘導阻遏誘導物、可誘導基因、誘導酶阻遏物、可阻遏基因、可阻遏酶2、特殊代謝物的調控本文檔共113頁；當前第9頁；編輯于星期三\8點51分誘導:在某些代謝物或化合物的作用下，基因由原來的關閉狀態(tài)轉變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)誘導物：能引起誘導發(fā)生的分子可誘導基因：誘導調節(jié)中被活化的基因誘導酶：可誘導基因表達的酶本文檔共113頁；當前第10頁；編輯于星期三\8點51分阻遏：在某些代謝物或化合物的作用下，基因由原來的關閉狀態(tài)轉變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)阻遏物：能導致阻遏發(fā)生的分子可阻遏基因：阻遏調節(jié)中被關閉的基因可阻遏酶：可阻遏基因表達的酶本文檔共113頁；當前第11頁；編輯于星期三\8點51分

特殊代謝物調控的分子機理

特殊代謝物是調控蛋白的變構劑，與調控蛋白結合可使調控蛋白的空間構像發(fā)生變化，從而改變其對基因轉錄的影響本文檔共113頁；當前第12頁；編輯于星期三\8點51分調控蛋白和代謝物的共同作用調控蛋白結構基因表達正調控負調控特殊代謝物誘導阻遏本文檔共113頁；當前第13頁；編輯于星期三\8點51分3、原核生物基因轉錄調控的4種類型（1）負控誘導系統(tǒng)本文檔共113頁；當前第14頁；編輯于星期三\8點51分mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏蛋白的負性調節(jié)阻遏基因本文檔共113頁；當前第15頁；編輯于星期三\8點51分mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶本文檔共113頁；當前第16頁；編輯于星期三\8點51分（2）正控誘導系統(tǒng)本文檔共113頁；當前第17頁；編輯于星期三\8點51分++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP本文檔共113頁；當前第18頁；編輯于星期三\8點51分mRNA低半乳糖時高半乳糖時葡萄糖低cAMP濃度高葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO本文檔共113頁；當前第19頁；編輯于星期三\8點51分（3）負控阻遏系統(tǒng)本文檔共113頁；當前第20頁；編輯于星期三\8點51分（4）正控阻遏系統(tǒng)本文檔共113頁；當前第21頁；編輯于星期三\8點51分在這種調節(jié)方式中，起信號作用的是有特殊負載的氨酰-tRNA的濃度，在色氨酸操縱子中就是色氨酰-tRNA的濃度。當操縱子被阻遏，RNA合成被終止時，起終止轉錄信號作用的那一段DNA序列被稱為弱化子。屬于這種調節(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、異亮氨酸操縱子和纈氨酸操縱子以及沙門氏菌的組氨酸操縱子和亮氨酸操縱子、嘧啶合成操縱子等等。二、弱化子對基因活性的影響本文檔共113頁；當前第22頁；編輯于星期三\8點51分TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調節(jié)區(qū)結構基因RNA聚合酶RNA聚合酶色氨酸操縱子本文檔共113頁；當前第23頁；編輯于星期三\8點51分UUUU……UUUU……調節(jié)區(qū)結構基因trpROP前導序列衰減子區(qū)域UUUU……前導mRNA1234衰減子結構

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結構能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……本文檔共113頁；當前第24頁；編輯于星期三\8點51分UUUU……34UUUU3’34核糖體前導肽前導mRNA1.當色氨酸濃度高時轉錄衰減機制125’trp密碼子衰減子結構就是終止子可使轉錄前導DNAUUUU3’RNA聚合酶終止本文檔共113頁；當前第25頁；編輯于星期三\8點51分UUUU……342423UUUU……核糖體前導肽前導mRNA15’trp密碼子

結構基因前導DNARNA聚合酶2.當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關結構基因被轉錄序列3、4不能形成衰減子結構本文檔共113頁；當前第26頁；編輯于星期三\8點51分有葡萄糖存在的情況下，即使在細菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麥芽糖等誘導物，與其相對應的操縱子也不會啟動，不會產生出代謝這些糖的酶來，這種現象稱為葡萄糖效應或稱為降解物抑制作用。降解物抑制作用是通過提高轉錄強度來調節(jié)基因表達的，是一種積極的調節(jié)方式。三、降解物對基因活性的調節(jié)本文檔共113頁；當前第27頁；編輯于星期三\8點51分細菌有時會碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓——氨基酸的全面匱乏。細菌會產生一個應急反應——停止包括生產各種RNA、糖、和蛋白質的幾乎全部生物化學反應過程。實施這一應急反應的信號是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸(pppGpp)。產生這兩種物質的誘導物是空載tRNA。四、細菌的應急反應本文檔共113頁；當前第28頁；編輯于星期三\8點51分當氨基酸饑餓時，細胞中便存在大量的不帶氨基酸的tRNA，這種空載的tRNA會激活焦磷酸轉移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp的出現會關閉許多基因，以應付這種緊急狀況。ppGpp影響RNA聚合酶與這些基因轉錄起始位點的結合，使基因被關閉。ppGpp與pppGpp的作用范圍十分廣泛，它們影響一大批操縱子而被稱為超級調控因子。本文檔共113頁；當前第29頁；編輯于星期三\8點51分SOS反應

SOS基因紫外線激活RecALexA阻遏蛋白與DNA損傷修復有關的酶和蛋白質基因表達LexA阻遏蛋白操縱序列DNA本文檔共113頁；當前第30頁；編輯于星期三\8點51分第二節(jié)乳糖操縱子與負控誘導系統(tǒng)本文檔共113頁；當前第31頁；編輯于星期三\8點51分操縱子(operon)

概念：

在原核生物中，若干結構基因可串聯在一起，其表達受到同一調控系統(tǒng)的調控，這種基因的組織形式稱為操縱子。發(fā)現：

1961年大腸桿菌能利用乳糖作為碳源，而利用乳糖作為碳源的酶只有當乳糖成為惟一的碳源時才會被合成。JacobandMonod---乳糖操縱子模型

本文檔共113頁；當前第32頁；編輯于星期三\8點51分一、乳糖操縱子(lacoperon)的結構調控區(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：乙酰基轉移酶ZYAOPDNA本文檔共113頁；當前第33頁；編輯于星期三\8點51分1、結構基因（1）lacZ：編碼b

－半乳糖苷酶

（使乳糖水解）（2）lacY：編碼b

－半乳糖苷透過酶（使b

－半乳糖苷透過細胞壁、質膜進入細胞內）（3）lacA：編碼b

－半乳糖苷乙酰轉移酶（將乙?；D移到b

－半乳糖苷上）本文檔共113頁；當前第34頁；編輯于星期三\8點51分2、調節(jié)基因（regulatorygene）

（1）概念：其產物參與調控其他結構基因表達的基因lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacImRNA本文檔共113頁；當前第35頁；編輯于星期三\8點51分（2）特點：a、可在結構基因群附近、也可遠離結構基因b、不僅對同一條DNA鏈上的結構基因起作用，而且能對不同DNA鏈上的結構基因起作用本文檔共113頁；當前第36頁；編輯于星期三\8點51分（3）調控蛋白：類型：a、阻遏蛋白（repressiveprotein）與操縱元件結合后能減弱或阻止所調控基因轉錄的調控蛋白b、激活蛋白（activatingprotein）與操縱元件結合后能增強或啟動所調控基因轉錄的調控蛋白本文檔共113頁；當前第37頁；編輯于星期三\8點51分3、操縱元件（operator）（1）與啟動子鄰近或與啟動子部分序列重疊（2）具有回文結構，能形成十字形結構。（3）與不同構像的蛋白質結合，可以分別起阻遏或激活基因表達的作用

lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI本文檔共113頁；當前第38頁；編輯于星期三\8點51分4、啟動子(promoter)是指能被RNA聚合酶識別、結合并啟動基因轉錄的一段DNA序列。（1）-10序列---Pribnow盒：TATAAT；（2）-35bp序列：TTGACA操縱子至少有一個啟動子，一般在第一個結構基因5’上游，控制整個結構基因群的轉錄本文檔共113頁；當前第39頁；編輯于星期三\8點51分5、終止子（terminator）是給予RNA聚合酶轉錄終止信號的DNA序列（1）不依賴ρ因子的終止子（2）依賴ρ因子的終止子在一個操縱元中至少在結構基因群最后一個基因的后面有一個終止子本文檔共113頁；當前第40頁；編輯于星期三\8點51分圖10.4乳糖操縱子長度約為6000bp。左端的LacI基因有它自己的啟動子和終止子，LacI基因的末端緊接啟動子P。操作基因O占據LacZ基因的前26bp，LacZ基因之后是LacY基因和LacA基因以及終止子。本文檔共113頁；當前第41頁；編輯于星期三\8點51分

圖10.5

圍繞著乳糖操縱子轉錄啟始位點，阻遏蛋白和RNA聚合酶的結合區(qū)域相互重疊。

本文檔共113頁；當前第42頁；編輯于星期三\8點51分

大腸桿菌乳糖操縱子（lactoseoperon）包括3個結構基因：Z、Y和A，以及啟動子、控制子和阻遏子等。轉錄的調控是在啟動區(qū)和操縱區(qū)進行的。LacI——阻抑蛋白，LacZ——β-糖苷酶，LacY——透性酶，LacA——轉乙酰基酶。本文檔共113頁；當前第43頁；編輯于星期三\8點51分三種酶的功能：①.β-半乳糖酶：將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖②.滲透酶：增加糖的滲透，易于攝取乳糖和半乳糖③.轉乙酰酶：β-半乳糖轉變成乙酰半乳糖本文檔共113頁；當前第44頁；編輯于星期三\8點51分一般情況下，lac+基因型大腸桿菌細胞內β-半乳糖苷酶和透過酶的濃度很低，每個細胞只有1～2個酶分子。但是，在乳糖培養(yǎng)基上酶的濃度很快達到細胞總蛋白量的6%或7%，超過105個酶分子lacmRNA/細胞。在無葡萄糖有乳糖的培養(yǎng)基中，lac+細菌中將同時合成β-半乳糖苷酶和透過酶。二、酶的誘導——lac體系受調控的證據本文檔共113頁；當前第45頁；編輯于星期三\8點51分圖10.6培養(yǎng)基添加誘導物(β-半乳糖苷)能迅速誘導LacmRNA，稍后便合成該酶；若除去誘導物則合成迅速停止。本文檔共113頁；當前第46頁；編輯于星期三\8點51分用32P標記的mRNA與模板DNA進行定量分子雜交，表明培養(yǎng)基中加入乳糖1～2分鐘后，編碼β-半乳糖苷酶和透過酶的lacmRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。本文檔共113頁；當前第47頁；編輯于星期三\8點51分6/27/2023南京農業(yè)大學生命科學學院48實驗室常用兩種乳糖類似物——異丙基巰基半乳糖苷（IPTG）和巰甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常用發(fā)色底物O-硝基半乳糖苷（ONPG）。因為它們都不是半乳糖苷酶的底物，所以又稱為安慰性誘導物。本文檔共113頁；當前第48頁；編輯于星期三\8點51分（一）乳糖操縱子的控制模型的內容如下：Z、Y、A基因產物由同一條多順反子mRNA分子所編碼該mRNA分子的啟動區(qū)（P）位于阻遏基因（I）與操縱區(qū)（O）之間，不能單獨起始半乳糖苷酶和透過酶基因的高效表達。操縱區(qū)是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結合位點。三、操縱子模型及其影響因子本文檔共113頁；當前第49頁；編輯于星期三\8點51分當阻遏物與操縱區(qū)相結合時，lacmRNA的轉錄起始受到抑制。誘導物通過與阻遏物結合，改變其三維構象，使之不能與操縱區(qū)相結合，誘發(fā)lacmRNA的合成。本文檔共113頁；當前第50頁；編輯于星期三\8點51分（二）乳糖操縱子的負調控阻遏蛋白與操縱元件結合，阻礙了RNA聚合酶與啟動子Plac的結合，轉錄不能進行，lacZ，lacY、lacA低表達。本文檔共113頁；當前第51頁；編輯于星期三\8點51分mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時阻遏基因本文檔共113頁；當前第52頁；編輯于星期三\8點51分mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時IDNAZYAOPpol啟動轉錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶本文檔共113頁；當前第53頁；編輯于星期三\8點51分(1)lac操縱子的本底水平表達兩個矛盾：誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結合，而轉運誘導物需要轉運酶，轉運酶的合成又需要誘導。人們發(fā)現乳糖并不與阻遏物相結合，真正的誘導物是異構乳糖，而后者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的本文檔共113頁；當前第54頁；編輯于星期三\8點51分解釋：在沒有誘導物的情況下，轉運酶和β-半乳糖苷酶仍有本地水平的表達。阻遏物的結合并非絕對緊密，偶爾會掉下，使得轉錄可以進行。表達量足以使誘導過程得以啟動。本文檔共113頁；當前第55頁；編輯于星期三\8點51分6/27/2023南京農業(yè)大學生命科學學院56（2）大腸桿菌對乳糖的反應在以甘油為碳源的培養(yǎng)基中：加乳糖以前，lac操縱子本底水平表達加乳糖后，阻遏物失活，mRNA大量表達乳糖耗盡，阻遏物濃度逐漸大于異構乳糖，阻遏狀態(tài)重新形成，mRNA水平下降。β-半乳糖苷酶半衰期長，其活性下降滯后。本文檔共113頁；當前第56頁；編輯于星期三\8點51分6/27/2023南京農業(yè)大學生命科學學院57（3）阻遏物lacI基因產物及功能lac操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下永久型合成的，該阻遏蛋白有4個相同的亞基，每個亞基均含有347個氨基酸殘基，并能與1分子IPTG

結合,每個細胞中有5～10個阻遏物分子。lacI基因由弱啟動子變?yōu)閺妴幼?，細胞內將不可能產生足夠的誘導物來克服阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在這些突變體中將不可誘導。本文檔共113頁；當前第57頁；編輯于星期三\8點51分現象：培養(yǎng)基中含葡萄糖、乳糖——lacZ等低表達無葡萄糖、有乳糖——lacZ等高表達lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI問題：是否有另外的調控途徑？（4）葡萄糖對lac操縱子影響本文檔共113頁；當前第58頁；編輯于星期三\8點51分某大腸桿菌突變體，它不能將葡萄糖-6-磷酸轉化為下一步代謝中間物，該細菌的lac基因能在葡萄糖存在時被誘導合成。所以，不是葡萄糖而是它的某些降解產物抑制lacmRNA的合成，科學上把葡萄糖的這種效應稱之為代謝物阻遏效應。本文檔共113頁；當前第59頁；編輯于星期三\8點51分60

（5)cAMP與代謝物激活蛋白cAMP是在腺苷酸環(huán)化酶的作用下由ATP轉變而來的，在真核生物的激素調節(jié)過程中也起著十分重要的作用。本文檔共113頁；當前第60頁；編輯于星期三\8點51分++++轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時有葡萄糖，cAMP濃度低時CAP的正性調節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP本文檔共113頁；當前第61頁；編輯于星期三\8點51分大腸桿菌中的代謝物激活蛋白，由Crp基因編碼，能與cAMP形成復合物。CRP和cAMP都是合成lacmRNA所必需的，cAMP-CRP是一個不同于阻遏物的正調控因子，而lac操縱子的功能是在這兩個相互獨立的調控體系作用下實現的。半乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等在降解過程中均轉化成葡萄糖或糖酵解途徑中的其他中間產物，這些糖代謝中有關的酶都是由可誘導操縱子控制的，被稱為降解物敏感型操縱子，由cAMP-CRP調控。6/27/2023南京農業(yè)大學生命科學學院62本文檔共113頁；當前第62頁；編輯于星期三\8點51分cAMP-CRP結合位點（另一調控元件）（1）位于啟動子Plac上游，與Plac部分重疊（2）能與cAMP-CRP特異結合（3）cAMP-CRP與該位點的結合是lacmRNA合成起始所必須的。Plac/RNApolymerase-50-30-1010130-20-4020-60CRPbindingOlac

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repressor本文檔共113頁；當前第63頁；編輯于星期三\8點51分CRP（1）由CRP基因編碼（2）可通過與cAMP結合而激活，即CRP只有與cAMP結合才有活性本文檔共113頁；當前第64頁；編輯于星期三\8點51分CRP-bindingsiteAANTGTGANNTNNNTCANATTNNTTNACACTNNANNNAGTNAAANNHighlyconservedLessconservedglucoseCRP-cAMPCRPcAMPtranscriptioncAMPreceptorprotein本文檔共113頁；當前第65頁；編輯于星期三\8點51分cAMP-CRP的作用CRP-cAMP與cAMP-CRP結合位點結合，增強了RNA聚合酶與啟動子的結合力，使轉錄效率提高50倍。CRP的結合引起DNA鏈發(fā)生90°的彎曲本文檔共113頁；當前第66頁；編輯于星期三\8點51分lac操縱子小結通常情況（葡萄糖供應正常）阻遏蛋白與操縱序列結合，基因不轉錄。細胞外的乳糖通過透性酶吸收到細胞內；細胞內的β-半乳糖苷酶將乳糖轉變?yōu)楫惾樘?。異乳糖結合到乳糖阻抑物上使之從操縱序列上脫離，聚合酶迅速開始lacZYA基因的轉錄。這就是負控誘導。然而，還需要細菌生長系統(tǒng)中缺少葡萄糖，使cAMP含量增加，才有足夠量的cAMP與CRP結合形成CRP-cAMP復合物結合于Plac上游。使DNA雙螺旋發(fā)生彎曲，轉錄才可以有效地進行。本文檔共113頁；當前第67頁；編輯于星期三\8點51分第三節(jié)色氨酸操縱子與負控阻遏系統(tǒng)本文檔共113頁；當前第68頁；編輯于星期三\8點51分一、組成（一）結構基因基因E、D、C、B、A，編碼色氨酸合成所需要酶類，這些基因頭尾相接串連排列組成結構基因群，組成一個轉錄單元。本文檔共113頁；當前第69頁；編輯于星期三\8點51分（二）調節(jié)基因trpR（1）位置:遠離P-ｏ-結構基因群（2）編碼調控蛋白R（3）R沒有與操縱元件ｏ結合的活性（4）當環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時，R與色氨酸結合后構象變化而活化（5）R與ｏ特異性結合，抑制結構基因的轉錄本文檔共113頁；當前第70頁；編輯于星期三\8點51分（三）操縱元件ｏ（1）18bp的回文結構（2）與色氨酸啟動子Ptrp序列在–21and+3堿基之間重疊（3）與Trp-R特異性結合，阻遏結構基因的轉錄本文檔共113頁；當前第71頁；編輯于星期三\8點51分現象：培養(yǎng)基中Trp濃度較低時---基因E、D、C、B、A高表達Trp濃度較高時---基因E、D、C、B、A低表達二、色氨酸操縱子與轉錄調控本文檔共113頁；當前第72頁；編輯于星期三\8點51分1、Trp操縱子與負控阻遏系統(tǒng)Ⅰ培養(yǎng)基中Trp濃度較低，調控蛋白R不能被活化，未活化的調控蛋白R不能與操縱元件結合，基因E、D、C、B、A高表達。本文檔共113頁；當前第73頁；編輯于星期三\8點51分Trp操縱元與負控阻遏系統(tǒng)本文檔共113頁；當前第74頁；編輯于星期三\8點51分2、Trp操縱子與負控阻遏系統(tǒng)Ⅱ培養(yǎng)基中Trp濃度較高，調控蛋白R與Trp結合，Trp-R復合物與操縱子結合，基因E、D、C、B、A低表達。本文檔共113頁；當前第75頁；編輯于星期三\8點51分Trp操縱元與負控阻遏系統(tǒng)Trp本文檔共113頁；當前第76頁；編輯于星期三\8點51分三、色氨酸操縱子總結1、通常是開放轉錄的，有效應物（色氨酸為阻遏物）作用時則阻遏關閉轉錄。2、負性調控的、可阻遏的操縱子3、色氨酸可以作為共阻抑物起作用，并通過終產物抑制自身的合成（負反饋調節(jié)）。4、細菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都屬于這種類型，其調控可使細菌處在生存繁殖最經濟最節(jié)省的狀態(tài)。本文檔共113頁；當前第77頁；編輯于星期三\8點51分

1、弱化子：在trpmRNA5’端有一個長162bp的mRNA片段被稱為前導區(qū)，其中123～150位堿基序列如果缺失，trp基因表達可提高6-10倍。mRNA合成起始以后，除非培養(yǎng)基中完全沒有色氨酸，轉錄總是在這個區(qū)域終止，產生一個僅有140個核苷酸的RNA分子，終止trp基因轉錄。這個區(qū)域被稱為弱化子，該區(qū)mRNA可通過自我配對形成莖-環(huán)結構。四、弱化子與前導肽本文檔共113頁；當前第78頁；編輯于星期三\8點51分本文檔共113頁；當前第79頁；編輯于星期三\8點51分2、前導肽分析前導序列發(fā)現，它包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA，能產生一個含有14個氨基酸的多肽，這個假設的多肽被稱為前導肽。在前導序列的第10和第11位上有相鄰的兩個色氨酸密碼子。組氨酸操縱子含有7個相鄰的組氨酸密碼子，苯丙氨酸操縱子也有7個苯丙氨酸密碼子，這些密碼子參與了操縱子中的轉錄弱化機制。本文檔共113頁；當前第80頁；編輯于星期三\8點51分6/27/2023南京農業(yè)大學生命科學學院813、mRNA前導區(qū)的序列分析trp前導區(qū)的堿基序列已經全部測定，引人注目的是其中4個分別以1、2、3和4表示的片段能以兩種不同的方式進行堿基配對，有時以1-2和3-4配對，有時只以2-3方式互補配對。終止構型抗終止構型本文檔共113頁；當前第81頁；編輯于星期三\8點51分6/27/2023南京農業(yè)大學生命科學學院82RNaseT1降解實驗（此酶不能水解配對的RNA）表明，純化的trp前導序列中確有1-2和3-4的配對方式，由此定位的3-4配對區(qū)正好位于終止密碼子的識別區(qū)，當這個區(qū)域發(fā)生破壞自我配對的堿基突變時有利于轉錄的繼續(xù)進行。本文檔共113頁；當前第82頁；編輯于星期三\8點51分4、轉錄弱化作用培養(yǎng)基中色氨酸濃度低，負載有色氨酸的tRNATrp就少，翻譯通過兩個相鄰色氨酸密碼子的速度就慢，當4區(qū)被轉錄完成時，核糖體才進行到1區(qū)（或停留在兩個相鄰的trp密碼子處），前導區(qū)2-3配對，不形成3-4配對的終止結構，轉錄繼續(xù)進行。培養(yǎng)基中色氨酸濃度高，核糖體順利通過兩個相鄰的色氨酸密碼子，在4區(qū)被轉錄之前就到達2區(qū)，3-4區(qū)自由配對形成莖-環(huán)狀終止子結構，轉錄停止。所以，弱化子對RNA聚合酶的影響依賴于前導肽翻譯中核糖體所處的位置。本文檔共113頁；當前第83頁；編輯于星期三\8點51分第四節(jié)其它操縱子本文檔共113頁；當前第84頁；編輯于星期三\8點51分典型的操縱子和調控機制還有：半乳糖操縱子阿拉伯糖操縱子阻遏蛋白LexA的降解與細菌中的SOS應答多啟動子的調控的啟動子本文檔共113頁；當前第85頁；編輯于星期三\8點51分一、半乳糖操縱子(galactoseoperon)（一）、結構基因：異構酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉移酶(galactosetransferase,galT)，半乳糖激酶(galactosekinase,galk)。這3個酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖-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。本文檔共113頁；當前第86頁；編輯于星期三\8點51分（二）、gal操縱子的特點：

①它有兩個啟動子，其mRNA可從兩個不同的起始點開始轉錄；

②它有兩個O區(qū)，一個在P區(qū)上游-67--53，另一個在結構基因galE內部。本文檔共113頁；當前第87頁；編輯于星期三\8點51分因為半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人們猜想葡萄糖存在時半乳糖操縱子不被誘導，但實際上有葡萄糖存在時，gal操縱子仍可被誘導?，F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結構基因高效表達）；而另一類突變株中gal基因的表達完全依賴于葡萄糖，培養(yǎng)基中如無葡萄糖存在，這些細菌的gal基因不表達，不合成半乳糖代謝酶類。

本文檔共113頁；當前第88頁；編輯于星期三\8點51分分析gal操縱子P-O區(qū)的DNA序列發(fā)現，該操縱子確實存在兩個相距僅5bp的啟動子，可以分別起始mRNA的合成。每個啟動子擁有各自的RNA聚合酶結合位點S1和S2。從S1起始的轉錄只有在培養(yǎng)基中無葡萄糖時，才能順利進行，RNA聚合酶與S1的結合需要半乳糖、CAP和較高濃度的cAMP。本文檔共113頁；當前第89頁；編輯于星期三\8點51分從S2起始的轉錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由這個啟動子起始的轉錄。當有cAMP-CAP時，轉錄從S1開始，當無cAMP-CAP時,轉錄從S2開始。本文檔共113頁；當前第90頁；編輯于星期三\8點51分

為什么gal操縱子需要兩個轉錄起始位點？半乳糖不僅可以作為唯一碳源供細胞生長，而且與之相關的物質--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大腸桿菌細胞壁合成的前體。在沒有外源半乳糖的情況下，UDP-gal是通過半乳糖差向異構酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，該酶是galE基因的產物。本文檔共113頁；當前第91頁；編輯于星期三\8點51分生長過程中的所有時間里細胞必須能夠合成差向異構酶。現在設想只有S1一個啟動子，那么由于這個啟動子的活性依賴于cAMP-CRP，當培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時就有能合成異構酶。假如唯一的啟動子是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狀態(tài)，這無疑是一種浪費。無論從必要性或經濟性考慮，都需要一個不依賴于cAMP-CAP的啟動子（S1）對高水平合成進行調節(jié)。本文檔共113頁；當前第92頁；編輯于星期三\8點51分本文檔共113頁；當前第93頁；編輯于星期三\8點51分MapoftheE.coligaloperonandnucleotidesequenceoftheregulatoryregion本文檔共113頁；當前第94頁；編輯于星期三\8點51分二、組氨酸操縱子

與His降解代謝有關的兩組酶類被稱為hut酶(histidineutilizingenzyme)，控制這些酶合成的操縱子被稱為hutoperon。由一個多重調節(jié)的操縱子控制，有兩個啟動子，兩個操縱區(qū)及兩個正調節(jié)蛋白。

Hut操縱子共編碼4種酶和一個阻遏物。4種酶分別由hutG、hutH、hutI及hutU基因編碼，阻遏物則由hutC基因編碼。在產氣克氏菌中，以上基因構成兩個轉錄單位，hutI、hutG、hutC和hutU、hutH分別被轉錄合成兩條mRNA長鏈。這兩個轉錄單位各自都有一個啟動子和一個操縱區(qū)，其轉錄過程都是從左向右進行的，hutC阻遏物能與每個操縱區(qū)相結合。本文檔共113頁；當前第95頁；編輯于星期三\8點51分無論以組氨酸作為唯一碳源或氮源，hut操縱子都會處于有活性狀態(tài)。Hut操縱子的每一個啟動子上都有cAMP-CAP結合位點，當碳供應匱乏時，能合成cAMP，出現cAMP-CAP復合物，并與操縱區(qū)上的相應位點結合，誘發(fā)基因轉錄。雖然尚不清楚氮源缺乏時的信號是什么，但它很可能也是一個正效應子。本文檔共113頁；當前第96頁；編輯于星期三\8點51分本文檔共113頁；當前第97頁；編輯于星期三\8點51分第五節(jié)固氮基因及其調控本文檔共113頁；當前第98頁；編輯于星期三\8點51分一、根瘤的產生根瘤菌細胞以極性的方式與根毛接觸，并附著到植物細胞上。根瘤菌產生寡聚糖來刺激植物分泌凝血素。通過對快速生長的根瘤菌株系的研究發(fā)現與固氮有關的許多基因都位于然熱體之外的大質粒上。這些基因發(fā)生缺失，根瘤菌就不能形成根瘤或者不能使植物固氮。本文檔共113頁；當前第99頁；編輯于星期三\8點51分二、固氮酶鐵鉬蛋白鐵蛋白TeMoCo本文檔共113頁；當前第100頁；編輯于星期三\8點51分三、與固氮有關的基因及其調控與固氮有關的基因都位于染色體外的大質粒上。當這些基因發(fā)生缺失，根瘤菌就不能使植物形成根瘤或不能使植物固氮。（P228）本文檔共113頁；當前第101頁；編輯于星期三\8點51分nifAL基因控制了整個固氮酶系統(tǒng)的表達和活性。nifA和nifL基因的產物分別是nif操縱子的正和負調控因子。當細胞內沒有nifL蛋白時，nifA基因產物足以激活其他nif基因的表達，甚至在沒有NH3和O2時也如此。nifAL的蛋白質對nifH啟動子的轉錄激活作用與NH4+含量和O2無關。根瘤內和體外培養(yǎng)的根瘤菌固氮酶活性一般受NH4+含量和O2濃度兩大因素的影響。本文檔共113頁；當前第102頁；編輯于星期三\8點51分第六節(jié)轉錄后調控

本文檔共113頁；當前第103頁；編輯于星期三\8點51分6/27/2023南京農業(yè)大學生命科學學院104基因表達的轉錄調控是生物最經濟的調控方式。但轉錄生成mRNA以后，再在翻譯或翻譯后水平進行“微調”，是對轉錄調控的補充，它使基因表達的調控更加適應生物本身的需求和外界條件的變化。調控方式有：mRNA自身結構元件對翻譯起始的調控mRNA穩(wěn)定性對轉錄水平的影響調節(jié)蛋白的調控作用反義RNA的調節(jié)作用稀有密碼子對翻譯的影響重疊基因對翻譯